Antifungal Drugs. Modes of Action Against Yeasts of Clinical Importance

Abstract
Different kinds of mycoses, especially invasive, have become an important public health problem as their incidence has increased dramatically in the last decades related with AIDS, transplant recipients, haematological malignancies and other immunosuppressed individuals. Management of fungal infections is markedly limited by problems of drug safety, resistance and effectiveness profile. Current therapy for invasive mycoses uses a relative reduced number of antifungal drugs, such as amphotericin B, fluconazole and itraconazole. Other new antifungal agents, from old and new chemical families, like voriconazole, posaconazole, ravuconazole, caspofungin or micafungin are been introduced in the armamentarium for fungal infections management. This review is focused in mode of action of those antifungal drugs used against pathogenic yeasts. Novel targets were explored trying to overcome the problems derived from the exploitation of azole drugs, macrolides and echinocandins. Proposed antifungal drugs have been developed against potential targets.

Key words
antifungal drugs, mode of action, amphotericin B, azole antifungals, allylamines, echinocandins

Artículo completo
Introducción

Los diferentes tipos de infecciones producidas por hongos, en especial las consideradas invasoras, se han convertido en un problema sanitario de gran incidencia en relación con pacientes HIV+, receptores de trasplantes, con enfermedades hematológicas u otros enfermos inmunosuprimidos.^1-8 Las infecciones fúngicas son una de las causas directas más importantes de fallecimiento de aquellos pacientes con enfermedades malignas. Por otro lado, el problema causado por los fenómenos de resistencia emergente ha incidido de forma preocupante.^1-9 Candida, Aspergillus y Cryptococcus son los géneros más frecuentemente informados como agentes de estas infecciones, pero en las últimas décadas se han observado variaciones en la epidemiología con la emergencia de otros hongos oportunistas, tanto levaduriformes como filamentosos. Si bien Candida albicans es la levadura con mayor índice de informes, otras especies diferentes de C. albicans emergen como preocupantes patógenos como Trichosporon, Rhodotorula, Blastoschizomyces y Malassezia.^1-9

El tratamiento de las infecciones fúngicas está limitado por problemas de seguridad y toxicidad, pero también de resistencia y de efectividad. Hasta hace pocos años los agentes quimioterapéuticos para el tratamiento de las infecciones invasoras se reducían a la anfotericina B (AMB), fluconazol (FCZ) e itraconazol (ITZ). La AMB sigue siendo el antifúngico de referencia, pero la toxicidad renal crónica aguda que provoca limita su empleo y ha facilitado la aparición de nuevas sustancias.^4,10-17 La ausencia de selectividad de los antifúngicos por las dianas de acción del hongo discriminándolas de las presentes en la célula de mamífero provoca efectos indeseados que caracterizan su uso clínico.¹⁸ Por otro lado, la baja susceptibilidad al FCZ o ITZ de algunas levaduras, e incluso de un gran número de especies de hongos filamentosos, ha propiciado nuevas líneas de investigación en el área farmacológica. Actualmente otras moléculas, entre las que cabe incluir nuevas formulaciones de antifúngicos tradicionales y nuevas familias, completan las disponibles. En este sentido, el voriconazol (VRZ), el posaconazol (PSZ), la caspofungina y la micafungina se han introducido en la práctica clínica, mientras que otras como el albaconazol, el isavuconazol y la anidulafungina, entre otras, pondrían hacerlo en los próximos años.^10-14

Las dianas de acción de los diferentes antifúngicos son la 14-α-desmetilasa, para los antifúngicos azólicos; la ruta biosintética del ergosterol, para los poliénicos, y la β-1,3-glucano sintetasa para las equinocandinas.¹⁴ Otras dianas como el ADN o los inhibidores de la mitosis (sordarinas, péptidos antimicrobianos, etc.) constituyen alternativas atractivas, a pesar de que algunos tienen actividad fungistática, en vez de fungicida o de resistencia y de que se han descrito efectos adversos a estas drogas.^3,11,14 Por otro lado, alguna de estas opciones supone restringir el espectro de acción, como es el caso de las equinocandinas.^19,20 En cualquier caso, la búsqueda continúa, con el fin de encontrar un antifúngico ideal que tenga un amplio espectro de acción, con actividad fungicida y sin efectos tóxicos para las células de mamífero.


