Das Resistenzproblem Ursachen, Mechanismen

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Das Resistenzproblem
Ursachen, Mechanismen, mögliche Auswege
Ao.Univ.-Prof. Dr. Gerhard Ecker
Institut für Pharmazeutische Chemie
Universität Wien
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Institut für Pharmazeutische Chemie
G. Ecker
Das Resistenzproblem
Unter Resistenz versteht man eine Insensitivität
oder
verringerte
Sensitivität
gegenüber
Arzneistoffen, die das Zellwachstum verringern
oder zum Zelltod führen
• Intrinsische Resistenz
• Erworbene Resistenz
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Daten
Methicillin-resistente S. aureus
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Penicillin-resistente S. pneumoniae
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Das Resistenzproblem - Ursachen
• Verwendung im Humanbereich
• Gentransfer
• Verwendung von Antibiotika in der
Tierfütterung
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Verwendung im Humanbereich
• Verschreibung auch wenn nicht nötig
In Ländern mit hoher Verschreibungsrate ist auch die
Resistenzrate hoch
• Schlechte Compliance der Patienten
Zu frühes Absetzen, Aufheben, ...
• Oft wird sofort das neueste Arzneimittel
verschrieben
Fördert rasche Resistenzentwicklung
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Gentransfer
Die
häufigste
Ursache
für
Antibiotikaresistenz in der Klinik ist
der Transfer von DNA-Segmenten.
Dies erfolgt durch:
• Transformation: lösliche DNA-Stücke
• Transduktion: Plasmidtransfer über Phagen
• Konjugation: direkter Plasmidtransfer
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Gentransfer
• Transformation: lösliche DNA-Stücke werden
aufgenommen; eher unbedeutend
• Transduktion: Plasmide werden mittels Phagen
von einem Bakterium zum anderen übertragen;
z.B. Penicillin-resistente Staphylococcen
• Konjugation: Plasmide werden durch direkten
Kontakt übertragen; vorwiegend bei
negativen Bakterien (Enterobacteriae)
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gram-
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Plasmide
Plasmide sind kleine zirkuläre
DNA-Moleküle, die unabhängig
vom Genom vermehrt werden.
Sie werden
vielfach als
Vektoren für die Klonierung
von DNA verwendet;
Resistenzplasmid R100:
Tetracyclin, Sulfanilamid, Streptomycin, Chloramphenicol
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Plasmide
Plasmide enthalten meist mehrere Resistenzgene
Antibiotikaresistenz in Shigellae (Japan):
Jahr Anzahl
Sm
Tc
Cm
Sm,Cm,Tc
1953 4900
5
2
0
0
1956 4399
8
4
0
0
1958 6563
18
20
0
193
1960 3396
29
36
0
308
Streptomycin (Sm), Tetracyclin (Tc) und Chloramphenicol (Cm)
Plasmidtransfer von multidrug-resistenten E. coli
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Plasmide
• Penicillin G-Resistenz in S. aureus durch
Selektion von S. aureus Stämmen mit R-Plasmid
mit -Laktamase Gen (85% innerhalb von 20
Jahren)
• Ampicillin Resistenz bei Haemophilus influenca
• Penicillin Resistenz bei Neisseria gonorrhoeae
• Carbenicillin Resistenz bei P. aeruginosa
Bedeutung der coliformen Bakterien beachten
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Plasmide
Antibiotika-Resistenz von coliformen Bakterien
in Abwasserkanälen:
Krankenhaus
Wohngegend
Psych. Klinik
%Sm
48.8
0.6
9.5
%Cm
0.4
0.007
0.03
%Tc
24.3
0.1
0.4
Sm: Streptomycin; Cm: Chloramphenicol; Tc: Tetracyclin
trotzdem 95% der gesamten R-Plasmide der
Stadt nicht von Krankenhäusern
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Tierfütterung
• Etwa die Hälfte der in den USA verwendeten
Antibiotika wird in der Tiermast verwendet
• Antibiotika
im
Tierfutter
erhöhen
die
Performance, stabilisieren die Darmflora und
verbessern das Wachstum (z.B. Flavomycin)
• Antibiotika im Tierfutter erhöhen Auftreten
