1. TUBERCOLOSI: UNA
MALATTIA SOCIALE
Milano, 21-22 Settembre 2012
IIIa tappa: dall’isolamento
al linezolid
L. Paraboni MD
Dept. of Pharmacology
School of medicine
University of Milan, Italy

2. Lalloo UG. Curr HIV/AIDS Rep. 2010;7(3):
143-51

3. Chemotherapy in tuberculosis
Goals of anti-tubercular chemotherapy
n Kill dividing bacilli: patient becomes non-
contagious → transmission of TB is interrupted
n Kill persisting bacilli: to effect cure and
prevent relapse
n Prevent emergence of resistance: so that the
bacilli remain susceptible to the drugs

4. (WHO)
Lalloo UG. Curr HIV/AIDS Rep. 2010;7(3):
143-51

5. Drugs used in tuberculosis
1st line drugs 2nd line drugs
high efficacy, low toxicity Low efficacy, high toxicity or both
n Isoniazid (INH) n Ethionamide
n Rifampin n Para aminosalicylic acid
n D-Cycloserine
n Pyrazinamide
n Amikacin/ Capreomycin
n Ethambutol
n Fluoroquinolones
n Streptomycin n Rifabutin
n Trattamento standard (raccomandazioni WHO): terapia con
isoniazide, rifampicina, pirazinamide edetambutolo per 2
mesi, seguita da almeno 4 mesi con rifampicina ed isoniazide
n Ceppi MDR, resistenti a rifampicina ed isoniazide
(raccomandazioni WHO): ulteriori 2 anni di terapia con
farmaci di IIa linea

6. Antitubercular Agents –
Mechanism of action
Three Groups
n Protein wall synthesis inhibitors: streptomycin,
kanamycin, capreomycin, rifampin, rifabutin
n Cell wall synthesis inhibitors: cycloserine,
ethionamide, isoniazid
n Other mechanisms of action

7. Mycobacterial cell wall
Baron S (ed.) Medical Microbiology. 4th edition. Chpater 33

8. Mechanism of action of 1st line drugs
Isoniazid
Ethambutol
-
Mycolic Acid -
Arabinogalactan
Peptidoglycan
Cell membrane
- Mitochondria
(ATP)
Rifampin
Pyrazinamide -
- Streptomycin
- Cytoplasm
R
I Protein
B
O
S
O
M
e

9. Isoniazide (INH)
n Idrazide dell’acido isonicotinico CONHNH2
n Scoperta casualmente nel 1945, è il
farmaco anti-tubercolare più attivo
N
n Battericida per i micobatteri a rapida
crescita, batteriostatico per quelli a lenta
crescita
n Efficace sia contro i bacilli intra- che
extracellulari, è attivo solo verso M.
tubercolosis e M. kansasii
n Dose usuale: 300 mg (10 mg/kg nei
bambini, dose massima 300 mg)

10. Isoniazide (INH)
n Facilmente assorbita per os, si distribuisce in tutti i liquidi
e distretti organici, compreso il liquor
n Viene metabolizzata a prodotti inattivi (metaboliti
idrolizzati ed acetilati) Acetilatori lenti e rapidi
n Cibo e antiacidi, soprattutto a base di Al, interferiscono
con l’assorbimento di INH, rallentandolo
n Preferibile la somministrazione a stomaco vuoto
n Meccanismo d’azione:
n Inibizione sintesi acidi grassi → Inibizione sintesi acido micolico
n Biosintesi di NAD+ fraudolento
n Può determinare aumento dei livelli sierici di fenitoina,
carbamazepina e teofillina (specie negli acetilatori lenti)

11. Isoniazide (INH)
n INH complessa lo ione Cu++ (proprietà chelanti) e blocca la
sintesi degli acidi grassi, precursori dell’acido micolico,
componente essenziale della parete cellulare del M. TBC
(giustifica la selettività)
Scoperto 20 anni dopo
n Biosintesi di NAD+ fraudolento: INH è trasformata in acido
isonicotinico, che verrebbe incorporato nel NAD+
(antimetabolita). NAD+ fraudolento non sarebbe più in
grado di catalizzare le normali reazioni redox (teoria che
necessita di ulteriori prove)

