CHIMICA FARMACEUTICA E TOSSICOLOGICA I

Corso M-Z per Farmacia (Prof. G. Ortar)

Appunti sulla Parte Generale

1

INTRODUZIONE

Generalit sui farmaci

La chimica farmaceutica si interessa della scoperta, progettazione, identificazione e prepa-razione dei composti biologicamente attivi, dello studio delle loro propriet, del loro metabolismo, dell'interpretazione del loro meccanismo d'azione a livello molecolare, della costruzione delle re-lazioni struttura-attivit. E' una disciplina fondata sulla chimica che coinvolge anche numerosi aspetti delle scienze biologiche, farmacologiche e mediche e che applica i principi di tali scienze alla creazione di conoscenze finalizzate all introduzione di nuovi utili farmaci.

I farmaci sono tutte quelle sostanze di natura organica, metallorganica od inorganica, ottenute per via estrattiva, fermentativa, biotecnologica o sintetica che vengono impiegate per la diagnosi, la prevenzione e il trattamento delle malattie umane o animali.

Pi in dettaglio i farmaci possono essere impiegati per uno dei seguenti scopi: Somministrazione di elementi di cui l'organismo carente (vitamine, sali, ormoni, idrolizzati

proteici); Prevenzione di una infezione (sieri, vaccini); Trattamento di una infezione (chemioterapici); Blocco temporaneo di una funzione fisiologica (anestetici locali, contraccettivi); Correzione di una funzione fisiologica alterata (antiipertensivi, antiaritmici); Detossicazione dell'organismo (antidoti); Diagnosi della funzionalit o dello stato di mantenimento di un organo (tests di funzionalit,

mezzi di contrasto). Le principali classi di farmaci sono: Farmaci agenti sul sistema nervoso; Agenti farmacodinamici (farmaci che agiscono sui processi dinamici dell'organismo, ad esempio

sistema cardiovascolare, apparato respiratorio e gastrointestinale); Chemioterapici; Farmaci agenti su funzioni endocrine e su malattie metaboliche (ad esempio antiinfiammatori,

antiartritici, antidiabetici, antiiperlipidemici). La grande maggioranza dei farmaci impiegati attualmente costituita da composti organici e loro sali. Alcuni sono prodotti dal metabolismo di particolari microrganismi e vengono isolati dai brodi di coltura nei quali questi microrganismi crescono (antibiotici); altri sono isolati da organi animali, da parti di piante, da prodotti di queste. La maggior parte dei farmaci per viene ottenuta

per sintesi, totale o parziale (questo ultimo termine si riferisce a modificazioni chimiche di sostanze di origine naturale). Con riferimento alla loro origine mostrata a fianco la distribuzione percentuale dei farmaci essenziali elencati dalla Organizzazione Mondiale della Sanit (OMS) (i farmaci essenziali, circa 350, sono i farmaci che soddisfano le esigenze sanitarie della maggior parte della popolazione e che dovrebbero perci essere sempre

disponibili in adeguata quantit e nelle opportune forme di dosaggio). Negli ultimi 25 anni sono emerse come importante fonte di nuovi agenti terapeutici le biotecnologie e circa il 20% dei farmaci attualmente in commercio sono ottenuti in questo modo.

43%

20%

7%

9%

4%

5%6%

4% 2%

SintesiBiotechPianteSintesi ParzialeMineraliAnimaliMicroorganismiVacciniSieri

2

I farmaci, intesi come principi attivi, vengono commercializzati in forme adeguate alla som-ministrazione (forme farmaceutiche) e nelle quantit necessarie a dare una risposta farmacologica (dose terapeutica). La forma farmaceutica nel suo assieme (principio attivo + ingredienti inerti con funzioni varie, di riempimento, lubrificante, legante, conservante, antiossidante) costituisce il

medicamento. Una forma farmaceutica pu contenere pi principi attivi (preparato in associazione).

Una indicazione piuttosto sommaria del margine di sicurezza di un farmaco fornita dal suo indice terapeutico IT, definito come il rapporto tra dose letale nel 50% della popolazione (in genere riferita agli animali da esperimento) e dose efficace nel 50% dei casi.

Il tempo richiesto per la genesi di un nuovo farmaco si progressivamente allungato nel corso degli ultimi 40 anni a causa, soprattutto, delle maggiori richieste regolatorie da parte delle autorit sanitarie e della complessit scientifica dello sviluppo di molecole i cui targets sono spesso patologie persistenti e degenerative. Esso attualmente compreso tra gli 8 e i 12 anni (figura a lato). Le molteplici e complesse fasi richieste per l individuazione di una promettente sostanza biologicamente attiva e per il suo sviluppo completo a medicamento sono alla base dell elevato costo di un nuovo farmaco (qualche centinaio di milioni di euro). Nella figura successiva sono indicate schematicamente le principali fasi di

sviluppo di un nuovo farmaco ed il numero dei composti esaminati che superano le varie fasi. Il numero di nuovi farmaci introdotti in commercio nel mondo ogni anno si aggira nell'ul-

Anni

TEMPO NECESSARIO PER LO SVILUPPO DI UN NUOVO FARMACO

2

4

6

8

10

12

14

1965 1975 1985 1995 2005

+

+

+

+

++

50

50

DEDLIT

2 4 6 8 10 12 14 16

RICERCA DI BASE E APPLICATA

SVILUPPO PRECLINICO

FASE I DI SVILUPPO CLINICO

FASE II DI SVILUPPO CLINICO

FASE III DI SVILUPPO CLINICO

AICautorizzazione immissione

in commercio

Fasi 1 e 2

Fase 3

Fase 4

NUMERO COMPOSTIPER STADIO

5000-10000

250

1

5

PROBABILITA' DI SUCCESSO

Tempo in anni

3

timo quinquennio mediamente attorno ai 30. Il numero di farmaci e di loro associazioni in vendita in Italia (2010) : sostanze singole: 1385 (sali esclusi); associazioni: 666. Quello delle specialita' medicinali : confezioni a base di una sola sostanza: 9819; a base di piu' sostanze: 1656. Vi sono infine 3173 farmaci a denominazione generica.

