Спектр і механізм дії антибіотиків

 

Пошуки нових антибіотиків залишаються чисто емпіричним процесом, а їх фізіологічне значення для мікроорганізмів, що продукують їх, неясне. Проте причини виборчої токсичності антибіотиків нині у більшості випадків відомі. В цілому це пов'язано з фундаментальними біохімічними відмінностями між клітинами прокаріот і эукаріот, а токсична дія антибіотиків є наслідок їх здатності пригнічувати одну необхідну біохімічну реакцію, специфічну для клітини того або іншого типу [14]. По спектру дії антибіотики ділять на п'ять груп в залежності від того, на які мікроорганізми вони діють. Кожна з цих груп включає дві підгрупи: антибіотики широкого і вузького спектру дії (рис 4.1.1).

 

Рис.4.1.1 Механізм дії антибіотиків на бактерії [1].

 

Антибактеріальні антибіотики складають найчисленнішу групу препаратів. Переважають в ній антибіотики широкого спектру дії, що чинять вплив на представників усіх трьох відділів бактерій. До антибіотиків широкого спектру дії відносяться аміноглікозиди, тетрацикліни та ін. Антибіотики вузького спектру дії ефективні відносно невеликого круга бактерій, наприклад поліміксини діють на грацилікутні, ванкоміцин впливає на грампозитивні бактерії.

У окремі групи виділяють протитуберкульозні, противолепрозні, протисифілітичні препарати [11].

Протисифілітічні препарати.

До основних препаратів для лікування сифілісу відносять пеніциліни; препарати короткої (наприклад, бензилпеніциліна калієва або натрієва солі) або пролонгованої дії (біциліни). При несприйнятті бензилпеніциліну застосовують тетрациклін, макроліди або азаліди. Окрім антибіотиків, призначають препарати вісмуту - бійохінбл і бісмовербл. Бактеріостатична дія останніх пов'язана з пригніченням активності ферментів, содержуючих сульфгідрильні групи.

Протитуберкульозні препарати.

У зв'язку з лікарською стійкістю Mycobacterium tuberculosis при лікуванні туберкульозу застосовують комбінації антибіотиків (рифампіцин, стрептоміцин, циклосерин, канаміцин, біоміцин) з синтетичними препаратами різних класів (ізоніазид, этамбутол, натрію пара-аминосаліцилат).

Ізоніазид структурно близький піридоксину. Механізм антибактеріального ефекту пов'язаний із здатністю ізоніазида інгібувати активність ферментів, що беруть участь в синтезі міколевих кислот, що є основними структурними компонентами клітинної стінки мікобактерій. Препарат діє і на внутрішньоклітинно розташовані бактерії. При монотера-пії до нього швидко розвивається резистентність. Етамбутол пригнічує синтез РНК і ефективний тільки відносно збудника туберкульозу. Натрію парааміносаліцилат чинить бактеріостатичну дію тільки на туберкульозну паличку, що обумовлено конкурентними взаємодіями з р-амінобензойною кислотою, необхідної для синтезу фолієвої кислоти [12].

Протигрибкові антибіотики включають значно меншу кількість препаратів. Широкий спектр дії має, наприклад, амфотерицин В, ефективний при кандідозах, бластомікозах, аспергільозах; в той же час ністатин, діючий на гриби роду Candida, є антибіотиком вузького спектру дії [11].

Протигрибкові препарати.

Арсенал засобів специфічної терапії грибкових уражень людини різноманітний і містить препарати, діючі на різні етапи метаболізму збудників. Механізм дії переважної більшості протигрибкових засобів пов'язаний з порушенням синтезу стеролів, що входять до складу клітинної стінки.

Азоли (імідазолы та триазоли) блокують активність ферментів, що беруть участь в 14-деметиліруванні ланостерола, що веде до порушення синтезу ергостабілу. Зміна структури ЦПМ грибкових клітин призводить до виходу макромолекул і іонів назовні. Чутливість ферментів ссавців до азолів значно нижче, ніж ферментів грибів. Речовини проявляють широкий спектр фунгіцидної активності. Найбільш відомі клотримазол, міконазол, ітраконазол і кетоконазол.

