مواضيع المحاضرة: antimicrobial chemotherapy
background image

Dr.Ahmed Rushdi

 


background image

Drugs have been used for the treatment of infectious 

diseases  since  the  17th  century  (eg,  quinine  for 

malaria, emetine for amebiasis). 

however, 

chemotherapy  as  a  science  began  in  the 

first decade of the 20th century with understanding 

of  the  principles  of  selective  toxicity

,  the  specific 

chemical relationships between microbial pathogens 

and drugs, the development of drug resistance, and 

the role of combined therapy.  

Experiments  led  to  the  arsphenamines  for  syphilis, 

the first planned chemotherapeutic regimen.  

 

 


background image

The  current  era  of  antimicrobial  chemotherapy 

began  in  1935  with  the  discovery  of  the 

sulfonamides.  

In  1940,  it  was  demonstrated  that  penicillin, 

discovered in 1929, could be an effective therapeutic 

substance.  

During  the  next  25  years,  research  on 

chemotherapeutic  agents  centered  largely  around 

substances of microbial origin called antibiotics.  

The isolation, concentration, purification, and mass 

production  of  penicillin  were  followed  by  the 

development 

of 

streptomycin, 

tetracyclines, 

chloramphenicol, and many other agents.    
 


background image

Antimicrobial drugs act in one of several 

ways:  

by selective toxicity,  

by inhibition of cell membrane synthesis 

and function,  

by inhibition of protein synthesis, or  

by inhibition of nucleic acid synthesis 

   
 


background image

background image

An  ideal  antimicrobial  agent  exhibits  selective 

toxicity, which means that the drug is harmful to a 

pathogen without being harmful to the host.  

Often,  selective  toxicity  is  relative  rather  than 

absolute; this implies that a drug in a concentration 

tolerated  by  the  host  may  damage  an  infecting 

microorganism.  

Selective  toxicity  may  be  a  function  of  a  specific 

receptor  required  for  drug  attachment,  or  it  may 

depend  on  the  inhibition  of  biochemical  events 

essential to the pathogen but not to the host.  

 

   
 


background image

background image

Bacteria have a rigid outer layer, the cell wall. The cell wall 

maintains  the  shape  and  size  of  the  microorganism,  which 

has a high  internal osmotic pressure. Injury to the cell wall 

(eg, by lysozyme) or inhibition of its formation may lead to 

lysis of the cell.  

In a hypertonic environment (eg, 20% sucrose), damaged cell 

wall  formation  leads  to  formation  of  spherical  bacterial 

"protoplasts" 

from 

gram-positive 

organisms 

or 

"spheroplasts" from gram-negative organisms;  

these forms are limited by the fragile cytoplasmic membrane. 

If  such  protoplasts  or  spheroplasts  are  placed  in  an 

environment of ordinary tonicity, they take up fluid rapidly, 

swell, and may explode.  

Specimens  from  patients  being  treated  with  cell  wall-active 

antibiotics often show swollen or misshapen bacteria.    
 


background image

background image

background image

The cell wall contains a chemically distinct complex 

polymer 

"mucopeptide" 

("peptidoglycan") 

consisting  of  polysaccharides  and  a  highly  cross-

linked polypeptide. 

The  polysaccharides  regularly  contain  the  amino 

sugars  N-acetylglucosamine  and  acetylmuramic 

acid.  The  latter  is  found  only  in  bacteria.  To  the 

amino sugars are attached short peptide chains.  

The peptidoglycan layer is much thicker in the cell 

wall  of  gram-positive  than  of  gram-negative 

bacteria.  

 

 


background image

background image

All -lactam drugs are selective inhibitors of bacterial 

cell  wall  synthesis  and  therefore  active  against 

growing bacteria.  

This  inhibition  is  only  one  of  several  different 

activities  of  these  drugs,  but  it  is  the  best 

understood.  

The initial step in drug action consists of binding of 

the  drug  to  cell  receptors  (penicillin-binding 

proteins; PBPs).  

There are three to six PBPs (MW 4–12 x 105), some 

of which are transpeptidation enzymes.  
 


background image

background image

Different  receptors  have  different  affinities  for  a 

drug, and each may mediate a different effect.  

For  example,  attachment  of  penicillin  to  one  PBP 

may result chiefly in abnormal elongation of the cell, 

whereas  attachment  to  another  PBP  may  lead  to  a 

defect in the periphery of the cell wall, with resulting 

cell lysis

.  

PBPs are under chromosomal control, and mutations 

may  alter  their  number  or  their  affinity  for  -lactam 

drugs.    