12. Isoniazide (INH)
n Acetilatori
1. Lenti (scandinavi, ebrei, caucasici, nordafricani) →
t1/2 INH di circa 3-4 ore. Più comune tossicità epatica
(↑ transaminasi ed epatite multilobulare o “a ponte”)
dopo 4-8 settimane dall’inizio della terapia
2. Rapidi (eschimesi, asiatici) → t1/2 INH di circa 70 min.
Più comune tossicità neurologica (neurite periferica
e, meno comunemente, neurite ottica, psicosi acute,
convulsioni e vertigini), peraltro prevenibile
somministrando piridossina
n Altri effetti collaterali: tossicità midollare e reazioni da
ipersensibilità (febbre, rush cutaneo, eosinofilia)

13. Ansamicine: Rifampicina
n È il composto più interessante CH3 CH3
delle Rifamicine, complesso di O
HO
CH3
antibiotici caratterizzati da O
OH
OH
OH
O
CH3
H3C 25 CH3
un'ansa formata da una lunga H3C
O NH
catena carboniosa e da un CH3
O
3
legame lattamico, saldata su di O OH N
O N
un nucleo naftalenico CH3
N
CH3
n Battericida su M. tuberculosis e
molti altri microrganismi gram + Composto semisintetico
e –, usata nella profilassi delle
infezioni dovute a Neisseria
meningitis
n Efficace verso tutte le sottopopolazioni di micobatteri (eccetto
quelli “dormenti”), è attivo sia verso I bacilli intra- che
extracellulari

14. Ansamicine: Rifampicina
n Ben assorbita nel tratto gastrointestinale e ben distribuita
nell'organismo animale compreso il liquor
n La sua azione potenzia l'attività della streptomicina e
dell'isoniazide, non quella dell'etambutolo.
n Per la sua capacità di legarsi alle proteine plasmatiche,
la sua eliminazione epatobiliare, contrariamente a
quanto avviene per le altre rifamicine, è molto lenta;
trasformata in 25-desacetil derivato, non più riassorbibile
nell'intestino, viene eliminata nelle feci
n Non va associata all’acido para-aminosalicilico (PAS)
che ne ritarda l'assorbimento
n Induce le isoforme CYP3A4 e CYP2C, diminuendo
l’efficacia di molti farmaci (antiretrovirali!!!!)

15. Ansamicine: Rifampicina
n Meccanismo d’azione: impedisce nel micobatterio la
sintesi di RNA-DNA dipendente, inibendo la RNA-
polimerasi-DNA-dipendente. Si forma un complesso
equimolecolare (1:1) con l’enzima molto stabile. Il
risultato è il blocco dell'inizio della sintesi proteica. Il
farmaco impedisce solo l'inizio della trascrizione; una
volta che essa sia iniziata, non la ferma.
n Effetti avversi: I più comuni sono rash cutanei, febbre,
nausea e vomito, colorazione arancione di urine ed altri
liquidi corporei. Ad alte dosi possibili quadri simil-
influenzali. Rara ma grave l’epatite
n I ceppi di M. tuberculosis resistenti alle rifamicine hanno
prodotto per mutazione una RNA-polimerasi alterata
incapace di complessarsi con le rifamicine nel sito
d'azione

16. Pirazinamide
n Debolmente battericida, è attiva contro i bacilli a
localizzazione intracellulare (solo M. tubercolosis)
n Meccanismo d’azione: inibizione della sintesi dei precursori
degli acidi micolici
n Effetti avversi più comuni sono l’iperuricemia (controllabile
con la contemporanea somministrazione di allopurinolo) e la
tossicità epatica (ipertransaminasemia e, più raramente,
franca epatite), anoressia, nausea, vomito, febbre ed
artralgie (dita, ginocchia ed articolazioni scapolo-omerali)

