ANTIBIOTICI β-lattamici

(1)

Chimica Farmaceutica 1

Antibatterici

ANTIBIOTICI β-LATTAMICI

Premio Nobel 1945 Fleming, Chain & Florey

"One sometimes finds what one is not

looking for"

(2)

Antibatterici Antibatterici

• Penicilline, cefalosporine e altri

• Analogie strutturali

• Meccanismo d’azione comune

O N H

nucleo β-lattamico (azetidinone) In pratica è il farmacoforo

(3)

Antibatterici

β-lattamici

O N

S

Penam penicilline

O N

S

Penem faropenem

O N

Carbapenem tienamicine

O N

O

Clavam (Oxapenam) Acido clavulanico

O N H

(4)

O N

S

Penam penicilline

O N

S

Penem faropenem

O N

O

O N

S

Cefem

cefalosporine, cefamicine

Oxacefem latamoxef

O N

O

O N

Carbacefem lorcabacef

O NH

Monobactam nocardicine (aztreonam)

O N H

(5)

Antibatterici

β-lattamici

L-Ala D-Glu L-Lys

L-Ala D-Glu L-Lys L-Ala

D-Glu

L-Lys L-Ala

D-Glu L-Lys

L-Ala D-Glu L-Lys

NAM NAG NAM NAG NAM

INIBIZIONE DELLA

FORMAZIONE DI QUESTI LEGAMI

N

S Me

Me H

N

CO₂H O

C H H

O

R

From Patrick

(6)

Transpeptidasi

(PBP, Penicillin Binding Proteins)

Acilazione selettiva e irreversibile

Antibatterici

HN

S

COO^- H

CH₃ CH₃ HN

O

NH₃⁺ R

O

Enzima

(7)

Antibatterici

β-lattamici

Peptide Chain

D-Ala D-Ala CO2H

OH

Gly

H OH

D-Ala Gly

O D-Ala

OH

Gly

H

Blocked H₂O

Blocked

C H R

O

CO₂H NH

O Me

Me N

S

HN O O

Me Me NH

CO2H C

O

R H

S

HN O O

Me Me NH

CO2H C

O

R H

Blocked Irreversibly blocked

From Patrick Chimica Farmaceutica 1

Antibatterici

β-lattamici

D-Ala D-Ala CO2H

OH

Gly

H OH

D-Ala Gly

O D-Ala

OH

Gly

H

Blocked H₂O

Blocked

C H R

O

CO₂H NH

O Me

Me N

S

HN O O

Me Me NH

CO2H C

O

R H

S

HN O O

Me Me NH

CO2H C

O

R H

Blocked Irreversibly blocked

From Patrick

(8)

H

CO₂H H

N

O Me

Me N

C S R

O

HO

OH

Active Site

D-A l a- D -A la

Blocked

H

Acylation

OH

O

H

CO₂H H

N

Me Me HN

C S R

O

b -lattamici

• Acilanti efficaci (molto più reattivi delle normali ammidi)

• Acilenzima formato: STABILE all’idrolisi

• Inattivazione irreversibile delle transpeptidasi

• Analogia strutturale delle penicilline ed altri β-lattamici con D-Ala-D-Ala

From Patrick

(9)

Antibatterici

β-lattamici

N

S Me Me H

N H H

CO₂H O

C O

R

Nu Enz

C H N

C

CO₂H H

H

Me S Me

HN O

R O

Nu-Enz

-H ^N

S Me Me H

N H H

CO₂H O

C

H Enz-Nu

O R

Penicillina Acil-D-Ala-D-Ala

H H

CO₂H H

N

O Me

Me

N C S

R

O

Me

CO₂H H

N

O CH₃

H N H

H C

R

O

6-metilpenicillina

• Analogo migliore

• INATTIVA

H S N

Me

O Me H N

CO₂H C Me

R

O

From Patrick

(10)

Antibatterici

• 1928 Fleming - colonia fungina Penicillium chrysogenum (Penicillium notatum)

• 1938 Dimostrazione di non tossicità e attività antibatterica

• 1938 Isolato e purificato da Florey e Chain

• 1941 Prima sperimentazione clinica di successo

• 1944 Fermentazione su larga scala

• 1945 Dorothy Hodgkin-Crowfoot – Oxford University (Nobel 1964):

Struttura cristallografia a raggi X

• 1957 Sintesi completa sviluppata da Sheehan

• 1958-60 Isolamento di 6-APA da Beecham

• Sviluppo di penicilline semisintetiche

• Scoperta di acido clavulanico e inibitori della β-lattamasi

(11)

Antibatterici

β-lattamici

O N

S

Penam penicilline

O N

S

Penem faropenem

O N

O

O N

S

Cefem

cefalosporine, cefamicine

Oxacefem latamoxef

O N

O

O N

Carbacefem lorcabacef

O NH

Monobactam nocardicine (aztreonam)

