Antibióticos Eduardo Rodriguez Bibliografía - Brock. Biología de los Microorganismos. Madigan, Martinko, Dunlap, Clark. 2009. 12ª edición. Ed. Pearson. Cap. 27 - Foundations in microbiology. Kathleen Park Talaro, Barry Chess. 8th ed. 2012. 8ª edición. Cap. 12 - Antibiotics. Actions, origins, resistance. Christopher Walsh. 2003. ASM Press. 1
Antibióticos Qué son, cuál es su origen, cómo se clasifican? Modo de acción selectivo Quienes los producen Origen y desarrollo de resistencia a antibióticos Necesidad de nuevos antibióticos 2
Qué son? Antibacterianos Desde cuando se conocen? Antibióticos "Anti" = Contra "bióticos" = vida Sustancia químicas (naturales o sintéticas) capaz dematar o impidir el crecimiento de ciertas clases de microorganismos sensibles Fármacos usados en el tratamiento de infecciones por bacterias 3
Antecedentes Históricos Salvarsan o arsfenamina La bala mágica Treponema pallidum Paul Ehrlich Concepto basico de la quimioterápia: Toxicidad selectiva 1906- Obtuvo el primer compuesto químico sintético Salvarsan o compuesto 606 que podía curar la sífilis 1908- Premio Nobel Medicina 1912- Neosalvarsan que fue usado hasta 1940 para tratamietno contra la sifilis 4
Antecedentes Históricos Sulfamidas Descubiertas por Gerhard Domagk (1932) mientras buscaba colorantes para teñir S. aureus. Un colorante rojo (Prontosil Rubrum) protegía a ratones y conejos contra dosis letales de estáfilos y estreptococos hemolíticos. 1939 Le otorgaro el Premio Nobel que lo recibe recien en 1947 5
Antecedentes Históricos Penicilina G Alexander Fleming Descubrió el primer antibiótico, cuando por accidente se contaminó un cultivo de Staphylococcus aureus con un hongo y observó un halo transparente de inhibición de crecimiento de este microorganismo alrededor del hongo (1928). Premio Nobel de Medicina 1945: Alexander Fleming, Howard Florey y Ernst Chain A la sustancia se le dio el nombre de Penicilina, porque el hongo contaminante fue identificado como Penicillium notatum. Efectiva contra las enfermedades infecciosas como la tuberculosis, sífilis, cólera o neumonía. 6
Estreptomicina Fue aislada en 1944 por el Albert Schatz (alumno de postgrado) en el laboratorio de Selman Waksman a partir de Streptomyces griseus debido a las evidencias de que cepas de Mycobacterias se inactivaban al mezclarlos con muestras del suelo. Introduce el término "antibiótico". Antecedentes Históricos Selman Waksman recibe el premio Nobel de medicina 1952 7
Antecedentes Históricos Daptomycin (2000) descubierto 1980 Platensimycin (2006) nuevo mecanismo de acción Pleuromutilins (2007) se usó en vetrinaria por mas de 30 años Bedaquiline (2012) para tratamiento de la tuberculosis 8
Impacto del uso de los antimicrobianos en la demografía humana en los EEUU. Tasa de mortalidad por enfermedades infecciosas cada 100.000 habitantes a lo largo del siglo XX. Se señalan con flechas el comienzo del empleo de antimicrobianos de amplio espectro (Modificado de Armstrong,GL 1999).
