Relación
entre estructura y actividad.
La relación estructura-actividad de las quinolonas
ha motivado la síntesis de compuestos con distintos radicales en la estructura
química base. Por ser agentes obtenidos sintéticamente, se ha podido obtener un
notable conocimiento sobre la relación entre la estructura básica de las
quinolonas, sus sustituyentes y las propiedades microbiológicas que demostraron
que moléculas monociclicas como Ro 13-5478 podían exhibir una moderada
actividad antimicrobiana sobre vacilos Gram negativos.
Se pretende, por tanto, hacer una revisión de la
relación entre las distintas partes de la estructura y su función,
especialmente en la actividad antimicrobiana.
Ø Posición
1: en esta posición el sustituyente mas importante es
el grupo clicopropil presente en muchas moléculas entre ellas: ciprofloxacina,
sparfloxacina y Clinafloxacina. La quinolona de mayor uso clínico, es la
ciprofloxacina que exhibe una potente actividad sobre enterobacterias y
Pseudomonas aeruginosa. Este grupo aumenta la actividad in vitro sobre
patógenos intracelulares como chlamydia spp. y Legionella pneunophila, como
también sobre bacterias anaerobias.
Ø Posición
2: pocas modificaciones se han realizado en esta
posición, fundamentalmente por la cercanía a los grupos carboxilo y ceto
presente en los carbonos 3 y 4 respectivamente.
Ø Posición
3 y 4: la presencia de ácido
carboxílico en C3 y un grupo ceto en C4 son fundamentales para la actividad de
estos compuestos, ya que permiten la unión a las topoisomerasas bacterianas.
Ø Posición
5: un grupo amino en C5 puede incrementar la
absorción, distribución y actividad sobre especies Gram positivas de la
quinolona.
Ø Posición
6: la presencia de un átomo de flúor en la posición 6
resulto en un aumento significativo de la actividad antibacteriana, por tanto
todas las quinolonas de uso terapéutico son 6-fluoroquinolonas.
Ø Posición
7: es una de las más investigadas, en general las
quinolonas con grupos lineales o pequeños (H, Cl, CH3, NH2CH2CH2NH2,
NHCH3 y NHNH2) poseen una menor potencia antibacteriana. Aquellas quinolonas
que tienen anillos heterocíclicos de 5 o 6 miembros tienen una buena actividad
biológica.
Ø Posición
8: la presencia de halógenos aumenta la actividad
antianaerobia en particular Cl y F. Así Clinafloxacina, Sitafloxacina,
presentan Cl como radical en C8 y destacan como moléculas de potencia y
espectros superiores al resto de las quinolonas de última generación.
Debe enfatizarse finalmente que si bien ciertos
sustituyentes pueden producir importantes cambios en la actividad biológica y/o
química de la quinolona, las características finales de la molécula en estudio
derivaran de la interacción entre cada uno de los radicales y el núcleo de
estos antimicrobianos.
Sustituciones en las posiciones en
relación a su estructura y su actividad.
Ø Sustituciones en posición 1:
las sustituciones en la valencia libre del nitrógeno de la posición 1 son
variables pero esenciales, en la actividad antimicrobiana y en las
características farmacocinéticas, y controlan la interferencia con la
teofilina.
Posteriormente,
la adición de grupos más voluminosos dio lugar a un aumento de la actividad
antimicrobiana, tanto frente a grampositivos como a gramnegativos. Un grupo
ciclopropilo mejora la actividad frente a los gramnegativos.
Ø Sustituciones en posición 2: una
situación habitual se produce en la posición 2, que está íntimamente ligada al
lugar de unión a las topoisomerasas (R3 y R4), por lo que los radicales deben
ser de pequeño volumen, ya que la presencia de radicales voluminosos inhibiría
el acceso al lugar de fijación.
Ø Sustituciones en posición 3 y 4: las
posiciones 3 y 4 deben ser un grupo carboxilo (COOH) y un oxígeno, respectivamente,
puesto que son esenciales para el trasporte al interior de la bacteria y para
la unión de las topoisomerasas. Es el lugar en que las quinolonas se unen al
Calcio, Magnesio, Hierro, entre otros y determinan una disminución en su
absorción.
Ø Sustituciones en posición 5: los
sustituyentes en R5 posiblemente influyan alternando la configuración estérica
de la molécula, afectando a su actividad. De mayor a menor actividad, la
presencia de un grupo amino, hidroxilo o metilo incrementa la actividad frente a
grampositivos y también frente a Toxoplasma gondii. Por el contrario, la
presencia de radicales voluminosos disminuye notablemente la actividad
intrínseca de la molécula, posiblemente por interacción con las posiciones 3 y
4.
Ø Sustituciones en posición 6:
puede existir un Nitrógeno que no admite sustitución o un Carbono, que permite
la introducción de otro radical, que debe ser pequeño. La presencia de un atojo
de flúor unido al carbono de la posición 6 mejora de 5 a 100 veces la actividad
intrínseca de la molécula y ha dado lugar a las llamadas fluoroquinolonas.