O N H

(12)

Catena laterale varia (diverso acido carbossilico nel mezzo di fermentazione)

present in corn steep liquor

Penicillin G

CH₂ CO₂H

Benzyl penicillin (Pen G) R =

Phenoxymethyl penicillin (Pen V)

Prima penicillina somministrata per os

CH₂

O CH₂ ^OCH² ^CO²^H Penicillin V

Antibatterici From Patrick

CYS VAL

S N

Me

O Me HN

CO₂H C

R O

(13)

6-Aminopenicillanic acid (6-APA)

Anello tiazolidinico

Acyl side chain

N

S Me

Me HN H H

CO₂H O

C O

R

Antibatterici

Penicilline

From Patrick

H N

O

C NH O R

H

S

CO₂H H

Me

..

(14)

Antibatterici

• NO interazione del lone pair dell’azoto con il carbonile

• Gruppo carbonilico reattivo Ammide terziaria

C O R

NR₂ Non reattiva

R C

R N O

R

b -Lattame

N

S

O H

Me

Me CO₂H

Non permesso (Strain)

N

S

Me

CO₂H

X

O

(15)

Antibatterici

Penicilline

• Porzione ammidica e carbossilica:

coinvolte nel binding

• Acido carbossilico: forma ionica

• Apertura dell’anello β-lattamico

Bicyclic system essential

N

S Me

Me H

N

CO₂H O

C H H

O

R

Carboxylic acid essential

Cis Stereochemistry essential

β−Lactam essential Amide essential

• Sistema biciclico: aumento dello strain dell’anello

• Poche variazioni strutturali

• Catena laterale

HN S

COO^- H

CH₃ CH₃ HN

O

NH₃⁺ R

O

(16)

Antibatterici

• Spettro antimicrobico

• Suscettibilità alla degradazione acida

• Sensibilità alle b -lattamasi

• Farmacocinetica

b -lattamasi

(-OCH

₃

, Temocillina)

• Gruppo carbossilico libero

• Se esterificato: idrolisi in vivo (Profarmaci)

O N

S CH

₃

CH

₃

COOR

₃

H N

R

₁

O

H

R

₂

(17)

Antibatterici

• Reazione anche in acqua a freddo

• Reazione catalizzata dalle b-lattamasi (penicillinasi)

• Reazione che avviene anche con altri nucleofili

• Nucleofili parte di una proteina: apteni (effetto antigenico)

Penicilline

(18)

Antibatterici

(19)

Antibatterici

H2O

H N

S Me

Me H

N H H

CO₂H O

C O

R

Diminuzione dello strain dell’anello

C H N

HO₂C

CO₂H H

H

Me S Me

HN O

R

Catalisi anche enzimatica

N

S Me

Me H

N H H

CO₂H O

C

HO O

R

Participazione del gruppo acilico al meccanismo d’idrolisi

H

Reazioni successive -_H

N S

O N

O

R R

O N

O

S

HN

C N

O

S

N H R

O

H

Penicilline

(20)

PENICILLINA G

• Attiva verso Bacilli G(+) e alcuni Cocci G(-)

• Non tossica

• Limitata attività

• Non attiva per via orale

• Sensibile alla β-lattamasi (enzimi idrolizzano l'anello β-lattamico)

• Reazioni allergiche

• Inattiva vs stafilococchi

Problemi

• Instabilità chimica

• Sensibilità alle b-lattamasi

• Ristretto spettro d’azione

Antibatterici

(21)

Antibatterici

O N

S CH₃ CH₃ COOH HN

R O

H

O N

S CH

₃

CH

₃

COOH H

₂

N H

O N

S CH

₃

CH

₃

COOH H N

R O

H

H₂N

COOH H₂N

COOH SH H₂N

COOH

L-valina L-cisteina

L-a-aminoadipato Penicilline naturali

R= -CH₂Ph (Benzilpenicillina, Penicillina G)

R= -CH₂OPh (Fenossimetilpenicillina, Penicillina V)

Fermentazione (P. chrysogenum)

Acido 6-amminopenicillanico (6-APA) Idrolisi selettiva

(Chimica o enzimatica) (Penicilloamidasi)

Penicilline semisintetiche Fermentazione

senza acidi arilacetici

Penicilline

Sintesi totale: 1% di resa totale

(22)

Antibatterici

• Reazione con PCl₅

• Coinvolgimento del doppietto elettronico dell’azoto

• Doppietto elettronico di N non disponibile per l’azoto b-lattamico

• Selettività per azoto in 6

N NH S

O CO₂H C

O PhCH₂

PCl₅

PEN N

C Cl PhCH₂

ROH

PEN N

C OR

PhCH₂ ^H²^O _6-APA

Idrolisi chimica selettiva

O N

S CH₃

CH₃ COOH

2

(23)

