Kinoloni Fkiii 0708

KINOLONI Farmacevtska kemija III 9. januar 2008 Anamarija Zega

Od klorokina do nalidiksne kisline…. nalidiksna kislina

CH3

CH3 N

HN

O

CH3

COOH

klorokin Cl

H3C

N

N

N

H3C

1939

1962

O COOH

1958

Cl

N H3C

stranski produkt s protibakterijsko aktivnostjo

1

Bakterija ima en sam kromosom krožne dvojno-vijačne DNA

Kromosom

2

Dolž Dolžina razvite DNA molekule bi pri več večini bakterij 10001000-krat presegala dolž dolžino celice! Tipična celica E. coli je velika

1μm × 2 μm

dolžina kromosoma E. coli je

1700 μm

?

DNA ni linearno polož položena v celico, ampak je moč močno negativno (levo) zvita okoli same sebe = angl. supercoiled

Sproščena krožna DNA

Dodatno negativno zvita DNA

3

Podvajanje (replikacija) bakterijske DNA Replikacija poteka v obe smeri

Pri podvajanju krožne, bakterijske DNA se oba trakova ločita (replikacijski mehurček) in vsak od njiju služi kot matrica, na kateri se sestavi vzporedna, komplementarna veriga DNA

Theta (θ) struktura

Replikacijski mehurček se povečuje na obe strani tako, da se starševski verigi odvijata.

Zaključek replikacije Dva kromosoma

Replikacijski mehurček se povečuje na obe strani tako, da se starševski verigi odvijata. To povzroči supernavitost v nasprotni smeri.

4

replikacijske vilice

hčerinska dvojna heliksa Superzvit odsek

starševski verigi

Supernavitost sčasoma ustavi rast replikacijskega mehurčka

Encim ! relaksira supernavite odseke, ki se ne podvajajo, v sproščeno konfiguracijo

Krožna DNA se podvaja v obe smeri

Replikacija je zaključena, ko se replikacijski vilici srečata

Encim ! katalizira ločitev dveh hčerinskih dvojnih heliksov

Encimi, ki omogočajo dodatno zvijanje in sproščanje so bistveni za življenje in razmnoževanje bakterijske celice.

5

Topoizomeraze •Topoizomeraze so encimi, ki spreminjajo topološka stanja DNA molekule. •Prehod med različnimi topoizomeri molekule DNA je možen le s cepitvijo ene ali obeh verig dvovijačne DNA in kasnejšo povezavo cepljenih verig.

TOPOIZOMERAZE I: odvijajo supernavito DNA in tvorijo energetsko ugodnejšo, relaksirano obliko DNA (cepijo le eno verigo dvovijačne DNA.) TOPOIZOMERAZE II: zavijajo molekulo DNA, tvorijo negativni supernavoj (cepijo obe verigi dvojne vijačnice hkrati) Bakterije vsebujejo dva različna tipa IIa topoizomeraz: DNA girazo in topoizomerazo IV

Funkcija giraze in topoizomeraze IV • Bakterijska DNA giraza je encim, ki uvaja dodatne negativne zavoje v krožno molekulo DNA z uporabo sproščene energije ob hidrolizi ATP.

•Funkcije topoizomeraze IV še ne razumemo dobro. Znano je, da je odgovorna za razpletanje hčerinskih DNA verig na koncu podvojitve kromosoma.

6

Topoizomeraze kot prijemališča učinkovin INHIBITORJI DNA GIRAZE in TOPOIZOMERAZE IVprotibakterijske učinkovine:

KINOLONSKI KEMOTERAPEVTIKI

INHIBITORJI EVKARIOTSKE TOPOIZOMERAZE IIprotitumorne učinkovine:

doxorubicin

etoposid

Zgradba DNA giraze: podenoti GyrA in GyrB Podenoti GyrA in Gyr B tvorira heterodimer A2B2. Podenota A: odgovorna za cepitev in ponovno povezavo DNA verig. GyrA59

Podenota B: na N-terminalnem delu je vezavno mesto za ATP GyrB43

Tyr122

Sorodno zgradbo ima tudi topoizomeraza IV, kjer ParC in ParE tvorita heterodimer C2E2, medtem ko je sorodna evkariontska topo II homodimer (AB)2.

