Antimikrobiální látky

Transkript

1 Antimikrobiální látky H 3 C OH Cl CH 3 Igor Hochel & Kateřina Demnerová

2 Účinky a využití antimikrobiálních látek bakteriostatické blokují reversibilně funkci makromolekul (proteiny, nukleové kyseliny), aniž je ničí; zastavují fysiologické funkce zastavují růst mikroorganismu bakteriocidní ireversibilně poškozují buněčné komponenty usmrcení buňky mikroorganismu dezinfekce usmrcení bezprostředně nebezpečných pathogenních bakterií, aniž však dojde k usmrcení absolutně všech zárodků včetně spor sterilizace usmrcení všech vegetativních buněk a spor chemoterapie selektivní poškození pathogenních bakterií v prostředí makroorganismu bez (většího) poškození hostitele

3 Dezinfekční prostředky slouží k odstranění potenciálně pathogenních mikroorganismů z povrchu neživých předmětů a z atmosféry, redukce počtu mikroorganismů na přijatelnou úroveň (eliminace zdravotního rizika, eliminace mikrobiální degradace produktu) Usmrcené mikroorganismy Přežívající mikroorganismy Účinek desinfekčního prostředku nízký střední vysoký většina vegetativních buněk bakterií většina vegetativních buněk bakterií včetně M. tuberculosis některé viry viry (virus hepatitidy B) některé plísně většina plísní všechny mikroorgaismy s vyjímkou extrémně odolných kmenů M. tuberculosis bakteriální spory extrémně resistentní bakteriální spory bakteriální spory priony priony některé viry a priony

4 Antiseptické látky slouží k eliminaci nebo inhibici mikroorganismů na živé tkáni; jsou to látky aplikované na kůži a sliznice a proto vedle antimikrobiální aktivity musí být netoxické a nesmí dráždit kůži a sliznice (léčiva) využití redukce mikroflory na kůži eliminace šíření infekce při chirurgických zákrocích účinek antiseptické látky musí učinkovat na mikrofloru v nízkých koncentracích (nižších než u dezinfekčních prostředků)

5 Konzervační prostředky omezují proliferaci nežádoucích mikroorganismů ve farmaceutických přípravcích u sterilních produktů (intravenosní roztoky, parenterální výživa, oční kapky a preparáty) usmrcují nežádoucí mikroorganismy, které pronikly do produktu při užívání musí učinkovat ve velmi nízkých koncentracích (nižších než u dezinfekčních prostředků a antiseptik) dlouhodobý účinek stabilita v průběhu technologického procesu a skladování konzervační prostřeky nemohou nahradit proces sterilizace

6 Faktory výběru antimikrobiálního činidla vlastnosti chemického činidla mechanismus účinku vliv teploty, ph, ostatních látek v okolí koncentrace činidla, doba expozice stabilita mikrobiální kontaminace způsob aplikace faktory vnějšího prostředí toxicita

7 Mechanismus účinku ireversibilní poškození buněčné stěny poškození buněčných membrán ireversibilní alterace proteinů (alkylace, oxidace, destrukce struktury) poškození molekul nukleových kyselin (DNA) adsorpce antimikrobiální látky na buněčný povrch průnik přes buněčnou stěnu a cytoplasmatickou membránu (difuse hydrofobních molekul, průnik hydrofilních molekul porinovými kanály) interakce s cílovými proteiny, enzymy, nukleovými kyselinami popř. dalšími cílovými molekulami nebo strukturami ovlivněno fyzikálně-chemickými vlastnostmi biocidní látky (ionizace, rozpustnost v tucích atd) afiita biocidní látky k molekulám a buněčným strukturám kvarterní soli afinita k aniontům (cukerné zbytky na povrchu stěny, fosfátové skupiny na cytoplasmatické membráně); roste s rostoucím ph molekuly s dlouhým alkylovým řetězcem integrace s fosfolipidovými vrstvami membrán glutaraldehyd interakce s SH a NH 2 skupinami proteinů (vyšší účinost s rostoucím ph) organokovové sloučeniny - interakce s SH skupinami proteinů fenolické látky poškození permeability cytoplasmatické membrány + slabé kyseliny (rozpřahovače)

8 Mechanismus účinku buněčná stěna lyse buněčné stěny (Escherichia coli, Staphylococcus sp., Streptococcus sp.) formaldehyd 0,12 % fenol 0,32 % chlorid rtuťnatý % chlornan sodný % merthiolát % glutaraldehyd ireversibilní prokřížení buněčné stěny (G + bakterie)