Clasificación de los antibióticos 1- Según su origen 2- Según su estructura química 3- Según su actividad sobre microorganismos 4- Según su espectro de acción 5- Según su mecanismo de acción 10
Clasificación según su origen Quimioterapéutico o Sintético Sustancia producida de manera sintética que posee la propiedad de inhibir el crecimiento o destruir microorganismos Productos Naturales Sustancia producida por el metabolismo de organismos vivos, principalmente hongos y bacterias, que posee la propiedad de inhibir el crecimiento o destruir microorganismos Semisintéticos Productos naturales con modificaciones químicas en su estructura, que poseen mejoras en sus propiedades fisicoquímicas y/o farmacológicas
Clasificación según su estructura β-lactámicos penicilinas cefalosporinas Tetraciclinas Aminoglicósidos Quinolonas Polipéptidos (síntesis ribosomal o no ribosomal) Macrólidos Cloramfenicol Streptomycin Esta diversidad estructural les permite interactuar con diferentes sitios blancos en las bacteria
Efecto de los antimicrobianos sobre el crecimiento bacteriano N de células totales vs Viables Bacteriostáticos: inhiben el crecimiento bacteriano Bactericidas: producen la muerte Bacteriolíticos: producen la muerte mediante la lísis
Factores que afectan el efecto bacteriostático o bactericida Concentración alcanzada en el sitio de la infección Tipo de germen Tamaño del inóculo Tiempo de acción Fase de crecimiento de la bacteria ß-lactmamicos en fase estacionaria
Clasificación de según su espectro de acción Un antibiótico frente a distintas bacterias 15
Determinación de la sensibilidad: Antibiograma Una bacteria frente a distintos antibióticos Medio Agar Nutritivo Inocular una plato con un cultivo del microorganismo a testear Agregar sobre la superficie discos de papel conteniendo los ATB Incubar 24-48 hs en estufa Los microorganismo susceptible a un dado ATB muestran zonas de inhibición del crecimiento cerca de los discos 16
Estudio de sencibilidad frente a antibióticos Antibiograma: Se observan los halos de inhibición de cada uno de los antibióticos ensayados sobre la cepa correspondiente. El diámetro del halo de inhibición del crecimiento se utiliza como indicativo de la sensibilidad o resistencia a cada antibiótico. 17
Determinación de la CIM: Método Clásico Concentración Inhibitoria Mínima = CIM Indice Terapéutico IT = Concentración Tóxica/CIM Constituye una medida del margen de seguridad de un medicamento 18
Elección del antibiótico Mejor Antibiótico Espectro reducido Mayor Indice Terapéutico 19
Efecto de la cc de Ab en ambientes naturales 20
Efecto de la cc de Ab en ambientes naturales 21
Porque es importante conocer los blancos y los mecanismos de acción de los ATB? 1- Sentar las bases de la toxicidad selectiva 2- Categorizar los nuevos ATB 3- Generar nuevos derivados 4- Estudiar los mecanismos de Resistencia 22
Cuál es la base de la toxicidad selectiva de los antibióticos? Procesos celulares presentes solo en microorganismos Síntesis de pared o folato Procesos similares pero con diferencia estructurales Ribosomas o Replicación
Antibioticos vs Bacteriocinas 1- Toxinas de tipo proteicas producidas por bacterias no patógenas 2- Sintetizadas por el ribosoma a partir de un gen estructural 3- Inhiben el crecimiento de otras bacterias similares 4- Presentan un espectro de acción reducido 5- Son mas usandas como biopreservantes en alimentos 6- Pueden ser producidos por bacterias intestinales: Lactobacillus 7- Son faciles de modificar por ingeniería genética
Nisina Clasificación de bacteriocinas
Nisina
Biosíntesis de bacteriocinas
Sitios de acción de bacteriocinas y antibióticos
Sitios blanco de acción de los principales antibacterianos Metabolismo energético Bedaquilina ATPasa and function Daptomycin Lipid biosynthesis Platensimycin
Producción mundial de ATB
Síntesis de la pared celular
Antibióticos que inhiben la síntesis de pared celular Inhiben enzimas biosintéticas Fosfomicina, Cicloserina * Se combinan con moléculas transportadoras Bacitracina Secuestro de sustratos de la pared Vancomicina Inhiben las reacciones de entrecruzamiento del peptidoglicano Penicilinas, Cefalosporinas * * Análogos de sustratos 32
Antibióticos que inhiben la síntesis de pared celular Inhibición de enzimas biosintéticas Fosfomicina: [1-14 C] ADAP L- [1-14 C] leucina ADAP: ácido diaminopimélico
Antibióticos que inhiben la síntesis de pared celular Inhibición de enzimas biosintéticas Fosfomicina:
Antibióticos que inhiben la síntesis de pared celular Inhibición de enzimas biosintéticas Fosfomicina: inhibe la formación del 3-O-D-lactil-éter de la NAG, o sea del ácido N- acetilmurámico, debido a la semejanza estructural entre este antibiótico y el PEP, sustrato de la enzima Fosfomicina
Antibióticos que inhiben la síntesis de pared celular Inhibición de enzimas biosintéticas Fosfomicina: inhibe la formación del 3-O-D-lactil-éter de la NAG, o sea del ácido N- acetilmurámico, debido a la semejanza estructural entre este antibiótico y el PEP, sustrato de la enzima
Antibióticos que inhiben la síntesis de pared celular Inhibición de enzimas biosintéticas Cicloserina: 37
Antibióticos que inhiben la síntesis de pared celular Inhibición de enzimas biosintéticas Cicloserina: Se comporta como análogo estructural de la D-alanina, por lo que inhibe la acción de la racemasa que convierte la L-ala a D-ala y la reacción de la ligasa que une las dos D-ala. D-Ala-D-Ala Ligasa Cicloserina 38
Antibióticos que inhiben la síntesis de pared celular Interacción con moléculas transportadoras Bactoprenol: poliisoprenoide de 55 átomos de C que transporta las subunidades de peptidoglicano hacia la cara externa de la membrana.
