Open Access IDT Biologika GmbH, Dessau-Roßlau

Berliner und Münchener Tierärztliche Wochenschrift 127, Heft 11/12 (2014), Seiten 449–512 449

IDT Biologika GmbH, Dessau-Roßlau

Die Suche nach neuen Antibiotika – mögliche Strategien und aktuelle Ansätze

The search for novel antibiotics – strategies and current approaches

Peter Schmid

Zusammenfassung Aufkommen und zunehmende Prävalenz resistenter Pathogene vor allem in intensivmedizinischen Einrichtungen machen die Erforschung und Entwicklung neuer antimikrobieller Wirkstoffe und neuer Therapieansätze unverzichtbar. Dieser Beitrag gibt eine Übersicht über neue Moleküle, die gegenwärtig in Forschung und Entwicklung bearbeitet werden. Die dem Artikel zugrunde liegenden Daten stammen aus der Literatur, veröffentlichten Kongress-Abstracts und von öffentlich zugänglichen Webseiten der Zulassungsbehörden und privater Firmen. Neue Moleküle mit verbesserten antibakteriellen oder pharmakologischen Eigenschaf-ten basieren auf etablierten Klassen wie den Beta-Laktamen, Chinolonen, Makro-liden, Tetrazyklinen und Pleuromutilinen. Darüber hinaus wird gegenwärtig in unterschiedlichen Forschungs- und Entwicklungsphasen aber auch an Molekülen gearbeitet, die neue, therapeutisch bislang nicht genutzte bakterielle Zielstruk-turen angreifen. Ein komplett neuer therapeutischer Ansatz ist die Erforschung der bakteriellen Virulenz als Zielstruktur. Neutralisierende Antikörper gegen bak-terielle Toxine werden bereits erfolgreich therapeutisch eingesetzt und dienen als Vorbild für die Antivirulenz-Strategie. Für einige Virulenz-Faktoren wurde bereits gezeigt, dass sie sinnvolle Zielstrukturen für kleine Moleküle sind.

Schlüsselwörter: etablierte Wirkstoffgruppen, neue Zielstrukturen, Virulenz

Summary The emergence and increasing prevalence of resistant pathogens primarily in intensive care units demand the discovery and development of new antimicro-bial agents and new therapeutic approaches. This review provides an overview of new antibacterial agents that are currently in research and development pipelines. Data were collected from published literature, meeting abstracts, public government and company websites. Well-known antibacterial classes like beta-lactams, quinolones, macrolides, tetracyclines, and pleuromutilins are represented by new molecules with enhanced antibacterial or pharmacological properties. Furthermore, compounds acting on targets not previously exploited are in vari-ous stages of research and development. Targeting bacterial virulence is an alter-native approach to antibacterial therapy. Neutralizing bacterial toxins by using antibodies is an established anti-virulence strategy which encourages increased research into other virulence targets. Certain virulence factors have already been shown to be meaningful targets for small molecules.

Keywords: well-known antibacterial structures, new targets, virulence

Einleitung

Die Fähigkeit, bakterielle Infektionen mit chemothe-rapeutischen Mitteln zu behandeln, ist eine der wich-tigsten medizinischen Leistungen des 20. Jahrhunderts. Nach der Entdeckung des Penicillins durch Alexander

Flemming 1929 beginnt das Zeitalter der modernen Chemotherapie 1936 mit der Anwendung von Sulfa-nilamid beim Menschen. Die gezielte antibakterielle Therapie wurde 1941 mit der industriellen Produktion des Penicillins eingeleitet. Es folgten die Entdeckung und Entwicklung von Streptomycin (1944), Chloramphenicol

Open Access

Berl Münch Tierärztl Wochenschr 127, 449–512 (2014)DOI 10.2376/0005-4366-127-449

© 2014 Schlütersche Verlagsgesellschaft mbH & Co. KGISSN 0005-4366

Korrespondenzadresse: [email protected]

Eingegangen: 29.02.2014 Angenommen: 04.05.2014

http://vetline.de/open-access/ 159/3216/

U.S. Copyright Clearance Center Code Statement: 0005-4366/2014/12711-449 $ 15.00/0


(1947), Chlortetracyclin (1948), der Makrolide (1952), der halbsynthetischen Penicilline, Cephalosporine und Glykopeptide (1958) sowie der Streptogramine und Chi-nolone (1962). In den anschließenden fünf Jahrzehnten wurden nur noch zwei Antibiotikagruppen, die neue Zielstrukturen bedienen, für die Anwendung beim Men-schen zugelassen. Dies waren die Oxazolidinone mit Linezolid (2000) und die Lipopeptide mit Daptomycin (2006) (Abb. 1). Seit Beginn der 1950er Jahre werden Antibiotika auch zur Kontrolle bakterieller Infektionen bei Heim- und Nutztieren eingesetzt. Die modernsten im Bereich Veterinärmedizin verwendeten Wirkstoffe sind Cephalosporine der dritten und vierten Generation, Fluorochinolone und neue Makrolide. Die Veterinärme-dizin konnte dabei nicht auf eigene Wirkstoffklassen zurückgreifen, Forschung und Entwicklung basierten von Anfang an auf den chemischen Grundstrukturen der Humanmedizin. Der ganz überwiegende Teil der For-schungs- und Entwicklungsaktivitäten wird auch heute von der Humanmedizin betrieben. Vor dem Hintergrund der aktuellen politischen, gesellschaftlichen, aber auch wissenschaftlichen Diskussion zum Thema Resistenz und Antibiotikaeinsatz beim Tier erscheint es fraglich, ob die forschende Tiergesundheitsindustrie für die Entwick-lung neuer antibiotischer Medikamente auch zukünftig Innovationen aus der Humanmedizin aufgreifen kann.

Bereits zu Beginn der antibiotischen Ära wurde die Gefahr des Auftretens resistenter Mikroorganismen erkannt. Dabei wird ein Zusammenhang zwischen der Menge eingesetzter Antiinfektiva einerseits und dem Ausmaß und der Geschwindigkeit der Resistenzentwick-lung andererseits vermutet. Resistenz tritt dabei nicht zwingend direkt bei den Krankheitserregern auf. Häufig kommt es unter dem Selektionsdruck einer antibio-tischen Therapie zur Selektion resistenter Kommensalen im Darm oder auf der Haut, die in ihrer Gesamtheit zur Entstehung eines Resistenz-Gen-Pools beitragen. Die Gene dieses Resistenz-Pools können dann leicht von Kommensalen auf Pathogene und vice versa übergehen. Zahlreiche internationale und nationale Organisationen und Verbände, wie z. B. die WHO (World Health Orga-nization), OIE (World Organization for Animal Health), FAO (Food and Agriculture Organization), BTK (Bundes- tierärztekammer), IFAH (International Federation for Animal Health) oder EPRUMA (European Platform for the Responsible Use of Medicines in Animals), haben Leitlinien für den sorgsamen und verantwortungsbe-wussten Umgang mit Antibiotika erarbeitet. Zentrale Forderung all dieser Leitlinien ist es, Antibiotika nur bei

Vorliegen bakterieller Infektionen anzuwenden, deren ursächliche Erreger gegenüber dem gewählten Thera-peutikum empfindlich sind. Es gibt kaum einen Zweifel daran, dass die Beschränkung der Anwendung von Anti-biotika auf sinnvolle Indikationen bei vorheriger Über-prüfung der Erregerempfindlichkeit eine geeignete Maß-nahme ist, die Resistenzentwicklung einzuschränken. Völlig verhindern lässt sie sich jedoch nach heutigem Kenntnisstand nicht, da auch jeder bestimmungsge-mäße Einsatz von Antibiotika zur Selektion von Resis-tenz führt. Damit wird immer ein Bedarf an neuen Antibiotika bestehen, die gegenüber resistenten Keimen wirksam sind, welche unter der Therapie mit aktuell ver-fügbaren Wirkstoffen auch zukünftig selektiert werden.

