Toxizität verschiedener Antibiotika : LD50 und Fluoracetat

spacerat
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Toxizität verschiedener Antibiotika : LD50 und Fluoracetat

Beitragvon spacerat » 14. Sep 2017, 17:43

Studiendetails zur Toxizität der FC in Relation zu Standard-AB und zum toxischen Mechanismus der FC aus folgender Quelle:
http://www.sciencedirect.com/science/ar ... 7407008999

Dort heißt es:

"We investigated hydroxyl radical formation following exposure to the three major classes of bactericidal antibiotics in Escherichia coli (E. coli). Specifically, we examined killing by the quinolone (250 ng/ml norfloxacin), ?-lactam (5 µg/ml ampicillin), and aminoglycoside (5 µg/ml kanamycin) classes... In contrast, the five bacteriostatic drugs we tested, including four different classes of ribosome inhibitors (chloramphenicol, spectinomycin, tetracycline, and the macrolide erythromycin) as well as an inhibitor of RNA polymerase did not stimulate hydroxyl radical."

Sehr wichtig ist erstmal die Beobachtung, dass die schon in der LD50-Übersicht unten kritisch beäugten AB Chloramphenicol und Tetracyclin in dieser Studie kein bakterizides Potential zeigten, da sie nur bakteriostatisch wirken - somit dürften deren LD50-Werte endgültig hinfällig sein. Nebenbei bestätigt das Studienergebnis, dass Erythromycin gut verträglich ist - das legt auch die offizielle LD50 nahe.

Nun zu den bakteriziden AB: Die o. g. Norfloxacinkonzentration von 250 ng/ml entspricht 0.25 µg/ml. Die Konzentrationen von Ampicillin und Kanamycin betragen das 20-fache. Dennoch weist Norfloxacin in dieser Studie die stärkste Toxizität auf:
http://ars.els-cdn.com/content/image/1- ... r1_lrg.jpg
http://ars.els-cdn.com/content/image/1- ... r4_lrg.jpg
http://ars.els-cdn.com/content/image/1- ... r3_lrg.jpg
http://ars.els-cdn.com/content/image/1- ... r5_lrg.jpg

Demnach ist Norfloxacin mindestens 20-mal giftiger als Ampicillin oder Kanamycin.

Darüberhinaus weisen die Autoren darauf hin, dass alle bakteriziden AB auf den bakteriellen Citratzyklus einwirken, jedoch insbesondere Norfloxacin hierbei einen Mechanismus ausübt, der spezifisch das für den pro- und eukaryotischen Stoffwechsel kritische Enzym Aconitase betrifft. In höheren Zellen ist die Aconitase das Enzym, welches durch Fluoressigsäure blockiert wird! Die Autoren beobachteten, dass der bakterizide Effekt von Norfloxacin abgeschwächt werden konnte, indem sie das Enzym Aconitase inaktivierten, bevor Norfloxacin mit diesem reagieren konnte:

"We found that blocking the TCA cycle before the formation of the first reduced dinucleotide (isocitrate dehydrogenase and aconitase B) led to increased survival following norfloxacin treatment, which had the largest increase in NAD?/NADH ratio... It is important to note that aconitase A and aconitase B are the two main forms of aconitase in E. Coli: AcnB functions as the main catabolic enzyme in the TCA cycle..."

Interessanterweise haben Autoren einer Studie zur Wirkung von Fluoracetat auf den bakteriellen Citratzyklus exakt denselben Schritt gewählt wie die Autoren der
o. g. Norfloxacin-Studie!!!

"Fluorocitrate is a highly toxic compound when metabolized to 4-hydroxy-trans-aconitate by the TCA cycle enzyme aconitase, severely limiting the usable concentration range. In the present study, we overcame this limitation by genetically inactivating the aconitase gene in S. epidermidis strain 1457.“
(https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2583607/)

Scheinbar besteht der bislang unbekannte bakterizide Wirkmechanismus der FC in der konzentrationsabhängigen Hemmung des Enzyms Aconitase. Es gibt Studien, die belegen, dass auch Ciprofloxacin den bakteriellen Citratzyklus attackiert - einmal wurde eine völlige Deregulation des Citratzklus beobachtet, im anderen Fall eine starke Einschränkung. Die Autoren der Norfloxacin-Studie sagen klipp und klar, dass die Inaktivierung der Aconitase zu einer erhöhten Überlebensrate exponierter Bakterien führte.

Es gibt nur ein Gift, welches mit einer irreversiblen Hemmung dieses Enzyms assoziiert ist. Wie die abschließend zitierte Studie belegt, scheint die rechtzeitige Inaktivierung der Aconitase zu verhindern, dass Fluoracetat als Fluorcitrat an dieses Enzym binden und den Citratzyklus unterbrechen kann.

