Antibiotikumok Mik is az antibiotikumok? Mikroorganizmusok által termelt szekunder metabolitok, melyek más mikroorganizmusokat elpusztítanak vagy gátolják fejlődésüket. Másodlagos anyagcseretermékek: Termelésük nem kapcsolódik közvetlenül az energia-termeléshez, a növekedéshez. Csak a tenyésztés késői szakaszában indul meg, általában valamilyen tápanyag limit kialakulásával kínjában termeli. Hasznosságuk csak közvetett, termelésük sokszor látszólag értelmetlen. Lehetnek például: antibiotikumok, pigmentek, nyálkaanyagok, tokanyagok, toxinok, stb. 2 Szekunder metabolizmus Szénforrás szabályozás: katabolit represszió ha bőségesen van hozzáférhető C-forrás, akkor az elsődleges anyagcsere pörög, nincs termékképzés. glükóz limit (adagolás apránként), vagy lassan metabolizálható C-forrás, pl. poliszacharidok (keményítő, dextrin), laktóz, növényi olajok. Nitrogén szabályozás: változó, de a sok N általában a növekedésnek kedvez elsődleges anyagcsere Az ammónium sók gyakran represszálják a termékképzést, inkább szerves N-forrás (szójaliszt, kukoricalekvár) fed batch adagolással alacsony szinten tartani a koncentrációt. 3 BME Alkalmazott Biotechnológia és Élelmiszertudomány Tanszék 1
Szekunder metabolizmus Foszfor szabályzás: befolyásolja mikroba növekedési sebességét, annak mértékét, szénhidrát égetésének sebességét bizonyos koncentráció felett negatívan szabályoz, (hozzájárul a gyors C égetéshez) túl nagy koncentrációja a szintetáz enzimek képződését gátolja alacsony indulási P koncentráció, csak annyi, hogy a szaporodási szakasz végére elfogyjon. Enzim indukció: A kulcsenzimek némelyike indukálható speciális tápanyaggal pl: metionin cephalosporin 4 Az antibiotikumok alkalmazási területei Humán gyógyászat: mikrobiális fertőzések gyógyítására (a hatékony koncentrációban az emberi szervezetet ne károsítsa) Rákellenes antibiotikumok: citosztatikus hatásúak, a kemoterápia eszközei Állatgyógyászat Állattenyésztésben: takarmány-adalékként Biokémiai, mikrobiológiai kutatásokban (szelektív inhibítorok) Növénypatogének ellen - mezőgazdaságban (egyre kevésbé) Élelmiszeriparban konzerválás (egyre kevésbé) 5 Egy kis történelem 1889 - antibiózis szimbiózis (Viullemin) 1912 - Salvarsan, szerves arzén származék, vérbaj ellen, (Ehrlich-Hata) 1936 - Szulfonamidok (p-amino-szulfonsav-amidok), Domagk 1929 penicillin észlelése, Fleming 1944 a penicillin ipari gyártása, szubmerz tenyészetben 1944 1960 új antibiotikumok felfedezésének korszaka 1950 félszintetikus származékok 1990 nincsenek új molekulák, a szabadalmak lejártak generikus termékké váltak, verseny a piacon. 6 BME Alkalmazott Biotechnológia és Élelmiszertudomány Tanszék 2
Antibiotikumok Az elmúlt 80 évben kb. 12-13 ezer antibiotikumot fedeztek fel. A humán gyógyszer piacon ebből ~2-300 molekula van. Ennek ~10 %-át gyártják fermentációs úton, ~80 %-ot ezek kémiai módosításával, félszintetikusan, néhányat szintetikusan. Miért ilyen kevés? - toxicitás - nem elég hatásos, van nála jobb - mellékhatások - rezisztencia 7 Termelő mikroorganizmusok Sugárgombák (Actinomycetes, elsősorban Streptomyces) ~ 65 % Egyéb baktériumok ~ 12 % Fonalas gombák (elsősorban Penicillium, Cephalosporium törzsek) ~ 22 % 8 Az antibiotikumok csoportosítása Csoportosítani lehet» kémiai szerkezet» hatásmechanizmus, támadáspont» hatásspektrum» bioszintézis út» orvosi alkalmazás szerint Mi most: 1. támadáspont 1.1. kémiai szerkezet szerint tárgyaljuk 9 BME Alkalmazott Biotechnológia és Élelmiszertudomány Tanszék 3
