Cefoperazon, cefsulodin und ceftazidim — drei pseudomonas-wirksame Cephalosporine im Vergleich mit ihren Monobaktamanaloga

Zbl. Bakt. Hyg., I.Abt. Orig. A 254,253-260 (1983) Instirur fiir Hygiene und Medizinische Mikrobiologie des Klinikums Mannheim (Direktor: Professor Dr. W. Wundt)

Cefoperazon, Cefsulodin und Ceftazidim - drei Pseudomonaswirksame Cephalosporine im Vergleich mit ihren Monobaktamanaloga Comparative in vitro Activity o£ Ce£operazon, Cefsulodin, Ceftazidime, and their Monobactam-Analogues against Pseudomonas aeruginosa MARTIN BAUMGARTNER

Mit 3 Abbildungen . Eingegangen am 22. Oktober 1982

Abstract This study compares the in vitro activity of three cephalosporins - ceftazidime, cefoperazone, cefsulodin and their monobactarn analogues for 144 strains of Pseudomonas aeruginosa , Media variation studies are performed and the effect of human serum and anaerobic conditions on MIC is investigated. A significant inoculum effect is considered as a sign of instability against ,B-lactamases. Ceftazidine inhibits nearly all pseudo monads at concentrations between 2 and 4 }Ig/ml being significantly more active than the ocher antibiotics tested. The level of activity of all monobactams tested is lower than that of the homologous cephalosporins. The counterpart of ceftazidine is also the most effective monobacram but the counterpart of cefsulodin shows no activity against pseudo monads.

Zusammenfassung Diese Studie vergleicht die Wirksamkeit der Cephalosporine Ceftazidim, Cefoperazon und Cefsulodin sowie ihrer Monobaktamanaloga gegen Pseudomonas aeruginosa. MaBstab sind die im Reihenverdiinnungsversuch ermitte1ten minimalen Hemmkonzentrationen (MHK-s) bei 144 Stammen. Der Autor untersucht den Eintluf verschiedener Nahrrnedien, menschlichen Serums und anaerober Kulturbedingungen auf die MHK. Deren Abhangigkeit von der GroBe des bakteriellen Inokulums liefert Hinweise auf die ,B-Laktamasefestigkeit der untersuchten Antibiotika. Ceftazidim hemmt die meisten Pseudomonaden bereits bei 2-4,ug/ml und iibertrifft da, mit die beiden iibrigen Cephalosporine und aIle Monobaktamantibiotika. Sie sind schwa,

254

Mi Baumgartner

cher wirksam als die entsprechenden Cephalosporine. Auch hier besitzt das Cefrazidimanaloge die groBte Aktivitar; das Gegenstiick zum Cefsulodin ist dagegen kein brauchbares Mittel gegen Pseudomonas (MHK > 128 ,ug/ml). Abgesehen von dieser Ausnahme gleichen die Monobaktamantibiotika in ihren antibiotischen Eigenschaften weitgehend den entsprechenden Cephalosporinen.

1. Einleitung Monobaktamantibiotika sind Stoffwechselprodukte aus Chrombacterium violaceum und verschiedenen Acetobacterarten (7). Wie Penicilline und Cephalosporine zahlen sie zu den ,8-Laktamantibiotika, ihr Grundgeriist enthalt aber einen einkernigen Heterozyklus und man kann sie als Derivate des Azetidins auffassen. Durch Variation des Substituenten in Position 3 lassen sich Monobaktamanaloge therapeutisch wichtiger PeniciIline und Cephalosporine darstellen. Die Cephalosporine Cefsulodin, Cefoperazon und Ceftazidim sind wirksam gegen P. aeruginosa und konnen als Alternative zur Aminoglykosidtherapie eingesetzt werden (2,3,4,5,8). 1m Bestreben, weitere Pseudomonas-wirksame Antibiotika zu finden, hat der Autor die Monobaktamanaloga dieser Cephalosporine synthetisiert. In der vorliegenden Studie vergleicht er die antibiotische Aktivitat dieser Monobaktamantibiotika und Cephalosporine gegen Stamme von P. aeruginosa aus dem Klinikum Mannheim.

OK CH3-CH2 -N

¢

N-C-NH-CH-C-NHp

"--/

N-SO

o

3

e

Abb. 1. Strukturformel des Cefoperazons und seines Monobaktamanalogons.

Cefoperazon, Cefsulodin und Ceftazidim

255

Abb. 2. Strukturforme1 des Cefsulodins und seines Monobaktamanalogons.