7

Mehanizem delovanja topoizomeraz IIa (Giraza)

Mehanizem delovanja kinolonov

Kinoloni se vežejo v kompleks DNA-giraza in stabilizirajo konformacijsko spremembo kompleksa DNA-giraza, ki je odgovorna za inhibicijo girazne funkcije. Nekontrolirane cepitve DNA Proces uvajanja dodatnih negativnih zavojev se ustavi. Vitalni biološki procesi kot sta replikacija in transkripcija so onemogočeni. DNA sinteza in celična rast sta blokirani. Vrzeli v DNA verigah inducirajo sintezo encimov, ki popravljajo DNA (SOS response). Nekoordinirano popravljanje vodi v ireverzibilne poškodbe DNA in v celično smrt.

Inhibitorji giraze delujejo BAKTERICIDNO

8

Od klorokina do nalidiksne kisline…. nalidiksna kislina

CH3

CH3 N

HN

O

CH3

COOH

klorokin Cl

H3C

N

N

N

H3C

1939

1962

O COOH

1958

Cl

N H3C

Stranski produkt s protibakterijsko aktivnostjo

Nalidiksna kislina O COOH H3C

N H3C

N

Tipič Tipične kemijske lasnosti znač značilne za kinolone, , AMPAK naftiridon (N na kinolone mestu 8) Ozek spekter delovanja na po Gr ((-) mikroorg. mikroorg. (Enterobacteriace) kratka razpolovna doba (1.5 h), Izloč Izloča prek ledvic, slabo prehaja v tkivatkiva-zdravljenje infekcij urinarnega trakta

9

Razvoj fluorokinolonov norfloksacin

nalidiksna kislina

O

O

F

COOH H3C

N

N

N

COOH N

HN

H3C

1978 razširjena po Gr (-) aktivnost Daljša b. razpolovna doba

še vedno nizke konc. v plazmi – ni za sistemsko uporabo Infekcije urinarnega trakta

O F N

COOH N

HN

pKa1 = 6,39

pI = 7,47 - zwitter ion

pKa2 = 8,56

10

Od norfloksacina do ostalih kinolonov 2. generacije: pefloksacin, pefloksacin, ofloksacin norfloksacin triciklična spojina

O

O F

OH

N

N

O

HN

O

F

O

N

F

OH

N N

N

N O

N

ofloksacin

pefloksacin

dodatna metilna skupina

OH

O

Od norfloksacina do ostalih kinolonov 2. generacije: ciprofloksacin norfloksacin O

O

F

ciprofloksacin

ciklopropilna skupinaojačano protimikrobno delovanje

O F

OH

N

N

N

O OH

N

HN

HN

O F N

O

O F

OH N

N

pefloksacin

OH

N N

O

N O

ofloksacin

11

Od ofloksacina do levofloksacina

ofloksacin je racemat

levofloksacin je čisti S (-) izomer

O

O F

OH

N

N

N

O

ofloksacin 1987 aktivna oblika ofloksacina je S (-) izomer

Druga generacija kinolonov 1960

1970

1980 t½

nalidiksna ksl.

norfloksacin

oksolinska ksl.

pefloksacin

cinoksacin

ofloksacin

pipemidinska ksl.