Фторцитозин (флуцитозин) - антиметаболіт, нуклеотидний аналог, що пригнічує синтез нуклеїнових кислот. Після проникнення в клітину молекула піддається дезамінуванню і перетворюється на 5-фторурацил, інгібірувальний активність тимідилат синтетази - ферменту синтеза тимідиловой кислоти. Ці фунгістатики застосовують при лікуванні системних дріжджових мікозів, його часто комбінують з амфотерицином В (особливо при криптококкозі).

Аморолфін - похідне морфолінів, інгібітор синтезу ергостабілу, блокує перетворення фекостерина в эпістерин. Призначають при оніхомікозах, що викликаються дріжджовими і плісневими грибами.

Аліламіни (нафтіфин, тербінафін) чинять фунгіцидну дію внаслідок інгібування активності скваленепоксидази і порушення синтезу ергостабілу.

Грізеофульвін - антибіотик, продукований Penicillium griseofulvum - проявляє фунгістатичну дію відносно грибів родів Trichophyton, Мicrosporum і Epidermophyton, не діє на дріжжеподібні гриби і бактерії. Механізм антигрибкової активності зумовлено порушенням організації мікротрубочок [12].

Антипротозойні і антивірусні антибіотики нараховують невелику кільуість препаратів [11].

Протипротозойні препарати.

Найпростіші резистентні до більшості антибактеріальних препаратів, але все таки ряд антибіотиків пригнічує їх життєдіяльність (наприклад, доксіциклін активний відносно балантидієв і малярійних плазмодіїв, кліндаміцин і мономіцин - малярійних плазмодіїв і дизентерийних амеб). У зв'язку з тим, що метаболізм найпростіших швидше нагадує такий у тварин, ця схожість біохімічних процесів може призвести після прийому протипротозойних препаратів до розвитку токсичних ефектів у людини. Ця обставина значно зменшує потенційну кількість мішеней для фармакологічної дії на найпростіших і обмежує арсенал протипротозойних лікарських засобів. Мішенями для лікарських засобів у найпростіших виступають ферменти, наявні тільки у них (унікальні ферменти), або абсолютно незамінні для їх життєдіяльності (незамінні ферменти).

Унікальні ферменти найпростіших.

Ферменти цієї групи беруть участь в синтезі нуклеотидів, енергетичному метаболізмі і окисно-відновних реакціях. Препарати, пригноблюючі унікальні ферменти найпростіших, нетоксичні для клітин ссавців.

Дигідроптероатсінтетаза.

Споровики (малярійні плазмодії, токсоплазми та ін.) не здатні утилізувати экзогенні фолати і мають ферменти, що каталізують їх синтез. Дигідроптероат синтетаза перетворює птеридин і р-амінобензойну кислоту в дигідроптероєву кислоту - попередник дигідрофолієвої кислоти. Активність ферменту пригнічує сульфадоксин, а також конкурентні антагоністи р-амінобензойної кислоти - сульфаніламіди і сульфони.

Піруватсінтетаза.

Піруват сінтетаза (піруват-ферредоксин оксідоредуктаза). У анаеробних найпростіших (трихомонади, ентоамебы) немає мітохондрій, але вони експресують піруват синтетазу. Фермент катализує утворення ацетил-КоА в ході електронного транспорту, у тому числі перенесення электронів від пірувату на нітрогрупи похідних нітроімідазола (метронідазол). В результаті нітрогрупи відновлюються в токсичні нітрозогідроксиламіногрупи. Метаболіт, що депонує, викликає множинні порушення структури ДНК.

Нуклеозидфосфотранзферази.

Багато найпростіших не здатні синтезувати пуринові нуклеотиди de novo, але експресують трансферази, пуринові, що фосфорилюють, і піримідинові основи.

· У лейшманій пуриннуклеозид фосфотрансфераза переносить фосфатну групу в 5 ' - положення пуринових нуклеозидів. Цим же шляхом фермент фосфорилює структурні аналоги пуринових нуклеозидів - алопуринол рібозид, форміцин В і тіопуринол рібозид. У формі трифосфатів ці препарати можуть вбудовуватися в нуклеїнові кислоти або інгібувати активність ферментів, що беруть участь в метаболізмі пуринів.

· У трихомонад конверсію екзогенного тимідину в тимідин 5 ' - фосфат здійснює тимідин фосфотрансфераза, її активність вибірково пригнічує гуанозин.

Тріпанотіонредуктаза.