Mikrobák ellenállóképessége Természetes rezisztencia: állandó, örökletes tulajdonság, specieszekre, nagyobb rendszertani egységekre jellemző Szerzett antibiotikum-rezisztencia: természetes érzékenységi spektrum örökletes megváltozása generációk között egy fajon belül is lehet egyedenként különböző Ez is lehet antibiotikum csoportosítási szempont! 10 Mikrobák érzékenysége 11 A szerzett rezisztencia formái 1. A céltárgy (fehérje, receptor) megváltozása 2. A sejtmembrán átjárhatóságának megváltozása (permeabilitási mutáns, nem jut be a molekula) 3. Enzimes inkativálás (bontás, vagy származékképzés) A genetikai változás történhet kromoszóma vagy plazmid szinten. Penicillin típusú rezisztencia: fokozatosan alakul ki, generációról generációra. Sztreptomicin típusú rezisztencia: ugrásszerűen alakul ki, általában egy plazmid megjelenésével. 12 BME Alkalmazott Biotechnológia és Élelmiszertudomány Tanszék 4
A penicillin enzimes inaktiválása A β-laktamáz enzimek (sokféle van) felnyitják a négytagú gyűrűt. 13 Csoportosítás hatásmechanizmus szerint: Sejtfal szintézist gátlók peptidoglükán szintézist befolyásolják (penicillin, bacitracin, vankomicin) Fehérjeszintézist gátlók tetraciklinek, sztreptomicin, eritromicin Sejtmembránra hatók poliének, ciklopeptidek DNS függő RNS polimerázra hat rifampicin DNS replikációra hatnak - citosztatikumok 14 Csoportosítás hatásmechanizmus szerint: 15 BME Alkalmazott Biotechnológia és Élelmiszertudomány Tanszék 5
A. SEJTFALSZINTÉZIST GÁTLÓ ANTIBIOTIKUMOK I. β-laktám VÁZAS ANTIBIOTIKUMOK (PENICILLIN CSOPORT) Penicillinek Szerkezet: 6-amino-penicillánsav, 6-APA Cys Val 16 A penicillin tulajdonságai Fizikai: színtelen, vízben jól oldódik, 4 aszimmetria-centrum (= forgatás), nincs UV elnyelése Kémiai: gyenge sav, alkáli sóit forgalmazzák BOMLÉKONY! Savak, lúgok és enzimek hatására többféle reakcióban is gyorsan bomlik. Analitikai reakciók: - jód oldattal titrálható - hidrazin + Fe ionokkal színreakció 1 biológiai egység: 50 ml-nyi standard összetételű tápoldatban éppen meggátolja egy adott Staphylococcus aureus törzs szaporodását. 1 IU = 0,6 μg G-penicillin Na sónak felel meg. 17 G-penicillin/benzil-penicillin Az R oldallánc fenilecetsav Ez a fermentált alapmolekula, ebből gyártják a többit. Savra érzékeny vegyület, a gyomorsav elbontja, ezért szájon át nem szedhető, csak kapszulában. 18 BME Alkalmazott Biotechnológia és Élelmiszertudomány Tanszék 6
A penicillin story 1929 A. Fleming, kioltási gyűrű, Penicillium notatum Izolálás, tisztítás, szerkezetfelderítés nehezen ment 1940 hadianyaggá válik 1943 klinikai kipróbálás felületi tenyészet, Penicillium chrysogenum 1944 2,5 tonna szubmerz tenyészet, mutációs törzsjavítás 1946 32 tonna 1952 Magyarországonis, GYOKI 1980 kb. 30.000 tonna 19 A penicillin bioszintézise Három aminosavból alakul ki egy tripeptid. Többszöri gyűrű-átrendeződések után alakul ki a β-laktám váz. A templát α-amino-adipinsav, a végén lecserélődik egy másik savra, felszabadul és visszakerül a folyamat elejére. 20 A penicillin gyártás fejlesztése Fermentációs úton, a szintézis nem gazdaságos. A technológia fejlesztése két fő irányban mehet: Törzsmunka (biológia): törzsizolálás indukált mutáció szelekció törzsfenntartás Technológia (mérnöki): Felületi/szubmerz Prekurzorok (4-8 x) tápoldatoptimálás anyagcsereszabályozás (cukorlimit, C/N, Fe ion) Levegőztetés, reaktor Szabályozások (ph, t) 21 BME Alkalmazott Biotechnológia és Élelmiszertudomány Tanszék 7
