مواضيع المحاضرة:
background image

Unit 2: Bacteriology

 

 

 

66

 

Lecture 5 - The Principles of 
antibacterial therapy 

Definitions 

Most microbiologists distinguish 2 groups of antibacterial 
agents used in the treatment of infectious disease 
antibiotics, which are natural substances produced by 
certain groups of microorganisms (fungi or bacteria), 
and chemotherapeutic agents, which are chemically 
synthesized substances. A hybrid substance is 
semisynthetic antibiotic, wherein a molecular version 
produced by the microbe is subsequently modified by the 
chemist to achieve desired properties. One feature of 
antibactrial pharmaceuticals is “selective toxicity,” that 
is, they act upon bacteria at very low concentration levels 
without causing damage to the macroorganism. The most 
important group of anti-infective agents is the antibiotics. 
The term “antibiotic” is often used in medical contexts to 
refer to all antibacterial pharmaceuticals, not just to 
antibiotics in this narrower sense. the relations between an 
anti-infective agent, the host organism & a bacterial 
pathogen 

  

Characteristics of Antibiotics 

  Antibiotics may have a cidal (killing) effect or a static 

(inhibitory) effect on a range of microbes. The range of 
bacteria or other microorganisms that is affected by a 
certain antibiotic is expressed as its spectrum of action
Antibiotics effective against procaryotes that kill or 
inhibit a wide range of Gram-positive and Gram-negative 
bacteria are said to be broad spectrum. If effective 
mainly against Gram-positive or Gram-negative bacteria, 
they are narrow spectrum. If effective against a single 
organism or disease, they are referred to as limited 
spectrum

  A clinically-useful antibiotic should have as many of 

these characteristics as possible:-  

  It should have a wide spectrum of activity with the ability 

to destroy or inhibit many different species of pathogenic 
organisms.  

  It should be nontoxic to the host and without undesirable 

side effects.  

  It should be nonallergenic to the host.  
  It should not eliminate the normal flora of the host.  
  It should be able to reach the part of the human body 

where the infection is occurring.  

  It should be inexpensive and easy to produce.  
  It should be chemically-stable (have a long shelf-life).  
  Microbial resistance is uncommon and unlikely to develop. 

Fundamental ways that antibacterial 
antibiotics work as therapeutic agents
:  

    The target of an antibiotic should be unique to the 
bacterium and not found, or not accessible, to the patient. 
These are the most important targets in bacteria that have 
been exploited so far. 

 

1)  Attack bacterial cell wall synthesis

. Bacteria have 

murein in their cell walls, not found in the host, and 
murein (peptidoglycan) is essential to the viability of the 
bacterium.

 

Beta lactam antibiotics represented by the 

penicillins and cephalosporins, are example of these 
antibiotics which contain a 4-membered beta lactam ring, 
they are the products of two genera of fungi, 
Penicillium and Cephalosporium. 

2)  Interfere with protein synthesis

. Attack is almost 

always at the level of translation using 70S ribosomes in 
the translation machinery.

 

The most important antibiotics 

with this mode of action are 
the tetracyclineschloramphenicol, the macrolides (e.g. 
erythromycin) and the aminoglycosides (e.g. 
streptomycin). 

3)  Interference with nucleic acid synthesis  

(RNA and 

DNA), which exploits differences between RNA 
polymerases and DNA replication strategies in bacteria 
and eucaryotes.

 

Two nucleic acid synthesis inhibitors 

which have selective activity against procaryotes and 
some medical utility are the quinolones and rifamycins. 

4)  Inhibition of an essential metabolic pathway 

that 

exists in the bacterium but does not exist in the host. This 
is usually brought about through the use of competitive 
chemical analogs for bacterial enzymatic reactions.

 

The 

sulfonamides (e.g. Gantrisin and Trimethoprim) are 
inhibitors of the bacterial enzymes required for the 
synthesis of tetrahydofolic acid (THF), the vitamin form 
of folic acid essential for 1-carbon transfer reactions.  

5)  Membrane inhibition or disruption 

doesn't work 

too well because of the similarities between eucaryotic 
and bacterial membranes. However, the outer membrane 
of Gram-negative bacteria is a reasonable point of attack 
and some membrane inhibitors are included in the 
discussion below.