Antibióticos que inhiben la síntesis de pared celular Tu n i c a m i c i n a s, L i p o s i d o m i c i n a y Mureidomicinas son uridil péptidos que actúan como análogos de sustrato 40
Antibióticos que inhiben la síntesis de pared celular Tu n i c a m i c i n a s, L i p o s i d o m i c i n a y Mureidomicinas son uridil péptidos que actúan como análogos de sustrato 41
Antibióticos que inhiben la síntesis de pared celular Bacitracina: péptido no ribosómico Se une al undecaprenolpirofosfato en presencia de Mg +2, bloqueando su desfosforilación, impidiendo la regeneración del transportador de membrana
Antibióticos que inhiben la síntesis de pared celular Secuestro del sustrato de la pared Vancomicina: glicopéptido Forma un complejo con los residuos de D-alanina del muramilpentapéptido, estabilizado por cinco puentes de hidrógeno. Impide la transferencia de los precursores desde el transportador lipídico y la transpeptidación.
Etapas finales de la síntesis de pared celular β-lactámicos A A- Bactoprenol: transporta los monómeros de peptidoglicano sobre la membrana citoplasmatica B- Transglicosilasa: forma la unión entre la unidades β-(1-4)-disacaridicas C- Transpeptidasa: enlaces interpeptídicos D- Carboxipeptidasas: eliminan el extremo D-Ala de las cadenas que van a entrecruzarse 44
Antibióticos que inhiben la síntesis de pared celular Inhibición de las reacciones de entrecruzamiento (transpeptidación) del peptidoglicano β-lactámicos 45
Antibióticos que inhiben la síntesis de pared celular Inhibición de las reacciones de entrecruzamiento (transpeptidación) del peptidoglicano Monobactamas: ej. Aztreonam. Activos sólo frente a Gram negativos. Penicilinas naturales: ej. Penicilina G, Penicilina V: espectro reducido, activas contra Gram positivos. Sensibles ph ácido Cefalosporinas: ej. Cefazolina, Cefalexina. Espectro reducido a Gram positivos. Carbapenemas: ej. Imipenem. Amplio espectro. Resistentes a β-lactamasas al igual que las Monobactamas. Ac. Clavulámico: Inhibe las β-lactamasas 46
Antibióticos que inhiben la síntesis de pared celular Grupo N-acilo β-lactámicos de segunda generación Penicilinas naturales: ej. Penicilina G, Penicilina V: espectro reducido, activas contra Gram positivos. Sensibles ph ácido Aminopenicilinas: ej. Ampicilina, Amoxicilina. Amplio espectro. Activas contra Gram positivos y Gram negativos. Más resistentes al ph ácido. Carboxipenicilinas: ej. Carbenicilina, Ticarcilina. Actividad anti Pseudomonas 47
Antibióticos que inhiben la síntesis de pared celular β-lactámicos: Mecanismo de acción Transpeptidasas (serina transferasas) PBP (Penicillin Binding Proteins) Penicilina Peniciloil-PBP PBP Inhibición de la reacción de transpeptidación y del entrecruzamiento del peptidoglicano activan el mecanismo autolítico endógeno bacteriano 48
Acción bactericida de los β-lactámicos PBPs: Dos tipos de procesos: aumento de tamaño o elongación de la pared y formación del tabique. Estos procesos controlados por una gama de TG y TP que son los sitios de acción de las penicilinas
Acción bactericida de los β-lactámicos Acción bactericida de β-lactámicos: Inhiben la TP, acumulación de precursores del PG, activación de autolisinas. Si esta en medio hipotónico la bacteria se lisa. Cuando no está creciendo no tienen efecto
Proteínas de unión a β-lactámicos (PBP) ü Enzimas sensibles a penicilina o cefalosporinas ü Distinto grado de afinidad frente a los distintos β-lactámicos ü Existen distintas PBPs con diferentes actividades. ü Intervienen en elongación y en la forma de la bacteria ü No todas las especies bacterianas presentan idéntico perfil de PBPs. ü Algunas tienen actividad carboxipeptidasa (CP) que liberan la alanina terminal ü Algunas son bifuncionales (TP y CP) SDS-PAGE 14 C-peniciloil-proteinas Formación del septo transversal Formación del septo transversal
Antibióticos que inhiben la síntesis de pared celular ü Síntesis de precursores (Fase citoplasmática) Fosfomicina (MurA.) Cicloserina (racemasa y ligasa) ü Transporte a través de membrana Bacitracina (fosfatasa del difosfato de undecaprenilo) Tunicamicinas (MryA ) Mureidomicinas (MryA) ü Ensamblaje (extracitoplasmática) Vancomicina (transglicosilasas) β-lactámicos (PBP) La toxicidad selectiva de estos antibióticos se basa en que las células animales no poseen pared celular, ni las enzimas de su biosíntesis.
