UNIVERSITATEA POLITEHNICA BUCURESTI, 2012

REFERAT MEDICAMENTE DE SINTEZA - STRATEGII DE MODIFICARE A AMINOGLICOZIDELOR-

STRATEGII DE MODIFICARE A AMINOGLICOZIDELOR

1

I.

Introducere

nc de la descoperirea antibioticelor aminoglicozidice, sinteza lor a reprezentat o provocare atragnd atenia multor cercettori. Pionieri precum Umezawa i alii n 1970 au sintetizat o gam larg de derivai aminoglicozidici modificai prin diverse metode. Pornind de la idea eronat c bolile infecioase pot fi nvinse de antibioticele disponibile n perioada respectiv, dezvoltarea de noi antibiotice s-a diminuat pentru mai mult de un deceniu. Odat cu progresele nregistrate n studiile mecansimelor de rezisten i de informaiile structurale n ceea ce privete legarea aminoglicozidelor de int prin situsul A responsabil de decodarea regiunii 16S rRNA, s-au dezvoltat noi strategii care au ca scop revigorarea activitii antibacteriane mpotriva bacteriilor rezistente la aminogicozide. Aminoglicozidele sunt un grup de antibiotice cu structuri diverse n care exist diferite grupri de zaharuri uzuale, dar i mai neobinuite. n literatura de specialitate se regasete o serie ntreag de tehnici de sintez.

FIG. 4.1. STRUCTURA NEOMICINEI I KANAMICINEI

II.

Strategii de modificare a aminoglicozidelor

2

Neomicina aparine unui grup de aminoglicozide coninnd un inel (II) 2-deoxistreptaminic - 4,5-disubstituit, iar kanamicina un inel(II) 2deoxistreptaminic - 4,6-disubstituit. n general, exist dou tipuri de abordri pentru sinteze de noi antibiotice aminoglicozidice (Figura 4.2).

FIG. 4.2. STRATEGII GENERALE N SINTEZA DE NEOMICIN SI KANAMICIN

O prim abordare o reprezinta modificarea direct a aminoglicozidelor existente, iar cea de-a doua este de a aplica strategii de glicozilare pe nuclee selectate, cum ar fi 2-deoxistreptaminele i neaminele (inele I i II), crend astfel biblioteci de aminoglicozide noi. Un efort extraordinar n studiul aminoglicozidelor a condus la rezultate fructuoase. n scopul de a oferi o revizuire concis, care s acopere progresele recente, s-au luat n considerare lucrri care au aprut ncepnd cu sfritul anilor 1990. Pentru a modifica direct aminoglicozidele existente, trebuie s fie luate n considerare mai multe criterii. Acestea includ o surs disponibil 3

de aminoglicozide, adecvate pentru protejarea gruprilor amino i diferenierea regioselectiv a acestor grupri amino. Neomicina B i kanamicina A sunt dou dintre cele pertinente i ieftine aminoglicozide care urmeaz s fie angajate ca i materii prime pentru modificri ulterioare. Dei neomicina B este disponibil comercial, ea este amestecat de obicei cu neomicin A i C n proporie de 10-20%, n timp ce kanamicina A este de obicei amestecat cu kanamicina B n proporie de 10-20%. Aceste componente minore nu reprezint un impediment semnificativ n sinteza chimica sau caracterizarea compuilor sintetizai. Se utilizeaza frecvent doua metode de protecie/mascare a gruprilor amino. Prima strategie folosete grupri carbamat cu rol de protecie, iar cea de a doua strategie grupri azido cu rol de mascare. Utilizarea gruprilor de tip carbamat este mult mai rentabil. Cu toate acestea, solubilitatea slab a policarbamailor determin o purificare i caracterizare foarte dificil a compuilor sintetizai. Mascarea gruprilor amino a aminoglicozidelor cu grupri azido are avantajul unei solubiliti mai bune n mediu organic, fcnd aceast metod comparabil cu cea a tehnicilor sintetice tradiionale. Diferenierea regioselectiv a gruprilor amino este etapa cea mai provocatoare n sinteza derivailor aminoglicozidici. n general, pentru aceast etap se utilizeaz metoda chelarii mediate de metale sau ciclizarea ntre gruparea amino protejat de o grupare carbamat si gruparea hidroxil vicinal. Cu toate acestea, selectivitate acestor dou strategii depinde ndeaproape de structura aminoglicozidelor mam. S-a demonstrat c stereochimia legturii glicozidice de care se ataeaz carbohidraii de inelul neaminei este esenial pentru activitatea antibacterian.