9 Mechanismus účinku cytoplasmatická membrána vliv na membránový potenciál vliv na aktivitu membránových proteinů vliv na permeabilitu membrány membránový potenciál cytoplasmatická membrána lipidická bariéra oddělující dvě odlišná vodní prostředí semipermeabilní nepropustná pro protony gradient ph a elektrického potenciálu mv (1 jednotka ph = 58 mv, 37 C) syntesa ATP, oxidativní fosforylace rozpřahovače oxidativních a fosforylačních pochodů tetrachlorosalycilanilid trikarbanilid trichlorkarbanilid pentachlorfenol di-(5-chlor-2-hydroxyfenyl)sulfid 2-fenoxyethanol

10 Mechanismus účinku inhibice membránových enzymů inhibice ATPasy inhibice anaerobních procesů (chlorhexidin) inhibice transportu elektronů inhibice aerobních pochodů (hexachlorphan) inhibice enzymů s thiolovými skupinami (dehydrogenasy) chlorid rtuťnatý a další rtuťnaté sloučeniny, bronopol (2-bromo-2- nitropropan-1,3-diol), stříbro vliv na permeabilitu cytoplasmatické membrány chlorhexidin, fenol, cetrimid, hexylresorcinol

11 Mechanismus účinku cytoplasma koagulace vysoké koncentrace biocidních činidel (chlorheximid, fenol, rtuťnaté sloučeniny, glutaraldehyd) alterace NH 2 skupin formaldehyd, glutaraldehyd, siřičitany alterace SH skupin bronopol, chlor, chlornany, jod, ethylenoxid, sloučeniny Hg + a Ag + disociace ribosomů H 2 O 2, p-chloromerkuribenzoát nukleové kyseliny vmezeření do struktury dvojité šroubovice (akridinová barviva), uvolňování nukleotidů a nukleosidů autolytické procesy (cetrimid, fenoly),

12 Q 10 t t T T 10 Vliv teploty a ph s rostoucí teplotou roste účinek antimikrobiální látky nárůst biocidní aktivity se vzrůstající teplotou je možné kvantifikovat pomocí teplotního koeficientu Q 10 : Q 10 t t T T 10 kde t T je doba extinkce pro teplotu T, t T+10 je doba extinkce o 10 C vyšší teplotní koeficient vyjadřuje kolikrát je daná látka účinější při zvýšení teploty o 10 C např. pro fenol platí Q 10 = 4 zvýšení teploty z 20 C na 30 C zvýší při stejné koncentraci jeho účinnost 4 vliv ph je komplexní fenoly, kys. octová, kys. benzoová účinné v neionisovaném stavu (alkalické podmínky snižují jejich aktivitu) kvarterní soli, glutaraldehyd zvyšují biocidní aktivitu s rostoucím ph rostoucí ph zvyšuje negativní náboj na povrchu buňky zvyšuje afinitu kationtů kvarterní soli, chlorhexidin

13 Koncentrace antimikrobiálního činidla a exposiční doba čím vyšší je koncentrace biocidního činidla, tím vyšší je jeho účinnost a kratší je čas k usmrcení mikroorganismu při ředění činidla klesá jeho účinek exponenciálně log( t c2 log C ) log( t 1 log C c1 2 ) kde η je koncentrační exponent, log(t C1 ) a log(t C2 ) je logaritmus smrtící doby (tj. doby k usmrcení standardního inokula) pro koncentraci činidla C 1 a C 2, a logc 1 a logc 2 jsou logaritmy koncentrací činidla C 1 a C 2

14 Koncentrační exponenty některých látek Antimikrobiální činidlo η peroxid vodíku 0,5 dusičnan stříbrný 0,9-1,0 jod 0,9 krystalová violeť 0,9 chlorhexidin 2 formaldehyd 1 kvarterní amoniové soli 0,8-2,5 bronopol 0,7 estery kyseliny p-hydroxybenzoové 2,5 kyselina sorbová 2,6-3,2 benzylalkohol 2,6-4,6 alifatické alkoholy 6,0-12,7 fenoly 4,0-9,9

15 Faktory výběru antimikrobiálního činidla vlastnosti chemického činidla mikrobiální kontaminace způsob aplikace faktory vnějšího prostředí toxicita

16 Mikrobiální kontaminace hladina kontaminující mikroflory koncentrace antimikrobiálního agens, délka expozice vegetativní buňky mikroorganismů problémové mikroorganismy: VRE, MRSA, kampylobaktery, legionely, listerie, pseudomonády Mycobacterium tuberculosis omezená permeabilita, mutace bakteriální spory většina antimikrobiálních látek nemá dostačující sporocidní účinek aldehydy, halogeny, peroxidy alternativní sterilizace tepelně labilních produktů houby spory plísní jsou odolnější než vegetativní buňky (konidiospory, chlamydospory) Candida albicans, Trichophyton mentagrophytes, Aspergillus niger atd.

