Appunti farmacognosia

Struttura del corso

• Farmacologia generale
• Farmacognosia generale
• Farmacognosia speciale

Farmacologia

È la scienza che si occupa dello studio dei farmaci e abbraccia molte altre discipline: storia, biochimica, fisiologia… Contiene il termine Pharmakon, che si traduce sia come rimedio che come veleno. Il farmaco infatti è tale, nel senso che può porre rimedio, solo in funzione della dose con cui viene utilizzato. La maggioranza dei farmaci, se usati in dose errata, può comportarsi da veleno. Già Paracelso nel ‘500 disse che “solo la dose fa in modo che il veleno non faccia effetto”.

Il farmaco è definito dall’OMS come una sostanza o un prodotto che può avere diversa origine utilizzato per modificare (uso terapeutico) o esaminare (uso diagnostico) funzioni fisiologiche.

Dagli anni '50 inizia la rivoluzione della farmacologia moderna. Nel 1957 Daniel Bovet vinse il Nobel per aver identificato i bersagli dell’attività farmacologica: si è occupato di recettori, enzimi, trasportatori e altre molecole che possono funzionare da bersagli interagendo con il farmaco.

La farmacologia attuale comprende: farmacocinetica, farmacologia molecolare e clinica, tossicologia, ma anche farmacogenetica e farmacoeconomia come argomenti più recenti. La farmacogenetica serve per comprendere come i diversi individui reagiscano in modo diverso con uno stesso farmaco. Questo dipende dalle informazioni codificate nel genoma umano. Lo studio del genoma umano è utile anche per comprendere l’origine di diverse patologie, insieme allo studio delle condizioni e dell’ambiente in cui il soggetto vive. La farmacoeconomia invece si focalizza sui costi legati alla ricerca di farmaci nuovi e innovativi che sono estremamente elevati, legati a tutto ciò che sta a monte dello sviluppo di un nuovo farmaco.

La farmacologia però è importante non solo per identificare nuovi farmaci, ma anche nuovi bersagli. È usata dai medici per disporre di nuove terapie e dai chimici al fine di identificare nuovi bersagli per i quali sviluppare molecole attive. È utile anche per biochimici, fisiologi, patologi poiché, con l’utilizzo di farmaci in grado di modificare il normale funzionamento cellulare, ne permettono una migliore comprensione dei meccanismi di normale funzionamento. Il farmaco, infatti, non è solo legato al concetto di patologia, ma anche di fisiologia, quindi di condizione “normale”, questo perché creando un disequilibrio nell’organismo, ci permettono di capire quale sarebbe il normale equilibrio, ovvero l’omeostasi, che è argomento della fisiologia. Nuovo interesse per le “herbal medicines”, le medicine che derivano dalle piante.

Farmacognosia

La farmacognosia è la scienza che si occupa di tutte le sostanze di derivazione naturale, non solo vegetale, ma anche animale o minerale. Tra queste, la maggioranza dotate di attività biologica, sono proprio di origine vegetale. È un aspetto importante molto per popolazioni che non hanno a disposizione laboratori di ricerca e particolari strumenti. Ad esempio, in Africa sono usate le “herbal medicines” dall’80% della popolazione. Anche nel mondo occidentale però è tornato un grandissimo interesse al riguardo: NCC che si occupa della ricerca sul cancro e NCCIH hanno investito milioni di dollari per la ricerca di nuovi principi attivi naturali. Anche la Novartis svizzera ha investito 100 mln di dollari per analizzare i metodi usati nella medicina tradizionale.

I rimedi di origine vegetale, infatti, sono stati i primi ad essere identificati ed utilizzati. Ad oggi rappresentano circa il 25% dei farmaci prescritti, anche se molte volte le molecole non sono più ottenute per estrazione diretta dalla pianta, ma per via sintetica. Più di 100 principi attivi di origine naturale sono attualmente in uso nelle varie Farmacopee. Delle molecole ad attività farmacologica considerate essenziali dal WHO, una quota è ancora di esclusiva origine naturale o di derivazione naturale.

Selezione delle piante medicinali

Come si arriva alla selezione di una specifica pianta come potenziale pianta medicinale? Ci sono diversi approcci.