Mecanismos de acción
Dianas clásicas

Esteroles. Este mecanismo de acción sobre la membrana fúngica es compartido por los fúngicos azólicos y otras familias químicas como las alilaminas y los tiocarbamatos.


Interacción con esteroles de membrana

Antifúngicos poliénicos. Tienen una estructura molecular formada por un anillo macrólido de 26 a 38 átomos de carbono con poliinsaturaciones, cerrado por una lactona con grupos hidroxílicos que la confieren un carácter anfipático. Entre ellos, la AMB y la nistatina (NYS) son los más utilizados. La AMB basa su mecanismo de acción en la formación de complejos con las moléculas de ergosterol de la membrana. De este modo se crean poros a través de la membrana que inestabilizan su permeabilidad. Esto facilita la pérdida de componentes citoplasmáticos vitales y la muerte celular, consiguiéndose un efecto fungicida.^21,22 A este daño principal hay que añadir otros de tipo oxidativo, descritos en C. albicans.^21,22 La toxicidad de la AMB está relacionada con la baja habilidad de la molécula para discriminar entre el ergosterol del hongo y el colesterol de las membranas de mamífero. A pesar de ello, el interés clínico por esta molécula radica en la baja tasa de resistencia observada,²² ya que en general las concentraciones inhibitorias mínimas (CIM) son inferiores a 2 μg/ml en levaduras.²³ La NYS se une al ergosterol de la membrana fúngica provocando la permeabilidad de la célula y la liberación de K+, glúcidos y metabolitos.^13,14,18 Esta alteración es responsable de la muerte celular, aunque se han descrito diferencias entre el mecanismo de acción de la AMB y la NYS.^{13,14,18,30-33}

Los problemas de toxicidad de la AMB y la NYS han sido paliados con la introducción de formulaciones lipídicas/liposómicas de AMB y NYS.^{13,14,16,18,24-33} Esta estrategia consiste en la encapsulación en liposomas, vesículas de lípidos catiónicos, complejos o emulsiones, surfactantes o cocleatos de los antifúngicos. Las diferencias entre todas ellas radican en la composición química de los lípidos involucrados, el tamaño de las vesículas y los perfiles farmacológicos y de toxicidad, reduciendo la afinidad por el colesterol.^13,14,18 No hay variaciones sustanciales entre el mecanismo de acción de la AMB y la NYS y en ambos casos, se requiere el efecto colaborativo de fosfolipasas para liberar el antifúngico.³⁴ Algunas de estas formulaciones están disponibles terapéuticamente, como es el caso de la dispersión coloidal de AMB (cápsulas de un complejo estable de sulfato sódico de colesterilo con una suspensión coloidal en soluciones acuosas en forma de discos); AMB-complejo lipídico (matriz biodegradable de fosfolípido);³⁴ AMB liposomal (liposomas unilamelares) o NYS liposomal (liposomas multilamelares).^{13,14,18,30-33} Otras formulaciones se obtienen a partir de precipitados estables de fosfolípido-calcio de fosfatidilserina (AMB-cocleato);²⁴ bromuro de dioctadecildimetilamonio como lípido catiónico que en soluciones acuosas forma vesículas con una doble capa;²⁵ AMB encapsulada en nanosferas de ovo-lecitina y aceite de soja o lecitina y agua (NS-718);^26,36,37 asociaciones de N-metil-N-D-fructosa con AMB metil éster;³⁸ nanopartículas de AMB con polietilenimina, dextrano sulfato y sulfato de zinc;²⁹ polinanosferas (caprolactona) forradas con poloxamer188^® y mezcladas con micelas de AMB con arabinogalactano.²⁶ Otros antifúngicos polienos obtenidos de hongos como calbistrina o deformicalbistrina tienen actividad antifúngica in vitro frente a C. albicans.³⁸


