2025-1940(?) העידן האנטיביוטי ב: אנטיביוטים הפוגעים בבניית הדופן החיידקית

בהמשך לרשומה הקודמת שסקרה את ההיסטוריה של החומרים האנטיביוטיים, אפרט ברשומה זו חלק מהאנטיביוטים הנפוצים בשימוש, דרכי פעולתם ומנגנוני העמידות בפניהם.

אחת הדרכים לחלק את האנטיביוטים השונים היא בהתאם לאתר המטרה שלהם: הדופן החיידקית, הממברנה, ייצור RNA, ייצור DNA וסינתזת החלבונים. בכתבה זו נכיר את האנטיביוטים הפועלים על הדופן החיידקית.

לחיידקים יש דופן חזקה, המקנה להם יציבות בתנאים היפוטוניים. בתנאים אלה יש חדירת מים אל תוך התא ואלמלא הדופן, היו החיידקים מתפוצצים. הדופן מורכבת מפפטידוגליקן, שהוא פולימר של שני סוכרים וחומצות אמיניות. המונומרים המרכיבים את הפולימר בנויים מדו-סוכר (N-acetylmuramic acid, NAM, הקשור בקשר גליקוזידי ל-N-acetylglucoseamine, NAG) אליו קשור פפטיד בן חמש חומצות אמיניות. המונומרים מיוצרים בתוך התא החיידקי, ומופרשים החוצה. דו-הסוכר מצורף לשרשרת הסוכרית על-ידי האנזים transglycosylase, ולאחריו האנזים transpeptidase יוצר קשרי צילוב בין השייר הרביעי של מונומר אחד, לשייר השלישי של מונומר אחר, תוך ניצול האנרגיה של הקשר בין שני האלנינים (הרביעי והחמישי). קשר הצילוב יכול להיות ישיר (בפרוטאובקטריה, למשל) או דרך גשר של גליצינים (למשל ב-Staphylococci, מהפירמיקוטים).

היחידה הבסיסית של  הפפטידוגליקן. החומצה האמינית החמישית, D-Alanine, מוסרת בתהליך הפילמור

האתר הפעיל של האנזים transpeptidase מהווה בעצמו אתר מטרה למספר קבוצות של אנטיביוטים החוסמים את פעילותו: פניצילינים, צפלוספירינים, צפמיצינים, קרבפמים ומונובקטמים. אנטיביוטים אחרים, כוונקומיצין ואוופרסין, נקשרים לאתר המטרה של האנזים, הקצה של הפנטפפטיד - הדי-פפטיד D-ala-D-ala, ובכך נחסמת הגישה של האנזים לאתר. כתוצאה מפעולת אנטיביוטים אלה נוצרת דופן פגומה - ללא קשרי צילוב. דופן זו לא עמידה בתנאים היפוטוניים ואז חודרים מים לתאי החיידקים והם מתנפחים ומתפוצצים. חשוב לציין שאנטיביוטים אלה פוגעים אך ורק בתאים גדלים ומתחלקים - אז מתקיימת סינתזה פעילה של דופן. תאים שאינם מתחלקים ולא מתרחשת בהם סינתזת דופן - אינם מושפעים מהאנטיביוטים. כמובן שחיידקים חסרי פפטידוגליקן, כ-Mycoplasma ו-Planctomyces, עמידים באופן טבעי בפניהם.

האנטיביוטים ה-β-לקטמים, החוסמים את פעילות הטרנספפטידזים

פניצילינים

הפניצילינים השונים דומים במבנם הכללי לדי-הפפטיד D-ala-D-ala, שבקצה הפפטיד הקצר שבמונומר, שהוא אתר הפעולה של ה-transpeptidase. הפניצילינים מתחרים עם די-הפפטיד על האתר הפעיל של האנזים, חוסמים את פעילותו ואינם מאפשרים לו ליצור את הקשרים הצולבים בדופן הנבנית. כתוצאה מכך, כשחודרים, בסביבה היפוטונית, מים לתא החיידקי, הדופן הפגומה, ללא הקשרים הצולבים, אינה עומדת בעומס והחיידקים מתפוצצים (lyse). על פעילותם זו של הפניצילינים אנו יודעים כבר כמעט 45 שנה, מאז שטיפר (Tipper) וסטרומינגר (Strominger) דיווחו על כך לראשונה, אך במהלך השנים התקבלו רמזים שזו אינה התמונה כולה.