• Osservando la medicina tradizionale popolare (etnobotanica o etnofarmacologia) di diverse culture.
• Valutando l’attività farmacologica di piante note per la loro tossicità, che è un evidente indice di attività biologica. È in grado di alterare così pesantemente le condizioni fisiologiche dell’organismo fino a farlo manifestare condizioni patologiche, anche gravi. Questo ha portato l’interesse su molte piante tossiche che sono state studiate e, se usate alla dose appropriata, manifestano caratteristiche terapeutiche.
• Osservando l’ambiente nel quale si sviluppano le piante, ad esempio quelle antibatteriche. Le piante, infatti, devono difendersi proprio come noi da alcuni batteri. Moltissimi antibiotici che abbiamo a disposizione oggi sono di derivazione vegetale.
• Ricerca randomizzata su grande scala, analizzando (screening) da decine a centinaia di migliaia di piante diverse. Viene fatta solo se non ci sono altre alternative, a causa dei costi elevati, ma può essere efficace perché le piante sono talmente varie (tra 250 e 500 mila varietà stimate) che è possibile la presenza di qualche molecola di interesse farmacologico, con attività uniche.

Gli studi condotti per ricerca randomizzata sono impegnativi e costosi e la possibilità di ottenere una molecola adeguata è bassa (1 su 10 mila). Inoltre, serve una quantità enorme di materiale: 50 kg di materiale grezzo per gli studi preclinici e fino a 200 tonnellate per completare gli studi clinici. Infine, sono necessarie competenze diverse, essendo un processo multidisciplinare; sono richiesti antropologi, botanici, chimici, tecnici, farmacologi e tossicologi. Per tutti questi motivi, la ricerca randomizzata viene fatta per patologie particolari gravi per cui si stanno cercando ancora trattamenti, come tumori e HIV (causato da virus). L’attività antivirale è ancora più complessa di quella antibatterica, perché per i batteri si possono far crescere in laboratorio e isolarli come colture pure, mentre i virus hanno bisogno di una cellula ospite per crescere. Per questo motivo, un farmaco che sembra agire sui virus, magari in realtà sta colpendo la cellula infetta.

Fino al 2007 i farmaci antitumorali usavano molecole per la maggior parte di origine naturale e ancora oggi è così per il 50%. Tra i farmaci antivirali, invece, nel passato nessuno era di origine naturale. Questo negli ultimi anni è cambiato, soprattutto per HIV ed epatite C.

Usare della materia prima naturale ha delle problematiche di tipo sostenibile: essendo materia finita, va usata in modo ragionato per non andare a depauperare eccessivamente le riserve. Un esempio è il taxolo usato come antitumorale. Si ricava dalla corteccia delle piante, in cui la concentrazione è molto bassa, attorno allo 0,1%. Per produrre 2.5 kg di taxolo bisogna abbattere 12 mila piante, e devono essere piante adulte perché si usa la corteccia, quindi serviranno decine di anni per ripristinarle. Un utilizzo intensivo può avere delle conseguenze, come l’estinzione delle specie usate. Si tentano quindi approcci di sintesi. Nel caso del taxolo non si usa una sintesi completa, ma si parte da un precursore sempre di origine vegetale, la 10-desacetilbacatina III. Si estrae dalle foglie, per cui non richiede l’abbattimento ed è un approccio sostenibile.

Sviluppo dei farmaci

La ricerca di nuovi agenti terapeutici è strutturata in due aree, la ricerca preclinica e la sperimentazione clinica. La timeline è rappresentata in figura, ma è variabile; con investimenti appropriati, i tempi possono ridursi in maniera drammatica. Ad esempio, gli studi per il vaccino contro il Covid sono iniziati a marzo e siamo ad un passo dall’ottenerlo, a causa della fase emergenziale in cui ci troviamo. A parte queste eccezioni, dal principio attivo la timeline è quella rappresentata, indipendentemente dal principio attivo.

Fase preclinica

Attualmente si parte quasi sempre dal bersaglio farmacologico (target), ma non era così quando non c’era ancora la farmacologia molecolare. Si va alla ricerca del bersaglio, al quale si può arrivare anche solo conoscendo la patologia a livello molecolare. Ad esempio, il Parkinson è associato ad un deficit di dopamina, quindi si ipotizza come possibile bersaglio il recettore dopaminergico. In funzione dei meccanismi coinvolti nella patologia, se ben noti, si può intervenire identificando come bersaglio un enzima o un trasportatore o altri ancora.