Mögliche Strategien der Suche nach neuen Antibiotika

Die wichtigsten Strategien für der Suche nach neuen Antibiotika sind die chemische Bearbeitung etablier-ter Wirkstoffgruppen, die Neubewertung nicht oder nur unzureichend erforschter Moleküle, das klassische Screening synthetischer Molekül-Bibliotheken oder von Naturstoffen und schließlich die Identifikation von Stoffen mit Aktivität gegenüber neuen Zielstrukturen innerhalb der Pathogene mittels Genomics und TbHTS (Target-based High-Throughput-Screening). Im Fol-genden werden diese Ansätze näher beschrieben und anhand aktueller Beispiele aus Forschung und Entwick-lung belegt.

Variation über bekannte Themen

Beta-Laktam-AntibiotikaBeginnend in den 1960er Jahren ist die chemische Exploration bekannter Wirkstoffklassen bis heute das erfolgreichste und produktivste Werkzeug der Suche nach neuen Wirkstoffen (Prabhavathi, 2006). Das wird besonders deutlich bei Betrachtung der Beta-Laktam-Antibiotika. Vertreter dieser Stoffgruppe bewähren sich seit nunmehr 70 Jahren im klinischen Einsatz. Sie wirken bakterizid auf proliferierende Keime, der Wirkmecha-nismus besteht in der Hemmung von Enzymen der Zellwandsynthese, den sogenannten PBPs (Penicillin-Binding Proteins). Den Erfolg dieser Antibiotika begrün-den insbesondere ihre zuverlässige Wirksamkeit und Sicherheit.

ABBILDUNG 1: Antibiotika und ihre Entwicklung.


benen großen Zahl von Beta-Laktamasen mit geringer Affinität und intrinsischer Unempfindlichkeit für die Inhibitoren auch für die Kombinationen ein Thema. Die Suche nach neuen Beta-Laktam-Beta-Laktamase-Inhibitor-Kombinationen erscheint damit sinnvoll und notwendig (Pucci und Bush, 2013).

Ceftolozan (Cubist) (Abb. 2), ein neues Cephalosporin mit hoher intrinsischer Aktivität gegenüber P. aeruginosa (Takeda et al., 2007), wird hydrolysiert durch ESBLs (Extended-Spectrum Beta-Lactamases), AmpC Cepha-losporinasen und KPC (K. pneumoniae Carbapenemase) Beta-Laktamasen. In Kombination mit Tazobactam bleibt das Molekül jedoch hochwirksam gegenüber E. coli-Isolaten mit CTX-M-14 oder CTX-M-15, den weltweit häufigsten ESBLs (Livermore et al., 2010; Titelman et al., 2011). Die Kombination befindet sich aktuell in der klinischen Erprobung in Phase-3-Studien (http://www.cubist.com/products/cxa_201).

Avibactam (AstraZeneca) (Abb. 2), ein bizyklisches Diazabizyklooktan, hat eine moderate antibiotische Aktivität gegenüber ESBL- und AmpC-produzierenden Enterobacteriaceae (Lagace-Wiens et al., 2011) und hemmt darüber hinaus spezifisch class A und class C Beta-Laktamasen (Stachyra et al., 2010). Die Kombina-tion mit Ceftazidim, einem Cephalosporin der 3. Gene-ration, zeigt sehr hohe In-vitro-Aktivität gegenüber Enterobacteriaceae, die KPCs, ESBLs oder AmpC pro-duzieren (Livermore et al., 2008; Endimiani et al., 2009; Stachyra et al., 2009; Livermore et al., 2011). Auch diese Kombination befindet sich aktuell in klinischen Prü-fungen Phase 3 (http://www.clinicaltrials.gov).

Ceftaroline (Forest) (Abb. 2) ist ein modernes anti-MRSA-(Methicillin-resistant Staphylococcus aureus-)Cephalosporin mit hoher Affinität für PbP 2a (2´) in MRSA und PBP 2x in S. pneumoniae (Kosowska-Shick et al., 2010) und guter In-vivo-Wirksamkeit (Keel et al., 2011). Die Wirksamkeit gegenüber gramnegativen Erregern ist aufgrund der hohen Empfindlichkeit gegen-über AmpC, ESBLs und Carbapenemasen dagegen stark eingeschränkt (Mushtaq et al., 2010b). Die Kombination Ceftarolin-Avibactam zeigt in vitro Aktivität gegenüber MRSA und einem im gramnegativen Bereich deutlich breiteren Erregerspektrum, jedoch ohne P. aeruginosa (Castanheira et al., 2012). Die Kombination befindet sich aktuell in Phase 2 der klinischen Prüfung (http://www.clinicaltrials.gov).

Chinolone Chinolone werden seit 50 Jahren erfolgreich in der anti-bakteriellen Chemotherapie verwendet. Sie entfalten ihre bakterizide Wirkung durch Bindung an die bakte-rielle DNA-Gyrase und Topoisomerase IV. Chinolone zeichnen sich generell durch ein breites Wirkspektrum und gute ADME(Absorption, Metabolismus, Distribu-tion, Exkretion)-Eigenschaften aus. Bis heute wird die Wirkstoffklasse chemisch bearbeitet, in jüngster Zeit oft mit dem Ziel der Verbesserung der grampositiven antibakteriellen Aktivität (Pucci und Bush, 2013). Pra-dofloxacin (Bayer) (Abb. 3) ist ein Vertreter dieser neuen Fluorochinolon-Generation und steht den Tierärzten in Europa seit 2011 für die Anwendung bei Hund und Katze zur Verfügung. Mit dem Ziel, insbesondere die Wirksamkeit im grampositiven Bereich zu verbessern, befinden sich eine ganze Reihe Fluorochinolone und nicht-fluorierter Chinolone (Abb. 3) in den Forschungs- und Entwicklungspipelines verschiedener humanphar-

Gegenwärtig konzentriert sich die Forschung auf die Suche nach neuen Beta-Laktam-Beta-Laktamase-Inhibitor-Kombinationen (Pucci und Bush, 2013). Beta-Laktamasen, bakterielle Enzyme, die Beta-Laktame spezifisch hydrolysieren und damit inaktivieren, entwi-ckeln sich rasant. Mit über 1300 Vertretern stellen diese Beta-Laktamasen den heute am weitesten verbreiteten Resistenzmechanismus bei gramnegativen Erregern dar. Es gibt kein in der Klinik verfügbares Beta-Laktam-Antibiotikum, gegen das nicht mindestens eine Beta-Laktamase in der Literatur beschrieben ist.

Als Beispiel für ein neues Beta-Laktam sei hier BAL30072 genannt, ein Siderophor-substituiertes Mono-sulfactam (Abb. 2). Die Aufnahme an den Wirkort, in den periplasmatischen Raum, erfolgt aktiv über das bakterielle Eisenaufnahmesystem. Basilea Pharmaceutica Internati-onal testet das Molekül gegenwärtig in Phase 1 klinischer Studien (Page, 2013). BAL30072 zeichnet sich aufgrund der hohen Affinität für PBP 1a, PBP 1b und PBP 3 sowie der Stabilität gegenüber Metallo-Beta-Laktama-sen durch eine sehr breite In-vitro-Wirksamkeit gegen Enterobacteriaceae und gegen nicht fermentierende Bak-terien wie P. aeruginosa und Acinetobacter aus (Mushtaq et al., 2010a; Page et al., 2010; Russo et al., 2011).

Während neue Beta-Laktamasen regelmäßig sehr rasch nach Einführung neuer Beta-Laktam-Antibiotika selektiert werden, haben Beta-Laktam-Beta-Laktamase-Inhibitor-Kombinationen nur zur Selektion einiger weni-ger Beta-Laktamasen geführt (Bush, 2013). Dennoch ist Resistenz aufgrund der in der Klinik bereits beschrie-

ABBILDUNG 2: Neue Beta-Laktam-Antibiotika: BAL30072 (A), Ceftolozan (B), Avibactam (C) und Ceftaroline (D).

