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Warum hat Tetracyclin ein so breites Wirkungsspektrum?

Warum hat Tetracyclin ein so breites Wirkungsspektrum?


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Was sind die strukturellen und chemischen Eigenschaften, die Tetracyclin zu einem einzigartigen breiten Spektrum machen? Ich verstehe, dass es auf die A-Stelle des prokaryotischen Ribosoms wirkt, aber es gibt viele auf Ribosomen gerichtete Medikamente mit einem relativ engen Spektrum. Ich gehe davon aus, dass es etwas mit seiner Permeabilität in mehreren verschiedenen Klassen von Bakterienzellwänden und / oder -membranen zu tun hat - aber ich kann keine Literatur finden, die einen charakteristischen Teil seiner Struktur mit dieser Permeabilität in Verbindung bringt.


Dies ist eine schwierige Frage. Zunächst einmal würde ich Tetracycline nicht als "einzigartig" breites Spektrum bezeichnen. Sie haben ein breites Spektrum, aber es gibt andere Medikamente mit einer ebenso breiten Abdeckung ohne erworbene Resistenz (z. B. Imipenem und Chloramphenicol), und die derzeitige klinische Anwendung von Tetracyclinen wird durch die Ausbreitung von Resistenzen etwas eingeschränkt. Sie haben jedoch keine größeren Klasseneinschränkungen. Auch ohne erworbene Resistenzen sind Tetrazykline gegen grampositive Aerobier und Anaerobier sowie gegen gramnegative Organismen wirksam, wie Ihnen bekannt zu sein scheint.

Tetracycline erreichen ihr Ziel auf der 30S-Untereinheit des bakteriellen Ribosoms (Blockierung der A-Stelle, wie Sie sagten) durch passive Diffusion durch Porine der äußeren Membran gramnegativer Bakterien und aktiven Transport durch die Zytoplasmamembran gramnegativer und grampositiver Bakterien , aber der Mechanismus für diesen aktiven Transport ist noch unbekannt. Dies ist eine ziemlich gute Bewertung, obwohl sie ziemlich alt ist. Jetzt, etwa 30 Jahre später, haben wir den genauen Mechanismus immer noch nicht identifiziert, wie Sie in Goodman & Gillmans aktueller Ausgabe (13.), Kap. 59 erfordert das Durchqueren der Zytoplasmamembran metabolische Energie, aber der Prozess ist nicht gut verstanden. Aus diesem Grund können wir nicht auf eine spezifische strukturelle oder chemische Eigenschaft hinweisen. Für Chloramphenicol wäre es die Fähigkeit, durch die zytoplasmatische Membran zu diffundieren; für Tetracyclin wissen wir es nicht. Ich vermute, dass dies zum Teil daran liegt, dass die Leute heute mehr daran interessiert sind, Tetrazykline durch Pumpen aus der Zelle zu entfernen als solche, die sie anreichern. Es geht also eher um Forschungsprioritäten als um einen besonders schwer zu erkennenden Transportmechanismus.


Tetracyclin

Tetracyclin, verkauft unter dem Markennamen Sumycin ist unter anderem ein orales Antibiotikum aus der Familie der Tetracycline, das zur Behandlung einer Reihe von Infektionen eingesetzt wird [1], darunter Akne, Cholera, Brucellose, Pest, Malaria und Syphilis. [1]

    60-54-8 Ja
    PubChemCID
  • DB00759 Ja
  • 10257122 Ja
  • D00201 Y
  • CHEBI:27902 Ja
  • ChEMBL1440 Y
InChI=1S/C22H24N2O8/c1-21(31)8-5-4-6-11(25)12(8)16(26)13-9(21)7-10-15(24(2)3) 17(27)14(20(23)30)19(29)22(10,32)18(13)28/h4-6,9-10,15,25,27-28,31-32H,7H2, 1-3H3,(H2,23,30)/t9-,10-,15-,21+,22-/m0/s1 Y Schlüssel:OFVLGDICTFRJMM-WESIUVDSSA-N Y

Häufige Nebenwirkungen sind Erbrechen, Durchfall, Hautausschlag und Appetitlosigkeit. [1] Andere Nebenwirkungen sind eine schlechte Zahnentwicklung bei Kindern unter acht Jahren, Nierenprobleme und leichter Sonnenbrand. [1] Die Anwendung während der Schwangerschaft kann dem Baby schaden. [1] Es wirkt, indem es die Proteinsynthese in Bakterien hemmt. [1]

Tetracyclin wurde 1953 patentiert und kam 1978 in den kommerziellen Gebrauch. [2] Es steht auf der Liste der unentbehrlichen Arzneimittel der Weltgesundheitsorganisation. [3] Tetracyclin ist als Generikum erhältlich. [1] Tetracyclin wurde ursprünglich aus Bakterien der Streptomyces Typ. [1]


TETRACYCLINE-ANTIBIOTIKA Voller Text

Tetracyclin-Antibiotika haben ein breites Wirkungsspektrum, sind relativ sicher, können auf vielen Verabreichungswegen verwendet werden und sind weit verbreitet. Sie haben sogar antiprotozoale Aktivität. Der Hauptunterschied zwischen den Tetracyclinen liegt in ihren pharmakokinetischen Eigenschaften. Kreuzwiderstand unter den Mitgliedern der Gruppe ist häufig.

Struktur und chemische Eigenschaften

Vier anellierte 6-gliedrige Ringe, wie in der beigefügten Abbildung gezeigt, bilden die Grundstruktur, aus der die verschiedenen Tetracycline aufgebaut sind. Die verschiedenen Derivate unterscheiden sich an einer oder mehreren von vier Stellen der starren, planaren Ringstruktur. Die klassischen Tetracycline wurden von Streptomyces spp. abgeleitet, aber die neueren Derivate sind halbsynthetisch, wie dies im Allgemeinen für neuere Mitglieder anderer Wirkstoffgruppen gilt. Die Stabilität von Tetracyclinen in Lösung variiert mit pH und Derivat. Die Medikamente sind amphoter, was bedeutet, dass sie sowohl mit starken Säuren als auch mit Basen Salze bilden. Somit können sie als Salze von Natrium oder Chlorid vorliegen.

Es gibt keine starren Untergruppen der Tetracycline, aber wenn Sie dieses Material studieren, werden Sie vielleicht feststellen, wie häufig ihre Eigenschaften sie in eine der 3 folgenden Klassen einordnen. Diese basieren auf Dosierung und Häufigkeit der oralen Verabreichung. Gruppe 1 umfasst ältere Derivate wie Chlortetracyclin (jetzt wenig verwendet), Oxytetracyclin und Tetracyclin. Gruppe 2 umfasst Demeclocyclin und Methacyclin. Gruppe 3 umfasst neuere Medikamente wie Doxycyclin und Minocyclin.

Wirkmechanismus

Tetracycline binden reversibel an die kleinen Untereinheiten von bakteriellen (und eukaryotischen) Ribosomen, wo sie die Bindung von geladener tRNA an die "Akzeptor"-Stelle stören. Sie sind eher "bakteriostatisch" als abtötend. Tetracycline können auch die Proteinsynthese im Wirt hemmen, erreichen aber mit geringerer Wahrscheinlichkeit die erforderliche Konzentration, da eukaryontische Zellen keinen Aufnahmemechanismus für Tetracyclin haben.

Widerstand

Tetrazykline werden in der klinischen Praxis zunehmend von resistenten Organismen aufgenommen, gelten aber immer noch als nützlich. Empfindliche Organismen akkumulieren aufgrund aktiver Transportsysteme intrazellulär Tetracycline. Es sind keine Enzyme bekannt, die die Tetracycline inaktivieren. Eine Resistenz gegen ein Tetracyclin impliziert normalerweise eine Resistenz gegen die anderen, obwohl einige Forschungsstudien Unterschiede in den MHKs für verschiedene Tetracyclin-Derivat-Isolat-Paare beobachtet haben. Diese Unterschiede sind nicht groß und nicht im ganzen Land einheitlich.

Resistenz wird in Plasmide übertragen, die für Proteine ​​kodieren, die die Medikamente aus den Zellen "pumpen". Die intrazelluläre Konzentration stellt das Gleichgewicht zwischen den Input- und Output-Mechanismen dar. Dieser Resistenzmechanismus ist konzeptionell ähnlich und der von Krebszellen, die in einem Schritt Resistenzen gegen verschiedene Krebsmedikamente entwickeln.

Pharmakokinetik

Beachten Sie die Ähnlichkeit zwischen der Pharmakokinetik von Doxycyclin und Minocyclin in der folgenden Diskussion. Sie sind relativ neue Tetracycline, die entwickelt wurden, um Mängel in den älteren Derivaten zu überwinden.

Aufnahme/Verabreichung

Tetracycline werden hauptsächlich oral verabreicht, es gibt jedoch topische, IM- und IV-Formen. Nur Oxytetracyclin und Tetracyclin haben IM-Dosisformen, die anderen verursachen sterile Abszesse. IV-Injektionen werden als Infusion verabreicht, um einen kardiovaskulären Kollaps zu vermeiden. Es gibt IV-Dosisformen für Minocyclin, Doxycyclin und die beiden, die auch IM-Dosisformen haben, Oxytetracyclin und Tetracyclin.

Die Tetracycline unterscheiden sich stark in ihrer Bioverfügbarkeit und der Wirkung, die Nahrung darauf hat. Doxycyclin und Minocyclin haben eine sehr hohe Bioverfügbarkeit im Bereich von 90 bis 100 %, und die Anwesenheit von Nahrung hat eine unbedeutende Wirkung. Die anderen haben eine Bioverfügbarkeit von ca. 58 bis 77 % und werden durch Nahrung deutlich verringert. Calcium, Aluminium und Magnesium bilden mit Tetracyclinen unlösliche Chelate, um die Bioverfügbarkeit zu verringern. Milch ist reich an Kalzium und alle diese Ionen sind reich an Antazida, daher sollten diese vermieden werden. Einige Abführmittel enthalten Magnesium. Da Tetracycline Reizstoffe sind, die Magenverstimmung verursachen, sollten Patienten davor gewarnt werden, Milch oder Antazida zu verwenden, um dem Leiden entgegenzuwirken. Besitzer von Tieren sollten ebenfalls gewarnt werden.