ואכן, לפניצילינים יש פעילות נוספת, שפרטיה התגלו רק בשנים האחרונות. מסתבר, שהרבה לפני שהדופן החיידקית נפגעת, מאבד התא החיידקי את יכולת ההתרבות שלו ושהאנזים החיידקי - murein hydrolase - הכרחי לתופעת הליזיס. ואכן, במוטנטים של פנוימוקוקים (Streptococcus pneumoniae) וסטפילוקוקים (Staphylococcus aureus) חסרי אנזים זה, לא גרם הפניצילין לליזיס - אלא רק לאובדן החיוניות, תופעה בלתי הפיכה. מתברר, שהפניצילין מפעיל בתא החיידק מערכת של "השמדה עצמית". מערכת זו גורמת ליצירת נקבים בממברנה הגורמים לשוויון ריכוזים בין יונים של מימן ויונים אחרים משני צידי הממברנה. מפל ריכוזים זה הכרחי לתהליכים רבים בתא והיעדרו גורם למות התא, הרבה לפני שהוא "מתפוצץ".

נוסחת המבנה של הפניצילין המקורי - פניצילין G, המיוצר על ידי זנים שונים של Penicillium

המבנה הבסיסי של הפניצילינים - שתי טבעות (β-lactam ring משמאל, thiazolidine ring), הקבוצה המסומנת ב-R משתנה בין הפניצילינים השונים. מוכרים שני סוגים של אנזימים מפרקי פניצילין: β-לקטמזים, הפוגעים בטבעת ה-β-לקטמית והופכים את הפניצילין לחומצה פניצילואית, ואצילזים, הנדירים יותר, המנתקים את הקבוצה המשתנה מהטבעות.

הפניצילין הראשון, פניצילין G (או benzylpenicillin), התגלה ופורסם על-ידי אלכסנדר פלמינג ב-1928, אך מלבד הוכחת יעילותו במעבדה, הוא היה מעין קוריוז מדעי. רק בשנת 1938, בביה"ס לפתולוגיה של אוניברסיטת אוקספורד, ולאחר פרוץ מלחמת העולם השנייה במעבדות משרד החקלאות בפאוריה, אילינוי, החלו הווארד פלורי וארנסט חן בנסיונותיהם לייצר פניצילין בכמויות מסחריות. הזן המקורי שבודד פלמינג ייצר כמויות קטנות (5-2 יחידות) של פניצילין למ"ל תרבית. פלורי וחן הצליחו לפתח ממנו זן שהפיק 200-150 יחידות למ"ל, אך זו היתה עדיין כמות קטנה מדי. הם סרקו זנים רבים אחרים של פניציליום שבודדו מדגימות אדמה ובדקו את תפוקת הפניצילין שלהם. הם מצאו זן שייצר במקור 260 יחידות למ"ל ולאחר מוטגנזה (באמצעות קרינת UV וכימיקלים שונים) הצליחו להפיק ממנו 3,000 יחידות למ"ל, שתפקדו היטב בתנאי המעבדה.

