Даптомицин: Механизм действия, применение и устойчивость.

Введение

Антибиотик

Даптомицин, продаваемый под торговой маркой Cubicin и другими, — это липопептидный антибиотик, применяемый для лечения системных и угрожающих жизни инфекций, вызванных грамположительными микроорганизмами. Всемирная организация здравоохранения относит даптомицин к антибиотикам, имеющим критически важное значение для медицины.

Медицинское применение

В Соединенных Штатах даптомицин показан для применения у взрослых при инфекциях кожи и мягких тканей, вызванных грамположительными бактериями, бактериемии, вызванной S. aureus, и правостороннем эндокардите, вызванном S. aureus. Эффективность даптомицина при гематогенной пневмонии представляется различной.

Механизм действия

Даптомицин обладает уникальным механизмом действия, нарушая множество аспектов функционирования бактериальной клеточной мембраны. Он внедряется в клеточную мембрану в зависимости от наличия фосфатидилглицерина, где затем агрегирует. Агрегация даптомицина изменяет кривизну мембраны, формируя поры, через которые происходит утечка ионов. Это вызывает быструю деполяризацию, приводящую к потере мембранного потенциала и, как следствие, к ингибированию синтеза белков, ДНК и РНК, что в конечном итоге приводит к гибели бактериальных клеток. Предполагается, что формирование сферических мицелл даптомицином может влиять на его механизм действия.

Микробиология

Даптомицин бактерициден только в отношении грамположительных бактерий. In vitro он показал активность против энтерококков (включая энтерококки, устойчивые к гликопептидам (GRE)), стафилококков (включая метициллин-резистентный Staphylococcus aureus), стрептококков, коринебактерий и персистирующих клеток Borrelia burgdorferi в стационарной фазе.

Резистентность к даптомицину

Резистентность к даптомицину все еще встречается нечасто, но о ней сообщается все чаще при инфекциях, вызванных грамположительными бактериями, устойчивыми к ванкомицину (GRE), начиная с Кореи в 2005 году, в Европе в 2010 году, на Тайване в 2011 году и в Соединенных Штатах, где с 2007 по 2011 год было зарегистрировано девять случаев. Резистентность к даптомицину развилась в пяти из шести случаев во время лечения. Механизм резистентности остается неизвестным. Четырехмиллионнолетний штамм Paenibacillus, выделенный из образцов почвы в пещере Лечугилья, оказался естественным образом устойчивым к даптомицину. Предполагается, что комбинированное применение даптомицина с, по крайней мере, одним другим активным антибиотиком может помочь предотвратить развитие резистентности и усилить бактерицидное действие. Данные, полученные в исследованиях in vitro и in vivo, указывают на необходимость индивидуального подхода, учитывающего как возбудителя, так и локализацию инфекции.

Эффективность

Даптомицин продемонстрировал не меньшую эффективность, чем стандартная терапия (нафциллин, оксациллин, флуклоксациллин или ванкомицин) в лечении бактериемии и правостороннего эндокардита, вызванных S. aureus. Исследование, проведенное в Детройте, штат Мичиган, сравнило 53 пациента, получавших даптомицин при подозрении на кожную или инфекцию мягких тканей, вызванную MRSA, с пациентами, получавшими ванкомицин, и показало более быстрое выздоровление (4 дня против 7 дней) при использовании даптомицина. В клинических испытаниях III фазы ограниченные данные показали связь между применением даптомицина и неблагоприятными исходами у пациентов с левосторонним эндокардитом. Даптомицин не изучался у пациентов с эндокардитом протезного клапана или менингитом.