Verteilung

Doxycyclin erreicht im Auge therapeutische Konzentrationen. Minocyclin ist ebenfalls weit verbreitet und erreicht hohe Konzentrationen im Speichel und in den Tränen. Beide werden bei der Behandlung von Infektionen des Urogenitaltrakts verwendet, da sie in diesen Geweben, einschließlich der Prostata, therapeutische Konzentrationen erzeugen. Alle Tetracycline werden in die meisten Körperflüssigkeiten verteilt, einschließlich solcher transzellulärer Flüssigkeiten wie Galle, Sinus-Sekretionen, Synovial- und Pleuraflüssigkeiten. Die Liquorkonzentrationen betragen 10-25% der Plasmakonzentrationen. Dies ist so niedrig, dass sie bei ZNS-Infektionen nicht dringend empfohlen werden.

Ziv und Sulman (1974) fanden bei Rindern heraus, dass etwa 20 Minuten für die intravenöse Verabreichung von Doxycyclin und Minocyclin erforderlich waren, um ein Milch:Serum-Verhältnis von über 1,5 zu erreichen. Tetracyclin und Oxytetracyclin brauchten 60 Minuten, um Verhältnisse von 1,25 bzw. 0,75 zu erreichen. Diese Werte spiegeln die Unterschiede in der Fähigkeit der Arzneimittel wider, die oben angedeuteten Membranen zu durchdringen. Beachten Sie jedoch, dass das Verhältnis in allen Fällen 1 oder mehr erreichte, ein Ergebnis, das bei Arzneimitteln wie Beta-Lactamen oder Aminoglykosiden nicht beobachtet wurde.

Tetracycline haben ein hohes scheinbares Verteilungsvolumen, das von 0,7 l/kg für Doxycyclin bis zu 1,9 für Oxytetracyclin reicht. Tetracycline verkörpern die Komplexität der Verwendung von Vd als Indikator für therapeutische Konzentrationen in Geweben. Tetracycline lokalisieren in Knochen, Zähnen, Leber, Speen und Tumoren. Da sie stark an diese Gewebe und Knochen gebunden sind, sind sie außerhalb des Plasmas inhomogen verteilt. Paradoxerweise durchdringen Doxycyclin und Minocyclin die Membranen leichter als alle anderen, aber da eine hohe Plasmaproteinbindung die Akkumulation in Knochen und anderen Geweben ausgleicht, haben sie Vds von 0,14 bis 0,7 l/kg.

Die Verteilungsvolumina bei Tieren liegen im gleichen Bereich wie beim Menschen, es treten jedoch erhebliche Unterschiede auf. Beispielsweise beträgt der Vd von Minocyclin bei Hunden 1,9 l/kg gegenüber 0,4 beim Menschen. Oxytetracyclin Vds betragen 1,4, 0,8, 2,1 bzw. 2,1 l/kg für Pferde, Rinder, Hunde und Katzen. Beachten Sie, dass der Wert für Menschen, 0,9 bis 1,9 l/kg, den Bereich für diese Arten einschränkt.

Beseitigung

Alle Tetracycline werden renal und biliär eliminiert, unterscheiden sich jedoch in ihrer relativen Abhängigkeit von beiden. Alle durchlaufen einen signifikanten enterohepatischen Kreislauf. Doxycyclin und Minocyclin werden hauptsächlich über die Galle ausgeschieden, weniger als ein Drittel wird unverändert ausgeschieden. Oxytetracyclin, Tetracyclin, Methacyclin und Demeclocyclin werden primär mit dem Urin ausgeschieden, wobei 42 bis 70 %, je nach Derivat, unverändert ausgeschieden werden.

Die Eliminationshalbwertszeiten reichen von 6–11 Stunden für Tetracyclin und Oxytetracyclin bis 11–23 Stunden für Doxycyclin und Minocyclin. Anurie verändert die Eliminationsrate von Doxycyclin und Minocyclin kaum, aber die Eliminationshalbwertszeit von Tetracyclin erhöht sich auf 57 bis 108 Stunden.

Die Eliminationshalbwertszeiten von Oxytetracyclin, Tetracyclin und Minocyclin sind bei Hunden tendenziell kürzer (etwa 6 Stunden) als beim Menschen (9,5, 10,6 bzw. 17,5 Stunden). Pferde und Rinder haben ähnliche Eliminationshalbwertszeiten von Oxytetracyclin wie Menschen. [Pferde/Esel können längere Halbwertszeiten haben, was zu der häufig berichteten Toxizität führt, Bowersock, T. 1995]

Die oben angegebenen Daten für Doxycyclin und Minocyclin deuten darauf hin, dass sie in gewissem Maße in der Leber biotransformiert werden. Tatsächlich kann die Induktion von hepatischen Arzneimittel-metabolisierenden Enzymen durch Phenytoin oder Barbiturat die Eliminationshalbwertszeit von Doxycyclin um mehr als 50 % verkürzen.

Nebenwirkungen

Tetrazykline gelten im Allgemeinen als relativ ungiftig, verursachen jedoch eine ziemlich große Anzahl von Nebenwirkungen, von denen einige unter den richtigen Umständen lebensbedrohlich sein können. Daher sollten sie nicht beiläufig verwendet werden.

Überempfindlichkeit

Allergische Reaktionen sind bei den Tetracyclinen kein großes Problem, obwohl sie vorkommen.

Biologische Nebenwirkungen

Superinfektion

Bei den Tetracyclinen, insbesondere den älteren, schlechter resorbierten, kann es bei oraler Gabe zu einer Superinfektion (Suprainfektion) kommen. Aufgrund ihres breiten Wirkungsspektrums, ihrer Wirkung gegen kommensale Darmorganismen und ihrer effektiven Konzentration im Darm verändern sie fast immer die Darmflora. Dies kann innerhalb von 24 bis 48 Stunden auftreten, aber diese Veränderungen sind klinisch nicht immer als Durchfall erkennbar. Superinfektionen mit Hefen oder resistenten pathogenen Bakterien sind nicht ungewöhnlich. Obwohl von der FDA verpönt, wurden kommerzielle Präparate von Tetracyclinen in Kombination mit Nystatin (einem oralen Antimykotikum) hergestellt, um die Superinfektion mit Hefen zu bekämpfen. Da solche Superinfektionen nicht immer auftreten, glauben viele Behörden, dass das Risiko für den Patienten geringer ist, wenn man wartet, bis der Nachweis einer Hefe-Superinfektion vorliegt, bevor man mit der Therapie beginnt.

Durchfall

Durchfall kann auftreten und ist normalerweise das Ergebnis einer Veränderung der Mikroflora des Darms. Siehe die Diskussion über Superinfektion.

Verdauungsstörungen

Verdauungsstörungen können aus Gründen auftreten, die bereits unter der Überschrift Superinfektionen aufgeführt wurden. Es kann schwierig sein, Verdauungsstörungen aufgrund von Veränderungen in der Flora von solchen zu unterscheiden, die durch direkte Reizung der Magen-Darm-Schleimhaut verursacht werden.

Verdauungsstörungen sind bei Wiederkäuern aufgrund der großen Anzahl von Bakterien und Protozoen im Pansen potenziell problematisch. Pferde, Kaninchen und andere Tiere mit großen mikrofloralen Populationen von Blinddarm/Kolon reagieren ebenfalls empfindlich auf die Wirkungen von Tetracyclinen.

Wunder Mund und Dammjucken

Wundsein im Mund und perinealer Juckreiz aufgrund von übermäßigem Wachstum von Hefen treten gemäß USPDI11.90 "häufiger" auf.

Direkte Toxizität

Die direkteste Toxizität ist auf die reizenden Eigenschaften der Medikamente, die Hemmung der Proteinsynthese oder ihre Vorliebe für Knochengewebe zurückzuführen.

Reizung

Eine Reizung der Magenschleimhaut, die zu Krämpfen oder Magenbrennen führt, kann so schwerwiegend sein, dass sie eine schlechte Compliance des Patienten verursacht. Dies führt oft zu Übelkeit und Erbrechen. Beachten Sie, dass Minocyclin und Doxycyclin mit Nahrung eingenommen werden können, um die Auswirkungen dieser Reizung zu verringern.

Die gleichen reizenden Eigenschaften schränken auch die Verwendung dieser Medikamente für IM- oder SC-Injektionen ein, bei denen alle Schmerzen verursachen und die meisten sterile Abszesse verursachen.

Ablagerung in verkalktem Gewebe

Ablagerungen in verkalkten Geweben, z. B. Zähnen, können zu Verfärbungen führen, insbesondere wenn sie in Entwicklungsstadien verabreicht werden. Höhere Dosen, die in ungünstigen Wachstumsstadien verabreicht werden, können zu Knochendeformationen führen. Fast jeder, der als Kind Tetracycline erhalten hat, hat Zähne, die unter einer UV-Lichtquelle fluoreszieren, unabhängig davon, ob seine Zähne braun verfärbt sind oder nicht.

Schwindel / Benommenheit

Schwindel / Benommenheit wird bei Minocyclin häufig beobachtet, bei den anderen jedoch nicht. Dies wird durch vestibuläre oder ZNS-Toxizität verursacht und ist von solcher Schwere und Häufigkeit, dass CDC die Empfehlungen zu seiner nicht wesentlichen Anwendung geändert hat.

Antianabole Wirkung

Antianabole Wirkung durch verminderte Proteinsynthese. Bei eingeschränkter Nierenfunktion zeigt sich dies in Azotämie und erhöhtem Serum-Harnstoff-Stickstoff (SUN).

