Antivirale Chemotherapie Anforderungen an antivirale ... · HIV Virus Enzym Wirkungsweise....

2008 by Ruth Brack-WernerMolekulare Virologie

Antivirale Chemotherapie

Anforderungen an antivirale Substanzen:

• hohe Spezifität gegen das Virus bzw. infizierte Zellen;

• geringe Toxizität für uninfizierte Zellen im Wirt;


Chemotherapeutischer Index

Minimale zytotoxische Konzentration> 100

Minimale antivirale Konzentration


Die ideale antivirale Substanz :

• wasserlöslich;

• gute Bioverfügbarkeit;

• erreicht eine Konzentration im Blut, die 10-15 mal über dem IC50 Wert liegt;

• wird von infizierten Zellen aufgenommen;

• hat wenig bis keine Nebenwirkungen;

• kann über den Magen-Darm-Trakt aufgenommen werden;


Limitierung der antiviralen Chemotherapie

Substanzen hemmen den Eintritt des Virus in die Wirtszelle bzw. die Vermehrung des Virus in der Wirtszelle

Nicht wirksam zur Beseitigung chronischer bzw. latenter Infektionen.


Das Spiel mit dem Feuer

Die Gefahr der Selektion von resistenten Viren

Principles of Virology, 2004. Flint SJ, Enquist LW, Racaniello VR,Skalka AM, 2nd edition. ASM Press. Appendix, Fig. 19.32

Resistente Viren


Entwicklung eines antiviralen Medikaments

Teuer: 100 bis 500 Millionen US$;

Langwierig: 5 -10 Jahre;



Identifizierung von antiviralen Substanzen



Identifizierung von antiviralen Substanzen: Klinische Studien

http://www.netsci.org/Science/Special/Images/Bierer/figure2.gif

Phase I: Sicherheit

Phase II: Wirksamkeit

Phase III: Vergleich der Wirksamkeit und Nebenwirkungen mit zugelassenen Medikamenten;

Phase IV: Re-Evaluation von Nebenwirkungen.

Phase I II III IV

Prob

ande

nzah

l


Nutzung spezifischer viraler Enzyme zur Bekämpfung des Virus (I)

Foscarnet

Gancyclovir

Acyclovir

Nevirapine

Azidothymidin

Substanz-Beispiel

Nicht-NukleosidischerHemmstoff; BlockiertPyrophosphat-Bindungsstelle d. Enzyms

DNA PolymeraseCMV

Nukleosid AnalogonDNA PolymeraseBenötigt UL98 Kinase

Cytomegalovirus (CMV)

Nukleosid AnalogonDNA Polymerase Benötigt virale Thymidin kinase

Herpes simplex Virus

Nicht-NukleosidischerHemmstoff : Blockierungder katalytischen Aktivitätdes Enzyms;

Reverse Trankriptase

HIV

Nukleosid-Analoga:Kettenabbruch bei der DNA Synthese

Reverse Trankriptase

HIV

WirkungsweiseEnzymVirus


Nutzung/Hemmung spezifischer viralerProteine zur Bekämpfung des Virus (II)

RibavirinEinbau in RNA führt zur Mutation des Genoms: RNA Mutagen

RNA-abhängige RNA Polymerase

HCV, HSV, Masernvirus, Mumps virus, Lassa Virus

AmantadinHemmt die Funktion der M2 Protonenpumpe; Verhindert das “Uncoating”des Virus

M2Influenza A Virus

Oseltamivir(Tamiflu)

Saquinavir

Substanz-Beispiel

Hemmt Neuraminidase indem es an das aktiveZentrum bindet; hemmt Virusfreisetzung

NeuraminidaseInfluenza A, B

Nicht-spaltbares Substrat-Analog; Peptidomimetic; Hemmt Virusreifung

ProteaseHIV

WirkungsweiseViralesProtein

Virus


Chemotherapeutika gegen HIV


Inhibitoren der reversen Transkriptase


Nucleoside reverse transcriptase inhibitors (NRTI) =Nukleosid-Analoga

Pomerantz et al., 2003. Nat. Med. 9, 867-873.


Zur Erinnerung:DNA Synthese setzt eine freie OH Gruppe am 3’ Ende der

DNA Kette voraus

DNA Kette

Nukleotid

Nukleophiler Angriff

..