A gyártás lépései: 1. Törzsfenntartás 2. Inokulum lépcső(k) 3. Főfermentáció 1. Fed batch, rátáplálásos szakaszos, glükóz limit 2. Vágás: kb. 80.000 IU/ml ~ 5 % -os oldat 4. Feldolgozás, kulcslépése: extrakció: savasban extrahálható, de ott gyorsan bomlik» hűtés» rövid kontaktidő 22 Törzsnemesítés Célok: hozamnövelés, fermentációs illetve feldolgozási kritériumok szerinti hatékonyság növelés az eredeti pigment-termelés megszüntetése Eszközök: a génmanipuláció igen bonyolult (sok gén vesz részt a folyamatban), a titernövekedés túlnyomó részét a régi (65 év több ezer lépés) mutációs szelekciós törzsjavítással érték el (~2-3 ppb ~50.000 ppb) 23 Fermentáció Jellegzetes szekunder metabolit fermentáció, két szakasza van: Első szakasz (kb. 40 h): a sejtek elszaporítása, jó tápanyagellátás intenzív levegőztetés, keverés, elsődleges anyagcsere. Tápanyagforrások az első szakaszban: szénforrások: néhány % cukor (glükóz, melasz), ami a szaporítás végére elfogy nitrogén: ebben a szakaszban még lehet NH 4 sók formájában, de jó, ha a végére elfogy foszfor: foszfátként annyit kell bemérni a tápoldatba, hogy éppen elfogyjon a szaporodás végére 24 BME Alkalmazott Biotechnológia és Élelmiszertudomány Tanszék 8
Fermentáció Második szakasz, termelő fázis: 120-160 h, többszörös tápanyag limit, kikényszerített másodlagos anyagcsere. Tápanyagellátás a második szakaszban: Szénforrás: limitáció (régen: nehezen bontható vegyületek: laktóz, keményítő, ma glükóz adagolás apránként, az oldott oxigén szint alapján) nitrogén: szerves vegyületek, fehérje formájában: CSL, szójadara, mogyoróliszt, esetleg kazein, halliszt kis koncentráció, apránként adagolva Foszfát: jelenlétében nem megy a másodlagos anyagcsere, ezért elfogyása után nem adagolnak többet Prekurzor: fenil-ecetsav, mérések alapján adagolják, koncentrációját a 2-4 g/l sávban tartják. 25 A penicillin fermentáció lefutása 26 Feldolgozás Extracelluláris termék, csak ~1% található a micéliumban Kulcslépés: EXTRAKCIÓ A penicillin gyenge sav, a disszociált formája jól oldódik vízben, a nem-disszociált viszont szerves oldószerben. Az extrakcióhoz vissza kell szorítani a disszociációt (erősebb savval, pl. kénsav) de: savas közegben bomlik! Megoldás: - hűtés, - rövid kontaktidő (kis méretű, folytonos reaktorban, aztán gyorsan szétválasztani szeparátorral) Észter típusú oldószerek (BuOAc, amilacetát) Reextrakció ~semleges vizes fázissal Kristályosítás K- vagy Na-só formájában Pigmentek eltávolítása aktív szénnel 27 BME Alkalmazott Biotechnológia és Élelmiszertudomány Tanszék 9
Félszintetikus penicillinek Előállítás: oldallánc cserével 6-APAn keresztül A 6-APA előállítása:- G penicillin enzimes bontásával - direkt fermentációval - kémiai bontás A 6-APA is nagyon bomlékony, tárolás közben polimerizál, és reagál a légköri CO 2 -dal is. Acilezés: - enzimesen - kémiailag Enzimes folyamatok: ld. a penicillin-amidáz/aciláz -nál 28 Félszintetikus penicillinek Szerkezet - tulajdonságok összefüggése: savtűrés: elektronszívó csoportokkal lehet védeni a savamid kötést. penicillináz rezisztencia: sztérikus védőcsoportok hatásspektrum változtatás: -NH 2, -COOH, észter csoportok 29 Félszintetikus penicillinek Fermentált alapvegyületek: 30 BME Alkalmazott Biotechnológia és Élelmiszertudomány Tanszék 10