Lichtempfindlichkeit

Lichtempfindlichkeit kann mit der Anwendung aller Tetracycline in Verbindung gebracht werden, ist aber insbesondere bei Demeclocyclin ein Problem. Patienten sollten vor starker Sonneneinstrahlung geschützt werden, wenn sie Tetracycline erhalten.

Klinische Anwendung

Die Liste der Krankheiten, bei denen Tetrazykline eingesetzt werden können, ist lang, wird aber aufgrund zunehmender Resistenzen immer kürzer. Es wird empfohlen, dass der Leser ein "aktuelle Therapie", ein "Medizin"-Lehrbuch oder eine Referenz wie USPDI konsultiert, um das Spektrum und die Arten von Infektionen zu erfahren, für die sie als wirksame Therapie angesehen werden. Da sie gegen eine Vielzahl von Bakterien und viele Protozoen wirksam sind, sind ihre Anwendungen breiter als viele antibakterielle Mittel.

Tetracycline sind bei vielen Infektionen wirksam, die durch gramnegative und grampositive Bakterien verursacht werden. Beispiele umfassen Brucella, Francisella, Pseudomonas pseudomallei, Neisseria gonorrhoea und Treponema pallidum.

Viele Pasteurellen und Borrelia hurgdorferi (Borreliose). Die häufigste Anwendung in der Veterinärmedizin erfolgt in Kombination mit Sulfas (z. B. Sulfadimethoxin [Albon], mit denen sie synergistisch wirken. Zur Behandlung der meisten Strept-, Staph- und Pasteurella-Infektionen bei Rindern [Bowersock 1995].

Darüber hinaus sind Tetracycline wirksam bei Rickettsien-Infektionen wie Q-Fieber und Rocky-Mountain-Fleckfieber sowie solchen, die durch Mykoplasmen und Chlamydien verursacht werden. Die beiden letzteren sind häufig Ursachen von Lungenentzündungen und Infektionen des Urogenitaltrakts. Psittakose, verursacht durch Chlamydia psittac i, wird mit Tetracyclinen behandelt.

Problematische Fälle von Malaria und Amöobiasis können von Tetracyclinen in Verbindung mit einer spezifischeren antiinfektiösen Therapie profitieren.

Demeclocyclin kann auch verwendet werden, um ein nicht infektiöses Problem zu behandeln, das als Syndrom des unangemessenen (überschüssigen) antidiuretischen Hormons (SIADH) bekannt ist. Es wirkt, indem es die ADH-induzierte Wasserresorption in der Niere hemmt, um eine Wasserdiurese zu induzieren. Es ist offensichtlich, dass diese Diurese, wenn sie als antiinfektiöses Mittel verwendet wird, als nachteilige Wirkung betrachtet werden kann.

Verweise

  1. Ziv & Sulman, Am. J. Vet. Res. 35:1197, 1974.
  2. USPDI, 11. Auflage, 1991
  3. USPDI, 15. Auflage, 1995
  4. BM6th88, Huber, W.G., Tetracyclines, in Veterinary Pharmacology and Therapeutics, 6. Auflage, Hrsg. Booth, N. H. und McDonald, L. E., Iowa State University Press, 1988.
  5. Rang, H. P. und M. M. Tal. Pharmacology, Churchill Livingstone, New York 1987, Kapitel 30.
  6. Bowersock, T., 1995. Persönliche Mitteilung.

Studienfragen

1. Was ist die wichtigste Grundlage für die Auswahl eines Arzneimittels aus der Gruppe der Tetracycline? Angenommen, Sie haben auf pharmakokinetische Eigenschaften geantwortet, wie lässt sich dies mit der Tatsache vereinbaren, dass für bestimmte infektiöse Prozesse oft bestimmte Tetrazykline empfohlen werden?

2. Minocyclin war früher die empfohlene Behandlung für Meningokokken-Träger, aber CDC in Atlanta empfiehlt dies nicht mehr? Welche spezifische Toxizität ist mit Minocyclin verbunden? Was bedeutet die Änderung dieser Empfehlung hinsichtlich des Kosten-Nutzen-Verhältnisses für einige Verwendungen von Arzneimitteln?

3. Inwiefern unterscheiden sich die Tetracycline (und die später zu untersuchenden Sulfonamide) in ihrer Wirkung auf Protozoen von anderen Antibiotika? Sie können zwei Protozoen-Erkrankungen benennen, bei denen die Tetrazykline sinnvolle Bestandteile der Therapie sind.

4. Warum wird Ihrer Meinung nach eine Gruppe von Arzneimitteln im Allgemeinen als ungiftig angesehen, wenn sie so viele Nebenwirkungen haben?

5. Sie sollten in der Lage sein, jede der Nebenwirkungen von Tetracyclin, z. B. Superinfektionen, Durchfall und erhöhte Sonneneinstrahlung, zu erkennen und zu besprechen. Sie sollten in der Lage sein, mindestens zwei repräsentative Wirkungen aus jeder der beiden wichtigen (für die Tetrazykline) Kategorien von Nebenwirkungen aufzulisten und zu diskutieren.

6. Wie ist die Kreuzresistenz von Bakterien gegenüber Tetracyclinen im Vergleich zu Beta-Lactamen und Aminoglykosiden?

7. Welche besonderen Vorsichtsmaßnahmen müssen mit den Tetracyclinen bei der Verwendung per P.O. getroffen werden? Welche beiden sind von diesem Problem anscheinend nicht betroffen?

8. Warum werden viele der Tetracycline nie IM oder SC verwendet?

9. Warum ist die intravenöse Verabreichung von Tetracyclinen gefährlich, obwohl sie eines der wichtigsten Anwendungsmittel ist? Beachten Sie, dass einige Personen glauben, dass eine Calcium-Chelatbildung die Ursache dieser Hypotonie ist, aber das ist nicht unbedingt wahr. Die Zugabe von Calciumsalzen zu Infusionen wird nicht als gute Praxis angesehen. Langsame Verwaltung ist!

10. Erklären Sie, wie der scheinbare Vd einiger Tetracycline größer sein kann als das Gesamtkörperwasser?

11. Welche Auswirkungen hat eine eingeschränkte Nieren- oder Leberfunktion auf die Eliminationsrate der Tetracycline? Nennen Sie einen, der hauptsächlich über die Niere ausgeschieden wird und einen, der hauptsächlich über die Galle ausgeschieden wird.

12. Wie kann die gleichzeitige Gabe von Phenytoin oder Phenobarbital und einem Tetracyclin wie Doxycyclin zu einem Arzneimittelversagen führen?


RÜCKSTÄNDE IN FLEISCH UND FLEISCHPRODUKTEN | Futter- und Arzneimittelrückstände

S. Croubels,. D. Courtheyn, in Encyclopedia of Meat Sciences, 2004

Tetracycline

Die Tetracycline sind eine Gruppe von Antibiotika, die ursprünglich aus bestimmten Streptomyces spp. Die wichtigsten Vertreter der Tetracyclin-Gruppe, die für die Behandlung von der Lebensmittelgewinnung dienenden Tieren zur Verfügung stehen, sind Tetracyclin, Oxytetracyclin, Chlortetracyclin und Doxycyclin. Die Tetracycline, die Breitbandantibiotika sind, werden beispielsweise zur Behandlung von Atemwegserkrankungen bei Rindern, Schafen, Schweinen und Hühnern verwendet und können parenteral, oral oder topisch verabreicht werden. Nach Applikation von Tetracyclinen bei Tieren können auch Monate nach der Behandlung gebundene Rückstände der Antibiotika in den Knochen von Schlachttieren gefunden werden. Diese gebundenen Rückstände können möglicherweise über kontaminiertes Fleisch (mechanisch entbeintes Fleisch) oder Fleisch- und Knochenmehl in die Nahrungskette gelangen.

Die chemische Struktur von Tetracyclin ist in gezeigt Abbildung 10 .


Tetracyclin-Antibiotika: Wirkungsweise, Anwendungen, Molekularbiologie und Epidemiologie bakterieller Resistenzen

Tetracycline wurden in den 1940er Jahren entdeckt und zeigten Aktivität gegen eine Vielzahl von Mikroorganismen, darunter grampositive und gramnegative Bakterien, Chlamydien, Mykoplasmen, Rickettsien und Protozoen-Parasiten. Sie sind kostengünstige Antibiotika, die in der Prophylaxe und Therapie von Infektionen bei Mensch und Tier sowie in subtherapeutischen Mengen in Tierfutter als Wachstumsförderer umfassend eingesetzt werden. Das erste Tetracyclin-resistente Bakterium, Shigella dysenteriae, wurde 1953 isoliert. Tetracyclin-Resistenz tritt heute bei immer mehr pathogenen, opportunistischen und kommensalen Bakterien auf. Das Vorhandensein von Tetracyclin-resistenten Pathogenen schränkt die Verwendung dieser Mittel bei der Behandlung von Krankheiten ein. Tetracyclin-Resistenz ist oft auf den Erwerb neuer Gene zurückzuführen, die für den energieabhängigen Efflux von Tetracyclinen oder für ein Protein kodieren, das bakterielle Ribosomen vor der Wirkung von Tetracyclinen schützt. Viele dieser Gene sind mit mobilen Plasmiden oder Transposons assoziiert und können durch molekulare Verfahren, einschließlich DNA-DNA-Hybridisierung mit Oligonukleotidsonden und DNA-Sequenzierung, voneinander unterschieden werden. Eine begrenzte Anzahl von Bakterien erwerben Resistenzen durch Mutationen, die die Permeabilität der Porine und/oder Lipopolysaccharide der äußeren Membran in der äußeren Membran verändern, die Regulation angeborener Efflux-Systeme verändern oder die 16S rRNA verändern. Neue Tetracyclin-Derivate werden untersucht, ihre Rolle bei der Behandlung ist jedoch nicht klar. Die Verwendung von Tetracyclinen in der Gesundheit von Mensch und Tier sowie in der Lebensmittelproduktion muss geändert werden, wenn wir diese Klasse von Breitbandantibiotika im laufenden Jahrhundert weiter verwenden wollen.