Biosíntesis del ergosterol

Los imidazoles fueron la primera generación de antifúngicos, con un mecanismo alternativo al de la AMB. Su mecanismo de acción se fundamenta en la interferencia de la ruta biosintética del ergosterol, componente característico de los hongos.^21,22,39 El ergosterol desempeña un papel esencial en la arquitectura de la membrana celular como biorregulador de su fluidez, asimetría e integridad.^21,22,39 También es la diana de acción de las alilaminas.^14,21,22,39 Debido a que también intervienen enzimas similares a P-450 en la síntesis de colesterol en las células de mamífero, los azoles bloquean la producción de esta sustancia causando distintos efectos adversos (14-α-desmetilación).^{14,21,22,39-41}

La citocromo-P450 lanosterol 14-α-desmetilasa (codificada por el gen ERG11) es lugar donde actúan FLZ, VRZ, ITZ y PSZ.^{14,21,22,42-45} En esta acción se generan intermediarios tóxicos (14-metilenergosta-8,24(28)-dien-3,6-diol) responsable de la inhibición fúngica, más aun que la misma falta de ergosterol.²² En otros puntos se provoca la aparición de ignasterol (ergosta-8,14-dien-3-β-ol) u otras sustancias, que resulta también tóxica al desestabilizar la membrana e inhibir la captura de glucosa y piridinas.^20,22

Algunas de las reacciones enzimáticas son atractivas desde el punto de vista del diseño de antifúngicos (C-24 esterol metiltransferasa), siempre que no estén presentes en las células de mamífero, ya que se consigue un efecto selectivo. Los efectos producidos en S. cerevisiae y C. albicans como resultado de la interacción con esta enzima consisten en un crecimiento lento; escaso mating. En el caso de la interferencia en la acción de la C-24 esterol metiltransferasa se logra reducir la captación de triptófano, incremento de la permeabilidad celular con pérdida de cationes y una mayor resistencia a la AMB.²² La actuación en este punto puede provocar un efecto sinérgico entre algunos antifúngicos (terbinafina, cicloheximida, fenpropimorfo y tridemorfo) de uso clínico, incrementando la sensibilidad celular por medio del aumento de la permeabilidad celular.²² Sin embargo, no sucede lo mismo con los azoles.²²

Otras reacciones, previas en la biosíntesis del ergosterol, también son utilizadas por otras familias químicas como es el caso de la β-hidroxilmetilglutarato reductasa, que es la diana de algunas estatinas (lovastatina).²² Además, pueden actuar sinérgicamente o potenciar el efecto de FLZ, a pesar de que para reducir convenientemente sus concentraciones mínimas inhibitorias (CMI) son necesarias concentraciones elevadas de lovastatina.²² Las alilaminas (terbinafina y naftifina) son también inhibidores de la síntesis del ergosterol, pero en este caso en la reacción catalizada por la escualeno epoxidasa (codificada por el gen ERG1),^22,47 una de las primeras etapas de esta síntesis.^22,47 La inhibición de la enzima provoca una acumulación de precursores de escualeno y paraliza la síntesis, llevando a la muerte celular.^22,47


Inhibición de ácidos nucleicos

La 5-fluorocitosina (5FC) es una pirimidina fluorada con actividad frente a levaduras, con un mecanismo de acción basado en la interferencia del metabolismo de las pirimidinas, ARN/ADN y de la síntesis proteica.^21,22,49 En esta acción es necesaria una permeasa que trasporte la 5-fluorocitosina al citoplasma,^21,22,49 para una vez allí convertir la 5FC en 5-fluorouracilo por una citosina desaminasa y, posteriormente, gracias a una UMP-pirofosforilasa, en ácido 5-fluorouridílico. Esta molécula fosforilada se incorpora al ARN afectando la síntesis proteica aunque el 5-fluorouracilo convertido en 5-fluorodeoxiluridina monofosfato ya es un potente inhibidor de la timidilato sintetasa, enzima involucrada en la síntesis de ADN y cariocinesis.^21,22,49

Otros antifúngicos en fase de investigación explotan también dianas relacionadas con la síntesis y función de los ácidos nucleicos.^13,14,22 Ente estas sustancias está la yatakemicina, químicamente relacionada con moléculas antitumorales (duocarmicinas) y que actúa alquilando la molécula de ADN;^50,51 y el icofungipeno (PLD-118, BAY 10-8888), derivado de la cispentacina, un beta aminoácido cíclico obtenido de Bacillus cereus inhibidor de la isoleucil-tARN, esencial en la síntesis proteica y crecimiento celular.^52,53