Antibatterici

• Batteri G(-): lipopolisaccaride, NO accesso alla parete cellulare

• Assenza di peptidoglicano nella parete (Chlamidia) – resistenza intrinseca

• Attraversamento della membrana mediante porine (per piccole molecole idrofile come zwitterioni )

• Alterazione delle porine in numero e natura

• Elevati livelli di transpeptidasi

• Transpeptidasi con bassa affinità per le penicilline

• Mutazioni delle transpeptidasi

Penicilline: ^resistenza

(24)

Antibatterici

• Presenza di b-lattamasi

• Concentrazione di b-lattamasi nello spazio periplasmatico

• Trasferimento di b-lattamasi tra i ceppi

• Meccanismi di efflusso

(25)

Antibatterici

Penicilline

C E.W.G.

O

H N

O

S N

H

Aumento della stabilità all’ambiente acido

• Variazioni possibili a livello di gruppo acilico

• Gruppi elettron-attrattori

• Ossigeno carbonilico meno nucleofilo

Nucleofilia ridotta

N

S H

N

O C

O CH₂

PhO H

Penicillina V (attiva per os)

Elemento

elettronegativo

(26)

Antibatterici

Aumento della stabilità all’ambiente acido

N

S H

N

O C

O CH₂

PhO H

Penicillina V

• Ottime penicilline semisintetiche (e.g.

ampicillina, oxacillina)

• Migliore stabilità in ambiente acido

• Attiva e somministrabile per os

• Sensibile alle β-lattamasi

• Lievemente meno attiva della penicillina G

• Problemi di allergie in alcuni pazienti

X = NH₂, Cl, PhOCONH, Heterocycles, CO₂H

C HC

O

HN

O

S N

X

R

α H

(27)

Antibatterici

Penicilline

• Raggruppamento α-aminofenilacetico

• Spettro di attività maggiore rispetto alla benzilpenicillina

• Generalmente attiva contro i batteri Gram(+)

• Gram(-) sensibili (E. coli, H. influenzae e Salmonella spp)

• Maggiore capacità di penetrazione attraverso le porine

• Fenomeni di chemioresistenza sempre più frequenti

HN

O NH₂

Aumento della stabilità all’ambiente acido

Ampicillina

(28)

Antibatterici

HN

O NH₂

Aumento della stabilità all’ambiente acido Ampicillina

• Acido-stabile

• Somministrabile per os

• Sensibile alle penicillinasi

• Associata in alcune specialità con il sulbactam (cfr. inibitori delle β- lattamasi)

• Infezioni delle vie respiratorie, urinarie, del tratto gastrointestinale, otiti, endocarditi, gonorrea, infezioni chirurgiche, trattamento pre e post chirurgico

• Efficace nel trattamento della meningite

(29)

O

N H

N C

C

NH₂

S Me Me CO₂R H H

H

O

PIVAMPICILLIN R = CH₂O

C O

CMe₃

TALAMPICILLIN

R = ^O

O

BACAMPICILLIN R = ^CH

Me

O C O

O CH₂Me

Penicilline

Profarmaci dell’ampicillina

BACAPICILLIN

(30)

Amoxicillina

H C

H

O H C N

NH₂ HO

O

(31)

Antibatterici

Lattamasi

• Inattivazione delle penicilline, con apertura dell’anello β-lattamico

• Trasferibili tra ceppi batterici (resistenza acquisita)

• Importante nelle infezioni da Staphylococcus aureus nocosomiali

• Infezioni nosocomiali: 80% da stafilococco resistente alla penicillina e ad altri agenti antibatterici, sin dagli anni ’60

• Meccanismo di inibizione uguale al meccanismo di azione sul target

• Prodotto rimosso efficacemente dal sito attivo delle lattamasi

b-Lattamasi

N

S Me

Me H

N

CO₂H O

C H

O

R

C H N

CO₂H Me S Me

HN H

HO₂C O

R

From Patrick

(32)

Antibatterici

• Uso di porzioni ingombranti stericamente sulla catena laterale

• Blocco dell'accesso al sito attivo dell'enzima

• Dimensione dell’ingombro

• Fondamentale per inibire la reazione di penicilline con β-lattamasi, ma non quella con la transpeptidasi bersaglio

Inibizione delle b -lattamasi

Bulky group

C R

H N

O

CO₂H Me S Me

N

H H

O

From Patrick

(33)

