Открытие и разработка цефалоспоринов

Цефалоспорины представляют собой широкий класс бактерицидных антибиотиков , которые включают β-лактамное кольцо и имеют структурное сходство и механизм действия с другими β-лактамными антибиотиками (например, пенициллинами , карбапенемами и монобактамами ). ^[1] Цефалоспорины (и другие β-лактамы) обладают способностью убивать бактерии, ингибируя основные этапы синтеза клеточной стенки бактерий, что в конечном итоге приводит к осмотическому лизису и гибели бактериальной клетки. ^[2] Цефалоспорины являются широко используемыми антибиотиками из-за их клинической эффективности и желаемого профиля безопасности. ^[3]

Цефалоспорины различаются по спектру антибактериального действия , растворимости в воде , кислотоустойчивости, пероральной биодоступности , биологическому периоду полураспада и другим свойствам. Поэтому цефалоспорины можно дополнительно классифицировать по поколениям в зависимости от антибактериальной активности, времени изобретения и структурной основы.

Ядро основной молекулы цефалоспорина состоит из двухкольцевой системы, которая включает β-лактамное кольцо, конденсированное с дигидротиазиновым кольцом. Само ядро ​​также может называться 7-аминоцефалоспорановой кислотой , которая может быть получена путем гидролиза из природного соединения цефалоспорина C. Химические соединения, содержащие это ядро, относительно стабильны к кислотному гидролизу и устойчивы к β-лактамазам . Цефалоспорин C содержит боковую цепь, которая получена из D-аминоадипиновой кислоты. Модификация боковых цепей в соответствующих положениях использовалась для создания совершенно нового класса цефалоспориновых антибиотиков. Модификация боковых цепей в положении 7 лактамного кольца, по-видимому, влияет на антибактериальную активность, в то время как положение 3 дигидротиазинового кольца изменяет фармакокинетические свойства и сродство к связыванию рецепторов. ^{[4] [5]}

Первые химические соединения группы цефалоспоринов были выделены из Cephalosporium acremonium , грибка, продуцирующего цефалоспорины, впервые обнаруженного Джузеппе Бротцу в 1948 году в сточных водах у побережья Сардинии . ^[1] Из сырых фильтратов культуры Cephalosporium acremonium ученые получили новую антибактериальную активность. Было отмечено, что сырой фильтрат может подавлять рост Staphylococcus aureus . ^[3]

Дальнейшие исследования сэра Эдварда Абрахама и Гая Ньютона были проведены в Англии , и выделение культуральной жидкости из сардинского грибка дало цефалоспорины P, N и C. Эти природные соединения оказались недостаточно эффективными для использования в качестве противомикробных агентов, но с помощью химических методов и удаления естественной боковой цепи удалось получить 7-аминоцефалоспорановую кислоту ( 7-ACA ), которая могла быть дополнительно дополнена неестественными боковыми цепями. 7-ACA аналогична 6-аминопенициллановой кислоте ( 6-APA ), исходному блоку для создания нескольких производных пенициллинов. ^[1]

В 1959 году Абрахам сообщил, что его N-фенилацетилпроизводное цефалоспорина С было гораздо более эффективным против штаммов Staphylococcus aureus, чем исходное соединение. Это производное позже было названо Цефалорам, цефалоспориновый аналог бензилпенициллина . ^{[ необходима цитата ]}

Eli Lilly разработала метод получения 7-ACA, основанный на расщеплении боковой цепи α-аминоадипоила цефалоспорина C. ^[6] Дальнейшие работы Роберта Морина привели к полусинтезу 3-деацетокси-7-ACA (7-ADCA) из пенициллинов, что удобно, поскольку пенициллины можно ферментировать легче , чем цефалоспорины. Например, 7-ADCA можно полусинтезировать за семь этапов химической реакции из феноксиметилпенициллина . ^[1]

