Gyrasehemmer
sind antibakteriell wirksame Substanzen mit Chinolon-Grundstruktur, die
ihre Wirkung durch Angriff an der bakteriellen DNA entfalten. Sie
inhibieren den bakteriellen DNA-Gyrase-Komplex (Gyrase=Topoisomerase 2: Topoisomerase vom Typ II) und die
Topoisomerase 4 (ebenfalls eine Topoisomerase vom Typ II) und verhindern damit die für die Reproduktion
der bakteriellen DNA erforderliche Entdrillung und Verdrillung
(Supercoiling). Bei empfindlichen Bakterien kommt es dadurch zum
Zusammenbruch des Stoffwechsels. In therapeutischen Konzentrationen
wirken die Gyrasehemmer bakterizid.
Topoisomerasen besitzen eine wichtige Funktion bei der Replikation,
Transkription, Rekombination und Reparatur der bakteriellen DNA. Eine
wesentliche Bedeutung besteht in der speziellen Faltung
(Überspiralisierung) der DNA zu einer Art Superhelix. Diese
Verdrillung ermöglicht letztlich die Unterbringung des
vergleichsweise langen Bakterienchromosoms in der extrem kleinen
Zellhülle. Die DNA wird zunächst schraubenförmig
gewunden und in sog. Verdrillungsbereiche (domains of supercoiling)
organisiert. Eine weitere Reduktion des Raumbedarfs erfolgt dann durch
die Überspiralisierung (supertwisting), d.h. nochmalige
Aufwicklung der bakteriellen DNA, wobei dieWindungen der "supertwists"
der linearen Schraubenform entgegengerichtet sind (negative
Achsendrehung). Die Überspiralisierung ist ein ATP-verbrauchender
Prozess. Er wird eingeleitet durch die Auftrennung des chromosomalen
Doppelstrages durch die so genannten A-Untereinheiten der Gyrase.
Die Gyrase ist ein tetrameres Holoenzym und besteht aus zwei A- und
B-Untereinheiten (A2-, B2-Dimere). Sie werden durch das Gyrase AGen
(gyrA) bzw. Gyrase B Gen (gyrB) codiert. Die B-Untereinheiten sind
vermutlich für die Einführung des "negativen" supertwists
verantwortlich undliefern die notwendige Energie durch Spaltung von
ATP. Der Verschluss des durchtrennten DNA-Stranges erfolgt wieder durch
die A-Untereinheiten der Gyrase. Eine Hemmung der Topoisomerase menschlicher Zellen erfolgt nicht, was
sich daraus erklärt, dass die menschliche Topoisomerase
offensichtlich keine Überspiralisierung der DNA induziert.
Eine Komprimierung erfolgt hier vielmehr unter der Einwirkung
chromosomaler Proteine, sogenannter Histone.
Der
genaue Angriffsort der Chinolone ist nicht bekannt. Man geht aber davon
aus, dass sie in den letzten Schritt des Geschehens eingreifen, indem
sie den Gyrase-DNA-Komplex hemmen, der den chromosomalen Superstrang
auftrennt, die "negativen" supertwists einführt und
anschließend den DNA-Doppelstrang wieder verschließt.
Chinolone wie Moxifloxacin inhibieren die A-Untereinheiten der Gyrase.
Die B-Untereinheiten werden in der Regel nicht beeinflusst, sind aber
an der Resistenzentwicklung gegenüber den Chinolonen beteiligt.
Chinolone wie Moxifloxacin fixieren den Gyrase-DNA-Komplex in einem
Reaktionsschritt, in dem die Gyrase kovalent mitder DNA verknüpft
ist. Polymerisationsreaktionen entlang der DNA wie die DNA-Replikation
und die Transkription kommen zum Erliegen, und es werden rasch
Stressreaktionen (SOS-Antwort, Hitzeschockantwort) ausgelöst,
deren Aufgabe die Notreparatur der DNA-Schäden ist. Um Zeit
für die -fehlerbehaftete - SOS-Reparatur zu gewinnen, wird die
Zellteilung vorübergehend angehalten. Chinolone bewirken eine
dauerhafte Induktion der SOS-Antwort, die schließlich zum
Zusammenbruch der Membranintegrität und letztlich zum Zelltod
führt. Chinolone hemmen nicht nur die Synthese der chromosomalen
DNA, sondern auch die von Plasmiden, bestimmten Bakteriophagenund
Rekombinationsreaktionen, wodurch es zu weiteren Effekten, z.B.