Individuazione di nuovi farmaci e loro sviluppo a medicamenti Di norma, i farmaci di utilit clinica non vengono 'scoperti'. Ci che viene invece inizialmente individuato il cosiddetto 'lead compound', o composto guida. L'individuazione di un lead compound preceduta dalla scelta del settore terapeutico in cui attivare un progetto di ricerca e sviluppo, dalla scelta del bersaglio biologico coinvolto nella patologia bersaglio del progetto e dalla

identificazione e dalla scelta di opportuni saggi biologici. Il lead compound una molecola prototipo che possiede una attivit biologica interessante, ma anche quasi sempre caratteristiche indesiderate quali bassa potenza, eccessiva tossicit, problemi di stabilit chimica e/o metabolica, di assorbimento, eccetera. Tali difetti fanno si che raramente un lead approdi alla approvazione e quindi alla commercializzazione. Esistono, ovviamente, delle eccezioni. Una di queste rappresentata dal paclitaxel (chiamato precedentemente taxolo), approvato nel 1993, laddove l'indagine iniziale sull'estratto della

corteccia del Tasso del Pacifico (Taxus brevifolia) che evidenzi una azione citotossica, dovuta al paclitaxel appunto, risale al 1962, mentre la delucidazione della struttura del principio attivo del 1972. Le vie pi comuni per individuare un lead compound sono le seguenti (da tenere presente che diversi prodotti biologicamente attivi sono stati anche scoperti per caso, ad esempio le penicilline).

L'utilizzo di farmaci gi noti come modelli (approccio a) per individuare altre molecole attive una pratica largamente utilizzata a livello industriale. Questo approccio manca di originalit ed i prodotti cos ottenuti rientrano nella categoria dei cosiddetti 'me-too products' che permettono a pi ditte farmaceutiche di accedere, con limitati investimenti, a settori particolarmente remunerativi. Sebbene molto criticata, questa strategia ha anche una sua validit dal punto di vista scientifico, in

O

H

OH

OCOCH3

O

O O

CH3COO

H3C

HO

O

OH

OO

NH

Paclitaxel

4

quanto dalla somma di piccoli e graduali miglioramenti pu discendere alla fine una innovazione sostanziale. Lo screening sistematico comprende lo screening estensivo e quello casuale (random). Nel primo caso, l' indagine condotta su una serie relativamente piccola di molecole chimicamente sofisticate e consiste in un ampia variet di tests biologici e farmacologici. Nel secondo caso, il numero di molecole saggiate molto ampio, mentre il tipo di attivit cercata unico. Queste due varianti sono state combinate a partire dagli anni '80 come conseguenza della robotizzazione e delle miniaturizzazione delle metodologie di screening (high-throughput screening, screening ad alta capacit) che consentono di valutare simultaneamente centinaia di composti in decine di tests biologici. Il problema di porre la sintesi dei composti al passo con le nuove potenzialit degli screenings stato in parte risolto mediante la sintesi combinatoriale. L idea base della chimica combinatoriale quella di costruire ampie collezioni di composti contenenti un alto numero di varianti di strutture fondamentali, procedere alla valutazione della loro attivit biologica, isolare ed identificare il/i prodotti attivi. La figura seguente illustra il principio della sintesi combinatoriale.

Nella sintesi classica una molecola A viene fatta reagire con una molecola B per dare un prodotto AB il quale, per reazione con C, fornisce il prodotto ABC, e cos via. Nella sintesi combinatoriale invece una serie di molecole di tipo A (A1, A2, A3An) viene fatta reagire con una serie di molecole di tipo B (B1, B2, B3Bn') con ottenimento di tutte le possibili combinazioni tra A e B per un totale di nn' composti. La reazione successiva con una serie di reagenti di tipo C (C1, C2, C3Cm) porta ad.nn'm composti del tipo ABC, e cos via. Il numero dei prodotti totali ottenibili N dipende dal numero di reagenti disponibili in ogni

passaggio. Se ad ogni passaggio si usa sempre lo stesso numero di reagenti n (nell esempio 10) ed s il numero dei passaggi (nell'esempio 3), N sar = ns+1. (nell esempio 104). Per quanto riguarda l'approccio c), esso comprende le osservazioni cliniche degli effetti collaterali dei farmaci e l isolamento (e l eventuale sintesi) di sostanze naturali. La storia della ri-cerca farmaceutica ricca di esempi in cui gli effetti collaterali osservati durante la sperimentazio-ne clinica hanno suggerito mani-polazioni della struttura originale allo scopo di produrre nuove molecole nelle quali un effetto secondario stato amplificato, fino a diventare quello principale.