Цефалотин , цефалоспорин первого поколения для парентерального применения, был первым цефалоспорином, который стал доступен для пациентов в США в 1964 году. Он был выбран для клинических испытаний из серии производных 7-ACA, подготовленных в Eli Lilly . ^[7] Второй цефалоспорин для парентерального применения стал доступен немного позже и был представлен на рынке в США под названием Цефалоридин . Клинические успехи этих двух цефалоспоринов побудили исследователей улучшить фармакологические свойства и разработать больше агентов. ^{[8] [9]} Сегодня у нас остались тысячи полусинтетических аналогов природных цефалоспориновых соединений, основанных на знаниях, полученных в результате интенсивных исследований химии этих двух исходных материалов. ^[1]

Бактерицидное действие β-лактамных антибиотиков достигается за счет ингибирования синтеза клеточной стенки бактерий. Клеточная стенка как грамположительных, так и грамотрицательных бактерий представляет собой прочную ковалентно связанную и сшитую сеть пептидогликана и необходима для роста бактерий , деления клеток и клеточной структуры. Поэтому бактериям нужны ферменты , которые могут расщеплять клеточную стенку во время роста и деления бактерий. Клеточная стенка бактерий строится в два этапа снаружи клетки. На первом этапе молекулы дисахаридных единиц, связанных с пептидами на их концах, транспортируются из цитоплазмы бактерий и соединяются вместе снаружи стенки трансгликолазой . На втором этапе транспептидаза связывает вместе длинные полисахаридные цепи, которые связаны друг с другом посредством пептидных связей . Аминокислотная последовательность D -аланил- D -аланина распознается транспептидазой на конце пептидной цепи. Фермент отщепляет аланин на конце и присоединяет остаток к пептидной цепи из соседнего полисахарида. ^[10] Эта реакция транспептидации ингибируется β-лактамными антибиотиками, такими как цефалоспорины. Из-за этого ингибирования антибиотики наиболее эффективны, когда бактерии находятся в логарифмической фазе роста, когда они синтезируют клеточную стенку. Если бактерии находятся в стационарной фазе роста, то синтез стенки не происходит, и антибиотики оказывают гораздо более слабый эффект. ^[3]

Хотя механизм действия β-лактамных антибиотиков не полностью известен, считается, что они осуществляют свой механизм действия, имитируя структуру переходного состояния химической реакции, когда транспептидаза связана с последовательностью D-аланил-D-аланин. ^[10] Эти белки часто называют пенициллинсвязывающими белками (PBP). Открытие β-лактамного кольца остатком серина в сайте связывания фермента приводит к ковалентному связыванию молекулы антибиотика с активным сайтом фермента. Результатом является неактивный необратимо связанный ферментный комплекс, который не способен к дальнейшему синтезу клеточной стенки, и клетка погибнет от осмотического лизиса. ^{[2] [10] [11]}

Молекулярную структуру цефалоспорина можно изменять различными способами для улучшения стабильности in vitro , антибактериальной активности и устойчивости к β-лактамазам. В кислых условиях желудка стабильность in vitro можно повысить путем добавления амино и водорода в положения α1 и α2 структуры цефалоспорина. Это приводит к образованию основного соединения, иона аммония , который протонируется в указанных условиях, что дает нам более стабильный β-лактам, что приводит к перорально активному препарату. Антибактериальная активность может быть повышена, если A2 представляет собой алкоксигруппу вместо водорода. 7-аминогруппа имеет решающее значение для антибактериальной активности. В некоторых случаях при добавлении метоксигруппы в положение A2 стабильность цефалоспорина повышается по отношению к β-лактамазам. В положении A1 в кольцо можно поместить серу и кислород . Сера проявляет лучшую антибактериальную активность, но кислород проявляет лучшую стабильность по отношению к β-лактамазам. В позиции C6 водород имеет решающее значение для биологической активности. В позиции A3 антибактериальная активность выше, когда A3 представляет собой 5-членный гетероцикл вместо 6-членного. В позиции α1 и α2 L- изомер в 30–40 раз более стабилен по отношению к β-лактамазе, чем D-изомер. Стабильность по отношению к β-лактамазе может быть увеличена примерно в 100 раз при добавлении метоксиоксима . Z-оксим почти в 20 000 раз более стабилен, чем E-оксим. ^[1]