Abb. 3. Strukturforme1 des Ceftazidims und seines Monobaktamanalogons.

2. Material und Methoden 2.1 Herkunft und Identi(izierung der Bakterienstdmme 92 der insgesamt 144 Stamme von P. aeruginosa stammen von Patienten des Klinikums Mannheim und des Sradtischen Krankenhauses Ludwigshafen. 52 sind Isolate aus sanitaren Einrichtungen im Klinikum Mannheim. Der Autor hat die Stamme mit einem kauflichen Identifizierungssystem der Fa. Becton & Dickinson (Minitek) fiir nicht fermentative gramnegative Bakterien bestimmt. Nur

256

Mi Baumgartner

Starnme, die sich mit einer Wahrscheinlichkeit von wenigstens 90% als P. aeruginosa haben identifizieren lassen, sind in die Studie einbezogen worden. 2.2 Bestimmung der minimalen Hemmkonzentrationen 2.2.1 Vorbemerkungen. Der Verfasser hat die minimalen Hemmkonzentrationen (MHK's) nach einem Mikrodilutionsverfahren im Reihenverdiinnungsversuch bestimmt. Die genaue Vorschrift ist kiirzlich an anderer Stelle erschienen (1). Anders als dort beschrieben verwendet der Autor hier die nachfolgend (2.2.3) aufgefiihrten Nahrrnedien ohne Indikatorzusarze. 2.2.2 Yerdiinnungsreihen. Die Verdiinnungsreihen de! Antibiotika umfassen einen Konzentrationsbereich von 0,25 bis 128 pg/ml; dabei unterscheiden sich die einzelnen Frakrionen in ihrem Wirkstoffgehalt urn den Faktor 2. 2.2.3 Niihrmedien. Die Studie vergleicht die Hemmwirkung von Ceftazidim, Cefoperazon, Cefsulodin und ihrer Monobaktamanaloga in verschiedenen Nahrrnedien. Ais Substrate fiir P. aeruginosa dienen dabei Mueller-Hinton-, Standard-I- und Tryptic-Soy-BouilIon sowie eine Mineralsalzlosung mit Acetamid als einzige Kohlenstoffquelle, deren Zusammensetzung sich aus Tabelle 1 ergibt. Urn den Einfluf von menschlichem Serum auf die Aktivitar der genannten Antibiotika zu untersuchen, bestimmt der Autor die minimalen Hemmkonzentrationen in einem Medium aus gleichen Volumina Mueller-Hinton-Bouillon und konserviertem Humanserum (Seretin, Hersteller: Behringwerke).

Tabelle 1. Acetamidmedium fur Pseudomonas aeruginosa

K2 HPO, NH,CI MgSO, ' 7H 2 0 CaCI 2 • 2H 2 0 Acetamid Wasser Spurenelernentsramrnlosung

0,4 g 0,8 g 0,1 g 0,02 g 10,0 g 1000,0 ml 1,Oml

Zur Bestimmung der minimalen Hemmkonzentrationen unter an aeroben Bedingungen wird Kaliumnitrar-haltige (Gehalt 1 g/Liter) Mueller-Hinton-Bouillon vor dem Bebriiten mit Paraffinol (DAB 7) uberschichrer. Das N03- -Ion fungiert anstelle von Sauerstoff als terminaler Elektronenakzeptor. 2.2.4 lnokulum, Bebriitung und Ausu/ertung. Das Inokulum, 10 pi Bakteriensuspension, gewinnt man aus einer 12 Std. alren Bouillonkultur (Standard-I-Bouillon), die mit Hilfe von BaSO,-Suspensionen standardisiert und auf die gewiinschte Keimzahl eingestellt wird. Die Ansatze werden bei 37 °C bebriitet. Die Auswertung anhand der Triibung des Kulturmediums nimmt man nach etwa 18 Std. vor. Urn die Abhangigkeit der MHK von der GroBe des Inokulums zu untersuchen, beimpft der Autor die Ansatze mit 103 , 105 und 106-Bakterien. 2.2.5 Kontrollen, Bei jedem Ansatz wurden Sterilitats- und Wachstumskontrollen mitgefiihrt. 2.3 EinflufJ von p-Laktamasehemmern auf die MHK Die Endkonzentration der irreversiblen p-Laktamasehemmer Clavulansaure und Sulbactam in den Fraktionen der antibiotischen Verdiinnungsreihen betragt jeweils 10 pg/ml. Die MHK's werden wie vorstehend beschrieben erm ittelt.