אך להפתעתם של חן ופלורי, הפניצילין שהופק מהזן החדש, כשל, כשהוכנס לשימוש "מבצעי" - לטיפול בזיהומים חיידקיים בחיות ניסוי. אנליזה מדוקדקת של הפניצילין גלתה שלא מדובר בפניצילין G, אלא בתערובת של פניצילינים המכילה בעיקר פניצילין K - n-heptylpenicillin. הסתבר שפניצילין K, אף שקטל חיידקים טוב יותר במבחנה מפניצילין G, נוטרל על-ידי חלבונים מסויימים בחיות הניסוי ואיבד לחלוטין את פעילותו האנטיביוטית. הבעייה נפתרה אחרי שהתברר שלאחר תוספת של חומצה פנילאצטית (phenyl-acetic acid), למצע הגידול של הזן חדש, מרבית התוצר היה פניצילין G.

לפניצילין G, הפניצילין המקורי, היו מספר חסרונות: החיסרון העיקרי - הריסתו על-ידי החומציות של הקיבה, מה שחייב את הזרקתו ישירות לדם. פניצילין זה היה יעיל רק כנגד חיידקים חסרי ממברנה חיצונית, כ-Streptococci, Staphylococci ו-Bacilli, כולם מקבוצת הפירמיקוטים (Firmicutes, גראם חיוביים), אך לא חדר את הממברנה החיצונית של ה-Enterobacteria והחיידקים הפתוגנים האחרים מהפרוטאובקטריה. בנוסף, פניצילין התברר כחומר אלרגני אצל אנשים מסויימים, היכול אף לגרום להם לסכנת חיים.

פתרונות חלקיים התווספו דרך מצע הגידול. תוספת של פנוקסיאצטט (phenoxyaceic acid) הביאה ליצורו של פניצילין V, Phenoxymethylpenicillin (מסחרי - Rafapen). פניצילין זה אינו נפגע מהחומציות של הקיבה וניתן לבלוע אותו (בכמוסה או בסירופ). פניצילין נוסף שיוצר בצורה דומה היה האלמצילין (almecillin - allylthiomethylpenicillin, או פניצילין O) שקיוו שיפתור את בעיית האלרגניות של הפניצילין, אך הבעייה לא נפתרה וכיום ברור שמי שאלרגי לפניצילין כלשהו, אלרגי לכולם.

ב-1957 נכנסה הכימיה לתמונה, כאשר הצליחו לסנתז משתי חומצות אמיניות, ציסטאין וולין, 6-aminopenicllanic acid - המולקולה המהווה את הגרעין המבני של כל הפניצילינים. במקביל, החלו לייצר את אותה מולקולה מפניצילין G טבעי, לאחר וביקועו על-ידי amidase, אנזים שהופק מזן אחר של Penicillium. שנתיים אחר-כך יוצר פניצילין V כפניצילין הסינתטי הראשון.

בהמשך, השתמשו ב-6-aminopenicllanic acid לייצור פניצילינים חצי סינתטיים, בהם הושתלה קבוצה צדדית חדשה. הפניצילין הראשון מקבוצה זו, המתיצילין (methicillin - dimethoxyphenylpenicillin), היה גם עמיד בפני חומציות וגם הראשון שהיה עמיד בפני הפניצילינזים (β-לקטמזים). בעקבותיו יוצרו חמישה פניצילינים נוספים, אוקסצילין (oxacillin - methyl-phenyl-isoxazoly1-penicillin), נפצילין (nafcillin - Unipen), קלוקסצילין (cloxacillin), דיקלוקסצילין (dicloxacillin), ופלוקלוקסצילין (flucloxacillin). כיום המתיצילין כבר לא בשימוש בשל תופעות לוואי לא רצויות, אך השם מייצג את כל הקבוצה, ואף נצמד לחיידק המפורסם העמיד בפני כל הששה - MRSA - Methycillin ressistant Staphylococcus aureus.

קבוצה אחרת של פניצילינים החלה עם האמפיצילין (ampicillin - Omnipen) שאף שהיה רגיש לפניצילינזים, היתה לו היכולת לעבור את הממברנה החיצונית של האנטרובקטריה, וחיידקים פתוגנים נוספים מקבוצת הפרוטאובקטריה. לקבוצה זו הצטרפו בהמשך האמוקסיצילין (amoxicillin - Moxipen/Amoxil), הפיפרצילין (piperacillin - Pipracil), והטיקרצילין (ticarcillin - Ticar).