Pared celular

La pared celular está considerada como la tercera diana para antifúngicos en desarrollo. En ella, la existencia de mananoproteínas, quitinas y beta-glucanos tiene importancia en diversas funciones celulares que afectan tanto la arquitectura como el metabolismo celular, que van desde la protección, morfología, integridad, rigidez, intercambio iónico, filtración, expresión antigénica, interacción inicial con el huésped, hasta la resistencia a los mecanismos inmunológicos del huésped.^20-22,54 El uso de esta diana no está presente en otros organismos, ofrece ventajas de selectividad y toxicidad adicionales.^{13,14,20-22,54,55} En su estructura multicapa las mananoproteínas modulan toda la arquitectura.^21,54 Prácticamente toda la masa de la pared de C. albicans está compuesta por quitina, betaglucano y mananoproteína (< 80%), localizándose en las capas externas el β-(1,6)-glucano mientras que el β-(1,3)-glucano lo está en las internas.^21,54


Betaglucano sintetasa

Entre las equinocandinas, lipopéptidos modificados químicamente, la caspofungina es uno de los de mayor éxito.²⁰ Se trata de un derivado de la neumocandina B0 y obtenido de Glarea lozoyensis.⁵⁶ Otras moléculas derivadas de la equinocanida B son la micafungina producida por Coleophoma empetri y la anidulafungina, por Aspergillus nidulans.^57-59 Su mecanismo de acción se basa en la inhibición específica y no competitiva de la betaglucano sintetasa.^{13,14,20-22,39,56-59} No se ha descrito resistencia cruzada entre las equinocandinas y otros antifúngicos convencionales,^20,22 pero algunos tipos de mutaciones pueden inducir resistencia múltiple secundaria durante el tratamiento.⁶⁰ Además del efecto principal aparecen otros secundarios, gracias a la reducción de los niveles de ergosterol y lanosterol concomitantes al incremento de quitina en la pared celular que genera cambios citológicos y ultraestructurales en el crecimiento de las seudohifas, paredes celulares anómalas, gemación incompleta, células osmóticamente sensibles y lisis en algunos tipos de células.^{13,14,20-22,39,56-59}


Otras dianas

Las líneas de investigación sobre nuevos antifúngicos están relacionadas con el descubrimiento y uso de vías de síntesis proteica (N-miristilación de proteínas fúngicas) que no estén presentes en las células de mamíferos, o también la inhibición de sistemas de transporte de electrones mitocondriales.^39,56,61 Algunos de estos inhibidores son los análogos de la histidina, los derivados miristoilpéptidos, los aminobenzotiazoles, las quinolinas, los benzofuranos y los polímeros glucídicos de la pared celular de uridina di-fosfo glúcidos.^62-67 La enzima N-miristoil transferasa es esencial para la viabilidad in vitro de C. albicans y C. neoformans, frente a la cual algunos potentes inhibidores no peptídicos de C. albicans son los benzotiazoles. Algunas de estas moléculas, aunque con mecanismos de acción no bien conocidos, son activas frente a un amplio espectro de hongos patógenos que son resistentes a los actuales tratamientos quimioterapéuticos.^62-67 Pueden actuar sinérgicamente junto a otros antimicrobianos presentes en la saliva, clasificables como moléculas prototípicas (nuevos antifúngicos de origen natural o sintético).^68,69 Entre ellos, cabe citar los inhibidores de la síntesis de quitina y mananoproteínas, nikomicinas, polioxinas, felinsina A y artrictina, tanto como pradimicina/benanomicina, cuya investigación se abandonó en algún caso.⁷⁰