Uno di tali esempi costituito dalla sulfanilamide, il precursore di tutti i sulfamidici; la sostituzione di un idrogeno dello azoto solfonamidico con un eterociclo ha notevolmente aumentato la potenza antibatterica del capostipite, eliminando nello stesso tempo le azioni secondarie diuretica e ipoglicemizzante. Tali azioni sono state invece evidenziate attraverso altri tipi di modifiche che hanno portato alla introduzione in terapia degli ipoglicemizzanti a struttura solfonilureica e dei diuretici solfonamidici.

A B C DAB ABC ABCD

A1-n B1-n' AiB i C1-m AiB iCi D1-m' AiB iCiD i

Sintesi classica

Sintesi combinatoriale

++

+ +

+

+ ===

= ==

1 1 1 1 1 1 1

n n' nxn' m nxn'xm m' nxn'xmxm'

10 10210 10 103 10410

NH2CH3CONH SO2S

N N

CONHBuNHH3C SO2

OO

H

H Cl

NH2SO2

N

NS

NH2SO2H2N

ETEROCICLONHSO2H2N

Tolbutamide(Ipoglicemizzante)

Sulfanilamide (Antibatterico)Azioni secondarie: Diuretica Ipoglicemizzante Idroclortiazide

(Diuretico)

Acetazolamide (Diuretico)

Sulfamidico(Antibatterico)

5

I prodotti di origine naturale, in particolare quelli provenienti dal mondo vegetale, sono la pi antica fonte di farmaci. Punto di partenza per l'isolamento, la delucidazione strutturale e la sintesi di sostanze naturali l'osservazione, casuale o derivante da uno screening sistematico, di una attivit interessante nell estratto di una parte di pianta, di un organo animale, di una coltura batterica o fungina. La ricerca in questo settore pu anche essere in qualche modo guidata dalle indicazioni della medicina tradizionale (etnofarmacologia). Gli approcci d) ed e) rappresentano due tipi di strategie razionali per l'individuazione di nuovi lead. Secondo il modello 'medico', le malattie sono la conseguenza della deregolazione di una normale funzione dell'organismo che pu essere definita in termini biochimici ed influenzata da opportuni interventi chimici o fisici. Una volta che il processo biochimico deregolato sia stato individuato e caratterizzato nei dettagli molecolari, il lead pu essere rappresentato da una o pi sostanze endogene che intervengono nella deregolazione (ad esempio neurotrasmettitori, ormoni, fattori di crescita, citochine, substrati enzimatici vari). Per quanto concerne il punto e), i farmaci subiscono comunemente trasformazioni chimiche nell'organismo ad opera di sistemi enzimatici. Talvolta, l'azione farmacologica del farmaco dovuta in parte o del tutto ad uno o pi di questi prodotti di biotrasformazione. Nell'ambito degli studi sul metabolismo dei farmaci rientra anche la progettazione di profarmaci (prodrugs) e di farmaci labili (soft drugs). I primi sono sostanze inattive che vengono attivate 'in vivo', mentre i secondi sono sostanze attive che subiscono 'in vivo' una inattivazione metabolica prevedibile e controllata. Infine, la progettazione 'De novo' di un lead compound (punto f) si basa sulla conoscenza dettagliata del sito di legame del bersaglio biologico con cui il lead dovrebbe interagire. La struttura del sito di legame pu essere in diversi casi identificata mediante studi di cristallografia ai raggi X del bersaglio biologico (in generale una proteina) contenente un ligando ad esso legato. La struttura del complesso proteina-ligando viene ricostruita al computer, il ligando viene rimosso, lasciando il sito di legame vuoto ed possibile progettare una nuova molecola dotata delle caratteristiche steri-che ed elettroniche corrette per un adattamento ottimale al sito di legame della proteina bersaglio.

Una volta che sia stato identificato un nuovo lead, il passo successivo consiste nellotti-mizzarne le caratteristiche farmacologiche attraverso opportune modifiche della sua struttura. Gli obiettivi principali del processo di ottimizzazione sono: aumento della potenza, miglioramento della spe-cificit d'azione, riduzione della tossicit e miglioramento delle pro-priet farmacocinetiche del lead. Le modifiche strutturali vengono guidate da criteri di scelta di carat-tere qualitativo e quantitativo. I dettagli di tali strategie verranno esaminati successivamente nel ca-pitolo delle relazioni struttura-atti-vit. Il processo di ottimizzazione conclude la fase della ricerca di base ed applicata. Ad esso fanno seguito una serie di operazioni di varia natura che costituiscono la fase di sviluppo preclinico (figura a lato). Per elaborazione farmaco-cinetica si

Lead compound

Ottimizzazionedella struttura Ricerca di base

ed applicata

Sostanza attiva adatta adessere sviluppata a medicamento

Elaborazionefarmacocinetica,farmacodinamica

e tossicologica

Elaborazione chimica,chimico-analitica

e galenicaSviluppo esplorativo

(preclinico)

Medicamento

Sperimentazioneclinica

Sviluppo di un metododi produzione industriale

Prodotto prontoper il mercato

Sviluppocompleto

6

intende la definizione dei dati di assorbimento, distribu-zione, metabolismo ed escrezione dei principi attivi ottimizzati; la elaborazione farmacodinamica consiste nel completamento del quadro del loro profilo di attivit; l'elaborazione tossicologica riguarda la definizione delle loro tossicit acuta, subacuta e cronica. Nell'elaborazione chimica viene messa a punto una procedura di preparazione dettagliata, ben riproducibile, il pi possibile economica e facilmente trasferibile su scala industriale dei composti ottimizzati mentre nella elaborazione chimico-analitica vengono messi a punto i saggi di identificazione e di determinazione della purezza. La elaborazione galenica consiste nell elaborazione dei principi attivi in una o pi formulazioni. La sperimentazione clinica condotta sull'uomo per confermare le propriet finora definite negli animali da esperimento si articola in 3 fasi (fasi I-III) che differiscono tra loro per il numero dei soggetti coinvolti, la durata ed il grado di approfondimento della sperimentazione. Dopo la registrazione e l'introduzione in commercio, il farmaco viene ulteriormente controllato in una fase IV (farmacovigilanza).

