Die Suche Nach Neuen Antibiotika – Mögliche Strategien Und Aktuelle

Berliner und Münchener Tierärztliche Wochenschrift 127, Heft 11/12 (2014), Seiten 49–512 498

Open Access IDT Biologika GmbH, Dessau-Roßlau

Berl Münch Tierärztl Wochenschr 127, Die Suche nach neuen Antibiotika – 498–512 (2014) DOI 10.2376/0005-9366-127-498 mögliche Strategien und aktuelle Ansätze © 2014 Schlütersche Verlagsgesellschaft mbH & Co. KG The search for novel antibiotics – strategies and current ISSN 0005-9366 approaches Korrespondenzadresse: [email protected] Peter Schmid Eingegangen: 28.02.2014 Angenommen: 09.05.2014 http://vetline.de/open-access/ 158/3216/

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 bakterielle 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 antimicrobial 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 various stages of research and development. Targeting bacterial virulence is an alternative 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 U.S. Copyright Clearance Center shown to be meaningful targets for small molecules. Code Statement: 0005-9366/2014/12711-498 $ 15.00/0 Keywords: well-known antibacterial structures, new targets, virulence

Einleitung Flemming 1929 beginnt das Zeitalter der modernen Chemotherapie 1936 mit der Anwendung von Sulfa- Die Fähigkeit, bakterielle Infektionen mit chemothe- nilamid beim Menschen. Die gezielte antibakterielle rapeutischen Mitteln zu behandeln, ist eine der wich- Therapie wurde 1941 mit der industriellen Produktion tigsten medizinischen Leistungen des 20. Jahrhunderts. des Penicillins eingeleitet. Es folgten die Entdeckung und Nach der Entdeckung des Penicillins durch Alexander Entwicklung von Streptomycin (1944), Chloramphenicol Berliner und Münchener Tierärztliche Wochenschrift 127, Heft 11/12 (2014), Seiten 49–512 499

ABBILDUNG 1: Antibiotika und ihre Entwicklung.

(1947), Chlortetracyclin (1948), der Makrolide (1952), Vorliegen bakterieller Infektionen anzuwenden, deren der halbsynthetischen Penicilline, Cephalosporine und ursächliche Erreger gegenüber dem gewählten Thera- Glykopeptide (1958) sowie der Streptogramine und Chi- peutikum empfindlich sind. Es gibt kaum einen Zweifel nolone (1962). In den anschließenden fünf Jahrzehnten daran, dass die Beschränkung der Anwendung von Anti- wurden nur noch zwei Antibiotikagruppen, die neue biotika auf sinnvolle Indikationen bei vorheriger Über- Zielstrukturen bedienen, für die Anwendung beim Men- prüfung der Erregerempfindlichkeit eine geeignete Maß- schen zugelassen. Dies waren die Oxazolidinone mit nahme ist, die Resistenzentwicklung einzuschränken. Linezolid (2000) und die Lipopeptide mit Daptomycin Völlig verhindern lässt sie sich jedoch nach heutigem (2006) (Abb. 1). Seit Beginn der 1950er Jahre werden Kenntnisstand nicht, da auch jeder bestimmungsge- Antibiotika auch zur Kontrolle bakterieller Infektionen mäße Einsatz von Antibiotika zur Selektion von Resis bei Heim- und Nutztieren eingesetzt. Die modernsten tenz führt. Damit wird immer ein Bedarf an neuen im Bereich Veterinärmedizin verwendeten Wirkstoffe Antibiotika bestehen, die gegenüber resistenten Keimen sind Cephalosporine der dritten und vierten Generation, wirksam sind, welche unter der Therapie mit aktuell ver- Fluorochinolone und neue Makrolide. Die Veterinärme- fügbaren Wirkstoffen auch zukünftig selektiert werden. dizin konnte dabei nicht auf eigene Wirkstoffklassen zurückgreifen, Forschung und Entwicklung basierten von Anfang an auf den chemischen Grundstrukturen der Mögliche Strategien der Suche Humanmedizin. Der ganz überwiegende Teil der For- nach neuen Antibiotika schungs- und Entwicklungsaktivitäten wird auch heute von der Humanmedizin betrieben. Vor dem Hintergrund Die wichtigsten Strategien für der Suche nach neuen der aktuellen politischen, gesellschaftlichen, aber auch Antibiotika sind die chemische Bearbeitung etablier- wissenschaftlichen Diskussion zum Thema Resistenz ter Wirkstoffgruppen, die Neubewertung nicht oder und Antibiotikaeinsatz beim Tier erscheint es fraglich, ob nur unzureichend erforschter Moleküle, das klassische die forschende Tiergesundheitsindustrie für die Entwick- Screening synthetischer Molekül-Bibliotheken oder lung neuer antibiotischer Medikamente auch zukünftig von Naturstoffen und schließlich die Identifikation von Innovationen aus der Humanmedizin aufgreifen kann. Stoffen mit Aktivität gegenüber neuen Zielstrukturen Bereits zu Beginn der antibiotischen Ära wurde die innerhalb der Pathogene mittels Genomics und TbHTS Gefahr des Auftretens resistenter Mikroorganismen (Target-based High-Throughput-Screening). Im Fol- erkannt. Dabei wird ein Zusammenhang zwischen der genden werden diese Ansätze näher beschrieben und Menge eingesetzter Antiinfektiva einerseits und dem anhand aktueller Beispiele aus Forschung und Entwick- Ausmaß und der Geschwindigkeit der Resistenzentwick- lung belegt. lung andererseits vermutet. Resistenz tritt dabei nicht zwingend direkt bei den Krankheitserregern auf. Häufig kommt es unter dem Selektionsdruck einer antibio- Variation über bekannte Themen tischen Therapie zur Selektion resistenter Kommensalen im Darm oder auf der Haut, die in ihrer Gesamtheit zur Beta-Laktam-Antibiotika Entstehung eines Resistenz-Gen-Pools beitragen. Die Beginnend in den 1960er Jahren ist die chemische Gene dieses Resistenz-Pools können dann leicht von Exploration bekannter Wirkstoffklassen bis heute das Kommensalen auf Pathogene und vice versa übergehen. erfolgreichste und produktivste Werkzeug der Suche Zahlreiche internationale und nationale Organisationen nach neuen Wirkstoffen (Prabhavathi, 2006). Das wird und Verbände, wie z. B. die WHO (World Health Orga- besonders deutlich bei Betrachtung der Beta-Laktam- nization), OIE (World Organization for Animal Health), Antibiotika. Vertreter dieser Stoffgruppe bewähren sich FAO (Food and Agriculture Organization), BTK (Bundes- seit nunmehr 70 Jahren im klinischen Einsatz. Sie wirken tierärztekammer), IFAH (International Federation for bakterizid auf proliferierende Keime, der Wirkmecha- Animal Health) oder EPRUMA (European Platform for nismus besteht in der Hemmung von Enzymen der the Responsible Use of Medicines in Animals), haben Zellwandsynthese, den sogenannten PBPs (Penicillin- Leitlinien für den sorgsamen und verantwortungsbe- Binding Proteins). Den Erfolg dieser Antibiotika begrün- wussten Umgang mit Antibiotika erarbeitet. Zentrale den insbesondere ihre zuverlässige Wirksamkeit und Forderung all dieser Leitlinien ist es, Antibiotika nur bei Sicherheit. Berliner und Münchener Tierärztliche Wochenschrift 127, Heft 11/12 (2014), Seiten 49–512 500