Im folgenden entscheidende Passagen aus den o. g. Studien zum Einfluss von Cipro auf den bakteriellen Citratzyklus.

"The most general response of S. aureus 8325 to ciprofloxacin [0.8 µg/ml] is a significant decrease in the transcript levels of genes corresponding to various facets of metabolism, including amino acid, protein, cofactor, nucleotide, fatty acid, and cell wall biosynthesis as well as energy metabolism and electron transport. However, genes involved in glycolysis/ glucogenesis, fermentation, and carbohydrate uptake were both induced and repressed by ciprofloxacin...
Interestingly, ciprofloxacin induced the expression of a number of genes that encode proteins in or related to the TCA cycle [which] has not been observed previously with an antibiotic...
The up-regulation of carbon flux into and through the TCA cycle is particularly interesting because TCA cycle activity has been shown to be associated with virulence, survival, and persistence of S. aureus and several other pathogens. In total, the data suggest that ciprofloxacin induces significant changes in carbohydrate uptake and metabolism, with an increased reliance on the TCA cycle for metabolism and/or energy production...
A general down-regulation of metabolism was also observed for P. aeruginosa in response to ciprofloxacin and may represent a common response to this antibiotic."
(https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC1797410/)

"Ciprofloxacin [1 µg/ml; S. aureus HG001] induced the largest number of enhanced metabolite abundances compared to the other antibiotic stresses.(-> Erythromycin, Fosfomycin, Ampicillin, Vancomycin). Considering the central carbon metabolism, significantly enhanced levels of the TCC metabolites citrate, isocitrate, and 2-oxoglutarate were determined... Several TCC intermediates showed increased amounts, most probably due to low TCC activity. Although Cirz and coworkers found induced TCC gene expression under ciprofloxacin stress, in our study extracellular glucose was still present in large amounts (>5 mM) after 120 min of antibiotic treatment."
(https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4249544/)

Der im abschließenden Satz enthaltene Hinweis auf eine offensichtliche Störung des Glukoseabbaus korreliert sehr deutlich mit der Hemmung der Glykolyse durch F-acetat. Noch wichtiger ist jedoch der Hinweis auf erhöhte Citratzyklus-Werte nach Ciprofloxacin-Exposition: die Autoren beobachteten bei exponierten Bakterien erhöhte Citrat-, Isocitrat und 2-oxoglutarat (= alpha-Ketoglutarat)-Werte. Das korreliert sehr deutlich mit erhöhten Citratzyklus-Werten einer gefloxten Person in Beatrice Golombs paper!!! Interessanterweise waren nur die Citratzyklus-Werte der Betroffenen durchgehend auffällig - andere Werte bewegten sich überwiegend im Normalbereich.

unnamed (4).png

(http://www.saferpills.org/wp-content/up ... eports.pdf)

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LD50 (Letale Dosis bei 50% der Versuchstiere)

LEVOFLOXACIN

Laut Levofloxacin-Hersteller Daiichi vertragen Ratten eine 26-wöchige orale Verabreichung von 20 mg/kg Levofloxacin ohne signifikante Nebenwirkungen ("no-effect dose" -> NOAEL – Wikipedia).
(https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/1622434)

Laut unabhängigen Toxikologen entwickeln Ratten nach 7-tägiger oraler Verabreichung von 5 mg/kg Levofloxacin Leber- und Nierenschäden.
(https://www.hindawi.com/archive/2015/385023/)

MOXIFLOXACIN

Laut Moxifloxacin-Hersteller Bayer entwickeln Ratten nach 13-wöchiger oraler Verabreichung von 500 bis 750 mg/kg Moxifloxacin Leberschäden.
(Preclinical safety evaluation of moxifloxacin, a novel fluoroquinolone)

Laut unabhängigen Toxikologen entwickeln Ratten nach 7-tägiger oraler Verabreichung von 4 mg/kg Moxifloxacin Leber- und Nierenschäden.
(https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4621322/)

Da es hier um einen Annäherungsversuch an die LD50 von Cipro geht, ists leider etwas komplexer als bei Levo und Moxi. Deutlich wird aber auch hier, dass die offiziellen Daten nicht stimmen...