ciprofloksacin

Izboljšana 3-4h aktivnost na 11h po Gr (-) organizme 6h

+ ++

6h

+++ ++++

O

O

N

++

3-4h

levofloksacin F

aktivnost

F

COOH

COOH

O F

N

O

COOH

HN

N

N

HN

N H3C

N

H3C

pefloksacin

norfloksacin ciprofloksacin

F

N

COOH

N H3C

N

N CH3

O H

ofloksacin

12

Druga generacija kinolonov norfloksacin pefloksacin

•Enterobacteriaceae; •infekcije urinarnega trakta, •NE sistemska up.; nizke serumske konc., •tudi omejena akt. na Gr (+)

ofloksacin ciprofloksacin levofloksacin

•Enterobacteriaceae, atipični patogeni, Pseudom. aeruginosa (le ciprofloksacin) •Večja serumska, intracelularna konc. •Komplicirane infekcije urinarnega trakta, gastroenteritisi z diarejo, prostatitis, spolno prenosljive bolezni

Kako izboljšati kemoterapevtično uporabnost kinolonov? Kako pripraviti SUPERFLOKSACIN ? Obdrž Obdržati Gr ((-) aktivnost

3. generacija

Izboljš Izboljšati Gr (+) aktivnost Pridobiti aktivnost proti anaerobom

4. generacija

•Podaljšati biološko razpolovno dobo

13

Tretja generacija kinolonov 1960

1970 NH2

O

F H3C

COOH

N HN

N

1990

1980

2000

atemafloksacin

-G (-) aktivnost

cgrepafloksacin

-Izboljšana G (+) aktivnost

bsparfloksacin

moksifloksacin gemifloksacin

F CH3

sparfloksacin

•Enterobacteriaceae; atipični patogeni, streptokoki Podobne indikacije, kot pri 2.generaciji, zdravljenje respiratornih bolezni

Četrta generacija kinolonov 1960

1970

1980

aklinafloksacin

btrovafloksacin

moksifloksacin

O F H N

COOH

N

N OCH3

1990

2000

-proti G (-) aktivnost -proti G (+) aktivnost -proti anaerobom

•Enterobacteriaceae; atipični patogeni, MRSA (methicillin susceptible Staphylococcus aureus) streptokoki, anaerobi) Intraabdominalne infekcije

moksifloksacin

VENDAR…

14

Toksični učinki 1992 temafloksacin hemoliza odpoved ledvic CH3

O

O

F H3C

1999 trovafloksacin odpoved jeter F

COOH

N

COOH

H

N

N

N F

HN

F

H2N H F

F

grepafloksacin – motnje srč srčnega ritma sparfloksacin –fototoksič fototoksičnost , motnje srč srčnega ritma

Umaknjeni s trž tržišča

STRUKTURA IN AKTIVNOST KINOLONOV

O COOH

R5 F

4

6

R7

N H

O

3

x8

COOH

N R1

KINOLONSKI FARMAKOFOR IN SUBSTITUENTI

4-kinolon-3-karboksilna kislina O COOH N

N H

1,8-naftiridin-4-on-3karboksilna kislina

15

1.Ohranitev aktivnosti proti G (-) bakterijam

G (-)

NH 2

R5

O

F

COOH

R7

G (-)

R8

N

N R1

N

MIC

Cl, F OCH 3 MI C

1.Ohranitev aktivnosti proti G (-) bakterijam 3.gen

grepafloksacin CH3 O

gatifloksacin O

F H3C

N

CH3 O F

OH H3C

N

HN

OH

N

HN

O

N OMe

sparfloksacin NH2 O F H3 C

OH

N

HN

O

N F

CH3

16

2.Izboljšanje aktivnosti proti G (+) bakterijam (S. Pneumoniae) G (+)

CH3

O

R5 F

pirolidin

G (+)

N

H2N

R7

COOH X8

N R1

F

Če je X8 C

N naftiridon

Cl, F OCH3

MIC

F

MI C

2.Izboljšanje aktivnosti proti G (+) bakterijam (S. Pneumoniae) 3.gen

temafloksacin F

H N

N

H

OH

N

N OMe

F

HN

H

trovafloksacin

F

sitafloksacin O

O

H

OH

N

OH N

N F

N

H2 N

Cl H2N

O

F

O

F N

O

O F OH

N

moksifloksacin

O

CH3 O H3C

4.gen

F

H F

17

3.Pridobitev aktivnosti proti anaerobom...