Cefoperazon, Cefsulodin und Ceftazidim

257

3. Ergebnisse

3.1 Minimale Hemmkonzentration Anders als Cefsulodin (3) bestizt da s Monobaktamanaloge nur eine geringe Aktivitat gegen P. aeruginosa: Die minimale Hemmkonzentrationen sind meist groSer als 64.ug/ml. Dagegen hemmen 8.ug/ml des Cephalosporins mehr als 90% der getesteren Sramme. Die Hemmwirkung des Cefoperazons auf P. aeruginosa iibertrifft die des entsprechenden Monobaktams: Knapp 80% der Stamrne vermehren sich bei einer Konzentration von 16 .ug/ ml Cephalosporine nicht mehr. Die gleiche Monobaktamkonzentration erfafSt dagegen nur rund 50% des Unter suchungsguts. Wenige Cefoperazon-resistente Stamme, die diese Eigenschaft einer Plasmid-kodierten {1-Laktamase verdanken, sind gegen das Cefoperazonanaloge Monobaktam gleichfalls resistent. Andere Isolate, deren Zellwand als Perrneabilitatsschranke fiir Cefoperazon wirkt (6), mit minimalen Hemmkonzentrationen von mehr als 64.ug/ ml, sind teilweise gegen das Monobaktam sensibel. Auch 2 Cefsulodin- und Cefoperazon-resistente Stamme (MHK 64.ug/ml) werden bereits von 8.ug/ml M ono baktam gehemmt : Das Ceftazidimanaloge ist gegen Pseudomonas das wirksamste der drei Monobaktamantibiotika. 16.ug/ml erfassen knapp 90% der untersuchten Stamme. Im Vergleich dazu liegen die minimalen Hemmkonzentrationen des Ceftazidims in der Regel um zwei Titerstufen giinstiger. Zwei Ceftazidim-resistente Pseudomonaden (MH K 32 und 64.ug/ml ) sind auch gegen das analoge Monobaktam wenig sensibel (MHK 16 und 64.ug/ml). Die o.g. Cefoperazon-resistenten {1-Laktamasebildner werden durch 4.ug/ml Ceftazidim bzw. 4-8.ug/ml des entsprechenden Monobaktams gehemmt. Minimale Hemmkonzentration von Cefoperazon, Cefsulodin, Ceftazidim und ihren Monobaktamanaloga bei 144 Stammen von Pseudomonas aeruginosa. Nahrmedium: MuellerHinton-Bouillon; Inokulum 105 CFU Zahl der bei der Konzentration z gehemmten Starnme z (pg/ml) Cefoperazon Monobaktamanaloges Cefsulodin Monobaktamanaloges Ceftazidim

Monobaktamanal oges

0,25

0,5

2

1

5 2

2 6 3

4

37 9

8 52 20

16 19 41

32 10 53

64 8 9

128 > 128 7 5 4 5

8

50

71

8 2

2 5

3 10

2 19

2 69

2 7

3 3

1 2

38 1

71 17

20 43

108

3.2 Einiliisse verschiedener Parameter auf die Aktivitat der Monobaktamantibiotika Die Zus ammensetzung des Nahrrnediums beeinflufst die Aktivitar der Cefoperazon- und Ceftazidim-analogen Monobaktamantihiotika unterschiedlich: Der Ersatz von Mueller-Hinton-Bouillon durch Standard-I- oder Tryptic-Soy-Bouillon veran-

> 128

> 128

> 118

32

32

32

8

8

TEM2

8

PSE 4

16

128

> 128

16

32

4

PSE 3

SHY 1

> 128

32

8

PSE 2

TEM 1

128

32

8

PSE 1

64

8

106

10"

4

103

Cefoperazon

OXA2

J'1-Laktamase

8

16

16

16

16

16

16

8

128

64

118 > 118

118 > 128

128 > 128

128 > 128

32

128 > 128

64 > 128

32

Monobaktarnanaloges 106 lOS 10"

16

8

4

2

2

2

4

4

1~

4

32

32

4

4

> 118

> 128

8

32

32

16

128

8 4

32

106

8

105"

Cefsulodin

1

2

2

2

2

2

2

1

103

1

2

2

4

2

2

2

2

10"

Ceftazidim

2

4

8

8

8

8

8

4

106

4

8

8

8

4

4

2

1

4

8

8

8

8

8

4

4

16

32

16

32

16

32

16

16

Monobaktarnana loge s 10· 10" 106

Cefoperazon, Cefsulodin und Ceftazidim im Vergleich mit ihren Monobaktamanaloga: Abh angigkeit der minimalen Hemmkonzentrationen von der GroBe des Inokulums bei J'1-Laktamase-bildenden Stammen von Pseudomonas aeruginosa