4

Clasa neomicinei const dintr-un miez neaminic i un carbohidrat legat in pozitia la O-5, n timp ce kanamicinele constau dintr-un miez neaminic i un carbohidrat legat in pozitia la O-6. Deoarece neamina este componentul pivot att pentru neomicin, cat i pentru kanamicina, ea este o bibliotec uor accesibil pentru zaharuri neobinuite ce vor oferi oportunitatea de construire facil a ambelor clase de aminoglicozide prin abordri glicozilare.

III. Sinteza de derivai ai neamineiIII.1. Prepararea neaminei Neamina este molecula de baz care poate fi folosita pentru sintetizarea aminoglicozidelor, incluznd clasele de kanamicin si neomicin. Prin urmare, modificarea neaminei a fost studiat extensiv. Hidroliza acid a neomicinei B, urmat de purificare folosind Amberlite IRA 410 (OH-) este cea mai convenabil metod de a obine neamina (Schema 4.1) . Un astfel de protocol poate fi folosit pentru obinerea unei cantiti semnificative de neamin, dar puritatea este doar de aproximativ 50-60%. Cu toate acestea, se poate face o purificare ulterioar cu ajutorul coloanei Amberlite CG50.

SCHEMA 4.1. SINTEZA NEAMINEI PRIN HIDROLIZA ACID A NEOMOCINEI B III.2. Modificarea neaminei: utilizarea gruprii protectoare carbamat 5

Deoarece aminoglicozidele conin mai multe grupri amino, sunt necesare grupri cu rol protector de tip carbamat, cum ar fi MeO2C-, EtO2C-(CBE), PhO2C-, BnO2C-(Cbz, Z) i tBuO2C-(Boc). Dup ce au fost ncorporate n aminoglicozide, aceste grupri pot fi modificate selectiv prin intermediul gruprii hidroxil vicinale, conducnd astfel la modificri structurale mai versatile. De exemplu, prin utilizarea unor baze adecvate, gruprile protectoare carbamat pot fi transformate n uree ciclica sau carbamat cu grupe funcionale vecine.(Schema 4.2)

SCHEMA 4.2. MODIFICAREA REGIOSELECTIV A NEAMINEI

III.3. Modificarea Neaminei: Protecia Regioselectiv a gruprilor amino. Chelarea metalic. Diferenierea gruprilor amino prin utilizarea metalelor tranziionale, cum ar fi Cu (II) i Zn(II), a fost raportat de ctre Umezawa i colaboratorii, dar i de Nagabhushan. Justificarea utilizrii regioselectivitii se bazeaz pe configuraiile specifice ale gruprilor hidroxi i amino. Prin urmare, aceast metod s-a aplicat la obinerea kanamicinei A i neaminei. De exemplu, toate cele patru grupri amino ale neaminei

6

pot fi protejate selectiv sau puse n eviden folosind metoda metalochelrii.(Schema 4.3).

SCHEMA 4.3. EXPUNEREA SELECTIV A GRUPRILOR AMINO DIN NEAMIN

III.4. Modificarea Neaminei: Protecia regioselectiv a gruprii hidroxil Cele dou perechi de trans-dioli (O-3 / O-4 i O-5/O-6) din structura neaminei pot fi selectiv protejate prin intermediul gruprilor protectoare, cum ar fi ciclohexilidenele (Schema 4.4) . Diolul O-3 / O-4 este mai puin mpiedicat steric dect diolul O-5/O6, prin urmare gruparea protectoare de la diolul O-3 / O-4 este mai predispus la deprotejare sub aciunea unui catalizator acid. Prin urmare, n condiii adecvate acide, diolului O-5/O-6 protejat neaminic, 11, va fi produsul majoritar, ceea ce conduce la obinerea de neamin cu grupri O-5/O-6 libere. Gruparea hidroxi O -5 este mult mai 7

mpiedicat steric dect O-6, ceea ce permite sinteza de 3, 4 ,6-tri-Oneamin protejat. Alternativ, 3, 4 ,6-tri-O- neamina protejat, cum ar fi 16, poate fi preparat din hidroliza neomicinei B protejate (Schema 4.5).