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 A (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. B 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 C 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 D Kombination befindet sich aktuell in klinischen Prü- fungen Phase 3 (http://www.clinicaltrials.gov). ABBILDUNG 2: Neue Beta-Laktam-Antibiotika: Ceftaroline (Forest) (Abb. 2) ist ein modernes BAL30072 (A), Ceftolozan (B), Avibactam (C) und anti-MRSA-(Methicillin-resistant Staphylococcus aureus-) Ceftaroline (D). 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 Gegenwärtig konzentriert sich die Forschung auf al., 2011). Die Wirksamkeit gegenüber gramnegativen die Suche nach neuen Beta-Laktam-Beta-Laktamase- Erregern ist aufgrund der hohen Empfindlichkeit gegen- Inhibitor-Kombinationen (Pucci und Bush, 2013). Beta- über AmpC, ESBLs und Carbapenemasen dagegen stark Laktamasen, bakterielle Enzyme, die Beta-Laktame eingeschränkt (Mushtaq et al., 2010b). Die Kombination spezifisch hydrolysieren und damit inaktivieren, entwi- Ceftarolin-Avibactam zeigt in vitro Aktivität gegenüber ckeln sich rasant. Mit über 1300 Vertretern stellen diese MRSA und einem im gramnegativen Bereich deutlich Beta-Laktamasen den heute am weitesten verbreiteten breiteren Erregerspektrum, jedoch ohne P. aeruginosa Resistenzmechanismus bei gramnegativen Erregern dar. (Castanheira et al., 2012). Die Kombination befindet sich Es gibt kein in der Klinik verfügbares Beta-Laktam- aktuell in Phase 2 der klinischen Prüfung (http://www. Antibiotikum, gegen das nicht mindestens eine Beta- clinicaltrials.gov). Laktamase in der Literatur beschrieben ist. Als Beispiel für ein neues Beta-Laktam sei hier Chinolone BAL30072 genannt, ein Siderophor-substituiertes Mono- Chinolone werden seit 50 Jahren erfolgreich in der anti- sulfactam (Abb. 2). Die Aufnahme an den Wirkort, in den bakteriellen Chemotherapie verwendet. Sie entfalten periplasmatischen Raum, erfolgt aktiv über das bakterielle ihre bakterizide Wirkung durch Bindung an die bakte- Eisenaufnahmesystem. Basilea Pharmaceutica Internati- rielle DNA-Gyrase und Topoisomerase IV. Chinolone onal testet das Molekül gegenwärtig in Phase 1 klinischer zeichnen sich generell durch ein breites Wirkspektrum Studien (Page, 2013). BAL30072 zeichnet sich aufgrund und gute ADME(Absorption, Metabolismus, Distribu- der hohen Affinität für PBP 1a, PBP 1b und PBP 3 tion, Exkretion)-Eigenschaften aus. Bis heute wird die sowie der Stabilität gegenüber Metallo-Beta-Laktama- Wirkstoffklasse chemisch bearbeitet, in jüngster Zeit sen durch eine sehr breite In-vitro-Wirksamkeit gegen oft mit dem Ziel der Verbesserung der grampositiven Enterobacteriaceae und gegen nicht fermentierende Bak- antibakteriellen Aktivität (Pucci und Bush, 2013). Pra- terien wie P. aeruginosa und Acinetobacter aus (Mushtaq dofloxacin (Bayer) (Abb. 3) ist ein Vertreter dieser neuen et al., 2010a; Page et al., 2010; Russo et al., 2011). Fluorochinolon-Generation und steht den Tierärzten in Während neue Beta-Laktamasen regelmäßig sehr Europa seit 2011 für die Anwendung bei Hund und rasch nach Einführung neuer Beta-Laktam-Antibiotika Katze zur Verfügung. Mit dem Ziel, insbesondere die selektiert werden, haben Beta-Laktam-Beta-Laktamase- Wirksamkeit im grampositiven Bereich zu verbessern, Inhibitor-Kombinationen nur zur Selektion einiger weni- befinden sich eine ganze Reihe Fluorochinolone und ger Beta-Laktamasen geführt (Bush, 2013). Dennoch ist nicht-fluorierter Chinolone (Abb. 3) in den Forschungs- Resistenz aufgrund der in der Klinik bereits beschrie- und Entwicklungspipelines verschiedener humanphar- Berliner und Münchener Tierärztliche Wochenschrift 127, Heft 11/12 (2014), Seiten 49–512 501