17 Mikrobiální kontaminace viry lipidové obaly přispívají k vyšší citlivosti virů k antimikrobiálním látkám rotaviry, pikornaviry, adenoviry nosokomiální infekce viry hepatitidy A vysoká rezistence viry hepatitidy B, HIV 10 4 infekčních častic v ml infikovaného materiálu (krev) protozoa Acanthamoeba keratitidy, ztráta zraku proti cystám dezinfekční prostředky na bázi peroxidů priony malé proteinové částice spongiformní encefalopatie Creutzfeld-Jakobova nemoc tepelně sterilizované nástroje NaOH, NaClO (expoziční doba 1h) + tepelná sterilizace vlhkým teplem

18 Faktory výběru antimikrobiálního činidla vlastnosti chemického činidla mikrobiální kontaminace způsob aplikace faktory vnějšího prostředí toxicita

19 Způsob použití, vliv vnějšího prostředí a toxicita interakce konzervačního činidla s aktivní složkou léčivého přípravku korozivní vlastnosti, degradace polymerů a tkanin adsorpce pokles efektivní koncentrace dezinfekčního prostředku (fenoly guma, kvarterní amonné sloučeniny - tkaniny) organické látky adsorpce, chemická inaktivace, bariera pro penetraci redukce účinnosti antimikrobiálních látek krev a tělní tekutiny, hnis, mléko, koloidní proteiny, suchá organická nánosy a usazeniny před dezinfekcí je podle možností nutné předměty čistit (ionty přítomné ve vodě!) toxicita (fenoly, glutaraldehyd, formaldehyd) alergenní vlastnosti dráždivé a leptavé účinky na kůži a sliznice

20 Druhy antimikrobiálních látek kyseliny a estery kyselin organické kyseliny slabé kyseliny (disociace HA, H +, A - ), účinná je nedisociovaná složka pk a je důležitý parametr při kombinaci antimikrobiální látky s léčivým přípravkem kyselina benzoová použití: v kombinaci s dalšími konzervačními činidly (kys. salicilová), často jako sodná sůl pk a = 4,2 (50 % kyseliny je ionisováno) ochrana přípravků s ph do 5,0 (<4,0) koncentrace: 0,05-0,1% nevýhody: vznik rezistence O OH

21 Druhy antimikrobiálních látek kyselina sorbová použití: široce využívané konzervační činidlo (volná kyselina, draselná sůl) pk a = 4,8 ochrana přípravků s ph <4,0 arabská guma, syrupy, atd. estery kyseliny p-hydroxybenzoové methyl-, ethyl-, propyl- a butylestery pk a = 8 8,5 ochrana přípravků s ph 7 8 (optimum kyselá oblast) spektrum účinnosti: plísně, menší účinnost proti bakteriím (Pseudomonas sp.) konzervační činidla pro krémy, emulse, tekutých přípravků (0,25 % methylesteru ochrana vodné fáze, 0,02 % butylesterů ochrana olejové fáze) nevýhody: inaktivace povrchově aktivními látkami O O C H 3 OH HO O R

22 Druhy antimikrobiálních látek Alkoholy ethanol (CH 3 CH 2 OH), isopropanol (CH 3 CHOHCH 3 ) antiseptika a dezinfekční činidla - bakteriocidní účinek na vegetatvní buňky včetně Mycobacterium sp., - neúčinné proti sporám, pro svou těkavost rychle redukují mikrofloru kůže - účinek klesá při koncentracích nižších než 50 % - obtížně penetrují do organických látek aplikace pouze na čisté povrchy Ethanol antiseptické a dezinfekční činidlo účinná koncentrace: % (baktericidní účinky); 70 % (dezinfekce kůže, nástrojů), >90 % účinné proti virům (HIV) konzervační činidlo farmaceutických a kosmetických produktů Isopropanol nepatrně větší baktericidní účinky, avšak 2 více toxický než ethanol účinná koncentrace: % (méně účinný proti virům) konzervační činidlo farmaceutických a kosmetických produktů