Félszintetikus penicillinek 31 Hatásmód csak a szaporodókat pusztítja el (nyugvósejteket nem, szelekció) a falszintézist gátolja (abnormális alakok, protoplasztok) A hatásmechanizmus megértéséhez ismételjük át a bakteriális sejtfal szerkezetét és bioszintézisét. N-acetilmurámsav, AM N-acetilglükózamin, AGA 32 A Gram-pozitív sejtfal szerkezete lizozim AM AGA AM AGA AM AGA AM alaplánc L-Ala D-Glu Gly Gly Gly Gly Gly L-Lys D-Ala D-Ala térhálósodás 33 BME Alkalmazott Biotechnológia és Élelmiszertudomány Tanszék 11
A Gram-pozitív sejtfal térhálósítása 34 A penicillin a D-Ala-D-Ala láncvég szerkezet-analógja penicillin D-Ala-D-Ala Irreverzibilisen kapcsolódik a transzpeptidázhoz afalszintézis leáll ionkiáramlás 35 A penicillin hatásmechanizmusa 36 BME Alkalmazott Biotechnológia és Élelmiszertudomány Tanszék 12
A penicillin orvosi tulajdonságai Hatásspektrum: elsősorban Gram + ellen, a modern félszintetikus származékoké szélesebb Rezisztencia: fokozatosan, sok generáció után jelenik meg (penicillin típusú rezisztencia) Bevitel: a savérzékenyek (pl. G) szájon át nem adhatók, a többi bárhogyan Adagolás: pl.: Maripen: 500.000 IU/tabletta 3x /nap Penicillin érzékenység: régen a szennyezések miatt, ma valódi allergia (haptének) 37 A penicillin orvosi tulajdonságai 38 További β-laktám vázak 39 BME Alkalmazott Biotechnológia és Élelmiszertudomány Tanszék 13
Brotzu (1948), Cephalosporium acremonium Cefalosporinok 7-amino-cefémsav OMe Cephamicinek:: 7-OMe Oldalláncok: 7-amino-cefalosporánsav R = α-amino-adipinsav, X=CH 2 OAc - Cephalosporin C R = fenil-glicin, X=CH 2 OAc - Cephalexin 4 generációban közel ötven félszintetikus molekula 40 A cefalosporinok Előállítása: C. acremoniummal Cef-C fermentáció, ebből oldallánc cserével félszintetikus származékok V-penicillinből 3 kémiai lépéssel ki lehet tágítani a gyűrűt cefémsavvá, aztán oldallánc csere Tulajdonságai: Stabilitásuk jobb, mint a penicillineké Hatásspektrumuk szélesebb Rezisztensek sok penicillinázra (de vannak más béta-laktamázok, amelyek specifikusan ezt bontják) 41 A cefalosporinok előállítása Bioszintézis: a penicillinéből ágazik el αaaa, Cys, Val Anyagcsere-szabályozás: - katabolit-represszió: nehezen bontható cukrok, illetve szabályozott glükóz adagolás - N- és P-szint: alacsonyan tartani, szabályozni, vagy MgO adagolás MgNH 4 PO 4, rosszul oldódó só - Cys prekurzor: lizálja a sejteket, ezért inkább tioszulfát, erre rezisztens mutánsok - αaaa prekurzor: drága, inkább Lys, vagy kadáverin - amino-donorok: 1,3-diamino propán, dimetil-formamid 42 BME Alkalmazott Biotechnológia és Élelmiszertudomány Tanszék 14
A cefalosporinok előállítása Az oldallánc-csere kémiailag is megoldható (stabilabb az alapmolekula), a köztitermék a 7-ACS 7-ACS-ból a C-7 és C-3-as szénen történő származékképzéssel sokféle félszintetikus termék állítható elő. 43 Első generációs cephalosporinok Pl.: Cephalothin Cephalexin 44 További példák további generációkból 45 BME Alkalmazott Biotechnológia és Élelmiszertudomány Tanszék 15
Klavulánsav Nincs antibiotikus aktivitása! Penicillinekkel együtt adagolják, mert szerkezetanalógja penicillineknek kompetitív inhibícióval gátolja a bontó enzimeket (penicillináz, béta-laktamáz) rezisztens törzsek elpusztítására is alkalmas. 46 B. FEHÉRJESZINTÉZIST GÁTLÓ ANTIBIOTIKUMOK I. AMINOGLIKOZID ANTIBIOTIKUMOK Szerkezetük: aminocsoportokkal szubsztituált cukrok, pszeudocukor (inozit) Tulajdonságok: vízben jól oldódnak kationos jelleg (szulfát sók) stabil, ellenálló molekulák sztreptomicin típusú rezisztencia toxicitás: vese és belső fül (mert felhalmozódnak) 47 SZTREPTOMICIN Waksman (1944), célzott kutatás TBC ellenes metabolitra. Streptomyces griseus Bioszintézis: részenként, a cukoranyagcseréből, glükózamin, inozit 48 BME Alkalmazott Biotechnológia és Élelmiszertudomány Tanszék 16