C’è un approccio ancora più innovativo, quello legato all’analisi del genoma. Essa permette di identificare proteine “nascoste” che non sono ovvie nel coinvolgimento della patologia, perché magari stanno qualche passaggio prima e sono difficili da identificare e da comprenderne il ruolo. Un’azienda che si occupa si queste analisi è la deCODE genetics, fondata da un islandese che ha sfruttato le caratteristiche uniche della sua popolazione. La popolazione islandese è piuttosto piccola e geneticamente uniforme perché ha avuto pochi contatti con altri popoli. L’azienda ha sequenziato il genoma di una quantità significativa di questa popolazione. Hanno partecipato circa 160 mila persone, che hanno messo a disposizione, oltre al genoma, anche tutti i loro dati medici; è stato possibile correlare questi dati al genotipo dei singoli soggetti. L’obbiettivo non era occuparsi di anomalie genetiche, ma di alterazioni SNP (single nucleotide polymorphism), ovvero alterazioni codificanti di una singola base.

Devono essere presenti almeno nell’1% della popolazione o altrimenti sono definite mutazioni. Le SNP possono risultare in alterazione importanti: cambiare una base, significa ottenere un altro AA e quindi un’altra proteina, probabilmente con diversa struttura tridimensionale e funzione. La sequenza interessata può essere anche nel promotore, ovvero la regione a monte della regione che codifica per la proteina, ma che ne regola la trascrizione e può aumentarla o diminuirla. L’azienda ha iniziato a lavorarci dagli anni ‘90, quando si aveva a disposizione per la prima volta la codifica di tutto il genoma umano. Si è occupata di SNP per vedere se erano correlate alla possibilità di sviluppare una patologia, ma anche dello studio dell’ambiente in cui i soggetti vivevano. Infatti, non si parla di causalità, cioè non si ha l’uguaglianza “gene alterato = patologia”. Piuttosto, la SNP rappresenta un rischio e questo rischio dipende anche dall’ambiente (stile di vita, posto dove si vive, alimentazione, attività fisica…).

La deCODE poi è stata comprata da Amgen per 400 mln e ne è cambiato l’obiettivo: da una società che mirava allo studio di una popolazione affinché cambiasse il suo stile di vita in base al rischio soggettivo, è passata a studiare i bersagli farmacologici. Una SNP interessante tra quelle identificate dalla deCODE, non è responsabile di patologie, ma, anzi, è una protezione nei confronti dell’Alzheimer. Questa SNP conferisce una riduzione del rischio della patologia, essendo collocata nel gene codificante la APP, proteina precursore di amiloide, associato all’insorgenza dell’Alzheimer. Questa mutazione riduce la capacità delle proteasi che devono effettuare dei tagli (cleavage) sulla APP per ottenere l’amiloide. I bersagli farmacologici, in questo esempio, sono stati identificati mediante un’analisi del genoma e corrispondono a molecole in grado di bloccare il processo di cleavage, per prevenire Alzheimer e declino cognitivo in generale.

La maggioranza dei bersagli farmacologici sono di 4 gruppi: recettori accoppiati a proteine g, recettori nucleari, canali ionici ed enzimi, ma stanno aumentando anche i trasportatori. Dopo aver identificato il bersaglio si può procedere con:

• Random screening su banche dati di composti già noti, naturali o di sintesi.
• Studio di sostanze endogene che interagiscono fisiologicamente con il bersaglio, come agonisti del recettore, substrati dell’enzima o del trasportatore. Queste molecole rappresentano strutture di partenza, sulle quali andare a lavorare per individuare altre molecole che ad esempio ne mimino l’attività o che ne blocchino l’interazione con il bersaglio.

Altri approcci per identificare nuove molecole ad attività farmacologica sono:

• Storico, ovvero analisi nella medicina tradizionale. Ad esempio, il salice era usato in passato per patologie articolari ed ha portato allo sviluppo di aspirina.
• Molecole disegnate o adattate per interagire con uno specifico sito. Dipendono dalla struttura tridimensionale del bersaglio.
• Screening delle banche dati per vedere quale composto si adatta nel modo migliore.
• Serendipity, un aspetto che si colloca tra la applicazione e la fortuna. Ha permesso di identificare attività farmacologiche diverse da quelle originali o intenzionali. Un esempio è l’iproniazide, studiata inizialmente per la tubercolosi e ad oggi usata clinicamente come antidepressivo.