resistenter coliformer Bakterien
• Übertragung auf Darmflora der Bauern ist möglich
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Tierfütterung
• Multidrug-resistente Salmonella Stämme von Tieren
verursachen schwere Erkrankungen beim Menschen
• Verwendung von Fluorochinolonen in Hühnern zur
Verhinderung von E. coli Infektionen (USA ab 1996)
führt zum Auftreten von resistenten Champylobacter
Stämmen (1999: C. jejuni 17.6% und C. coli 30%)
• Anteil der Verwendung von Antibiotika in der
Tiermast am Auftreten resistenter Keime nicht geklärt
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Das Resistenzproblem - Mechanismen
• Intrinsische Resistenz
Mikroorganismen sind von Beginn an resistent
gegen die Chemotherapeutika
• Erworbene Resistenz
Mikroorganismen erwerben Resistenz während
der Behandlung
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Intrinsische Resistenz
• Rezeptor fehlt
– Fehlen von Sterolen in der Zellmembran von
Bakterien führt zu Resistenz gegen antifungale
Polyene (Amphotericin B, Nystatin).
– Isoniazid hemmt Synthese von Mycolsäure, das
nur in Zellwänden von Mycobakterien
vorkommt
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Intrinsische Resistenz
• Konzentration am Rezeptor zu gering
gram-negative
Bakterien
besitzen
eine
wesentlich
komplexere Zellwand, sodaß
Penicillin G nicht zum Wirkort
(Penicillin-bindendes Protein)
gelangt
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Intrinsische Resistenz
• Konzentration am Rezeptor zu gering
– Rifampin hemmt die DNA-abhängige RNAPolymerase. Wirkt jedoch nicht bei Pilzen, da es
Zellwand nicht permeieren kann; zusätzliche Gabe
niedriger Dosen von Polyenen führt zur Hemmung
fungaler RNA-Synthese.
– Aufnahme von Aminoglycosiden benötigt Energie vom
Membranpotential, das über ein bakterielles ElektronTransportsystem aufrechterhalten wird. Hemmung des
Transportsystems (CN, Anaerobia) führt zu Resistenz
gegen Aminoglycoside
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Erworbene Resistenz
• Verringerte Aufnahme oder Erhöhter Efflux
In Analogie zur Multidrug-Resistenz bei Tumoren (PGlycoprotein) werden auch bei Bakterien in
verstärktem Ausmaß aktive Effluxsysteme identifiziert
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Aktiver Efflux
In der Tumortherapie ist der aktive Efflux von
Zytostatika aus der Tumorzelle einer der
Hauptmechansimen für das Auftreten von
Multidrug Resistenz.
Vorwiegend 2 Proteine beteiligt:
– P-Glycoprotein (PGP)
– Multidrug Resistance Related Protein (MRP)
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Substrate für P-Glycoprotein
Vinca Alkaloide
Epipodophyllotoxine
Vincristin
Vinblastin
Etoposid
Teniposid
Anthracycline
Taxane
Doxorubicin
Daunorubicin
Actinomycin D
C.R. Leveille-Webster, I.M. Arias, J. Membrane Biol. 143, 89-102 (1995)
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Effluxsysteme in Bakterien und Pilzen
PGP Cluster
pfMDR1
Cdr1p
Pdr5p
Snq2p
LmrA
Plasmodium falciparum
Candida albicans
Saccharomyces cerevisiae
Saccharomyces cerevisiae
Lactococcus lactis
MRP Cluster
Ycf1
Yor1
ltPgpA
ceMRP1
BCECF
Saccharomyces cerevisiae
Saccharomyces cerevisiae
Leishmania tarentolae
Caenorhabditis elegans
Lactococcus lactis
H.W. van Veen, W.N. Konings, Sem. Cancer Biol. 8: 183-191 (1997)
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Effluxsysteme in Bakterien und Pilzen
MFS Familie
caMDR1
LmrP
NorA
Candida albicans
Lactococcus lactis
Staphylococcus aureus
RND Familie
AcrB
MexB
MtrD
Escherichia coli
Pseudomonas aeruginosa
Neisseria gonorrhoea
SMR Familie
EmrE
QacC
QacE
Escherichia coli
Staphylococcus aureus
Klebsiella aerogenes
H.W. van Veen, W.N. Konings, Sem. Cancer Biol. 8: 183-191 (1997)
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Effluxsysteme in Bakterien