Figuren

Struktur von 6-Desoxy-6-demethyltetracyclin, die minimale…

Struktur von 6-Desoxy-6-demethyltetracyclin, dem minimalen Tetracyclin-Pharmakophor.

Stereochemische und Substitutionsanforderungen für…

Stereochemische und Substitutionsanforderungen für eine optimale antibakterielle Aktivität innerhalb der Tetracyclin-Reihe.


Vorsichtsmaßnahmen

Allgemein

Wie bei anderen Antibiotika kann die Anwendung dieses Arzneimittels zu einem übermäßigen Wachstum nicht anfälliger Organismen, einschließlich Pilzen, führen. Wenn eine Superinfektion auftritt, antibakterielles Mittel absetzen und eine geeignete Therapie einleiten.

Behandeln Sie alle Infektionen aufgrund von beta-hämolytischen Streptokokken der Gruppe A für mindestens zehn Tage.

Inzision und Drainage oder andere chirurgische Eingriffe in Verbindung mit einer antibakteriellen Therapie durchführen, wenn angezeigt.

Es ist unwahrscheinlich, dass die Verschreibung von Tetracyclin ohne nachgewiesene oder dringend vermutete bakterielle Infektion oder prophylaktische Indikation für den Patienten einen Nutzen bringt und das Risiko der Entwicklung arzneimittelresistenter Bakterien erhöht.

Informationen für Patienten

Weisen Sie die Patienten darauf hin, dass antibakterielle Arzneimittel, einschließlich Tetracyclin, nur zur Behandlung bakterieller Infektionen verwendet werden sollten. Sie behandeln keine Virusinfektionen (z. B. Erkältung). Wenn Tetracyclin zur Behandlung einer bakteriellen Infektion verschrieben wird, teilen Sie den Patienten mit, dass das Medikament genau nach Anweisung eingenommen werden sollte, obwohl es zu Beginn der Therapie üblich ist, sich besser zu fühlen. Das Auslassen von Dosen oder das Nicht-Abschließen des gesamten Therapieverlaufs kann (1) die Wirksamkeit der sofortigen Behandlung verringern und (2) die Wahrscheinlichkeit erhöhen, dass Bakterien Resistenzen entwickeln und in Zukunft nicht mit Tetracyclin oder anderen antibakteriellen Arzneimitteln behandelt werden können.

Labortests

Bei sexuell übertragbaren Infektionen sind bei Verdacht auf eine gleichzeitig bestehende Syphilis Dunkelfelduntersuchungen vor Behandlungsbeginn durchzuführen und die Blutserologie mindestens vier Monate lang monatlich zu wiederholen.

Wechselwirkungen mit anderen Medikamenten

Da bakteriostatische Arzneimittel die bakterizide Wirkung von Penicillin beeinträchtigen können, wird empfohlen, Tetracyclin nicht zusammen mit Penicillin oder anderen bakteriziden Antibiotika zu verabreichen.

Da Tetracycline nachweislich die Plasmaprothrombinaktivität herabsetzen, müssen Patienten, die eine Antikoagulans-Therapie erhalten, möglicherweise ihre Antikoagulanz-Dosierung nach unten anpassen.

Es wurde berichtet, dass die gleichzeitige Anwendung von Tetracyclin und Methoxyfluran zu einer tödlichen Nierentoxizität führt.

Die Resorption von Tetracyclinen wird durch Antazida, die Aluminium, Calcium oder Magnesium enthalten, und Präparate, die Eisen, Zink oder Natriumbicarbonat enthalten, beeinträchtigt.

Die gleichzeitige Anwendung von Tetracyclin kann die Wirksamkeit oraler Kontrazeptiva beeinträchtigen.

Karzinogenese, Mutagenese, Beeinträchtigung der Fruchtbarkeit

Derzeit werden Langzeit-Tierstudien durchgeführt, um festzustellen, ob Tetracyclinhydrochlorid ein kanzerogenes Potenzial besitzt. Einige verwandte Antibiotika (OxyTetracyclin, Minocyclin) haben bei Ratten Hinweise auf eine onkogene Wirkung gezeigt.

In zwei In-vitro-Testsystemen für Säugetierzellen (L 51784y-Mauslymphom und Lungenzellen des chinesischen Hamsters) gab es Hinweise auf Mutagenität mit Tetracyclinhydrochlorid.

Tetracyclinhydrochlorid hatte keinen Einfluss auf die Fertilität, wenn es männlichen und weiblichen Ratten mit einer täglichen Aufnahme von etwa 400 mg/kg/Tag über das Futter verabreicht wurde, was etwa dem 8-fachen der empfohlenen Höchstdosis für den Menschen, bezogen auf die Körperoberfläche, entspricht.

Schwangerschaft

Schwangere Frauen mit Nierenerkrankungen können anfälliger für Tetracyclin-assoziiertes Leberversagen sein.

Arbeit und Lieferung

Die Wirkung von Tetracyclinen auf Wehen und Geburt ist nicht bekannt.

Stillende Mutter

Wegen möglicher schwerwiegender Nebenwirkungen von Tetracyclinen bei gestillten Säuglingen sollte unter Berücksichtigung der Bedeutung des Arzneimittels für die Mutter entschieden werden, ob das Arzneimittel abgesetzt werden soll (siehe WARNHINWEISE).

Pädiatrische Anwendung


Antimikrobielle Aktivität

Wirkungsweise:

Die antimikrobielle Aktivität von Tetracyclinen spiegelt die reversible Bindung an die bakterielle ribosomale 30S-Untereinheit und spezifisch an der Aminoacyl-tRNA-Akzeptor-Stelle ("A") des ribosomalen mRNA-Komplexes wider, wodurch die ribosomale Translation verhindert wird. Dieser Effekt ist auch in Säugerzellen offensichtlich, obwohl mikrobielle Zellen aufgrund der beobachteten höheren Konzentrationen selektiv anfälliger sind. Tetracycline dringen teilweise durch Diffusion und teilweise durch ein energieabhängiges, trägervermitteltes System in Mikroorganismen ein, das für die hohen Konzentrationen verantwortlich ist, die in empfindlichen Bakterien erreicht werden. Die Tetracycline sind im Allgemeinen bakteriostatisch und ein ansprechendes Wirts-Abwehr-System ist für ihre erfolgreiche Verwendung wesentlich. Bei hohen Konzentrationen, wie sie im Urin erreicht werden können, wirken sie bakterizid, da die Organismen die funktionelle Integrität der zytoplasmatischen Membran zu verlieren scheinen. Tetracycline sind wirksamer gegen sich vermehrende Mikroorganismen und neigen dazu, bei einem pH-Wert von 6–6,5 aktiver zu sein. Die antibakterielle Wirksamkeit wird als zeitabhängig beschrieben.

Bakterienresistenz:

Der häufigste Mechanismus, durch den Mikroben gegen Tetracycline resistent werden, ist eine verminderte Akkumulation des Arzneimittels in zuvor empfindlichen Organismen. Zwei Mechanismen umfassen 1) eine gestörte Aufnahme in Bakterien, die in mutierten Stämmen auftritt, die nicht über das notwendige Transportsystem verfügen, und 2) die viel häufigere Plasmid- oder Transposon-vermittelte Akquise aktiver Effluxpumpen. Die Genome für diese Fähigkeiten können entweder durch Transduktion (wie in Staphylococcus aureus) oder durch Konjugation (wie bei vielen Enterobakterien). Ein zweiter Resistenzmechanismus ist die Produktion eines "schützenden" Proteins, das entweder die Bindung verhindert, das gebundene Arzneimittel verdrängt oder den negativen Einfluss der Bindung auf die ribosomale Funktion verändert. Unter den Tetracyclinen zeichnet sich Tigecyclin durch eine geringere Resistenz aufgrund von Efflux oder Ribosomenschutz aus. Selten können Tetracycline durch Acetylierung zerstört werden. Die Resistenz entwickelt sich langsam in mehreren Schritten, ist jedoch aufgrund der umfangreichen Verwendung von Tetracyclinen in niedrigen Konzentrationen weit verbreitet.

Antimikrobielle Spektren:

Alle Tetracycline sind ungefähr gleich aktiv und haben typischerweise ungefähr das gleiche breite Spektrum, das sowohl aerobe als auch anaerobe grampositive und gramnegative Bakterien, Mykoplasmen, Rickettsien, Chlamydien und sogar einige Protozoen (Amöben) umfasst. Tetracycline sind im Allgemeinen das Mittel der Wahl zur Behandlung von Rickettsien und Mykoplasmen. Zu den anfälligen Organismen gehört Wolbachia, ein Rickettsien-ähnlicher intrazellulärer Endosymbiont von Nematoden, einschließlich Dirofilaria immitis. Stämme von Pseudomonas aeruginosa, Proteus, Serratia, Klebsiella, und Wahreperella spp sind häufig resistent, ebenso viele pathogene Escherichia coli isoliert. Obwohl eine allgemeine Kreuzresistenz zwischen Tetracyclinen besteht, sind Doxycyclin und Minocyclin normalerweise wirksamer gegen Staphylokokken.