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mazeutischer Firmen. Einige wenige seien im Folgenden beispielhaft genannt.

Nemonoxacin (TaiGen Biotechnology Company), ein nicht-fluoriertes Chinolon, hat Phase 2 der klinischen Prüfung erfolgreich abgeschlossen (http://www.clinical-trials.gov). Bemerkenswert ist eine sehr gute Wirksam-keit gegenüber MRSA sowie gegenüber Vancomycin-resistenten Erregern (Adam et al., 2009; Lauderdale et al., 2010). Ozenoxacin (Ferrer Internacional S.A.), ein weiterer Vertreter der nicht-fluorierten Chinolone, ist in vitro hochaktiv gegenüber Chinolon-resistenten Erregern einschließlich MRSA (Morrissey et al., 2012). In Phase 2 der klinischen Prüfungen mit systemischer und topikaler Applikation konnten Wirksamkeit und Verträglichkeit eindrucksvoll belegt werden (http://www.ferrergrupo.com; http://www.clinicaltrials.gov).

DS-8587 (Daiichi Sankyo) und KPI-10 (Kalidex Phar-maceuticals) sind Vertreter der neuesten Fluorochinolon-Generation. Beide Substanzen zeichnen sich in vitro durch breite Wirksamkeit gegenüber gramnegativen und grampositiven Erregern aus (Chiba et al., 2012; Flamm et al., 2012a, b; Higuchi et al., 2013; Pucci und Bush, 2013) und befinden sich aktuell in Phase 1 der klinischen Entwicklung. Bemerkenswert bei KPI-10 ist die hohe intrinsische Aktivität gegenüber Chinolon- und Fluoro-chinolon-resistenten grampositiven (MSSA [Methicil-lin-sensitive Staphylococcus aureus], MRSA, Enterococcus faecalis) und gramnegativen Erregern (E. coli, Klebsiella pneumoniae, Neisseria gonorrhoeae) (Deane et al., 2012a, b; Flamm et al., 2012a, b).

ABBILDUNG 3: Neue Chinolone: Pradofloxacin (A), Nemonoxacin (B), Ozenoxacin (C), DS-8587 (D) und KPI-10 (E).

Makrolide Makrolide werden seit 60 Jahren überwiegend für die Behandlung von Atemwegsinfektionen verwendet. Ihre Wirkung beruht auf der Hemmung der bakteriellen Proteinsynthese durch Bindung an die 23S rRNA der 50S Untereinheit des Ribosoms (Dunkle et al., 2010; Pucci und Bush, 2013). Ihr Wirksamkeitsspektrum deckt mit den Gattungen Actinobacillus, Mannheimia, Pasteu-rella, Streptococcus, Chlamydia, Mycoplasma und Legionella praktisch alle für Infektionen des Respirationstraktes bei Mensch und Tier bedeutenden bakteriellen Erreger ab (Washington und Wilson, 1985; Giguère, 2013). In der Humanmedizin wird die Bearbeitung der Makro-lide durch Resistenzen bei Pneumokokken getrieben. Aktuell in der späten Phase der klinischen Entwicklung befinden sich Cethromycin (Advanced Life Sciences) und Solithromycin (Cempra) (Abb. 4). Beide Substanzen sind Ketolide, Erythromycin-Derivate mit einer Keton-Modifikation an C-3 (Zhong und Shortridge, 2001). Sie zeichnen sich durch sehr gute Aktivität gegenüber Streptokokken einschließlich Erythromycin-resistenter Vertreter (MefA Efflux Pumpe, Erm (B) Methyltransfe-rase) der Spezies aus (Capobianco et al., 2000; Sutcliffe, 2011; Rodgers et al., 2013). Cethromycin zeigt zusätzlich eine sehr hohe Aktivität gegenüber Chlamydia pneumo-niae, Mycoplasma pneumoniae und Legionella pneumophila (Sutcliffe, 2011). Solithromycin ist besonders gut wirk-sam gegenüber Haemophilus influenzae und Moraxella catarrhalis (Farrell et al., 2010). In die Kritik gerieten die Ketolide aufgrund gemeldeter Nebenwirkungen (Herz, Leber, Magen-Darm) (Zuckerman, 2004; Echols, 2011). Dieser Aspekt wird daher bei den anstehenden kli-nischen Prüfungen dieser beiden Substanzen einen brei-ten Raum einnehmen. In der Veterinärmedizin wurden die Makrolide mit dem Ziel weiter bearbeitet, insbeson-dere Pharmakokinetik und Verträglichkeit zu verbessern. Als Beispiele für die jüngsten Neuerungen auf vete-rinärmedizinischem Gebiet seien Tulathromycin (Zoe-tis), Gamithromycin (Merial) und Tildipirosin (MSD) genannt (Giguère, 2013) (Abb. 4). All diese Wirkstoffe zeichnen sich durch sehr lange Wirkspiegel am Ort der Infektion (Lunge, Rind und Schwein) aus. Ketolide spie-len in der Veterinärmedizin bislang keine Rolle.

StreptogramineEin weiteres Beispiel für die erfolgreiche Bearbeitung eines alten Moleküls ist die Einführung von Synercid® (Sanofi). Synercid® ist die Kombination von Quinupri-stin und Dalfopristin, beides Streptogramin-Antibiotika. Diese Gruppe wurde bereits 1962 entdeckt und ist heute eine wichtige Waffe im Kampf gegen multiresistente grampositive Pathogene (Sader et al., 2001).

TetrazyklineSeit 65 Jahren werden Tetrazykline in der Klinik einge-setzt. Sie hemmen die Proteinsynthese bei grampositiven und gramnegativen Bakterien durch Bindung an die 30S Untereinheit des Ribosoms. Durch den jahrzehntelan-gen und intensiven Einsatz der Klasse wurden Resi-stenzmechanismen, vor allem Efflux-Pumpen und Ver-änderungen an der ribosomalen Bindungsstelle, selek-tiert. Wissenschaftlern bei Lederle Laboratories gelang die Synthese der 9-Glycylamido-Tetracycline, der soge-nannten Glycylcycline, deren Aktivität durch die wich-tigsten Resistenzmechanismen Efflux und TetM nicht beeinträchtigt wurde (Sum und Petersen, 1999; Petersen

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und parenterale Applikation) und des Sicherheitsprofils (Pucci und Bush, 2013). Vielversprechende Kandidaten sind Omadacycline (Paratek) und Eravacycline (Tetra-phase) (Abb. 5). Omadacycline, ein Aminomethylzy-klin, hat seinen bakteriostatischen Wirkschwerpunkt im grampositiven Bereich einschließlich MRSA und MDR (multidrug-resistant) Streptococcus pneumoniae (Macone et al., 2003; Traczewski und Brown, 2003). Die orale und intravenöse Applikation der Substanz wird aktuell in verschiedenen klinischen Studien Phase 3 untersucht (http://www.clinicaltrials.gov; http://paratekpharm.com). Eravacycline, ein Fluorozyklin, hat ein sehr breites Wirk-spektrum und deckt sowohl im gramnegativen als auch im grampositiven Bereich wichtige MDR -Pathogene ab (Sutcliffe, 2011; O´Brien et al., 2012; Kerstein et al., 2013). Erste klinische Ergebnisse nach intravenöser Applika-tion bei Patienten mit komplizierten intraabdominalen Infektionen sind sehr vielversprechend, sowohl bezüg-lich Sicherheit als auch bezüglich Wirksamkeit (Horn et al., 2012). Tetraphase hat weitere Fluorozykline in der Forschungspipeline und arbeitet auch an oralen Zube-reitungsformen (Grossman et al., 2012, 2013; Pucci und Bush, 2013; http://tphase.com).

