Biofarmaceutica - Appunti

Biofarmaceutica Piaz Dal Alessandro Prof: di appunti

Questi appunti sono solo una rielaborazione del materiale didattico già fornito dal professore. La sostanza… è sempre la stessa… :P Cambia un po’ la struttura degli argomenti, ci sono i passaggi di quasi tutte le equazioni cinetiche… - E beh… L’aspetto grafico… Ammettiamolo… i miei disegni sono mille volte meglio U_u (…sse… Convinto eh… -.-)

• Primo Plico (Farmacocinetica) Pag. 3
• Secondo Plico (Assorbimento dei farmaci) Pag. 51
• Terzo Plico (Stabilità dei farmaci) Pag. 78
• Quarto Plico (Polimeri) Pag. 107

By Alenadph02@gmail.com

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Primo plico: farmacocinetica

In caso di malattia occorrono essenzialmente un medico, che esegua una diagnosi corretta :P, e uno strumento farmacologico appropriato da prescrivere al paziente. Affinché questo sia possibile, occorre conoscere sia le proprietà terapeutiche del farmaco, che gli effetti collaterali ad esso associati.

In linea generale, gli effetti di un farmaco dipendono dalla sua concentrazione nel torrente circolatorio. Una concentrazione troppo bassa può determinare una risposta inadeguata… Una concentrazione eccessiva può determinare l’insorgenza di effetti indesiderati e/o tossici.

Se mettiamo su un grafico la concentrazione ematica di un farmaco assunto per via orale rispetto al tempo, otterremo un grafico simile a questo… Possiamo identificare un’area compresa tra la minima concentrazione efficace e la massima concentrazione sicura… Quest’area è definita finestra terapeutica, ovvero la concentrazione ideale di farmaco affinché si abbia un successo terapeutico.

Un parametro interessante per valutare la tossicità di un farmaco è definito indice terapeutico ed è rappresentato dal rapporto tra la concentrazione massima e la concentrazione minima efficace.

Concentrazione tossica
Indice terapeutico = —————————————
Concentrazione efficace

Se l’indice terapeutico ha un valore elevato, significa che vi è un bel gap tra la Cmax e la Cmin, quindi il farmaco è piuttosto maneggevole. Se al contrario è molto basso, significa che la finestra terapeutica è piuttosto stretta e quindi la dose da somministrare al paziente va attentamente ponderata.

Per ottenere nel paziente una concentrazione ematica all’interno della finestra terapeutica occorre saper rispondere a tre domande:

• Quanto farmaco devo somministrare?
• Attraverso quale via???
• Con quale frequenza per mantenere il regime terapeutico??

Un tempo le risposte si ottenevano empiricamente, andando per tentativi, sulla pelle di poveri esseri umani disperati :P Nowadays ci si diletta con “simpatici” studi di farmacocinetica, che prevedono la conoscenza dei principi che regolano l’assorbimento dei farmaci, la loro distribuzione nei vari distretti dell’organismo, e infine l’eliminazione…

Rivelazione dell’anno… questo è il compito del chimico farmaceutico → Scoprire come nel tempo un farmaco venga assorbito, distribuito ed eliminato e ottenere dei valori con cui mettere in pratica le regole farmacocinetiche…

Quindi, punto primo… Imparare cosa ca^^o sono le “Regole farmacocinetiche” O_o

Punto secondo… perché è necessario conoscere i principi che regolano l’assorbimento, distribuzione ed eliminazione dei farmaci??

Î La risposta è semplice… nella stragrande maggioranza dei casi l’organo bersaglio su cui il farmaco deve agire è lontano dal luogo di somministrazione… e vi arriva in genere trasportato dal sangue nel torrente circolatorio…

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Aspetti da considerare

Si evidenziano vari aspetti da considerare…

In che modo il farmaco raggiunge il torrente circolatorio??