23 Druhy antimikrobiálních látek Arylalkoholy a vysoce substituované alkylalkoholy se používají jako konzervační činidla: Benzylalkohol slabé anestezikum, koncentrace 2 %, omezené použití v kosmetických přípravcích Chlorbutanol, trichlorbutanol konzervační činidla v intravenosních roztocích a očních kapkách nestabilní v kyselém ph při vyšších teplotách (autoklávování) nestabilní v alkalickém prostředí při teplotě místnosti koncentrace: 0,5 % Fenylethylalkohol účinný proti G - mikroorganismům koncentrace: 0, % v kombinaci s dalšími činidly CH 2 OH CH 2 CH 2 OH

24 Druhy antimikrobiálních látek 2-Fenoxyethanol účinný proti Pseudomonas aeruginosa a dalším bakteriím koncentrace: 1 % kombinuje se s dalšími konzervačními činidly (hydroxybenzoáty) s cílem zvětšit spektrum účinku Bronopol (2-bromo-2-nitropropan-1,3-diol) široké spektrum účinků (Pseudomonas aeruginosa) koncentrace: 0,01-0,1 % nestabilní látka (světlo, alkalické ph, zvýšená teplota); degradační produkty formaldehyd, dusitanové ionty = reakce se sek a terc. aminy za vzniku nitrosaminů Br OCH 2 CH 2 OH HOH 2 C C CH 2 OH NO 2

25 Druhy antimikrobiálních látek Aldehydy účinná antibakteriální a sporocidní agens, chemická sterilizace, alkylace -NH 2, -OH, -COOH skupin Glutaraldehyd CHO(CH 2 ) 3 CHO silné antibakteriální účinky, krátká expoziční doba (vegetativní buňky minuty, spory ~3 h) biocidní účinky vzrůstají s hodnotou ph (ph 8, nízká stabilita - polymerace) kyselé prostředí + zvýšená teplota pokles konc. polymeru koncentrace dodávaného roztoku: 2 % a větší (kyselé nebo vodní prostředí), "aktivace" alkalizujícími činidly na optimální ph (omezená životnost) využití: chemická sterilizace obvazového materiálu, jednorázových pomůcek a nástrojů (endoskopy) Formaldehyd HCHO sterilizační agens v kombinaci s párou ( mg l -1, 73 C, rel. vlhkost 70 %) koncentrace dodávaných roztoků: % desinfekční roztoky: 4 % nízká penetrace formaldehydových par, toxický a dráždivý, tendence polymerizovat

26 Druhy antimikrobiálních látek Biguanidy Chlorhexidin obtížně rozpustný ve vodě rozpustné soli, acetáty, glukonáty atd. vysoce účinný při ph 7-8 (dikationt) účinek je redukován anionty (karbonátové, fosfátové, chloridové, citrátové) používat deionisovanou (destilovanou) vodu jako rozpouštědlo účinek je redukován organickými látkami (krev, hnis atd) širokospektré antiseptické agens, působící ve velmi malých koncentracích (S. aureus, P. aeruginosa), kombinuje se s ethanolem nebo isopropanolem omezená účinnost proti M. tuberculosis a houbám využití: antiseptikum (kůže, sliznice), předoperativní antiseptikum Cl NH NH NH NH Cl N H N H N H n N H N H N H n=6

27 Druhy antimikrobiálních látek Halogeny Chlor a chlornany širokospektré, rychle působící a levné dezinfekční činidlo spektrum účinku: vegetativní buňky G + a G - bakterií, bakteriální spory, Mycobacterium sp., plísně, viry mechanismus účinku: oxidace funkčních skupin biomolekul nevýhody: korozivní agens, inaktivace organickými látkami NaOCl + H 2 O HOCl + NaOH účinnost nedisociované kyseliny chlorné závisí na ph HOCl H + + OCl - optimální ph 5 (stabilita) Chlorované organické molekuly chloramin T, halazon dezinfekce vody, antiseptické prostředky chloroform (CHCl 3 ) omezené využití úzké spektrum účinnosti, těkavá látka pokles koncentrace H 3 C SO 2 NHCl HOOC SO 2 NCl 2 Chloramin T Halazon

28 Druhy antimikrobiálních látek Jod širokospektré antimikrobiální činidlo mechanismus účinku: reakce s SH skupinami biomolekul spektrum účinku: vegetativní buňky G + a G - bakterií, bakteriální spory, plísně, viry aktivní složka: elementární I 2 nízká rozpustnost ve vodě preparáty: 5 % I % KI, nebo 2,5 % I % Et-OH + 2,5 % KI podobně jako u chloru je aktivita závislá na teplotě, ph a přítomnosti organických molekul Těžké kovy (Ag, Hg) organokovové sloučeniny bakteriostatická činidla mechanismus účinku: reakce s -SH skupinami biomolekul fenylmerkuriacetát, thiomersal, fenylmerkuriboritan C 6 H 5 HgOB(OH) 2 (Famosept) COONa HgOOCCH 3 SHgC 2 H 5 thiomersal fenylmerkuriacetát