אמפיצילין (למעלה) ומתיצילין

בעקבות התפשטות הפניצילנזים בין החיידקים בכלל וגורמי המחלות בפרט שולבו פניצילינים עם מעכבים של ה-β-לקטמזים, כחומצה קלבולנית (clavulanic acid), sulbactam או tazobactam. התרופה יונסין (Unasyn) משלבת אמפיצילין ו-sulbactam, אוגמנטין (Augmentin) משלבת אמוקסילין וחומצה קלבולנית, טימנטין (Timentin) היא שילוב של טיקרצילין עם חומצה קלבולנית. ואילו טזוצין (Tazocin) היא שילוב של פיפרצילין עם tazobactam. השילוב איפשר להחזיר את הפניצילינים לשימוש גם כנגד חיידקים עמידים לפניצילינים.

השימוש המוגבר, לעתים קרובות ללא צורך, בתרופות המשולבות, גרם גם להופעת חיידקים העמידים למעכבי הפניצילנזים.

צפלוספורינים

הצפלוספורינים הם קבוצה גדולה של חומרים אנטיביוטיים, עם מבנה דו טבעתי (שאחת מהם β-לקטמית) המכונה cephem, שכולם נגזרות של צפלוספורין (cephalosporin) C. בשנת 1948 בודד ג'יזפה ברוצו (Giuseppe Brotzu) את צפלוספורין C, מפטריה, שאז נקראה Cephalosporium (והיום מכונה Acremonium strictum). ברוצו בודד את הפטריה מהביוב של סרדיניה. הצפלוספורין המסחרי הראשון, cephalothin, שווק על-ידי חברת Eli Lilly בשנת 1964. כל הצפלוספורינים עמידים לחומצה ולכן ניתנים לבליעה.

המבנה הבסיסי של הצפלוספורינים

יחסית לפניצילינים, הצפלוספורינים המקוריים עמידים ל-β-לקטמזים. הצפלוספורינים השונים משתייכים לחמישה דורות. ככל שהדור מתקדם יותר טווח הפעולה שלהם נגד חיידקי פרוטאובקטריה הוא רחב יותר יחסית לדור הקודם, ופעילותם כנגד פירמיקוטים (גראם-חיוביים) משתנה. כמו כן זמן מחצית החיים של הצפלוספורינים החדישים יותר ארוך יותר, ומאפשר שימוש בכמויות קטנות יותר.

הצפלוספורינים של הדור הראשון, Cefadroxil, Cephalexin, Cephaloridine, Cephalothin, Cephapirin, Cefazolin ו-Cephradine דמו לאמפיצילין בפעילותם, אך היו עמידים במידה מסויימת ל-β-לקטמזים: פעילותם העיקרית היתה נגד זיהומים שנגרמו על-ידי סטפילוקוקים וסטרפטוקוקים, אך גם כנגד דלקות בדרכי השתן שנגרמו על-ידי Escherichia coli.

הצפלוספורינים של הדור השני, Cefaclor, Cefoxitin, Cefprozil ו-Cefuroxime, עמידים יותר ל-β-לקטמזים. כמו כן, הם רחבי טווח יותר ופוגעים במגוון רחב יותר של חיידקי פרוטאובקטריה.

הצפלוספורינים מהדור השלישי, Cefdinir, Cefixime, Cefpodoxime, Ceftibuten, Ceftriaxone ו-Cefotaxime, פועלים כנגד טווח רחב עוד יותר של חיידקי פרוטאובקטריה, כולל פסוידומונדס.

לצפלוספורינים מהדור הרביעי, Cefepime, Cefluprenam, Cefozopran, Cefpirome ו-Cefquinome, הוחזרה היכולת לפעול כנגד הפירמיקוטים (כמו לדור הראשון). בנוסף, חלק מהם יכולים לעבור את מחסום הדם-מוח.