Classificazione dei farmaci I farmaci possono essere classificati in base a vari criteri: struttura chimica, azione farmacologica, impiego terapeutico, meccanismo d'azione. La classificazione raccomandata dalla OMS e curata in Italia dal Ministero della Salute la classificazione ATC (Anatomica-Terapeutica-Chimica). Il sistema base divide i farmaci in 14 Gruppi Anatomici Principali (1 livello) , ognuno dei quali viene poi articolato in Gruppi Terapeutici Principali, Sottogruppi Terapeutici, Sottogruppi Chimico/Terapeutici e Sottogruppi Chimici per un totale di 5 livelli gerarchici come mostrato di seguito. Ad ogni farmaco associato un codice alfanumerico. I testi di Chimica Farmaceutica impiegano generalmente una classificazione simile a quella ATC, anche se meno capillare.

GRUPPI ANATOMICI PRINCIPALI Antimicrobici generali per uso sistemico Apparato gastrointestinale e metabolismo Dermatologici Farmaci antineoplastici ed immunomodulatori Farmaci antiparassitari, insetticidi e repellenti Organi di senso Preparati ormonali sistemici, esclusi gli ormoni sessuali

Sangue ed organi emopoietici Sistema cardiovascolare Sistema genito-urinario ed ormoni sessuali Sistema muscolo-scheletrico Sistema nervoso centrale Sistema respiratorio Vari

Classificazione ATC

1 livello - Gruppo Anatomico Principale 2 livello - Gruppo Terapeutico Principale 3 livello - Sottogruppo Terapeutico 4 livello - Sottogruppo Chimico/Terapeutico 5 livello - Sottogruppo Chimico

Esempio: Aspirina N02BA01

1 N (Sistema Nervoso) 2 02 (Analgesici) 3 B (Analgesici non Oppioidi) 4 A (Acido Acetilsalicilico e Derivati) 5 01 (Acido Acetilsalicilico)

7

Denominazione dei farmaci I farmaci sono caratterizzati da vari tipi di nomi: nomi chimici (costruiti secondo le regole di nomenclatura dell IUPAC), nomi brevettati (nomi delle specialit che contengono quel farmaco) e nomi (o denominazioni) comuni. Questi ultimi sono quelli di uso pi diffuso, in quanto evitano le difficolt della nomenclatura chimica, con l'eccessiva lunghezza dei termini, e la variet dei nomi brevettati contenenti lo stesso principio attivo. Sono nomi di uso libero facilmente pronunciabili e traducibili nelle varie lingue, raccomandati o proposti dallOMS e vengono espressi in latino, inglese (INN, international nonproprietary name, denominazione comune internazionale inglese) e francese (DCI, dnomination comune internationale). Dopo traduzione nelle lingue dei vari paesi, essi divengono denominazioni comuni nazionali (ad esempio DC.IT, denominazione comune italiana). L'OMS raccomanda l'utilizzo e la protezione delle denominazioni comuni, attraverso la adozione di provvedimenti atti ad evitare la registrazione di specialit con nomi coincidenti o molto simili a quelli delle denominazioni comuni. Per l'assegnazione di nuove denominazioni comuni, sempre l'OMS raccomanda di evidenziare l'analogia esistente con altre sostanze appartenenti allo stesso gruppo terapeutico alle quali gi siano state attribuite denominazioni comuni. Ci pu essere realizzato inserendo nel nome sillabe o gruppi di sillabe ben codificate ed ampiamente utilizzate. Alcuni esempi sono riportati qui di seguito. Cardiovascolari ACE-inibitori Benazepril Captopril Cilazapril Enalapril Lisinopril Perindopril Quinapril Ramipril Cardiovascolari -bloccanti Acebutololo Atenololo Celiprololo Nadololo Pindololo Propranololo Timololo Ipolipemizzanti inibitori della HMG CoA reduttasi Atorvastatina Cerivastatina Fluvastatina Pravastatina Simvastatina Antimicotici imidazolici Bifonazolo Clotrimazolo

Econazolo Fenticonazolo Isoconazolo Ketoconazolo Miconazolo Tioconazolo Antibatterici-Chinoloni Ciprofloxacina Enoxacina Lomefloxacina Norfloxacina Ofloxacina Pefloxacina Rufloxacina Antibatterici-Tetracicline Clortetraciclina Doxiciclina Metaciclina Minociclina Tetraciclina Antibatterici-Penicilline Amoxicillina Ampicillina Bacampicillina Cloxacillina

Meticillina Mezlocillina Piperacillina Ticarcillina Antibatterici-Cefalosporine Cefacloro Cefalexina Cefalotina Cefamandolo Cefazolina Cefoxitina Ceftazidima Cefuroxima Sulfamidici Sulfadiazina Sulfalene Sulfamazone Sulfametoxazolo Sulfametrolo Ansiolitici-Benzodiazepine Bromazepam Diazepam Lorazepam Medazepam Oxazepam Pinazepam