Die chemische Bearbeitung bekannter Wirkstoffklas-sen ist auch heute noch ein Erfolg versprechender Weg zu neuen antibiotischen Wirkstoffen. Bereits zu einem sehr frühen Zeitpunkt im Forschungs- und Entwick-lungsprozess können zuverlässige Prognosen zum mög-lichen Produktprofil und zur kommerziellen Attraktivi-tät gemacht werden. Das Risiko unerwarteter wirksam-keits- oder sicherheitsrelevanter Erkenntnisse während der Entwicklungsphase ist gering (Prabhavathi, 2006). Die größte Gefahr bei diesem Ansatz ist eine möglicher-weise rasch einsetzende Resistenzentwicklung. Resis-tenzmechanismen, die in der Keimpopulation gegen ältere Vertreter der Wirkstoffklasse etabliert sind, bedür-fen häufig nur einer geringen Modifikation, um auch neue Waffen aus dieser Klasse im Kampf gegen Infekti-onen unbrauchbar zu machen.

Neubewertung des Unerforschten

Antimikrobielle PeptideBereits in den 1960er Jahren wurden eine Vielzahl von Peptiden mit ausgeprägten antimikrobiellen Eigenschaf-ten (antimikrobielle Peptide, AMPs) entdeckt. Späte-stens seit der Beschreibung von Magainin durch Zasloff (1987) beschäftigen sich zahlreiche Wissenschaftler mit der Bearbeitung dieser Stoffgruppe, um daraus thera-peutisch nutzbare Wirkstoffe zu gewinnen. Trotz heraus-ragender Eigenschaften – wie breitem Wirkspektrum, eigenständigem Wirkmechanismus, bakterizidem Wirk-typ und geringem Selektionsdruck für Resistenz (Yount und Yeaman, 2012) – befindet sich bis heute kein Pep-tidantibiotikum auf dem Markt. Themen wie Toxizität für den Wirt, Abbau durch Proteasen in vivo (rasche Clearance), geringe Bioverfügbarkeit nach systemischer Applikation, Produktion und Reinigung im Großmaß-stab und nicht zuletzt hohe Herstellungskosten (Seo et al., 2012; Yount und Yeaman, 2012) sind bis heute nicht gelöste Herausforderungen für diese Wirkstoffgruppe. Mögliche Lösungen stellen AMP mimics dar, mit denen sich gegenwärtig einige Biotechfirmen beschäftigen. Bei-spiele für diesen Ansatz sind das Brilacidin (Cellceutix) (Abb. 6) sowie RG-7929/POL7080 (Roche/Polyphor).

et al., 1999). Tigecyclin wurde als erster Vertreter dieser neuen Subklasse 2005 von der FDA (Food and Drug Administration) für die intravenöse Anwendung beim Menschen zur Behandlung schwerer Haut- und intra-abdominaler Infektionen zugelassen (http://www.acces-sdata.fda.gov). Heute konzentriert sich die Forschung bei der Suche nach neuen Tetrazyklinen insbesondere auf die Verbesserung der ADME-Eigenschaften (orale

ABBILDUNG 4: Neue Makrolide: Cethromycin (A), Solithromycin (B), Tulathromycin (C), Gamithromycin (D) und Tildipirosin (E).

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Brilacidin wurde für die Behandlung von S. aureus-Infek-tionen entwickelt (Mensa et al., 2011) und hat sich in entsprechenden klinischen Studien Phase 2 nach intra-venöser Applikation als wirksam erwiesen. POL7080, ein Mimic des kationischen Peptids Protegrin-1, hat exzellente Aktivität gegenüber P. aeruginosa (Srinivas et al., 2010; Werneburg et al., 2012). Das Molekül war in einer ersten klinischen Studie gut verträglich. Die gemessenen Plasmakonzentrationen lassen eine kli-nische Wirksamkeit in den nächsten Phasen erwarten (Wilbraham et al., 2011).

FusidinsäureEine Renaissance erlebt gegenwärtig Fusidinsäure, die das Wachstum grampositiver Erreger durch Bindung des Elongationfaktors G (EF-G) an das Ribosom hemmt (Koripella et al., 2012). Seit Beginn der 1960er Jahre mit Ausnahme der USA weltweit bei der Behandlung von Staphylokokken-Infektionen eingesetzt, ist Resistenz in manchen Teilen der Erde bereits ein Problem. Während in den USA lediglich 0,3 % der untersuchten klinischen S. aureus-Isolate resistent sind (Castanheira et al., 2010), in Schweden 1,4 % (Kronvall, 2010), sind es in Griechen-land 89 % der community-acquired MRSA (Katopodis et al., 2010). In einer klinischen Phase-2-Studie in den USA war die orale Verabreichung von Fusidinsäure bei MRSA-Infektionen bezüglich Sicherheit, Wirksamkeit und Verträglichkeit vergleichbar mit der Kontrollsub-stanz Linezolid (Craft et al., 2011). Um einer möglichen Resistenzentwicklung bei MRSA vorzubeugen, wird Fusidinsäure in einer aktuellen klinischen Studie mit Rifampin kombiniert (http://www.clinicaltrials.gov).

PleuromutilineDie Pleuromutiline blieben nach ihrer Beschreibung durch Kavanagh et al. (1951) in der Humanmedizin fünf Jahrzehnte unbeachtet. Pleuromutiline binden selektiv an Ribosomen bei Prokaryonten. Mit Tiamulin wurde der erste Wirkstoff aus dieser Gruppe 1979 in die Tiermedi-zin eingeführt (Novak, 2011), der erste humanmedizi-nische Vertreter folgte erst 2007 mit der Zulassung der topikalen Anwendung von Retapumilin (Rittenhouse et al., 2006; Hu und Zou, 2009; Novak, 2011). Herausfor-derungen bei der Entwicklung systemisch anwendbarer Vertreter dieser Klasse sind die metabolische Stabilität, die mäßige intrinsische antibakterielle Aktivität und die begrenzten Räume für chemische Modifikationen.

Vielversprechende aktuelle Entwicklungen sind BC-3781/Lefamulin und BC-7013 (Nabriva The-rapeutics) (Abb. 7). BC-3781 ist gut wirksam gegen-über MDR-grampositiven Organismen, einschließlich MRSA, MDR S. pneumoniae, und VR (Vancomycin- resistant) E. faecium (Sader et al., 2012a, b). Beson-ders bemerkenswert sind überzeugende pharmakokine-tische Eigenschaften, die eine systemische Anwendung ermöglichen. In einer klinischen Studie Phase 2 war die Substanz nach intravenöser Anwendung bei Staphylo-kokken-Infektionen (74,1 % MRSA) bei vergleichbarer klinischer Wirksamkeit besser verträglich als Vancomycin (Prince et al., 2011). BC-7013 ist ebenfalls sehr stark wirksam gegenüber MRSA. Diese Substanz ist vorge-sehen für die topikale Anwendung bei Hautinfektionen (Biedenbach et al., 2009).

Die Strategie der Neubewertung unerforschter oder wenig erforschter Moleküle hat einige offensichtliche Vorteile. Der Forschungsprozess beginnt mit einem defi-

ABBILDUNG 5: Neue Tetrazykline: Omadacycline (A) und Eravacycline (B).

ABBILDUNG 6: Antimikrobielle Peptid Mimics: Brilacidin.

ABBILDUNG 7: Neue Pleuromutiline: BC-3781/Lefamulin (A) und BC-7013 (B).

nierten Molekül. Damit ist es auch bei diesem Ansatz möglich, bereits sehr frühzeitig ein relativ genaues Pro-duktprofil zu erstellen. Darüber hinaus besteht hier die Chance, eine neue Wirkstoffklasse mit neuem Wirkme-chanismus und damit sehr geringem Risiko der Kreuz-resistenz zu etablierten Wirkstoffen zu erschließen. Der Nachteil dieser Strategie ist die geringe oder fehlende klinische Erfahrung mit den Klassen und damit das nicht unerhebliche Risiko unerwarteter wirksamkeits- oder sicherheitsrelevanter Erkenntnisse während der Entwicklungsphase.

