Antivirale Chemotherapie Anforderungen an antivirale Substanzen · 2009. 5. 26. · activated T...

2009 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;

• wirkt bei einer Tablette täglich.


Limitierung der antiviralen

Chemotherapie

Substanzen hemmen die Replikation von Viren (Produktion von infektiösen Viruspartikeln).

Sie sind 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;


LW, Racaniello

VR,Skalka



Identifizierung von antiviralen

Substanzen


LW, Racaniello

VR,Skalka



Identifizierung von antiviralen

Substanzen: Klinische Studien

http://www.netsci.org/Science/Speci

al/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)

Virus Enzym Wirkungsweise Substanz- Beispiel

HIV Reverse Trankriptase

Nukleosid-Analoga:Kettenabbruch

bei der DNA Synthese

Azidothymidin

HIV Reverse Trankriptase

Nicht-Nukleosidischer

Hemmstoff

: Blockierung

der katalytischen

Aktivität

des Enzyms;

Nevirapine

Herpes simplex Virus

DNA Polymerase Benötigt

virale Thymidin

kinase

Nukleosid

Analogon Acyclovir

Cytomeg

alovirus (CMV)

DNA PolymeraseBenötigt

UL98 Kinase

Nukleosid

Analogon Gancyclovir

CMV DNA Polymerase Nicht-Nukleosidischer

Hemmstoff; Blockiert

Pyrophosphat-

Bindungsstelle

d. Enzyms

Foscarnet


Nutzung/Hemmung spezifischer viraler Proteine zur Bekämpfung des Virus (II)

Virus Virales Protein

Wirkungsweise Substanz- Beispiel

HIV Protease Nicht-spaltbares

Substrat-

Analog; Peptidomimetic; Hemmt Virusreifung

Saquinavir

Influenza A, B

Neuraminidase Hemmt Neuraminidase indem

es

an das aktive

Zentrum

bindet; hemmt Virusfreisetzung

Oseltamivir

(Tamiflu)

HCV, HSV, Masern

virus, Mumps virus, Lassa Virus

RNA-abhängige RNA Polymerase

Einbau

in RNA führt

zur Mutation des Genoms: RNA Mutagen

Ribavirin

Influenza A Virus

M2 Hemmt die Funktion der M2 Protonenpumpe; Verhindert das “Uncoating”

des Virus

Amantadin


Chemotherapeutika gegen HIV


Der

Replikationszyklus von HIV

HIV expression (0)

Protease inhibitors (10)

Integration inhibitor (1)

Assembly of virus particles (0)

Inhibitors of reverse transcription (8; 4)

Fusion inhibitor (1)CCR5 antagonist (1)

25 FDA-approved anti-HIV drugs


De Clercq. E., IJAA 33 (2009) 307-320


Inhibitoren der reversen

Transkriptase


Bindung von Inhibitoren

durch die Reverse Transkriptase

De Clercq. E., IJAA 33 (2009) 307-320.

NRTI:

Nukleosidische Reverse-

Transkriptase Inhibitoren;

NtRTI: Nukleotidische RTI

NNRTI:Nicht nukleosidische RTIs


Wirkungsmechanismus der NRTIs und NtRTIs

Kompetition mit natürlichen dNTP Substrate;

Abbruch der DNA Synthese.


NRTIs und NtRTIs müssen erst in der Zelle phosphoryliert werden (Prodrug)

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

Azidothymidin (NRTI)

Tenofovir (NtRTI)

De Clercq E., IJAA 33 (2009), 307-320


Wirkungsweise: Kompetition mit natürlichen dNTPS

dNTP Nukleosid- Analoga_

dTTP AZT, d4T

dCTP DDC, 3TC

dATP ddIdGTP ABC


Wirkungsweise: Kompetition mit natürlichen dNTPS


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

Wirkungsweise: Kettenabbruch bei der DNA Synthese


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


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


LW, Racaniello

VR,Skalka



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)


LW, Racaniello

VR,Skalka


Saquinavir

10 zugelassene

Inhibitoren

der HIV-Protease; Davon

sind alle

ausser

einen (tipranavir) Peptidomimetica.

(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


Entry

Inhibitoren


Maraviroc

Maraviroc: nur gegen CCR5-Co-Rezeptor!

Enfuvirtide


Enfuvirtide

(T20)

36 AA Polypeptid; muss 2 x täglich parenteral

(Spritzen) verabreicht werden.

De Clercq

E., IJAA 33 (2009), 307-320


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


Integrase Inhibitor: Raltegravir


Integrase Aktivitäten

Virale DNA

Zelluläre DNA

Raltegravir


Integrase Inhibitor: Raltegravir

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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

(i.d. Regel

3) 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

vom

Kliniker

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


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;Potentielles

Teratogen, Karzinogen, Mutagen


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 in Endosomen

Resistenzgene: M2

Anwendung: Influenza A Infektion, Parkinson’s Krankheit

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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