8

MOMENTI DAZIONE DEI FARMACI

Introduzione

La maggior parte dei farmaci produce i suoi effetti farmacologici in conseguenza della inte-razione con una specifica macromolecola biologica (proteine o acidi nucleici, soprattutto) al cosiddetto sito d'azione o biofase (il distretto dell'organismo dove localizzato il tessuto bersaglio). Da tenere presente che non necessariamente il sito dazione ed il tessuto che manifesta la risposta farmacologica coincidono. Solo in certi casi il farmaco pu essere applicato direttamente alla biofase; in genere, esso deve essere trasferito dal sito di somministrazione alla bifase. L'azione di un farmaco richiede che esso raggiunga una concentrazione adeguata nel fluido che circonda il tessuto bersaglio. Oltre che nella biofase, il farmaco si distribuisce per in tutta una serie di altri distretti e quindi il farmaco 'utile' ai fini della azione terapeutica solamente una frazione della dose somministrata. La concentrazione raggiunta dal farmaco al sito d'azione dipende, oltre che dalla dose, anche dall entit e dalla velocit con cui si svolge una serie di processi che avvengono successivamente alla sua somministrazione e che costituiscono i vari momenti d'azione di un farmaco. Tali processi si suddividono tradizionalmente in tre fasi: fase farmaceutica, fase farmacoci-

netica e fase farmacodinamica. La fase farmaceutica com-porta la liberazione del farmaco dalla forma farmaceutica in cui esso contenuto, ad esempio la disgrega-zione della compressa e la disag-gregazione dei granuli risultanti, il passaggio in soluzione del principio attivo e la sua diffusione al sito di assorbimento. Lo studio delle rela-zioni che intercorrono tra forma farmaceutica ed attivit terapeutica di pertinenza della Biofarmaceutica, una branca della Tecnica Far-maceutica, disciplina che si occupa della trasformazione dei principi at-tivi in forme farmaceutiche adeguate alla somministrazione (formulazione). La fase farmacocinetica comprende invece il processo di as-sorbimento ed il passaggio in circolo, la distribuzione ai vari distretti dell'organismo, biofase inclusa, il metabolismo e l'escrezione del farmaco (ADME). La fase farmacodinamica, infine, riguarda il comportamento del farmaco in biofase. La sua azione pu anche essere rivolta verso un biosistema estraneo all'organismo (ad esempio un microrganismo invasore), in tal caso si parla di fase chemioterapica. Effetto

Interazione farmaco-macromolecola biologica

specifica nella biofase

AssorbimentoDistribuzioneMetabolismo Escrezione

Liberazione del farmacodalla forma farmaceuticae passaggio in soluzione

Somministrazione

Forma Farmaceutica

FASE FARMACODINAMICA

FASE FARMACOCINETICA

FASE FARMACEUTICA

9

Fase Farmaceutica

Un farmaco pu essere somministrato per via topica o per via sistemica. Nel primo caso esso esplica un effetto localizzato al sito a cui stato somministrato, essendo scarsamente assorbito nel torrente circolatorio. Un tipico esempio di somminstrazione per via topica quella epidermica. Nel

secondo caso il farmaco esplica un effetto sistemico, cio su siti lontani da quello di somministrazione, in se-guito a passaggio in rilevante quantit nella circolazione sanguigna. Le principali vie sistemiche di somministra-zione sono quelle enterali (orale, rettale, sublinguale) e parenterali (intravascolare, intramuscolare, sottocutanea). E' bene ricordare che in diversi casi farmaci sommi-nistrati topicamente sono capaci di entrare nel torrente circolatorio in quantitativi

sufficienti da provocare effetti sistemici. Di solito tali effetti sono indesiderati. Esistono tuttavia anche esempi di sistemi di rilascio controllato (es. cerotti transdermici) che hanno lo scopo di assicurare la cessione graduale del farmaco alla circolazione sistemica. Viceversa, alcuni farmaci somministrati per via sistemica (ad es. orale) hanno effetti prevalentemente topici (ad es. a livello del tratto gastrointestinale, perch sono caratterizzati da scarso assorbimento, oppure a livello urinario, perch, pur essendo bene assorbiti non raggiungono concentrazioni ematiche sufficiente-mente elevate e per un tempo sufficientemente lungo da esercitare un' azione sistemica). Spesso si pu scegliere la via attraverso la quale somministrare un agente terapeutico e quindi ha importanza essenziale la conoscenza delle caratteristiche, dei vantaggi e degli svantaggi delle differenti vie di somministrazione. Cos, ad esempio, la via orale conveniente, sicura ed economica ma richiede la cooperazione del paziente, l'assorbimento pu essere variabile o limitato ed essa pu causare irritazione gastrica; la somministrazione intravascolare aggira gli eventuali pro-blemi di assorbimento, produce un effetto rapido, permette un dosaggio esatto ma aumenta il rischio

di effetti indesiderati, non nor-malmente impiegabile per sostanze non sufficientemente idrosolubili e richiede personale specializzato; la via sottocutanea adatta per so-spensioni insolubili, ma pu pro-durre dolore e necrosi. La forte influenza della mo-dalit di somministrazione di un farmaco sull'inizio, sulla intensit e sulla durata dell' azione esem-plificata nella figura accanto che riporta il caso del pentobarbitale (anestetico generale) somministra-to per via endovenosa, intramu-scolare, sottocutanea, rettale ed orale nel coniglio.