Sztreptomicin 2. Előállítás: fermentációval. Feldolgozás kulcslépése: kation csere Hatásmód: a riboszóma 30S alegységének S12 fehérjéjéhez kötődik. (az S12 mutációja rezisztenciát okozhat) A hatás koncentrációfüggő: - kis koncentráció: a fehérjeszintézis lelassul és hibás - közepes koncentráció: a 70S riboszóma nem disszociál, a kész lánc nem válik le - magas koncentráció: a láncindítás gátolt Hatásspektrum: Gram Θ, M. tuberculosis, coccusok 49 Sztreptomicin 3. Rezisztencia:» a riboszóma S12 fehérje nem köti» enzimesen: -3" adenilezés, -3" foszfatáz, - 3',6 difoszfatáz, -6 foszfatáz» egylépcsős, sztreptomicin típusú Farmakokinetika: - felszívódás emésztőcsatornából: rossz, ezért injekció formájában adják, felezési ideje kb. 2,5 óra - kötődés plazmafehérjékhez: 20-30 % - metabolizmus: gyakorlatilag nincs - vizelettel ürül 50-60 % Adagolás: 0,7-1,5 g/nap, parenterálisan Toxicitás: belső fül (hallás, egyensúlyzavar), vesekárosító 50 NEOMICIN Waksman (1940), Str. fradiae törzsben, több komponens Szerkezete: (C) Igen stabil, autoklávozható 51 BME Alkalmazott Biotechnológia és Élelmiszertudomány Tanszék 17
NEOMICIN 2. Előállítás: fermentációval, feldolgozás: ioncsere, sóképzés Hatásmód: támadáspont a riboszóma kis (30S) alegysége, de máshol, mint a sztreptomicin, nem sztöchiometrikus Hatásspektrum: Gram Θ ellen Kinetika: felszívódása rossz Alkalmazás: csak bélfertőtlenítésre vagy külsőleg a toxicitás miatt (pl. szemcsepp) Toxicitás: belső fül és vesekárosodás Rezisztencia: enzimes inaktiválások, összesen 10 ponton -NH 2 -csoportok acilezése -3',5" OH foszforilezése -4' OH adenilezése 52 GENTAMICIN Weinstein (1958), Micromonospora purpurea (tényleg lila) Szerkezete: kb. 20 komponens, gyógyszerként a C 1a Tulajdonságok: vízoldható, stabil, sót képez 53 GENTAMICIN 2. Előállítás: fermentációval, a komponensarány irányítható a levegőztetés intenzitásának változtatásával Hatásmód: a 30S riboszómán, közel azonos támadáspont a többi aminoglikoziddal Hatásspektrum: széles, Gram Θ, Pseudomonas, Staphylococcus, Aerobacter, Klebsiella, Streptococcus, Proteus, Escherichia, Mycobacterium törzsek ellen. Rezisztencia: ritkább, mert kevesebb inktiválási pont van (csak 4!), nincs olyan -OH, amit foszforilezni vagy adenilezni lehetne ( kopasz cukrok ) Részleges keresztrezisztencia a sztreptomicin csoporttal. 54 BME Alkalmazott Biotechnológia és Élelmiszertudomány Tanszék 18
GENTAMICIN 3. Farmakokinetika: Felszívódás: orálisan alig; im. gyors, maximum 1 óra után, 2-3 mg/l, felezési idő 90 perc Kiürülés: 85-95% vesén át, 80-170 mg/l Toxicitás: fül és vese, a kisebb hatásos koncentrációk miatt kevésbé, mint pl. a többi aminoglikozid Alkalmazás: im. 80-120 mg/nap urogenitális fertőzések, égési sérülések fertőzése ellen, kórházi (polirezisztens) törzsek ellen 55 TOBRAMICIN Szerkezet: Előbb állították elő félszintetikusan kanamicinből, csak később izolálták fermentléből (Str. tenebrarius). (Nebramicin komplex: tobramicin, apramicin, kanamicin, sisomicin, stb) 56 TOBRAMICIN 2. Előállítás: 1. fermentációval - tobramicinre célzottan izolált Str. tenebrarius 2, szintetikus úton kanamicinből BIOGAL technológia, jogvita, piacmegosztás: fix mennyiséget adhattak el A TEVA-Biogal gyártja Brulamicin néven. Ebből is kevés kell: 80-160 mg/nap. Húgyutak fertőzéseire. Ha a koncentráció a vérszérumban 3-10 mg/l, akkor a vizeletben 100-300 mg/l! 57 BME Alkalmazott Biotechnológia és Élelmiszertudomány Tanszék 19