 

The only antibacterial antibiotics of 

clinical importance that act by this mechanism are 
the polymyxins, produced by Bacillus polymyxa . 

 

 
 
 
 


background image

Unit 2: Bacteriology

 

 

 

66

 

Spectrum of Action 

Each anti-infective agent has a certain spectrum of action, 
which is a range of bacterial species showing natural 
sensitivity to the substance. Some antiinfective agents 
have a narrow spectrum of action (e.g., vancomycin). 
Most, however, have broad spectra like tetracyclines, 
which affect all eubacteria. 
 

Efficacy (syn. kinetics of action) 

The efficacy of an anti-infective agent defines the way it 
affects a bacterial population. Two basic effects are 
differentiated: bacteriostasis, i.e., reversible inhibition of 
growth, and irreversible bactericidal activity. Many 
substances can develop both forms of efficacy depending 
on their concentration, the type of organism, and the 
growth phase. Many of these drugs also have a 
postantibiotic effect (PAE) reflecting the damage inflicted 
on a bacterial population. After the anti-infective agent is 
no longer present, the bacterial cells not killed require a 
recovery phase before they can reproduce again. The PAE 
may last several hours. 

     

Pharmacokinetics 

Pharmacokinetics covers the principles of absorption
distribution, and elimination of pharmacons by the 
macroorganism. You could refere to standard textbooks of 
pharmacology for details. The dosage and dosage interval 
recommendations for antibacterial therapy take into 
account the widely differing pharmacokinetic parameters 
of the different anti-infective agents. 
 

Side Effects 

Treatment with anti-infective agents can cause side 
effects, resulting either from noncompliance with 
important therapeutic principles or specific patient 
reactivity. On the whole, such side effects are of minor 
significance. 

 

Toxic effects

. 

These effects arise from direct cell and 

tissue damage in the macroorganism. Blood 
concentrations of some substances must therefore be 
monitored during therapy if there is a risk of cumulation 
due to inefficient elimination (examples: 
aminoglycosides, vancomycin). 

 

Allergic reactions

For possible mechanisms (example: 

penicillin allergy). 

 

Biological side effects

. 

Example: change in or 

elimination of normal flora, interfering with its function 
as a beneficial colonizer. 

 

 

The Problem of Resistance

There are many features 

of resistance of bacteria:- 

o  Clinical resistance. Resistance of bacteria to the 

concentration of anti-infective agents maintained at the 
infection site in the macroorganism. 

o  Natural resistance. Resistance characteristic of a 

bacterial species, genus, or family. 

o  Acquired resistance. Strains of sensitive taxa can acquire 

resistance by way of changes in their genetic material. 

o  Biochemical resistance. A biochemically detectable 

resistance observed in strains of sensitive taxa. The 
biochemical resistance often corresponds to the clinically 
relevant resistance. Biochemically resistant strains 
sometimes show low levels of resistance below the 
clinically defined boundary separating resistant and 
sensitive strains. Such strains may be medically 
susceptible. 
 

Significance 

 

Problematic bacteria

. Strains with acquired resistance 

are encountered frequently among Enterobacteriaceae, 
pseudomonads, staphylococci, and enterococci. Specific 
infection therapy directed at these pathogens is often 
fraught with difficulties, which explains the label 
problematic bacteria. They are responsible for most 
nosocomial infections. Usually harmless in otherwise 
healthy persons, they may cause life-threatening 
infections in highly susceptible, so-called problematic 
patients. Problematic bacteria are often characterized by 
multiple resistances. Resistance to anti-infective agents is 
observed less frequently in nonhospital bacteria. 

 

Genetic variability

. The basic cause of the high 

incidence of antibiotic resistance experienced with 
problematic bacteria is the pronounced genetic variability 
of these organisms induced by different mechanisms. 
Most important are the mechanisms of horizontal transfer 
of resistance determinants responsible for the efficient 
distribution of resistance markers among these bacteria. 