Ø Sustituciones en posición 7:
las sustituciones en 7 al igual que las realizadas en 1 son variables pero
esenciales. Esta posición interactúa directamente con el ADNgirasa o
topoisomerasa IV. Está bien establecido que la presencia de grupos
heterocíclicos nitrogenados de 5 o 6 átomos se corresponde con una mayor
actividad antimicrobiana.
Ø Sustituciones en posición 8: los
posibles radicales en R8 van a influir también en la configuración estérica de
la molécula, lo cual puede implicar un cambio en la afinidad de la quinolona
por una u otra topoisomerasa, probablemente debido aquel cambio de
configuración afecta al acceso del antimicrobiano a la enzima o a los lugares
de unión del ADN. Los diferentes sustituyentes en posición 8 van a afectar
también a la actividad frente a anaerobios y a la farmacocinética de molécula.
NOTA: en las posiciones 2
y 6 no ocurre.
Mecanismo de acción de las quinolonas.
Su
mecanismo de acción es complejo porque son los únicos
agentes antibacterianos que ejercen su actividad bactericida uniéndose a
topoisomerasas bacterianas e inhibiéndolas.
Las quinolonas son antibióticos cuyo blanco
primario son la ADN girasa en organismos
Gram negativos y la topoisomerasa IV en organismos Gram positivos. En
gramnegativos, la topoisomerasa que inhiben principalmente es la ADN-girasa,
que tiene una subunidad A y una subunidad B. El grupo
antibiótico quinolonas bloquea la actividad de la subunidad A de la ADN girasa bacteriana (topoisomerasa II), tienen una acción bactericida rápida. En
la girasa las quinolonas interaccionan con aminoácidos de las alfahélices
cercanas a la tirosina del centro activo, que está implicado en la rotura del
ADN. En grampositivos la principal diana es la topoisomerasa IV, que tiene
dos subunidades, ParC y ParE; en neumococo también se hancomunicado pequeños
incrementos de CIM asociados a mutaciones en una diana secundaria. La
topoisomerasa IV separa las hebras de ADN tras cada replicación. También tiene
una actividad relajante sobre la cadena de ADN.
Ambas enzimas son esenciales para la
replicación, transcripción, reparación
y almacenamiento del ADN donde la inhibición de estas
funciones conduce a una muerte celular.
Las moléculas de quinolona, unidas en
complejos tetraméricos se acoplan a las hebras de ADN y a determinados puntos
de las subunidades de la girasa y estabilizan el complejo ternario de girasa
ADN-fluoroquinolona-ADN, impidiendo su reversión y poniendo en marcha una serie
de procesos, incluso hoy todavía desconocidos, que desembocan en la lisis
celular.
Otra parte importante de su mecanismo de
acción es la formación de un complejo quinolona-enzima-ADN que contiene ADN
roto. La unión de una quinolona a la ADN-girasa provoca un cambio conformacional
en el complejo girasa-ADN responsable de la inhibición de la enzima14. La
topoisomerasa IV formaría complejos similares a los que se forman con la
girasa.
También Interrumpe la reproducción bacteriana
y la replicación del ácido ribonucleico, se necesita que estén separados los dos cordones de la doble
hélice del ADN.
Se cree que el mecanismo de acción de las
quinolonas, desde el punto de vista químico, involucra la interacción de las
funciones carbonilo, carboxilo y flúor con residuos de ácido aspártico, serina y lisina de las enzimas arriba citadas y con los residuos de purina, guanina y magnesio presentes en el ADN.
Mecanismos
de resistencia a las quinolonas.
El mecanismo más importante
de resistencia es la alteración de su diana, es decir, alteraciones en alguna
de las subunidades de la ADN-girasa o de la topoisomerasa IV son los mecanismos
más prevalentes. Las mutaciones en gyrA, el gen que codifica la
subunidad A de la ADN-girasa, es el mecanismo más común en gramnegativos,
mientras que mutaciones en parC, el gen que codifica la subunidad C de la
topoisomerasa IV, es el mecanismo más frecuente en grampositivos. Sin embargo,
en el caso específico de algunas quinolonas, por ejemplo: gemifloxacina y sparfloxacina mutaciones
en gyrA de grampositivos parecen ser el principal mecanismo de
resistencia. En bacterias gramnegativas se han descrito resistenciasde bajo
nivel por alteraciones en las porinas que hay en la membrana externa. Pero se
ha podido constatar que la sobre expresión de bombas de expulsión activa puede llevar
a resistencia a quinolonas tanto en grampositivos como en gramnegativos.
La resistencia a
quinolonas ocurre principalmente por cambios en la afinidad de las quinolonas a
la subunidad gyrA. Otro mecanismo de resistencia es la disminución de la
permeabilidad de la membrana celular por reducción en las porinas de dicha
membrana, lo que trae por consecuencia una baja penetración intracelular del
antibiótico y un aumento de la concentración mínima inhibitoria.
El número de
bacterias resistentes a las quinolonas ha ido aumentando, lo que se relaciona a
la presión selectiva de su extenso uso. Esto puede ocurrir durante el
tratamiento, especialmente en infecciones por Pseudomonas,
lo que es más frecuente si el paciente recibió previamente la droga y los
niveles sanguíneos alcanzados no son los adecuados.