17. Etambutolo
n Batteriostatico nei confronti dei H5C2
NH C2 H5
bacilli a più rapida crescita (M. HOCH2 R* NH
tubercolosis, M. kansasii e MAC) R* CH 2OH
n Sopprime la crescita della maggior parte dei ceppi resistenti
etambutolo
all’isoniazide ed alla streptomicina; attivo anche nei confronti
dei micobatteri atipici
n Meccanismo d’azione: inibisce le arabinosiltranferasi
implicate nella sintesi della parete batterica
n Ben assorbito sia per via enterale che parenterale, viene
eliminato in parte inalterato ed in parte in forma ossidata a
dialdeide e/o diacido
n Ha deboli effetti collaterali, il più temibile dei quali è
rappresentato dalla neurite ottica retrobulbare (effetto dose-
dipendente)

18. n Primo farmaco
Streptomicina
clinicamente efficace
H2N
NH
OH
NH NH
disponibile per la terapia della TBC; HN
NH2
insieme alla kanamicina è l’unico
O OH
OH
aminoglicoside utilizzato nella terapia
O
della TBC
H3C O
NH
OH
O CH3
n Attività battericida, è attivo solo sulle OH
3
forme extracellulari di micobatteri OH OH
OH
n Meccanismo d’azione: inibizione della sintesi proteica
n Principali effetti avversi: oto- e vestibolo tossicità, nefro-
tossicità
n Meccanismi di resistenza:
q Variazione di permeabilità del micobatterio
q Inattivazione enzimatica (adenilazione e fosforilazione in
posizione 3)

19. Relative activity of first line drugs
n INH: potent bactericidal Combina(on
is
synergis(c
n Rifampin: potent bactericidal
n Pyrazinamide: weak bactericidal, active against
intracellular bacilli
n Ethambutol: bacterisostatic, prevents resistance
development
n Streptomycin: bactericidal, active against
extracellular rapid growers
Never use a single drug for chemotherapy
in tuberculosis, a combination of two or
more drugs must be used

20. Second line drugs in tuberculosis
n Failure of clinical response to 1st line therapy
n Serious adverse drug reactions to 1st line drugs
n Development of resistance to first-line agents
n Etionamide
n PAS Generalmente mal tollerati o
con effetti collaterali più pesanti
n Kanamicina
n Cicloserina
n Fluorochinoloni

21. Fluorochinoloni
n Bersagli molecolari sono la DNA girasi e la DNA
topoisomerasi IV, enzimi che controllano la topologia del DNA
n Costituiscono gli agenti di seconda linea più importanti nel
trattamento delle forme da ceppi di TBC MRD
n Attivi sia contro bacilli extracellulari in fase replicativa che
intracellulari in fase latente (attività concentrazione-
dipendente)
n Gatifloxacina e moxifloxacina attualmente in studi di fase III
per valutare possibilità di rendere più breve (4 mesi) il
trattamento combinato di forme sensibili di TBC (sostituzione
con gatifloxacina di etambutolo o con moxifloxacina di
etambutolo od isoniazide
n Possibilità di resistenze acquisite per il frequente utilizzo di
FQ in altre patologie infettive o quando il FQ è l’unico
farmaco attivo in un regime anti-TBC fallimentare

22. Pharmacodynamic parameters
predictive of outcome
Parameter
correlating Cmax:MIC/AUC:MIC AUC:MIC T>MIC
with efficacy Aminoglycosides Tigecycline Penicillins
Fluoroquinolones Glycopeptides Cephalosporins
Examples Daptomycin Linezolid Carbapenems
Metronidazole Quinupristin/dalfopristin Clarithromycin
Colistin Lincosamides
Rifampicin
Organism kill Concentration- Time-dependent Time-dependent
dependent
Therapeutic Maximise Maximise Optimise duration
goal exposure exposure of exposure
Drusano & Craig. J Chemother 1997; 9:38–44
Drusano et al. Clin Microbiol Infect 1998; 4 (Suppl. 2):S27–S41
Paraboni L, Scaglione F. Int. J. Antimicrob. Agents 2008; 32: 294–301

23. Pharmacodynamic indices
(in vivo potency)
Concentration
Cmax:MIC or Peak:MIC
AUC:MIC
MIC
T>MIC
0
Time (hours)
AUC = Area under the concentration–time curve
Cmax = Maximum plasma concentration