Ausblick für die Zukunft

Der Zusammenhang zwischen dem Einsatz von Antibiotika und der Entwicklung bakterieller Resistenzen wurde in den letzten 60 Jahren nachgewiesen. Wie schnell ein bestimmter Erreger eine Tetracyclin-Resistenz entwickelt, hängt von einer Reihe von Faktoren ab, von denen viele noch unklar sind. Einige neue Tetracyclin-Verbindungen werden untersucht oder befinden sich in klinischen Studien, aber es ist unwahrscheinlich, dass in naher Zukunft noch viele weitere Derivate verfügbar sein werden. Leider unterscheiden die Bakterien die Verwendung zur Behandlung einer bakteriellen Infektion nicht von der Verwendung bei der Behandlung nichtinfektiöser Zustände. Dies ist besorgniserregend, da die Anwendung von Tetracyclin viel breiter ist als vor 20 bis 30 Jahren. Der weltweite Verbrauch von Tetracyclin pro Jahr ist nicht bekannt. Es ist zu vermuten, dass Tetracycline in Zukunft zunehmend gegen parasitäre Protozoen-Erkrankungen und möglicherweise andere parasitäre Erkrankungen eingesetzt werden. Die Rolle von Antibiotika in der Lebensmittelproduktion und deren Auswirkung auf die bakterielle Resistenz menschlicher Krankheitserreger ist ein Thema von erheblichem Interesse Klinische Infektionskrankheiten [ 24] geht sehr detailliert auf das Thema ein. Von größter Besorgnis ist vielleicht die langfristige subtherapeutische Anwendung von Tetracyclinen zur Behandlung von nichtbakteriellen, nicht infektiösen Zuständen. Diese Art der Langzeitanwendung auf niedrigem Niveau übt einen erheblichen Selektionsdruck auf die Bakterien aus, die vom Wirt und in der Umgebung des zu behandelnden Wirts getragen werden. Wenn nichts unternommen wird, ist die Nützlichkeit von Tetracyclin als antibakterielles Mittel mit zunehmender bakterieller Resistenz eingeschränkt. Daher müssen wir alle Arten des Einsatzes dieses Wirkstoffs und aller weltweit eingesetzten Antibiotika reduzieren, wenn wir hoffen, die Tetracyclin-Therapie für dieses Jahrhundert als Option zu erhalten.

Schließlich ist der biologische Terrorismus im letzten Jahr zu einer echten Bedrohung geworden. Es wurde vorgeschlagen, dass die wahrscheinlichsten bakteriellen Waffen Bacillus anthracis, Francisella tularensis, und/oder Yersinien pestis [ 11]. Doxycyclin ist in jedem Fall wichtig zur Behandlung und/oder Prophylaxe (Tabelle 1). Leider Tetracyclin-resistent Y. pestis wurde bereits beschrieben, ist aber selten [1]. However, last year, during the anthrax attacks, the general public accumulated antibiotics at home and often took these antibiotics in anticipation of exposure without doctor's consultation [ 11]. This unnecessary exposure to antibiotics by large numbers of people may lead to increased prevalence of antibiotic-resistant bacteria in the community, both for the 3 agents that could be used in biological weapons and for any other pathogenic bacteria. Thus, education of the public, health authorities, and clinicians is needed now more than ever to eliminate home stockpiling of antibiotics, to ensure the correct use for all bacterial infections (especially during a biological attack), and to prevent use when antibiotics are not needed, such as use for treatment of viral infections.


Tetracycline Antibiotics

Tetracycline antibiotics used clinically include doxycycline, minocycline, and tetracycline, while tigecycline, which has the same four-ringed structure and is a derivative of minocycline, is the first member of the glycylcyclines to be approved their structures are shown in Figure 4.3.1 and their therapeutic indications are listed in Table 4.3.1.

Table 4.3.1 Therapeutic indications for the tetracycline antibiotics.

























Tetracycline antibiotic Indikationen
Doxycycline Chronic prostatitis, sinusitis, syphilis, uncomplicated genital chlamydial infection, pelvic inflammatory disease, acne vulgaris, rosacea, Lyme disease, community-acquired pneumonia
Lymecycline Acne vulgaris
Minocycline Acne vulgaris, prophylaxis of asymptomatic meningococcal carrier state (no longer recommended)
Oxytetracycline Acne vulgaris, rosacea
Tetracyclin Acne vulgaris, rosacea, non-gonococcal urethritis, chronic bronchitis
Tigecycline Complicated intra-abdominal or skin/soft tissue infections

The tetracycline antibiotics are the third example so far in this section, of naturally occurring molecules from a microbial source that interfere with bacterial protein synthesis. Once again, the first in this series, chlortetracycline (originally named aureomycin), resulted from a programme of screening soil microorganisms for potential new antibiotics. This discovery is attributed to Benjamin M. Duggar, a retired botanist, with expertise across a wide range of plant and microorganism physiology. He retired from Wisconsin University in 1943, when he was 71, but was approached to act as consultant for Lederle Laboratories in New York (part of American Cyanamid Company, now part of Wyeth Pharmaceuticals), who were supporting the war effort by searching for new antibiotic and antimalarial agents (Walker, 1982).

Although he is solely credited with the discovery of chlortetracycline in 1948, Duggar was part of a larger team, under the direction of Yellapragada SubbaRow, which was systematically investigating soil microorganisms for natural products with desirable pharmaceutical activities. Duggar requested some local samples from the soil microbiologist at the University of Missouri, William Albrecht, from which he cultured a golden mould, which produced a yellow pigment that displayed growth inhibitory properties against bacteria, such as streptococci. He identified the mould as a Streptomyces species that had not previously been catalogued to reflect its colour, he named it Streptomyces aureofaciens and the antibiotic it produced aureomycin (Duggar, 1948). Note that the ‘mycin’ part of the name corresponds with its isolation from a Streptomyces species, like the aminoglycoside streptomycin and the macrolide erythromycin, which we have just met.

Aureomycin was quickly released to clinicians and other researchers to obtain evaluative data of its activity and efficacy it gathered support with glowing testimonials of its broad spectrum of activity, including against streptomycin- and penicillin-resistant organisms (Wright and Schreiber, 1949 Cantor, 1950 Kiser et al ., 1952). It was found to be as effective as penicillin and streptomycin and had the significant advantage of being the first antibiotic that was effective when administered orally.

Following the discovery of aureomycin, other tetracyclines were soon discovered:


  • Oxytetracycline (originally called terramycin) in 1949 from Streptomyces rimosus by Pfizer (Finlay et al ., 1950).
  • Tetracycline (marketed originally as achromycin (Darken et al ., 1960)) in 1953 from S. aureofaciens when cultured with a chlorination inhibitor (Goodman and Matrishin, 1968).
  • Demethylchlortetracycline in 1957 from S. aureofaciens (McCormick et al ., 1957 Wilson, 1961). This was the last natural tetracycline to be identified and was originally called declomycin or ledermycin. It is still marketed as the latter (or under its generic name, demeclocycline) by Lederle Laboratories.

The discovery of this new class of antibiotics is not without controversy, though: Pfizer, American Cyanamid, and Bristol-Myers formed a monopoly that maintained artificially high prices for tetracycline over several years before the US Federal Trade Commission halted the violations after a series of high-profile investigations, charges, and appeals heard in the high court (Anon, 1964 US Court of Appeals, 1968).

When it was discovered that the hydrogenation of chlortetracycline resulted in dechlorination and conversion into tetracycline (which was as active as chlortetracycline) (Stephens et al ., 1952 Conover, 1955), the possibility that synthetic modification of tetracyclines might provide alternative agents with antibacterial activity was realised. During the next 15–20 years, many semi-synthetic analogues were prepared, including lymecycline, doxycycline, and minocycline some of these second-generation semi-synthetic tetracyclines were even more potent than chlortetracycline and are still marketed today. Structural modification has continued and has resulted in the discovery of a third-generation tetracycline, t -butylglycylamidominocycline (tigecycline, originally labelled GAR-936) (Petersen et al ., 1999), with more in development and in clinical trials (Sun et al ., 2008 Brötz-Oesterhelt and Sass, 2010).

Structurally, the tetracyclines are based on a four-ring (tetracyclic or octahydronaphthacene) system, hence the name the rings are labelled A, B, C, and D (Figure 4.3.2). One face consists of carbonyl, phenol, alcohol, and enol oxygen atoms, with high polarity and metal ion binding ability, while the other face is substantially less polar. There are a number of substitution patterns commonly found in the antibiotic tetracyclines and significant deviation from these leads to greatly reduced antibacterial activity (Chopra and Roberts, 2001 Zhanel et al ., 2004).

Figure 4.3.2 Requirements for tetracycline antibiotic activity (Chopra and Roberts, 2001 Zhanel et al ., 2004)

Much of the development of new tetracycline antibiotics has been driven by the instability of the first-generation tetracyclines, particularly chlortetracycline, oxytetracycline, and tetracycline, which can lead to degradation during storage and even production of a toxic product. We will look at some of the reactions of tetracyclines and the resultant effects upon bioavailability in Subsection 4.3.3.

Looking back at Figure 4.3.1, you can see that the tetracyclines have a number of chiral centres and functional groups, so you will not be surprised to learn that fermentation methods are considered to be the most cost-effective for their production, and for the production of the base structures for semi-synthetic analogues, such as lymecycline and tigecycline (Khosla and Tang, 2005). As you will see further on in this subsection, there is now an efficient chemical synthetic method for multigram quantities of a key intermediate in tetracycline synthesis, which offers the possibility of analogue synthesis (Brubaker and Myers, 2007). The first patented fermentations of S. aureofaciens were for the production of chlortetracycline (Duggar, 1948 Neidercorn, 1952) and tetracycline (Goodman et al ., 1959) much work since then has focussed on optimising the selectivity for, and the yields of, the desired tetracyclines, especially since some Streptomyces species can produce more than one tetracycline, depending upon the fermentation conditions (Bêhal, 1987, 2000). In early 2011, there were almost 3000 patents relating to the biosynthesis and synthesis of tetracycline and its analogues ( worldwide.espacenet.com ), including some filed in 2010 and 2011 – proof that there is still interest in the production and use of tetracyclines. It should be noted, however, that some of these were for non-antibiotic uses of tetracyclines, briefly mentioned in Subsection 4.3.4.

4.3.2.1 Biosynthesis of Tetracyclines

The biosynthesis of tetracycline antibiotics is related to the bacterial synthesis of fatty acids through the bacterial type II polyketide synthase pathway, consisting of a well-studied set of enzymes (for examples, see Khosla, 2009 Zhang and Tang, 2009), although the synthesis of tetracyclines is unique to certain bacteria (Clardy et al ., 2009). The biosynthetic pathways to tetracycline and oxytetracycline are the most studied (for example, Petkovi et al ., 2006 Pickens and Tang, 2009). The biosynthetic pathway to natural tetracyclines is available from the KEGG database ( www.genome.jp/kegg/pathway/map/map00253.html , last accessed 10 March 2012) in summary, it uses the precursor, malonamyl coenzyme A (CoA), which is obtained from acetyl CoA via malonyl CoA and glutamine (Wang et al ., 1986), and proceeds through two common key intermediates, 6-methylpretetramide and 4-ketoanhydrotetracycline (Scheme 4.3.1 and Table 4.3.2) (Clardy et al ., 2009 Pickens and Tang, 2009).