SCHEMA 4.4. PROTEJAREA REGIOSELECTIV A GRUPRII HIDROXI DINNEAMIN

SCHEMA 4.5. SINTEZA 3,4,6-TRI-O-NEAMINEI PROTEJATE

8

III.5. Modificarea Neaminei: Transformarea Neaminei n TetraazidoneaminWong i colaboratorii au folosit TfN3 pentru conversia neaminei n tetraazidoneamin, 17 (Schema 4.6). Spre deosebire de carbamat, grupul azido are solubilitate superioar n mediu organic, avantaj n purificarea i caracterizarea compuilor poli-azido. Obinerea de 3, 4 ,6tri-O tetrazidoneamine protejate (21, 24 i 25) i 3, 4-di-O tetrazidoneamine protejate (19 i 20) se poate realiza ntr-un mod similar cu metoda descris anterior.

SCHEMA 4.6. SINTEZA DERIVAILOR DE AZIDONEAMIN

IV. Sinteza de derivai ai kanamicineiIV.1. Strategii sintetice n modificarea direct a kanamicinei Modificrile directe la kanamicina A au fost descrise ntr-una dintre cele mai timpurii lucrri angajate n sinteza de derivai aminoglicozidici. Combinnd strategiile de difereniere a gruprilor amino, au fost elaborate diferite structuri cu scopul de a crete activitatea mpotriva microorganismelor, n special mpotriva bacteriilor aminoglicozidrezistente. De exemplu, prin utilizarea unei grupri protectoare Cbz, formarea gruprii carbamat ciclice poate fi influenat de o baz corespunztoare (Schema 4.9). 9

Compusul 53,6, 3-di-metil-N kanamicina B, a nregistrat un domeniu larg de aciune mpotriva diferitelor tulpini rezistente. n proiectarea compusului 54, 6, 3-di-metil-N kanamicina A, prin nlocuirea grupei 2-NH2 cu 2-OH, s-a putut observa scderea drastic a activitii antibacteriene.

SCHEMA 4.9. SINTEZA DERIVAILOR DE KANAMICIN PRIN MODIFICAREDIRECT

IV.2. Sinteza analogilor de Kanamicin B prin intermediul glicodiversificrii Pe baza metodei glicozilrii s-a dezvoltat o metod facil de sintez a analogilor de kanamicin B . Strategia poart numele de glicodiversificare, dei practic are loc o schimbare a carbohidrailor ataai iniial cu glucide sintetice, urmat de modificri structurale suplimentare. Pentru a accelera procesul de purificare, se va folosi gruparea azido ca surogat al gruprii amino. 10

SCHEMA 4.10. SINTEZA DERIVAILOR DE KANAMICIN PRIN INTERMEDIULGLICOZILRII

SCHEMA 4.11. SINTEZA DERIVAILOR DE KANAMICIN PRIN INTERMEDIULGLICOZILRII

11

V.

Proiectarea de amoniglicozide rezistente

Excesul de enzime modificatoare de aminoglicozide este cel mai frecvent mod de manifestare a rezistenei bacteriilor. Au fost identificate diverse enzime aminoglicozido-modificatoare ce catalizeaz o serie de modificri, inclusiv acetilri, fosforilri i adenilri, care mpiedic aminoglicozidele modificate s se lege la site-ul int din structura ARNr ului i, prin urmare, permite bacteriilor s achiziioneze rezisten. Aceste enzime sunt grupate n aminoglicozid- fosfotransferaze (APHs), aminoglicozid- acetiltransferaze (AACS) i aminoglicozidnucleotidiltransferaze (ANTs). Cu toate acestea, mai mult de 50 de izoforme diferite de aceste enzime au fost izolate clinic, prezentnd diferene subtile n ceea ce privete capacitatea lor de a modifica diferite aminoglicozide. Pe parcursul a peste 30 de ani, au fost elaborai o serie de derivai aminoglicozidici cu scopul de a se sustrage aciunii aminoglicozidtransferazelor, dar i de a-i recpta astfel activitatea mpotriva bacteriilor aminoglicozid-rezistente. Exemplele includ metilarea la gruparea amino n cazul n care poate avea loc o acetilare, substituiea hidroxi cu fluor, pentru a evita aciunea APHs sau ANTs i deoxigenarea gruprii hidroxi la locul de modificare.