Биосинтез

[[Файл:Nbt1265 F3.png|thumb|Рисунок 9. Комбинаторный биосинтез липопептидных антибиотиков, родственных даптомицину. Позиция 8, обычно содержащая D-Ala в даптомицине, была модифицирована путем обмена модулей для включения D-Ser, D-Asn или D-Lys; позиция 11, содержащая D-Ser в естественном состоянии, была изменена путем обмена модулей для включения D-Ala или D-Asn; позиция 12, обычно содержащая 3-метил-L-Glu, была модифицирована путем делеции гена метилтрансферазы для получения L-Glu; позиция 13, обычно содержащая L-кинуренин (L-Kyn), была модифицирована путем обмена субъединиц для включения L-Trp, L-Ile или L-Val; позиция 1 обычно включает антеизоундеканоил, изододеканоил и антеизотридеканоил жирноацильные группы. Все эти изменения были комбинированы. Даптомицин состоит из 13 аминокислот, 10 из которых расположены циклически, а три – в виде экзоциклического хвоста. В препарате присутствуют две непротеиногенные аминокислоты: необычная аминокислота L-кинуренин (Kyn), известная только для даптомицина, и L-3-метилглутаминовая кислота (mGlu). N-конец экзоциклического триптофанового остатка связан с декановой кислотой, среднецепочечной (C10) жирной кислотой. Биосинтез инициируется присоединением декановой кислоты к N-концевому триптофану, за которым следует присоединение остальных аминокислот посредством механизмов нерибосомного пептидсинтетаза (NRPS). Затем происходит циклизация, катализируемая тиоэстеразой, и последующее высвобождение липопептида. NRPS, ответственный за синтез даптомицина, кодируется тремя перекрывающимися генами: dptA, dptBC и dptD. Гены dptE и dptF, расположенные непосредственно выше dptA, вероятно, участвуют в инициировании биосинтеза даптомицина путем присоединения декановой кислоты к N-концевому Trp. Эти новые гены (dptE, dptF) кодируют продукты, которые, вероятно, работают в сочетании с уникальным конденсационным доменом для ацилирования первой аминокислоты (триптофана). Считается, что эти и другие новые гены (dptI, dptJ) участвуют в поставке непротеиногенных аминокислот L-3-метилглутаминовой кислоты и Kyn; они расположены рядом с генами NRPS. Внутри каждого модуля находятся каталитические домены, осуществляющие удлинение растущей пептидильной цепи. Растущий пептид ковалентно связан с тиоляционным доменом; здесь он называется пептидил-носителем, поскольку переносит растущий пептид из одного каталитического домена в другой. Домен apo T должен быть активирован до домена holo T с помощью PPTase, присоединяя гибкий фосфопантетеиновый остаток к консервативному сериновому остатку. Аденилирующий домен выбирает мономер аминокислоты для включения и активирует карбоксилат с помощью АТФ с образованием аминоацил-АМФ. Затем домен А устанавливает аминоацильную группу на тиолат соседнего домена Т. Домен конденсации (С) катализирует реакцию образования пептидной связи, что приводит к удлинению цепи. Он соединяет пептидил S T выше по течению с аминоацил S T ниже по течению (рисунок 7). Удлинение цепи на один аминоацильный остаток и транслокация цепи к следующему T-домену происходят одновременно. Порядок этих доменов: C-A-T. В некоторых случаях домен эпимеризации необходим в тех модулях, где L-аминокислотные мономеры должны быть включены и эпимеризированы в D-аминокислоты. Доменная организация в таких модулях: C-A-T-E. Это привлекательная цель для комбинаторного биосинтеза по многим причинам: производные второго поколения в настоящее время проходят клинические испытания; Streptomyces roseosporus, продуцент даптомицина, подвержен генетической манипуляции; кластер генов биосинтеза даптомицина был клонирован, секвенирован и экспрессирован в S. lividans; другие кластеры генов липопептидов, как родственные, так и неродственные даптомицину, были клонированы и секвенированы, и, наконец, усилия в области медицинской химии позволяют дополнительно модифицировать эти продукты молекулярной инженерии. Некоторые из этих соединений обладают антибактериальной активностью in vitro, аналогичной даптомицину. Кроме того, одно из них продемонстрировало улучшенную активность против мутанта E. coli imp, дефектного в сборке его липополисахарида. Ряд этих соединений производился с выходами от 100 до 250 мг/л, что, конечно, открывает возможность успешного масштабирования с помощью методов ферментации. До сих пор было изучено лишь небольшое количество возможных комбинаций аминокислот в пептидном ядре.