Scheme 4.3.1 Biosynthetic pathway to tetracycline antibiotics (Clardy et al ., 2009 www.genome.jp/kegg/pathway/map/map00253.html , last accessed 10 March 2012)

Table 4.3.2 Enzymes involved in tetracycline biosynthesis.














































Enzym Funktion
OxyA Ketosynthase
OxyB Chain length factor
OxyC Acyl carrier protein
OxyJ Ketoreductase
OxyK Aromatase
OxyN Cyclase
OxyF C-methyltransferase
OxyE Flavin-dependent monoxygenase
OxyL NADPH-dependent dioxygenase
OxyQ Aminotransferase
OxyT N,N -dimethyltransferase
OxyS Monooxygenase that hydroxylates stereospecifically at C6
Cts4 Halogenase

For clarity, in Scheme 4.3.1 the precursor unit, malonamyl CoA, is coloured pink throughout the consecutive acetyl units added to malonamyl CoA from acetyl CoA are coloured alternately black and red – you can see that the cycle of acetyl addition occurs eight times until the linear nonaketamide is formed. A series of enzymic reactions involving OxyJ, OxyK, and OxyN leads to pretetramide (not shown in Scheme 4.3.1), which is converted into 6-methylpretetramide by OxyF. This series of reactions results in cyclisation of the nonaketamide to the tetracyclic structure of 6-methylpretetramide, followed by methylation at C6, with the new bonds formed in this sequence shown in blue. If you trace the sequentially added acetyl units, you can see how the two-carbon units form the backbone of the structure. Oxidation at C4 (by OxyE), and hydroxylation at C12a by OxyL, provides the second key intermediate, 4-ketoanhydrotetracycline, at which the tetracycline biosynthetic paths diverge. Chlortetracycline results from Cts4 halogenase action at C7 (Dairi et al ., 1995), followed by amination at C4 (OxyQ) and OxyT N , N -dimethylation (the methyl groups are provided by S -adenosyl methionine) OxyS catalyses the stereospecific hydroxylation at C6 , leaving a stereospecific reduction at C5a required to produce chlortetracycline. In the other pathway, amination at C4 , dimethylation , and hydroxylation at C6 provide 5a,11a-dehydrotetracycline, from which oxytetracycline and tetracycline are obtained.

Much detailed research has been directed at elucidating this pathway most was carried out on the enzymes of the oxytetracycline-producing species Streptomyces rimosus , hence the Oxy names, but the enzymes are the same or similar for the other tetracycline-producing species (Zhang et al ., 2007 Petkovi et al ., 2010 Pickens and Tang, 2010).

4.3.2.2 Chemical Synthesis of Tetracyclines

The literature related to the chemical synthesis of tetracyclines resembles a ‘Who’s Who’ of synthetic organic chemistry:


  • R. B. Woodward solved the structure, complete with stereochemistry, in 1952 (this was revised slightly in the 1960s with the help of X-ray crystallography) (Hochstein et al ., 1953 Donohoe et al ., 1963 von Wittenau et al ., 1965).
  • Woodward and Conover (who first synthesised tetracycline by hydrogenation of chlortetracycline) synthesised a biologically active tetracycline, named sancycline (Korst et al ., 1968), albeit in 25 steps and 0.002% overall yield.
  • Shemyakin synthesised a tetracycline natural product, (±)-12a-deoxy-5a,6-anhydrotetracycline (Gurevich et al ., 1967).
  • Muxfeldt identified the major problems with the synthesis of tetracyclines: the complexity of the required stereochemistry and the sensitivity of the tetracycline functional groups to both mild acid and base during initial studies (Muxfeldt and Rogalski, 1965), then later achieved the total synthesis of (±)-5-oxytetracycline in 22 steps and 0.06% (Muxfeldt et al ., 1968, 1979).
  • Stork concentrated on achieving the correct stereochemistry at each centre in the basic tetracycline structure, producing (±)-12a-deoxytetracycline in 16 steps and an impressive 18–25% yield, although this structure has little antimicrobial activity (Stork et al ., 1996).
  • Tatsuta and co-workers exploited the natural stereochemical definition of carbohydrates for their starting materials and achieved the total synthesis of natural (−)-tetracycline from D-glucosamine in 34 steps and 0.002% yield (Tatsuta et al ., 2000 Tatsuka and Hosokawa, 2005), including a solution to the difficult stereospecific hydroxylation of C12a.
  • More recently, Myers and co-workers developed a highly effective synthetic approach to natural tetracyclines, their analogues, and their precursors (Charest et al ., 2005a, 2005b Brubaker and Myers, 2007 Myers et al ., 2007, 2011 Sun et al ., 2008), which takes account of the considerable challenge in achieving the correct stereochemistry, particularly at C12a, and provides versatility for the synthesis of many new analogues for microbiological evaluation (Myers et al ., 2007 Sun et al ., 2008).

A discussion of the chemical strategies for synthesising tetracyclines, the reactions required, and their stereochemical complexities would be a section in itself, so we will restrict ourselves here to consideration of the most recent syntheses, which have enabled multigram quantities of optically pure tetracyclines to be achieved and thus offer potential commercial synthetic routes to these agents. Myers and colleagues recognised that one key intermediate 1 , providing the A and B rings of tetracyclines, allows the synthesis of a wide range of tetracycline antibiotics and their analogues (Scheme 4.3.2).

Scheme 4.3.2 Key intermediates in the synthesis of tetracycline antibiotics (Myers et al ., 2007, 2011)

Initially, they developed a synthesis to this important intermediate from benzoic acid and achieved intermediate 1 in 21% overall yield after 7 steps (Charest et al ., 2005a). Using this route, (−)-tetracycline could be synthesised in 17 steps and 1.1% yield from benzoic acid. Conversion of 1 into 2 and 3 provided routes to tetracyclines with no hydroxyl group at C5 (including an alternative synthesis of tetracycline) and 5-hydroxytetracyclines, respectively. Using this approach, the synthesis of (−)-6-deoxytetracycline was achieved in 14 steps and 7% yield via intermediate 2 , while (−)-doxycycline was isolated in 8.3% yield after 18 steps via intermediate 3 the yields and number of steps relate to the total synthesis from benzoic acid (Charest et al ., 2005a, 2005b Myers et al ., 2007, 2011). Not content with these impressive achievements, Myers and Brubaker re-designed and improved the synthesis of intermediate 2 (Scheme 4.3.3), from which most tetracyclines can be accessed they identified an alternative cheap and readily available commercial starting material, methyl 3-hydroxy-5-isoxazolecarboxylate 4 , along with an improved synthetic strategy to improve stereoselectivity and yields, and obtained intermediate 2 in 9 steps and 21% overall yield from starting material 4 (Brubaker and Myers, 2007).

Scheme 4.3.3 Improved synthesis of key intermediate 2 for large-scale tetracycline synthesis (Brubaker and Myers, 2007)

There are several noteworthy features in this revised synthesis of intermediate 2 (Scheme 4.3.3):


  • First, the introduction of a stereogenic (chiral) centre into structure 5 is carried out in high yield and with a high enantiomeric excess, and this enantiomeric ratio is maintained during the S N 2 replacement of the hydroxyl group (as a mesylate) with a dimethylamino group in the synthesis of 6 .
  • The resulting stereogenic centre at C6 becomes C4 in the tetracycline and already has the correct stereochemistry, which is retained throughout the remainder of the synthesis.
  • Intermediate 7 has a new stereogenic centre bearing a hydroxyl group you may be concerned that the stereochemistry is not defined at this new centre, but this group is oxidised to a carbonyl during the synthetic sequence that results in intermediate 8 , so the mixed stereochemistry does not matter at this stage.

So far, we have not considered how rings C and D can be constructed, yet this is just as important for the tetracycline structure. The synthetic strategy adopted by the Myers group uses intermediate 1 , 2 , or 3 as appropriate to provide rings A and B of the tetracycline with the correct stereochemistry and functionality, then elaborates this basic structure by construction of the C-ring, while adding the D-ring through a generalised Michael–Dieckmann reaction sequence (using a carbanion formed from a variety of D-ring precursors), followed by deprotection of all the functional groups (Scheme 4.3.4) (Charest et al ., 2005a).

Scheme 4.3.4 Elaboration of intermediates 2 and 3 into tetracyclines and their analogues (Charest et al ., 2005a)

One great advantage of this approach is the ease with which varying functionality can be added throughout the structure, particularly substituents at C5 ( X ), C6 ( R ), C7 ( Y ), C9 ( Z ), and even an extra ( E ) ring a great many analogues have been made, and some of these combine strong antibacterial activity with activity against strains resistant to first- and second-generation tetracycline antibiotics (Myers et al ., 2011 Sun et al ., 2011). The synthetic routes to the tetracyclines developed by the Myers group have been sufficiently successful to support a spin-out company, Tetraphase, which has several tetracyclines in early clinical trials. Other groups have also pursued C9-substituted tetracyclines (for example, Koza and Nsiah, 2002 Sum et al ., 2006) the clinical success of tigecycline (see Subsections 4.3.4 and 4.3.5) and the development of amadacycline (which is in clinical trials and is discussed in Subsection 4.3.9) provided the rationale for their evaluation.