Laut Ciprofloxacin-Hersteller Bayer beträgt die toxische Dosis von Ciprofloxacin nach intravenöser Verabreichung an Ratten 125 bis 300 mg/kg (Ø 212 mg/kg). Die von Bayer beobachtete "significant toxicity" macht sich in Form von "convulsions" (Krampfanfällen) bemerkbar.
(https://www.fda.gov/ohrms/dockets/ac/05 ... 1-7-05.pdf)

Es ist davon auszugehen, dass Bayer mit "signifikanter Toxizität" tatsächlich LD50 meint, denn diese beträgt bei der Ratte nach intravenöser Verabreichung von Ciprofloxacin 207 mg/kg.
(https://chem.nlm.nih.gov/chemidplus/rn/85721-33-1)

Werden Krampfanfälle als Indikator für eine signifikante Toxizität bzw. LD50 herangezogen, dürfte letztere im Fall von Ciprofloxacin niedriger sein als vom Hersteller angegeben: Laut unabhängigen Studienergebnissen entwickeln Ratten nach einmaliger intraperitonealer Gabe von 6 mg/kg Ciprofloxacin Krampfanfälle - allerdings wurden hier keine LD50-Werte erhoben.
(https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4202555/)

(Randnotiz: Die Art der Verabreichung spielt im Vergleich der beiden Resultate eine untergeordnete Rolle, da die Bioverfügbarkeit einer Substanz nach intraperitonealer Verabreichung nicht besser oder schlechter ist als nach íntravenöser Verabreichung:
https://www.researchgate.net/post/How_d ... _injection
Im Fall des potentiellen Metaboliten Fluoracetat hat die Art der Verabreichung keinerlei Einfluss auf dessen Toxizität:
"There is no noteworthy difference between the toxicities of orally, subcutaneously, intramuscularly, intraperitoneally or intravenously administered methyl or sodium fluoroacetate.“
Monofluoroacetic Acid and Related Compounds
"Routes of administration had little effect on 1080 toxicity. Oral dosages were as toxic as subcutaneous, intramuscular, intravenous, and intraperitoneal dosages.“
Eisler's Encyclopedia of Environmentally Hazardous Priority Chemicals)

Laut einer experimentellen Studie zur Verträglichkeit von liposomalem Ciprofloxacin betrug die maximal tolerierte Dosis (MTD) von gewöhnlichem Ciprofloxacin nach intravenöser Gabe an Ratten mit starker Erregerbelastung 20 mg/kg und bei Ratten mit schwacher Erregerbelastung 40 mg/kg. (Bei der MTD sollen toxische Effekte auftreten, die jedoch die Lebenserwartung der Tiere noch nicht beeinträchtigen.) Bei Überschreitung der MTD kam es zu akuter Toxizität in Form von Krampfanfällen, Irritabilität und Bewußtseinstrübung. Interessanterweise starben 10 von 12 Tieren mit starker Erregerbelastung, welche 7 Tage lang 2 mal täglich 20 mg/kg gewöhnliches Ciprofloxacin i.v. erhielten - die Autorin gibt hierzu keine Details preis, suggeriert jedoch, dass die hohe Mortalität durch eine erregerspezifische Septikämie bedingt gewesen sei. (Toxikologen weisen jedoch auf folgendes Detail hin: "In some instances, fluoroacetate has been shown to lower the resistance of infected animals and hence to decrease the survival time.“ FLM Pattison, Toxic Aliphatic Fluorine Compounds. Amsterdam 1959, S. 187.) In einer weiteren Gruppe starben 9 von 15 Tieren mit starker Erregerbelastung, die 7 Tage lang 2 mal täglich 40 mg/kg Ciprofloxacin i.v. erhielten - hier wurde die o.g. Symptomtrias bei 8 der 9 verstorbenen Tiere beobachtet, was eine LD50 nahelegt (s. Tab. 2: % Survival (no.) -> 38 (15), Hinweis b).
(https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC127349/ -> https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articl ... /table/t2/)

Diese Symptomtrias tritt auch bei Ratten nach Verabreichung der minimal tödlichen Dosis (MLD) 3-Fluortyrosin auf, welche 12.5 mg/kg beträgt:
“The signs of toxicity noted were characterized by periods of convulsion and hyperirritability alternating with intervals of extreme lethargy (Boyer et al., 1941). These were similar to signs described by Litzka (1936a)...“
(Pharmacology of Fluorides) und (http://jpet.aspetjournals.org/content/73/2/176)

Ob die Überlebensrate in der Versuchsgruppe mit schwacher Erregerbelastung gegenüber der o. g. Gruppe höher war, lässt sich nicht nachvollziehen, denn hier wurden alle mit gewöhnlichem Ciprofloxacin behandelten Tiere bereits nach 3- bis 7-tägiger Wirkstoffverabreichung getötet (der u. g. Zeitpunkt der Beimpfung mit dem Erreger spielt für die LD50 keine Rolle):
"treatment at 12-h intervals for 3 days... At the end of treatment (7 days after bacterial inoculation), rats were sacrificed...
(https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articl ... figure/f1/)
"treatment at 12- or 24-h intervals for 7 days... At the end of treatment (11 days after bacterial inoculation), rats were sacrificed..."
(https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articl ... figure/f2/)

