Neue Antibiotika
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Science in the City Darauff wartet d die Welt: l Neue Antibiotika Fachhochschule Köln Leverkusen, BayKomm, 06. Juno 2012 Dr. Jonathan W. Mueller [email protected] European Antimicrobial Resistance Surveillance Yearly number of bloodstream infections caused by E. coli and S. aureus in Europe No. of blood strea am infections 20000 E. coli 15000 S. aureus 10000 EARSS/EARS-Net 2002–2009 (22 countries/198 laboratories) Estimated E ti t d 25 25.000 000 patients ti t di died d ffrom an iinfection f ti caused by five common antibiotic-resistant bacteria in 2007 in Europe (ECDC/EMEA Joint technical report (2009): The bacterial challenge - time to react) 2.5 million extra hospital days 900 million € extra in-hospital costs 5000 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 Perrcent resistant isola ates among species Proportion of third-generation cephalosporin-resistant E. coli and methicillinresistant S. aureus (MRSA) in Europe 25 MRSA 20 15 3rd gen. p p Cephalosporin resistant E. coli 10 5 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2 EARS surveillance report 2010 Changing resistance trends US HA-MRSA + CA-MRSA: Hospital + Community acquired methicillin-resistant S: aureus Multidrug-resistant Multidrug resistant (MDR) P. P aeruginosa: Fluoroquinolone-resistant (FQR) E. coli MDR K. pneumoniae 60 in 2010 50,63% 11 74% 11,74% 21,74% 6,58% MRSA all HA-MRSA 50 CA-MRSA % preva alence MDR P. aeruginosa FQR E. coli 40 MDR K. pneumoniae 30 20 data from >300 clinical labs in USA 10 0 1999 2001 2003 2005 2007 2009 year 3 Source: Adapted from The Surveillance Network (TSN) Mittlerweile tt e e e sterben ste be in Krankenhäusern a e äuse der westlichen Welt mehr Menschen nach Infektion durch MRSA als durch HIV/AIDS und Tuberkulose zusammen. MRSA werden zunehmend auch außerhalb von Kliniken übertragen g Andere A d Keime K i machen h auch hP Probleme: bl VRE - Vancomycin-resistenter Enterococcus Weitere human-pathogene Bakterien, die gegen eine oder gar mehrere Klassen von Antibiotika resistent sind Fischbach und Walsch, Science 2009 Die Gene für Antibiotika-Resistenzen sind Tausende von Jahren alt! Lehrbuchwissen: Erythromycin-Resistenz - vermittelt durch eine Methylase, die die Ribosomen-Bindestelle für dieses Antibiotikum modifiziert. In 30 000 Jahre-altem Jahre altem Permafrost Permafrost-Boden Boden wurden mittels DeepSequencing alte Resistenz-Gene identifiziert. - beta-Lactamase - das Tetracyclin-Resistenz-Gen tetM - Vancomycin-Resistenz Resistenz Gene gibt es schon seit sehr Resistenz-Gene langer Zeit. Durch übermäßigen AB-Gebrauch entstehen jedoch auch resistente Stämme durch Mutation. Mutation D'Costa et al., Nature 2011 Wie entsteht eine Resistenz? Intrinsische Resistenz: Die Resistenz ist bereits vor der ersten Anwendung des Antibiotikums vorhanden. Erworbene Resistenz: Der Mikroorganismus wird erst nach mehrmaliger Anwendung des Antibiotikums in nicht-toxischen Mengen resistent resistent. Mechanismen 1) Das Antibiotikum gelangt entweder gar nicht in die Zelle oder wird wieder herausgepumpt herausgepumpt. 2) Die Zielstruktur des Antibiotikums ist in der entsprechenden Zelle entweder t d nicht i ht vorhanden h d oder d d durch hM Mutation t ti verändert. ä d t 3) Das Antibiotikum wird enzymatisch gespalten oder so modifiziert, dass es unwirksam wird. Was war früher? Anzahl der Neuzulassungen g von Antibiotika Jahrzehnt Neuinfektionen durch MRSA J h Jahr Bandow und Metzler-Nolte, ChemBioChem 2009 MRSA - Methicilin-resistenter Staphylococcus aureus Antibiotika - der Anfang Ein Mikroorganismus wetteifert mit it einem i anderen d ums Üb Überleben. l b L. Pasteur, 1877 Antibiosis Antibiotika Mikrobielle Metabolite oder (durch sie inspirierte) synthetische Analoga, die Mikroorganismen am Wachstum hindern ohne dramatische Toxizität für den Wirt. Schlüsselkonzept: p Louis Pasteur in seinem Laboratorium Ölgemälde A. Edelfeldt, 1885 Selektive Toxizität Das „Goldene Zeitalter“ der Antibiotika-Entwicklung Inhibitoren der Topoisomerase II u.a. Vancomycin V i