Das Resistenzproblem Ursachen, Mechanismen
Werbung
Das Resistenzproblem Ursachen, Mechanismen, mögliche Auswege Ao.Univ.-Prof. Dr. Gerhard Ecker Institut für Pharmazeutische Chemie Universität Wien Universität Wien 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 Universität Wien Institut für Pharmazeutische Chemie G. Ecker Daten Methicillin-resistente S. aureus Universität Wien Institut für Pharmazeutische Chemie Penicillin-resistente S. pneumoniae G. Ecker Das Resistenzproblem - Ursachen • Verwendung im Humanbereich • Gentransfer • Verwendung von Antibiotika in der Tierfütterung Universität Wien Institut für Pharmazeutische Chemie G. Ecker 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 Universität Wien Institut für Pharmazeutische Chemie G. Ecker 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 Universität Wien Institut für Pharmazeutische Chemie G. Ecker 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) Universität Wien Institut für Pharmazeutische Chemie gram- G. Ecker 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 Universität Wien Institut für Pharmazeutische Chemie G. Ecker 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 Universität Wien Institut für Pharmazeutische Chemie G. Ecker 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 Universität Wien Institut für Pharmazeutische Chemie G. Ecker 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 Universität Wien Institut für Pharmazeutische Chemie G. Ecker 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 Universität Wien Institut für Pharmazeutische Chemie G. Ecker 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 Universität Wien Institut für Pharmazeutische Chemie G. Ecker Das Resistenzproblem - Mechanismen • Intrinsische Resistenz Mikroorganismen sind von Beginn an resistent gegen die Chemotherapeutika • Erworbene Resistenz Mikroorganismen erwerben Resistenz während der Behandlung Universität Wien Institut für Pharmazeutische Chemie G. Ecker 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 Universität Wien Institut für Pharmazeutische Chemie G. Ecker 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 Universität Wien Institut für Pharmazeutische Chemie G. Ecker 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 Universität Wien Institut für Pharmazeutische Chemie G. Ecker 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 Universität Wien Institut für Pharmazeutische Chemie G. Ecker 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) Universität Wien Institut für Pharmazeutische Chemie G. Ecker 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) Universität Wien Institut für Pharmazeutische Chemie G. Ecker 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) Universität Wien Institut für Pharmazeutische Chemie G. Ecker 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) Universität Wien Institut für Pharmazeutische Chemie G. Ecker Effluxsysteme in Bakterien Spezies Resistenz Escherichia coli Pseudomonas aeruginosa Salmonella typhi Mycobacterium tuberculosis Tetracyclin, Chloramphenicol, Ampicillin Tetracyclin, Chloramphenicol, Norfloxazin Chloramphenicol Isoniazid, (Azidothymidin) Universität Wien Institut für Pharmazeutische Chemie G. Ecker Erworbene Resistenz • Enzymatische Inaktivierung Grundlegender Mechanismus der Resistenz gegen: – Penicilline: • -Laktamasen – Aminoglykoside: • N-Acetyltransferase, O-Phosphotransferase, O-Adenylyltransferase – Chloramphenicol: • Chloramphencol-acetyltransferase Universität Wien Institut für Pharmazeutische Chemie G. Ecker 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 Universität Wien Institut für Pharmazeutische Chemie G. Ecker 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 Universität Wien Institut für Pharmazeutische Chemie O OH HN O Cl Cl CH3 O2N Cl Cl G. Ecker 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 Universität Wien Institut für Pharmazeutische Chemie G. Ecker 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 Universität Wien Institut für Pharmazeutische Chemie G. Ecker Antiinfektiva - Neuzulassungen Neu 1999 (7) 50 Neuzulassungen 40 Gesamt 30 20 Moxifloxacin Gatifloxacin Quinupristin/Dalfopristin Zanamivir Oseltamivir Abacavir Amprenavir Antiinfektiva 10 0 90 92 Universität Wien Institut für Pharmazeutische Chemie 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 Universität Wien Institut für Pharmazeutische Chemie G. Ecker 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 Universität Wien Institut für Pharmazeutische Chemie G. Ecker Neue Antibiotika • Daptomycin – cyclisches Lipopeptid – aktiv gegen • Vancomycin resistente Enterococci • Methicillin resistente Staphylococci • Vancomycin resistente S. aureus Universität Wien Institut für Pharmazeutische Chemie G. Ecker Resistenzmodulatoren • Effluxinhibitoren - P-Glycoprotein – – – – Verapamil, Dexverapamil Dexniguldipin Cyclosporin Valspodar (SDZ-PSC 833) Allerdings: • Notwendige Konzentrationen in vivo oft nicht erreicht • Blut-Hirn Schranke geöffnet Universität Wien Institut für Pharmazeutische Chemie G. Ecker 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 Universität Wien Institut für Pharmazeutische Chemie G. Ecker 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) Universität Wien Institut für Pharmazeutische Chemie NH2 O OH NH2 OH O HO G. Ecker 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 Universität Wien Institut für Pharmazeutische Chemie NH2 APH(3') HO G. Ecker 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 Universität Wien Institut für Pharmazeutische Chemie OH O G. Ecker Überwachung - Dokumentation Universität Wien Institut für Pharmazeutische Chemie G. Ecker 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) Universität Wien Institut für Pharmazeutische Chemie G. Ecker EARSS Universität Wien Institut für Pharmazeutische Chemie G. Ecker World Antibiotic Resistance Network Globales Informationssystem über den gegenwärtigen Resistenzstatus in bestimmten Regionen Dateneingabe und Datenabfrage möglich Universität Wien Institut für Pharmazeutische Chemie G. Ecker 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) Universität Wien Institut für Pharmazeutische Chemie G. Ecker 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 Universität Wien Institut für Pharmazeutische Chemie G. Ecker