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 A 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 B ab (Washington und Wilson, 1985; Giguère, 2013). In der Humanmedizin wird die Bearbeitung der Makro- lide durch Resistenzen bei Pneumokokken getrieben. D Aktuell in der späten Phase der klinischen Entwicklung befinden sich Cethromycin (Advanced Life Sciences) und Solithromycin (Cempra) (Abb. 4). Beide Substanzen C 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- D rase) der Spezies aus (Capobianco et al., 2000; Sutcliffe, 2011; Rodgers et al., 2013). Cethromycin zeigt zusätzlich eine sehr hohe Aktivität gegenüber Chlamydia pneumoniae, Mycoplasma pneumoniae und Legionella pneumophila (Sutcliffe, 2011). Solithromycin ist besonders gut wirksam gegenüber Haemophilus influenzae und Moraxella catarrhalis (Farrell et al., 2010). In die Kritik gerieten die Ketolide aufgrund gemeldeter Nebenwirkungen (Herz, E Leber, Magen-Darm) (Zuckerman, 2004; Echols, 2011). Dieser Aspekt wird daher bei den anstehenden kli- ABBILDUNG 3: Neue Chinolone: Pradofloxacin (A), nischen Prüfungen dieser beiden Substanzen einen brei- Nemonoxacin (B), Ozenoxacin (C), DS-8587 (D) und ten Raum einnehmen. In der Veterinärmedizin wurden KPI-10 (E). die Makrolide mit dem Ziel weiter bearbeitet, insbesondere Pharmakokinetik und Verträglichkeit zu verbessern. mazeutischer Firmen. Einige wenige seien im Folgenden Als Beispiele für die jüngsten Neuerungen auf vete- beispielhaft genannt. rinärmedizinischem Gebiet seien Tulathromycin (Zoe- Nemonoxacin (TaiGen Biotechnology Company), ein tis), Gamithromycin (Merial) und Tildipirosin (MSD) nicht-fluoriertes Chinolon, hat Phase 2 der klinischen genannt (Giguère, 2013) (Abb. 4). All diese Wirkstoffe Prüfung erfolgreich abgeschlossen (http://www.clinical- zeichnen sich durch sehr lange Wirkspiegel am Ort der trials.gov). Bemerkenswert ist eine sehr gute Wirksam- Infektion (Lunge, Rind und Schwein) aus. Ketolide spie- keit gegenüber MRSA sowie gegenüber Vancomycin- len in der Veterinärmedizin bislang keine Rolle. resistenten Erregern (Adam et al., 2009; Lauderdale et al., 2010). Ozenoxacin (Ferrer Internacional S.A.), Streptogramine ein weiterer Vertreter der nicht-fluorierten Chinolone, Ein weiteres Beispiel für die erfolgreiche Bearbeitung ist in vitro hochaktiv gegenüber Chinolon-resistenten eines alten Moleküls ist die Einführung von Synercid® Erregern einschließlich MRSA (Morrissey et al., 2012). (Sanofi). Synercid® ist die Kombination von Quinupri- In Phase 2 der klinischen Prüfungen mit systemischer stin und Dalfopristin, beides Streptogramin-Antibiotika. und topikaler Applikation konnten Wirksamkeit und Diese Gruppe wurde bereits 1962 entdeckt und ist heute Verträglichkeit eindrucksvoll belegt werden (http://www. eine wichtige Waffe im Kampf gegen multiresistente ferrergrupo.com; http://www.clinicaltrials.gov). grampositive Pathogene (Sader et al., 2001). DS-8587 (Daiichi Sankyo) und KPI-10 (Kalidex Phar- maceuticals) sind Vertreter der neuesten Fluorochinolon- Tetrazykline Generation. Beide Substanzen zeichnen sich in vitro Seit 65 Jahren werden Tetrazykline in der Klinik einge- durch breite Wirksamkeit gegenüber gramnegativen und setzt. Sie hemmen die Proteinsynthese bei grampositiven grampositiven Erregern aus (Chiba et al., 2012; Flamm und gramnegativen Bakterien durch Bindung an die 30S et al., 2012a, b; Higuchi et al., 2013; Pucci und Bush, Untereinheit des Ribosoms. Durch den jahrzehntelan- 2013) und befinden sich aktuell in Phase 1 der klinischen gen und intensiven Einsatz der Klasse wurden Resi- Entwicklung. Bemerkenswert bei KPI-10 ist die hohe stenzmechanismen, vor allem Efflux-Pumpen und Ver- intrinsische Aktivität gegenüber Chinolon- und Fluoro- änderungen an der ribosomalen Bindungsstelle, selek- chinolon-resistenten grampositiven (MSSA [Methicil- tiert. Wissenschaftlern bei Lederle Laboratories gelang lin-sensitive Staphylococcus aureus], MRSA, Enterococcus die Synthese der 9-Glycylamido-Tetracycline, der soge- faecalis) und gramnegativen Erregern (E. coli, Klebsiella nannten Glycylcycline, deren Aktivität durch die wich- pneumoniae, Neisseria gonorrhoeae) (Deane et al., 2012a, tigsten Resistenzmechanismen Efflux und TetM nicht b; Flamm et al., 2012a, b). beeinträchtigt wurde (Sum und Petersen, 1999; Petersen Berliner und Münchener Tierärztliche Wochenschrift 127, Heft 11/12 (2014), Seiten 49–512 502

et al., 1999). Tigecyclin wurde als erster Vertreter dieser und parenterale Applikation) und des Sicherheitsprofils neuen Subklasse 2005 von der FDA (Food and Drug (Pucci und Bush, 2013). Vielversprechende Kandidaten Administration) für die intravenöse Anwendung beim sind Omadacycline (Paratek) und Eravacycline (Tetra- Menschen zur Behandlung schwerer Haut- und intra- phase) (Abb. 5). Omadacycline, ein Aminomethylzy- abdominaler Infektionen zugelassen (http://www.acces- klin, hat seinen bakteriostatischen Wirkschwerpunkt im sdata.fda.gov). Heute konzentriert sich die Forschung grampositiven Bereich einschließlich MRSA und MDR bei der Suche nach neuen Tetrazyklinen insbesondere (multidrug-resistant) Streptococcus pneumoniae (Macone auf die Verbesserung der ADME-Eigenschaften (orale 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 A 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 wirksamkeits- oder sicherheitsrelevanter Erkenntnisse während der Entwicklungsphase ist gering (Prabhavathi, 2006). B 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

C Antimikrobielle Peptide Bereits 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 therapeutisch nutzbare Wirkstoffe zu gewinnen. Trotz heraus- ragender Eigenschaften – wie breitem Wirkspektrum, eigenständigem Wirkmechanismus, bakterizidem Wirk- typ und geringem Selektionsdruck für Resistenz (Yount D 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 E gelöste Herausforderungen für diese Wirkstoffgruppe. Mögliche Lösungen stellen AMP mimics dar, mit denen ABBILDUNG 4: Neue Makrolide: Cethromycin (A), sich gegenwärtig einige Biotechfirmen beschäftigen. Bei- Solithromycin (B), Tulathromycin (C), Gamithromycin spiele für diesen Ansatz sind das Brilacidin (Cellceutix) (D) und Tildipirosin (E). (Abb. 6) sowie RG-7929/POL7080 (Roche/Polyphor). Berliner und Münchener Tierärztliche Wochenschrift 127, Heft 11/12 (2014), Seiten 49–512 503

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 A 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 klinische Wirksamkeit in den nächsten Phasen erwarten (Wilbraham et al., 2011). B