24. The antimicrobial therapy puzzle

26. E domani ?
Ma Z. Lancet. 2010 Jun 12;375(9731):2100-9

27. Ma Z. Lancet. 2010 Jun 12;375(9731):2100-9

28. Ma Z. Lancet. 2010 Jun 12;375(9731):2100-9

29. Cole ST. Curr Opin Microbiol. 2011;14(5):570-6

30. TMC-207 (bedaquiline)
n Appartenente alla famiglia delle
diarilchinoline, inibisce la subunità c
dell’ATP sintasi del micobatterio →
riduzione dei livelli di ATP
n Meccanismi di resistenza: la maggior parte sono
associati a mutazioni del gene atpE, codificante la
subunità c dell’ATP sintasi; altri casi di resistenza non
correlati a mutazioni del suddetto gene
n ATP sintasi mitocondriale umana ha una sensibilità 20000
volte minore di quella micobatterica → tossicità selettiva
n Elevata attività battericida sia verso bacilli in fase
replicativa che “dormienti”
n Attivo anche contro ceppi MDR e XDR
n Metabolizzato dal CYP3A4 → interazione con rifampicina

31. Nitroimidazopirani: PA-824
n Attivo sia verso bacilli in fase
replicativa che “dormienti” (anche
ceppi resistenti), potrebbe
permettere trattamenti più brevi
n Profarmaco attivato all’interno del
micobatterio da una specifica
reduttasi deaza-flavina dipendente
(Ddn), con formazione di tre metaboliti primari, il
principale dei quali è il corrispondente Des-
nitroimidazolo. Durante tale processo si generano ROS,
tra cui NO → inibizione della citocromo c ossidasi della
catena respiratoria (meccanismo anaerobico)
n Inibisce anche la biosintesi dell’acido micolico
(meccanismo aerobico)
n Attività tempo-dipendente in un modello murino di TBC

32. Nitroimidazoli: OPC67683
n Attivo sia verso bacilli in fase
replicativa che “dormienti”
n Nitro-diidro-imidazooxazolo che necessita
anch’esso di attivazione metabolica
intracellulare (probabilmente ad opera
della Ddn.
n Inibisce la biosintesi dell’acido micolico
n Probabile attività tempo-dipendente

33. Etilendiamine: SQ109
n Analogo 1,2-etilendiaminico
dell’etambutolo
n Meccanismo d’azione non noto (nessun effetto su
EmbA o EmbB, bersagli dell’etambutolo), probabile
inibizione della sintesi della parete cellulare batterica
Rifamicine
n Potenti inibitori della RNA polimerasi batterica,
comprendono rifampicina, rifapentina e rifabutina
n Rifapentina: emivita (16 h) e potenza maggiore rispetto a
rifampicina, potrebbe permettere trattamenti più brevi od
intermittenti
n Induttore citocromo P450 (come rifampicina)

34. Oxazolidinoni (Linezolid,
PNU-100480, AZD5847)
n Inibizione della sintesi proteica attraverso il legame
alla subunità 50S dei ribosomi
n Tossicità dopo trattamenti prolungati con linezolid
(specie neuropatia ottica e periferica), utillizzato off-
label per la terapia di MDR-TB (in combinazione);
ruolo tuttora da definire
n PNU-100480 e AZD5847: analoghi del linezolid ad
elevata attività battericida e con miglior profilo di
tossicità, potrebbero rendere più breve la terapia
antitubercolare

35. Benzotiazinone (BTZ043) e
dinitrobenzamide (DNB)
n Composti nitro-aromatici in sviluppo
preclinico ad elevata attività anti-TBC,
(anche verso ceppi MDR e XDR)
n Stesso target, rappresentato dall’enzima
eterodimerico decaprenil-fosforil-ß-D-
ribosio 2’-epimerasi, codificato dai geni
dprE1 e dprE2 ed implicato nella
biosintesi di D-arabinosio (trasformazione
di decaprenil-fosforil-D-ribosio (DPR) in
decaprenil-fosforil-D-arabinosio (DPA))
n DPA è un precursore della sintesi di
arabinogalattano e liporabinomannano,
componenti essenziali della parete
batterica del micobatterio