 

 

 


background image

background image

Resistance  to  penicillins  may  be  determined  by  the 

organism's  production  of  penicillin-destroying  enzymes  (-

lactamases). -Lactamases open the -lactam ring of penicillins 

and cephalosporins and abolish their antimicrobial activity.  

-Lactamases have been described for many species of gram-

positive  and  gram-negative  bacteria.  Some  -lactamases  are 

plasmid-mediated  (eg,  penicillinase  of  S  aureus),  while 

others  are  chromosomally  mediated  (eg,  many  species  of 

gram-negative bacteria).  

All  of  the  more  than  30  plasmid-mediated  -lactamases  are 

produced constitutively and have a high propensity to move 

from  one  species  of  bacteria  to  another  (eg,  -lactamase-

producing  Neisseria  gonorrhoeae,  Haemophilus  influenzae,  and 

enterococci).  

Chromosomally mediated -lactamases may be constitutively 

produced  (eg,  Bacteroides,  Acinetobacter),  or  they  may  be 

inducible (eg, EnterobacterCitrobacterPseudomonas).  

 

 


background image

background image

The  cytoplasm  of  all  living  cells  is  bounded  by  the 

cytoplasmic  membrane,  which  serves  as  a  selective 

permeability  barrier,  carries  out  active  transport 

functions, and thus controls the internal composition of 

the cell.  

If the functional integrity of the cytoplasmic membrane 

is disrupted, macromolecules and ions escape from the 

cell, and cell damage or death ensues.  

The cytoplasmic membrane of bacteria and fungi has a 

structure different from that of animal cells and can be 

more 

readily 

disrupted 

by 

certain 

agents. 

Consequently, selective chemotherapy is possible. 


background image

background image

Detergents,  which  contain  lipophilic  and  hydrophilic 

groups,  disrupt  cytoplasmic  membranes  and  kill  the 

cell . 

One class of antibiotics, the 

polymyxins

, consists of 

detergent-like  cyclic  peptides  that  selectively  damage 

membranes  containing  phosphatidylethanolamine,  a 

major component of bacterial membranes.  

A  number  of  antibiotics  specifically  interfere  with 

biosynthetic functions of the cytoplasmic membranes—

eg,  nalidixic  acid  and  novobiocin  inhibit  DNA 

synthesis,  and  novobiocin  also  inhibits  teichoic  acid 
synthesis. 


background image

background image

A  third  class  of  membrane-active  agents  is  the 

ionophores,  compounds  that  permit  rapid  diffusion  of 

specific cations through the membrane.  

Valinomycin,  for  example,  specifically  mediates  the 

passage of potassium ions.  

Some  ionophores  act  by  forming  hydrophilic  pores  in 

the  membrane;  others  act  as  lipid-soluble  ion  carriers 

that  behave  as  though  they  shuttle  back  and  forth 

within the membrane. 

Ionophores can kill  cells by discharging  the membrane 

potential, 

which 

is 

essential 

for 

oxidative 

phosphorylation,  as  well  as  for  other  membrane-

mediated  processes;  they  are  not  selective  for  bacteria 

but act on the membranes of all cells.    
 


background image

  

Bacteria  have  70S  ribosomes,  whereas  mammalian 

cells have 80S ribosomes.  

In  normal  microbial  protein  synthesis,  the  mRNA 

message  is  simultaneously  "read"  by  several 

ribosomes  that  are  strung  out  along  the  mRNA 

strand. These are called 

polysomes.

  

Examples  of  drugs  acting  by  inhibition  of  protein 

synthesis  are  the 

erythromycins,  lincomycins, 

tetracyclines,  glycylcyclines,  aminoglycosides,  and 
chloramphenicol. 


background image

background image

background image

The  mode  of  action  of  streptomycin  has  been  studied  far  more 

intensively than that of other aminoglycosides, but all probably act 

similarly.  

The first step 

is the attachment of the aminoglycoside to a specific 

receptor  protein  (P  12  in  the  case  of  streptomycin)  on  the  30S 

subunit of the microbial ribosome. 

Second,

  the  aminoglycoside  blocks  the  normal  activity  of  the 

"initiation  complex"  of  peptide  formation  (mRNA  +  formyl 

methionine + tRNA).  

Third,

 the mRNA message is misread on the "recognition region" 

of  the  ribosome;  consequently,  the  wrong  amino  acid  is  inserted 

into the peptide, resulting in a nonfunctional protein.  