Jedoch ist für die Bestimmung einer LD50 bei Substanzen, die zu Fluoracetat konvertiert werden können, ein mehrwöchiger Beobachtungszeitraum ausschlaggebend:

3-Fluortyrosin
"Die zuerst versuchte Menge von 30 mg/kg erwies sich bei 5 Tieren angewandt auf die Dauer als nicht tragbar. Nach 2 bis 3 Tagen traten nach der Fütterung Krämpfe auf. In 24 Stunden hatten sich die Tiere erholt, wurden aber immer schlapper und starben nach 9-17 Tagen. Die Substanz kumulierte offenbar..."
(Über die Wirkung einiger organischer Fluoride bei chronischer )

"10 mg/kg: 6 Tiere. Die Tiere wurden meist kachektisch, starben nach 4 Wochen oder wurden vorher getötet."
(Über die Wirkung von Fluor in organischer Bindung auf )

5-Fluorouracil
„The toxicity of both the 5-fluorouracil and the 5-fluoroorotic acid [in mice] is characterized by delayed death, such as has been observed with other carcinostatic compounds. For this reason, a comparatively long observation time of 10-20 days was necessary..."
(http://cancerres.aacrjournals.org/conte ... 5.full.pdf)

Fazit: Da alle exponierten Tiere zusätzlich mit einem Erreger beimpft waren und die Autorin eine erhöhte Mortalitätsrate primär auf den Erreger zurückführt bzw. exponierte Ratten mit schwacher Erregerbelastung zu früh tötete, kann die Studie nur bedingt als Referenz für eine ableitbare LD50 dienen. Allerdings stellt sich bzgl. der auffällig niedrigen MTD-Werte und der an Fluoracetatvergiftungen erinnernden Symptomatik einmal mehr die Frage nach der tatsächlichen LD50 der Fluorchinolone.

In diesem Kontext sollte ergänzt werden, dass die MTD für den Fluoracetatvorläufer 5-Fluorouracil (Ratte, i.v.) 50 mg/kg beträgt.
(https://bmccancer.biomedcentral.com/art ... 407-12-448)

Jedoch hat 5-FU beim Kaninchen eine LD50 von nur 15 (i.v.) bis 19 mg/kg (oral), was in etwa mit den LD50-Werten von 3-Fluortyrosin im Rattenversuch korreliert.
(https://de.wikipedia.org/wiki/5-Fluoruracil)

Dies legt nahe, dass die o. g. MTD für 5-FU (Ratte, i.v.) bereits einer LD50 entspricht. Tatsächlich ist die offizielle LD50 für Ratten (oral, i.v.) mit 230 mg/kg ungewöhnlich hoch.
(https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compou ... ty-Summary)

Dieser Wert scheint insofern klärungsbedürftig, als die LD50 des maßgeblichen 5-FU-Metaboliten Fluoracetat beim Kaninchen 0.5 mg/kg beträgt, jedoch bei der Ratte schon ab 0.1 mg/kg beginnt.
(http://www.inchem.org/documents/pims/ch ... pim494.htm)

Es ist also davon auszugehen, dass auch bei 5-FU an den LD50-Werten geschraubt wurde. Die LD50 der Fluorchinolone dürfte sich in einem Bereich zwischen 30 und 50 mg/kg einpendeln, da FC im Vergleich mit 3-FT und 5-FU eine höhere molare Masse und einen etwas niedrigeren F-Anteil haben.

Die hier folgenden AB verursachen ein akute, aber keine chronische Toxizität.

AMOXICILLIN
2870 (i.p.)
15.000 (p.o.)
8000 (s.c.)
(https://chem.nlm.nih.gov/chemidplus/rn/61336-70-7)

AMPICILLIN
4500 (i.p.)
6200 (i.v.)
3000 (parenteral)
10.000 (nicht bek.)
(https://chem.nlm.nih.gov/chemidplus/rn/69-53-4)

AZITHROMYCIN
2000 (p.o.)
(https://chem.nlm.nih.gov/chemidplus/name/azithromycin)

CEFIXIM
6990 (i.v.)
10.000 (p.o., s.c.)
(https://chem.nlm.nih.gov/chemidplus/rn/79350-37-1)