PPPP

P P P

Neue Phosphodiesterbrücke


OH

OH

OH

OH

Aus”Molekulare Virologie”, Modrow, Falk, Truyen, 2.Auflage, 2003, Spektrum Akademischer Verlag, Kap. 19l, Fig.9.2.A

Einbau von Nukleosid-Analoga blockieren die weitere DNA Synthese (Kettenabbruch): Beispiel AZT


Beispiele für Nucleosid-Analoga gegen HIV:

Zidovudin:Azidothymidin (AZT)

DidanosinDidesoxyinosine(ddI) -> ddA in derzelle

Stavudine(d4T)Stavudine(d4T)

Zalcitabine: Didesoxycytidin(ddC)


Azidothymidin wird erst in der Zelle in die aktive Form gebracht (Prodrug)

Principles of Virology, 2004. Flint SJ, Enquist LW, Racaniello VR,Skalka AM, 2nd edition. ASM Press. Appendix, Fig. 19.21B


Kreuz-Resistenzen

Mutierte AS Positionen in der Reversen Transkriptase, die mit Resistenzen gegen Nukleosid Analoga einher gehen


Non-nucleoside reverse transcriptase inhibitors (NNRTI)

Pomerantz et al., 2003. Nat. Med. 9, 867-873.

NN N

NCH3 OH

Non-Nucleoside Reverse Transcriptase Inhibitor (NNRTI):

Nevirapine

Non-Nucleoside Reverse Transcriptase Inhibitor (NNRTI):

Nevirapine



Action. Not nucleoside analogs; bind directly to RT and inhibit it.

Nevirapine. Binds to a pocket near the RT active site, and inactivates the enzyme. Relatively cheap; may be useful for prevention of maternal-to-infant transmission in developing nations.

Delavirdine, Efavirenz. Other NNTRIs. Efavirenz was the first anti-HIV drug with once-daily dosing.

Non-Nucleoside RT inhibitors (NNRTIs)


Kreuz-Resistenzen

Mutierte AS Positionen in der Reversen Transkriptase, die mit Resistenzen gegen Nicht-nukleosidischen RT Inhibitoren einher gehen


Inhibitoren der HIV Protease


Protease wird benötigt zur Reifung der Viruspartikel


translation

gag

gag

pol

pol

pol

pol

env

Polyproteins

Autoactivation

Release of activeHIV protease

structural proteins

protease integrase

Reverse transcriptase+ RNase H

HIV protease

Protease spaltet Gag-Vorläuferproteine


HIV Protease Erkennungssequenzen:Natürliche Substrate

Ala-Arg-Val-Leu -Ala-Glu-Ala

Ser-Phe- Asn-Phe-Pro-Gln-Ile

AUTOCLEAVAGE:

Thr-Leu- Asn-Phe-Pro-Ile-Ser

CLEAVAGE OF GAG:

CLEAVAGE OF POL:

Arg-Lys-Ile-Leu -Phe-Leu-Asp

Ser-Gln-Asn-Tyr-Pro-Ile-Val

Ala-Thr-Ile-Met -Met-Gln-Arg

Pro-Gly- Asn-Phe-Leu-Gln-Ser

Arg-Gln-Ala-Asn-Phe-Leu-Gly

Arg-Gln-Ala-Asn-Phe-Leu-Gly

P4 P3 P2 P1 P1' P2' P3'


Hemmung der HIV Protease durch ein Nicht-spaltbares künstliches Peptid-Substrat

(Peptidomimetic)


SaquinavirSonstige Inhibitoren der HIV-Protease:

RitonavirIndinavirNelfinavirAmprenavir

(Gag)


Struktur von HIV-1 Protease-Dimer mit gebundenem Inhibitor (Saquinavir)

http://pharm1.pharmazie.uni-greifswald.de/bednarski_web/web/data/personen/Lectures/Virustatika/Protease_saquinavir.jpg


Amprenavir

Lopinavir

Atazanavir

Ritonavir

Indinavir

Saquinavir

Nelfinavir

90 84 82

Mutierte AS Positionen in resistenten Proteasen


Mono”therapie”

Nur bei schwangeren Frauen.

Behandlung mit Zidovudine um das Risiko der Infektion des Kindes zu vermindern.Beginn: 14.-34 SchwangerschaftwocheBehandlung mit mindestens 10 x höhere Dosis (Infusion) während der Geburt. Behandlung des Kindes bis 6 Wochen nach Geburt.


Highly active antiretroviral therapy (HAART)

Kombination von mehreren antiviralen Medikamente; Können aus verschiedenen Inhibitorklassen sein (z.B. 2 NRTI und 1 Protease Inhibitor).

Oft besteht die intitiale Therapie aus mehrere Medikamenten der selben Inhibitorgruppe, um sich die weiteren Inhibitorgruppen für spätere Anwendungen “aufzusparen”.

Therapie-Erfolg: Mindestens 1.0 log10 Abnahme der Viruslast im Plasma 2-8 Wochen nach Therapiebeginn.

Virus nicht nachweisbar (<50 Kopien/ml) 4-6 Monate nach Therapiebeginn.


Indikation für die Initiation von HAART

Klin. Kategorie CD4+ Zellzahl Plasma HIV EmpfehlungZellen / mm3 Kopien/ml

Symptomat. Beliebig beliebig behandeln

Asymptom. < 200 beliebig behandeln:

Asymptomat. 200 - 350 beliebig abwägen;

Asymptomat. > 350 > 55 000 hängt vomKliniker ab.