Beh… può essere introdotto direttamente attraverso un’iniezione intravenosa… in tal caso il grafico concentrazione rispetto al tempo sarà simile a questo →

O può essere assorbito attraverso le più svariate vie,

• Come quella orale
• Muscolare
• Rettale
• Inalatoria
• Transcutanea
• Sottocutanea
• Sottolinguale
• Ecc… ecc… :P

In tutti questi casi, il farmaco deve attraversare delle barriere con caratteristiche lipofile, per passare da un compartimento acquoso a un altro…

In secondo luogo, dopo l’ingresso del farmaco nel torrente circolatorio, avviene la sua diffusione in tutti i distretti dell’organismo, attraverso il passaggio a livello capillare nei liquidi interstiziali. Questo passaggio è influenzato da vari fattori come:

• La permeabilità dei capillari: Che ad esempio è più elevata a livello renale ed epatico, mentre è notevolmente ridotta a livello del SNC per effetto delle giunzioni serrate che caratterizzano la barriera ematoencefalica.
• L’eventuale legame con proteine plasmatiche: C’è da sapere che SOLO il farmaco in forma libera contribuisce a determinare l’effetto terapeutico. La quota di farmaco legato permane (in equilibrio) all’interno del torrente circolatorio.
• Il grado di irrorazione dei vari organi: ovviamente gli organi maggiormente irrorati vengono raggiunti più velocemente…

E infine l’affinità del farmaco per i vari distretti dell’organismo… questo punto in particolare porta al fenomeno della ridistribuzione di un farmaco… Una volta che si è raggiunto l’equilibrio di distribuzione la concentrazione della molecola nei vari distretti può essere notevolmente differente da quella ematica. - Per nostra fortuna il rapporto di concentrazione rimane COSTANTE

Infine, va presa in considerazione l’eliminazione del farmaco dall’organismo… che può avvenire attraverso diverse vie… Renale, biliare, alveolare… O anche attraverso il sudore.

In sintesi… Per conoscere il variare della concentrazione nel tempo di un farmaco in un preciso distretto dell’organismo è necessario valutare:

• La velocità di assorbimento del farmaco
• La velocità di distribuzione,
• E la velocità con cui il farmaco viene metabolizzato/escreto.

Per valutare tutto questo occorre conoscere i meccanismi che regolano il passaggio dei farmaci attraverso le membrane cellulari, il flusso ematico degli organi, il legame con proteine plasmatiche e la cinetica metabolica dei farmaci… Molto presto studieremo tutto ciò :S

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Passaggio dei farmaci attraverso le membrane cellulari

Il passaggio delle molecole di farmaco attraverso le membrane cellulari può avvenire per:

• Diffusione passiva (A)
• Passaggio attraverso proteine canale (B)
• Diffusione mediata da trasportatori (C) (...a noi interessano solo i primi 3 :P)
• Endocitosi in fase liquida (D)
• O endocitosi mediata da recettore (E)

Si parla di diffusione passiva, quando un farmaco passa da un compartimento acquoso a un altro diffondendo liberamente attraverso la barriera lipofila (membrana cellulare)… Affinché ciò avvenga, il farmaco deve essere sufficientemente idrofilo da essere solubile nei liquidi extracellulari e al tempo stesso sufficientemente lipofilo per potersi distribuire in un ambiente lipidico.

Si può avere una stima del grado di idro-lipofilia di un certo composto andando a misurare il suo coefficiente di ripartizione ottanolo/acqua. Non è altro che un rapporto tra concentrazioni di farmaco nella fase apolare e polare.

• Se è >1 il farmaco è lipofilo.
• Se è <1 il farmaco è idrofilo.

Va tenuto però presente che alcuni composti possono essere carichi o neutri (e quindi avere un diverso coefficiente di ripartizione) in funzione del pH.

Le molecole molto idrofile (con coefficiente di ripartizione vicino allo 0) non riescono a diffondere liberamente attraverso la membrana cellulare… Possono ad ogni modo attraversarla restando idrate e in soluzione passando attraverso opportune proteine canale situate sulla membrana cellulare…

Sia la diffusione passiva che il passaggio attraverso le proteine canale seguono un gradiente di concentrazione secondo la legge di Fick. Questa legge ci permette di ricavare la nostra Prima Regola Farmacocinetica :D

Cosa rappresenta la legge di Fick?? → È una velocità… Si indica con “F” e rappresenta il flusso molare… ovvero il numero di moli di farmaco che in un secondo passano da un compartimento ad alta concentrazione a uno a bassa concentrazione. Può essere scritta come:

F = D A (C₁ - C₂) / d

(D) è il coefficiente di ripartizione, (A) è la superficie di membrana che separa i due compartimenti, (d) è il suo spessore e infine C1 e C2 sono le concentrazioni ai due lati.

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Ovviamente, affinché il flusso molare sia più elevato occorre un alto coefficiente di ripartizione, una buona superficie di scambio e un discreto rapporto di concentrazione tra i due compartimenti… Per farmaci molto idrofili inoltre è necessaria un’elevata densità di pori canale per unità di superficie.