V.1. Dideoxigenare Una dintre cele mai prevalente enzime este APH (3);aceasta catalizeaz fosforilarea la gruparea 3-OH, att la clasa de neomicine, ct i la cea de kanamicine, ceea ce determin incapabilitatea gruprii fosforilate de legare fa de inta din ribozom. (Figura 4.7).

12

Dideoxigenarea la poziiile 3 i 4 s-a dovedit a fi eficient mpotriva APH. Conceptul a condus la sinteze i descoperirea de tobramicin, arbekacin i alte aminoglicozide similare. Metodele raportate pentru 3, 4-dideoxigenarea aminoglicozidelor implic adesea conversia unui trans-diol n dimesilat, urmat de o eliminare mediat de zinc. ntr-o sintez mai bun de 3, 4-B dideoxikanamicin (arbekacin), trans-3, 4-diol a fost transformat n benzilsulfonat i apoi urmat de o eliminare utiliznd NaI (Schema 4.17).

SCHEMA 4.17. SINTEZA DE 3,4- DIDEOXIKANAMICIN

13

14

V.2. Modificarea N-1 Ataarea unor grupri funcionale n poziia N-1 a 2deoxistreptaminei este una dintre cele mai eficiente metode de revigorare a activitii mpotriva bacteriilor rezistente la aminoglicozide.

Acest strategie a condus la dezvoltarea de amikacine semisintetice care au o grupare (S) 4 -amino-2-hidroxibutiril (AHB) n poziia N-1.

FIGURA 4.8. CLASA NEOMICINELOR CU N-1 AHB

FIGURA 4.9. CLASA KANAMICINELOR CU N-1 AHB

15

FIGURA 4.11. KANAMICINE CU DIFERITE LANURI LATERALE LA N-1

V.3. Aminoglicozide 3- deoxigenate: Sintez de derivai de tobramicin Recent s-au raportat metode pentru modificarea direct a tobramicinei.Tobramicina (sau nebramicina) difer de kanamicina B numai prin faptul prin 3-deoxigenarea sa, ceea ce face ca tobramicina s fie imun la modificarea catalizat de APH.

16

VI. Concluziin ciuda citotoxicitii ridicate, aminoglicozidele reprezint o resurs valoroas mpotriva agenilor patogeni. Cunotiinele legate de structurile aminoglicozidelor acumulate din studiile n ceea ce privete rezistena aminoglicozidelor i modul lor de aciune a dat natere la noi concepte i modele alternative mpotriva microorganismelor rezistente la aminoglicozide. n timp ce abordarea metodelor biosintetice i de fermentaie nu poate fi fezabil, sintezele chimice de noi aminoglicozide sunt de multe ori i ele prea complicate pentru a fi o opiune practic. Abordarea ar trebui s fie n continuare semisintetic pentru furnizarea de noi medicamente. Cu toate acestea, meritul de a sintetiza compui reali pentru studierea activitii lor antibacteriane este de nenlocuit.

17

VII. BIBLIOGRAFIE1. Umezawa, S.; Tsuchiya, T. In Aminoglycoside Antibiotics; Umezawa, H.; Hooper, I. R., Ed.; New York: Springer-Verlag, 1982, pp. 37110. 2. Hanessian, S.; Haskell, T. H. In Antibiotics Containing Sugars; Pigmann, H.; Horton, D., Eds.; New York/London: Academic Press, 1970, pp. 139211. 3. Haddad, J; Kotra, L. P.; Mobashery, S. In Glycochemistry Principles, Synthesis, and Applications; Wang, P.G.; Bertozzi, C. R., Eds.; New York/Basel: Marcel Dekker,2001, pp. 307424.

18