Antibatterici

Meticillina

• Gruppi metossi in orto

• Blocco dell'accesso alla b-lattamasi, ma non alla transpeptidasi

• Legame meno agevole sulla transpeptidasi rispetto alla penicillina G

• Minore attività rispetto alla penicillina G verso batteri sensibili alla penicillina G stessa

• Scarsa attività contro alcuni streptococchi

N

S Me

Me H

N

CO₂H O

MeO

OMe

H H C

O

From Patrick

(34)

Antibatterici

• NO batteri Gram(-)

• Spettro d’azione ristretto

• Attiva contro alcuni ceppi resistenti alla penicillina G (es. Staphylococcus)

• Sensibile all’ambiente acido

• Oralmente inattiva

• Preparazioni iniettabili

N

S Me

Me H

N

CO₂H O

MeO

OMe

H H C

From Patrick

(35)

Antibatterici

Nafticillina

From Patrick

HN

O OCH₃

• penicillinasi-resistente

• acido-stabile

• assorbita irregolarmente per somministrazione orale

• In Italia: uso veterinario

(36)

• Resistenti all’ambiente acido

• Attive per os

• Resistenti alle b-lattamasi

• Attive vs. Staphylococcus aureus

• Meno attive di altre penicilline

• Inattive vs. batteri Gram(-)

Oxacillina R = R' = H

Cloxacillina R = Cl, R' = H Flucloxacillina R = Cl, R' = F

N O

C O

HN

O

CO₂H Me S Me

N R'

R

Me

H H

(37)

Antibatterici

Evoluzioni successive

From Patrick

Oxacillina R = R' = H

Cloxacillina R = Cl, R' = H Flucloxacillina R = Cl, R' = F

N O

C O

HN

O

CO₂H Me S Me

N R'

R

Me

H H

• R & R’: influenza su assorbimento e legame alle proteine plasmatiche

• Cloxacillina: meglio assorbita dell’oxacillina

• Flucloxacillina: meno legata alle proteine plasmatiche

• Per infezioni stafilococciche

delle vie respiratorie, della pelle dei tessuti molli

del tratto genito-urinario

• In osteomieliti, endocarditi e infezioni SNC

(38)

NCS

(39)

Antibatterici

Oxacillina

From Patrick

(40)

Ampliamento dello spettro d’azione

• Catene laterali idrofobiche: buona attività contro G(+), scarsa verso G(-)

• Aumento idrofobicità: poco effetto su G(+), DIMINUZIONE dell'attività verso i G(-)

• Aumento idrofilia: poco effetto su G(+), AUMENTO dell'attività verso G(-)

• Gruppi idrofili in posizione a (NH₂, OH, CO₂H): aumento dell'attività verso i G(-)

(41)

Antibatterici

Evoluzioni successive

From Patrick

Ampliamento dello spettro d’azione

H H

O

N H

N C

CH CO₂R

S Me Me CO₂H O

R = H Carbenicillina R = Ph Carfecillina CARBOSSIPENICILLINE

• Carfecillina: profarmaco della carbenicillina

• Attiva su più Gram(-) dell’ampicillina

• Attiva contro Pseudomonas aeruginosa

• Resistente alla maggior parte delle b- lattamasi

• Meno attive verso i G(+) (gruppo idrofilo)

• Acido-sensibile, ev

• Stereochimica in posizione a importante

• Carbossile in a: ionizzato a pH ematico

(42)

S N

Me O Me

H H

CO₂H HN

O CO₂H

S

Ticarcillina

• Somministrabile parenteralmente

• Identico spettro antibatterico della carbenicillina

• Maggiore efficacia rispetto alla carbenicillina (dosi inferiori)

• Più efficace contro P. aeruginosa

• Minor numero di effetti collaterali

• Somministrato anche con acido clavulanico

CARBOSSIPENICILLINE

(43)

Antibatterici

Evoluzioni successive

From Patrick N

S

COOH CH₃ CH₃ HN

O

O COOH

S

OCH₃

Temocillina

• Penicillina iniettabile semisintetica

• Resistente a molte b-lattamasi

• Elevata attività verso G(-), escluso P. aeruginosa

• Scarsa attività verso i microrganismi G(+)

• Posizione 6 del nucleo della ticarcillina: raggruppamento metossilico tipico delle cefamicine (vedi dopo)

• No resistenza crociata con cefalosporine

CARBOSSIPENICILLINE

(44)

• Spettro d’azione molto ampio (P. aeruginosa, enterococchi)

• Attività verso G(+)

• Potenti verso i G(-)

• Somministrate assieme a un inibitore delle b-lattamasi

• Somministrazione parenterale

Azlocillina Mezlocillina

Piperacillina

S N

Me O Me

H H

CO₂H HN

O NH O

R₂N

HN N O

N N MeO₂S O

N N O O

Et

ANTIBIOTICI β-lattamici