Antibióticos que inhiben la síntesis de proteínas Aminoacil-tRNA sintetasas Mupirocina Actúan sobre la subunidad 30S del ribosoma Aminoglicósidos: Estreptomicina, Neomicina, Kanamicina, Gentamicina, Tobramicina, Amikacina Tetraciclinas: Doxiciclina, Tetraciclina Actúan sobre la unidad 50S del ribosoma Cloranfenicol Macrólidos: Eritromicina, Azitromicina, Claritromicina Lincosamidas: Clindamicina Actúan sobre el ensamblado del ribosoma 2-Oxazolidona: Linezolida Actúan sobre las aminoacil-trna sintetasas Mupirocina 53
Síntesis de proteínas
Antibióticos que inhiben la síntesis de proteínas Actúan sobre la subunidad 30S del ribosoma Aminoglicósidos Son azúcares complejos unidos por enlaces glicosídicos. Atraviesan la membrana citoplasmática por un mecanismo oxígeno-dependiente. Los grupos NH 2 y -OH interactúan con proteínas del ribosoma. La estreptomicina fue aislada en 1944 por Albert Schatz y Selman Waksman a partir de Streptomyces griseus 55
Antibióticos que inhiben la síntesis de proteínas Que actúan sobre la subunidad 30S del ribosoma Aminoglicósidos: Mecanismo de Acción Se unen a la subunidad 30S del ribosoma: - Bloquea la formación del complejo de iniciación - Produce lectura errónea del mensaje: proteína defectuosa - El resultado final es la muerte de la bacteria, son bactericidas Estreptomicina
Antibióticos que inhiben la síntesis de proteínas Que actúan sobre la subunidad 30S del ribosoma Tetraciclinas: Estructura química y Mecanismo de acción Bloquean la inserción del aminoacil-trna La unión es transitoria, por lo que su efecto es reversible: son bacteriostáticos
Antibióticos que inhiben la síntesis de proteínas Que actúan sobre la subunidad 30S del ribosoma Tetraciclinas: Unión de la tetraciclina al ribosoma El conocimiento del sitio de unión e interacción del ATB con el blanco permite el diseño racional de nuevos ATB. Es activa en presencia de Mg +2
Antibióticos que inhiben la síntesis de proteínas Que actúan sobre la subunidad 50S del ribosoma Cloranfenicol: Estructura química y Mecanismo de acción Originalmente producido por Streptomyces venezuelae, actualmente se sintetiza químicamente. Se une a la enzima peptidil transferasa en la subunidad 50S Inhibe la formación del enlace peptídico y detiene la síntesis de proteínas Es un agente bacteriostático
Antibióticos que inhiben la síntesis de proteínas Que actúan sobre la subunidad 50S del ribosoma Macrólidos y Lincosamidas: Estructura y Mecanismo de acción Inhiben la peptidil transferasa y la translocación Se detiene la síntesis de proteínas liberando prematuramente el peptidil trna Son bacteriostático.