Природний трипептид глутатіон у відновленій формі діє як донор, а в окисленій - як акцептор водню. У клітинах трипаносом глутатіон є присутнім у формі трипанотіона - унікального кон'югата із спермідином. За допомогою трипанотіон редуктази трипанотіон виконує важливу роль в підтримці у відновленому стані тіолов клітинних мембран.

Ніфуртимокс і меларсопрол інгібують активність цього ферменту, що призводить до надмірного накопичення токсичних кисневих продуктів в трипаносомах. В результаті відбувається окиснення тіолів і загибель паразитів, оскільки вони не синтезують каталази і глутатіон пероксидази.

Незамінні ферменти найпростіших.

Ці ферменти синтезуються як в клітинах найпростіших, так і в клітинах ссавців. Але на відзнаку від ссавців для найпростіших ці ферменти абсолютно незамінні. Крім того, ферменти, які синтезуються клітинами ссавців та найпростіших, відрізняються по специфічності до субстратів.

Пуринофосфорибозилтрансферази.

У лейшманій та трипаносом ключовим ферментом утворення пуринів є гіпоксантин-гуанін-фосфорибозол трансфераза. Аллопуринол рибозид - структурний ізомер гіпоксантина, слугує субстратом для ферментів паразитів, але не для фермента, який синтезується клітинами ссавців. Препарат перетворюється в риботид і після фосфорилювання вбудовується в РНК. Аналогічним чином препарат діє на лямблії, у яких ключовими ферментами синтеза пуринових нуклеотидів виступають аденін - та гуанінфосфорибозил трансферази.

Орнітиндекарбоксилаза.

Орнітин декарбоксилаза регулює синтез поліамінів у трипаносом, плазмодіїв та лямблій. Ефлорнітин інгібує фермент та призводить до дестабілізації молекул ДНК та порушенням її реплікації.

Гліколітичні ферменти.

Трипаносоми, які циркулюють у крові, не мають мітохондріальних дихальних ферментів та для відновлення НАД використовюють гліцерол-3-фосфатоксидазу та гліцерол-3-фосфатдегідрогеназу. Препарат сурамін блокує дію обох ферментів та чинить опір окисненню НАДФ та тим самим порушую синтез АТФ.

Препарати для лікування та профілактики малярії.

Протималярійні препараті включають похідні хіноліна (хлорохін, хінін, примахін) та похідні піримідина (хлоридин). Так як ці препарати діють на різні стадії розвитку малярійного плазмодія, ії підрозділяють на декілька груп:

гематошизотропні засоби (подавляють еритроцитарну шизогонію) - хінін, артемізин

-   гістошизотропні засоби (подавляють тканеву шизогонію) - хлорідин, прімахін

    засоби, що діють на прееритроцитарні (первинні тканеві) форми - хлорідин, прімахін, прогуаніл

    препарати, що діють на параеритроцитарні (вторинні тканеві) форми

    гамонотропні засоби (подавляють статеві форми) - прімахін, хлорідин

Препарати для лікування амебіазу.

Універсальним засобом, ефективним при кишковому та внєкишковому амебіазі, вважають метронідазол. Механізм його протипаразитарної дії схожий з його дією на бактерії. Крім того, метронідазол, який взаємодіє з нуклеотидами, подавляє синтез ДНК та РНК. Препарат дає мало ефекту у відношенні до амеб, які знаходяться у просвіті кишковика та не діє на цисти паразитів.

Препарат хініофон інгібує синтез ДНК та РНК та подавляє життєдіяльність вегетативних форм а також утворення цист у просвіти товстої кишки.

Препаратом вибору, який діє на амеб в стінці кишковика та в печінці прийнято вважати еметин - алкалоїд корня іпекакуани.

Трихомоніаз, лямбліоз, балантидіаз та токсоплазмоз.

Для лікування лямбліоза придатні похідні нітромідазолу (метронідазол, тінідазол). Хіміотерапію тріхомоніазу іноді доповнюють похідними нітрофурану (фуразолідон, фурагін). При лікуванні балантидіазу добре діють антибиотики тетрацикліни та хініофрон. Для подавлення життєдіяльності Toxoplasma gondii призначають піріметамін, інгібуючий дигідрофолат редуктазу та порушуючий синтез ДНК, а також хлоридин та сульфаніламіди.

Лейшманіози.