Asymptomat. > 350 < 55 000 später behandeln.

Drug toxicity and inconvenience. Expense.Viral Drug Resistance.Residual Virus Replication. HIV continues to replicate because drugs do not penetrate all tissues/compartments.Long-Lived Reservoirs of Virus Infection. HIV-infected activated T cells live ~1 day and make 99% of the virus in the body. Other virus-infected cells, however, can survive for long periods during HAART: (1) macrophages (half-life = ~14 days); (2) memory T cells (half-life = ~6 months)

Problems with HAART


Die häufigsten Nebenwirkungen von anti-HIV Medikamenten

NRTI periphere Neuropathien

NNRTI Hautausschlag, Übelkeit, erhöhte Leberwerte

Proteaseinhibitoren: Durchfall, Übelkeit, Nierensteine,Fettstoff-

wechselstörungen


gp120

gp41

TM resolves into a hairpin structure that pulls the cell into close proximity for fusion and viral entry

Gp120 binding to CD4 causes change in TM conformation, enabling fusion peptide to contact and insert into cell membrane

Unexposed fusion peptide

Kilby et al., 98. Nat. Med. 4, 1302-1307.

T-20 peptide: HIV entry (fusion) inhibitor


Principles of Virology, 2004. Flint SJ, Enquist LW, Racaniello VR,Skalka AM, 2nd edition. ASM Press. Appendix, Tab. 19.11


Chemotherapeutika gegen Herpesviren


Chemotherapeutika gegen Herpesviren: AcyclovirWirksamkeit:

HSV-1, -2 > VZV > CMV

Wirkungsmechanismen: - Bevorzugt von viraler Thymidinkinase (TK) zum

Monophosphat phosphorlyiert; -als Triphosphat Kompetitor für dGTP: Kettenabbruch bei Synthese der viralen DNA

Resistenzgene: TK; virale DNA polymerase (seltener)

Anwendung: Genital-Herpes, Herpes labialis, Herpes keratitis, Herpes encepahilits

Nebenwirkungen: gering


Acyclovir wird zuerst von der viralen Thymidin-Kinase phosphoryliert (Monophosphat) und dann von zellulären Kinasen (Di- bzw. Triphosphat)


Chemotherapeutika gegen Herpesviren: GancyclovirWirksamkeit:

CMV, Herpesviren

Wirkungsmechanismen: - Bevorzugt von viraler Thymidinkinase (CMV-

UL98; HSV-TK) zum Monophosphat phosphorlyiert; - als Triphosphat Kompetitor für dGTP;

kein obligater Kettenabbruch.

Resistenzgene: UL98, TK; virale DNA polymerase (seltener)

Anwendung: CMV Infektion bei Immungeschwächten Personen; Herpes Zoster

Nebenwirkungen: Verminderte Leukozytenzahl;


Chemotherapeutika gegen Influenzaviren


Vermehrungszyklus Influenza

Amantadine

Relenza, Oseltamivir (=Tamiflu)


Chemotherapeutika gegen Influenza: AmantadineWirksamkeit:

Influenza A Virus (nicht Influenza B!)

Wirkungsmechanismen: Blockiert den durch M2 gebildeten H+ Kanal und

verhindert dadurch die Freigabe der viralen RNA aus dem Partikel

Resistenzgene: M2

Anwendung: Influenza A Infektion

Nebenwirkungen: Zentral-nervöse Storungen: Halluzinationen; Disorientierung; Schlaflosigkeit


Chemotherapeutika gegen Influenza:


Chemotherapeutika gegen Influenza: Tamiflu®

Wirksamkeit: gegen Influenza A und Influenza B Virus;

Wirkungsmechanismus: Inhibiert die virale Neuraminidase

Resistenz: Mutationen im Neuraminidase-Gen; Resistenzen aufgetreten in zwei H5N1 infizierten Personen in Vietnam;

Anwendung: Innerhalb von 48 Stunden nach Auftreten der ersten Symptome; orale Einnahme (Relenza® muss inhaliert werden).

Nebenwirkungen: Übelkeit, Erbrechen


Breitspektrum Chemotherapeutikum Ribavirin Wirksam gegen DNA und RNA Viren.

Wirkungsmechanismen: nicht geklärt;- Stärkung der Wirtsimmunität;- Virus-Mutagen (Einbau in RNA)

Resistenzgene: nicht bekannt;

Anwendung: Infektionen mit RSV (Säuglinge)und HCV. Bei HCV nicht wirksam als Monotherapie: Kombination mit Interferon alpha

Nebenwirkungen:Reduktion von Blutzellzahlen (Thromobzyten, Leukozyten, Erythrozyten); Hautausschlag, Depressionen, Schlaflosigkeit, Nervosität

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