EpidermicaPolmonareOculare

Intravascolare (Endovenosa, Endoarteriosa)IntramuscolareSottocutanea

SublingualeOraleRettale

Parenterali

Enterali

Vie Sistemiche

Vie Topiche

Principali Vie di Somministrazione dei Farmaci

HN NH

O O

O

Et

Pentobarbitale

10

Fase Farmacocinetica Una volta che il farmaco somministrato si sia liberato dalla forma farmaceutica in cui contenuto e si sia reso disponibile per l'assorbimento mediante solubilizzazione si verifica una serie di eventi schematicamente illustrati nella figura seguente. Un farmaco si muove nell'organismo secondo due modalit: per trasferimento di massa mediante la circolazione sanguigna e per

trasferimento diffusionale. Mentre nel trasferimento mediante il flusso sanguigno le propriet chi-mico-fisiche del farmaco non hanno grande influenza, le caratteristiche diffusionali differiscono marcatamente tra i singoli farmaci. Per muoversi da un punto all'altro dell'organismo per diffusione un farmaco deve potere attraversare gli spazi tra le cellule ed eventualmente anche le membrane cellulari. Il primo di questi fenomeni (diffusione paracellulare) assimilabile ad una filtrazione ed influenzato principalmente dalle dimensioni molecolari del farmaco. Cos ad esempio, a livello della mucosa intestinale, gli enterociti sono interconnessi mediante strutture proteiche il cui diametro di circa 10 , permeabili a farmaci con peso molecolare inferiore a 250 Dalton. In alcuni tessuti (ad esempio l'endotelio della barriera ematoencefalica, vedi anche pag. 16) i fenomeni di diffusione paracellulare sono trascurabili. Il secondo fenomeno (passaggio attraverso le membrane cellulari) pu avvenire con meccanismi diversi che saranno illustrati successivamente.

Assorbimento

Con il termine di assorbimento si indica il trasferimento del principio attivo dal sito di assorbimento al torrente circolatorio. Un assorbimento adeguato costituisce il presupposto per una interazione significativa con il sito attivo e quindi per la produzione dell' effetto terapeutico.

Vie di somministrazione e membrane assorbenti

Vie Membrane Orale

Sublinguale Rettale

Intravascolare Sottocutanea, Intramuscolare

Inalatoria Epidermica

Mucose del tratto gastroenterico Mucosa sublinguale

Mucosa rettale Nessuna

Endotelio dei capillari vascolari e linfatici Mucosa del tratto respiratorio

Epitelio cheratinizzato e annessi cutanei

LiberoLegato

SITO D' AZIONEBiopolimero bersaglio

LiberoLegato

DEPOSITITISSUTALI

BIOTRASFORMAZIONE

ESCREZIONEASSORBIMENTO

Metaboliti

Farmaco libero

Farmaco legato

CIRCOLAZIONE SISTEMICA

11

Un farmaco, per abbandonare il sito di assorbimento, deve generalmente attraversare una complessa barriera lipidica rappresentata da una o pi membrane biologiche. Il processo di assorbimento assente nel caso di somministrazione intravascolare. Nella Tabella precedente sono indicate le membrane assorbenti per le varie vie di somministrazione.

Il passaggio attraverso le membrane biologiche anche implicato nei successivi processi di distribuzione, metabolismo ed escrezione e quindi le membrane biologiche rappresentano una barriera comune ai movimenti dei farmaci. Oltre a fattori chimico-fisici, influiscono sul processo di attraversamento delle membrane anche altri fattori quali la concentrazione del farmaco, il flusso sanguigno che irrora il sito di assorbimento ed infine l'area della superficie assorbente.

I farmaci somministrati in soluzione acquosa vengono assorbiti pi rapidamente di quelli somministrati in sospensione o in forma solida. Per quelli somministrati in forma solida, la velocit

di dissoluzione pu essere il fattore limitante nel loro assorbimento. La legge di Noyes-Whitney esprime la dipendenza della velocit di dissoluzione da una se-rie di parametri: D = coefficiente di dissoluzione; A = area superficiale totale delle particelle di farmaco; cs = solubilit del farmaco; c = concentrazione del farmaco al tempo t; h = spessore dello strato di diffusione, cio del sottile film

stazionario adiacente alla superficie della particella solida con una concentrazione del farmaco pari a cs. Uno dei parametri sui quali agire per aumentare la velocit di passaggio in soluzione l'area superficiale complessiva A. Per rendere tale area elevata si pu somministrare il farmaco in forma micronizzata (cio polverizzata mediante l'impiego di un mulino a getto d'aria) oppure facendo in modo che finissime particelle di farmaco si generino nei pressi del sito di assorbimento. Ad esempio, l'aspirina un acido debole ed relativamente insolubile nel contenuto acido dello stomaco. La

aggiunta di una sostanza tampone (idrossido di magnesio ed alluminio glicinato basico) crea uno strato di diffusione con un pH superiore a quello dello stomaco che in grado di solubiliz-zare il farmaco sotto for-ma di sale. In un secon-do tempo, venendo a contatto per diffusione con il pH pi basso dello stomaco, l'aspirina precipiter come acido indissociato sotto forma

di finissime particelle che si scioglieranno poi rapidamente a causa dell elevato valore di A. Un parametro farmacocinetico legato al grado di assorbimento e di metabolizzazione presi-stemica (cio precedente all'ingresso nella circolazione generale) di un farmaco la sua biodisponibilit, definita come la quota di farmaco che in grado di raggiungere intatta la circola-zione sistemica ed disponibile per esercitare il suo effetto sistemico. Essa dipende non solo dalla formulazione ma anche da variazioni nell'attivit di enzimi farmaco-metabolizzanti.