הדור החמישי כולל בינתיים רק את ה-Ceftobiprole, שאמורה להתגבר על MRSA ועל זנים עמידים של פסוידומונדס.

צפמיצינים (Cephamycins)

הצפמיצינים הם קבוצה קטנה יחסית של אנטיביוטים: Cefoxitin, Cefotetan, Cefmetazole ו-Flomoxef. הם דומים לצפלוספורינים ומבוססים על צפמיצינים A, B ו-C (בעיקר על האחרון), שבודדו במקור מהחיידקים Streptomyces lactamdurans ו-Streptomyces griseus. גם להם גרעין דו-טבעתי, cephem, כמו לצפלוספורינים, הכולל גם טבעת β-לקטמית.

מונובקטמים (monobactams)

המונובקטמים מבוססים, כפי שמובן משמם, רק על טבעת אחת, טבעת β-לקטמית. המונובקטם העיקרי הנמצא בשימוש הוא ה-Aztreonam (Azactam) ומקורו בחיידק Chromobacterium violaceum, אם כי היום הוא מסונתז כימית. Aztreonam עמידה בפני β-לקטמזים, ופועלת ביעילות, בעיקר כנגד פרוטאובקטריה.

מונובקטמים נוספים, Tigemonam, ו-Carumonam (Amasulin), אינם נמצאים בשימוש קליני.

קרבפנמים (Carbapenems)

בשנות השמונים של המאה הקודמת התגלה שלחומר שבודד מהחיידק Streptomyces cattleya וכונה thienamycin, יש פעילות אנטי בקטריאלית חזקה. המחקר העלה שהוא דומה מאד לפניצילין (טבעת β-לקטמית וטבעת נוספת - השונה בשני מקומות מהטבעת של הפניצילין) ואף פועל כמוהו, ושהוא עמיד בפני ה-β-לקטמזים. תהליך הסינתזה של החומר נחקר ואף הצליחו לסנתזו בצורה מלאכותית במעבדה.

thienamycin - הקרבפנם המקורי

היות והחומר עצמו אינו יציב, אין אפשרות להשתמש בו. סונתזו נגזרות יציבות יותר. אימיפנם (imipenem) התרופה הראשונה מהקבוצה, פורקה במהירות בנפרונים של הכיליה על-ידי האנזים dehydropeptidase-1 (DHP-1) ולכן שולב בתכשיר (Primaxin) מעכב של האנזים - cilastatin. הקרבפנמים שסונתזו אחר-כך, מרופנם (meropenem, Merrem), ארטפנם (ertapenem) והחדש יותר, דוריפנם (Doripenem, Doribax), עמידים בפני DHP-1. לארטפנם זמן מחצית חיים (ארבע שעות) ארוך יותר משלושת האחרים (שעה אחת). קרבפנמים נוספים לא בשימוש מסיבות שונות או עדיין בבדיקות: פניפנם (Panipenem), ביאפנם (biapenem), טומופנם (tomopenem) ו-PZ-601. חומר נוסף המכונה פארופנם (Faropenem) שונה מהאחרים כי מבחינה כימית הוא פנם לא קרבופנם.

עמידות בפני קרבפנמים נובעת משינויים מבניים בטרנספפטידזות החיידקיות המונעות את קישור הקרבפנמים אליהם ללא פגיעה בתפקודם.

גליקופפטידים

בניגוד לפניצילינים ול-β-לקטמים האחרים, הנקשרים לטרנספפטידזים החיידקיים ומעכבים את פעילותם, נקשרים הגליקופפטידים השונים, הפוגעים בייצור הפפטידוגליקן, לאתר המטרה של הטרנספפטידזים - לדי-פפטיד D-ala-D-ala, שהוא חלק מהמונומר המרכיב את הפפטידוגליקן. כאן חשוב להזכיר, שהדיפפטיד עצמו אינו משתלב בפפטידוגליקן בשלמותו. רק ה-D-ala הפנימי (החומצה האמינית הרביעית בפפטיד) מהווה חלק מהפפטידוגליקן. ה-D-ala השני מפורק מהמונומר ואנרגית הקשר הפפטידי המשתחררת מנוצלת לקשר הצילוב שבין המונומרים.