Spezies
Resistenz
Escherichia coli
Pseudomonas aeruginosa
Salmonella typhi
Mycobacterium tuberculosis
Tetracyclin, Chloramphenicol, Ampicillin
Tetracyclin, Chloramphenicol, Norfloxazin
Chloramphenicol
Isoniazid, (Azidothymidin)
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Erworbene Resistenz
• Enzymatische Inaktivierung
Grundlegender Mechanismus der Resistenz gegen:
– Penicilline:
• -Laktamasen
– Aminoglykoside:
• N-Acetyltransferase, O-Phosphotransferase, O-Adenylyltransferase
– Chloramphenicol:
• Chloramphencol-acetyltransferase
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Enzymatische Inaktivierung
• Aminoglycoside
– N-Acetyltransferase (AAC)
Acetyl-CoA + AG
AAC(6')
CoASH + N-Acetyl-AG
– O-Phosphotransferase (APH)
ANT(4')
NH2
ATP + AG
ADP + Phospho-AG
– O-Adenylyltransferase (ANT)
H2N
APH(3')
AAC(3)
O
HO
HO
O
NH2
HO
AAC(2')
O
OH
O
ATP + AG
Ppi + AMP-AG
ANT(2')
APH(2")
AAC(1)
NH2
HO
OH
NH2
Kanamycin B
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Enzymatische Inaktivierung
• Chloramphenicol
– Chloramphenicol-Acetyltransferase acetyliert CM an 3-OH
– 3O-Acetyl-CM bindet nicht mehr an die 50S Untereinheit des
bakteriellen Ribosoms
– CM-Acetyltransferase wird durch R-Plasmid übertragen
– R-Plasmid kann von S. typhi od. H. influenza auf E. coli und von
diesen auf Salmonella übertragen werden (Tiermast!)
OH
OH
HN
O
O
O2N
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O
OH
HN
O
Cl
Cl
CH3
O2N
Cl
Cl
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Erworbene Resistenz
• Verringerte Affinität des Rezeptors
– durch zufällige single-point Mutation wird
Zielprotein so verändert, dass es den
Arzneistoff nicht mehr bindet, aber trotzdem
seine biologische Funktion erfüllt:
• ribosomales Protein - Streptomycin
• Penicillin bindendes Protein - Penicillin G
– Affinität nur verringert, zusätzliche Mutationen
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Mögliche Auswege
• Entwicklung neuer Antibiotika
– Linezolid (Zyvox™)
– Dalfopristin/Quinupristin (Synercid®)
– Daptomycin
• Verwendung von Resistenzmodulatoren
– Effluxinhibitoren
– selbstregenerierende Aminoglycoside
• Verringerung der Antibiotika in der Umwelt
– lichtsensitive -Laktame
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Antiinfektiva - Neuzulassungen
Neu 1999 (7)
50
Neuzulassungen
40
Gesamt
30
20
Moxifloxacin
Gatifloxacin
Quinupristin/Dalfopristin
Zanamivir
Oseltamivir
Abacavir
Amprenavir
Antiinfektiva
10
0
90
92
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94
96
98
Jahr
G. Ecker
Neue Antibiotika
O
• Linezolid:
N
O
N
F
O
N
H
CH3
O
– Vertreter der neuen Klasse der Oxazolidinone
– aktiv gegen gram-positive Keime
– bindet an das bakterielle Ribosom und verhindert
Proteinsynthese
– Resistenz durch Mutationen am Ribosom
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Neue Antibiotika
• Dalfopristin/Quinupristin
– Streptogramin
– hemmen Proteinsynthese über Interaktion mit der
Peptidyltransferase-Domäne der ribosomalen 50S
Untereinheit
– jede Substanz für sich bakteriostatisch, Kombination ist
bakterizid
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Neue Antibiotika
• Daptomycin
– cyclisches Lipopeptid
– aktiv gegen
• Vancomycin resistente Enterococci
• Methicillin resistente Staphylococci
• Vancomycin resistente S. aureus
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Resistenzmodulatoren
• Effluxinhibitoren - P-Glycoprotein
–
–
–
–
Verapamil, Dexverapamil
Dexniguldipin
Cyclosporin
Valspodar (SDZ-PSC 833)
Allerdings:
• Notwendige Konzentrationen in vivo oft nicht erreicht
• Blut-Hirn Schranke geöffnet
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Resistenzmodulatoren
• Effluxinhibitoren
H
N
H2N
O
MC-207,110 (Microcide Pharm.)