Ora… facciamo una prima semplificazione… Poniamo che C1 sia la concentrazione di Farmaco nel Lume intestinale e C2 nel torrente circolatorio… Quando il farmaco arriva nel secondo compartimento si ha un “effetto lavandino” → viene diluito a tal punto nel sangue che la sua concentrazione rispetto al primo compartimento diventa trascurabile… Quindi… Eliminiamo (C2) dalla formulaaaa! :P → F = D A C1 / d

Se consideriamo che D, A e d rimangono costanti possiamo ulteriormente scriverla come:

V = K C₁

Questo cosa ci dice?? → che la velocità di assorbimento del farmaco è direttamente proporzionale alla sua concentrazione nel lume intestinale… È una cinetica di PRIMO ordine.

Se facciamo un grafico del variare della concentrazione di farmaco nel lume intestinale rispetto al tempo otteniamo una curva del genere… Notiamo che quando la concentrazione nel primo compartimento è elevata, decresce rapidamente… quando si abbassa la velocità di diffusione decresce… (la velocità, graficamente, è la tangente in ogni punto della curva).

Il trasporto di un farmaco può ad ogni modo avvenire CONTRO gradiente di concentrazione, ad opera di opportune proteine che agiscono da trasportatore tra i due compartimenti e a spese di energia (in genere ottenuta dall’idrolisi di ATP in ADP + P).

Se anche in questo caso costruissimo un grafico che mette in correlazione la concentrazione rispetto al tempo, otterremmo una retta di questo tipo… In questo caso notiamo che la velocità rimane Costante… Questo perché i trasportatori presenti sulla membrana cellulare sono un numero fisso e lavorano a una determinata velocità… Un aumento del gradiente di concentrazione non contribuisce certamente ad aumentare nessuno dei due :P Questa prende il nome di cinetica di Ordine ZERO e può essere espressa semplicemente come:

V = K

L’endocitosi è un processo di internalizzazione a cui sono sottoposti generalmente farmaci molto idrofili e di grosse dimensioni come ad es proteine cariche…

Distribuzione

La velocità e la quantità con cui un farmaco si distribuisce tra il sangue e i vari distretti dell’organismo dipendono da vari fattori come:

• Il grado di irrorazione dell’organo interessato,
• Il suo volume
• La capacità del farmaco di attraversare le membrane biologiche di quel distretto
• L’affinità per le proteine plasmatiche
• E l’affinità per elementi tissutali del distretto…

Dato che si parla di velocità… (e qui ne entrano in gioco parecchie) è bene parlare di “fattore limitante”… Il fenomeno più lento determina la velocità globale del processo.

Poniamo di avere un farmaco che penetra facilmente le membrane biologiche, ma deve raggiungere un organo poco irrorato… la velocità di distribuzione di questo farmaco dipenderà strettamente dal flusso ematico e dal volume dell’organo. La velocità con cui passa attraverso i compartimenti acquosi è trascurabile.

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Una delle principali barriere cellulari che regolano il passaggio delle molecole di farmaco dal torrente circolatorio ai vari organi è l’endotelio dei capillari. Le sue caratteristiche di permeabilità ovviamente non sono uguali in tutti i distretti… Questo infatti dipende dallo spessore delle cellule endoteliali e dall’ampiezza delle fenestrature… Tanto per dare una scala della permeabilità:

• Cervello, in cui la tipica struttura dell’endotelio viene definita barriera ematoencefalica, presentano una bassissima permeabilità (tranne che nella zona del CTZ)
• Plessi coroidei, mucose, parenchima renale
• Muscoli lisci, glomeruli renali
• Sinusoidi epatici, milza

Una volta completata la distribuzione del farmaco e raggiunto l’equilibrio tra sangue e tessuti, il rapporto di concentrazione rimane COSTANTE. Ad esempio… se nel tessuto la concentrazione di farmaco libero è pari a 50 e nel sangue è 10, abbiamo un rapporto di 5… Ora… poniamo di misurare nuovamente la concentrazione di farmaco nel torrente circolatorio dopo 2 ore… e di ottenere “6”… Quale sarà la concentrazione nel Tessuto??? → 5/10 = x/6 → easy :P 6 × 5 / 10 = 3

Il volume apparente di distribuzione

Un altro “interessante” parametro farmacocinetico che prendiamo in considerazione è il volume di distribuzione (Vd) che rappresenta il rapporto tra la quantità di farmaco presente nel corpo all’equilibrio e la concentrazione plasmatica del farmaco.