Fusidinsäure ABBILDUNG 5: Neue Tetrazykline: Omadacycline Eine Renaissance erlebt gegenwärtig Fusidinsäure, die (A) und Eravacycline (B). 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 ABBILDUNG 6: Antimikrobielle Peptid Mimics: et al., 2010). In einer klinischen Phase-2-Studie in den Brilacidin. 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). A Pleuromutiline Die 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 B erste Wirkstoff aus dieser Gruppe 1979 in die Tiermedi- zin eingeführt (Novak, 2011), der erste humanmedizi- ABBILDUNG 7: Neue Pleuromutiline: nische Vertreter folgte erst 2007 mit der Zulassung der BC-3781/Lefamulin (A) und BC-7013 (B). topikalen Anwendung von Retapumilin (Rittenhouse et al., 2006; Hu und Zou, 2009; Novak, 2011). Herausfor- derungen bei der Entwicklung systemisch anwendbarer nierten Molekül. Damit ist es auch bei diesem Ansatz Vertreter dieser Klasse sind die metabolische Stabilität, möglich, bereits sehr frühzeitig ein relativ genaues Pro- die mäßige intrinsische antibakterielle Aktivität und die duktprofil zu erstellen. Darüber hinaus besteht hier die begrenzten Räume für chemische Modifikationen. Chance, eine neue Wirkstoffklasse mit neuem Wirkme- Vielversprechende aktuelle Entwicklungen sind chanismus und damit sehr geringem Risiko der Kreuz- BC-3781/Lefamulin und BC-7013 (Nabriva The- resistenz zu etablierten Wirkstoffen zu erschließen. Der rapeutics) (Abb. 7). BC-3781 ist gut wirksam gegen- Nachteil dieser Strategie ist die geringe oder fehlende über MDR-grampositiven Organismen, einschließlich klinische Erfahrung mit den Klassen und damit das MRSA, MDR S. pneumoniae, und VR (Vancomycin- nicht unerhebliche Risiko unerwarteter wirksamkeits- resistant) E. faecium (Sader et al., 2012a, b). Beson- oder sicherheitsrelevanter Erkenntnisse während der ders bemerkenswert sind überzeugende pharmakokine- Entwicklungsphase. tische Eigenschaften, die eine systemische Anwendung ermöglichen. In einer klinischen Studie Phase 2 war die Substanz nach intravenöser Anwendung bei Staphylo- Der klassische Ansatz kokken-Infektionen (74,1 % MRSA) bei vergleichbarer klinischer Wirksamkeit besser verträglich als Vancomycin Das klassische Screening ist gekennzeichnet durch die (Prince et al., 2011). BC-7013 ist ebenfalls sehr stark In-vitro-Kultivierung der Zielorganismen zur Unter- wirksam gegenüber MRSA. Diese Substanz ist vorge- suchung des wachstumshemmenden Effektes synthe- sehen für die topikale Anwendung bei Hautinfektionen tischer Wirkstoffe, von Naturstoffen oder von Extrakten. (Biedenbach et al., 2009). Als letzte neue antibiotische Klasse wurden 1978 die Die Strategie der Neubewertung unerforschter oder Oxazolidinone mit diesem Ansatz gefunden (Barbachyn, wenig erforschter Moleküle hat einige offensichtliche 2012). Diese Wirkstoffe sind insbesondere gegen gram- Vorteile. Der Forschungsprozess beginnt mit einem defi- positive Bakterien aktiv. Die Wirksamkeit schließt auch Berliner und Münchener Tierärztliche Wochenschrift 127, Heft 11/12 (2014), Seiten 49–512 504

Mit MRX-I (MicuRx Pharmaceuticals) und LCB01- 0371 (LegoChem Biosciences) (Abb. 8) werden weitere 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- A 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 B und E. coli neue biologisch aktive Verbindungen zu fin- den, um anschließend Zielstruktur und Wirkmechanis- mus zu klären und die gefundenen Leitstrukturen chemisch zu optimieren. Jeweils etwa 500 000 Substanzen wurden in drei Hochdurchsatz-Kampagnen untersucht, eine neue Leitstruktur für Antibiotika mit neuem Wirk- C 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 D High-Throughput-Screening)

ABBILDUNG 8: Neue Oxazolidinone: Tedizolid (A), Die Sequenzierung des ersten bakteriellen Genoms von Radezolid (B), MRX-I (C) und LCB01-0371 (D). Haemophilus influenzae im Jahre 1995 leitete für die Suche nach neuen antibakteriellen Stoffen und Zielstrukturen eine neue Ära ein. Die genomische Information zu MDR-Organismen ein. Der Wirkmechanismus ist die Prokaryonten und Eukaryonten nimmt exponentiell Hemmung der Ausbildung eines funktionalen 70S Ini- zu. Die Identifikation neuartiger Wirkstoffe mit Aktivi- tiierungs-Komplexes durch Bindung an die P-Seite der tät gegenüber bislang nicht genutzten oder gar unbe- 23S rRNA der 50S Untereinheit des bakteriellen Ribo- kannten Zielstrukturen (Targets) innerhalb der Patho- soms. Erste klinische Studien wurden 1995 mit Linezo- gene basiert auf der Idee, diese Information zu nutzen lid durchgeführt, 2000 wurde die Substanz bereits von und mittels Sequenzanalysen und Sequenzvergleichen der FDA zugelassen und ist heute eine ganz bedeu- Angriffspunkte in Pathogenen zu identifizieren, die ein tende Waffe bei der Behandlung schwerer Infektionen Höchstmaß an Aktivität (Wirksamkeit) und Selektivität durch grampositive Erreger. Über erste klinisch relevante (Sicherheit) versprechen. Gleichzeitig erlauben moderne Resistenzen berichten Hutchinson (2003) und Toh et automatisierte Systeme das Testen sehr großer Sub- al. (2007). Verschiedene pharmazeutische Unternehmen stanzbibliotheken (HTS, High-Throughput-Screening) bearbeiten die Klasse, um die inzwischen bekannten und die Identifikation von Molekülen, die an diesen Resistenzmechanismen zu überwinden, das Spektrum ausgewählten Zielstrukturen binden. Die medizinische zu erweitern und die Sicherheit zu verbessern (Kanafani Chemie sollte in der Lage sein, die so identifizierten und Corey, 2012). Moleküle bezüglich Wirkspektrum und ADME-Eigen- Mit Tedizolid (Cubist Pharmaceuticals Inc.) und Rade- schaften zu optimieren. Grundsätzlich ist es mit die- zolid (Melinta Therapeutics Inc.) (Abb. 8) befinden sich sem Ansatz möglich, neben essenziellen Targets auch erste Oxazolidinone der 2. Generation bereits im weit Angriffspunkte zu untersuchen, die ausschließlich für fortgeschrittenen Stadium der Entwicklung, Tedizolid die Virulenz eines Erregers bedeutend sind. Insgesamt in der Pre-Registrierung, Radezolid in Phase 2 der bietet diese Strategie damit die meisten Möglichkeiten, klinischen Prüfungen. Tedizolid wirkt auch gegen Line- vollkommen neue Klassen von Antiinfektiva zu fin- zolid-resistente Staphylokokken, erlaubt eine kürzere den, die über neuartige Mechanismen die Vermehrung Anwendungsdauer und scheint dabei auch noch bes- von Mikroorganismen im Wirt verhindern und keiner- ser verträglich zu sein. Insbesondere die für Linezolid lei Kreuzresistenz zu bekannten Wirkstoffen aufweisen. nach Langzeitanwendung beschriebene schädigende Dieser Forschungsansatz wurde von allen großen phar- Wirkung auf humane Mitochondrien (Garrabou et al., mazeutischen Unternehmen verfolgt, es wurden viele 2007) konnte für Tedizolid nicht nachgewiesen werden aktive Substanzen und sogar Leitstrukturen identifiziert. (Das et al., 2012). Radezolid ist ebenfalls potenter als Leider hat sich dabei sehr oft gezeigt, dass gute Enzym- Linezolid und erfasst neben den grampositiven auch inhibitoren nicht automatisch auch gute Antibiotika anspruchsvolle gramnegative Erreger (Lawrence et al., sind. Faktoren wie Permeabilität und Eigenschaften der 2008). Interessant sind auch die Anreicherung in pha- Wirtszellen spielen eine nicht zu unterschätzende Rolle gozytierenden Zellen und die damit einhergehende (Prabhavathi, 2006). Bis heute befindet sich kein auf die- höhere intrazelluläre antibakterielle Aktivität (Lemaire sem Weg identifizierter Wirkstoff auf dem Markt. Payne et al., 2010a, b). et al. (2007) geben am Beispiel von GSK (GlaxoSmith- Berliner und Münchener Tierärztliche Wochenschrift 127, Heft 11/12 (2014), Seiten 49–512 505

