Appunti completi - Farmacologia

Lez 1. Farmacologia generale

La farmacologia generale si suddivide in:

• Farmacocinetica: in questo caso si intende il destino/percorso del farmaco all'interno dell'organismo. Le diverse fasi della farmacocinetica sono: assorbimento, distribuzione, metabolismo (biotrasformazione), eliminazione, vie di somministrazione dei farmaci e elementi di farmacocinetica clinica.
• Farmacodinamica: in questo caso si intende lo studio tra l'interazione tra il farmaco e il suo bersaglio, ovvero il meccanismo d'azione del farmaco. Le diverse fasi della farmacodinamica sono: bersagli dell'azione farmacologica, classificazione dei recettori, vie di trasduzione del segnale, interazione farmaco-recettore, meccanismi d'azione dei farmaci biotecnologici.

Verrà trattata anche la sperimentazione dei farmaci, quindi a partire dalla scoperta e dallo sviluppo dei farmaci: drug discovery, sperimentazione preclinica e sperimentazione clinica. All'interno della sperimentazione pre-clinica, un aspetto molto importante è la valutazione della tossicità, che comprende la tossicità acuta, la genotossicità (mutagenesi), tossicità a breve e a lungo termine, tossicità dello sviluppo (teratogenesi) e cancerogenesi.

La farmacologia studia l'interazione tra le sostanze chimiche e i sistemi viventi. Questa interazione può essere favorevole per la salute, e da qui ne deriva l'utilizzo delle sostanze (farmaci) a scopo medico. Quando, invece, l'interazione è dannosa se ne occupa la tossicologia, che è una branca della farmacologia che studia gli aspetti tossici e dannosi delle sostanze chimiche. La tossicologia può studiare gli effetti tossici dei farmaci ma anche gli effetti tossici dei veleni.

Un farmaco è una sostanza che ha effetti favorevoli per la salute e spesso (in dipendenza della dose) anche dannosi (tossici). Un veleno è una sostanza che possiede solamente effetti tossici. Secondo la definizione dell'OMS, un farmaco è qualsiasi sostanza o prodotto usato per esplorare o modificare sistemi fisiologici o patologici, quindi a scopo terapeutico o a scopo diagnostico, con beneficio di chi li riceve. Secondo la definizione della CEE, un farmaco è ogni sostanza o composizione presentata come avente proprietà curative o profilattiche delle malattie umane e animali.

Quindi per farmaco si intende ogni sostanza in grado di provocare modificazioni funzionali in un organismo vivente, da utilizzare a scopo terapeutico, profilattico, per comprendere processi fisiologici o per la diagnosi di malattie.

La farmacologia, per investigare la potenzialità di una sostanza chimica di indurre modificazioni funzionali, deve conoscere:

• Le caratteristiche della sostanza chimica: che influiscono sia sulla farmacocinetica che sulla farmacodinamica;
• Le caratteristiche dell'organismo vivente: biochimica, biologia molecolare, biologia cellulare, istologia, anatomia, fisiologia;
• La modalità tramite la quale il farmaco è in grado di modificare determinate funzioni dell'organismo: al fine di prevenire gli effetti dannosi delle sostanze chimiche (tossicologia), e al fine di ripristinare le funzioni alterate dalle malattie (quindi conoscenza della patologia).

Una malattia è caratterizzata da:

• Una o più cause;
• Un meccanismo patogenetico (ovvero il meccanismo attraverso il quale la patologia crea un danno all'organismo;
• Diversi sintomi.

Sfruttando qualsiasi processo regolatorio fisiologico e biochimico dell'organismo, la farmacologia tenta di manipolare tali processi (attraverso il loro incremento, riduzione, attivazione, blocco, regolazione, sostituzione), al fine di:

• Eliminare le cause;
• Interferire con il meccanismo patogenetico;
• Ridurre i sintomi.

Sulla base del loro meccanismo d'azione, i farmaci si distinguono in:

• Farmaci curativi
  • Causali o eziologici (agiscono sulla causa): antibiotici;
  • Patogenetici (agiscono sui meccanismi): antiipertensivi;
  • Sostitutivi (sostituiscono un componente ridotto a causa della malattia): insulina;
  • Sintomatici (agiscono sui sintomi): antipiretici, analgesici.
• Farmaci profilattici: per la prevenzione dell'incidenza o progressione: vaccini e anticoagulanti.