Серед засобів хіміотерапії лейшманіозів препарати вибору - п’ятивалентні сполучення окису сурьми. Ці лікарськи засоби трансформуються у трьохвалентні сполучення, які мають змогу зв’язувать SH-групи білків, що призводить до блокади ферментів, які беруть участь у циклі Кребса. Для лікування шкіряних уражень місцево вживають мепракін та метронідазол, я в якості альтернативи - пентамідин, призначаємий також при пнєвмоцистозах.

Противірусні препарати.

Складність отримання противірусних засобів обумовлена тісним зв'язком етапів репродукції вірусів з метаболічними, енергетичними і ферментативними реакціями зараженої клітини. В результаті будь-який противірусний препарат практично завжди чинить токсичну дію і на внутрішньоклітинні процеси. Саме тому досі не знайдений "пеніцилін" для вірусів. Розробка противірусних засобів вимагає залучення досягнень у вивченні молекулярної біології вірусів, інфекційної імунології і принципів лікування бактерійних інфекцій. У цьому плані особливу увагу привертають природні з'єднання (в першу чергу ІФН), що індукують антивірусний стан клітини, і перспективи виділення з клітин макро- і надмолекулярних продуктів, що проявляють антивірусний ефект. По характеру дії і клінічній значущості препарати, вживані для лікування вірусних інфекцій, підрозділяють на чотири основні групи - етіотропні, імуномодулюючі (коригуючі дефекти імунного реагування, що розвиваються при захворюванні), патогенетичні (спрямовані на боротьбу з інтоксикацією, зневодненням, судинними і органними поразками, алергічними реакціями, а також на профілактику бактерійних суперінфекцій) і симптоматичні (що купірують супутню симптоматику, наприклад кашель, головний біль та ін.). Більшість етіотропних препаратів мають вузький спектр активності (у кращому разі, в межах одного сімейства). Відомі лише декілька препаратів, що впливають на ранні етапи репродукції, і жодного лікарського засобу, подавляючого зборку дочірніх популяцій. Великим досягненням в розробці противірусних засобів виявилися лікарські засоби - аналоги нуклеотидів (аномальні нуклеотиди). Ці лікарські засоби діють як антіметаболіти, що обумовлено їх структурною схожістю з пуриновими і пиримидиновыми основами. Основні механізми антивірусної дії препаратів пов'язані з пригніченням активності вірусних полімераз. Аналогію з нуклеотидами лікарські засоби здобувають в результаті їх фосфорилювання клітинними і деякими вірусними кіназами. У формі нуклеотидных аналогів препарати інгібують вірусні ДНК-полімерази і виступають субстратами для вірусних ферментів; в результаті лікарські засоби вбудовуються у вірусні нуклеїнові кислоти, утворюючи дефектні полінуклеотиди або обриваючи їх подальший ріст. Селективний ефект лікарських засобів забезпечує більший їх аффінитет до вірусних полимераз в порівнянні з природними нуклеотидами. Крім того, вірусні ферменти більше лабільні до їх дії в порівнянні з полімеразами клітин ссавців [12].

Протипухлинні антибіотики представлені препаратами, що мають цитотоксичну дію. Більшість з них застосовують при багатьох видах пухлин, наприклад мітоміцин С [11]. Нині досліджені тисячі зразків антибіотиків для виявлення такових, які б мали високу протипухлинну ефективність. Проте для клінічного використання доки допущено усього лише декілька антибіотиків: з групи антрациклінів - доксорубіцин (адріаміцин), акларубіцин і рубомицин (даунорубіміцин); з групи актіноміцинов - актіноміцины С і Д; з групи ауреолової кислоти - олівоміцин; з групи стрептонігрина - брунеоміцин [7].

Антибактеріальна дія антибіотиків може бути бактерицидною (наприклад у пеніцилінів, цефалоспоринів) та бактеріостатичною (наприклад у тетрациклінів, левоміцетину). При збільшенні дози бактеріостатичні антибіотики також можуть викликати загибель бактерій. Аналогічними типами дії володіють протигрибкові антибіотики: фунгіцидним та фунгістатичним.