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 wurden bei GSK zunächst nur die Zielstrukturen, die eine ABBILDUNG 9: PDF-Inhibitoren: GSK1322322. 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 ABBILDUNG 10: FtsZ-Inhibitoren: PC190723. 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 carrier protein reductase), FabH (3-ketoacyl-acyl carrier protein III), MetRS (methionyl tRNA synthetase) und ABBILDUNG 11: LpxC-Inhibitoren: ACHN-975. PheRS (phenylalanyl-tRNA synthetase). MetRS- und FabI-aktive Substanzen erwiesen sich als hochaktiv am Target, wurden jedoch aufgrund eines aus GSK-Sicht mechanismus der Benzamide genauer und stellten fest, nicht genügend breiten antibakteriellen Spektrums dass unter Einfluss der Benzamide bereits in niederen nicht weiterverfolgt. FabH aktive Verbindungen zeigten Konzentrationen hyperstabile FtsZ-Moleküle entstehen, ebenfalls hohe antibakterielle Aktivität, ihnen fehlten die nicht mehr zur Bildung des Zellteilungsrings in der aber drug-like Eigenschaften. Lediglich Verbindungen Lage sind. Stokes et al. (2013) derivatisierten PC190723 mit PDF und PheRS als Zielstruktur wurden von den und verwandte Verbindungen weiter. Als Ergebnis fan- GSK-Wissenschaftlern für die weitere Bearbeitung in den sie einen Wirkstoffkandidaten mit verbesserten In- Forschungs- und Entwicklungsprogrammen ausge- vitro- und In-vivo-Eigenschaften. Die Substanz hat mit wählt. GSK1322322 (Abb. 9), ein Hydrazinopyrimidin, 0,12 µg/ml einen sehr niederen MHK-Wert gegenüber ist heute der erste PDF-Inhibitor, der klinische Studien einem breiten Panel von Staphylokokken, eine Biover- der Phase 2 erfolgreich abgeschlossen hat (http://www. fügbarkeit in der Maus von 82 % und zeigte sich in clinicaltrials.gov). Die Substanz hat ein beachtliches In- derselben Tierart als gut wirksam in einem Staphylococcus vitro-Spektrum. Gegen Staphylokokken, speziell MRSA, aureus-Infektionsmodell. S. pneumoniae, und H. influenzae ist sie mit MHKs < 4 µg/ LpxC ist eine weitere, auf der Suche nach neuen ml hochwirksam (Chen et al., 2004; Bouchillon et al., Antibiotika aktuell bearbeitete Zielstruktur. Achaogen 2010; Ross et al., 2011). Daneben verfügt die Substanz (http://www.achaogen.com) berichtet über die Entwick- aber auch über ein sehr gutes ADME- und Sicherheits- lung eines neuen Antibiotikums, ACHN-975 (Abb. 11), profil. Aktuell werden klinische Studien der Phase 3 das an LpxC angreift und über diesen Mechanismus die vorbereitet (Naderer et al., 2013, 2014; http://www.imi. Synthese der äußeren Membran eines breiten Spektrums europa.eu/content/combacte). auch multiresistenter gramnegativer Bakterien hemmt. 2008 beschrieben Haydon et al. Moleküle, die eine Escherichia coli und Pseudomonas aeruginosa werden mit weitere neue Zielstruktur, die bakterielle Guanosin-Tri- MHKs < 1 µg/ml abgetötet. Die Substanz befindet sich phosphatase FtsZ, angreifen. FtsZ nimmt eine Schlüs- aktuell in klinischen Studien Phase 1 (http://www.clini- selrolle bei der bakteriellen Zellteilung ein. In einer caltrialsgov). GTP-abhängigen Polymerisation bildet es den Z-Ring Die Verwendung einzelner Enzyme als Zielstruktur für der intermediären Zelle. FtsZ rekrutiert andere Prote- neue Antibiotika birgt die Gefahr der raschen Resistenz- ine, die zusammen die Zellteilung vorantreiben (Loose entwicklung durch Punktmutation im Strukturgen oder und Mitchison, 2014). FtsZ ist funktionell mit dem Promotergen. Als Beispiel sei hier die Leucyl-tRNA Syn- N-Tubulin der Warmblüter verwandt, strukturell aber thetase genannt. AN3365 wurde als hochaktiver Inhibi- so weit unterschiedlich, dass eine selektive Therapie tor dieses essenziellen Enzyms bei Anacor entdeckt und bakterieller Infektionen möglich ist. Als Leitstruktur für von GSK in klinischen Studien erprobt. Die Verbindung das Fragment-basierte Wirkstoffdesign verwendeten zeigte MHK90-Werte zwischen 1 und 4 µg/ml gegen- Haydon et al. (2008) 3-Methoxybenzamid und fanden über multiresistenten Enterobacteriaceae und Pseudo- als aktivste Verbindung PC190723 (Abb. 10), ein Thia- monas aeruginosa (Sutcliffe, 2011). Allerdings selektierte zolopyridin-substituiertes Benzamid, das im mikromo- die Substanz In-vitro-Resistenz mit einer Rate von 10–7 laren Bereich gegen Staphylococcus aureus einschließlich bis 10–8 (Sutcliffe, 2011). Nach erfolgreichen Phase- MRSA bakterizid wirkt. Erste In-vivo-Aktivität wurde 1-Studien brach GSK die klinische Entwicklung in Phase im Maus-Septikämie-Modell sowohl nach intravenöser 2 ab, nachdem sich zeigte, dass einige Patienten unter als auch nach intraperitonealer und subkutaner Applika- der Therapie von Infektionen der harnableitenden Wege tion belegt. Adams et al. (2011) untersuchten den Wirk- resistente Bakterien entwickelten. Berliner und Münchener Tierärztliche Wochenschrift 127, Heft 11/12 (2014), Seiten 49–512 506