Fourth,

  aminoglycoside  attachment  results  in  the  breakup  of 

polysomes  and  their  separation  into  monosomes  incapable  of 

protein synthesis.  

These activities occur more or less simultaneously, and the overall 

effect is usually an irreversible event—killing of the bacterium. 


background image

background image

background image

Chromosomal 

resistance 

of 

microbes 

to 

aminoglycosides principally depends on the lack of 

a specific protein receptor on the 30S subunit of the 

ribosome.  

Plasmid-dependent  resistance 

to  aminoglycosides 

depends on the production by the microorganism of 

adenylylating,  phosphorylating,  or  acetylating 

enzymes that destroy the drugs.  

A third type of resistance consists of a 

"permeability 

defect,"

  an  outer  membrane  change  that  reduces 

active  transport  of  the  aminoglycoside  into  the  cell 

so  that  the  drug  cannot  reach  the  ribosome.  Often 

this is plasmid-mediated. 


background image

These 

drugs 

(erythromycins, 

azithromycin, 

clarithromycin, and roxithromycin and the ketolide, 

telithromycin)  bind  to  the  50S  subunit  of  the 

ribosome, and the binding site is a 23S rRNA.  

They  may  interfere  with  formation  of  initiation 

complexes  for  peptide  chain  synthesis  or  may 

interfere with aminoacyl translocation reactions.  

Some  macrolide-resistant  bacteria  lack  the  proper 

receptor  on  the  ribosome  (through  methylation  of 

the  rRNA).  This  may  be  under  plasmid  or 
chromosomal control. 


background image

background image

Clindamycin binds to the 50S subunit of the 

microbial ribosome and resembles macrolides in 

binding site, antibacterial activity, and mode of 

action.  

Chromosomal mutants are resistant because 

they lack the proper binding site on the 50S 

subunit. 


background image

background image

background image

Tetracyclines  bind  to  the  30S  subunit  of  microbial 

ribosomes.  They  inhibit  protein  synthesis  by  blocking 

the attachment of charged aminoacyl-tRNA.  

Thus, they prevent introduction of new  amino acids to 

the  nascent  peptide  chain.  The  action  is  usually 

inhibitory and reversible upon withdrawal of the drug.  

Resistance 

to 

tetracyclines 

occurs 

by 

three 

mechanisms—efflux, 

ribosomal 

protection, 

and 

chemical  modification.  The  first  two  are  the  most 

important  and  occur  as  follows:  Efflux  pumps,  located 

in  the  bacterial  cell  cytoplasmic  membrane,  are 

responsible for pumping the drug out of the cell.  


background image

Tet gene products are responsible for protecting the 

ribosome,  likely  through  mechanisms  that  induce 

conformational  changes.  These  conformational 

changes  either  prevent  binding  of  the  tetracyclines 

or cause their dissociation from the ribosome.  

This  is  often  plasmid-controlled.  Mammalian  cells 

do not actively concentrate tetracyclines.    
 


background image

The  glycylcyclines  are  synthetic  analogues  of  the 

tetracyclines.  

The  agent  that  is  available  for  use  in  the  United 

States  and  Europe  is  tigecycline,  a  derivative  of 

minocycline.  

The  glycylcyclines  inhibit  protein  synthesis  in  a 

manner  similar  to  the  tetracyclines;  however,  they 

are bactericidal, likely due to their more avid binding 

to the ribosome.  


background image

Tigecycline is active against a broad range of gram-

positive  and  gram-negative  bacteria,  including 

strains resistant to the typical tetracyclines.  

The  clinical  activity  of  this  agent  is  still  undergoing 

investigation,  but  currently  its  major use  appears  to 

be  in  the  treatment  of  skin  and  skin  structure 

infections  and  in  intra-abdominal  infections, 

particularly  caused  by  bacterial  pathogens  resistant 
to a variety of other antimicrobial agents. 


background image

Chloramphenicol  binds  to  the  50S  subunit  of  the 

ribosome.  It  interferes  with  the  binding  of  new  amino 

acids  to  the  nascent  peptide  chain,  largely  because 

chloramphenicol inhibits peptidyl transferase.  

Chloramphenicol  is  mainly  bacteriostatic,  and  growth 

of  microorganisms  resumes  when  the  drug  is 

withdrawn.  

Microorganisms  resistant  to  chloramphenicol  produce 

the  enzyme  chloramphenicol  acetyltransferase,  which 

destroys drug activity.  

The production of this enzyme is usually under control 
of a plasmid. 


background image

background image

Quinupristin/dalfopristin is a combination 

of two pristinamycin derivatives.  