N

t1l

.,: ...::l... ... (Jq

c 3

.,t;<:l

~

00

""

Cefoperazon, Cefsulodin und Ceftazidim

259

dert die minimale Hemmkonzentration hochstens urn eine Titerstufe. In einer definierten Mineralsalzlosung mit Acetamid als einziger Kohlenstoffquelle nimmt die Empfindlichkeit der Pseudomonaden urn eine bis zwei Konzentrationsstufen zu. In einem Medium aus gleichen Teilen konserviertem Humanserum (Seretin) und Mueller-Hinton-Bouillon berragt die Akrivitatseinbufse der Monobaktamantibiotika (im Vergleich zu Mueller-Hinton-Bouillon allein) teilweise 3 Konzentrationsstufen. Der Serumzusatz beeintrachtigt auch die Akrivitat des Cefoperazons und Ceftazidims, allerdings nimmt die MHK urn hochstens 2 Konzentrationsstufen (Ceftazidim) zu. Unter anaeroben Verhaltnissen in Gegenwart von Nitrat als Elektronenakzeptor bleibt die Sensibilitat von P. aeruginosa gegen beide Monobaktamantibiotika weirgehend unverandert. Die antibiotische Aktivitat des Ceftazidim-analogen Monobaktams ist von der GroBe des Inokulums weitgehend unabhangig: Eine Erhohung der bakteriellen Einsaatmenge von 103 auf 105 koloniebildende Einheiten beeinfluBt die minimalen Hemmkonzentrationen kaum; erst ein Inokulum von 106 Keimen bewirkt eine Aktivitatseinbufe, die zwei Titerstufen ausmacht. Die j'1-Laktamasebildung ist fur die Abnahme der Ernpfindlichkeit mit wachsendem Inokulum offenbar von geringer Bedeutung; Stamme, die ein chromosomal oder plasmid-kodiertes Enzym produzieren, unterscheiden sich in ihrem Resistenzverhalten nicht signifikant von j'1-Laktamasenegativen Isolaten. Im Gegensatz dazu sind die minimalen Hemmkonzentrationen des Cefoperazonanalogen in hohem Mafse Inokulum-abhangig, wie dies bereits vom Cefoperazon selber bekannt ist (4): Ein von 103 auf 105 koloniebildende Einheiten erhohte Keirnzahl fiihrt zu einem Aktivitatsverlust von zwei Konzentrationsstufen; bei einem Inokulum von 106 Bakterien betragt die MHK haufig mehr als 64 Itg/ml, was einer weiteren Zunahme urn 3 und mehr Titerstufen entspricht. Einige Cefoperazon-resistente Pseudomonaden, die eine plasmidkodierte j'1-Laktamase bilden, sind bei einem Inokulum von 103 koloniebildenden Einheiten gegen 8-16 Itg/ml des Cefoperazon-analogen Monobaktams sensibel; bei 105 Keimen betragt die MHK bereits 128 Itg/ml. Die Aktivitarseinbulse bei einer Vergrofserung der bakteriellen Einsaatmenge laBt sich mit Clavulansaure oder Sulbactam reduzieren: Bei einem Inokulum von 105Keimen nimmt die MHK auf 32 Itg/ml, bei 106 koloniebildende Einheiten auf 64-128 Itg/ml zu. Bei j'1-Laktamase-negativen Stammen betragt der Aktivitatsverlust in der Regel 2 Titerstufen, wenn man die eingeimpfte Keimzahl von 103 auf 106 koloniebildende Einheiten erhoht, Diskussion P. aeruginosa ist im Erdreich und Wasser weit verbreitet. Im Krankenhaus spielt das Bakterium neben St. aureus und verschiedenen Enterobacteriaceae (z.B, Klebsiellen) eine Rolle als Hospitalismuserreger. Er befallt meist Patienten mit konsumierenden Erkrankungen und erweist sich als resistent gegen viele Antibiotika. Pseudomonas-wirksame Cephalosporine wie Cefsulodin (3), Cefoperazon (2,4) und Ceftazidim (5, 8) sind deshalb willkommene Alternativen zu den nephrotoxischen Aminoglykosiden, Ceftazidim ist das wirksamste der drei Praparate, es erreicht beinahe die Aktivitat des Gentamicins, das auch heute noch - wenn man die minimalen Hemmkonzentrationen als MaBstab nimmt - das potenteste Antipseudomonasmittel darstellt. 18 Zbl. Bakt. Hyg., I. Abr, Orig. A 254