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; A 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. B Die über ein breites Erregerspektrum konservierten Bereiche des T3SS sollten auch die Entdeckung von Sub- ABBILDUNG 12: Virulenz-Inhibitoren: Virstatin (A) stanzen mit breitem Wirkspektrum ermöglichen (Rosq- und LED209 (B). vist et al., 1995; Cornells und Van Gijsegem, 2000). Erste In-vivo-Studien mit kleinen Molekülen, die als spezifische T3SS-Inhibitoren identifiziert wurden, bekräftigen Der Genomics-HTS-Ansatz erlaubt nicht nur die Bear- die Hoffnung, die Hemmung von Virulenzfaktoren als beitung essenzieller Zielstrukturen und damit die Suche therapeutisches Prinzip zu etablieren (Muschiol et al., nach Antibiotika im herkömmlichen Sinn. Mit diesem 2006; Wolf et al., 2006; Bailey et al., 2007). Ansatz ist auch die Bearbeitung von Targets denkbar, die Die Ausbildung von Biofilmen gilt als weiterer wich- ausschließlich in vivo essenziell sind. Damit erschließt tiger Virulenzfaktor bakterieller Krankheitserreger. Als sich die Virulenz-Inhibition als alternative antiinfektive Beispiele seien genannt die Rolle von Biofilmen bei Strategie (Finlay und Falkow, 1997; Lee et al., 2003; wiederkehrenden Infektionen der harnableitenden Marra, 2004; Weesenmeyer et al., 2009). Ziel ist es, spe- Organe (Mysorekar und Hultgren, 2006), rezidivie- zifisch für die Pathogenitätskaskade essenzielle Mecha- renden chronischen Mittelohrinfektionen bei Kindern nismen zu inhibieren. Im Ergebnis könnte diese Stra- (Hall-Stoodley et al., 2006), Magengeschwüren (Carron tegie weniger Selektionsdruck für resistente Organis- et al., 2006) und bei zystischer Fibrose (Lam et al., 1980; men aufbauen, auch wären im Vergleich zu klassischen Singh et al., 2000). Verschiedene Strategien werden dis- Antibiotika geringere oder keine Nebenwirkungen auf kutiert, um die Biofilm-Produktion zu hemmen oder die Wirtsmikrobiota zu erwarten (Cegelski et al., 2008). zu verhindern. Insbesondere sind dies die Hemmung Einige Beispiele für aktuelle Forschungsansätze werden der initialen Adhäsion der Bakterien an Oberflächen im Folgenden dargestellt. Keiner dieser Ansätze hat bis- (oben bereits beschrieben), die Unterbrechung des QS lang das Stadium der klinischen Prüfung erreicht. (Quorum Sensing), die Hemmung der TCRSs (Two- Die Pilus-vermittelte Adhäsion von E. coli bei UTI Component Response Systeme) oder die Hemmung der (Urinary Tract Infection) ist ein offensichtlicher Angriffs- Biosynthese von Polysacchariden oder Proteinbestand- punkt für Virulenz-Inhibition. Praktisch alle UPEC (Uro- teilen der Biofilmmatrix (Benghezal et al., 2007). QS pathogenic E. coli) exprimieren Typ 1 Pili. Diese sind beschreibt das chemische Signalling, mit dem Bakterien erforderlich, um an die Wirtsrezeptoren zu binden. Bei ihre Wachstumsdichte kontrollieren. Erste In-vitro- und der Expression der Typ 1 Pili spielt das Chaperon-Usher- In-vivo-Ergebnisse zeigen, dass durch Blockade des QS System eine zentrale Rolle (Sauer et al., 2004). Pilicide bei P. aeruginosa die Empfindlichkeit gegenüber Antibio- greifen in die Chaperon-Funktion ein und hemmen tika deutlich gesteigert und die Elimination des Erregers die Pilus-Biogenese (Svensson et al., 2001; Larsson et unterstützt werden kann (Hentzer et al., 2003; Bjarns- al., 2005). Eine neue Klasse von Piliciden, basierend auf holt und Givskov, 2007). Geske et al. (2007) zeigen für einem bi-zyklischen 2-Pyridon Muster, greifen kon- N-acyliertes L-Homoserin-Lakton, dass die QS-Akti- servierte Regionen der Chaperone an und hemmen vität in Vibrio fischeri konzentrationsabhängig entweder dadurch sowohl die Typ 1 als auch die Typ P Pilus-Bio- gesteigert oder gehemmt wird. Das rationale Design von genese (Pinkner et al., 2006). In vitro hemmt diese Stoff- QS-Inhibitoren und die nachfolgende Erstellung von gruppe sowohl die Anhaftung und Invasion als auch SAR-Modellen erfordert daher noch weitere grundle- die Biofilmausbildung von E. coli. Diese Beobachtung gende Untersuchungen zu den Mechanismen und damit könnte eine Chance eröffnen für innovative Therapie- ein tieferes Verständnis der Zusammenhänge (Cegelski ansätze bei UTI. Die Bestätigung in vivo steht allerdings et al., 2008). noch aus. Bakterien reagieren auf Umgebungseinflüsse mit- Toxinproduktion ist ein weiterer, weitverbreiteter tels TCRSs. TCRSs spielen eine zentrale Rolle für die Virulenzfaktor. Beispiele sind das Botulinus-, Anthrax-, Virulenz (z. B. AgrA, AgrC bei Staphylococcus aureus) Diphtherie, Tetanus-, Cholera- und Shiga-Toxin (Schmitt und die Resistenz (z. B. VanS, VanR bei Enterococcus et al., 1999). Die Hemmung dieses Virulenzfaktors ist auf faecalis) (Cegelski et al., 2008). Der Kern der TCRSs verschiedenen Ebenen möglich. besteht in der Übersetzung von Umgebungseinflüssen In der frühen Phase der Toxin-Transkription gelang in spezifische Protein-Protein-Interaktionen und Akti- dies Hung et al. (2005) mit Virstatin (Abb. 12). Dieses vierung der Transkription. TCRSs bestehen grundsätz- Molekül hemmt ToxT, einen Transkriptionsfaktor in V. lich aus einer Histidin-Kinase, die durch extrazelluläre cholerae. Dieser Faktor aktiviert sowohl die Toxinpro- Signale aktiviert wird (Empfänger-Domäne) und einem duktion als auch die Toxin co-regulierte Pilus-Biogenese Response-Regulator (Effektor-Domäne), der das Signal (Hung et al., 2005). Auch dieser Ansatz befindet sich an das intrazelluläre Target weiterleitet. Als Folge wird aktuell in der frühen Forschungsphase, In-vivo-Daten dann z. B. ein Virulenzfaktor moduliert. Die Schnitt- sind in der Literatur nicht verfügbar. Ein anderer Weg stelle Response-Regulator/intrazelluläres Target ist ein der Toxinhemmung ist dagegen bereits klinische Realität möglicher Angriffspunkt für Virulenzfaktor-Inhibitoren. Berliner und Münchener Tierärztliche Wochenschrift 127, Heft 11/12 (2014), Seiten 49–512 507