Der klassische Ansatz

Das klassische Screening ist gekennzeichnet durch die In-vitro-Kultivierung der Zielorganismen zur Unter-suchung des wachstumshemmenden Effektes synthe-tischer Wirkstoffe, von Naturstoffen oder von Extrakten. Als letzte neue antibiotische Klasse wurden 1978 die Oxazolidinone mit diesem Ansatz gefunden (Barbachyn, 2012). Diese Wirkstoffe sind insbesondere gegen gram-positive Bakterien aktiv. Die Wirksamkeit schließt auch

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Mit MRX-I (MicuRx Pharmaceuticals) und LCB01-0371 (LegoChem Biosciences) (Abb. 8) werden wei-tere Erfolg versprechende Vertreter der Gruppe bereits in Phase-1-Studien am Menschen geprüft. Auch diese Moleküle zeichnen sich durch gegenüber Linezolid ver-besserte intrinsische Aktivität und gute ADME-Eigen-schaften aus (Jeong et al., 2010; Zhang et al., 2012; Zhu et al., 2012; http://www.clinicaltrials.gov).

Das klassische Screening führt trotz zunehmender Automatisierung und Durchsatzraten immer seltener zum Auffinden interessanter neuer Verbindungen (Prab-havathi, 2006). Die Erfahrungen von Payne et al. (2007) unterstützen diese Aussage. Die Autoren berichten von dem Versuch, zunächst mittels Screening mit S. aureus und E. coli neue biologisch aktive Verbindungen zu fin-den, um anschließend Zielstruktur und Wirkmechanis-mus zu klären und die gefundenen Leitstrukturen che-misch zu optimieren. Jeweils etwa 500 000 Substanzen wurden in drei Hochdurchsatz-Kampagnen untersucht, eine neue Leitstruktur für Antibiotika mit neuem Wirk-mechanismus wurde nicht gefunden. Diese Strategie ist also durchaus mit dem hohen Risiko behaftet, am Ende kein verwertbares Ergebnis zu liefern.

Genomics und TbHTS (Target-based High-Throughput-Screening)

Die Sequenzierung des ersten bakteriellen Genoms von Haemophilus influenzae im Jahre 1995 leitete für die Suche nach neuen antibakteriellen Stoffen und Zielstrukturen eine neue Ära ein. Die genomische Information zu Prokaryonten und Eukaryonten nimmt exponentiell zu. Die Identifikation neuartiger Wirkstoffe mit Aktivi-tät gegenüber bislang nicht genutzten oder gar unbe-kannten Zielstrukturen (Targets) innerhalb der Patho-gene basiert auf der Idee, diese Information zu nutzen und mittels Sequenzanalysen und Sequenzvergleichen Angriffspunkte in Pathogenen zu identifizieren, die ein Höchstmaß an Aktivität (Wirksamkeit) und Selektivität (Sicherheit) versprechen. Gleichzeitig erlauben moderne automatisierte Systeme das Testen sehr großer Sub-stanzbibliotheken (HTS, High-Throughput-Screening) und die Identifikation von Molekülen, die an diesen ausgewählten Zielstrukturen binden. Die medizinische Chemie sollte in der Lage sein, die so identifizierten Moleküle bezüglich Wirkspektrum und ADME-Eigen-schaften zu optimieren. Grundsätzlich ist es mit die-sem Ansatz möglich, neben essenziellen Targets auch Angriffspunkte zu untersuchen, die ausschließlich für die Virulenz eines Erregers bedeutend sind. Insgesamt bietet diese Strategie damit die meisten Möglichkeiten, vollkommen neue Klassen von Antiinfektiva zu fin-den, die über neuartige Mechanismen die Vermehrung von Mikroorganismen im Wirt verhindern und keiner-lei Kreuzresistenz zu bekannten Wirkstoffen aufweisen. Dieser Forschungsansatz wurde von allen großen phar-mazeutischen Unternehmen verfolgt, es wurden viele aktive Substanzen und sogar Leitstrukturen identifiziert. Leider hat sich dabei sehr oft gezeigt, dass gute Enzym- inhibitoren nicht automatisch auch gute Antibiotika sind. Faktoren wie Permeabilität und Eigenschaften der Wirtszellen spielen eine nicht zu unterschätzende Rolle (Prabhavathi, 2006). Bis heute befindet sich kein auf die-sem Weg identifizierter Wirkstoff auf dem Markt. Payne et al. (2007) geben am Beispiel von GSK (GlaxoSmith-

MDR-Organismen ein. Der Wirkmechanismus ist die Hemmung der Ausbildung eines funktionalen 70S Ini-tiierungs-Komplexes durch Bindung an die P-Seite der 23S rRNA der 50S Untereinheit des bakteriellen Ribo-soms. Erste klinische Studien wurden 1995 mit Linezo-lid durchgeführt, 2000 wurde die Substanz bereits von der FDA zugelassen und ist heute eine ganz bedeu-tende Waffe bei der Behandlung schwerer Infektionen durch grampositive Erreger. Über erste klinisch relevante Resis tenzen berichten Hutchinson (2003) und Toh et al. (2007). Verschiedene pharmazeutische Unternehmen bearbeiten die Klasse, um die inzwischen bekannten Resistenzmechanismen zu überwinden, das Spektrum zu erweitern und die Sicherheit zu verbessern (Kanafani und Corey, 2012).

Mit Tedizolid (Cubist Pharmaceuticals Inc.) und Rade-zolid (Melinta Therapeutics Inc.) (Abb. 8) befinden sich erste Oxazolidinone der 2. Generation bereits im weit fortgeschrittenen Stadium der Entwicklung, Tedizolid in der Pre-Registrierung, Radezolid in Phase 2 der klinischen Prüfungen. Tedizolid wirkt auch gegen Line-zolid-resistente Staphylokokken, erlaubt eine kürzere Anwendungsdauer und scheint dabei auch noch bes-ser verträglich zu sein. Insbesondere die für Linezolid nach Langzeitanwendung beschriebene schädigende Wirkung auf humane Mitochondrien (Garrabou et al., 2007) konnte für Tedizolid nicht nachgewiesen werden (Das et al., 2012). Radezolid ist ebenfalls potenter als Linezolid und erfasst neben den grampositiven auch anspruchsvolle gramnegative Erreger (Lawrence et al., 2008). Interessant sind auch die Anreicherung in pha-gozytierenden Zellen und die damit einhergehende höhere intrazelluläre antibakterielle Aktivität (Lemaire et al., 2010a, b).

ABBILDUNG 8: Neue Oxazolidinone: Tedizolid (A), Radezolid (B), MRX-I (C) und LCB01-0371 (D).