Зазвичай при тяжких захворюваннях призначають бактерицидні та фунгіцидні антибіотики. Дія антибіотиків на мікроорганізми пов’язана з їх здатністю подавляти ті або інші біохімічні реакції, які протікають в мікробній клітині. В залежності від механізму дії розрізняють п’ять груп антибіотиків:

антибіотики, порушуючі синтез клітинної стінки. До цієї групи належать, наприклад, В-лактами. Препарати цієї групи характеризуються найвищою вибірковістю дії: вони вбивають бактерії та не чинять ніякої дії на клітини макроорганізма, так як останні не мають головного компоненту клітинної стінки бактерій - пептидоглікану. В зв’язку з цим В-лактамні антибіотики є найменш токсичними для макроорганізму [11].

До В-лактамних антибіотиків відносяться цефалоспорини, карбапенеми, пеніціліни, монобактами. Усі В-лактамні антибіотики володіють схожою структурою та механізмами антимікробної дії. Вони гальмують синтез пептидоглікану та селективно пригнічують активність ферментів, які беруть участь у термінальній перехресній сшивці лінійних молекул глікопептидів [12].

антибіотики які порушують молекулярну організацію та синтез клітинних мембран. Прикладами подібних препаратів є поліміксини та полієни [11].

ЦПМ слугує селективно проникним бар’єром, порушення її функцій призводить до виходу з клітини білків, пуринових та піримідинових нуклеотидів, іонів з послідуючою її загибеллю. До препаратів цієї групи належать поліміксини, полієнові антибіотики та граміцидини [12].

Антибіотики, які порушують синтез білка. Це найбільша група препаратів. Передставниками цієї групи є аміноглікозиди, тетрацикліни, макроліди, лєвоміцетин, які викликають порушення синтезу білка на різних рівнях [11].

Бактерії мають 70 S рибосоми, а клітини ссавців - 80 S рибосоми. Субодиниці цих типів рибосом та їх функціональна специфічність сильно різняться, що і пояснює подавлення синтезу білка антибиотиками на бактеріальних рибосомах без вираженої дії на рибосоми ссавців [12].

антибіотики - інгібітори синтезу нуклеїнових кислот. Наприклад, хінолони порушують синтез ДНК; рифампіцин - синтез РНК [11].

Рифампіцини - продукти життєдіяльності Streptomyces mediterranei. Найбільш відомий полусинтетичний препарат рифампіцин. Бактеріальна активність рифампіцина зумовлена інгібуванням ДНК-залежної РНК-полімерази, що призводить до гальмування любих видів бактеріальної РНК, а також пізніх стадій самосборки поксвірусів [12].

антибіотики, які подавляють синтез пуринів та амінокислот. До цієї групи відносяться, наприклад, сульфаніламіди [11].

Сульфаніламіди - перші антибактеріальні засоби широкого спектру дії, які знайшли призначення в медицині як системні бактеріостатики [12].

Антибактеріальна дія сульфоніламідів було виявлено емпірично (Домач); лише пізніше ключ до поняття механізму цієї дії було знайдено в структурному сходстві між сульфоніламідами та р-амінобензойною кислотою. р-Амінобензойна кислота входить до складу одного з коферментів, точніше тетрагідрофолієвої кислоти. У більшості бактерій тетрагідрофолієва кислота синтезується з більш простих компонентів. Але при додаванні до поживного середовища р-амінобензойну кислоту або сульфоніламідів ці речовини без усіляких зусиль проникають у клітину та включаються у фолієву кислоту [15]. Сульфаніламідні препарати проявляють бактеріостатичну дію, конкурентно пригнічуя дігідроптероат синтетазу, що попереждає утворення дигидрофолієвої кислоті та відповідно тетрагідрофолієвої кислоти, необхідної для синтеза пуринових та пірамідинових основ. У результаті пригнічується ріст та розмноження мікроорганізмів. Активність сульфоніламідів: більшість грампозитивних бактерій (стрептококи, актіноміцети, паличка сибірської виразки), гриби та найпростіші. Багато грамнегативних бактерій резистентні до сульфаніамідів. Клітини ссавців відчувають невелику дію препаратів, так як неспроможні до синтезу фолієвої кислоти (основні потреби задовільняються за рахунок потрапляння її з їжею) [12]. Тому в організмі ссавців сульфонамід не може включатися в цей кофермент і не може, таким чином, чинити шкоду [15].

Структурно близькі до сульфаніламідів парааміносаліцилова кислота (ПАСК) та сульфони (наприклад, дапсон) проявляють аналогічну дію та ефективні при дікуванні різних мікобактеріозів (туберкульоз, лєпра) [12].