Je nach Auswahl des Targets sind breit oder schmal Ära zurückfallen, haben sich bislang nicht bestätigt. wirksame Inhibitoren denkbar. Agr (accessory gene Die Tatsache, dass gerade die großen pharmazeutischen regulator) ist ein universeller Regulator, der die Expres- Firmen immer weniger Ressourcen für die Erforschung sion der meisten Virulenzfaktoren bei Staphylokokken neuer Antibiotika aufwenden, ist besorgniserregend. kontrolliert. AgrC fungiert als Histidin-Kinase-Sensor, Dies bedeutet aber nicht, dass Fortschritt auf diesem AgrA ist der Response-Regulator. AgrC wird aktiviert Gebiet nicht stattfindet. In der vorliegenden Arbeit wer- durch AIPs (autoinducing peptides), chemisch sind dies den einige Beispiele für vielversprechende Moleküle in Thiolactone mit sieben bis zehn Aminosäuren (May- allen Phasen der Forschung und Entwicklung gezeigt, ville et al., 1999). Dieses System ist zentrale Kompo- die allerdings auf dem Weg zur erfolgreichen Zulassung nente des QS bei grampositiven Bakterien. AIPs wurden und damit zur breiten Anwendung in der Klinik durch- daher von verschiedenen Autoren als Leitstrukturen für aus noch scheitern können. neue Antibiotika vorgeschlagen. Aktivierung führt zu Ein breites Wirkspektrum mit Abdeckung der aktu- Downregulation von Faktoren, die wichtig sind für die ellen MDR-Herausforderungen versprechen neue Flu- Biofilmbildung (Otto, 2004). Rasko et al. (2008) nutzten orochinolone, Beta-Laktam-Beta-Laktamase-Inhibitor- QSec, eine bei bakteriellen Pathogenen weitverbrei- Kombinationen und Fluorozykline. Einen grampositiven tete Histidin-Kinase, als Zielstruktur und screenten eine Schwerpunkt haben Pleuromutiline, Oxazolidinone und Bibliothek von 150 000 kleinen Molekülen auf der Suche PDF-Inhibitoren. Bevorzugt gramnegative Erreger wer- nach Inhibitoren der QseC-abhängigen Virulenzgen- den von LpxC-Inhibitoren erfasst. Aktivierung. Dabei identifizierten sie eine sehr aktive Jeder in dieser Arbeit beschriebene Forschungsansatz Verbindung, die mittels Struktur-Wirkungsstudien (SAR) birgt ganz spezifische Chancen, Risiken und Heraus- weiter optimiert wurde. LED209 (Abb. 12), ein Phenyl- forderungen. Während die Derivatisierung bekannter sulfonamid, hemmt die Virulenzgen-Expression im pico- Strukturen viele neue hochwirksame Verbindungen lie- molaren Bereich. Enterohaemorrhagische Escherichia coli fert, ist das Risiko einer raschen Resistenzentwicklung (EHEC) werden durch die Verbindung nicht im Wachs- sehr hoch. Die Verwendung neuer Zielstrukturen auf der tum gehemmt, sie exprimieren aber ihren wichtigsten Basis der Genomsequenzierung reduziert theoretisch Virulenzfaktor, das Shiga-Toxin, nicht mehr. das Resistenzrisiko, allerdings wurde bis heute kein mit Einzelne oben beschriebene Ansätze belegen ein- diesem Ansatz gefundener Wirkstoff erfolgreich zu Ende drucksvoll das Potenzial der Antivirulenz-Strategie. entwickelt. Mit Blick auf aktuelle Entwicklungen ist Allerdings ist es noch ein sehr weiter Weg vom Konzept jedoch die Aussage gerechtfertigt, dass das Wissen, das bis zu einem Antibiotikum, das schließlich beim Men- seit Beginn der Genom-Ära angehäuft wurde, letztlich schen eingesetzt werden kann. Für die gezielte Auswahl helfen wird, neue Wirkstoffe zu entwerfen (Prabhavathi, von Targets für Virulenzfaktor-Inhibitoren ist ein besse- 2006) und daraus auch wirksame Arzneimittel zu ent- res Verständnis der Kontroll- und Regulationsnetzwerke wickeln. der Mikroorganismen unabdingbar. Virulenz-Inhibitoren Eine besondere Chance eröffnen in diesem Zusam- müssen nicht zwingend als singuläre Therapie gesehen menhang Virulenz-Inhibitoren. Erste kleine Moleküle werden. Es ist durchaus auch denkbar, dieses Prinzip sind in der Lage, in picomolarer Konzentration einzelne mit klassischen Antibiotika zu verbinden. Verschiedene Virulenzfaktoren spezifisch zu hemmen. Diese Ergeb- TCRSs sind direkt in die bakterielle Resistenz invol- nisse und vor allem der Erfolg von Antikörpern in viert, wie z. B. VanS-VanR TCRS in Enterokokken. VanS der Antivirulenz-Therapie sollten Mut machen, mehr detektiert Vancomycin, VanR aktiviert die Expression der Anstrengungen in diese Richtung zu unternehmen Enzyme VanA, VanH und VanX, die alle bei der Synthese und auch chemische Bibliotheken für diesen Ansatz zu einer veränderten Peptidoglykan-Struktur eine Rolle erschließen. Um mit diesem Prinzip jedoch erfolgreich spielen, die letztlich für die Vancomycin-Toleranz bei zu sein, ist ein noch besseres Grundverständnis der Staphylococcus aureus und bei Enterokokken verantwort- Wirt-Pathogen-Interaktion erforderlich. Diese Interak- lich ist (Arthur et al., 1992; Evers und Courvalin, 1996). tion sollte aus zwei Perspektiven untersucht werden: aus dem Blickwinkel des Wirtes ebenso wie aus dem des Pathogens. Die Werkzeuge für diese Grundlagenarbeit Zusammenfassung und Ausblick sind heute alle verfügbar. Ein multidisziplinärer Ansatz erfordert die Einbeziehung der Bakterien- und Human- Für die erfolgreiche Begegnung der weltweit zuneh- genetik, Strukturbiologie, In-vivo-Imaging, Zellbiologie, menden Resistenzproblematik sind zwei Ansätze unver- Immunologie, Biochemie und functional Genomics. zichtbar, die Erforschung und Entwicklung neuer Thera- Die Chance, eines Tages zu neuen Therapiekonzepten pien und der sorgsame Umgang mit heute bereits ver- zu gelangen, die nicht zwingend eine entsprechende fügbaren Antibiotika. Durch verantwortungsbewussten Resistenzentwicklung nach sich ziehen, sollte Risiko und Umgang in Human- und Veterinärmedizin wird es mög- Aufwand rechtfertigen. lich sein, die Ausweitung des Resistenzproblems zu Die Entwicklung neuer Wirkstoffe, die möglichst kontrollieren. Dennoch sind die MDR-Pathogene bereits viele Erreger und Indikationen abdecken, wird immer Realität, neue werden hinzukommen. Beispiele wie schwieriger und damit in Zukunft eher die Ausnahme Linezolid oder Quinupristin/Dalfopristin zeigen, dass darstellen. Realistischer aus wissenschaftlicher Sicht die pharmazeutische Forschung und Entwicklung auch sind Substanzen mit engerem Spektrum, spezifische heute noch in der Lage ist, auf aktuelle Herausforde- Lösungen für spezifische Anforderungen. Wirtschaftlich rungen in der Humanmedizin zu reagieren und der Kli- stellen derartige schmale Lösungen eine ganz neue nik dringend benötigte Alternativen bereitzustellen. Die Herausforderung dar. Ebenfalls sind für die erfolgreiche Befürchtungen der frühen 1980er Jahre, dass wir auf- Anwendung entsprechende Diagnostika erforderlich, grund der rasanten Resistenzentwicklung und fehlender um schnell das richtige Therapeutikum auszuwählen therapeutischer Alternativen in eine prä-antibiotische (Sintchenko et al., 2007). Berliner und Münchener Tierärztliche Wochenschrift 127, Heft 11/12 (2014), Seiten 49–512 508

