مواضيع المحاضرة:
background image

Unit 7: Chemotherapeutic Drugs

 

 

 

197 

Lecture 2+3 - Cell Wall 
Inhibitors: 

 

Some antimicrobial drugs selectively interfere with the 
synthesis of bacteria cell wall. Unique to bacteria, this 
structure is not found in mammalian cells. These agents 
require actively proliferating microorganism; they have 
little or no effect on bacteria that are not growing. The 
most important members of the group are the β-lactam 
antibiotics      
ß-lactam compounds: The name comes from effective 
part which is ß-lactam ring  

 

Mechanism of action of ß-lactam compounds: 

All ß-lactam compouds have the same bactericidal 
mechanism of action. They inhibit the synthesis of cell 
wall in bacteria. This occur by binding of the antibiotic 
with certain enzymes called penicillin binding proteins 
(PBP

s

) that catalyze the final stage in cell wall synthesis. 

Cell lysis can then occur, either through osmotic pressure 
or through the activation of autolysins. The success of a 
penicillin antibiotic in causing cell death is related to the 
antibiotics size, charge and hydrophobicity. Penicillins are 
only effective against rapidly growing organisms that 
synthesize a peptidoglycan cell wall. Consequently, they 
are inactive against organism devoid of this structure, 
such as mycobacteria, fungi, and viruses.

 

 

Mechanism of resistance to ß-lactam compounds:  

Bacterial resistance to ß-lactam may occur by one of the 
following mechanisms or a combination of these: 

1)  Inactivation of   ß-lactam ring by certain bacteria 

possess ß-lactamase or penicillinase enzyme that 
inactivate the antibiotic. 

2)  Alteration or modification of bacterial PBP

s

3)  Reduce affinity of antibiotic to bind PBP

s

 
The ß-lactam compounds
 

include: 

A. Penicillins: 

They are the most widely effective antibiotic and the low 
toxic effect. The basic structure of this compound is the 6-
aminopenicillianic acid, members of this group in the R-
side chain. The nature of this side chain affects the 
antimicrobial spectrum, the stability to stomach acids and 
susceptibility to bacterial degredative enzymes which 
degrade ß-lactam ring. 
The structural integrity of the 6-
aminopenicillianic acid is 
essential for biological activity of 
these compounds. If the ß-lactam 
ring is enzymatically cleaved by 
bacterial ß-lactamase, the 
resulting product which is called 
penicilloic acid will lack the 
antibacterial activity. 

 

 
 
 

 
  

 
    

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 
 
 
 


background image

Unit 7: Chemotherapeutic Drugs

 

 

 

198 

Penicillins are bactericidal antibiotic and are divided 
according to their spectrum of activity to: 

 

1)  Narrow spectrum natural penicillins   

The antibacterial activity of narrow spectrum penicillins 
include mainly G+ve bacteria as staphylococci, most 
strains of streptococci, meningeococci and anaerobes and 
Gve- bacteria as Neisseria, Pasturella. 

a)  Benzylpenicillin (penicillin G) 

  It is destroyed by gastric acidity so it is not suitable for 

oral uses; it is given by injection, sensitive to ß-
lactamase producing by bacteria. 

  Short half-life less than 2hrs, penetrates in most tissues. 

  Elimination of pencillin G is mainly thorough kidneys 

by active tubular secretion. This type of elimination can 
be inhibited by administration of probencid that result 
in longer duration of action. 

Typical therapeutic application of penicillin G in fig below 

b)  Phenoxymethlpenicillin (penicillin V) 

Is given orally because of good absorption but food 
decrease its bioavailability. Pencillin V achieves lower 
serum concentration than penicillin G when high serum 
concentration is required. 

c)  Procaine  penicillin 

This combination results in longer duration of action (up 
24hrs). This preparation is less painful at site of injection. 

d)  Benzathine penicillin 

Its longer-acting penicillin that persist in blood for 4 
weeks but in low concentration. It is useful in prophylaxis 
of rheumatic fever. 
The clinical uses of natural penicillins include 
staphylococcal infection; streptococcal pharyngitis and 
endocarditis; meningitis; pneumonia; bronchitis; anthrax; 
otitis media; sinusitis; clostridium infections and syphilis.     

2)  Antistaphylococcal penicillins (β-lactamase 

resistance drugs) 

  Certain bacteria tend to produce β-lactamase which opens 

the β-lactam ring common to all penicillins and thus 
terminate the antibacterial action. 

  The antistaphylcoccal penicillins drugs resist the action of 

β-lactamase by presence of an acyl side chains that 
protect the β-lactam by preventing the enzyme getting 
access to it. 