העמידות של החיידקים נובעת מהחלפת ה-D-ala החיצוני, שאינו משתתף במבנה של הדופן, בסרין או בחומצת חלב. החלפה זו אינה פוגעת ביכולת הטרנספפטידזים לבצע את קשרי הצילוב.

ונקומיצין (vancomycin)

הגליקופפטיד ונקומיצין (שם מסחרי ראשוני Vancocin), נחשב עד לפני כעשור, כאנטיביוט המנצח של המוצא האחרון (ומכאן גם שמו - vanquish = להביס, לנצח), לטיפול בזיהומים חמורים הנובעים בעיקר מ-Staphylococcus aureus עמיד לפניצילינים (MRSA). עקב גודלו ותכונותיו, הוא אינו חודר את הממברנה של הפרוטאובקטריה, ואינו חודר ממערכת העיכול לדם, השימוש בו היה בהזרקה ישירה לדם בלבד. ניתן להשתמש בונקומיצין דרך הפה בזיהומים חמורים במערכת העיכול, למשל על ידי Clostridium difficile, הגורם ל-Pseudomembranous colitis.

ונקומיצין - הפס התכול מציין את הפפטיד החיידקי אליו נקשר האנטיביוט.

ונקומיצין התגלה לראשונה בשנות החמישים של המאה הקודמת על-ידי אדמונד קורנפלד (EC Kornfeld) , עובד בחברת Eli Lilly. החיידק שממנו הופרש האנטיביוט, מקבוצת האקטינובקטריה, שהיום מכונה Amycolatopsis orientalis, בודד מדגימת אדמה שנשלחה לחברה מיערות בורניאו. הוונקומיצין, שאז כונה תרכובת 05865, אושר לשימוש על-ידי ה-FDA בשנת 1958. ושימש כבר אז לטיפול בסטפילוקוקים עמידים לפניצילין ולתרופות אנטיביוטיות נוספות.

ונקומיצין מסונתז במספר שלבים ממספר חומצות אמיניות בתא החיידקי. הוא מופק מהחיידקים.

לוונקומיצין פותחו מספר נגזרות, oritavancin ו-dalbavancin. לנגזרות אלה זמן מחצית חיים ארוך יותר המאפשר מרווח גדול בין ההזרקות. אנטיביוטים בעלי פעילות דומה לוונקומיצין הם teicoplanin (שם מסחרי - Targocid), שבודד בתחילת שנות ה-90 של המאה הקודמת מהחיידק Actinoplanes teichomyceticus ולו זמן מחצית חיים ארוך יותר וחדירות טובה יותר, ו-Ramoplanin שבודד מ-Actinoplanes ATCC 33076.

בסוף שנות ה-90 של המאה הקודמת החלו להופיע ברחבי העולם חיידקים עמידים לוונקומיצין. בניגוד למקרים קודמים, בהם עמידויות ראשונות כלפי חומרים אנטיביוטים הופיעו תחילה בבתי חולים, העמידות לוונקומיצין התפתחה בקהילה ובבדיקות מדוקדקות יותר התברר שהעמידות התפתחה במגזר החקלאי באירופה ובמקומות אחרים, שם השתמשו, החל מ-1970, באנטיביוט אוופרסין (Avoparcin), אנטיביוט דמוי ונקומיצין, שבודד מהחיידק Streptomyces candidus, כתוסף מזון. ב-1997 נאסר השימוש באוופרסין, אבל כבר אז העמידות התפשטה ברחבי העולם.

פורסם במקור "The Pharma" גיליון 11, פברואר 2010, עודכן