Достижения в области рекомбинантной белковой инженерии и экспрессии, очистки белков , ЯМР , рентгеновской кристаллографии и вычислительной химии улучшили навыки разработчиков лекарств в использовании данных, которые были собраны о трехмерных структурах комплексов белковых лигандов . ^[12]

Большинство видов бактерий имеют различные типы PBP, которые различаются по разным признакам, таким как ферментативная функция, молекулярная масса и сродство к β-лактамным антибиотикам. Существует два типа ферментов, которые особенно интересны в отношении места связывания β-лактамов: PBP и β-лактамазы. Целевые изменения в месте связывания PBP привели к высокому уровню устойчивости β-лактамов среди бактерий, таких как стафилококки , энтерококки и пневмококки . ^[13] Например, место связывания PBP2 в Neisseria gonorrhoeae было структурно определено и имеет три мотива последовательности , которые можно увидеть почти во всех ферментах, взаимодействующих с β-лактамами:

• Мотив SXXK расположен на N-конце спирали α2 и включает два остатка, которые важны для функционирования фермента.
  • Ser-310: содержит сериновый нуклеофил , который ацилируется как пептидным субстратом , так и β-лактамными антибиотиками.
  • Lys-313: играет важную роль в обеспечении плотной водородно-связанной сети в активном центре и находится на расстоянии от Ser 310, ASN-364 и карбонильного остова Ser-362.
• Мотив SXN, включающий Ser-362, Ser-363 и Asn-364
• Мотив KTG, включающий Lys-497, Thr-498 и Gly-499

Исследования также показывают, что смежные области активного центра, которые различаются у разных ППБ, оказывают значительное влияние на скорость ацилирования β-лактама. ^[14]

Бактериальная резистентность к цефалоспориновым соединениям может возникать по трем механизмам. ^{[ необходима цитата ]}

• Изменения в целевом PBP
• Инактивация лекарств бактериальными β-лактамазами
• Препарат не способен достичь целевого PBP в бактериальной клетке

Цефалоспорины должны проникнуть через клеточную стенку бактерий, чтобы достичь целевого PBP. Для сравнения, легче проникнуть через клеточную стенку грамположительных бактерий, чем через клеточную стенку грамотрицательных бактерий. Структура клеточной стенки грамположительных бактерий обычно состоит из пептидогликана, который позволяет проходить молекулам размером с цефалоспорин. Структура клеточной стенки грамотрицательных бактерий более сложная, состоит из полисахаридов, липидов и белков, и ее труднее проникнуть. Частицы проникают через внешнюю мембрану через заполненные водой каналы, или порины , которые являются трансмембранными белками. ^[15] Во время воздействия цефалоспоринов бактерии могут формировать устойчивость сами по себе или в качестве отбора следующего поколения бактерий после самовоспроизведения путем мутации . ^[16] Такие виды бактерий, как пневмококки и менингококки, могут приобретать экзогенный генетический материал и включать его в свои собственные хромосомы , что приводит к устойчивости к противомикробным препаратам. ^[17] Таким образом, целевой PBP может быть изменен, чтобы снизить его привлекательность для цефалоспоринов и других β-лактамных антибиотиков. ^{[18] [19]} Бактерии также могут заменить PBP, который уязвим для бета-лактамных антибиотиков, на PBP, который менее уязвим. ^[20] β-лактамные антибиотики могут быть инактивированы многими типами β-лактамаз , которые вырабатываются бактериями. Ферменты гидролизуют связь между атомом углерода и азота β-лактамного кольца. Существует много бета-лактамаз, которые различаются по субстратной специфичности и диапазону хозяев. ^{[21] [22]} Активный центр фермента легко регенерируется гидролитически, поэтому его можно использовать многократно, таким образом, сравнительно небольшое количество бета-лактамаз может разрушить большое количество препарата. Грамположительные бактерии, такие как стафилококки, имеют высокий уровень высвобождения бета-лактамаз в их внеклеточное пространство, где они встречают лекарство снаружи клеточной стенки. Грамотрицательные бактерии, с другой стороны, следуют более консервативному курсу. Они секретируют свои бета-лактамазы в периплазматическое пространство между внутренней и внешней мембраной, поэтому они не могут легко выйти во внеклеточное пространство, и им не нужно биосинтезироваться в больших количествах. ^[1]