O
N
H
NH
N
H
NH2
blockiert Effluxpumpen in P. aeruginosa
hebt Resistenz gegen Fluorochinolone (Levofloxacin)
wieder auf
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Resistenzmodulatoren
• selbstregenerierende 3´-Ketoaminoglycoside
NH2
O
HO
O
HO
H2N
O
HO
Sebstregeneration nach enzymatischer
Desaktivierung
S. Mobashery et al., J. Am. Chem. Soc. 121, 11922 (1999)
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NH2
O
OH
NH2
OH
O
HO
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Selbstregenerierende 3´-Ketoaminoglycoside
NH2
O
HO
HO
O
H2N
NH2
O
HO
O
OH
NH2
OH
O
HO
- HPO42-
H2O
NH2
NH2
O
HO
O
O
P
O
OH
O
HO
O
HO
H2N
O
HO
HO
NH2
O
OH
H2N
HO
O
OH
HO
NH2
OH
O
O
OH
NH2
OH
O
HO
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NH2
APH(3')
HO
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Verringerung in der Umwelt
• lichtsensitive -Laktame
NO2
O
Selbstzerstörung durch UV-Licht
O
HN
S. Mobashery et al., J. Med. Chem. 43, 128 (2000)
NH
H
N
O
S
N
O
CH3
O
O
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OH
O
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Überwachung - Dokumentation
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Überwachung - Dokumentation
• European Antimicrobial Resistance Surveillance
System (EARSS)
– Reduktion der Antibiotikaresistenz in der EU
•
•
•
•
Sammeln von Daten
Analyse regionaler Unterschiede
Korrelation der Unterschiede mit Risikofaktoren
Neue Richtlinien für Verwendung von Antibiotika
– S. pneumoniae & S. aureus (E. faecium/faecalis, E. coli)
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EARSS
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World Antibiotic Resistance
Network
Globales Informationssystem über den
gegenwärtigen
Resistenzstatus
in
bestimmten Regionen
Dateneingabe und Datenabfrage
möglich
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Das Resistenzproblem - Vorschläge
• Verschreibung von Antibiotika nur bei klarer
Indikation (Südamerika, Osteuropa, ...)
• Zuerst „klassische“ Antibiotika verwenden
• Bei Therapieversagen Resistenzprofil bestimmen
Finnland: Ansteigen der Resistenzen gegen Erythromycin Anfang 1990
Richtlinien zur sparsameren Verwendung - Verschreibungen sanken von 2.4
tägl. Dosen/1000 Einwohner auf 1.4 tägl. Dosen/1000 Einwohner
Resistenz von Streptococcen sank von 16.5% (1992) auf 8.6% (1996)
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Das Resistenzproblem - Vorschläge
• Auch im Veterinärbereich Verwendung von
Antibiotika nur bei klarer Indikationsstellung
• Antibiotika zur Wachstumsperformance?
– seit 1.1.2000 sind in der EU nur noch
Flavophospholipol, Salinomycin, Monensin und
Avilamycin zugelassen
Using the same antibiotics in people and animals is a bad idea
Stanley Falkow & Donald Kennedy, Science 291, 19.1.2001
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