Daraufdlf wartet die Welt: Neue AntibiotikaNeue Antibiotika · Science in the City Daraufdlf wartet die Welt: Neue AntibiotikaNeue Antibiotika Dr. Jonathan W. Mueller [email protected]

Science in the City

f d lDarauf wartet die Welt:

Neue AntibiotikaNeue Antibiotika

Dr. Jonathan W. [email protected]

Fachhochschule KölnLeverkusen, BayKomm, 06. Juno 2012

European Antimicrobial Resistance Surveillance

Yearly number of bloodstream infections caused by E. coli and S. aureus in Europe

EARSS/EARS-Net 2002–2009 (22

15000

20000

amin

fect

ions E. coli

EARSS/EARS-Net 2002–2009 (22 countries/198 laboratories)

E ti t d 25 000 ti t di d f i f ti

10000

o. o

f blo

odst

rea

S. aureus

Estimated 25.000 patients died from an infection caused by five common antibiotic-resistant bacteria in 2007 in Europe (ECDC/EMEA Joint technical report (2009): The bacterial challenge - time to react)

2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 20095000

N challenge time to react)

2.5 million extra hospital days 900 million € extra in-hospital costs

Proportion of third-generation cephalosporin-resistant E. coli and methicillin-resistant S. aureus (MRSA) in Europe

25

ates

10

15

20

rcen

tres

ista

ntis

ola

amon

gsp

ecie

s

3rd gen. Cephalosporin

MRSA

22002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009

5Per

p presistant E. coli

EARS surveillance report 2010

Changing resistance trends USHA-MRSA + CA-MRSA: Hospital + Community acquired in 2010methicillin-resistant S: aureus 50,63%Multidrug resistant (MDR) P aeruginosa: 11 74%Multidrug-resistant (MDR) P. aeruginosa: 11,74%Fluoroquinolone-resistant (FQR) E. coli 21,74%MDR K. pneumoniae 6,58%

50

60MRSA allHA-MRSACA-MRSA

40

alen

ce

MDR P. aeruginosaFQR E. coliMDR K. pneumoniae

20

30

% p

reva

data from >300

0

10data from >300 clinical labs in USA

3

1999 2001 2003 2005 2007 2009

year Source: Adapted from The Surveillance Network (TSN)

Mittlerweile sterben in Krankenhäusern tt e e e ste be a e äuseder westlichen Welt

mehr Menschen nach Infektion durch MRSA als durch HIV/AIDS und Tuberkulose zusammen.

MRSA werden zunehmend auch außerhalb von Kliniken übertrageng

A d K i h h P blAndere Keime machen auch Probleme:VRE - Vancomycin-resistenter Enterococcus

Weitere human-pathogene Bakterien, die gegen eine oder gar mehrere Klassen von Antibiotika resistent sindgar mehrere Klassen von Antibiotika resistent sind

Fischbach und Walsch, Science 2009

Die Gene für Antibiotika-Resistenzen sind Tausende von Jahren alt!

Lehrbuchwissen:Erythromycin-Resistenz - vermittelt durch eine Methylase, die die Ribosomen-Bindestelle für dieses Antibiotikum modifiziert.

In 30 000 Jahre altem Permafrost BodenIn 30 000 Jahre-altem Permafrost-Bodenwurden mittels DeepSequencing alte Resistenz-Gene identifiziert.

- beta-Lactamase- das Tetracyclin-Resistenz-Gen tetM- Vancomycin-Resistenz

Resistenz-Gene gibt es schon seit sehrResistenz Gene gibt es schon seit sehr langer Zeit. Durch übermäßigen AB-Gebrauch entstehen jedoch auch resistente Stämme durch Mutation

D'Costa et al., Nature 2011

resistente Stämme durch Mutation.

Wie entsteht eine Resistenz?

Intrinsische Resistenz: Die Resistenz ist bereits vor der ersten Anwendung des Antibiotikums vorhanden.

Erworbene Resistenz: Der Mikroorganismus wird erst nach mehrmaliger Anwendung des Antibiotikums in nicht-toxischen Mengen resistentMengen resistent.