Antibióticos que inhiben la síntesis de proteínas Que actúan sobre la subunidad 50S del ribosoma Macrólidos: Unión al ribosoma 61
Antibióticos que inhiben la síntesis de proteínas Inhibición del ensamblado de los Ribosomas 2-Oxazolidona: Estructura y Mecanismo de acción Linezolida Previenen la iniciación y bloquean el ensablado del ribosoma Actúa sobre bacterias Gram positivas Es bacteriostático contra estafilococos y enterococos pero bactericida contra estreptococos
Antibióticos que inhiben la síntesis de proteínas Inhibición de aminoacil-trna sintetasas Mupirocina: Estructura y Mecanismo de acción Se une a la isoleucil-trna sintetasa del microorganismo, de manera que impide la incorporación de la isoleucina a las proteínas. Bacteriostático a bajas concentraciones y bactericida a altas concentraciones.
Antibióticos que inhiben la síntesis de ácidos nucleicos Inhibición de la DNA girasa Quinolonas Inhibición de la RNA polimerasa Rifampicina Inhibición de la síntesis de precursores Sulfamidas Trimetoprima 64
Replicación del ADN 65
Antibióticos que inhiben la síntesis de ácidos nucleicos Quinolonas Interfieren la replicación del ADN, inhibiendo selectivamente el dominio ligasa (subunidad A) de la ADN girasa bacteriana (topoisomerasa II). En bacterias G(+) actúan sobre topoisomerasa IV No afectan la estructura de cromosomas humanos. Tienen un efecto bactericida
Antibióticos que inhiben la síntesis de ácidos nucleicos Rifampicina Es un antibiótico semisintético derivado de Amycolatopsis rifamycinica (previamente conocido como Streptomyces mediterranei). Se une de modo no covalente a la subunidad ß de la ARN polimerasa bloqueando la síntesis del mrna. Es útil en el tratamiento de la Tuberculosis, en combinación con drogas antituberculosas, como Isoniazida (inhibe la síntesis de lípidos de Mycobacterium tuberculosis) y Etambutol. También se usa en combinación con esta drogas para el tratamiento de la Lepra. RNA polimerasa 67
Antibióticos que inhiben la síntesis de ácidos nucleicos Sulfamidas Descubiertas por Gerhard Domagk (1932) mientras buscaba colorantes para teñir S. aureus. Un colorante rojo (Prontosil Rubrum) protegía a ratones y conejos contra dosis letales de estáfilos y estreptococos hemolíticos.
Antibióticos que inhiben la síntesis de ácidos nucleicos Sulfamidas Dihidropteroato Sintasa Pteridina + PABA Dihidrofolato Reductasa Análogos del PABA, antagonistas competitivos en la síntesis del ácido fólico bacteriano. Inhiben la dihidropteroato sintetasa, necesaria para la incorporación del PABA al ácido dihidropteroico (precursor del ácido fólico). 69
Antibióticos que genran daño en el ADN Nitroimidazoles: Metronidazole Es una pro-droga activada por reductasas del huesped a bajos potenciales redox o en condiciones de anaerobiosis. Utilizado para tratamiento de las infecciones provocadas por protozoarios y bacterias anaeróbicas y microaerofilos. 70
Antibióticos que interfieren con la membrana celular Polimixina B: Péptidos catiónicos que se insertan en la membrana. ATB se une al LPS o a las cargas negativas de la membrana, desorganizando la MC y generando permeabilidad de la misma y despolarización de la membrana. Relativamente tóxicos, poca utilidad terapéutica. 71
Antibióticos que interfieren con la membrana celular Daptomicina: Antibiótico lipopéptido cíclico, producido por Streptomyces roseosporus. Es bactericida por unión a la membrana celular de Gram (+). En presencia de Ca +2 produce una rápida despolarización de la membrana y muerte bacteriana, sin lisis celular. aminoácidos Formación de oligómeros de Daptomicina
Antibióticos que interfieren generación de ATP Bedaquilina: es el primer fármaco en el mercado que se dirige a la ATP sintasa micobacteriana. El flujo de protones a través del dominio F0 conduce a una rotación de las subunidades c y γ del dominio F1. Esta rotación impulsa la síntesis de ATP en el hexámero α3β3. El sitio de unión principal de bedaquilina se encuentra entre las subunidades a y c del dominio F0. La bedaquilina inhibe la síntesis de ATP al bloquear el flujo de protones y los cambios conformacionales posteriores.
Sitios blanco de acción de los antimicrobianos Metabolismo energético Bedaquilina ATPasa and function Daptomycin Lipid biosynthesis Platensimycin
Comó matan los antibióticos a las bacterias?