A

B

C

D


Kline) einen beeindruckenden Überblick über sieben Jahre Antibiotikaforschung auf der Basis von Genomics und TbHTS. So wurden in den Jahren 1995 bis 2001 mehr als 350 bakterielle Gene als potenzielle Targets identifiziert und sorgfältig bewertet, davon waren 127 in vitro essenziell. 64 weitere Gene waren in vitro nicht essenziell, erwiesen sich aber in Tiermodellen als in vivo essenziell (potenzielle Virulenz-Targets). Bearbeitet wur-den bei GSK zunächst nur die Zielstrukturen, die eine bekannte, im HTS testbare (assayable) Funktion hatten. Targets mit unbekannter Funktion und ausschließlich in vivo essenzielle Targets wurden nicht weiter verfolgt. In 67 HTS-Kampagnen wurden die letztlich ausgewählten Targets gegen die chemische Bibliothek geprüft. Diese enthielt zwischen 260 000 und 530 000 Verbindungen. Die Kosten pro Kampagne betrugen etwa 1 000 000 $. Einige Targets wurden mehrmals getestet, weil z. B. ein neuer Assay entwickelt wurde oder chemische Diver-sität hinzukam. Fünf Kampagnen führten schließlich zum Auffinden von Leitstrukturen. Die diesen Kam-pagnen zugrunde liegenden neuen Zielstrukturen sind PDF (peptide deformylase), FabI (enoyl-acyl car-rier protein reductase), FabH (3-ketoacyl-acyl carrier protein III), MetRS (methionyl tRNA synthetase) und PheRS (phenylalanyl-tRNA synthetase). MetRS- und FabI-aktive Substanzen erwiesen sich als hochaktiv am Target, wurden jedoch aufgrund eines aus GSK-Sicht nicht genügend breiten antibakteriellen Spektrums nicht weiterverfolgt. FabH aktive Verbindungen zeigten ebenfalls hohe antibakterielle Aktivität, ihnen fehlten aber drug-like Eigenschaften. Lediglich Verbindungen mit PDF und PheRS als Zielstruktur wurden von den GSK-Wissenschaftlern für die weitere Bearbeitung in Forschungs- und Entwicklungsprogrammen ausge-wählt. GSK1322322 (Abb. 9), ein Hydrazinopyrimidin, ist heute der erste PDF-Inhibitor, der klinische Studien der Phase 2 erfolgreich abgeschlossen hat (http://www.clinicaltrials.gov). Die Substanz hat ein beachtliches In-vitro-Spektrum. Gegen Staphylokokken, speziell MRSA, S. pneumoniae, und H. influenzae ist sie mit MHKs < 4 µg/ml hochwirksam (Chen et al., 2004; Bouchillon et al., 2010; Ross et al., 2011). Daneben verfügt die Substanz aber auch über ein sehr gutes ADME- und Sicherheits-profil. Aktuell werden klinische Studien der Phase 3 vorbereitet (Naderer et al., 2013, 2014; http://www.imi.europa.eu/content/combacte).

2008 beschrieben Haydon et al. Moleküle, die eine weitere neue Zielstruktur, die bakterielle Guanosin-Tri-phosphatase FtsZ, angreifen. FtsZ nimmt eine Schlüs-selrolle bei der bakteriellen Zellteilung ein. In einer GTP-abhängigen Polymerisation bildet es den Z-Ring der intermediären Zelle. FtsZ rekrutiert andere Prote-ine, die zusammen die Zellteilung vorantreiben (Loose und Mitchison, 2014). FtsZ ist funktionell mit dem N-Tubulin der Warmblüter verwandt, strukturell aber so weit unterschiedlich, dass eine selektive Therapie bakterieller Infektionen möglich ist. Als Leitstruktur für das Fragment-basierte Wirkstoffdesign verwendeten Haydon et al. (2008) 3-Methoxybenzamid und fanden als aktivste Verbindung PC190723 (Abb. 10), ein Thia-zolopyridin-substituiertes Benzamid, das im mikromo-laren Bereich gegen Staphylococcus aureus einschließlich MRSA bakterizid wirkt. Erste In-vivo-Aktivität wurde im Maus-Septikämie-Modell sowohl nach intravenöser als auch nach intraperitonealer und subkutaner Applika-tion belegt. Adams et al. (2011) untersuchten den Wirk-

mechanismus der Benzamide genauer und stellten fest, dass unter Einfluss der Benzamide bereits in niederen Konzentrationen hyperstabile FtsZ-Moleküle entstehen, die nicht mehr zur Bildung des Zellteilungsrings in der Lage sind. Stokes et al. (2013) derivatisierten PC190723 und verwandte Verbindungen weiter. Als Ergebnis fan-den sie einen Wirkstoffkandidaten mit verbesserten In-vitro- und In-vivo-Eigenschaften. Die Substanz hat mit 0,12 µg/ml einen sehr niederen MHK-Wert gegenüber einem breiten Panel von Staphylokokken, eine Biover-fügbarkeit in der Maus von 82 % und zeigte sich in derselben Tierart als gut wirksam in einem Staphylococcus aureus-Infektionsmodell.

LpxC ist eine weitere, auf der Suche nach neuen Antibiotika aktuell bearbeitete Zielstruktur. Achaogen (http://www.achaogen.com) berichtet über die Entwick-lung eines neuen Antibiotikums, ACHN-975 (Abb. 11), das an LpxC angreift und über diesen Mechanismus die Synthese der äußeren Membran eines breiten Spektrums auch multiresistenter gramnegativer Bakterien hemmt. Escherichia coli und Pseudomonas aeruginosa werden mit MHKs < 1 µg/ml abgetötet. Die Substanz befindet sich aktuell in klinischen Studien Phase 1 (http://www.clini-caltrialsgov).

Die Verwendung einzelner Enzyme als Zielstruktur für neue Antibiotika birgt die Gefahr der raschen Resistenz-entwicklung durch Punktmutation im Strukturgen oder Promotergen. Als Beispiel sei hier die Leucyl-tRNA Syn-thetase genannt. AN3365 wurde als hochaktiver Inhibi-tor dieses essenziellen Enzyms bei Anacor entdeckt und von GSK in klinischen Studien erprobt. Die Verbindung zeigte MHK90-Werte zwischen 1 und 4 µg/ml gegen-über multiresistenten Enterobacteriaceae und Pseudo-monas aeruginosa (Sutcliffe, 2011). Allerdings selektierte die Substanz In-vitro-Resistenz mit einer Rate von 10–7

bis 10–8 (Sutcliffe, 2011). Nach erfolgreichen Phase-1-Studien brach GSK die klinische Entwicklung in Phase 2 ab, nachdem sich zeigte, dass einige Patienten unter der Therapie von Infektionen der harnableitenden Wege resistente Bakterien entwickelten.

ABBILDUNG 9: PDF-Inhibitoren: GSK1322322.

ABBILDUNG 10: FtsZ-Inhibitoren: PC190723.

ABBILDUNG 11: LpxC-Inhibitoren: ACHN-975.


und gleichermaßen der Proof of Concept für die Anti-virulenz-Strategie. Es sind dies Toxin-neutralisierende Antikörper. Ursprünglich von immunisierten Pferden oder Menschen gewonnen für die Therapie lebensbe-drohlicher Intoxikationen (Keller und Stiehm, 2000; Arnon et al., 2006), stehen heute z. T. bereits monoklo-nale Antikörper zur Verfügung (http://www.sec.gov).

Die genaue Analyse der Mechanismen des Toxin-Transports (z. B. Typ-III-Sekretionssysteme, T3SS) dürfte weitere Angriffspunkte für Virulenz-Inhibitoren liefern. Die über ein breites Erregerspektrum konservierten Bereiche des T3SS sollten auch die Entdeckung von Sub-stanzen mit breitem Wirkspektrum ermöglichen (Rosq-vist et al., 1995; Cornells und Van Gijsegem, 2000). Erste In-vivo-Studien mit kleinen Molekülen, die als spezi-fische T3SS-Inhibitoren identifiziert wurden, bekräftigen die Hoffnung, die Hemmung von Virulenzfaktoren als therapeutisches Prinzip zu etablieren (Muschiol et al., 2006; Wolf et al., 2006; Bailey et al., 2007).

