Relacion entre estructura y actividad, sustituciones, mecanismos.

  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.