Inhib. I hib der Zellwand-Synthese ??? Ribosomen-Inhibitoren Ribosomen Inhibitoren Penicilline und Cephalosporine Inhibitoren der Zellwand-Synthese Anti-Folat-Medikamente; Inhibitoren der Synthese von Nucleotiden Fischbach und Walsh, Science 2009 Wilson, Crit. Reviews Biochem. Mol. Biol. 2009 Verbreitete Antibiotika I Inhibitoren der Zellwandsynthese • β-Lactam-Antibiotika: Penicilline und Cephalosporine • Vancomycin, ein Glycopeptid Inhibitoren der ribosomalen Protein-Biosynthese • Aminoglycoside • Macrolide (Erythromycin A) • Tetracycline • Lincosaminide (Clindamycin) • Weitere Antibiotika - z. B. Chloramphenicol Verbreitete Antibiotika II • Sulfonamide - älteste Klasse • Trimethoprim • (Fluoro-) (Fl ) Chinolone Chi l (Ci fl (Ciprofloxacin) i ) - Gyrase-Hemmer G H • Oxazolidinone (Linezolid - 2000 zugelassen) - Protein-Initiations-Inhibitoren Nomenklatur von Antibiotika Penicillin, Ampicillin „-cillin“ durch Fermentation von Pilzen hergestellt Cephalosporin, Cefuroxime „Cef-“/ „Ceph-“ Produkt von Pilzen Ci fl Ciprofloxacin, i Levofloxacin L fl i „-floxacin“ fl i “ synthetische Flurochinolone Fermentationsprodukt einer Streptomyces-Spezies „-mycin“ mycin Streptomycin Fermentationsprodukt p von Micromonospora p „-micin“ Gentamicin Neue Antibiotika Wie entstehen Resistenzen? Das Goldene Zeitalter der Antibiotika-Forschung Die vormals leere Pipeline und das Versagen von HTS Woher werden zukünftige Antibiotika vermutlich stammen? Wie wirken Antibiotika überhaupt? Neue Antibiotika und das Problem mit Gram-negativen Bakterien Dr. Jonathan W. Mueller [email protected] Fischbach und Walsh, Science 2009 Stetig sinkende Zulassungen bei Antibiotika Systemic antibacterial new molecular entities approved by the FDA, per 5-year period. Telavancin, Ceftaroline Spellberg B et al. Clin Infect Dis. 2008;; 46:155-164 Rübsamen-Schaeff H Warum? 16 Antibiotika-Forschung im Vergleich zur HIV-Forschung Medikamente kosten bis zu 1 Mrd. EUR in ihrer Entwicklung Wirtschaftliche Faktoren (zu Ungunsten der AB-Forschung) • ABs haben niedrigere g Gewinnmargen g als andere Medikamente • kurzzeitige Anwendung (im Gegensatz zu chronischen Erkrankungen) • Heilen einer Erkrankung (statt lediglich Symptombehandlung) • Neue ABs eher in der zweiten und dritten Reihe (statt weitreichendem Einsatz in anderen Indikationsgebieten) • Generischer Antibiotika-Markt • Versagen von HTS A method for its own - High-Throughput Screening - HTS 96-well plates 384-well plates 1536-well plates (piezo/microfluidics) aim: screen 1 million compounds per day From the mid-1970s onwards: decreased attention on natural products Focus on more rational approaches (=HTS) A method for its own - High-Throughput Screening - HTS 96-well plates 384-well plates 1536-well plates (piezo/microfluidics) sorafenib (Nexavar) Bayer • the first and only de novo HTS drug aim: screen 1 million compounds per day • approved by FDA in 2005 • treatment of renal cell carcinoma • and d hepatocellular h t ll l carcinoma i Newman and Cragg, J. Nat. Prod. 2012 Experiences p with target-based g HTS ((GSK)) Program of 7 years (1995 – 2001), 2001) ratio biology to chemistry = 2:1 358 potential genomics target gene evaluated Æ 166 essential 67 HTS screens (65 single target, biochemical format; 2 pathway assays) with 260,000 – 530,000 compounds 16 screens gave hits Æ no increase in target activity, no MIC, unspecific whole-cell activity 5 screens yielded leads (defined by whole-cell whole cell POC) Æ spectrum too small, bad phys.