Mechanismen

1) Das Antibiotikum gelangt entweder gar nicht in die Zelleoder wird wieder herausgepumptoder wird wieder herausgepumpt.

2) Die Zielstruktur des Antibiotikums ist in der entsprechenden Zellet d i ht h d d d h M t ti ä d tentweder nicht vorhanden oder durch Mutation verändert.

3) Das Antibiotikum wird enzymatisch gespalten oder so modifiziert,dass es unwirksam wird.

Was war früher?

Anzahl der Neuzulassungen gvon Antibiotika

Jahrzehnt

Neuinfektionen

J h

durchMRSA

Jahr

Bandow und Metzler-Nolte, ChemBioChem 2009MRSA - Methicilin-resistenter

Staphylococcus aureus

Antibiotika - der Anfang Ein Mikroorganismus wetteifert it i d Üb l bmit einem anderen ums Überleben.

L. Pasteur, 1877

Antibiosis

AntibiotikaMikrobielle Metabolite

oder (durch sie inspirierte) synthetische Analoga,

die Mikroorganismen am Wachstum hindern

ohne dramatische Toxizitätohne dramatische Toxizität für den Wirt.

Schlüsselkonzept:Louis Pasteur in seinem Laboratorium

Ölgemälde A. Edelfeldt, 1885

p

Selektive Toxizität

Das „Goldene Zeitalter“ der Antibiotika-Entwicklung

Inhibitoren der Topoisomerase II

V i I hib

???Ribosomen Inhibitoren

u.a. Vancomycin Inhib. der Zellwand-Synthese

???Ribosomen-Inhibitoren

Penicilline und CephalosporineInhibitoren der Zellwand-Synthese

Fischbach und Walsh, Science 2009

Anti-Folat-Medikamente; Inhibitoren der Synthese von Nucleotiden

Wilson, Crit. Reviews Biochem. Mol. Biol. 2009

Verbreitete Antibiotika I

Inhibitoren der Zellwandsynthese -

• β-Lactam-Antibiotika: Penicilline und Cephalosporine

• Vancomycin, ein Glycopeptid

Inhibitoren der ribosomalen Protein-Biosynthese

• Aminoglycoside

• Macrolide (Erythromycin A)

• Tetracycline

• Lincosaminide (Clindamycin)

• Weitere Antibiotika - z. B. Chloramphenicol

Verbreitete Antibiotika II

• Sulfonamide - älteste Klasse

• Trimethoprim

(Fl ) Chi l (Ci fl i ) G H• (Fluoro-) Chinolone (Ciprofloxacin) - Gyrase-Hemmer

• Oxazolidinone (Linezolid - 2000 zugelassen) - Protein-Initiations-Inhibitoren

Nomenklatur von Antibiotika

Penicillin, Ampicillin „-cillin“ durch Fermentation von Pilzen hergestellt

Cephalosporin, Cefuroxime „Cef-“/ „Ceph-“ Produkt vonPilzenPilzen

Ci fl i L fl i fl i “ synthetischeCiprofloxacin, Levofloxacin „-floxacin“ synthetischeFlurochinolone

Fermentationsprodukt einer Streptomyces-Spezies

-mycin“ Streptomycin„ mycin Streptomycin

Fermentationsprodukt von Micromonosporap p

„-micin“ Gentamicin


Wie entstehen Resistenzen?

Das Goldene Zeitalter der Antibiotika-Forschung

Die vormals leere Pipeline und das Versagen von HTSDie vormals leere Pipeline und das Versagen von HTS

Woher werden zukünftige Antibiotika vermutlich stammen?

Wie wirken Antibiotika überhaupt?

Neue Antibiotika und das Problem mit Gram-negativen Bakterien



Stetig sinkende Zulassungen bei Antibiotika

Systemic antibacterial new molecular entities approved by the FDA, per 5-year period.

Spellberg B et al. Clin Infect Dis. 2008; 46:155-164

Telavancin, Ceftaroline

;

Rübsamen-Schaeff H

Warum?