Las tetraciclinas modificadas químicamente son conocidos antibacterianos (CMT-3),⁷¹ pero tienen una reducida actividad frente a C. albicans. Su mecanismo es diferente del desarrollado en las bacterias y se basa en la despolarizacíón de las membranas mitocondriales, nucleares y del retículo endoplasmático.⁷¹ De la interacción de CMT-3 con estos orgánulos puede resultar la inhibición de algunas rutas metabólicas, como la fosforilación oxidativa o la síntesis proteica. En la misma línea, otras moléculas antibacterianas tienen interés, como los inhibidores de la histidina quinasa bacteriana (RWJ-49815, RWJ-49968, RWJ-61907), que afectan a C. albicans provocando un daño generalizado en la membrana.⁷² La lista es amplia e incluye rapamicina (síntesis TOR),^73,74 aureobasidina (inhibición de síntesis de esfingolípidos en la inositol fosforilceramida sintasa),⁷⁵ derivados de aminoacil t-ARN sintetasa,⁷⁵ péptidos naturales (histatinas, lactoferrián y análogos de aminoácidos cíclicos (PDL-118, BAY 10-8888, cispentacina).⁷⁶ Los péptidos catiónicos (DHVAR 4) con una estructura similar a las histatinas salivares⁷⁶ pueden afectar la membrana, como lo hacen la lactoferrina B y LBF 17-30 en C. albicans.⁷⁶ Otros, utilizados por via tópica, como la ciclopiroxolamina, provocan la depleción de algunas moléculas esenciales, lo que conduce al cese del crecimiento y a la muerte celular.⁷⁷ Esta clase de antifúngicos basa su actividad en el bloqueo de la fase G1/S de la mitosis.⁷⁸ Otro mecanismo posible es la inhibición de la síntesis de esfingolípidos (serina palmitoiltransferasa) producida por las esfingofunginas, lipoxamicina y viridofunginas;^14,56,58 ceramida sintasa (fumonisinas, australofungina); inositol fosfoceramida sintasa (aureobasidinas, khafrefungina, galbonolida, rustimicina y minimoidina).^14,56,57 Deben añadirse otros péptidos de origen microbiano (iturina, bacilomicinas, siringomicinas, siringostatinas, siringotoxinas, cepacidinas, A-192411.29, L-693.989, L-731,373, L-733,560),⁵⁷ o vegetales (zeamatina, frangufolina, nummularina y rugosamina A)⁵⁷ u otros péptidos de origen mamífero como las histatinas (Hsn5), catiónicos (MUC7 20-Mer)^68,79,80 que pueden llegar a potenciar el efecto del miconazol o la histatina.⁷⁸ Las histatinas producen una pérdida de ATP^68,79,80 que conduce a la muerte celular. La presencia de estos péptidos en la cavidad oral puede ser útil en el control de de las infecciones fúngicas y su acción ha sido demostrada en la formación de biofilm y la adherencia de C. albicans.⁸⁰


Inhibidores de proteínas

Las sordarinas inhiben la síntesis de proteínas por medio del bloqueo del factor de elongación 2 de proteínas (eEF2).^39,56 Derivados de éstas presentan variaciones en los espectros de actividad, pero por razones aún sin esclarecer sufren problemas de penetración.^56,81 Sin embargo, su alta especificidad por éstas y la relativa facilidad con la que se pueden obtener derivados, permiten ser optimistas ante esta línea de investigación.


Otros compuestos

Aunque el desarrollo de algunos antifúngicos ha sido interrumpido, algunas líneas de investigación aportan datos sobre nuevos modelos de dianas de acción y de espectros de actividad^13,14 (Zofimarin, BE31045, SCH57504, xylarin, hipoxisordarina y GR135402). En esta categoría se incluyen algunos fármacos psicotrópicos derivados de la fenotiazina y el tioxantano, sertralina y 5-hidroxitriptamina (serotonina).^82,83 En el mismo sentido, se encuentran magaininas, dermaseptinas, cecropinas, skin-PYY, HSn-5, CAY-1, tananina, drosomicina y defensinas, producidas por insectos, anfibios y mamíferos (principalmente por neutrófilos de seres humanos y de conejo), algunos producen daño en la membrana celular de C. albicans.^{55,66,77,82-85} También se ha investigado con sustancias producidas por Aspergillus spp., como algunas proteínas que actúan permeabilizando las membranas fúngicas (α-sarcina)⁸⁶ y tienen estructuras moleculares similares a las defensinas.

Aunque la necesidad de descubrir nuevos antifúngicos es evidente, los progresos realizados son lentos y sus frutos impredecibles, lo que hace imprescindible llevar adelante estudios largos que permitan disponer de herramientas terapéuticas seguras y efectivas de entre una larga lista de moléculas hoy en investigación para encontrar el antifúngico ideal.

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