Farmaco = principio attivo

• Ruolo costitutivo: per avere una massa di principio attivo appropriata nella preparazione del prodotto finito;
• Ruolo produttivo: per facilitare i processi tecnologici di fabbricazione del prodotto finito;
• Ruolo di liberazione (biofarmaceutica): per modulare il rilascio del principio attivo dalla preparazione farmaceutica;
• Ruolo di conservazione: per preservare le caratteristiche chimiche, fisiche, microbiologiche, tossicologiche e terapeutiche del prodotto finito;
• Ruolo di presentazione: per favorire il gradimento da parte del paziente.

Nomenclatura dei farmaci

Per quanto riguarda la nomenclatura, si distingue un nome chimico, un nome comune e un nome commerciale. Il nome chimico identifica la struttura del principio attivo, cioè la struttura del farmaco dal punto di vista chimico. Il nome comune identifica uno stesso farmaco ma con un nome più semplice rispetto il nome chimico. Il nome commerciale viene dato al prodotto commerciale, cioè al farmaco che entra in commercio.

Esempio nome chimico nome comune nome commerciale. Lo stesso principio attivo può essere commercializzato con innumerevoli nomi commerciali. I farmaci possono essere di origine naturale, di semi-sintesi o di sintesi oppure biotecnologici.

Farmaci di origine naturale

• Farmaci di semi-sintesi: i farmaci semi-sintetici sono ottenuti per modificazione chimica di sostanze naturali, allo scopo di migliorarne alcune caratteristiche farmacologiche.
• Farmaci di sintesi: si tratta di farmaci che vengono totalmente disegnati e sintetizzati in laboratorio allo scopo di ottenere molecole con precise caratteristiche farmacologiche.
• Farmaci biotecnologici: si tratta di farmaci i cui principi attivi sono ottenuti grazie a tecniche di ingegneria genetica e molecolare. I prodotti di tali tecniche vengono poi utilizzati a scopo terapeutico. La produzione di proteine come farmaci viene attuata grazie all'ingegneria genetica cellulare, che è una tecnica del DNA ricombinante per la produzione di proteine terapeutiche. Si utilizza anche l'ingegneria genetica animale (utilizzo di animali transgenici) per la produzione di farmaci.

Produzione di anticorpi monoclonali

Metodologia di anticorpi monoclonali. Questi si ottengono tramite la metodologia dell'ibridazione somatica, e la tecnica prevede diverse fasi:

1. Immunizzazione: di un modello animale (topo) con somministrazione dell'antigene in modo da stimolare la produzione di un anticorpo specifico.
2. Isolamento dei linfociti B: dalla milza dell'animale immunizzato. I linfociti B però non posso essere tenuti in coltura per tanto tempo perché vanno incontro ad apoptosi, perciò vanno fusi con cellule tumorali di mieloma, e questo processo porta alla tecnica chiamata ibridoma.
3. Formazione dell'ibridoma: cioè la fusione cellulare tra i linfociti B e una linea tumorale di mieloma. L'ibridoma conserva alcune caratteristiche delle cellule tumorali come la resistenza all'apoptosi e aumentata proliferazione, permettendo la coltura in vitro per lunghi periodi, e mantiene la caratteristica dei linfociti B di produrre anticorpi.
4. Selezione e propagazione del clone idoneo attraverso l'analisi dell'anticorpo secreto.

Invece, la tecnica del DNA ricombinante prevede il trasferimento del transgene codificante l'anticorpo in una cellula ospite. Con ciò, vi è una maggiore possibilità di effettuare modifiche (umanizzazione, produzione di derivati anticorpali). Uno dei problemi che maggiormente si riscontrano negli anticorpi murini è che possono facilmente dare problemi di immunogenicità, ovvero stimolano la risposta immunitaria del paziente contro l'anticorpo stesso. Per cercare di superare questo problema sono stati sviluppati anticorpi in cui alcune parti di sequenza murina sono stati sostituite con sequenze umane, generando così anticorpi chimerici (la cui sequenza è pari al 65% della sequenza umana), anticorpi umanizzati (90-95% sequenza di derivazione umana) e anticorpi completamente umani. Il nome dato all'anticorpo identifica queste 3 tipologie, infatti:

• Il suffisso –omab: indica gli anticorpi murini;
• Il suffisso –ximab: indica gli anticorpi chimerici;
• Il suffisso –zumab: indica gli anticorpi umanizzati;
• Il suffisso –umab: indica gli anticorpi umani.