16

Antibiotika-Forschung im Vergleich zur HIV-Forschung

Medikamente kosten bis zu 1 Mrd. EUR in ihrer Entwicklung

Wirtschaftliche Faktoren (zu Ungunsten der AB-Forschung)

• ABs haben niedrigere Gewinnmargen als andere Medikamenteg g

• kurzzeitige Anwendung (im Gegensatz zu chronischen Erkrankungen)

• Heilen einer Erkrankung(statt lediglich Symptombehandlung)

• Neue ABs eher in der zweiten und dritten Reihe (statt weitreichendemEinsatz in anderen Indikationsgebieten)Einsatz in anderen Indikationsgebieten)

• Generischer Antibiotika-Markt

• Versagen von HTS

A method for its own - High-Throughput Screening - HTS

96-well plates

384-well plates

1536-well plates (piezo/microfluidics)(piezo/microfluidics)

aim: screen 1 millionaim: screen 1 million compounds per day

From the mid-1970s onwards: decreased attention on natural products

Focus on more rational approaches (=HTS)

A method for its own - High-Throughput Screening - HTS

96-well plates

384-well plates

1536-well plates (piezo/microfluidics) sorafenib (Nexavar) Bayer(piezo/microfluidics)

aim: screen 1 million

sorafenib (Nexavar) Bayer• the first and only de novo HTS drug

• approved by FDA in 2005aim: screen 1 million compounds per day

• approved by FDA in 2005

• treatment of renal cell carcinoma

d h t ll l i• and hepatocellular carcinoma

Newman and Cragg, J. Nat. Prod. 2012

Experiences with target-based HTS (GSK)p g ( )

Program of 7 years (1995 – 2001)Program of 7 years (1995 2001), ratio biology to chemistry = 2:1

358 potential genomics target gene evaluated 166 essential

67 HTS screens (65 single target, biochemical format; 2 pathway assays) with 260,000 – 530,000 compounds

16 screens gave hitsno increase in target activity, no MIC, unspecific whole-cell activity

5 screens yielded leads (defined by whole-cell POC)5 screens yielded leads (defined by whole cell POC)spectrum too small, bad phys.-chem., bad PK

Inhibitors of FabI, MurA, Met-RS, Tyr-RS, RNaseP

Additional MIC-type HTS yielded thousands of hits, but no leadsnon-specific membrane-active, haemolytic, lipophilic, cationic

Payne DJ et al. Nat. Drug Disc. 2007, 6, 29









Anforderungen an ein neues, sicheresBreitband-Antibiotikum

1 Zielstruktur - essenziell und hochgradig ähnlich (konserviert)1. Zielstruktur - essenziell und hochgradig ähnlich (konserviert) in vielen Bakterienspezies

2. ABER nicht oder abgewandelt oder nicht-essenziell im Menschen (selektive Toxizität)

3. Medikament - hoch aktiv gegenüber der ganzen Bakterienzelle

4 OHNE d i i A f R i4. OHNE oder nur mit wenig Auftreten von Resistenzen

5. Gerüst (Scaffold) sollte chemisch modifizierbar sein( )

6. Biologisch abbaubar

Physikochemische Eigenschaften von Antibiotika

rifamycinsoxazolidinones

ystreptograminsmacrolidessulfa-drugs

quinolonesquinolonesGram-pos.β-lactams

aminoglycosides

tetracyclines

Gram-neg.β-lactamsβ lactams

147 antibacterially active compounds versus extract from CMC database (n=4,623)Antibiotics are different!Gram + MW <2000, clogD7 4 generally -2 to 3Gram MW <2000, clogD7.4 generally 2 to 3Gram – MW <600, clogD7.4 generally 0 to -6

O‘Shea R and Moser HE J Med Chem. 2008 May 22;51(10):2871-8.

Alte und Neue Hoffnung durch NaturstoffeAlte und Neue Hoffnung durch Naturstoffe

stille Biosynthesestille Biosynthese--Cluster in zahlreichen bakteriellen Genomen (ca. 90 %)Cluster in zahlreichen bakteriellen Genomen (ca. 90 %)

A major class of natural products are the polyketids

polyketids = natural products made from derivatives of polyketon acids

activated acetic acid (Ac-CoA) + malonyl-CoApropionyl-CoAbutyryl-CoA

=> long linear polyketon acid

th difi ti ( d ti d ti )then modifications (e.g. reduction, condensation)

cyclisation via Claisen or aldol reactionsy

e.g. tetracycline!!! or macrolide

Habermehl et al., Naturstoffchemie, 3. Aufl., Springer 2008

Assembly line-enzymes responsible for the biosynthesis of:

A molecular assembly line - erythromycin synthase

- three polypeptides (about 1 MDa total size)- a total of 28 catalytic domains organised into seven modules

Walsh and Fischbach, J. Am. Chem. Soc. 2010

How many natural products may be out there?