Die Ausbildung von Biofilmen gilt als weiterer wich-tiger Virulenzfaktor bakterieller Krankheitserreger. Als Beispiele seien genannt die Rolle von Biofilmen bei wiederkehrenden Infektionen der harnableitenden Organe (Mysorekar und Hultgren, 2006), rezidivie-renden chronischen Mittelohrinfektionen bei Kindern (Hall-Stoodley et al., 2006), Magengeschwüren (Carron et al., 2006) und bei zystischer Fibrose (Lam et al., 1980; Singh et al., 2000). Verschiedene Strategien werden dis-kutiert, um die Biofilm-Produktion zu hemmen oder zu verhindern. Insbesondere sind dies die Hemmung der initialen Adhäsion der Bakterien an Oberflächen (oben bereits beschrieben), die Unterbrechung des QS (Quorum Sensing), die Hemmung der TCRSs (Two-Component Response Systeme) oder die Hemmung der Biosynthese von Polysacchariden oder Proteinbestand-teilen der Biofilmmatrix (Benghezal et al., 2007). QS beschreibt das chemische Signalling, mit dem Bakterien ihre Wachstumsdichte kontrollieren. Erste In-vitro- und In-vivo-Ergebnisse zeigen, dass durch Blockade des QS bei P. aeruginosa die Empfindlichkeit gegenüber Antibio-tika deutlich gesteigert und die Elimination des Erregers unterstützt werden kann (Hentzer et al., 2003; Bjarns-holt und Givskov, 2007). Geske et al. (2007) zeigen für N-acyliertes L-Homoserin-Lakton, dass die QS-Akti-vität in Vibrio fischeri konzentrationsabhängig entweder gesteigert oder gehemmt wird. Das rationale Design von QS-Inhibitoren und die nachfolgende Erstellung von SAR-Modellen erfordert daher noch weitere grundle-gende Untersuchungen zu den Mechanismen und damit ein tieferes Verständnis der Zusammenhänge (Cegelski et al., 2008).

Bakterien reagieren auf Umgebungseinflüsse mit-tels TCRSs. TCRSs spielen eine zentrale Rolle für die Virulenz (z. B. AgrA, AgrC bei Staphylococcus aureus) und die Resistenz (z. B. VanS, VanR bei Enterococcus faecalis) (Cegelski et al., 2008). Der Kern der TCRSs besteht in der Übersetzung von Umgebungseinflüssen in spezifische Protein-Protein-Interaktionen und Akti-vierung der Transkription. TCRSs bestehen grundsätz-lich aus einer Histidin-Kinase, die durch extrazelluläre Signale aktiviert wird (Empfänger-Domäne) und einem Response-Regulator (Effektor-Domäne), der das Signal an das intrazelluläre Target weiterleitet. Als Folge wird dann z. B. ein Virulenzfaktor moduliert. Die Schnitt-stelle Response-Regulator/intrazelluläres Target ist ein möglicher Angriffspunkt für Virulenzfaktor-Inhibitoren.

Der Genomics-HTS-Ansatz erlaubt nicht nur die Bear-beitung essenzieller Zielstrukturen und damit die Suche nach Antibiotika im herkömmlichen Sinn. Mit diesem Ansatz ist auch die Bearbeitung von Targets denkbar, die ausschließlich in vivo essenziell sind. Damit erschließt sich die Virulenz-Inhibition als alternative antiinfektive Strategie (Finlay und Falkow, 1997; Lee et al., 2003; Marra, 2004; Weesenmeyer et al., 2009). Ziel ist es, spe-zifisch für die Pathogenitätskaskade essenzielle Mecha-nismen zu inhibieren. Im Ergebnis könnte diese Stra-tegie weniger Selektionsdruck für resistente Organis-men aufbauen, auch wären im Vergleich zu klassischen Antibiotika geringere oder keine Nebenwirkungen auf die Wirtsmikrobiota zu erwarten (Cegelski et al., 2008). Einige Beispiele für aktuelle Forschungsansätze werden im Folgenden dargestellt. Keiner dieser Ansätze hat bis-lang das Stadium der klinischen Prüfung erreicht.

Die Pilus-vermittelte Adhäsion von E. coli bei UTI (Urinary Tract Infection) ist ein offensichtlicher Angriffs-punkt für Virulenz-Inhibition. Praktisch alle UPEC (Uro-pathogenic E. coli) exprimieren Typ 1 Pili. Diese sind erforderlich, um an die Wirtsrezeptoren zu binden. Bei der Expression der Typ 1 Pili spielt das Chaperon-Usher-System eine zentrale Rolle (Sauer et al., 2004). Pilicide greifen in die Chaperon-Funktion ein und hemmen die Pilus-Biogenese (Svensson et al., 2001; Larsson et al., 2005). Eine neue Klasse von Piliciden, basierend auf einem bi-zyklischen 2-Pyridon Muster, greifen kon-servierte Regionen der Chaperone an und hemmen dadurch sowohl die Typ 1 als auch die Typ P Pilus-Bio-genese (Pinkner et al., 2006). In vitro hemmt diese Stoff-gruppe sowohl die Anhaftung und Invasion als auch die Biofilmausbildung von E. coli. Diese Beobachtung könnte eine Chance eröffnen für innovative Therapie-ansätze bei UTI. Die Bestätigung in vivo steht allerdings noch aus.

Toxinproduktion ist ein weiterer, weitverbreiteter Virulenzfaktor. Beispiele sind das Botulinus-, Anthrax-, Diphtherie, Tetanus-, Cholera- und Shiga-Toxin (Schmitt et al., 1999). Die Hemmung dieses Virulenzfaktors ist auf verschiedenen Ebenen möglich.

In der frühen Phase der Toxin-Transkription gelang dies Hung et al. (2005) mit Virstatin (Abb. 12). Dieses Molekül hemmt ToxT, einen Transkriptionsfaktor in V. cholerae. Dieser Faktor aktiviert sowohl die Toxinpro-duktion als auch die Toxin co-regulierte Pilus-Biogenese (Hung et al., 2005). Auch dieser Ansatz befindet sich aktuell in der frühen Forschungsphase, In-vivo-Daten sind in der Literatur nicht verfügbar. Ein anderer Weg der Toxinhemmung ist dagegen bereits klinische Realität

ABBILDUNG 12: Virulenz-Inhibitoren: Virstatin (A) und LED209 (B).

A

B


Je nach Auswahl des Targets sind breit oder schmal wirksame Inhibitoren denkbar. Agr (accessory gene regulator) ist ein universeller Regulator, der die Expres-sion der meisten Virulenzfaktoren bei Staphylokokken kontrolliert. AgrC fungiert als Histidin-Kinase-Sensor, AgrA ist der Response-Regulator. AgrC wird aktiviert durch AIPs (autoinducing peptides), chemisch sind dies Thiolactone mit sieben bis zehn Aminosäuren (May-ville et al., 1999). Dieses System ist zentrale Kompo-nente des QS bei grampositiven Bakterien. AIPs wurden daher von verschiedenen Autoren als Leitstrukturen für neue Antibiotika vorgeschlagen. Aktivierung führt zu Downregulation von Faktoren, die wichtig sind für die Biofilmbildung (Otto, 2004). Rasko et al. (2008) nutzten QSec, eine bei bakteriellen Pathogenen weitverbrei-tete Histidin-Kinase, als Zielstruktur und screenten eine Bibliothek von 150 000 kleinen Molekülen auf der Suche nach Inhibitoren der QseC-abhängigen Virulenzgen-Aktivierung. Dabei identifizierten sie eine sehr aktive Verbindung, die mittels Struktur-Wirkungsstudien (SAR) weiter optimiert wurde. LED209 (Abb. 12), ein Phenyl-sulfonamid, hemmt die Virulenzgen-Expression im pico-molaren Bereich. Enterohaemorrhagische Escherichia coli (EHEC) werden durch die Verbindung nicht im Wachs-tum gehemmt, sie exprimieren aber ihren wichtigsten Virulenzfaktor, das Shiga-Toxin, nicht mehr.