Gli oligonucleotidi (approvati per l'utilizzo clinico) sono polimeri costituiti da un numero variabile da 13 a 60 nucleotidi di DNA o RNA. Hanno una sintesi chimica nonostante questi vengano annoverati tra i farmaci biotecnologici per il loro meccanismo di azione e per la loro struttura: sono infatti delle macromolecole di dimensioni molto maggiori rispetto ai farmaci “a piccole molecole”. Le piccole molecole, dette anche farmaci tradizionali, hanno un peso molecolare che non supera i 900 Da, mentre i farmaci biotecnologici hanno dimensioni molto più elevate tipiche delle macromolecole di origine biologica. Queste elevate dimensioni comportano notevoli differenze a livello farmacocinetico, distribuzione, metabolismo e eliminazione.

I farmaci biotecnologici presentano inoltre:

• Elevata complessità strutturale;
• Minore stabilità strutturale rispetto ai farmaci di sintesi;
• Processo di produzione complesso (utilizzo di sistemi viventi);
• Maggiore difficoltà di caratterizzazione;
• Maggiore facilità di distruzione da parte dell'organismo;
• Maggiore variabilità nella struttura del prodotto finale in quanto prodotti in organismi viventi (es. differenti profili di glicosilazione);
• Possono indurre problemi di immunogenicità.

Vantaggi: la struttura complessa dei farmaci biotecnologici li rende generalmente estremamente selettivi, con minore possibilità di effetti collaterali e una buona tollerabilità anche a dosi elevate.

Lez 2. Farmacocinetica

Affinché un farmaco possa compiere la sua azione in maniera adeguata e indurre l'effetto terapeutico che si desidera, è fondamentale che il farmaco raggiunga una determinata concentrazione nel sito d'azione, ovvero il sito in cui il farmaco agisce per espletare la sua funzione farmacologica, ovvero il suo effetto terapeutico. Quindi, un dosaggio troppo basso porterà a concentrazioni nel sito d'azione non sufficienti e produrrà risposte inadeguate. Al contrario, un dosaggio troppo alto porterà a concentrazioni troppo elevate comportando la probabile comparsa di effetti indesiderati inaccettabili. Nonostante la concentrazione nel sito bersaglio sia proporzionale alla dose, la somministrazione della stessa dose di due farmaci diversi può portare a diverse concentrazioni nel sito d'azione.

Esempio: due farmaci diversi (A e B) vengono assunti alla stessa dose ma le diverse caratteristiche farmacocinetiche comportano una diversa concentrazione nel sito d'azione (nell'esempio il cervello). Classicamente, la farmacocinetica viene divisa in 4 processi ben distinti: ADME

• Assorbimento;
• Distribuzione;
• Metabolismo (biotrasformazione);
• Eliminazione.

Il viaggio del farmaco nell'organismo

1. Assorbimento

L'assorbimento indica il passaggio del farmaco dal sito di somministrazione al circolo sanguigno. Le vie di somministrazione possono essere orale, endovenosa, sottocutanea, intramuscolare, ecc. Per raggiungere il circolo sanguigno, il farmaco deve prima oltrepassare le barriere cellulari. Ad esempio, nel caso di somministrazione orale, un farmaco per raggiungere il circolo sanguigno, deve oltrepassare:

• L'epitelio gastrointestinale;
• L'epitelio dei capillari sanguigni.

Per essere assorbiti i farmaci devono oltrepassare strati di cellule e quindi devono essere in grado di oltrepassare le membrane cellulari. La struttura fondamentale della membrana cellulare è il doppio strato di fosfolipidi. I fosfolipidi sono costituiti da una testa polare (idrofila) e da una coda apolare (idrofoba): per questa caratteristica i fosfolipidi tendono a disporsi in un doppio strato in cui le teste polari idrofile si rivolgono all'esterno, mentre le code apolari idrofobiche sono rivolte verso l'interno formando uno strato idrofobico.

Vi sono 4 diversi meccanismi di passaggio attraverso le membrane cellulari:

1. Diffusione passiva: la diffusione semplice è la via più semplice e più utilizzata dai farmaci. Il farmaco quindi si sposterà da un gradiente di concentrazione maggiore verso un gradiente di concentrazione minore. La diffusione passiva non richiede l'utilizzo di trasportatori, quindi risultano fondamentali le caratteristiche chimico-fisiche dei farmaci, ovvero il peso molecolare, la liposolubilità e il grado di ionizzazione.