-chem., bad PK Inhibitors of FabI, MurA, Met-RS, Tyr-RS, RNaseP Additional MIC-type HTS yielded thousands of hits, but no leads Æ non-specific membrane-active, haemolytic, lipophilic, cationic Payne DJ et al. Nat. Drug Disc. 2007, 6, 29 Neue Antibiotika Wie entstehen Resistenzen? Das Goldene Zeitalter der Antibiotika-Forschung Die vormals leere Pipeline und das Versagen von HTS Woher werden zukünftige Antibiotika vermutlich stammen? Wie wirken Antibiotika überhaupt? Neue Antibiotika und das Problem mit Gram-negativen Bakterien Dr. Jonathan W. Mueller [email protected] Anforderungen an ein neues, sicheres Breitband-Antibiotikum 1 Zielstruktur - essenziell und hochgradig ähnlich (konserviert) 1. in vielen Bakterienspezies 2. ABER nicht oder abgewandelt oder nicht-essenziell im Menschen (selektive Toxizität) 3. Medikament - hoch aktiv gegenüber der ganzen Bakterienzelle 4 OHNE oder 4. d nur mit i wenig i A Auftreten f von R Resistenzen i 5. Gerüst ((Scaffold)) sollte chemisch modifizierbar sein 6. Biologisch abbaubar Physikochemische Eigenschaften von Antibiotika oxazolidinones sulfa-drugs rifamycins y streptogramins macrolides quinolones Gram-pos. β-lactams tetracyclines Gram-neg. β lactams β-lactams aminoglycosides 147 antibacterially active compounds versus extract from CMC database (n=4,623) Antibiotics are different! Gram + ÆMW <2000, clogD7.4 2 to 3 7 4 generally -2 Gram – Æ MW <600, clogD7.4 generally 0 to -6 O‘Shea R and Moser HE J Med Chem. 2008 May 22;51(10):2871-8. Alte und Neue Hoffnung durch Naturstoffe stille BiosyntheseBiosynthese-Cluster in zahlreichen bakteriellen Genomen (ca. 90 %) A major class of natural products are the polyketids polyketids = natural products made from derivatives of polyketon acids activated acetic acid (Ac-CoA) + malonyl-CoA propionyl-CoA butyryl-CoA => long linear polyketon acid th modifications then difi ti ((e.g. reduction, d ti condensation) d ti ) cyclisation y via Claisen or aldol reactions e.g. tetracycline!!! or macrolide Habermehl et al., Naturstoffchemie, 3. Aufl., Springer 2008 Assembly line-enzymes responsible for the biosynthesis of: A molecular assembly line - erythromycin synthase - three polypeptides (about 1 MDa total size) - a total of 28 catalytic domains organised into seven modules Walsh and Fischbach, J. Am. Chem. Soc. 2010 How many natural products may be out there? • less than 10 % of natural products have been sampled; or even less? • “cryptic” biosynthetic gene clusters in many bacterial genomes • about 10 % of natural products have been discovered in the most investigated organisms!!! • awakeningg of these gene g clusters Ö Metagenomics g • hidden treasures in Chinese Herbal Medicine and Indian Ayuverda enormous opportunities for interdisciplinary research!!! Walsh and Fischbach, J. Am. Chem. Soc. 2010 Even the workhorses of natural products production may still ill b bear secrets many natural products are not produced under laboratory conditions (pure culture; high-nutrient media) revelation of bacterial whole-genome sequencing Ö underestimation of the microbial biosynthetic y potential p an example: p More than 20 gene clusters for the synthesis of polyketides (PKs) or non-ribosomal peptides (NRPs) were found within Streptomyces genomes; previously known to produce two natural products!!! 10fold more unexplored potential Singh and Pelaez, Prog. Drug. Res. 2008 Novel chemical classes: Natural products: A starting point for new antibiotics? • Natural products: Low-hanging fruits have been picked • Due to complex chemistry “learning cycles” slow and costlyy • Due to complex chemistry high cost of goods in production for the market • No cheap pricing possible in the market A difficult journey to be only undertaken, if resources are adequate…. 30 Beyond natural products… • Targeted chemical libraries • Fragment based screening – e.g. pyrrolamides as GyrB ATPase inhibitors, AZ (ICAAC 2008 F-2025-29) N – SAR by NMR, in vivo potency O H N N N H Cl Cl • Structure-based drug design – Anti-MRSA cephalosporins; co-crystallization with S. S aureus PBP2a (ICAAC 2009 2009; F-503) F 503) – Aminobenzimidazoles as GyrB/ParC ATPase inhibitors (AAC 2006,50,1228-37) F COOH S N H N N N O N H H N VRT-752586 Addressing validated targets with novel chemistry while considering the unique physicochemical requirements of antibiotics 31 Oberste Priorität für die Entdeckung von neuen Leitstrukturen • Erkundungg bisher wenigg erforschter mikrobieller Nischen im Hinblick auf Naturstoffe • Clevere Hochdurchsatz-Screens zur Vermeidung der wiederholten Entdeckung von bekannten Substanzen • Verwendung von existierenden Substanz-Bibliotheken aus anderen Indikationsgebieten