260

M. Baumgartner

Bei der hohen Wirksamkeit der drei Cephalosporine gegen P. aeruginosa sollte man erwarten, da~ auch deren Monobaktamanaloga entsprechende Eigenschaften aufweisen. Tatsachlich hem men die Monobaktamanaloga des Cefoperazons und Ceftazidims die meisten Pseudomonas-Stiimme in solchen Konzentrationsbereichen, da~ man an einen therapeutischen Einsatz denken kann, sind jedoch schwacher wirksam als die Cephalosporine. Der Aktivitatsabstand zwischen den Monobaktamen gleicht dem zwischen Ceftazidim und Cefoperazon. Auch sonst stimmen die mikrobiologischen Eigenschaften der beiden Cephalosporine und der analogen Monobaktamverbindungen in zahlreichen Punkten iiberein: Die grofe Bestandigkeir des Ceftazidims gegen fast alle p-Laktamasen ist offenbar auch dem entsprechenden Monobaktam eigen. Sie zeigt sich in der weitgehenden Unabhangigkeit der minimalen Hemmkonzentrationen von der Grage des Inokulums. Beim Cefoperazon und seinem Monobaktamanalogen finder man dagegen, besonders, wenn man starke fJ-Laktamasebildner untersucht, mit wachsendem Inokulum eine deutliche Aktivitatseinbufse. Das kann als Indiz dafiir gelten, dag auch das Monobaktamanaloge des Cefoperazons ahnlich wie die Muttersubstanz gegen bakterielle Hydrolyse instabiler ist als Ceftazidirn und sein Monobaktam. Einen weiteren Hinweis liefert die unterschiedliche Empfindlichkeit bestimmter Pseudomonas-Stiimme, die ihre Cefoperazonresistenz ausschliefslich ihrer p-Laktamasebildung verdankcn: Sie sind gegen das Cefoperazon-analoge Monobaktam gleichfalls resistent, aber gut sensibel gegen Ceftazidim und das entsprechende Monobaktam; die Resistenz laRt sich mit Clavulansaure weitgehend beseitigen. Ich danke Frau I. Berol fiir ihre technische Unterstiitzung.

Literatur 1. Baumgartner, M., N. Dickgiesser, St. MiilIer und W. Wundt : Moxalactam und Cefo"

taxim - zwei neue p-Laktamantibiotika im Vergleich mit drei alteren Cephalosporinen. Arzneimitte1forsch. / Drug Res. 31 (1981) 1677-1681 2. Hinkle, A.M., B.M.Le Blanc, and G.P.Bodey: In vitro evaluation of cefoperazone. Antimicrob . Agents Chemother. 17 (1980) 423-427 3. Neu, H. C. and K. P. Fu: In vitro antibacterial activity and p-Iactamase stability of SCE129, a new cephalosporin. Antimicrob. Agents Chemother. 15 (1979) 646-650 4. Neu, H.C., K.P.Fu, N.Aswapokee, Pi Asurapokee, and K.Klmg : Comparative activity and p-lactamase stability of cefoperazone, a piperazine cephalosporin. Antimicrob. Agents Chemother. 16 (1979) 150-157 5. O'Callaghan, C.H., P.Acred, P.B .Harper, D.M.Ryan, S.M.Kirby, and S.].Harding: GR 20263, a new broad spectrum cephalosporin with antipseudomonal activity. Antimicrob. Agents Chemother. 17 (1980) 876-883 6. Richmond, M. H.: Factors influencing the antibacterial action of p-Iactam antibiotics. J. Antimicrob. Chemother. 4 (SuppI. B) (1978) 1-14 7. Sykes, R. B., D. P. Bonner, K. Bush, N. Georgopapadakou, and]. S. Wells: Monobactamsmonocyclic p-Iactam antibiotics produced by bacteria. J. Antimicrob. Chemother. 8 (SuppI. E) (1981) 1-16 8. Verbist, L. and]. Verhagegen: GR 20263; a new aminothiazolyl cephalosporin with high activity against Pseudomonas and Enterobacteriaceae. Antimicrob. Agents Chemother. 17 (1980) 884-889 Dr. Dr. Martin Baumgartner, c/o MIDY Arzneimitte1 GmbH, Augusrenstr. 10, D-8000 Miinchen 2