Una volta identificata la molecola presunta adatta chiamata lead compound (o meglio più molecole, in modo da averne alcune di backup se quella prescelta si rivelasse inadeguata), si procede con le valutazioni in vitro e dopo a livello cellulare e tissutale. Se i risultati sono positivi si passa al modello animale. Se ad un certo punto i risultati sono negativi, si prova ad utilizzare una delle molecole di backup e si ripetono i passaggi.

Il brevetto

Nel momento in cui si usa il farmaco in vivo, si rendono pubbliche una serie di informazioni, ma prima l’azienda deve proteggere la sua proprietà intellettuale. Le molecole identificate devono essere brevettate, in modo da averne l’esclusività di vendita per un certo tempo, pari a 20 anni (per USA ed UE) dalla data in cui viene depositata la domanda di brevetto. L’ufficio italiano Brevetti e Marchi concede il brevetto, con una durata di 20 anni, a patto che vengano depositate le tasse annuali per mantenerlo in vita. La domanda viene resa nota dopo 18 mesi dal primo deposito.

È molto importante perché l’azienda arrivi a negoziare il prezzo di vendita, per poter poi coprire i costi di ricerca e produzione. Cosa si può brevettare? Tutti i composti prodotti o modificati dall’uomo, come ha stabilito la corte suprema degli USA “anything under the sun that is made by man”. Anche in Italia abbiamo una protezione brevettuale, assolutamente allineata a quella europea, a sua volta allineata a quella degli USA. Non si possono brevettare scoperte, teorie scientifiche e metodi matematici, programmi, trattamenti chirurgici e interventi terapeutici, i genomi. Talvolta, il brevetto non riguarda la composizione, ma la metodica. Sarà probabilmente così per il vaccino a mRNA contro al Covid. Il brevetto poi può essere dato in licenza ad aziende seconde, che possono occuparsi della produzione, pagando dei contributi.

Nel 2018 si è stimato un valore pari a 100 mld all’anno per quanto riguarda la protezione brevettuale. Purtroppo, però, le domande di brevetto attualmente non sono in crescita significativa come vorremmo, perché ciò corrisponderebbe ad una fervente crescita della ricerca farmacologica. Dai dati del 2015, sappiamo che gli USA sono quelli ad aver presentato più brevetti, con l’azienda Merck ed altre. Poi in classifica compaiono la Svizzera con la Novartis, la Germania con la Bayer e la Francia con Sanofi.

Molti ricercatori sono associati alle università. La tendenza a brevettare tutto ciò che viene scoperto negli enti pubblici di ricerca e nelle università va contro ad alcuni obiettivi di questi enti, come la diffusione della conoscenza. Il brevetto, infatti, rallenta la diffusione e l’avanzamento della conoscenza, e per contro, per questi enti in genere non c’è un grande ritorno di soldi, se non per alcune poche istituzioni note a livello mondiale.

Orphan drug designation

La EMA europea e la FDA statunitense, per incoraggiare le aziende ad occuparsi di patologie orfane, fanno ottenere loro la Orphan drug designation. In genere, le aziende tendono ad investire su patologie comuni, in modo da avere una platea di utilizzatori ampia, per vendere più prodotto ed avere un maggior ritorno economico. Questo vuol dire che patologie, anche molto serie, ma che interessano un numero di soggetti molto basso, vengono spesso trascurate. Queste patologie sono dette orfane, nel senso che è difficile trovare qualcuno che se occupi. La EMA e la FDA incoraggiano le aziende a farlo, ricompensandole in vari modi, con supporto scientifico ed eliminazione dei costi di registrazione della domanda di Orphan drug designation (al posto del brevetto) che gli permette di vendere in esclusiva il farmaco per 7-10 anni dopo l’approvazione, indipendentemente dal tempo che ci hanno messo per identificarlo. Rientrano in questa categoria patologie che riguardano 5 individui su 10 mila in UE all’anno e circa 250 mila in tutti gli USA.

Nel 2018, a RR001 è stato riconosciuto lo status di Orphan drug. RR001 è usato nei confronti del carcinoma pancreatico, patologia con mortalità elevata, ma il numero di pazienti coinvolti all’anno è limitato, quindi non richiama l’interesse degli investimenti delle grandi aziende. È una tecnologia su base genetica, da cui si ottengono cellule adipose, che poi vengono coltivate e modificate geneticamente ex vivo per produrre AD-PC trail, analogo del tumor necrosis factor, che induce apoptosi nelle cellule tumorali pancreatiche. Soligenix è un altro esempio che ottenuto lo status di Orphan drug dalla FDA per il trattamento di patologie rare.