2. TETRACIKLINEK Szerkezet: négy gyűrű, ebből csak egy aromás R1 R2 R3 CTC (klórtetraciklin) Cl CH 3 H TC (tetraciklin) H CH 3 H OTC (oxitetracilin) H CH 3 OH DMCTC(demetilklór-tetraciklin) Cl H H 58 TETRACIKLINEK 2. Tulajdonságok: ikerionos, 3 disszociációs lépcső, 3 pk kelátképző (Ca 2+, Mg 2+, Fe 2+ ) pl. tej (Ca 2+ ); a csontban kötött Ca-mal is kelátot képez fogelszíneződést okozhat. bomlékony: a sok kettős kötés miatt, savas, semleges és lúgos közegben más-más úton túladagolják Szerkezet tulajdonságok összefüggése: minden szubsztituens kell a hatáshoz, egyedül a savamid szubsztituálható (pirrolidino-metil). 59 TETRACIKLINEK 3. HATÁSMÓD: a fehérjeszintézist gátolja, a 70 S riboszómához kötődik, az aminoacil-trns kötődését gátolja. HATÁSSPEKTRUM: széles: Gram+, Gram-, nagy vírusok, átmeneti törzsek (mikoplazmák, rickettsiák, miyagavanellák) ellen; Széles spektrumú, életmentő antibiotikum. KINETIKA: Felszívódás: per os: rossz (bomlás) 15-30 %, max 2-4 óra múlva 2-3 µg/ml; Felezési idő: 5-8 óra Metabolizmus: szöveti alig, bomlás az emésztőcsatornában Kiürülés: vesén át, per os: 15-25 %; parentálisan: 50-70 % 60 BME Alkalmazott Biotechnológia és Élelmiszertudomány Tanszék 20
TETRACIKLINEK 4. MELLÉKHATÁSOK: bélflóra szelekció vitaminhiány élesztők májkárosodás (veseelégtelenség esetén) fotodermatózis fogak elszíneződése ADAGOLÁS: 1-2 g/nap, 3-4 részletben Doxiciklin: 200 mg/nap, egyszerre! REZISZTENCIA: ritka, keresztrezisztencia csak egymás között, lassan alakul ki 61 TETRACIKLINEK 4. 62 A TETRACIKLINEK BIOSZINTÉZISE Poliketid típusú: a zsírsavszintézis reakciói: 63 BME Alkalmazott Biotechnológia és Élelmiszertudomány Tanszék 21
A TETRACIKLINEK BIOSZINTÉZISE A szekunder metabolizmusnál nem mindig megy végig a redukció, hanem valamelyik lépcsőn (=O, -OH, C=C) megáll. Ebben az esetben a szénláncon minden második atomon jelenik meg a szubsztituens ( szögesdrót szerkezet). A tetraciklinek bioszintézisénél a ketocsoportok ismétlődnek (= poliketid). 64 TETRACIKLINEK BIOSZINTÉZISE 2. Indítás: 1 malonil-amid, 8 acilcsoport 65 TETRACIKLINEK BIOSZINTÉZISE 3. Keto-enol átrendeződések, aromás gyűrűk jönnek létre 66 BME Alkalmazott Biotechnológia és Élelmiszertudomány Tanszék 22
KLÓRTETRACIKLIN (CTC, aureomicin ) Duggar (1948), Streptomyces aureofaciens (a legelső) TULAJDONSÁGOK: - HCl ja fénylő, sárga kristályos; - fotoszenzitív, de O 2 -re stabil; - vízben jól, alkoholban rosszul oldódik; - keserű ízű. ELŐÁLLÍTÁS: fermentációval; klórozás: Cl - ion egy lépésben épül be. Br analóg is képződhet. 67 TETRACIKLIN (TC) ELŐÁLLÍTÁS: a. Előbb félszintetikusan a CTC hidrogénezésével: b. Később fermentációval : - hiányzott a klórozó enzimrendszer - halogénhiányos tápoldat - halogénezést gátló szerek, pl. rodanidok (KSCN) 68 OXITETRACIKLIN (OTC, terramicin) Finlay (1950), Str. rimosus, később tucatnyi más törzs TULAJDONSÁGOK: vízben nagyon jól oldódik (33 %), Még bomlékonyabb, ph = 2-8 -on kívül gyorsan elbomlik De: hatékony, nem toxikus és olyan olcsó, hogy érdemes többszörösen túladagolni. 69 BME Alkalmazott Biotechnológia és Élelmiszertudomány Tanszék 23