• less than 10 % of natural products have been sampled; or even less?

• “cryptic” biosynthetic gene clusters in many bacterial genomes

• about 10 % of natural products have been discovered in the

most investigated organisms!!!most investigated organisms!!!

• awakening of these gene clusters Metagenomicsg g g

• hidden treasures in Chinese Herbal Medicine and Indian Ayuverda

enormous opportunities for interdisciplinary research!!!

Walsh and Fischbach, J. Am. Chem. Soc. 2010

Even the workhorses of natural products production ill bmay still bear secrets

many natural products are not produced under laboratory conditionsmany natural products are not produced under laboratory conditions(pure culture; high-nutrient media)

revelation of bacterial whole-genome sequencingunderestimation of the microbial biosynthetic potentialy p

an example: pMore than 20 gene clusters for the synthesis of polyketides (PKs) ornon-ribosomal peptides (NRPs) were found within Streptomyces genomes; previously known to produce two natural products!!!previously known to produce two natural products!!!

10fold more unexplored potential

Singh and Pelaez, Prog. Drug. Res. 2008

Novel chemical classes: Natural products: A starting point for new antibiotics?

• Natural products: Low-hanging fruits have been picked

• Due to complex chemistry “learning cycles” slow and costlyy

• Due to complex chemistry high cost of goods in production for the marketgoods in production for the market

• No cheap pricing possible in the market

30

A difficult journey to be only undertaken, if resources are adequate….

Beyond natural products…Beyond natural products…• Targeted chemical libraries

• Fragment based screening

– e.g. pyrrolamides as GyrB ATPase inhibitors, AZ (ICAAC 2008 F-2025-29)

– SAR by NMR, in vivo potency NH

NH

ON S

N

COOH

• Structure-based drug design – Anti-MRSA cephalosporins; co-crystallization

with S aureus PBP2a (ICAAC 2009 F 503)

Cl Cl

NFwith S. aureus PBP2a (ICAAC 2009; F-503)

– Aminobenzimidazoles as GyrB/ParC ATPaseinhibitors (AAC 2006,50,1228-37) N

NH

NH

NH

O

NF

N HN VRT-752586

31

Addressing validated targets with novel chemistry while considering the unique physicochemical requirements of antibiotics

Oberste Priorität für die Entdeckung von neuen LeitstrukturenOberste Priorität für die Entdeckung von neuen Leitstrukturen

• Erkundung bisher wenig erforschter mikrobieller Nischeng gim Hinblick auf Naturstoffe

• Clevere Hochdurchsatz-Screens zur Vermeidung der wiederholten Entdeckung von bekannten Substanzen

• Verwendung von existierenden Substanz-Bibliotheken aus anderen Indikationsgebieten in der Antibiotika-Forschung

• Lernen von bisher gemachten Fehlern










Ein Antibiotikum greift eine Zielstruktur im Bakterium an.

1. Antibiotikum gelangt in die Bakterien-Zelle1. Antibiotikum gelangt in die Bakterien Zelle2. Es bindet an die Zielstruktur und inhibiert einen wichtigen Prozess

wie die Protein-, RNA-, DNA- oder Zellwand-Synthese3 D B kt i ti bt3. Das Bakterium stirbt.

Cell 2007

Antibiotikawirkenwirkenkomplex.

Nach demersten Targetgeschehengescheheneine Reihevon Prozessen,di hli ßli hdie schließlichzum Zelltodführen.

Lediglich einEnzym zu

HTS = basierte 15 Jahref fEnzym zu

inhibieren, istnicht genug.

auf einer zu einfachenVorstellung der ablaufenden

Kohanski et al., Nat. Rev. Microbiol. 2010

Prozesse!!!