in der Antibiotika-Forschung • Lernen von bisher gemachten Fehlern Fischbach und Walsh, Science 2009 Neue Antibiotika Wie entstehen Resistenzen? Das Goldene Zeitalter der Antibiotika-Forschung Die vormals leere Pipeline und das Versagen von HTS Woher werden zukünftige Antibiotika vermutlich stammen? Wie wirken Antibiotika überhaupt? Neue Antibiotika und das Problem mit Gram-negativen Bakterien Dr. Jonathan W. Mueller [email protected] Ein Antibiotikum greift eine Zielstruktur im Bakterium an. 1. Antibiotikum gelangt in die Bakterien-Zelle Bakterien Zelle 2. Es bindet an die Zielstruktur und inhibiert einen wichtigen Prozess wie die Protein-, RNA-, DNA- oder Zellwand-Synthese 3 Das 3. D B Bakterium kt i stirbt. ti bt Cell 2007 Antibiotika wirken komplex. Nach dem ersten Target geschehen eine Reihe von Prozessen, di schließlich die hli ßli h zum Zelltod führen. Lediglich ein Enzym zu inhibieren, ist nicht genug. Kohanski et al., Nat. Rev. Microbiol. 2010 HTS = basierte 15 Jahre auff einer zu einfachen f Vorstellung der ablaufenden Prozesse!!! Neue Antibiotika Wie entstehen Resistenzen? Das Goldene Zeitalter der Antibiotika-Forschung Die vormals leere Pipeline und das Versagen von HTS Woher werden zukünftige Antibiotika vermutlich stammen? Wie wirken Antibiotika überhaupt? Antibiotika und das Problem mit Gram-negativen Bakterien Dr. Jonathan W. Mueller [email protected] Einführung von neuen Antibiotika-Klassen Gram-negative coverage • 14 Antibiotika-Klassen wurden für die Anwendung am Menschen zwischen 1935 und 1968 zugelassen. • Nach 1968, wurden nur noch fünf weitere Klassen zugelassen • KEINE davon d ist i gegen Gram-negative G i Bakterien k i wirksam. ik 37 Gram-positive und Gram-negative Bakterien Periplasma Porine Efflux-Pumpen DNA Cytoplasma Zellmembran Zellwand aus Peptidoglycan innere Zellmembran dünnere Zellwand äußere Zellmembran Gram-negative Bakterien besitzen effektive Pumpen In Kombination mit anderen ABs könnte hier die Inhibition der Pumpe Wirkung zeigen. zeigen Problematische Gram-negative Pathogene Hochgradig gesistente Gram-negative Pathogene verbreiten sich. • Acinetobacter species • multidrug-resistente (MDR) Pseudomonas aeruginosa • carbapenem-resistente Klebsiella species und Escherichia coli IDSA report, Clin. Infect. Diseases 2009, 48:1-12 Coping with bacterial resistance what is needed? • Awareness for the value of existing antibiotics – Appropriate pp p use,, de-escalation,, antimicrobial stewardship Æ slow-down slow down resistance as much as possible • Ultimately, resistance is inevitable Æ novel resistance breaking drugs needed 41 Zukünftige Entwicklungen • Chemische Modifizierung vorhandener antimikrobieller Wirkstoffe • Steigerung der Aktivität bekannter Wirkstoffe (AB-Adjuvanzien) • Hybrid-Substanzen • Neue Membran-aktive b k Medikamente dk • Neue Zielstrukturen (Targets) nach Moellering Jr., Int. J. Antimicrobial Agents 2011 Chemische Modifizierung vorhandener Antibiotika Alternative anti-mikrobielle Therapien • Inhibitoren der Virulenz oder der Pathogenität (Quorum sensing) • Bacteriophagen, bzw. Wirkprinzipien daraus (Proteine zur Zell-Lyse oder zur spezifischen Erkennung von Erregern) • Antimikrobielle Peptide - (Bestandteil des menschlichen Immunsystem) • Veränderte Mikroben, die selbst gegen andere Bakterien wirken Quorum sensing „Wie viele sind wir?“ Chen et al., Mol. Cell 2011 Di ZZukunft Die k f Die akademische Forschung muss fundamentale Fragen klären - zur bakteriellen System-Biologie („-omics“ und „Systems“) - zu den eigentlich ablaufenden Mechanismen des Zelltods - was eigentlich eine minimale Zelle ist (Die Definition des Lebens) Wenn dabei die richtigen Zielstrukturen identifiziert sind, können in der Industrie - biochemische und Zell-basierte Screens und Optimisierungen laufen. Danksagung Ciprofloxacin und Linezolid Prof. Astrid Rehorek und Prof Heike Koralli, FH Köln, F11 Prof. Helga Rübsamen-Schaeff AiCuris GmbH &Co KG KG, Wuppertal Prof.f Julia P J li Bandow B d Ruhr-Universität Bochum und Ihnen für Ihre Aufmerksamkeit Dr. Jonathan W. Mueller [email protected]