В этом разделе будет рассмотрено развитие лекарств от одного поколения к другому с акцентом на структурные различия между поколениями. Система классификации поколений основана на разделении цефалоспоринов по их химическим свойствам и их относительной активности против грамотрицательных и грамположительных бактерий. ^{[5] [14]} От цефалоспоринов первого поколения к третьему поколению наблюдается развитие от большей эффективности против грамположительных бактерий к большей эффективности против грамотрицательных бактерий и меньшей эффективности против грамположительных бактерий соответственно. Однако активность возвращается к сбалансированной эффективности против грамотрицательных и грамположительных бактерий в четвертом поколении. ^[23]

Класс цефалоспоринов очень обширен, поэтому необходима хорошая система классификации, чтобы отличать разные цефалоспорины друг от друга. Существует несколько химических и активных характеристик, которые можно было бы использовать для классификации, например, химическая структура, свойства боковой цепи, фармакокинетика, спектр активности или клинические свойства. Несмотря на эти изменчивые характеристики, наиболее распространенной системой классификации цефалоспоринов является их разделение на поколения. Система поколений основана на различной антимикробной активности, проявляемой разными цефалоспоринами. ^{[3] [4] [24]}

Цефалоспорины первого поколения были первыми цефалоспоринами на рынке. Они обладают хорошей антимикробной активностью против грамположительных бактерий, но ограниченной активностью против грамотрицательных видов. ^[25] Химическая структура цефалоспоринов первого поколения довольно проста. Например, три препарата из этого класса ( цефалексин , цефрадин и цефадроксил ) все имеют одну метильную группу в положении C-3. Общие боковые группы в положении C-3 для цефалоспоринов первого класса представляют собой небольшие незаряженные группы, такие как метил. ^[5] Метильная группа в положении C-3 дает низкое сродство к обычному PBP, что может частично объяснить относительно низкую активность этих первых препаратов. Однако у Cefaclor есть группа Cl в положении C-3, что обеспечивает ему лучшее связывание с PBP и, таким образом, лучшую антимикробную активность. Нет единого мнения о классификации цефаклора как цефалоспорина первого поколения из-за группы Cl в положении C-3 и, следовательно, его улучшенной активности, но его часто классифицируют как таковой из-за его боковой цепи C-7, которая больше связана с первым поколением, чем со вторым. Все цефалоспорины первого поколения имеют α-аминогруппу в положении C-7. Эта структура делает их уязвимыми для гидролиза β-лактамазами. ^{[5] [9]}

Ранние цефалоспорины второго поколения очень похожи по базовой структуре на первое поколение. Однако у лоракарбефа нет нормального дигидротиазинового кольца, а есть карбацефем , в кольце которого вместо атома серы находится атом углерода, что делает его тетрагидропиридиновым кольцом. Это химическое свойство обеспечивает лоракарбефу лучшую стабильность в плазме при сохранении характеристик пероральной абсорбции и сродства к связыванию с ПСБ. 7 - фенилглицин делает его доступным для приема внутрь, а хлор в положении С-3 делает его таким же активным, как цефаклор. Важным структурным изменением в разработке цефалоспоринов второго поколения стало введение α-иминометоксигруппы в боковую цепь С-7. Это повысило устойчивость к β-лактамазам из-за стереохимического блокирования бета-лактамного кольца. Цефуроксим был первым цефалоспорином, включившим эту боковую цепь. Другой очень важной группой во втором поколении является аминотиазольное кольцо в боковой цепи С-3. Это развитие резко увеличило связывающее сродство к PBP и увеличило антимикробную активность. Аминотиазольное кольцо можно увидеть в структуре цефотиама . ^{[5] [9]}

Большинство цефалоспоринов третьего поколения имеют аминотиазольную группу в положении C-7. Различные группы находятся в 7-α-положении, такие как 7-α-иминогидрокси и 7-α-иминометокси группы. Однако цефтибутен обладает 7-α-этилиденовой группой. Эта группа придает цефтибутену более высокую устойчивость к β-лактамазам расширенного спектра. Многие из пероральных цефалоспоринов третьего поколения являются эфирами парентеральных форм и гидролизуются эстеразами в пищеварительном тракте ( цефтерам пивоксил). Некоторые из препаратов третьего поколения могут всасываться перорально без необходимости этерификации . Это делается, например, с цефиксимом и цефдиниром путем помещения винильной группы в положение C-3. ^{[5] [9]}