Antibiotika und das Problem mit Gram-negativen Bakterien


Einführung von neuen Antibiotika-Klassen

Gram-negative coverage

• 14 Antibiotika-Klassen wurden für die Anwendung am Menschen zwischen 1935 und 1968 zugelassen.zwischen 1935 und 1968 zugelassen.

• Nach 1968, wurden nur noch fünf weitere Klassen zugelassen

d i G i k i i k

37

• KEINE davon ist gegen Gram-negative Bakterien wirksam.

Gram-positive und Gram-negative BakterienPeriplasma

PorineEfflux-Pumpen

DNA innere

Cytoplasma

Zellmembran

DNAZellmembran

dünnere ZellwandZellmembran

Zellwand aus Peptidoglycanäußere Zellmembran

Gram-negative Bakterien besitzen effektive Pumpen

In Kombination mit anderen ABs könnte hier

die Inhibition der Pumpe Wirkung zeigendie Inhibition der Pumpe Wirkung zeigen.

Problematische Gram-negative Pathogene

Hochgradig gesistente Gram-negative Pathogene verbreiten sich.

• Acinetobacter species

• multidrug-resistente (MDR) Pseudomonas aeruginosa

• carbapenem-resistente Klebsiella species und Escherichia coli

IDSA report, Clin. Infect. Diseases 2009, 48:1-12

Coping with bacterial resistance -what is needed?

• Awareness for the value of existing antibiotics – Appropriate use, de-escalation, antimicrobial pp p , ,

stewardship

slow down resistance as much as possibleslow-down resistance as much as possible

• Ultimately, resistance is inevitable

novel resistance breaking drugs needednovel resistance breaking drugs needed

41

Zukünftige Entwicklungen

• Chemische Modifizierung vorhandener antimikrobieller Wirkstoffe

• Steigerung der Aktivität bekannter Wirkstoffe (AB-Adjuvanzien)

• Hybrid-Substanzen

b k d k• Neue Membran-aktive Medikamente

• Neue Zielstrukturen (Targets)

nach Moellering Jr., Int. J. Antimicrobial Agents 2011

Chemische Modifizierung vorhandener Antibiotika

Alternative anti-mikrobielle Therapien

• Inhibitoren der Virulenz oder der Pathogenität (Quorum sensing)

• Bacteriophagen, bzw. Wirkprinzipien daraus(Proteine zur Zell-Lyse oder zur spezifischen Erkennung von Erregern)

• Antimikrobielle Peptide - (Bestandteil des menschlichen Immunsystem)

• Veränderte Mikroben, die selbst gegen andere Bakterien wirkenVeränderte Mikroben, die selbst gegen andere Bakterien wirken

Quorum sensingQuorum sensing„Wie viele sind wir?“

Chen et al., Mol. Cell 2011

Di Z k fDie Zukunft

Die akademische Forschung muss fundamentale Fragen klären

- zur bakteriellen System-Biologie („-omics“ und „Systems“)

- zu den eigentlich ablaufenden Mechanismen des Zelltods

- was eigentlich eine minimale Zelle ist (Die Definition des Lebens)was eigentlich eine minimale Zelle ist (Die Definition des Lebens)

Wenn dabei die richtigen Zielstrukturen identifiziert sind,

können in der Industrie

- biochemische und Zell-basierte Screens und Optimisierungen laufen.

DanksagungCiprofloxacin und Linezolid

Danksagung

Prof Astrid Rehorek undProf. Astrid Rehorek und Heike Koralli, FH Köln, F11

Prof. Helga Rübsamen-SchaeffAiCuris GmbH &Co KG WuppertalAiCuris GmbH &Co KG, Wuppertal

P f J li B dProf. Julia BandowRuhr-Universität Bochum

und Ihnen für Ihre AufmerksamkeitDr. Jonathan W. Mueller

[email protected]

Documents

Daraufdlf wartet die Welt: Neue AntibiotikaNeue Antibiotika · Science in the City Daraufdlf wartet die Welt: Neue AntibiotikaNeue Antibiotika Dr. Jonathan W. Mueller [email protected]