Parameters of acquired resistance and their role in the evaluation of new chemotherapeutic drugs

Summary

Acquired resistance can be defined as a qualitative alteration of the genetic material of a cell which is phenotypically correlated with a measurable decrease of the cell's sensitivity against one or several chemotherapeutic agents. There are two basic genetic mechanisms which can lead to the emergence of resistance: mutation and the acquisition of additional genetic material from another cell. Both forms of resistance play an important role in clinical situations: the emergence of resistance by mutation occurs in tumor cells and can also lead to therapeutic problems in antimicrobial chemotherapy. In bacteria, however, acquisition of resistance plasmids represents the dominating mechanism which is responsible for most therapeutic problems in the clinical environment. The different genetic mechanisms involved in the emergence of resistance are paralleled — at least in bacteria — by two principally different groups of biochemical mechanisms implementing resistance. Mutations lead to alterations of single cell constituents such as the cell membrane or cellular receptors necessary for the binding of the antimicrobial agent. This form of resistance is biochemically characterized by the inaccessibility of the cell interior for a particular compound or by the modification of an intracellular binding site which loses its affinity for the chemotherapeutic agent. Resistance plasmids on the other hand code for enzymes which inactivate the antibiotic (β-lactamases, aminoglycoside-inactivating enzymes, chloramphenicol-acetyltransferase). In some cases, they direct the synthesis of proteins which affect cell permeability (tetracycline) or isoenzymes which have a lower affinity for the inhibitor (trimethoprim). Resistance against antibiotics can be inducible. In these cases the regulatory mechanisms involved are stable genetical traits as resistance itself. Using chloramphenicol, β-lactam-antibiotics and aminoglycosides as examples, it is demonstrated that resistance data gathered early in the development of a new drug are of little value in estimating the clinical potential of a new compound. Information on the rate at which resistance develops, on the pattern according to which it emerges (“single step” or “multi step”) and on cross-resistance patterns is important in the characterization of a new drug but is often invalidated by later findings obtained in the clinical environment. The problem appears somewhat simpler if a new drug is a member of an already known class of compounds, e.g. a β-lactam or an aminoglycoside. In such cases our knowledge of frequent enzymatic inactivation mechanisms provides a basis not only for the evaluation of an existing drug, but also for the synthesis of new derivatives.

Zusammenfassung

Das Problem der Resistenz von Mikroorganismen gegen antiparasitäre Wirkstoffe ist etwa so alt wie die Chemotherapie selbst. Erworbene Resistenz wurde jedoch erst in den Jahren von 1945 bis 1955 als das Ergebnis eines nicht gerichteten genetischen Prozesses erkannt. Bakterien können Resistenz gegen antimikrobielle Wirkstoffe auf zwei grundsätzlich verschiedenen Wegen erwerben: einmal durch Mutation, das heißt, durch eine qualitativ definierbare Änderung des in der Zelle vorhandenen genetischen Materials und zweitens durch den Hinzugewinn neuer genetischer Information von außen. Beide Formen der Resistenz haben in klinischen Situationen Bedeutung: Resistenzentstehung durch Mutation spielt eine wichtige Rolle in der Onkologie und ist zuweilen auch Ursache von klinisch beobachteten Resistenzen in der antimikrobiellen Chemotherapie. Für den Bereich der antibakteriellen Chemotherapie ist allerdings die Übertragung und der Besitz von Resistenzplasmiden der epidemiologisch wichtigere Mechanismus der Resistenzentstehung. Den verschiedenen genetischen Mechanismen, die zur Ausbildung von Resistenz gegen Chemotherapeutika führen können, entsprechen — zumindest in Bakterien — auch zwei grundsätzlich voneinander verschiedene biochemische Mechanismen. Mutationen führen zu Veränderungen einzelner Zellbestandteile, die dazu führen, daß ein Wirkstoff nicht mehr in das Zellinnere gelangt oder daß ein Rezeptor, mit dem der Wirkstoff vorher reagieren konnte, diesen nicht mehr mit der vorher gezeigten Affinität bindet. Hingegen codieren Resistenzplasmide für Proteine, die bis dahin in der Zelle nicht vorhanden waren. Hier handelt es sich meistens um Enzyme, die Antibiotika inaktivieren können (β-Lactamasen, Aminoglycosidinaktivierende Enzyme) oder um Proteine, die die Zellpermeabilität beeinflussen, gelegentlich aber auch um neue Enzyme, die es der Zelle ermöglichen, einen biosynthetischen Block zu umgehen (Beispiel: Trimethoprim). Häufig sind Antibiotikainaktivierende Enzyme induzierbar: sie werden dann nicht ständig synthetisiert, sondern nur in Gegenwart des zu inaktivierenden Antibiotikums. Der regulatorische Mechanismus, der die An-und Abschaltung derartiger Enzymsynthesen ermöglicht, ist ebenso ein vererbbares genetisches Merkmal wie die Resistenz selbst. Im letzten Abschnitt der Arbeit wird auf die Bedeutung von Resistenzparametern für die Beurteilung neuer Chemotherapeutika eingegangen. An den Beispielen Chloramphenicol, β-Lactam-Antibiotika und Aminoglycoside wird gezeigt, daß frühe auf Laborexperimenten beruhende Aussagen über die Schnelligkeit und den Typ der Resistenzentstehung („single step“ oder „multi step“) sowie über Kreuzresistenzmuster meist nicht den später in der Klinik angetroffenen Verhältnissen entsprechen. Obwohl solche Laboratoriumsdaten zur Charakterisierung einer neuen Verbindung gehören, sind sie zur Beurteilung des klinischen Wertes einer neuen Verbindung kaum brauchbar. Ob Resistenzparameter die Verwendung eines Chemotherapeutikums in der Klinik einschränken können und welche Mechanismen dabei epidemiologisch dominieren, läßt sich meist erst nach längerer klinischer Anwendung eines neuen Wirkstoffes beurteilen. Etwas einfacher liegen die Verhältnisse allerdings, wenn es sich bei einem neuen Wirkstoff um einen Vertreter einer bereits bekannten und klinisch breit eingesetzten Substanzgruppe handelt, etwa um ein β-Lactam oder um Aminoglycoside. In diesem Zusammenhang wird auf bekannte, epidemiologisch wichtige Inaktivierungsmechanismen hingewiesen und auf chemische Manipulationen, die geeignet sind, solchen Mechanismen auszuweichen.