  Drugs of this group:  

  Cloxacillin:

 resists degredation by gastric acid and is 

absorbed from the gut but food interferes with absorption. 

  Flucloxacillin:

 is more fully absorbed and so gives higher 

blood conc. than dose cloxacillin. 

  Methicillin:

 is rarely used because of causing interstitial 

nepheritis. Methicillin -resistance strains of 
staphylococcus aureus (MRSA), these m.o also resistance 
to cloxacillin and flucloxacillin. These types of infection 
are usually susceptible to vancomycin and rarely to 
ciprofloxacin or rifampcin. 
 

3)  Extended spectrum penicillins   

Have an antibacterial spectrum similar to that of penicillin 
G, but are more effective against G-ve bacilli. as E.coli, 
H.influenza, proteus mirabills and salmonella typhi. They 
have less activity than benzylpenicillin against streptococci. 
They are β-lactamase sensitive, these drugs are: 

a)  Ampicillin:

 it is acid stable, given orally but food 

interferes with its absorption, also it can be given I.M or 
I.V. Ampicillin attains high concentration in CSF. 
Ampicillin is sensitive to penicillinase- enzyme thus it is 
combined with sulbactam to resist inactivation by 
bacterial enzymes. 


background image

Unit 7: Chemotherapeutic Drugs

 

 

 

199 

b)  Amoxicillin:

 it is an analogue of ampicillin that is better 

absorbed from the gut and food does not interfere with its 
absorption. It does not achieve adequate concentration in 
the CSF to be useful in meningitis. Amoxicillin is 
sensitive to β-lactamase enzyme thus it is combined with 
clavulanic acid under the trade name Amoxiclave to resist 
bacterial degradation. Diarrhea appears to be less frequent 
with amoxicillin than ampicillin. 
 

 

Aminopenicillins: as Ampicillin and Amoxicillin. 
 

4)  Antipseudomonal penicillins drugs: are of 2 types 

a)  Carboxypenicillins:

 They have some antimicrobial 

activity as penicillin, but additional effect in destroying 
pseudomonas aerogenosa and proteus Vulgaris. Include 

Carbinecillin

 and 

Ticarcillin

. These drugs are 

inactivated by β-lactamase so it is combined with 
clavulanic acid to resist bacterial inactivation. 

b)  Uridopenicillins:

 This group include 

piperacillin

 and 

azlocillin

. Piperacillin is slightly greater efficacy as the 

azlocillin but more affective against G-ve microorganism. 
Usually given combined with β-lactamase inhibitor 
(Tazobactam). 

Adverse effects of penicillins               

  Allergic reaction as skin rashes, bronchospasm and may 

cause anaphylactic shock. 

  Diarrhea: this due to disruption of the normal flora in the 

intestine. 

  Nephritis: all penicillins, but particularly methicillin. 

  Neurotoxicity: the penicillins are irritant to neuronal 

tissue may induce seizures if injected intrathecally or if 
very high blood level are reached. 

  Platelet dysfunction: involves decreased agglutination, is 

observed with antipseudomonal penicillins and with some 
extent with penicillin G. 

  Cation toxicity: Usually penicillins administered as Na 

or K salts. Toxicities may be caused by the large 
quantities of sodium or potassium that accompany the 
penicillin. Sodium excess may result in hypokalemia. 
This can be avoided by using the most potent antibiotic. 
 

Pharmacokinetics of penicillin: 

  Administration: the route of administration of a β-lactam 

antibiotic is determined by stability of the drug to gastric 
acid and by the severity of the infection. Ticarcillin, 
carbinicillin, piperacillin, and the combinations of 
ampicillin with sulbactam, ticarcillin with clavulinic acid, 
and pieracillin with tazobactam must be administered 
intravenously or intramuscularly. Penicillin V, 
amoxicillin, amoxicillin combined with clavulanic acid 
and indanyl carbenicillin (for treatment of urinary tract 
infections) are only available as oral preparations. Others 
are effective by the oral, IV, IM routes. 

 

  Absorption: most of the penicillin are incompletely 

absorbed after oral administration, and they reach the 
intestine in sufficient amounts to affect the composition of 
the intestinal flora. However amoxicillin is almost 
completely absorbed. 
Consequently, it is not appropriate therapy for the 
treatment of shigella- or salmonella-derived enteritis, 
because therapeutically effective levels do not reach the 
organisms in the intestinal crypts. Absorption of all 
penicillinase-resistant penicillins is decreased by food in 
the stomach. Therefore, they must be administered thirty 
to sixty minutes before meals or two to three hours 
postprandially. Other penicillins are less affected by food.     