Se consideriamo ad esempio un farmaco somministrato per via orale che viene assorbito nel tratto gastrointestinale, esso deve, prima di raggiungere la circolazione sistemica, entrare in contatto con la mucosa intestinale e poi attraversare il fegato mediante la circolazione portale. Se il farmaco viene in parte metabolizzato nell intestino e/o nel fegato (e ci avviene comunemente), una quota di esso verr persa prima del raggiungimento della circolazione generale, anche nel caso di un assorbimento completo. Con l'espressione 'effetto di primo passaggio' si intende la diminuzione di biodisponibilit dovuta alla degradazione metabolica di un farmaco assunto per via orale nel corso del primo passaggio nell intestino e nel fegato.

Granulo di aspirina AHcon sostanza tampone

Strato didif fusione

pH 5-6

Succo gastricopH 1-3

Microprecipitatodi AH

CO2H

OCOCH3AH =

Ridissoluzione

Strato didiffusione

Membrana del trattogastroenterico

TorrentecircolatorioA-

hccDA

tq s )(

12

Si parla di biodisponibilit assoluta (indicata con F, fraction escaping metabolism) quando viene misurata la quantit totale di farmaco che raggiunge la circolazione sistemica. Essa viene determinata confrontando le curve della concentrazione plasmatica in funzione del tempo, ottenute

somministrando il farmaco per via orale e per via endovenosa. Le aree sotto le due curve forniscono, rispettivamente, i valori di AUCorale e AUCiv. F corrisponde al rapporto percentuale tra AUCorale e AUCiv. Nel caso di dose diverse, applicato un fattore correttivo.

Il termine bioequivalenza si riferisce a due preparazioni diverse dello stesso tipo per le quali non vi apprezzabile differenza nella biodisponibilit del principio attivo. Pi precisamente, sono bioequivalenti due preparazioni che presentano valori della concentrazione plasmatica massima e dell'AUC che differiscono tra loro < 20%.

Oltre ad un esteso effetto di primo passaggio possono costituire motivo di scarsa biodisponibilit per un farmaco: a) una bassa stabilit all'ambiente acido dello stomaco; b) una bassa idrosolubilit; c) una bassa liposolubilit. Infatti, la capacit di attraversare le barriere idrofobiche di

diffusione rappresentate dalle membrane cellulari fortemente influenzata dalla liposolubilit, mentre una certa idrosolubilit necessaria per un adeguato assorbimento e per il trasporto del farmaco dal momento che la diffusione acquosa a rilasciare le molecole di farmaco alle/e dalle barriere non acquose.

Movimento dei farmaci attraverso le membrane cellulari I doppi strati lipidici che costituiscono la matrice delle membrane cellulari sono intrinsecamente impermeabili agli ioni ed alle molecole altamente polari. Per tali specie il passaggio attraverso le membrane eventualmente reso possibile dalla presenza di canalicoli acquosi o di sistemi di trasporto specifici. Le molecole apprezzabilmente lipofile invece passano con relativa facilit attraverso le membrane, diffondendo attraverso il doppio strato lipidico. I quattro principali meccanismi di attraversamento delle membrane biologiche sono: diffusione attraverso i pori acquosi presenti sulla membrana (trasporto convettivo); diffusione passiva attraverso il doppio strato lipidico; trasporto mediato da una proteina trasportatrice (carrier); endocitosi. La diffusione attraverso i pori relativamente poco importante per i farmaci, in quanto i pori

sono di diametro troppo piccolo (circa 0.4 m) per consentire il passaggio della maggior parte di essi. Comunque, molecole idrosolubili e di piccole dimensioni diffondono attraverso i canalicoli acquosi con una velocit regolata dalla equazione a fianco in cui q la quantit di farmaco che attraversa la membrana di spessore nel tempo t, la viscosit del liquido negli n pori di raggio r con area superficiale S e c1-c2 il gradiente di concentrazione ai due lati della membrana.

Il processo di diffusione passiva quello predominante nell'assor-bimento e nella distribuzione dei farmaci. Comporta la ripartizione del

)( 21

2 ccSnrtq

)( 21 ccSDP

tq

100orale

iv

iv

orale

DoseDose

AUCAUCF

13

BH

BpKpHAHApKpH aa lg ;lg

farmaco tra il fluido acquoso in cui esso disciolto ed i lipidi di membrana, la diffusione attraverso la membrana da un lato allo altro e la ripartizione tra la membrana ed il fluido acquoso ricevente. La velocit del processo q/t dipende dal gradiente di concentrazione c1-c2 ai due lati della membrana, dalla superficie S della membrana, dal suo spessore e dal coefficiente di ripartizione del farmaco

tra fase lipidica (doppio strato) e fase acquosa P secondo la legge di Fick. D il coefficiente di diffusione, costituisce una misura della mobilit delle molecole all'interno del doppio strato lipidico e varia solo leggermente tra i vari farmaci. P il rapporto all'equilibrio tra le concentrazioni del farmaco in fase lipidica ed acquosa. Per la determinazione sperimentale di P si impiega come fase lipidica n-

ottanolo o CHCl3 ed un tampone fosfato a pH 7.4 come fase acquosa. Come si evidenzia dalla legge di Fick, vi una stretta correlazione tra liposolubilit di un farmaco e permeabilit della membrana ad esso. Per questo motivo la liposolubilit costituisce uno dei fattori pi importanti per le caratteristiche farmacocinetiche di un farmaco e numerose propriet quali il grado e la velocit di assorbimento nel tratto gastrointestinale, la penetrazione nei tessuti e nel cervello ed il grado di eliminazione renale possono essere predette dalla conoscenza della liposolubilit del farmaco. Un esempio del ruolo di P illustrato nella figura successiva in cui si osserva una soddisfacente correlazione lineare tra % di farmaco assorbito dal colon di ratto e relativo coefficiente di ripartizione CHCl3/H2O per una serie di barbiturici.