Il passaggio attraverso il doppio strato lipidico può essere rappresentato dalla legge di diffusione di Fick:

• Influenza del peso molecolare: Quindi a parità di altre condizioni, maggiore è il peso molecolare del farmaco, minore è il suo coefficiente di diffusione, ovvero: il farmaco più piccolo (con minor peso molecolare) attraversa la membrana cellulare più velocemente rispetto al farmaco con maggior peso molecolare.
• Influenza della liposolubilità: la liposolubilità è la caratteristica di una sostanza chimica di disciogliersi nei grassi. Per diffondere attraverso una cellula, un farmaco deve possedere un basso grado di idrofilia, ma sufficiente a tenerlo in soluzione nei liquidi acquosi extra- ed intracellulari e, al tempo stesso, un grado di lipofilia sufficientemente alto da permettergli di distribuirsi in un ambiente lipidico quale la matrice della membrana cellulare. Dobbiamo ricordare che un farmaco troppo idrofilo e quindi poco lipofilo farà difficoltà ad entrare all'interno delle membrane.

Il coefficiente di ripartizione ottanolo/acqua viene generalmente utilizzato come valore per stabilire il grado di idrofilia/lipofilia degli xenobiotici. Con questo termine si indicano composti esterni all'organismo, come un farmaco ad esempio. Il coefficiente di ripartizione è dato dal rapporto, all'equilibrio, tra le concentrazioni di un composto all'interno delle due fasi di una miscela di due liquidi immiscibili tra loro. Per valutare il grado di lipofilia di un composto generalmente si utilizza una miscela formata dall'ottanolo (composto idrofobo) e dall'acqua. Quindi si inserisce il farmaco in questa miscela, si agita bene, e all'equilibrio si vede bene dove si distribuisce il farmaco: se si distribuisce maggiormente nell'ottanolo, vuol dire che il farmaco sarà lipofilo (liposolubile). Se si distribuisce nell'acqua sarà idrofilo. LogP è un parametro altamente indicativo della capacità di permeare le membrane cellulari da parte degli xenobiotici. In generale, maggiore è il valore di logP e maggiore è la velocità di attraversamento delle membrane cellulari, proprio perché abbiamo detto che il fattore limitante è l'attraversamento dello strato lipidico delle membrane cellulari. Di conseguenza, maggiore è la liposolubilità maggiore sarà la velocità di attraversamento delle membrane cellulari da parte dei farmaci.

Lez 3. Influenza della ionizzazione

Molte sostanze organiche, incluse numerosi farmaci, sono basi o acidi deboli che in soluzione si trovano in equilibrio tra la forma ionizzata e la forma non ionizzata. La forma ionizzata ha una bassa capacità di attraversare la matrice lipidica delle membrane (in quanto è meno lipofila). La forma non ionizzata possiede in genere un'alta capacità di diffondere attraverso la matrice lipidica della membrana (in quanto è più lipofila). La maggior parte dei farmaci sono elettroliti deboli. Il metanolo non si dissocia in soluzione e quindi rimanendo nella forma non ionizzata è grado di passare attraverso le membrane cellulari. La forma ionizzata è la seconda struttura, lo possiamo notare dalla carica negativa. La forma ionizzata è la prima struttura, infatti possiamo notare la carica elettrica. Il grado di ionizzazione di un farmaco dipende:

• Dal pH dell'ambiente;
• Dalla costante di dissociazione della molecola (Ka per gli acidi e Kb per le basi, ma generalmente si utilizza pKa per entrambi, ovvero il logaritmo negativo della costante di dissociazione acida pKa = -log Ka).

Il valore di pKa rappresenta il valore di pH al quale il 50% della sostanza è presente in forma non ionizzata e il 50% in forma ionizzata. Quando, però, il pH è diverso dal pKa dobbiamo avvalerci dell'equazione di Henderson-Hasselbach:

Ne consegue che:

• Gli acidi sono meglio assorbiti (perché in forma non ionizzata) in ambienti acidi;
• Le basi sono meglio assorbite (perché in forma non ionizzata) in ambienti basici.

Per cui ne consegue che:

In ambienti acidi:

• I farmaci acidi si trovano principalmente nella forma non ionizzata (e quindi in grado di attraversare le membrane cellulari);
• I farmaci basici si trovano principalmente nella forma ionizzata (e quindi non in grado di attraversare le membrane cellulari).

In ambienti basici:

• I farmaci acidi si trovano principalmente nella forma ionizzata (e quindi non in grado di attraversare le membrane cellulari);
• I farmaci basici si trovano principalmente nella forma non ionizzata (e quindi in grado di attraversare le membrane cellulari).

Diffusione facilitata: è il processo di trasporto mediato da proteine localizzate sulla membrana cellulare (carrier), che normalmente viene utilizzato da sostanze utili a livello fisiologico.