DOXYCYKLIN (Vibramycin) Négy szintetikus lépéssel OTC-ből állítható elő. Szerkezete: A metilcsoportra nézve racém. Mind a két alak hatékony, de azα3x jobb. Sokkal stabilabb, mint a többi tetraciklin, jobb a felszívódása, lassabban ürül ki. Emiatt elég naponta egyszer adni. (Savtűrő kapszulában 100 mg) Felezési ideje 15-22 óra! 70 C. MEMBRÁNFUNKCIÓT KÁROSÍTÓ ANTIBIOTIKUMOK PEPTID ANTIBIOTIKUMOK 71 CIKLOPEPTID ANTIBIOTIKUMOK KÖZÖS TULAJDONSÁGOK: - gyűrűs szerkezet, másodlagos merevítések, - D-aminosavak, ritka aminosavak is előfordulnak, - savra, proteázokra nem bomlanak, sőt enziminhibitorok, - nem szívódnak fel, - csak baktériumok ellen hatékonyak - toxikusak, ezért csak speciális esetekben alkalmazzák, - megváltoztatják a bélflórát, ennek következtében javul a takarmányhasznosítás, 72 BME Alkalmazott Biotechnológia és Élelmiszertudomány Tanszék 24
A ciklopeptid antibiotikumok bioszintézise NEM-riboszomális fehérjeszintézis, a peptid egy fehérje felszínén képződik (tiotemplát, multienzim komplex). Az aminosav kiválasztása nem a kodon-antikodon kapcsolódással megy, hanem magát az aminosavat ismerik fel az aktív centrumok, emiatt kevésbé pontos és szelektív. Ellentmond a genetika centrális dogmájának: 73 GRAMICIDIN-S (1944) Bacillus brevis Szerkezet: dekapeptid (2 pentapeptid), H-hidak Az apoláros és poláros (Orn) oldalláncok detergens jelleget adnak beépül a membránokba. Hatásmód: Detergensként membránkárosító. 74 A gramicidin-s bioszintézise 2+2 enzimből álló tiotemplát, összesen tíz kötőhellyel. Minden kötőhely specifikusan felismeri a megfelelő aminosavat, és SH csoporton tioészter formában köti meg. Aktiválás ATP-vel ( tioészter), majd az aminosavak között létrejön a peptidkötés. ATP -SH + AS -S-AS + H 2 O ADP 75 BME Alkalmazott Biotechnológia és Élelmiszertudomány Tanszék 25
GRAMICIDIN-S Az enzimrendszer in-vitro is működik, izolálták, oszlopban rögzítették így is működött (ATP, aminosavak). Hatásspektrum: Csak baktériumok ellen, azon belül is a Gram + ellen. Alkalmazás: Nincsen humán felhasználása, ezért nincs is farmokinetika. 76 BACITRACIN Kórházi mintából (1945), Bacillus licheniformis Tulajdonságok: - kb. 10 féle változata van, - lúgos közegben bomlik, - nehézfémsók inaktiválják (pl. Cu 2+ ), de kétértékű ionok kellenek a hatáshoz (a legjobb ezek közül a Zn 2+ ), - biológiai egysége van. Ile Cys 77 BACITRACIN 2. Bioszintézis: Tiotempláton, mint az előzőek. Előállítás: Fermentációval. A folyamat gyors lefutású (baktérium, 24-30 óra), harmadik típusú (a szaporodás és termelés nem különül el élesen), nehezen irányítható, a hatóanyagot csak nagy időkéséssel lehet mérni (biológiai titrálással). Optimális ph és hőmérséklet profillal a folyamat lerövidíthető. Feldolgozás: cinkkomplex-képzés, porlasztva szárítás Hatásmód: Kettős: - membránkárosító, - sejtfal-szintézist gátló hatás. 78 BME Alkalmazott Biotechnológia és Élelmiszertudomány Tanszék 26
BACITRACIN 3. Hatásspektrum: Elsősorban a Gram+ baktériumok ellen (mint a penicillin). Kinetika: Felszívódás: nincs, mert túl nagy, parentálisan sem adják, mert toxikus. Alkalmazás: Csak külsőlegesen (bőrre vagy emésztőcsatornába). Viszont takarmányadalékként nagyon jó (nagyon kevés kell, 4 g/t már hatásos), csökkenti az elhullást, javítja a takarmány/hús fajlagosokat. Takarmányadalékként Znvagy Mg-komplex formájában adagolják. 79 POLIMIXIN B Bacillus polymyxa (1947) Tulajdonságok: - kationos detergens, anionos detergensek csökkentik a hatását. szulfátsó formájában stabil, lúgos közegben elbomlik. Hatásmód: DAV = L-α,γ- diamino-vajsav detergensként membránkárosító. 80 POLIMIXIN B Hatásspektrum: GramΘ baktériumok ellen hatékony, ezzel kiegészíti a bacitracin spektrumát (E. coli, Ps. auriginosa). Kinetika: Felszívódás: a polimixin B nem szívódik fel, de a metánszulfonátja igen. Viszont ezt is im adják (így kevésbé toxikus). Csúcs 2 óra után 2 µg/ml, t 1/2 kb. 6 óra. Kiürülés: 40-60 % a vizelettel. Alkalmazás: Ez is toxikus, de a peptid antibiotikumok közül mégis a legalkalmazhatóbb. Csak speciális és indokolt esetekben adják. 81 BME Alkalmazott Biotechnológia és Élelmiszertudomány Tanszék 27
