Chimica farmaceutica e tossicologica I - Appunti

Chimica farmaceutica e tossicologica I

3° Anno - a.a. 2020-2021

Prof. Gilberto Spadoni

Mettere in relazione la struttura chimica di una sostanza con la sua azione farmacologica.

Chimica farmaceutica

La chimica farmaceutica (medicinal chemistry) si occupa della scoperta, progettazione, sviluppo, produzione e caratterizzazione di agenti terapeutici, nuovi chimici e biologici, e ne mette in relazione la struttura chimica con l’attività biologica.

La chimica farmaceutica si occupa anche dello studio, della identificazione e della sintesi dei prodotti del metabolismo dei farmaci e dei composti ad essi correlati.

È una disciplina fondata sulla chimica che si interfaccia con altre discipline quali la fisica, la biochimica, la biologia, la farmacologia, la tossicologia, l’informatica e la medicina e che applica i loro principi alla creazione di conoscenze finalizzate all’introduzione di nuovi utili farmaci.

Cos’è un farmaco

Direttiva 2001/83/CE (G.U. dell’Unione Europea: L. n. 311 del 28/11/2001) recante un Codice comunitario relativo ai medicinali per uso umano.

Direttiva 2004/27/CE (G.U. dell’Unione Europea: L. n. 136/34 del 30/04/2004) che modifica la Direttiva 2001/83/CE recante un Codice comunitario relativo ai medicinali per uso umano.

Nel corso degli anni il termine “medicinale” ha subìto degli aggiornamenti, in virtù delle nuove conoscenze che si sono sviluppate.

Medicinale è:

• Ogni sostanza o associazione di sostanze presentata come avente proprietà curative o profilattiche delle malattie umane. Definizione superata, nuova definizione:
• Ogni sostanza o associazione di sostanze che possa essere utilizzata sull’uomo o somministrata all’uomo allo scopo di ripristinare, correggere o modificare funzioni fisiologiche (che sono alterate), esercitando un’azione farmacologica, immunologica o metabolica, ovvero di stabilire una diagnosi medica.

Farmacodinamica, farmacocinetica e tossicità

Un farmaco è caratterizzato da farmacodinamica, farmacocinetica e tossicità.

• La farmacodinamica è lo studio di come una droga (farmaco) interagisce col proprio bersaglio molecolare. Dipende dalle caratteristiche chimiche del farmaco, dalla sua struttura.
• La farmacocinetica è come una droga si distribuisce nell’organismo (alla ricerca dei suoi bersagli).

Nessun farmaco è totalmente sicuro. I farmaci differiscono profondamente negli effetti collaterali che possono produrre.

È la dose cui viene somministrato un composto a determinare se agirà da farmaco o da veleno (Es. digossina, morfina).

L’indice terapeutico (IT) di un farmaco è il rapporto tra la dose che dà l’effetto tossico sul 50% dei pazienti e quella che ne cura il 50% (rapporto tra dose letale al 50% e dose efficace al 50%).

Più alto è l’indice terapeutico, maggiore è la sicurezza del farmaco (es.: aspirina).

• Se l’indice terapeutico è basso, bisogna stare molto attenti alle dosi da somministrare, perché si può incorrere in effetti tossici molto facilmente (es.: digossina, morfina).
• Se il rapporto è uguale a 1 significa che la dose efficace è uguale alla dose tossica, quindi il farmaco non può essere utilizzato.

Tossicità selettiva

Alcuni farmaci danno una tossicità selettiva: farmaci efficaci che producono tossicità verso cellule estranee o anormali, ma non verso cellule normali dell’organismo ospite (attaccando determinanti delle cellule non-self, che non sono presenti nel self. Es: attacco agli antigeni non-self dei microrganismi patogeni).

La tossicità selettiva può essere la conseguenza di eventi:

• Farmacodinamici: per esempio può interferire con meccanismi specifici di cellule tumorali.
• Ma anche di eventi farmacocinetici: ad esempio nel caso della tubocurarina.