[[File:Nbt1265 F3. png|thumb|Figure 9. Combinatorial biosynthesis of lipopeptide antibiotics related to daptomycin. Position 8, which typically has D Ala in daptomycin, was modified by module exchanges to contain D Ser, D Asn or D Lys; position 11, which naturally has D Ser, was modified by module exchanges to consist of D Ala or D Asn; position 12, which normally has 3 methyl L Glu, was modified by deletion of the methyltransferase gene to possess L Glu; position 13, which normally has L kynurenine (L Kyn), was modified by subunit exchanges to contain L Trp, L Ile or L Val; position 1 usually includes the anteiso undecanoyl, isododecanoyl and anteiso tridecanoyl fatty acyl groups. All of these alterations have been combinatorialized. Daptomycin consists of 13 amino acids, 10 of which are arranged in a cyclic fashion, and three on an exocyclic tail. Two nonproteinogenic amino acids exist in the drug, the unusual amino acid L kynurenine (Kyn), only known to daptomycin, and L 3 methylglutamic acid (mGlu). The N terminus of the exocyclic tryptophan residue is coupled to decanoic acid, a medium chain (C10) fatty acid. Biosynthesis is initiated by the coupling of decanoic acid to the N terminal tryptophan, followed by the coupling of the remaining amino acids by nonribosomal peptide synthetase (NRPS) mechanisms. Finally, a cyclization event occurs, which is catalyzed by a thioesterase enzyme, and subsequent release of the lipopeptide is granted. The NRPS responsible for the synthesis of daptomycin is encoded by three overlapping genes, dptA, dptBC and dptD. The dptE and dptF genes, immediately upstream of dptA, are likely to be involved in the initiation of daptomycin biosynthesis by coupling decanoic acid to the N terminal Trp. These novel genes (dptE, dptF ) correspond to products that most likely work in conjunction with a unique condensation domain to acylate the first amino acid (tryptophan). These and other novel genes (dptI, dptJ) are believed to be involved in supplying the nonproteinogenic amino acids L 3 methylglutamic acid and Kyn; they are located next to the NRPS genes. Within each module are catalytic domains that carry out the elongation of the growing peptidyl chain. The growing peptide is covalently tethered to a thiolation domain; here it is termed the peptidyl carrier protein, as it carries the growing peptide from one catalytic domain to the next. Again, the apo T domain must be primed to the holo T domain by a PPTase, attaching a flexible phosphopantetheine arm to a conserved serine residue. An adenylation domain selects the amino acid monomer to be incorporated and activates the carboxylate with ATP to make the aminoacyl AMP. Next, the A domain installs an aminoacyl group on the thiolate of the adjacent T domain. The condensation (C) domain catalyzes the peptide bond forming reaction, which elicits chain elongation. It joins an upstream peptidyl S T to the downstream aminoacyl S T (Figure 7). Chain elongation by one aminoacyl residue and chain translocation to the next T domain occurs in concert. The order of these domains is C A T. In some instances, an epimerization domain is necessary in those modules where L amino acid monomers are to be incorporated and epimerized to D amino acids. The domain organization in such modules is C A T E. It is an attractive target for combinatorial biosynthesis for many reasons: second generation derivatives are currently in the clinic for development;
Streptomyces roseosporus, the producer organism of daptomycin, is amenable to genetic manipulation; the daptomycin biosynthetic gene cluster has been cloned, sequenced, and expressed in S. lividans; other lipopeptide gene clusters, both related and unrelated to daptomycin, have been cloned and sequenced, and lastly, efforts in medicinal chemistry are able to further modify these products of molecular engineering. Some of these compounds have in vitro antibacterial activities analogous to daptomycin. Further, one displayed ameliorated activity against an E. coli imp mutant that was defective in its ability to assemble its inherent lipopolysaccharide. A number of these compounds were produced in yields that spanned from 100 to 250 mg/liter; this, of course, opens up the possibility for successful scale ups by fermentation techniques. Only a small percentage of the possible combinations of amino acids within the peptide core have been investigated thus far.

История

Даптомицин, первоначально обозначенный как LY 146032, был обнаружен исследователями компании Eli Lilly and Company в конце 1980-х годов из актиномицета Streptomyces roseosporus. LY 146032 показал многообещающие результаты в клинических испытаниях I/II фазы для лечения инфекций, вызванных грамположительными микроорганизмами. Компания Lilly прекратила разработку, поскольку высокодозная терапия была связана с нежелательными побочными эффектами на скелетные мышцы, включая миалгию. Права на LY 146032 были приобретены компанией Cubist Pharmaceuticals в 1997 году, которая после одобрения Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (FDA) в сентябре 2003 года для применения у пациентов старше 18 лет начала маркетинг препарата под торговым названием Cubicin. В настоящее время Кубицин продается в ЕС и ряде других стран компанией Novartis после приобретения ею Chiron Corporation, предыдущего правообладателя лицензии.