VIOMICIN (1951-54), Streptomyces-ek (nem baktériumok) Szerkezet: nem-fehérjealkotó aminosavak Bioszintézis: tiotempláton Tulajdonságok: - erősen bázikus, - vörös kristályos, - vízben jól oldódik, - szulfátsóját forgalmazzák, - toxikus: vesére, belső fülre, elektrolit-háztartásra 82 VIOMICIN 2. Aki még nem vette észre, annak kimondjuk, hogy a viomicin minden részletében aminoglikozid antibiotikumként viselkedik, pedig ciklopeptid. Hatásmód: riboszómán kötődik, fehérjeszintézist gátol, - keresztrezisztencia a sztreptomicinnel azonos a támadáspont. Hatásspektrum: a lényeg: M. tuberculosis ellen hatásos, bár a rezisztencia gyorsan kialakul. Kinetika: Felszívódás: per os kevés, ezért parentálisan; Kiürülés: vesén át, 65-100 % /24óra Alkalmazás: TBC ellen tartalék; napi 1g 83 CIKLOSPORIN (1973), Tolypocladium inflantum, Cylindrocarpon lucidum Szerkezet: Tulajdonságok: Nagyon apoláros, vízben roszszul oldódik 84 BME Alkalmazott Biotechnológia és Élelmiszertudomány Tanszék 28
CIKLOSPORIN 2. Bioszintézis: nem riboszómális, tiotempláton megy, a metilcsoportokat S-metil-metionin adja Előállítás: fermentációval; feldolgozás: az intracelluláris terméket a biomasszából oldószerrel extrahálják. Hatásmód: Egyes mrns-ek átírását gátolja egyes sejtek osztódását gátolja a T-limfociták nem aktiválódnak immunszupresszív hatás. Hatásspektrum: eukariótákra hat; gombák és paraziták ellen is használható, de főként immunszupresszióra. 85 CIKLOSPORIN 3. Kinetika: Felszívódás: szájon át is (bár nagy és apoláros); Metabolizmus: Máj oxidál, amit lehet, de a gyűrű megmarad. Kiválasztás: 90 % epével, 6 % vesén át; Alkalmazások: Szervátültetéseknél és autoimmun gyulladások ellen. Per os és iv; Mellékhatás: vesekárosítás ( Na + - és vízháztartás ) 86 VANKOMICIN Szerkezete: rémületes 87 BME Alkalmazott Biotechnológia és Élelmiszertudomány Tanszék 29
VANKOMICIN 2. Nocardia (Streptomyces) orientalis (1956) Tulajdonságai: HCl-val fehér kristályokat alkot, savas közegben stabil. Vízben jól, alkoholokban, acetonban roszszul oldódik. UV max 282 nm-en. Bioszintézis: tiotempláton, aromás aminosavak származékaiból (poh-fenilglicin, Asp, mcl-(β-oh)-tirozin, N-metilleucin) + glükóz Előállítás: fermentáció, N. orientalis, N. lurida Feldolgozás lehet: - kationcserélő, majd kicsapás - affinkromatográfia - oldószeres extrakció 88 VANKOMICIN 3. Hatásmód: a falszintézist gátolja, az L-Lys-D-Ala-D-Ala végződéssel kötődik Hatásspektrum: szűk, Gram+, elsősorban kokkuszok Rezisztencia: keresztrezisztencia nincs Kinetika: Felszívódás: nincs, (túl nagy a molekula), i.v. adva a felezési idő 2-4 óra, kúrában a koncentráció 10-25 mg/l Kiürülés: a vesén át Alkalmazás: iv, szűk spektrumú penicillinhelyettesítő, de: polirezisztens kórházi törzseknék ez az utolsó védővonal, ha már semmi sem segít. 89 ORITAVANCIN 90 BME Alkalmazott Biotechnológia és Élelmiszertudomány Tanszék 30
TEICOPLANIN 91 DALBAVANCIN 92 BME Alkalmazott Biotechnológia és Élelmiszertudomány Tanszék 31