Los aminoglucósidos diseñadores previenen la pérdida de células ciliadas cocleares y la pérdida de audición

Los aminoglucósidos diseñadores previenen la pérdida de células ciliadas cocleares y la pérdida de audición

Markus E. Huth,1 Kyu-Hee Han,1 Kayvon Sotoudeh,1 Yi-Ju Hsieh,2 Thomas E ertz,1 Andrew A. Vu,1 Sarah Verhoeven,1 Michael H. Hsieh,2 Robert Greenhouse,1 Alan G. Cheng,1,3 and Anthony J. Ricci1,4

1Department of Otolaryngology — Head and Neck Surgery, 2Department of Urology, 3Department of Pediatrics, and 4Department of Molecular and Cellular Physiology, Stanford University School of Medicine, Stanford, California, USA.

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Las infecciones bacterianas representan un desafío de rápido crecimiento para la salud humana. Los aminoglucósidos son ampliamente utilizados antibióticos de amplio espectro, pero en la pérdida de la audición permanente ict en hasta el 50% de los pacientes, causando pérdida selectiva de células capilares sensoriales. En este sentido, la hipótesis de que la reducción de la entrada de aminoglucósidos en las células ciliadas a través de canales mecotransductor reduciría la ototoxicidad, y por lo tanto, sintetizó 9 aminoglucósidos con modificaciones basadas en las propiedades biofísicas de la célula capilar mecanotransductor canal y las interacciones entre aminoglucósidos y el ribosoma bacteriano. En comparación con el aminoglucósido sisomicina parental, los 9 derivados no presentaron ototóxica reducida, con el compuesto de plomo N1MS 17 veces menos ototóxico y con penetración reducida de los canales del mecanotransductor de células del cabello en cultivos cocleares de rata. Tanto N1MS como sisomicin suprimieron el crecimiento de E. coli y K. pneumoniae, presentando N1MS una actividad superior frente a los productores de β-lactamasa de espectro extendido, a pesar de la disminución de la actividad contra P. aeruginosa y S. aureus. Además, el tratamiento con sisomicina sistémica de ratones dio como resultado una pérdida de células del cabello del 75% al 85% y una pérdida auditiva profunda, mientras que el tratamiento con N1MS preservó tanto las células ciliadas como la audición. Finalmente, en ratones con vejigas infectadas con E. coli, el tratamiento N1MS sistémico eliminó las bacterias de los tejidos del tracto urinario y recogió muestras de orina en serie, sin comprometer las funciones auditivas y del riñón. Juntos, Nuestras conclusiones establecen N1MS como un aminoglucósido no tóxico y apoyar la modificación objetivo como un enfoque prometedor para generar antibióticos no tóxicos.

Introducción

Las infecciones bacterianas comúnmente abruman las defensas del huésped y requieren terapia antimicrobiana. Durante más de veinte años ya pesar de los nuevos antibióticos alternativos, los aminoglucósidos siguen siendo el principal tratamiento en el mundo para numerosas entidades de enfermedad, incluyendo neumonía, peritonitis, sepsis e infección del tracto genitourinario. Las características destacadas de los aminoglucósidos incluyen potentes actividades antimicrobianas y alergias mínimas relacionadas con fármacos. Por otro lado, sus efectos secundarios limitantes principales son la nefrotoxicidad, la pérdida de la función vestibular y la alteración auditiva permanente, que se detecta en aproximadamente el 20% de los pacientes tratados mediante audiometría convencional (3, 4). Cuando se examina la audición de frecuencia más alta, la pérdida auditiva se encuentra en casi la mitad de los pacientes tratados (47%) (5). Esta prevalencia puede ser incluso mayor en períodos más largos después del tratamiento cuando se considera la semivida prolongada del fármaco en la cóclea del oído interno y la naturaleza irreversible de la pérdida de células ciliadas cocleares (6). A pesar de estos efectos secundarios, la Organización Mundial de la Salud recomienda los aminoglucósidos como antimicrobianos críticamente importantes para uso clínico (7). En la actualidad, la pérdida auditiva inducida por aminoglucósidos representa una de las formas iatrogénicas y evitables más comunes de pérdida auditiva.

Ciclo de interés: Se ha llevado a cabo una solicitud de patente sobre la síntesis de un nuevo aminoglucósido (solicitud nº 14 / 212.964, Alan G. Cheng, Robert Greenhouse, Anthony J. Ricci). Enviado: 21 de julio de 2014; Aceptada: 13 de noviembre de 2014. Información de referencia: J Clin Invest. 2015; 125 (2): 583 - 592. Doi: 10.1172 / JCI77424.