Antistaminici di prima e seconda generazione: uno degli effetti collaterali principali degli antistaminici di prima generazione è la sonnolenza (data dall’interazione di questi farmaci anche con recettori del SNC). Una delle modifiche che è stata fatta su questi farmaci è quella di, pur mantenendo la capacità di interferire coi recettori per l’istamina (principale molecola che interviene nei processi allergici), far in modo che non raggiungano il SNC (si evitano così gli effetti secondari di sonnolenza) → antistaminici di seconda generazione.

Uno dei compiti della chimica farmaceutica è quello di cercare di modificare le caratteristiche chimico-fisiche di un farmaco per renderlo più adeguato, più selettivo, più potente, con minor effetti collaterali.

Sviluppo delle scienze farmaceutiche

Le scienze farmaceutiche hanno subìto delle profonde trasformazioni, dato dallo sviluppo dei farmaci.

Fino all’inizio del ‘900 la maggior parte dei farmaci utilizzati derivavano da osservazioni della medicina popolare; attraverso vari tentativi, utilizzando diversi prodotti, si erano evidenziati alcuni effetti benefici nel trattamento di alcune patologie come il dolore. Era comunque un approccio abbastanza empirico, non si conoscevano i meccanismi d’azione delle sostanze naturali e nemmeno la loro struttura molecolare.

Primi farmaci isolati da prodotti naturali nel 19° secolo

Primi farmaci isolati da prodotti naturali nel 19° secolo (la loro struttura è stata determinata molto più avanti negli anni):

• Morfina: isolata dall’oppio nel 1806, forte analgesico, diventata anche sostanza di abuso (bisogna stare attenti alle dosi); ha una struttura abbastanza complessa, sono però presenti delle sostanze endogene (endomorfine) a struttura peptidica (quindi a struttura apparentemente totalmente diversa dalla morfina) che svolgono la stessa funzione, controllando la trasmissione dolorifica (poiché il meccanismo d’azione è legato alla presenza di determinati gruppi funzionali). La prima sintesi chimica è stata effettuata nel 1925.
• Caffeina: isolata dal caffè nel 1819;
• Chinina: isolata nel 1819, antimalarico;
• Colchicina: isolata nel 1820;
• Cocaina: isolata dalle foglie della coca nel 1860, diventata anche sostanza di abuso per i suoi effetti euforizzanti;
• Efedrina;
• Coniina;
• Atropina: alcaloide contenuto nell’Atropa belladonna, è un anti-muscarinico (blocca l’acetilcolina).

Tutte queste sostanze sono presenti naturalmente nelle specifiche piante.

Nuove scoperte, aumento delle tecnologie del DNA ricombinante, progetto genoma umano: scoperta di nuovi target molecolari e quindi sintesi di nuovi farmaci.

Come agiscono i farmaci

La prima intuizione è stata data nel 1913 da Ehrlich: “A substance will not work unless it is bound” → l’effetto di un farmaco è la conseguenza dell’interazione di quest’ultimo con una macromolecola biologica → si forma un complesso binario che va ad innescare una serie di modifiche cellulari che culminano con l’effetto biologico osservato.

Si formano quindi dei legami tra le due molecole.

Dipende da:

• Caratteristiche chimico-fisiche del farmaco e del target;
• Forza ed efficacia delle interazioni;
• Configurazione spaziale dei gruppi chimici che interagiscono nei legami tra i due partner.

Si può avere:

• Meccanismo d’azione specifico: interazione selettiva con macromolecole che hanno uno specifico ruolo fisiologico (recettori, enzimi, canali...). L’interazione avviene a livello di uno specifico sito di legame. In molti casi i farmaci si legano a siti di legame per composti endogeni (il farmaco ha quindi caratteristiche simili al composto endogeno).
• Meccanismi d’azione non specifici: non mediati da interazioni selettive con macromolecole.

• Alterazioni delle proprietà chimico-fisiche dei fluidi biologici (es.: antiacidi, lassativi osmotici); (lassativi osmotici: molecole molto idrofile che richiamano acqua nel lume intestinale, in questo modo si provocano delle pressioni nella muscolatura liscia intestinale che facilitano l’evacuazione delle feci).
• Alterazione chimica non-specifica (es.: disinfettanti).