29 Druhy antimikrobiálních látek Peroxid vodíku vysoce účinné širokospektré dezinfekční činidlo spektrum účinnosti: vegetativní buňky G + a G - bakterií, bakteriální spory, plísně, viry, protozoa (Acanthamoeba) výhody: rychlý účinek, netoxické degradační produkty mechanismus účinku: oxidace funkčních skupin biomolekul koncentrace: 3 6 % dezinfekce, 35 % (sporocidní účinky) páry H 2 O 2 chemická sterilizace nástrojů, zařízení a uzavřených prostor Kyselina peroctová (CH 3 COOOH) vysoce účinné širokospektré dezinfekční činidlo spektrum účinnosti: bakterie, mykobakterie, plísně, viry, spory koncentrace: 0,2 0,35 % (chemická sterilace) výhody: aktivní v přítomnosti organických látek, synergický účinek H 2 O 2 + CH 3 COOOH nevýhody: dráždivé účinky, korozivní agens sterilizace dialyzačního zařízení za studena

30 Druhy antimikrobiálních látek Fenoly, kresoly, xylenoly rychle působící dezinfekční prostředky s bakteriocidním (mykobakterie), fungicidním účinkem, slabý sporocidní účinek větší bakteriocidní aktivity je dosaženo v kyselém prostředí nevýhody: účinnost klesá s klesající koncentrací, přítomností organických látek, toxicita, žíravý účinek na kůži výroba destilace uhlí a ropy, separace na základě bodu varu směs kresolů a draselného mýdla lysol (desinfekce podlah, prádla atd.) OH OH OH OH CH 3 CH 3 CH 3 C 2 H 5 fenol kresol xylenol ethylfenol

31 Druhy antimikrobiálních látek OH OH OH CH 3 H 3 C CH 3 Cl Cl Cl p-chlor-m-kresol p-chlor-m-xylenol 2-benzyl-4-chlorfenol OH OH O Cl Cl Cl 2-fenylfenol triclosan

32 Druhy antimikrobiálních látek Povrchově aktivní látky podle ionisace hydrofilní skupin: aniontové, kationtové, neiontové anitontové a neiontové detergenty jsou antimikrobiálně nejméně účinné, zvyšují účinek jiných antimikrobiálních činidel (zvyšování permeability membrány) amfoterní látky detergent + antimikrobiální aktivita mechaismus účinku: narušení permeability cytoplasmatické membrány Kationtové povrchově aktivní látky (kvarterní soli) sloučeniny s vysokou bakteriocidní účiností (1: G + bakterie, 1: G - bakterie) omezená antifungální aktivita, antivirové účinky (HIV, HBV) optimální ph neutrální slabě alkalické výhody: netoxické látky neaktivní při ph nižším než 3,5, inaktivovány aniontovými činidly, organickými látkami, s neiontovými detergenty tvoří micely využití: 1. antiseptika, vodné a alkoholové roztoky benzalkoniumchloridu v chirurgii, gynekologii, urologii, 2. konzervační činidla, 3. detergenty

33 Druhy antimikrobiálních látek R1 CH 3 R4 N + R2 X CH 3 N + R3 CH 3 R Cl obecná struktura benzalkoniumchlorid (R = C n H 2n+1, n = 8-18) CH 3 C H 3 N + R Br N + C H2 CH 3 n Cl CH 3 cetrimid R = C n H 2n+1, n = cetylpyrimidiniumchlorid (n = 15)

34 Druhy antimikrobiálních látek Barviva trifenylmetanová barviva krystalová violeť (Genciánová violeť), briliantová zeleň, malachitová zeleň potenciální karcinogeny akridinová barviva akriflavin (proflavin, euflavin), aminakrin pomalý bakteriostatický účinek, minimální fungicidní a sporocidní účinek antiseptikum, dezinfekce kůže, povrchových zranění H 3 C N CH 3 Cl malachitová zeleň N + CH 3 CH 3

35 Denyer S., Russel A.D. (2004): Non-antibiotic antibacterial agents: mode of action and resistance In: Pharmaceutical Microbiology, 7 th Edition (Denye S.P., Hodges N.A., Gorman S.P., Eds), Blackwell Publishing Ltd., Oxford, United Kingdom,