 

  Distribution: Distribution of the β-lactam antibiotics 

throughout the body is good. All the penicillins cross the 
placental barrier, but none has been shown to be teratogenic. 


background image

Unit 7: Chemotherapeutic Drugs

 

 

 

200 

However, penetration into certain sites, such as bone or 
cerebrospinal fluid (CSF), is insufficient for therapy 
unless these sites are inflamed. During the acute phase of 
infection, the inflamed meninges are more permeable to 
the penicillins, resulting in an increased ratio of the 
amount of drug in the central nervous system compared to 
the amount in the serum. Penicillin levels in the prostate 
are insufficient to be effective against infections. 
 

 

 
 
 
 
 

  Excretion: The primary route of excretion is through the 

organic acid secretory system of the kidney as well as by 
glomerular filtration. Patients with impaired renal 
function must have dosage regimens adjusted. Thus the 
half-life of penicillin G can increase from a normal of 1 
hour to 10 hours in individuals with renal failure. The 
penicillins are also excreted into breast milk and into 
saliva.       
 
 
 
 
 
 
 
 
 

B. Cephalosporins 

They are β-lactam antibiotics that are closely related to 
penicillin in chemical structure, mechanism of action, 
toxicity and function. Cephalosporins are classified into 
generation according to improvement in their spectrum of 
activity, potency and resistance to β-lactamase. They are 
ineffective against methicillin-resistant Staphylococcus 
aureus (MRSA). 

 

Figure 31.7 
Administration and 
fate of penicillin.

 

Figure 31.8 Enhanced 
penetration of penicillin into 
the cerebral spinal fluid (CSF) 
during inflammation.

 


background image

Unit 7: Chemotherapeutic Drugs

 

 

 

201 

1. First generation: 

They are resistant to the staphylococcal penicillinase, the 
more useful drugs 

Cephalexin:

 prototype of first generation oral 

cephalosporins. Oral administration four times daily. 

Cefazolin:

  

It is a first-generation parenteral cephalosporin has a 
longer duration of action and a similar spectrum of action 
compared to other first-generation drugs. Good 
penetration into bone.   
Other drugs: 

cephadroxil, cephalothin 

and

 cephradine

Uses 
Are useful in prophylaxis before surgery because most 
postoperative infection are caused by G+ve bacteria as 
staphylococci; treatment of skin, bone, wound, urinary 
tract and respiratory tract infection. First generation drugs 
are not used in meningitis because they do not enter CSF. 
 

2. Second generation:  

Active against m.o of first generation activity, but have 
extended G-ve effect. Less activity on G+ve than first 
generation.     

Cefuroxime:

 it is prototype second-generation parenteral 

cephalosporin has a longer half-life than similar agents. It 
crosses the blood brain barrier but less activity than first 
generation. 
Other drugs of this group  

cefaclor, cephamandole, , ceforanide , cefonicid, 
cefoxitin ,cefotetan  

Uses 
Second-generation drugs are more resistant to β-lactamase 
inactivation with broad spectrum activity that include 
G+ve cocci, G-ve and anaerobes as bacteroides (including  
β-fragilis ) and closteridum. They are used in sinusitis, 
otitis media, pneumonia, peritonitis and abscess like 
diabetic foot ulcer. 
 

3. Third generation:  

These agents have greatly inferior to first generation 
cephalosporins in regard to their activity G+ve cocci also 
they have enhanced activity against G-ve bacilli. 

Ceftriaxone:

 longest half-life of any cephalosporin(6-

8hrs) permit once a day dosing. High levels of drug can 
be achieved in blood and CSF. Effective against genital, 
anal and pharyngeal penicillin-resistant Neisseria 
gonorrhoeae. Drug excreted in bile and may be used in 
patients with renal insufficiency. Good penetration into 
bone. 

Other drugs of this group: 

Cefotaxime

 (good penetration into CSF), 

cefixime

 (oral 

dosing once daily), 

ceftazidime

 (active against 

pseudomoneas aeruginosa), 

ceftizoxime

 (has broad effect 

on G-ve and anaerobes particularly β.fragilis. 
 

4. Fourth-generation: 

Cefepime:

 Is the most clinically useful fourth generation 

agent. It has a wide antibacterial spectrum; it passes well 
to the CNS. 

Uses 
The infections of G-ve organisms especially those caused 
resistance to third generation drugs. Members of this 
generation are resistant to the action of bacterial β-
lactamase. 

Side effects 
The cephalosporins produce a number of adverse effects, 
some of which are unique to particular members of the 
group. 

1)  Hyper sensitivity reactions: cephalosporins may produce 

several types of hypersensitivity reaction similar to 
penicillins. There is cross-allergy between cephalosporins 
and penicillins and about 5-10% of patients who have 
allergy to penicillins have allergy to cephalosporins too. 
Allergic reactions include urticaria and rashes. 