 

Selection

. The origin and distribution of resistant strains 

is based to a significant extent on selection of resistance 
variants. The more often anti-infective substances are 
administered therapeutically, the greater the number of 
strains that will develop acquired resistance. Each hospital 
has a characteristic flora reflecting its prescription 
practice. A physician must be familiar with the resistance 
characteristics of this hospital flora so that the right anti-
infective agents for a “calculated antibiotic therapy” can 
be selected even before the resistance test results are in. 


background image

Unit 2: Bacteriology

 

 

 

66

 

Such therapies take into account the frequency of 
infections by certain bacterial species (pathogen 
epidemiology) as well as current resistance levels among 
these bacteria (resistance epidemiology). 
 

Resistance Tests 

Two standard test systems are used to determine the in-
vitro resistance levels of bacteria. The dilution series 
tests
, in which the minimum inhibitory concentration 
(MIC) of an anti-infective agent required to inhibit 
proliferation of a bacterial population is determined, and 
the agar dilution test, in which the nutrient agar plates 
containing antibiotic are inoculated (“spotted”) with the 
test organisms. In the microbroth dilution test, the final 
volume is usually 100 µl per microplate well. This test 
type can also be automated. The final volume in a 
macrobroth dilution test is 2 ml per tube. 
    Due to the complexity and time-consuming nature of 
the above test types, routine laboratories often use the 
agar diffusion test. This involves diffuse inoculation of 
the nutrient agar plate with the test strain. Then disks of 
filter paper containing the anti-infective agents are placed 
on the agar. After the plates thus prepared are incubated, 
the inhibition zones around the disks (i.e., whether or not 
they develop and their size) provide information on the 
resistance of the microorganisms tested. This is possible 
because of the linear relation between the log2 MIC and 
the diameter of the inhibition zones. To interpret the 
results, the MICs or inhibition zones are brought into 
relation with the substance concentrations present at a site 
of infection at standard dosage levels. This calculation is 
based on known averages for various pharmacokinetic 
parameters (serum concentration, half-life) and 
pharmacodynamics parameters (bactericidal activity or 
not, postantibiotic effect, etc.). The interpretation also 
takes into account clinical experience gained from therapy 
of infections with pathogens of given suceptibility. Such 
data are used to establish general guideline values 
defining the boundary between susceptible and resistant 
bacteria.The minimum bactericidal concentration 
(MBC) is the smallest concentration of a substance 
required to kill 99.9% of the cells in an inoculum. The 
MBC is determined using quantitative subcultures from 
the macroscopically unclouded tubes or (microplate) 
wells of an MIC dilution series. 

 

Agar Diffusion Test: This method, also known as the 
“disk test,” is 
used to test the resistance of a bacterial culture to 
various anti-infective agents. The method provides a 
basis for classification of a bacterial strain as 
“susceptible,” “resistant,” or “intermediate” 
according to the dimension of the inhibition zone. 

 

Combination Therapy 

  Combination therapy is the term for concurrent 

administration of two or more anti-infective agents. Some 
galenic preparations combine two components in a fixed 
ratio (example: cotrimoxazole). Normally, however, the 
dividual substances in a combination therapy are 
administered separately. 

  Several different objectives can be pursued with 

combination therapy: 

 

Broadening of the spectrum of action. 

In mixed 

infections with pathogens of varying resistance; in 
calculated therapy of infections with unknown, or not yet 
known, pathogenic flora and resistance characteristics. 

 

Delay of resistance development. 

In therapy of 

tuberculosis; when using anti-infective agents against 
which bacteria quickly develop resistance. 

 

Potentiation of efficacy. 

In severe infections requiring 

bactericidal activity at the site of infection. Best-known 
example: penicillin plus gentamicin in treatment of 
endocarditis caused by enterococci or streptococci

 

  Combining the effects of anti-infective drugs can have 

several different effects: 

  No difference. The combination is no more efficacious 

than the more active of the two components alone. 

  Addition. Summation of the effects. 
  Synergism. Potentiation of the effects. 
 

Antagonism

. The combination is less efficacious than 

one of the twocomponents alone. 