Vd = Quantità di Farmaco nel corpo all’equilibrio / Concentrazione plasmatica del farmaco

Vd = Q / Cp = mg / mg/l = l

Dato che la concentrazione plasmatica del farmaco non è necessariamente la stessa di quella nei vari distretti dell’organismo, il volume di distribuzione rappresenta in genere un volume virtuale (e non fisiologico).

In base ai valori di Vd rilevati per una determinata molecola, è possibile intuire dove questa si sia principalmente ridistribuita… Se il volume di distribuzione è molto Elevato, significa che ha quasi completamente abbandonato il torrente circolatorio… quindi probabilmente si tratta di una molecola particolarmente lipofila ed è finita nei tessuti adiposi…

Al contrario, se il Vd è molto basso significa che il farmaco si trova principalmente nel torrente circolatorio… quindi è particolarmente idrofilo e/o affine alle proteine plasmatiche.

Ora… Poniamo di avere un farmaco da somministrare a un paziente per via endovenosa, e di conoscere solo la finestra terapeutica… come facciamo a calcolare la dose da sparargli in vena per ottenere una concentrazione di farmaco all’interno della finestra terapeutica dopo la distribuzione?? :D

Semplice… se non si conosce il volume di distribuzione si esegue una piccola prova somministrando una piccola dose di farmaco al paziente e successivamente analizzando la concentrazione nel torrente circolatorio… (D = Dose, Cp = Concentrazione plasmatica)…

Vd = Q / Cp = D / Cp

A questo punto mi interessa sapere la dose da somministrare per avere una certa concentrazione nel sangue… quindi…

D = Vd × Cp

Altra domanda… :D Se somministro endovena una certa dose di farmaco a un paziente… come calcolo quale sarà la concentrazione plasmatica nel sangue a t = 0?? Cazzatenn :D → Cp = D / Vd

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Nel sangue, un farmaco può trovarsi Libero, Legato a proteine plasmatiche o a cellule circolanti.

Una delle proteine plasmatiche a cui si possono legare un gran numero di farmaci è l’Albumina. Costituisce il 50% delle proteine plasmatiche, e ad essa si legano anioni organici come Sali degli acidi grassi, bilirubina, penicillina, salicilati, sulfonammidi ecc…

Un’altra è la α1 glicoproteina Acida che presenta un’elevata affinità per piccole molecole basiche. La Transcortina lega invece gli steroidi.

Ad ogni modo, solo la quota di farmaco libero è in grado di uscire dal letto capillare per distribuirsi nei diversi tessuti. Ne consegue che il legame con le proteine plasmatiche può influenzare notevolmente i fenomeni di distribuzione ed eliminazione.

Il Legame di un farmaco a una proteina plasmatica è un equilibrio:

[F] + [P] ↔ [FP]

Pertanto, come per tutti gli equilibri, possiamo calcolare una costante di dissociazione.

Kd = [F] [P] / [FP]

Ragioniamo…

• Se la Costante di Dissociazione è alta, significa che poco farmaco si lega alla proteina plasmatica…
• Se la Kd è Bassa, significa che molto farmaco si è legato alle proteine plasmatiche

Ora… cambiamo un po’ i termini dell’equazione:

• Il complesso Farmaco Proteina lo chiameremo [B] di “Bound” = “legato”… e rappresenta la quota di farmaco legata alle proteine plasmatiche.
• [F] rimane il Farmaco libero
• [P] è la concentrazione totale di Proteine Plasmatiche (libere e legate) → (Prima rappresentava le proteine NON legate)
• n è il numero di siti di legame presenti sulla proteina plasmatica per quel farmaco.
• Kd rimane la costante di dissociazione…

Proviamo a riscrivere l’equazione della costante di dissociazione con questi nuovi termini… otteniamo che:

Quota di proteine non legate = n[P] - [B] <- ovvero, la quota di proteine totali meno quella legata al farmaco…

Kd = [F] (n[P] - [B]) / [B]

Ora… a me interessa ricavare [B]… moltiplico…

Kd [B] = [F] [n[P] - [B]]

Semplifico [B] e ottengo:

[B] Kd + [B] [F] = [F] n[P]

Porto dall’altra parte [F]… e ribalto tutto :P

[B] / [F] = n[P] / Kd + [F]