Цефалоспорины четвертого поколения обладают большей активностью против грамотрицательных бактерий, чем цефалоспорины второго и третьего поколения. Это различие объясняется тем, что они являются диполярными ионными цвиттерионными соединениями. Боковая цепь C-7 похожа на цефалоспорины третьего поколения, обычно содержащие иминометокси-аминотиазольную группу или, в случае цефклидина, аминотиадиазол. Из-за положительно заряженного четвертичного азота в боковой цепи C-3 цефалоспорины четвертого поколения могут диффундировать через мембрану грамотрицательных бактерий легче, чем более ранние цефалоспорины. Считается, что положительный заряд ориентирует молекулу препарата ко входу в пориновый канал. ^[26]

В настоящее время в этой категории есть только два препарата: цефтобипрол и цефтаролин . Эти новые препараты также являются единственными β-лактамными антибиотиками, которые эффективны против метициллин-резистентного золотистого стафилококка (MRSA). Цефтобипрол представляет собой пирролидинон -3- илиденметилцефем . Боковая цепь C-3 была специально разработана для сильного связывания с PBP2a и PBP2x. Известно, что PBP2a придает стафилококкам устойчивость к другим β-лактамным препаратам, а PBPx делает то же самое для пневмококков . Цефтобипрол также имеет аминотиазолил-гидроксиимино боковую цепь в положении C-7, которая, как известно, обеспечивает хорошую устойчивость к β-лактамазе из S. aureus . Вместе эти активные группы делают цефтобипрол бактерицидным для MRSA. Цефтобипрол плохо растворяется в воде и поэтому вводится внутривенно в виде эфирного пролекарства, называемого цефтобипрол медокарил. Он быстро расщепляется до активного цефтобипрол эстеразами плазмы. ^[27] Цефтаролин был разработан из цефалоспорина четвертого поколения цефозопрана . Он сохраняет алкоксииминогруппу в положении C-7 от более ранних поколений, поэтому он довольно стабилен в присутствии многих β-лактамаз. Поскольку MRSA и устойчивый к пенициллину Streptococcus pneumoniae обладают резистентностью, предназначенной для новых типов PBP, PBP2a и PBP2x соответственно, и цефтаролин, и цефтобипрол имеют боковые цепи C-3, специально спроектированные для связывания этих новых PBP. В случае цефтаролина эта боковая цепь содержит 2-тиоазолитио спейсерную связь, оптимизированную для его активности против MRSA. Цефтаролин имеет низкую растворимость в воде, но эта проблема была преодолена путем присоединения N -фосфоноаминогруппы к молекуле, что сделало внутривенное пролекарство цефтаролин фосамил. Пролекарство дефосфорилируется в плазме с образованием активного цефтаролина. ^[28]

Устойчивость к противомикробным препаратам является движущей силой для разработки новых противомикробных препаратов. Сложность и разнообразие механизмов устойчивости определили потребность в новых и улучшенных β-лактамных антибиотиках. ^[29] Благодаря своему широкому спектру цефалоспорины стали доминировать в β-лактамной химиотерапии, хотя им часто не хватает пероральной биодоступности. ^[9]

29 октября 2010 года новый цефалоспориновый препарат - Цефтаролин - был одобрен Управлением по контролю за продуктами и лекарствами (FDA). Тефларо (цефтаролин фосамил) - инъекционный антибиотик-пролекарство для лечения взрослых с острыми бактериальными инфекциями кожи и структур кожи (ABSSI) и внебольничной бактериальной пневмонией (CABP). ^{[ необходима цитата ]}

Цефтобипрол был одобрен для лечения взрослых пациентов с внутрибольничной пневмонией (за исключением ВАП) и внебольничной пневмонией в 12 европейских странах, Канаде и Швейцарии. ^{[30] [31]}

• Открытие и разработка ингибиторов mTOR