The pharmacokinetics and pharmacodynamics of the tetracycline antibiotics were reviewed recently (Agwuh and MacGowan, 2006 Barbour et al ., 2010), but they are not fully understood, with several seemingly contradictory observations. The tetracyclines display time-dependent effects, yet the general concentration-dependent parameters (of exposure time at a concentration above the MIC) provide good clinical results, with a strong post-antibiotic effect. Although generally considered to be bacteriostatic, there is evidence of bactericidal activity with certain tetracycline antibiotics against specific bacteria, when used at an appropriate concentration (Zhanel et al ., 2004 Barbour et al ., 2010).

The instability of the first-generation tetracyclines during storage has already been mentioned we will consider the reactions of tetracyclines more carefully here, as they have an effect upon bioavailability and even upon the safety of the products.

The first-generation tetracyclines, although clinically successful, were found to be unstable to acidic, basic, and neutral pH during storage and in solution, including in the gastrointestinal (GI) tract after administration, decreasing their bioavailability (Walton et al ., 1970 Ali and Strittmatter, 1978 Wu and Fassihi, 2005). Two main reactions occur in the presence of acid: epimerisation at C4, to produce epitetracycline (Hussar et al ., 1968) (Scheme 4.3.5), and dehydration of 6-hydroxytetracyclines across C5a-C6 (with loss of the OH group at C6), to give the anhydrotetracycline derivative, as demonstrated for tetracycline in Scheme 4.3.6.

Scheme 4.3.5 Acid-catalysed epimerisation at C4 of tetracycline

Scheme 4.3.6 Acid-catalysed dehydration of chlortetracycline and improved stability of demethylchlortetracycline (demeclocycline)

The dehydration (shown in the upper part of Scheme 4.3.6 for chlortetracycline) proceeds through an E1 mechanism, involving protonation of the C6-OH and loss of a good leaving group (H 2 O), to produce a stabilised tertiary carbocation at C6 , followed by loss of a proton from C5a to form the alkene group of anhydrotetracycline. The slightly improved acid stability of demeclocycline and slower dehydration is due to fact that the secondary carbocation that has to be formed at C6 is less stable, and this process thus has a greater activation energy. In this latter case, reversible protonation of the C6-OH favours demeclocycline, instead of proceeding to the carbocation (Scheme 4.3.6).

Epimerisation at C4 of the anhydrotetracycline derivatives can also occur, producing the corresponding epianhydrotetracycline derivative (Sokoloski et al ., 1977). Some of the products formed by acid- or base-catalysed degradation are themselves active as antibiotics, while others, for example anhydrotetracycline and epianhydrotetracycline, are toxic (Mull, 1966 Kunin, 1967). The adverse effects (which can manifest as Fanconi syndrome see Subsection 4.3.7) of using tetracyclines that have degraded during storage were observed soon after these agents had been adopted into regular use, but it was several more years before reliable analytical methods for their analysis and quality control were developed (Frimpter et al ., 1963 Gross, 1963 Butterfield et al ., 1973). We will discuss the adverse effects of tetracyclines in Subsection 4.3.7 our main concern here is that the bioavailability of some tetracyclines (particularly the first-generation members) can be reduced by their degradation during storage, particularly in solution (Wu and Fassihi, 2005), or as a result of GI-induced reactions (Okeke and Lamikanra, 1995 Dos Santos et al ., 1998). The second-generation tetracyclines, doxycycline and minocycline, and the third-generation, tigecycline, are more stable to acidic pH, as they do not have a C6-OH substituent to be protonated and eliminated as water.

Lymecycline is a prodrug form of tetracycline that is hydrolysed at acidic and neutral pH in vivo to tetracycline, formaldehyde (methanal), and the amino acid lysine after oral and parenteral administration (Scheme 4.3.7). Interestingly, it has lower oral bioavailability than the parent compound, tetracycline (Sjölin-Forsberg and Hermansson, 1984).

Scheme 4.3.7 In vivo hydrolysis of lymecycline to form tetracycline

The balance of lipophilicity to hydrophilicity in tetracyclines is affected by pH (Chen and Lin, 1998) such a property is usually a clue that there are functional groups in the molecule under investigation which are ionisable at physiological pH values. Each tetracycline has at least one readily ionisable amine group (at C4) and two enol groups (at C3 and C12) that are also relatively easily ionised. First- and second-generation tetracyclines have three pK a values in the physiological pH range (generally around 3.2, 7.6, and 9.6) – the two enol groups, at C3 and C12 , are the most acidic (and so have the lower pK a values). The pK a of the phenol group at C10 (

12) means that it is not ionised at physiological pH values. The acid–base equilibria for tetracycline, which are typical of the tetracycline antibiotics, are demonstrated in Scheme 4.3.8 (Jin et al ., 2007).

Scheme 4.3.8 Acid–base equilibria for tetracycline (Jin et al ., 2007)

The fully protonated form of the tetracyclines (with an overall charge of +1) is likely to predominate in the acidic medium of the stomach, minimising absorption from this compartment (as neutral species are absorbed best). It is not surprising to find that tetracycline antibiotics are absorbed chiefly from the duodenum, where the pH is around 6–6.5 and the overall neutral form of the tetracycline predominates (Colaizzi and Klink, 1969). By modifying the pH, greater aqueous solubility of the tetracycline antibiotics can be achieved, making them suitable for parenteral administration, and oxytetracycline, lymecycline, doxycycline, and minocycline have been formulated in this way (Chopra and Roberts, 2001).

The third-generation antibiotic tigecycline has limited oral bioavailability and is administered by IV infusion, due to its greater hydrophilicity and reduced lipophilicity as a result of its extra ionisable groups (Meagher et al ., 2005). Tigecycline has two extra ionisable groups (Figure 4.3.3):

Figure 4.3.3 Tigecycline pKa values (Tygacil_BioPharmr)


  • The t -butylamine on the side chain at C9 (a secondary aliphatic amine, so expected to be basic, with a pK a (of the conjugate acid, R 3 NH + ) of 8.5–10).
  • The dimethylamino group at C7 (an aromatic amine, so expected to be a weak base, due to resonance of the nitrogen lone pair with the π-system of the aromatic ring, with a pK a of 3.5–5).

Besides being affected by pH, the absorption of the first-generation tetracyclines in particular, and some of the second-generation analogues, is adversely affected by their concurrent administration with food (Schimdt and Dalhoff, 2002 Agwuh and MacGowan, 2006), dairy products, and other metal-ion-containing preparations (such as antacid treatments), although there is some evidence that the absorption of lymecycline is less affected by milk (Ericson and Gnarpe, 1979). Tetracycline has a logP value of 0.09 and a bioavailability of around 75%, which is reduced by about 50% when co-administered with food (Miller et al ., 1977 Zhanel et al ., 2004). By comparison, doxycycline and minocycline have a greater bioavailability (90–100%) (Zhanel et al ., 2004), their absorption is not affected by food, and they are well absorbed after oral administration. The greater lipophilicity of these agents (logP values of 0.95 and 1.12, respectively) (Colaizzi and Klink, 1969) undoubtedly make a major contribution to these properties. Although minocycline offers improved oral bioavailability over the majority of other tetracyclines, the risk of side effects when used for a protracted period and of the development of resistance has limited it largely to the treatment of acne vulgaris. A recent review suggests that it may offer potential for the systemic treatment of community-associated MRSA and of the significant nosocomial threat of Acinetobacter baumanii (Bishburg and Bishburg, 2009).

Tetracyclines are known to bind strongly to a range of metal ions, with the strongest and most significant binding, in terms of bioavailability, mode of action, mechanisms of resistance, and adverse events, being to magnesium, calcium, iron, and copper (Agwuh and MacGowan, 2006). Chelation of tetracyclines to metal ions in the GI tract adversely affects the absorption of both the tetracycline and the metal ion through the precipitation of insoluble metal-tetracycline complexes (Agwuh and MacGowan, 2006), which provides a scientific rationale for avoiding the administration of tetracyclines alongside metal ion preparations and dairy products. The ability of tetracyclines to coordinate metal ions means that these antibiotics should not be administered to children, due to their ability to sequester calcium and other metal ions at a crucial time in bone and teeth development. In the USA and Australia, children under the age of eight are contraindicated, while in the UK tetracyclines should not be given to children under the age of 12. European guidelines on the third-generation tetracycline tigecycline recommend that it is not used for children and adolescents under the age of 18 years, due to lack of data on its safety and efficacy in these patient groups. The reason for the strong metal ion binding can be seen by considering the tetracycline structure – the lower face of the molecule (as can be seen in Scheme 4.3.9) has several oxygen atoms and so is ideal for binding to a metal ion the C12 (as the enolate) and C11 oxygen atoms are accepted to be the major binding site (Jin et al ., 2007 Palm et al ., 2008).

Scheme 4.3.9 Tetracycline-magnesium ion chelation (Jin et al ., 2007 Palm et al ., 2008)

We will return to tetracycline-magnesium complexes again later in this section, when we consider the uptake of tetracyclines into bacterial cells and also when we look at the mode of action (Subsection 4.3.4) and mechanisms of resistance (Subsection 4.3.5).

In general, the tetracycline antibiotics are not metabolised, except for tetracycline, of which about 5% is metabolised, and tigecycline, of which 5–20% is metabolised (Meagher et al ., 2005) they are excreted by both the urinary (<50%) and the faecal (>40%) routes (Agwuh and MacGowan, 2006). The urinary excretion of tetracyclines has been found to be affected by pH as expected, it is significantly increased at pH values above 8, at which values greater ionisation and hydrophilicity are also to be expected (Jaffe et al ., 1973).

The tetracyclines exhibit a high volume of distribution and generally good tissue penetration alongside their long half-lives and significant post-antibiotic effect, most can be administered once or twice daily (Table 4.3.3).

Table 4.3.3 Pharmacokinetic parameters for selected tetracycline antibiotics (Zhanel et al ., 2004 Agwuh and MacGowan, 2006 Hoffmann et al ., 2007 Barbour et al ., 2010).