Einzelne oben beschriebene Ansätze belegen ein-drucksvoll das Potenzial der Antivirulenz-Strategie. Allerdings ist es noch ein sehr weiter Weg vom Konzept bis zu einem Antibiotikum, das schließlich beim Men-schen eingesetzt werden kann. Für die gezielte Auswahl von Targets für Virulenzfaktor-Inhibitoren ist ein besse-res Verständnis der Kontroll- und Regulationsnetzwerke der Mikroorganismen unabdingbar. Virulenz-Inhibitoren müssen nicht zwingend als singuläre Therapie gesehen werden. Es ist durchaus auch denkbar, dieses Prinzip mit klassischen Antibiotika zu verbinden. Verschiedene TCRSs sind direkt in die bakterielle Resistenz invol-viert, wie z. B. VanS-VanR TCRS in Enterokokken. VanS detektiert Vancomycin, VanR aktiviert die Expression der Enzyme VanA, VanH und VanX, die alle bei der Synthese einer veränderten Peptidoglykan-Struktur eine Rolle spielen, die letztlich für die Vancomycin-Toleranz bei Staphylococcus aureus und bei Enterokokken verantwort-lich ist (Arthur et al., 1992; Evers und Courvalin, 1996).

Zusammenfassung und Ausblick

Für die erfolgreiche Begegnung der weltweit zuneh-menden Resistenzproblematik sind zwei Ansätze unver-zichtbar, die Erforschung und Entwicklung neuer Thera-pien und der sorgsame Umgang mit heute bereits ver-fügbaren Antibiotika. Durch verantwortungsbewussten Umgang in Human- und Veterinärmedizin wird es mög-lich sein, die Ausweitung des Resistenzproblems zu kontrollieren. Dennoch sind die MDR-Pathogene bereits Realität, neue werden hinzukommen. Beispiele wie Linezolid oder Quinupristin/Dalfopristin zeigen, dass die pharmazeutische Forschung und Entwicklung auch heute noch in der Lage ist, auf aktuelle Herausforde-rungen in der Humanmedizin zu reagieren und der Kli-nik dringend benötigte Alternativen bereitzustellen. Die Befürchtungen der frühen 1980er Jahre, dass wir auf-grund der rasanten Resistenzentwicklung und fehlender therapeutischer Alternativen in eine prä-antibiotische

Ära zurückfallen, haben sich bislang nicht bestätigt. Die Tatsache, dass gerade die großen pharmazeutischen Firmen immer weniger Ressourcen für die Erforschung neuer Antibiotika aufwenden, ist besorgniserregend. Dies bedeutet aber nicht, dass Fortschritt auf diesem Gebiet nicht stattfindet. In der vorliegenden Arbeit wer-den einige Beispiele für vielversprechende Moleküle in allen Phasen der Forschung und Entwicklung gezeigt, die allerdings auf dem Weg zur erfolgreichen Zulassung und damit zur breiten Anwendung in der Klinik durch-aus noch scheitern können.

Ein breites Wirkspektrum mit Abdeckung der aktu-ellen MDR-Herausforderungen versprechen neue Flu-orochinolone, Beta-Laktam-Beta-Laktamase-Inhibitor-Kombinationen und Fluorozykline. Einen grampositiven Schwerpunkt haben Pleuromutiline, Oxazolidinone und PDF-Inhibitoren. Bevorzugt gramnegative Erreger wer-den von LpxC-Inhibitoren erfasst.

Jeder in dieser Arbeit beschriebene Forschungsansatz birgt ganz spezifische Chancen, Risiken und Heraus-forderungen. Während die Derivatisierung bekannter Strukturen viele neue hochwirksame Verbindungen lie-fert, ist das Risiko einer raschen Resistenzentwicklung sehr hoch. Die Verwendung neuer Zielstrukturen auf der Basis der Genomsequenzierung reduziert theoretisch das Resistenzrisiko, allerdings wurde bis heute kein mit diesem Ansatz gefundener Wirkstoff erfolgreich zu Ende entwickelt. Mit Blick auf aktuelle Entwicklungen ist jedoch die Aussage gerechtfertigt, dass das Wissen, das seit Beginn der Genom-Ära angehäuft wurde, letztlich helfen wird, neue Wirkstoffe zu entwerfen (Prabhavathi, 2006) und daraus auch wirksame Arzneimittel zu ent-wickeln.

Eine besondere Chance eröffnen in diesem Zusam-menhang Virulenz-Inhibitoren. Erste kleine Moleküle sind in der Lage, in picomolarer Konzentration einzelne Virulenzfaktoren spezifisch zu hemmen. Diese Ergeb-nisse und vor allem der Erfolg von Antikörpern in der Antivirulenz-Therapie sollten Mut machen, mehr Anstrengungen in diese Richtung zu unternehmen und auch chemische Bibliotheken für diesen Ansatz zu erschließen. Um mit diesem Prinzip jedoch erfolgreich zu sein, ist ein noch besseres Grundverständnis der Wirt-Pathogen-Interaktion erforderlich. Diese Interak-tion sollte aus zwei Perspektiven untersucht werden: aus dem Blickwinkel des Wirtes ebenso wie aus dem des Pathogens. Die Werkzeuge für diese Grundlagenarbeit sind heute alle verfügbar. Ein multidisziplinärer Ansatz erfordert die Einbeziehung der Bakterien- und Human-genetik, Strukturbiologie, In-vivo-Imaging, Zellbiologie, Immunologie, Biochemie und functional Genomics.

Die Chance, eines Tages zu neuen Therapiekonzepten zu gelangen, die nicht zwingend eine entsprechende Resistenzentwicklung nach sich ziehen, sollte Risiko und Aufwand rechtfertigen.

Die Entwicklung neuer Wirkstoffe, die möglichst viele Erreger und Indikationen abdecken, wird immer schwieriger und damit in Zukunft eher die Ausnahme darstellen. Realistischer aus wissenschaftlicher Sicht sind Substanzen mit engerem Spektrum, spezifische Lösungen für spezifische Anforderungen. Wirtschaftlich stellen derartige schmale Lösungen eine ganz neue Herausforderung dar. Ebenfalls sind für die erfolgreiche Anwendung entsprechende Diagnostika erforderlich, um schnell das richtige Therapeutikum auszuwählen (Sintchenko et al., 2007).


Für die veterinärmedizinische Nutzung sind zukünftig keine neuen antibakteriellen Wirkstoffklassen zu erwar-ten. Alle heute verfügbaren neuen Wirkstoffe (z. B. Pra-dofloxacin, Tildipirosin, Tulathromycin, Gamithromycin) sind letztlich Weiterentwicklungen innerhalb bekannter Stoffgruppen. Neu entdeckte Wirkstoffklassen werden zukünftig zunächst auf ihre Eignung für die Human-medizin geprüft werden und stehen im positiven Fall nicht mehr für die Veterinärmedizin zur Verfügung (humanmedizinischer Vorbehalt). Unter dem aktuellen Druck, die Anwendung von Antibiotika bei Tieren men-genmäßig deutlich zu reduzieren, ist eine Neu- oder Weiterentwicklung von Wirkstoffen für die forschende Tiergesundheitsindustrie wirtschaftlich immer weniger interessant. Einzige Ausnahme aus Sicht des Autors sind Virulenz-Inhibitoren. Voraussetzung ist allerdings, dass sich die erwarteten positiven Effekte dieses Prinzips bezüglich Resistenzentwicklung wissenschaftlich bele-gen lassen und dass die Klasse damit auch politisch und gesellschaftlich als Alternative zu Antibiotika akzeptiert wird.

Conflict of interest

Es bestehen keine geschützten, finanziellen, beruflichen oder anderen persönlichen Interessen an einem Pro-dukt, Service und/oder einer Firma, welche die im oben genannten Manuskript dargestellten Inhalte oder Mei-nungen beeinflussen könnten.

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Korrespondenzadresse:Dr. Peter SchmidIDT Biologika GmbHAm Pharmapark06961 Dessau-Roß[email protected]

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