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G. EckerUniversität WienInstitut für Pharmazeutische Chemie
Das ResistenzproblemUrsachen, Mechanismen, mögliche Auswege
Ao.Univ.-Prof. Dr. Gerhard EckerInstitut für Pharmazeutische Chemie
Universität Wien
Universität WienInstitut für Pharmazeutische Chemie
G. EckerUniversität WienInstitut für Pharmazeutische Chemie
Das Resistenzproblem
• Intrinsische Resistenz
• Erworbene Resistenz
Unter Resistenz versteht man eine Insensitivität oder verringerte Sensitivität gegenüber Arzneistoffen, die das Zellwachstum verringern oder zum Zelltod führen
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Daten Methicillin-resistente S. aureus 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 nötigIn Ländern mit hoher Verschreibungsrate ist auch die Resistenzrate hoch
• Schlechte Compliance der PatientenZu frühes Absetzen, Aufheben, ...
• Oft wird sofort das neueste Arzneimittel verschriebenFördert rasche Resistenzentwicklung
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Gentransfer
• Transformation: lösliche DNA-Stücke
• Transduktion: Plasmidtransfer über Phagen
• Konjugation: direkter Plasmidtransfer
Die häufigste Ursache für Antibiotikaresistenz in der Klinik ist der Transfer von DNA-Segmenten. Dies erfolgt durch:
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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 gram-negativen Bakterien (Enterobacteriae)
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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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PlasmidePlasmide enthalten meist mehrere Resistenzgene
Antibiotikaresistenz in Shigellae (Japan):Jahr Anzahl Sm Tc Cm Sm,Cm,Tc1953 4900 5 2 0 01956 4399 8 4 0 01958 6563 18 20 0 1931960 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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PlasmideAntibiotika-Resistenz von coliformen Bakterien in Abwasserkanälen:
%Sm %Cm %TcKrankenhaus 48.8 0.4 24.3Wohngegend 0.6 0.007 0.1Psych. Klinik 9.5 0.03 0.4Sm: 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 RNA-Polymerase. 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 Elektron-Transportsystem 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 (P-Glycoprotein) 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 EpipodophyllotoxineVincristin EtoposidVinblastin Teniposid
Anthracycline TaxaneDoxorubicin
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 PilzenPGP Cluster pfMDR1 Plasmodium falciparum
Cdr1p Candida albicansPdr5p Saccharomyces cerevisiaeSnq2p Saccharomyces cerevisiaeLmrA Lactococcus lactis
MRP ClusterYcf1 Saccharomyces cerevisiaeYor1 Saccharomyces cerevisiaeltPgpA Leishmania tarentolaeceMRP1 Caenorhabditis elegansBCECF 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 FamiliecaMDR1 Candida albicans
LmrP Lactococcus lactisNorA Staphylococcus aureus
RND Familie AcrB Escherichia coliMexB Pseudomonas aeruginosaMtrD Neisseria gonorrhoea
SMR Familie EmrE Escherichia coliQacC Staphylococcus aureusQacE 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 Tetracyclin, Chloramphenicol, Ampicillin
Pseudomonas aeruginosa Tetracyclin, Chloramphenicol, Norfloxazin
Salmonella typhi Chloramphenicol
Mycobacterium tuberculosis 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 CoASH + N-Acetyl-AG
– O-Phosphotransferase (APH)ATP + AG ADP + Phospho-AG
– O-Adenylyltransferase (ANT)ATP + AG Ppi + AMP-AG
O
O
O
O
OH
NH2
NH2
OH
OH
NH2
NH2
OH NH2
OH
OH
ANT(4')
ANT(2')APH(2")
AAC(2')
AAC(6')
AAC(3)
AAC(1)
APH(3')
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
NH
ClCl
OH
O2NO
O
NH
ClCl
OH
O2NO
CH3
O
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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
90 92 94 96 980
10
20
30
40
50
Antiinfektiva
Gesamt
Neuzulassungen
Jahr
Neu 1999 (7)MoxifloxacinGatifloxacinQuinupristin/DalfopristinZanamivirOseltamivirAbacavirAmprenavir
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Neue Antibiotika
• Linezolid:
– Vertreter der neuen Klasse der Oxazolidinone– aktiv gegen gram-positive Keime
– bindet an das bakterielle Ribosom und verhindert Proteinsynthese
– Resistenz durch Mutationen am Ribosom
O
N
NO
FNH CH3
O
O
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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
MC-207,110 (Microcide Pharm.)
blockiert Effluxpumpen in P. aeruginosa
hebt Resistenz gegen Fluorochinolone (Levofloxacin) wieder auf
NH2
NH
NH
O
NH
NH2
NHO
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Resistenzmodulatoren
• selbstregenerierende 3´-Ketoaminoglycoside
O
O
O
O
OH
NH2
OHO
NH2
OH
NH2
OH
NH2
OH
OHSebstregeneration nach enzymatischerDesaktivierung
S. Mobashery et al., J. Am. Chem. Soc. 121, 11922 (1999)
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Selbstregenerierende 3´-Ketoaminoglycoside
O
O
O
O
OH
NH2
OHO
NH2
OH
NH2
OH
NH2
OH
OH
O
O
O
O
OH
NH2
OHNH2
OH
NH2
OH
NH2
OH
OH
OHOH
O
O
O
O
OH
NH2
OHNH2
OH
NH2
OH
NH2
OH
OH
OH
O
P
O
OO
H2O
APH(3')
- HPO42-
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Verringerung in der Umwelt
• lichtsensitive -Laktame
N
SNH
O
NHNH
OO
OO CH3
O
NO2
O OH
Selbstzerstörung durch UV-Licht
S. Mobashery et al., J. Med. Chem. 43, 128 (2000)
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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 1990Richtlinien 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 ideaStanley Falkow & Donald Kennedy, Science 291, 19.1.2001