2)  Local irritation: cephalosporins produce sever pain after 

I.M inj so local anesthetic agent may be added. 
Cephalosporins may produce thrombophlebitis when 
given i.v. 

3)  disulfiram like effect (hypotension, sweating & fainting). 

When cefamandole is ingested with alcohol or alcohol-
containing medication, a disulfiram-like effect is seen 
because the cephalosporins block the second step in alcohol 
oxidation, which results in the accumulation of acetaldehyde. 

4)  Bleeding: bleeding can occur with cefamandole or 

cefotetan because of anti-vitamin k effects; administration 
of the vitamin corrects the problem. 

5)  Overgrowth of resistant strains of m.o. may produce 

organism resistant to all β-lactam antibiotics. 

6)  Mild and transient nausea, vomiting and diarrhea occur 

with the orally administered cephalosporins.  
 

C. Monobactams: 

Monobactams are resistant to β-lactamase, but they act 
only on G-ve bacteria (aerobic). It lacks activity against 
G+ve organism and anaerobes. The best drug of this 
group 

Azetronam

. It is administered via IV or IM routes 

and it is mainly eliminated through kidney and can 


background image

Unit 7: Chemotherapeutic Drugs

 

 

 

202 

accumulate in patients with renal failure. It is a safe 
alternative for treating patients allergic to penicillins 
and/or cephalosporins. 
 

D. Carbapenems: 

Are synthetic β-lactam  antibiotics structurally similar to 
penicillins. 

Imipenem:

 it is the most broad spectrum β-lactam 

antibiotics. It is effective against G-ve, G+ve aerobic 
bacteria and anaerobic m.o. imipenem resists hydrolysis 
by most β-lactamases. It is active against penicillinase-
producing G+ve and G-ve organisms, anaerobes and 
pseudomonas aeruginosa, although other pseudomonas 
strains are resistant. 
It is administered by i.v route and penetrates well into 
body tissues and fluids including CSF when the meninges 
are inflamed. It is excreted by glomerular filtration and 
undergoes cleavage by a dehydropeptidase found in the 
brush border of the proximal renal tubule to form an 
inactive metabolite that is potentially nephrotoxic. 
Compounding the imipenem with cilastatin, a 
dehydropeptidase inhibitor, protects the parent drug from 
cleavage and thus prevents the formation of a toxic 
metabolite. This allows the drug to be active in the 
treatment of urinary tract infections. 
 

β-Lactamas inhibitors: 

Hydrolysis of the β-lactam ring either by enzymatic 
cleavage via a β-Lactamase or by acid, destroys 
antimicrobial activity. β-Lactamase inhibitors such as: 

Clavulanic acid, Sulbactam 

and

 Tazobactam 

contain a 

β-lactam ring, but they do not have significant 
antibacterial activity. Instead, they bind to and inactivate 
β-Lactamases, their by 
protecting the antibiotics 
that are normally 
substrates for these 
enzymes. The β-
Lactamase inhibitors are 
formulated with penicillin 
derivatives to protect the 
latter from enzymatic 
inactivation. 

 
Growth of Escherichia coli 
in presence of amoxicillin, 
with and without of 
Clavulanic acid 

Vancomycin 

Its effectiveness against multiple drug resistance 
organisms such as methicillin-resistant staphylococci 
(MRSA) and enterococci. It is not a β-lactam drug. 
 

Mechanism of action 
Vancomycin inhibits synthesis of bacterial cell wall 
phospholipids as well as peptidoglycan polymerization by 
binding to the D-Ala-D-Ala side chain of the precursor 
pentapeptide. This prevents the transglycosylation step in 
peptidoglycan polymerization, thus weakening the cell 
wall and damaging the underlying cell. 
Antibacterial spectrum: For infections caused by β-
lactmase producing organisms and for patients with G+ve 
infection who have a serious allergy to penecillins. 
Vancomycin acts synergistically with aminoglycosides 
and this combination can be used in the treatment of 
enterococcal endocardities. 
 

 

Antimicrobial spectrum of vancomycin 
 
Side effects: Ototoxicity which may result in deafness, 
fever and chills, maculopapular skin rashes in the face and 
chest (red man syndrome). 
 




رفعت المحاضرة من قبل: Mostafa Altae
المشاهدات: لقد قام 5 أعضاء و 114 زائراً بقراءة هذه المحاضرة








تسجيل دخول

أو
عبر الحساب الاعتيادي
الرجاء كتابة البريد الالكتروني بشكل صحيح
الرجاء كتابة كلمة المرور
لست عضواً في موقع محاضراتي؟
اضغط هنا للتسجيل