Tanto en los seres humanos como en los animales, los aminoglucósidos causan pérdida auditiva al inducir la degeneración sensitiva de las células ciliadas (3, 4). El fármaco se transporta por primera vez a través de la barrera del laberinto de sangre para entrar en los compartimentos del oído interno llenos de endolinfa (8). Luego atraviesa los canales del transductor mecánico u otros canales catiónicos para entrar en las células ciliadas (9-11), resultando en la desaparición celular más probable como resultado de la generación de especies reactivas de oxígeno (3, 12). Los esfuerzos anteriores para neutralizar la ototoxicidad de los aminoglucósidos han enfatizado la administración de antioxidantes, aunque la eficacia de este enfoque es limitada (4, 13-15), en parte debido a la larga vida media de los aminoglucósidos una vez que entran en las células ciliadas.

Por otra parte, estudios recientes sugieren que las diferencias estructurales de los compuestos aminoglucósidos pueden contribuir a la ototoxicidad diferencial (16, 17). En particular, la apramicina, un aminoglucósido usado en medicina veterinaria, es menos tóxico para las células capilares, y su menor toxicidad se correlaciona con su menor afinidad con los ribosomas eucarióticos que con los ribosomas bacterianos (16). Aunque esto es una prueba de concepto de que diferentes sitios químicos en el aminoglucósido contribuyen a la actividad antimicrobiana ya la ototoxicidad, varios derivados de aminoglucósidos exhiben una menor ototoxicidad pero carecen de actividad antibacteriana (18). Por lo tanto, un mecanismo para modificar aminoglucósido para eliminar sus efectos ototóxicos mientras que preserva su efecto antimicrobiano sigue siendo elusive.

Las células ciliadas del oído interno son mecanorreceptores equipados únicamente con canales mecanotransductores (MET) situados en sus paquetes estereoculares (19). Debido a que el transporte de aminoglucósidos

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Figura 1. Los nuevos aminoglucósidos han disminuido la ototoxicidad in vitro. (A) Esquema que muestra que los canales MET no selectivos de células capilares son permeables a cationes (calcio y aminoglucósidos). (B) El compuesto de sisomicina está compuesto de 3 anillos. Se hicieron modificaciones dirigidas a los grupos amina en el segundo anillo (N1) y tercero (N3 "). Se utilizaron tres grupos químicos distintos para modificar la sisomicina: MS, PS y BZ. N1BZ: R ^ {1} = BZ, R ^ {2} = H; N _ {1MS}: R _ {1} = EM, R _ {2} = H; N1PS: R _ {1} = PS, R _ {2} = H; N1,3 "BZ: R1 = BZ, R2 = BZ; N1,3 "MS: R ^ {1} = EM, R ^ {2} = EM; N1,3 "PS: R1 = PS, R2 = PS; N _ {3} "BZ: R _ {1} = H, R _ {2} = BZ; N _ {3} "MS: R _ {1} = H, R _ {2} = EM; N _ {3} \ rightarrow PS: R _ {1} = H, R _ {2} = PS. (C) Paradigma experimental utilizando cócleas de ratas P4 para evaluar la ototoxicidad de la sisomicina y sus derivados in vitro. AG, aminoglucósido. (D) Micrografía representativa del giro basal de cócleas cultivadas no dañadas, que muestran células ciliadas externas e internas que expresan miosina VIIa (OHC e IHC). (E) Cicloas tratadas con sisomicina (200 μM) que muestran una pérdida dramática de células ciliadas externas. (F) Las células ciliadas se conservaron en cocleas cultivadas con N1MS (200 μM). (G) Supervivencia de células capilares (normalizada a cócleas cultivadas no dañadas) en cócleas (divididas en 3 regiones [base, media y ápice]) tratadas con sisomicina o sus derivados (todos 200 μM). Sisomicin causó un gradiente basal-apical de la pérdida de células capilares, mientras que el tratamiento con cada uno de los 9 derivados de sisomicina causó menos pérdida de células del cabello. (H) Análisis de dosis-respuesta que comparan la dosis de sisomicina y el tratamiento con N1MS con la pérdida de células ciliadas en el giro basal de la cóclea. Sigmoidal mejor ts estimado KDs de sisomicin y N1MS a 100 μ M y 1,7 mM, respectivamente. Los datos se muestran como media ± SEM. N = 4-10 para G y H. Barra de escala: 25 μm.

(9, 20-23), hemos rediseñado y modificado el aminoglucósido sisomicina en base a las propiedades biofísicas de los canales MET de células capilares (24) y las interacciones ribosomas bacterianos aminoglucósidos (25 ). Aquí, hemos caracterizado 9 derivados de sisomicina con ototoxicidad disminuida in vitro, con 3 de los 9 compuestos que exhiben anti-E comparable. Coli al compuesto de origen sisomicina. El compuesto de plomo, N1MS, mostró permeación reducida del canal MET, probablemente debido a la carga reducida por molécula de N1MS. En un modelo murino de sordera inducida por aminoglucósidos, N1MS fue significativamente menos ototóxico que sisomicina. Finalmente, el tratamiento con N1MS eliminó la infección del tracto urinario in vivo. Colectivamente, nuestro estudio caracteriza un novedoso aminoglucósido no tóxico y también introduce un enfoque para modificar los aminoglucósidos existentes que pueden reducir la ototoxicidad manteniendo la actividad antimicrobiana.

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