These  two  agents  act  synergistically  to 

achieve  bactericidal  activity  against  gram-

positive bacteria not seen with either agent 

alone.  

The  mechanism  of  action  appears  to  be 

irreversible binding to different sites on the 
50S ribosome. 


background image

The  oxazolidinones  are  a  relatively  new 

class  of  antimicrobial  agents  that  possess  a 

unique  mechanism  of  inhibition  of  protein 

synthesis 

primarily 

in 

gram-positive 

bacteria.  

These compounds interfere with translation 

by  inhibiting  the  formation  of  N-

formylmethionyl-tRNA, 

the 

initiation 

complex at the 30S ribosome.  

Linezolid  is  the  agent  that  is  currently 

commercially available. 


background image

Examples  of  drugs  acting  by  inhibition  of  nucleic 

acid  synthesis  are  the  quinolones,  pyrimethamine, 

rifampin, 

sulfonamides, 

trimethoprim, 

and 

trimetrexate.  

Rifampin  inhibits  bacterial  growth  by  binding 

strongly  to  the  DNA-dependent  RNA  polymerase 

of bacteria. 

 Thus, it inhibits bacterial RNA synthesis. Rifampin 

resistance  results  from  a  change  in  RNA 

polymerase  due  to  a  chromosomal  mutation  that 

occurs with high frequency.  


background image

background image

 

The mechanism of rifampin action on viruses 

is  different.  It  blocks  a  late  stage  in  the 

assembly of poxviruses. 

All  quinolones  and  fluoroquinolones  inhibit 

microbial  DNA  synthesis  by  blocking  DNA 

gyrase. 

For  many  microorganisms,  p-aminobenzoic 

acid (PABA) is an essential metabolite.  
 


background image

background image

The  specific  mode  of  action  of  PABA  involves  an 

adenosine 

triphosphate 

(ATP)-dependent 

condensation  of  a  pteridine  with  PABA  to  yield 

dihydropteroic  acid,  which  is  subsequently 

converted to folic acid.  

PABA is involved in the synthesis of folic acid, an 

important  precursor  to  the  synthesis  of  nucleic 

acids.  

Sulfonamides  are  structural  analogs  of  PABA  and 
inhibit dihydropteroate synthetase. 


background image

background image

Sulfonamides can enter into the reaction in place of 

PABA  and  compete  for  the  active  center  of  the 

enzyme.  

As a result, nonfunctional analogs of folic acid are 

formed,  preventing  further  growth  of the  bacterial 

cell. 

The  inhibiting  action  of  sulfonamides  on  bacterial 

growth can be counteracted by an excess of PABA 

in the environment (competitive inhibition).  

Animal cells cannot synthesize folic acid and must 

depend upon exogenous sources.  


background image

Some bacteria, like animal cells, are not inhibited by 

sulfonamides.  

Many other bacteria, however, synthesize folic acid 

as  mentioned  above  and  consequently  are 

susceptible to action by sulfonamides. 

Trimethoprim  (3,4,5-trimethoxybenzylpyrimidine) 

inhibits  dihydrofolic  acid  reductase  50,000  times 

more  efficiently  in  bacteria  than  in  mammalian 

cells.  


background image

This 

enzyme 

reduces 

dihydrofolic 

to 

tetrahydrofolic acid, a stage in the sequence leading 

to the synthesis of purines and ultimately of DNA.  

Sulfonamides  and  trimethoprim  each  can  be  used 

alone to inhibit bacterial growth.  

If used together, they produce sequential blocking, 

resulting in a marked enhancement (synergism) of 

activity.  
 
 
 


background image

If used together, they produce sequential blocking, 

resulting in a marked enhancement (synergism) of 

activity.  

Such  mixtures  of  sulfonamide  (five  parts)  plus 

trimethoprim  (one  part)  have  been  used  in  the 

treatment  of  pneumocystis  pneumonia,  malaria, 

shigella  enteritis,  systemic  salmonella  infections, 

urinary tract infections, and many others. 


background image

Pyrimethamine 

also 

inhibits 

dihydrofolate 

reductase, but it is more active against the enzyme 

in  mammalian  cells  and  therefore  is  more  toxic 

than trimethoprim.  

Pyrimethamine plus sulfonamide or clindamycin is 

the  current  treatment  of  choice  in  toxoplasmosis 
and some other protozoal infections. 


background image



رفعت المحاضرة من قبل: Muqdad A Younis
المشاهدات: لقد قام 6 أعضاء و 96 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