We discussed above how metal ion binding adversely affects the absorption of tetracyclines from the GI tract, but it is an important and crucial part of the uptake of tetracyclines into bacterial cells. The chelation to a magnesium ion forms a tetracycline-magnesium cationic complex (with an overall charge of +1), which is transported through the outer membrane into the periplasm by porins, such as the well-characterised OmpF and OmpC examples from Gram negative bacteria (Nikaido, 1994, 2003). You will remember from Section 1.1.2 that porins are protein pores which transport a range of molecules through the outer membrane into the periplasm they are known to be responsible for the transport of other antibacterial agents, such as quinolones and β-lactams, besides tetracyclines (Jaffe et al ., 1982 Mortimer and Piddock, 1993). The mechanism for porin-mediated transport relies upon the Donnan potential 14 across the outer membrane and leads to accumulation of the tetracycline-magnesium cationic complex in the periplasm (Zhanel et al ., 2004). It is probable that the tetracycline-magnesium complex dissociates in the periplasm, perhaps due to the lower pH in this compartment, which is sufficiently acidic to drive the reprotonation of the enol oxygen at C12. The released zwitterionic tetracycline (overall neutral charge) is in equilibrium with a small proportion of the uncharged form, which is weakly lipophilic and able to diffuse through the cytoplasmic (inner) membrane in an energy-requiring process (Scheme 4.3.10) (Nikaido and Thanassi, 1993). Tetracyclines are presumed to adopt a similar uncharged tetracycline diffusion entry route through the simpler cell membrane of Gram positive bacteria.

Scheme 4.3.10 A tetracycline-magnesium complex dissociates to the zwitterion in the periplasm and equilibrates with the neutral form, which enters bacterial cells by passive diffusion (Nikaido and Thanassi, 1993)

You may be wondering why the diffusion of the neutral tetracycline across the bacterial cytoplasmic membrane is energy-requiring. Live bacteria have a difference in pH between the cytoplasm and periplasm of about 1.7 pH units (Nikaido and Thanassi, 1993), so that, after the neutral tetracycline passes through the cytoplasmic membrane, it becomes trapped at the higher pH of the cytoplasm, releasing a proton to form a greater proportion of tetracycline in a more hydrophilic form (overall molecular charge of −1) (Scheme 4.3.11). To maintain the pH of the cell, and the difference with the external pH, the bacteria must continue to transport protons out of the cytoplasm, which is an energy-dependent process (Nikaido and Thanassi, 1993), so it is not actually the diffusion of tetracycline into the cell that is energy-requiring, but the maintenance of pH that is required as a result.

Scheme 4.3.11 In the cytoplasm, the hydrophilic form of the tetracyclines predominates and reforms the tetracycline-magnesium complex (Nikaido and Thanassi, 1993)


The Effect of Kanamycin and Tetracycline on Growth and Photosynthetic Activity of Two Chlorophyte Algae

Antibiotics are routinely used in microalgae culture screening, stock culture maintenance, and genetic transformation. By studying the effect of antibiotics on microalgae growth, we can estimate the least value to inhibit growth of undesired pathogens in algal culture. We studied the effect of kanamycin and tetracycline on the growth and photosynthetic activity of two chlorophyte microalgae, Dictyosphaerium pulchellum und Micractinium pusillum. We measured CFU mL −1 on agar plates, optical density, fluorescence yields, and photosynthetic inhibition. Our results showed a significant effect of kan und tet on the tested microalgae species except tet, which showed a minor effect on M. pusillum. Both antibiotics are believed to interact with the protein synthesis machinery hence, the inhibitory effect of the tested antibiotics was further confirmed by isolation and quantification of the whole cell protein. A significant reduction in protein quantity was observed at concentrations more than 5 mg L −1 , except M. pusillum, which showed only a slight reduction in protein quantity even at the maximum tested concentration of tet (30 mg L −1 ). This study can further aid in aquaculture industry, for the maintenance of the microalgae stock cultures and it can also help the microalgae genetic engineers in the construction of molecular markers.

1. Einleitung

Microalgae are gaining importance in medical, pharmaceutical, and food industry. With the increasing applications of microalgae, it is mandatory to investigate growth conditions and potential growth inhibitors. Herbicides, antibiotics, and heavy metals are toxic to microalgae even at low concentrations [1–6]. Studying the survival and adoption of microalgae in the contaminated environment is not an insignificant question and to a certain extent, the microalgae could survive in contaminated environments [7–10].

In the past decade antibiotics use and resistance have been the focus of the world leading organizations, including the Center of Disease Control (CDC) and the World Health Organization (WHO). Alexander Fleming and Howard Walter Florey warned the world first time about the antibiotic resistance while receiving 1945 Nobel Prize for the discovery of penicillin [11]. Antibiotic resistance has been a productive research topic for scientists in the medical field [12]. Anthropogenic activities including use of antibiotics in agriculture, aquaculture, and waste disposal have been linked with the antibiotic resistance [13–15].

Aminoglycosides are the commonly used broad-spectrum antibiotics, that is, streptomycin, kanamycin, and amikacin. Aminoglycosides are characterized as multifunctional hydrophilic carbohydrates with several amino and hydroxyl activities having higher affinities to the prokaryotic rRNA [16, 17]. Suzuki et al. studied the effect of kanamycin on bacterial protein inhibition [18]. Kestell et al. reported the effect of kanamycin and streptomycin on the macromolecular composition of Escherichia coli strains [19]. The inhibitory effect of streptomycin had been reported to microalgae species at a concentration of 0.5 to 150 mg L −1 [20–22]. Galloway reported a halotolerant algae Amphora coffeaeformis resistance to streptomycin [23]. Kvíderová and Henley reported the effect of ampicillin and streptomycin on the growth and photosynthetic activity of halotolerant chlorophyte algae species [24]. However, a limited or no literature is available on the structural studies of aminoglycosides interaction with RNA sequences.

Kanamycin is a broad-spectrum aminoglycoside antibiotic, isolated from bacterium Streptomyces kanamyceticus [25]. It is considered an important medication needed in a basic health system and it has been listed in the WHO’s list of Essential Medicines [26]. Kanamycin interacts with the 30S ribosomal subunit resulting in a significant amount of mistranslation and prevents translocation during protein synthesis [27, 28], whereas tetracyclines bind to the 16S part of the 30S ribosomal subunit and prevent amino-acyl tRNA to attach at A-site of mRNA-ribosome complex, ultimately inhibiting protein synthesis as well as cell growth [29–31].

Kanamycin resistance (Kan R ) is mainly due to the cytoplasmic aminoglycoside phosphotransferase that inactivates kanamycin by covalent phosphorylation. On the other hand, tetracyclines are a group of broad-spectrum antibiotics, but their general application has been shortened because of the inception of antibiotic resistance [32–34]. Cells can become resistant to tetracyclines by one of the three mechanisms: enzymatic inactivation of tetracycline, efflux, and ribosomal protection [35].

Antibiotics tolerance of prokaryotic microorganisms has been described by leading scientists, but there are just a few reports available on the antibiotic tolerance study of eukaryotic microalgae [20, 22, 23, 36]. No doubt, antibiotics are normally considered effective against prokaryotic microorganisms, but they are extensively used in microalgae culture screening [37, 38], in aquaculture, and for screening of genetic transformants [39] hence, there is a need to check the effects of the antibiotics against eukaryotic microalgae.

This work was planned to determine the activity of two important antibiotics, kanamycin sulfate and tetracycline hydrochloride, against the freshwater eukaryotic microalgae species, Dictyosphaerium pulchellum und Micractinium pusillum. Colony forming units, optical density, fluorescence yields, and photosynthetic inhibitions were measured. The antibiotics used in this study are believed to interact with the protein synthesis machinery hence, the whole cell protein was also extracted and quantified.

2. Material and Methods

2.1. Microalgae Cultivation and Treatment

The eukaryotic freshwater microalgae species, Dictyosphaerium pulchellum und Micractinium pusillum, used in this study were obtained from the Korea Marine Microalgae Culture Center (KMMCC), Busan, South Korea. Stock cultures were stored on the modified AF6 agar slants [40]. The cultures were streak plated and purified by subculturing by at least 5-6 times before use. Both microalgae species were cultivated in 250 mL flasks with 150 mL, modified AF6 medium while incubating at

μmol photons m −2 s −1 and 50% humidity. Antibiotics, kanamycin sulfate (Amresco), and tetracycline hydrochloride (Bio101) with different concentrations ranging from 0 to 30 mg L −1 were used. Growth rates were calculated by measuring the absorbance at 750 nm (OD750) on every alternating day [41]. Additionally, all the experiments were repeated three times.

2.2. Screening Tests

The spread plate method according to Markham and Hagmeier [42], with slight modifications, was used to obtain colonies of the tested microalgae on agar plates. 200 μL of the cultured microalgae with approximately adjusted initial cell density (1 × 10 4 cells mL −1 ) was spread plated on AF6-agar plates supplemented with different concentrations of kan und tet ranging from 0 to 30 mg L −1 . Plates were incubated under constant light intensities and the growth was observed for three weeks.

2.3. Modulated Fluorescence and Photosynthetic Inhibition Measurement

Fluorescence yields of algae samples treated with different concentrations of kan und tet were measured by toxy-PAM dual channel yield analyzer (Heinz Walz GmbH, Effeltrich, Germany). The toxicity test is based on extremely sensitive measurement of the effective quantum yield (Ja), of photosystem II (PSII), via assessment of chlorophyll fluorescence yield by following the saturation pulse method [43, 44]. Fluorescence of the dark adopted algal samples (

) is measured by using modulated light of low intensity to avoid the reduction of the PSII primary electron acceptor (

) [43]. In order to induce an equilibrium state for the photosynthetic electron transport, prior to measurement of fluorescence, algal cells were adapted to darkness for 20 min.

In the toxy-PAM blue light is used for excitation and fluorescence is assessed at a wavelength above 650 nm. The ( ) fluorescence level corresponds to the fluorescence measured shortly before the application of a saturation pulse. Maximum fluorescence level (

) corresponds to the maximal fluorescence measured during a saturation pulse. The effective PSII overall quantum yield of the photochemical energy conversion was calculated by the formula given by Genty et al. [44].


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