Sebbene i farmaci di elevata lipofilia e quindi con un elevato coefficiente di ripartizione siano nella condizione di venire facilmente assorbiti, tuttavia indispensabile che essi abbiano anche un certo grado di solubilit in acqua, dal momento che i fluidi biologici sono per loro natura acquosi. Quindi da un punto di vista pratico necessario che i farmaci possiedano un corretto rapporto tra lipofilia ed idrofilia. Si ha generalmente un buon assorbimento per valori di log P compresi tra -1 e +5. Come regola empirica, i farmaci assorbiti oralmente tendono ad obbedire alla regola del 5 di Lipinski, cos chiamata perch i numeri coinvolti nella regola sono 5 o multipli di 5: i composti devono avere un peso molecolare inferiore a 500, non devono avere pi di 5 gruppi donatori di legame idrogeno, non pi di 10 gruppi accettori di legame idrogeno e, appunto, un valore del log P compreso tra -1 e 5.

Un fattore complicante il processo di diffusione passiva che molti farmaci sono acidi o basi deboli e quindi esistono nelle forme non ionizzata ed ionizzata in equilibrio tra loro. Il rapporto tra esse dipende dai valori di pK e di pH secondo le note equazioni di Henderson-Hasselbach che assumono le due forme indicate a fianco per un acido debole AH e per una base debole B

acquosafase

lipidicafase

farmacofarmaco

P

H2OCHCl3

Allobarbitale

% Assorbimento

Esetale

SecobarbitalePentobarbitale

CiclobarbitaleButetale

AprobarbitaleFenobarbitale

Barbitale

604020

1

5

10

50

400P

O

OOR'R

NHHN

Esetale

Secobarbitale

Pentobarbitale

Ciclobarbitale

Butetale

Allobarbitale

Aprobarbitale

Fenobarbitale

Barbitale

R R'

14

rispettivamente (pKa riferito in quest'ultimo caso all'acido coniugato BH+). In entrambi i casi le specie ionizzate BH+ e A- hanno una liposolubilit molto bassa e non sono virtualmente in grado di permeare le membrane per diffusione passiva, mentre le specie neutre AH e B per molti farmaci sono sufficientemente lipofile da permettere una rapida permeazione.

La velocit con cui si attua in particolare il processo di assorbimento di un farmaco elettro-lita debole per diffusione passiva quindi proporzionale al gradiente di concentrazione ai due lati della membrana della forma neutra. I fluidi biologici presentano una gamma piuttosto ampia di pH. Cos ad esempio, per quanto riguarda il tratto gastrointestinale, nello stomaco il pH compreso tra 1 e 2 a causa della secrezione di HCl; dopo il piloro nel duodeno e poi nell'ileo il pH sale a valori

compresi tra 4 e 7, per arrivare fino ad 8 nel colon. L'ambiente acido dello stomaco sar perci pi adatto all'assorbimento di acidi organici deboli, mentre invece le basi organiche deboli saranno solo scarsamente assorbite. Nell'intestino la situazione rovesciata: l'ambiente favorevole all'assorbimento delle basi deboli, mentre avverso a quello degli acidi deboli. Riportando tali conclusioni sotto forma di grafico, si avranno due curve 'a forbice' per gli acidi e per le basi deboli. E' il cosiddetto 'concetto di ripartizione secondo il pH'. Tuttavia, la ripartizione secondo il pH non rappresenta il determinante principale del sito preferenziale di assorbimento nel tratto gastrointestinale ed i farmaci, indipendentemente dalla loro natura, sono assorbiti soprattutto nell'intestino. Ci in

quanto l'intestino ha un'area assorbente notevolmente superiore (~200 volte)a quella dello stomaco per la presenza di villi e di microvilli.

La ionizzazione influenza non solo la velocit con cui un farmaco permea le membrane ma anche la sua distribuzione tra compartimenti acquosi a diverso pH. Se si assume che solo la forma non ionizzata pu attraversare la membrana e quindi raggiungere all'equilibrio concentrazioni e-

guali ai due lati della membrana, la concentrazione totale (forma ionizzata + forma non ionizzata) del farmaco sar differente nei due compartimenti, essendo un farmaco acido maggiormente concentrato nel compartimento a pH pi elevato. Tuttavia, i gradienti che si deducono dai calcoli in realt non si ve-rificano in misura cos elevata, primo, poich non realistica una totale impermeabilit nei confronti della specie carica e, secondo, raramente i comparti-menti dell'organismo raggiun-

gono una situazione di equilibrio. Parecchie membrane cellulari possiedono meccanismi di trasporto specializzati che regolano l'entrata e l'uscita di importanti molecole fisiologiche quali zuccheri, aminoacidi, neurotrasmettitori

Base deboleAcido debole

% FarmacoAssorbito

pH Apparato Digerente9876543210

60

50

40

30

20

10

[A-]1

[A-]2[A-]1[AH]2[AH]1

[A-]2

[AH]2[AH]1

[A-]2[A-]1 [AH]2[AH]1