 

 

Rule of thumb

combinations of bacteriostatics with 

substances that are bactericidal in the cell division phase 
only often result in antagonism, e.g., penicillin plus 
tetracycline in therapy of pneumococcal pneumonia. 


background image

Unit 2: Bacteriology

 

 

 

60

 

In-vitro investigations of the mechanism of action of a 
combination when used against a pathogen usually 
employ the so-called “checkerboard titration” technique, 
in which the combinatory effects of substances A and B 
are compared using a checkerboard-like pattern. 

 

Chemoprophylaxis 

  One of the most controversial antibiotic uses is 

prophylactic antibiosis. There are no clear-cut solutions 
here. There are certain situations in which 
chemoprophylaxis is clearly indicated and others in which 
it is clearly contraindicated. The matter must be decided 
on a case-by-case basis by weighing potential benefits 
against potential harm (side effects, superinfections with 
highly virulent and resistant pathogens, selection of 
resistant bacteria). 

  Chemoprophylaxis is considered useful in, rheumatic 

fever, pulmonary cystic fibrosis, recurring pyelonephritis, 
following intensive contact with meningococci carriers, 
before surgery involving massive bacterial contamination, 
in heavily immunocompromised patients, in cardiac 
surgery or in femoral amputations due to circulatory 
problems. Chemoprophylaxis aimed at preventing a 
postsurgical infection should begin a few hours before the 
operation and never be continued for longer than 24–72 
hours. 

 

Immunomodulators 

Despite the generally good efficacy of anti-infective 
agents, therapeutic success cannot be guaranteed. 
Complete elimination of bacterial pathogens also requires 
a functioning immune defense system. In view of the fact 
that the number of patients with severe 
immunodeficiencies is on the rise, immunomodulators are 
used as a supportive adjunct to specific antibiotic therapy 
in such patients. Many of these “cytokines” produced by 
the cells of the immune system can now be produced as 
“recombinant proteins.” Myelopoietic growth factors have 
now been successfully used in patients suffering from 
neutropenia. Additional immunomodulators are also 
available, e.g., interferon gamma (IFNc) and interleukin 2 
(IL-2). 
 

 
 
 
 
 
 

Summary: 

 

Specific antibacterial therapy refers to treatment of 
infections with antiinfective agents directed against the 
infecting pathogen. The most important group of anti-
infective agents are the antibiotics, which are products of 
fungi and bacteria (Streptomycetes). Anti-infective agents 
are categorized as having a broad, narrow, or medium 
spectrum of action. The efficacy, or effectiveness, of a 
substance refers to its bactericidal or bacteriostatic effect. 
Anti-infective agents have many different mechanisms of 
action. Under the influence of sulfonamides and 
trimethoprim, bacteria do not synthesize sufficient 
amounts of tetrahydrofolic acid. All betalactam antibiotics 
irreversibly block the biosynthesis of murein. Rifamycin 
inhibits the DNA-dependent RNA polymerase 
(transcription). Aminoglycosides, tetracyclines, and 
macrolides block translation. All 4-quinolones damage 
cellular DNA topology by inhibiting bacterial 
topoisomerases. Due to their genetic variability, bacteria 
may develop resistance to specific anti-infective agents. 
The most important resistance mechanisms are: 
inactivating enzymes, resistant target molecules, reduced 
influx, increased efflux. Resistant strains (problematic 
bacteria) occur frequently among hospital flora, mainly 
Enterobacteriaceae, pseudomonads, staphylococci, and 
enterococci. Laboratory resistance testing is required for 
specific antibiotic therapy. Dilutions series tests are 
quantitative resistance tests used to determine the 
minimum inhibitory concentration (MIC). The disk test is 
a semiquantitative test used to classify the test bacteria as 
resistant or susceptible. In combination therapies it must 
be remembered that the interactions of two or more 
antibiotics can give rise to an antagonistic effect. Surgical 
chemoprophylaxis must be administered as a short-term 
antimicrobial treatment only. 

 

 




رفعت المحاضرة من قبل: Mostafa Altae
المشاهدات: لقد قام 8 أعضاء و 149 زائراً بقراءة هذه المحاضرة








تسجيل دخول

أو
عبر الحساب الاعتيادي
الرجاء كتابة البريد الالكتروني بشكل صحيح
الرجاء كتابة كلمة المرور
لست عضواً في موقع محاضراتي؟
اضغط هنا للتسجيل