Elimination von Plasmiden, Hemmung der replikativen Transposition von
Bakteriophagen oder Hemmung der Transformation natürlich
kompetenter Zellen kommt.
Für einige Bakterien, z.B: Escherichia coli, Neisseria gonorrhoeae
und Staphylococcus aureus, ist - in allerdings höherer Dosierung -
auch eine Hemmung der Topoisomerase 4 nachgewiesen, eines für
diese Erreger essentiellen Enzyms, das eine Rolle bei der Trennung
(Decantierung) der replizierten DNA spielt. Die zwei Untereinheiten der
Topoisomerase 4, ParC und ParE, und die oben erwähnten
Untereinheiten der DNA-Gyrase (A2B2) sind homolog. Sie werden nach
Untersuchungen an Staphylococcus aureus durch das Gyrase
A-ähnliche (grlA) bzw. Gyrase B-ähnliche (grlB) codiert.
Mutationen dieser Gene sind offensichtlich ebenfalls an der
Resistenzentwicklung gegenüber den Fluorchinolonen beteiligt.
Neuere Untersuchungen deuten ferner darauf hin, dass auch die
molekulare Struktur der Fluorchinolone für die präferentielle
Hemmung der DNA-Gyrase oder Topoisomerase 4 in bestimmten Bakterien
verantwortlich ist. So wurde z.B. in Streptococcus pneumoniae für
Ciprofloxacin, Clinafloxacin, Grepafloxacin, Levofloxacin und
Trovafloxacin die Topoisomerase 4 als primäre Zielstruktur
identifiziert, während Gemifloxacin und Sitafloxacin sowohl die
DNA-Gyrase als auch die Topoisomerase 4 hemmen und Moxifloxacin und
Gatifloxacin primär die gyrA-Untereinheit der DNA-Gyrase
angreifen. Danach käme bei grampositiven Erregern der Substitution
in Position 8 der Chinolincarbonsäure eine besondere Bedeutung
für die im Vergleich zur Topoisomerase 4 erhöhte
Aktivität gegenüber der DNA-Gyrase zu.
Man unterscheidet die Gyrasehemmer der 1. Generation
(Nalidixinsäure, Pipemidsäure) und der 2. Generation
(z.B. Ciprofloxacin,
Norfloxacin, Enoxacin, Ofloxacin, Levofloxacin und Moxifloxacin). Die
Gyrasehemmer der 2. Generation (Fluorchinolone) zeichnen sich durch ein
verbreitertes Wirkungsspektrum, größere
Wirkstärke, geringere Resistenzentwicklung und bessere
Gewebegängigkeit aus. Dafür werden in erster Linie
die Fluorsubstituenten verantwortlich gemacht. Während die
Vertreter der 1. Generation gegen gramnegative aerobe Bakterien wirksam
sind, erstreckt sich das Wirkspektrum der Fluorchinolone
zusätzlich auch auf grampositive aerobe Keime, zellwandlose
(atypische) Bakterien und Anaerobier.
Innerhalb der Gruppe der Fluorchinolone besteht eine komplette
Kreuzresistenz.
Kreuzresistenzen bei Fluorchinolonen bilden sich heraus, wenn der
Resistenzmechanismus auf Mutationen in der bakteriellen Gyrase basiert.
Einzelmutationen führen gewöhnlich nicht zu
klinischen Resistenzen. Multiple Mutationen hingegen führen im
Allgemeinen zu klinischen Resistenzen gegenüber allen aktiven
Substanzen innerhalb dieser Stoffklasse.
Undurchlässigkeit und/oder Resistenzen, die auf
Effluxpumpen-Mechanismen der Substanz zurückzuführen
sind, können unterschiedliche Auswirkungen auf die
Empfindlichkeit gegenüber Fluorchinolonen haben. Ferner
bestimmen die physikochemischen Eigenschaften der unterschiedlichen
aktiven Substanzen innerhalb der Stoffklasse und die Affinität
gegenüber Transportsystemen die Sensitivität
gegenüber Fluorchinolonen. Von plasmid-codierten Resistenzen
(qnr Gene) wurde berichtet.