Für die veterinärmedizinische Nutzung sind zukünftig Bjarnsholt T, Givskov M (2007): Quorum-sensing blockade as a keine neuen antibakteriellen Wirkstoffklassen zu erwar- strategy for enhancing host defences against bacterial patho- ten. Alle heute verfügbaren neuen Wirkstoffe (z. B. Pra- gens. Phil Trans R Soc Lond B 362: 1213–1222. dofloxacin, Tildipirosin, Tulathromycin, Gamithromycin) Bouchillon S, Hackel M, Hoban D, Zalacain M, Butler D (2010): sind letztlich Weiterentwicklungen innerhalb bekannter In vitro activity of GSK 1322322, a novel peptide deformylase Stoffgruppen. Neu entdeckte Wirkstoffklassen werden inhibitor, against 4,836 pathogens from skin and soft tissue zukünftig zunächst auf ihre Eignung für die Human- infections and respiratory tract infections. Abstr 50th Intersci medizin geprüft werden und stehen im positiven Fall Conf Antimicrob Agents Chemother, Boston Massachusetts nicht mehr für die Veterinärmedizin zur Verfügung 2010, abstr F1–2112. (humanmedizinischer Vorbehalt). Unter dem aktuellen Bush K (2013): Proliferation and significance of clinically relevant Druck, die Anwendung von Antibiotika bei Tieren men- β-lactamases. Ann N Y Acad Sci 1277: 84–90. genmäßig deutlich zu reduzieren, ist eine Neu- oder Weiterentwicklung von Wirkstoffen für die forschende Capobianco JO, Cao Z, Shortridge VD, Ma Z, Flamm RK, Zhong Tiergesundheitsindustrie wirtschaftlich immer weniger P (2000): Studies of the novel ketolide ABT-773: transport, interessant. Einzige Ausnahme aus Sicht des Autors binding to ribosomes, and inhibition of protein synthesis in sind Virulenz-Inhibitoren. Voraussetzung ist allerdings, Streptococcus pneumoniae. Antimicrob Agents Chemother 44: dass sich die erwarteten positiven Effekte dieses Prinzips 1562–1567. bezüglich Resistenzentwicklung wissenschaftlich bele- Carron MA, Tran VR, Sugawa C, Coticchia JM (2006): Identifi- gen lassen und dass die Klasse damit auch politisch und cation of Helicobacter pylori biofilms in human gastric mucosa. J gesellschaftlich als Alternative zu Antibiotika akzeptiert Gastrointest Surg 10: 712–717. wird. Castanheira M, Watters AA, Bell JM, Turnidge JD, Jones RN (2010): Fusidic acid resistance rates and prevalence of resistance Conflict of interest mechanisms among Staphylococcus spp. isolated in North Ame- rica and Australia, 2007–2008. Antimicrob Agents Chemother 54: 3614–3617. Es bestehen keine geschützten, finanziellen, beruflichen oder anderen persönlichen Interessen an einem Pro- Castanheira M, Sader HS, Farrell DJ, Mendes RE, Jones RN dukt, Service und/oder einer Firma, welche die im oben (2012): Activity of ceftaroline-avibactam tested against Gram- negative organism populations, including strains expressing one genannten Manuskript dargestellten Inhalte oder Mei- or more β-lactamases and methicillin-resistant Staphylococcus nungen beeinflussen könnten. aureus carrying various staphylococcal cassette chromosome mec types. Antimicrob Agents Chemother 56: 4779–4785.

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