O

R5 F

COOH F

R7

X8

N R1

F

Če je X8 C

OCH3

N

3.Pridobitev aktivnosti proti anaerobom 3.gen

4.gen

gatifloksacin CH3 O F

H3 C

O

OH

N

HN

moksifloksacin

O

N

H N

OMe

O

F H

OH N

N OMe H

trovafloksacin O

gemifloksacin O

F H

N

OH N

N

N F

H 2N

O F N

O OH

N

N

MeO

H

NH2 F

18

4.gen

3.gen

trovafloksacin O

O

F H

N

grepafloksacin

OH N

N

Gram (+)

F H2N

CH3 O F

H

H3C

F

N

O OH

N

HN

Gram (+) = Gram (-) t1/2

Anaerobi BU

anaerobi

Anaerobi

Gram (-) t1/2

Gram (-)

Na kaj vplivajo posamezne substituente? nujen del za aktivnost, vezavo na kompleks DNA/giraza ter transport

kontrola aktivnosti, doda k Gr (+) afiniteta do giraze, celična permeabilnost

R5 F N

R

O

N

COOH x8

N R1

R protibakterijski spekter in farmakokinetiko

anaerobna aktivnost in farmakokinetika

optimalen H, blizu vezavnemu mestu na girazi vpliv na celokupno jakost delovanja

19

Neželeni učinki kinolonov

GIT: slabost, bruhanje, driska, bolečine v trebuhu CŽS: glavobol, vrtoglavica, zmedenost, zaspanost, motnje vida, depresija, halucinacije, krči koža: srbečica, izpuščaji, fotosenzibilizacija podaljšanje QT intervala, artropatije, hondrotoksičnost

Kinoloni tvorijo komplekse z dvodvo- in trovalentnimi kovinskimi ioni (Ca2+, Fe2+, Mg2+, Al3+)-slabo topni, se slabo absorbirajo

M O F N

O O

N

N

HN

20

SAR pogostih stranskih učinkov R R N

HN

HN

Ca2+, Al3+, Fe2+ kompleksiranje

N R

vezava na GABA

O

R5

R

prehajanje V CNS

F

COOH

R7

N

X8

Inhibicija P450

N R1

vsi FQ

Inhibicija CytP450

cipro... grepa...

F fototoksičnost

spar... flero...

Novi podrazredi “flourokinolonov” •neflorirani kinoloni

(C6 flor je zamenjan z amino ali nitro skupino)

• hibridi z dualnim delovanjem: (florokinoloni - β-laktami, cefalosporini, monobaktami) F N

H2 N S

CEFATOKSIM

N OMe H N O

F

N

N N

N

S O COOH

FLEROKSACIN

F

O O

O

O

• policiklični florokinoloni:

COOH

F

(tri-, štiri- in pet-ciklični florokinoloni)

F

N N

N F

N F

21

Kinoloni kot inhibitorji EVKARIOTSKE TOPO II “Antineoplastični kinoloni”

POTENCIALNE PROTITUMORNE UČINKOVINE

Rezistenca na flourokinolone efluks sistem

zmanjšana permeabilnost

mutacija encimov giraza

topoizomeraza IV

22

Uporaba v veterini (?) Terapevtska uporaba Profilaksa? Growth promothors??!

Zdravljenje TBC in fluorokinoloni MDR-TB Ciprofloksacin Ofloksacin Levofloksacin

23

Biološko orožje - fluorokinoloni indicirani za zdravljenje vraničnega prisada, kolere, kuge, tularemije, bruceloze

Inhalacijski vranič vranični prisad (Bacillus anthracis) ciprofloksacin

Zaključek • Širok spekter delovanja (po gramu neg., po gramu poz., anaerobni mikroorganizmi)

• Uporabni za zdravljenje infekcij genitourinarnega trakta, GIT infekcij, spolno prenosljivih bolezni, kožnih infekcij, infekcij respiratornega trakta • Odlična biološka uporabnost po peroralni aplikaciji •Rezistenca!

24