CEFOTAXIM
2000 (i.m.)
10.000 (i.p.)
7000 (i.v.)
20.000 (p.o.)
18.400 (s.c.)
(https://chem.nlm.nih.gov/chemidplus/rn/64485-93-4)

CEFTAZIDIM
10.000 (i.p.)
6100 (i.v.)
20.000 (s.c.)
(https://chem.nlm.nih.gov/chemidplus/rn/78439-06-2)

CEFUROXIM
2000 (i.m.)
10.000 (i.p., p.o., s.c.)
8000 (i.v.)
(https://chem.nlm.nih.gov/chemidplus/name/cefuroxim)

CHLORAMPHENICOL
1811 (i.p.)
171 (i.v.)
2500 (p.o.)
5000 (s.c.)
(https://chem.nlm.nih.gov/chemidplus/rn/56-75-7)

CLARITHROMYCIN
669 (i.p.)
1270 (p.o.)
5000 (s.c.)
(https://chem.nlm.nih.gov/chemidplus/name/clarithromycin)

CLAVULANSÄURE
1399 (i.p.)
7936 (p.o.)
1393 (s.c.)
(https://chem.nlm.nih.gov/chemidplus/nam ... nic%20acid)

CO-TRIMOXAZOL
1840 (i.p.)
5350 (p.o.)
3000 (s.c.)
(https://chem.nlm.nih.gov/chemidplus/name/co-trimoxazole)

DOXYCYCLIN
378 (i.p.)
228 (i.v.)
2000 (p.o.)
(https://chem.nlm.nih.gov/chemidplus/rn/564-25-0)

ERYTHROMYCIN
4600 (p.o.)
(https://chem.nlm.nih.gov/chemidplus/name/erythromycin)

FOSFOMYCIN
10.000 (p.o.)
(https://de.wikipedia.org/wiki/Fosfomycin)

GENTAMICIN
463 (i.m.)
735 (i.p.)
70 (i.v.)
6600 (p.o.)
710 (s.c.)
(https://chem.nlm.nih.gov/chemidplus/rn/1403-66-3)

IMIPENEM
1972 (i.v.)
5000 (p.o., s.c.)
(https://chem.nlm.nih.gov/chemidplus/rn/64221-86-9)

KANAMYCIN
1014 (i.m.)
1515 (i.p.)
437 (i.v.)
10.000 (p.o.)
4070 (s.c.)
(https://chem.nlm.nih.gov/chemidplus/rn/59-01-8)

MEROPENEM
2850 (i.v.)
5000 (p.o., s.c.)
(https://chem.nlm.nih.gov/chemidplus/rn/96036-03-2)

NEOMYCIN
2750 (p.o.)
633 (s.c.)
(https://chem.nlm.nih.gov/chemidplus/name/neomycin)

NITROFUANTOIN
112 (i.p.)
604 (p.o.)
(https://chem.nlm.nih.gov/chemidplus/rn/67-20-9)

OXACILLIN
10.000 (nicht bek.)
(https://chem.nlm.nih.gov/chemidplus/name/oxacillin)

PENICILLIN G
8000 (p.o.)
9000 (nicht bek.)
(https://chem.nlm.nih.gov/chemidplus/rn/61-33-6)

PENICILLIN V
1600 (i.m.)
2000 (i.p.)
1775 (i.v.)
2220 (p.o.)
(https://chem.nlm.nih.gov/chemidplus/name/penicillin%20v)

PIPERACILLIN
7600 (i.p.)
2260 (i.v.)
10.000 (p.o.)
8800 (s.c.)
2000 (nicht bek.)
(https://chem.nlm.nih.gov/chemidplus/rn/59703-84-3)

RIFAMPICIN
511 (i.p.)
1570 (p.o.)
534 (s.c.)
(https://chem.nlm.nih.gov/chemidplus/name/rifampicin)

STREPTOMYCIN
9000 (p.o.)
(https://chem.nlm.nih.gov/chemidplus/name/streptomycin)

SULFAMETHOXAZOL
2690 (i.p.)
6200 (p.o.)
5000 (s.c.)
(https://chem.nlm.nih.gov/chemidplus/nam ... ethoxazole)

TETRACYCLIN
310 (i.p.)
129 (i.v.)
807 (p.o.)
(https://chem.nlm.nih.gov/chemidplus/name/tetracycline)

TOBRAMYCIN
913 (i.m.)
1030 (i.p.)
104 (i.v.)
>7500 (p.o.)
969 (s.c.)
(https://chem.nlm.nih.gov/chemidplus/name/tobramycin)

TRIMETHOPRIM
500 (i.p.)
5300 (p.o.)
5000 (s.c.)
(https://chem.nlm.nih.gov/chemidplus/name/trimethoprim)
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