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;
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Chemotherapeutischer Index
Minimale zytotoxische Konzentration> 100
Minimale antivirale Konzentration
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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;
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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.
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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
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Entwicklung eines antiviralen Medikaments
Teuer: 100 bis 500 Millionen US$;
Langwierig: 5 -10 Jahre;
Principles of Virology, 2004. Flint SJ, Enquist LW, Racaniello VR,Skalka AM, 2nd edition. ASM Press. Appendix, Fig. 19.18
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Identifizierung von antiviralen Substanzen
Principles of Virology, 2004. Flint SJ, Enquist LW, Racaniello VR,Skalka AM, 2nd edition. ASM Press. Appendix, Fig. 19.13
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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
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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
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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
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Nucleoside reverse transcriptase inhibitors (NRTI) =Nukleosid-Analoga
Pomerantz et al., 2003. Nat. Med. 9, 867-873.
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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
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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
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Beispiele für Nucleosid-Analoga gegen HIV:
Zidovudin:Azidothymidin (AZT)
DidanosinDidesoxyinosine(ddI) -> ddA in derzelle
Stavudine(d4T)Stavudine(d4T)
Zalcitabine: Didesoxycytidin(ddC)
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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
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Kreuz-Resistenzen
Mutierte AS Positionen in der Reversen Transkriptase, die mit Resistenzen gegen Nukleosid Analoga einher gehen
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Non-nucleoside reverse transcriptase inhibitors (NNRTI)
Pomerantz et al., 2003. Nat. Med. 9, 867-873.
Non-Nucleoside Reverse Transcriptase Inhibitor (NNRTI):
Nevirapine
Principles of Virology, 2004. Flint SJ, Enquist LW, Racaniello VR,Skalka AM, 2nd edition. ASM Press. Appendix, Fig. 19.25
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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)
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Kreuz-Resistenzen
Mutierte AS Positionen in der Reversen Transkriptase, die mit Resistenzen gegen Nicht-nukleosidischen RT Inhibitoren einher gehen
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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
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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'
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Hemmung der HIV Protease durch ein Nicht-spaltbares künstliches Peptid-Substrat
(Peptidomimetic)
Principles of Virology, 2004. Flint SJ, Enquist LW, Racaniello VR,Skalka AM, 2nd edition. ASM Press. Appendix, Fig. 19.29
SaquinavirSonstige Inhibitoren der HIV-Protease:
RitonavirIndinavirNelfinavirAmprenavir
(Gag)
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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
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Amprenavir
Lopinavir
Atazanavir
Ritonavir
Indinavir
Saquinavir
Nelfinavir
90 84 82
Mutierte AS Positionen in resistenten Proteasen
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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.
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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.
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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
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Die häufigsten Nebenwirkungen von anti-HIV Medikamenten
NRTI periphere Neuropathien
NNRTI Hautausschlag, Übelkeit, erhöhte Leberwerte
Proteaseinhibitoren: Durchfall, Übelkeit, Nierensteine,Fettstoff-
wechselstörungen
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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
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Principles of Virology, 2004. Flint SJ, Enquist LW, Racaniello VR,Skalka AM, 2nd edition. ASM Press. Appendix, Tab. 19.11
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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
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Acyclovir wird zuerst von der viralen Thymidin-Kinase phosphoryliert (Monophosphat) und dann von zellulären Kinasen (Di- bzw. Triphosphat)
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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;
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Vermehrungszyklus Influenza
Amantadine
Relenza, Oseltamivir (=Tamiflu)
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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
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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
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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