Dato che l’interazione non è specifica, servono elevate concentrazioni di queste sostanze per avere l’effetto biologico desiderato (≠ se il meccanismo è specifico, bastano basse concentrazioni per provocare l’azione farmacologica).

I bersagli molecolari possono essere localizzati in diversi distretti cellulari: citoplasma, nucleo, membrana cellulare.

Business farmaceutico e sviluppo di un farmaco

Bisogna avere l’intervento di diversi specialisti: biologi, chimici, modellisti molecolari, biotecnologi, farmacologi, ecc.

Investimenti molto elevati che si riflettono anche nel mercato. A livello mondiale la spesa in ambito sanitario per lo sviluppo di nuovi farmaci è stata di €1.2 trilioni nel 2018 e nel 2023 si pensa che possa arrivare a €1.5 trilioni.

Industrie farmaceutiche multinazionali maggiormente attive: Johnson & Johnson, Hoffmann-La Roche, Pfizer, Bayer, Novartis, ecc.

Lo sviluppo di un nuovo farmaco impiega circa 10-15 anni.

Il farmaco deve garantire un effetto terapeutico e contemporaneamente non indurre (o comunque limitare) gli effetti collaterali.

Processo

• Studi pre-clinici: individuazione di un possibile target e individuazione di una molecola in grado di interagire con questo;
• Testato prima in vitro poi sugli animali;
• Si chiede alle autorità competenti di poter fare studi clinici sull’uomo (verifica dei possibili effetti tossici, stabilire un dosaggio adeguato);
• Monitoraggio post-commercio: farmaco vigilanza (bisogna continuare a controllare, per vedere se insorgono altri effetti).

Durante tutto questo processo intervengono diversi specialisti: biologi, bioinformatici, ingegneri, modellisti molecolari, chimici, farmacologi, scienziati, ecc.

Esistono fondamentalmente due diversi tipi di approccio per lo sviluppo di un nuovo farmaco:

• Dalla droga al target: identificare la sostanza che determina l’effetto fisiologico desiderato quando somministrata. Il bersaglio molecolare viene scoperto successivamente.
• Dal target alla droga: viene prima selezionato il bersaglio molecolare, poi vengono selezionati i possibili farmaci che si legano a quel bersaglio e infine se ne valutano gli effetti fisiologici. In questo caso bisogna sapere i meccanismi della patologia, si può così eradicare la causa; se no si agisce alleviando i sintomi.

Es: aspirina: inibisce la ciclossigenasi, che porta alla formazione di mediatori dell’infiammazione (prostanoidi) → effetti anti-infiammatori.

Es: trattamento dell’ulcera peptica → farmaci che bloccano diversi recettori (dell’istamina, dell’acetilcolina, della gastrina, pompa protonica) che inducono la produzione di HCl (si inibisce così la secrezione di HCl): Cimetidina (anti-istamina), Atropina (anti-colinergico), Esomeprazolo (inibitore della pompa protonica), inibitori anti-gastrina.

Helicobacter Pylori, microrganismo che sopravvive al pH acido dello stomaco (producendo un enzima che aumenta il pH nelle zone circostanti), si àncora nelle cellule parietali dello stomaco ed è spesso causa di questa patologia. Utilizzo di antibiotici che lo distruggono come l’Amoxicillina.

Es: Saquinavir → il target è l’HIV proteasi (un enzima che necessita un residuo di acido aspartico nel sito catalitico, scinde in posizione adiacente alla prolina), enzima che scinde un polipeptide virale, permettendo il proseguimento del ciclo vitale del virus. Il Saquinavir è un farmaco che ha caratteristiche simili al polipeptide virale, viene quindi riconosciuto dall’enzima, ma non essendo presente la prolina non lo scinde, rimane però legato ad esso e in questo modo l’enzima non è più disponibile per il virus; il ciclo vitale del virus risulta così rallentato.

Esempio: aspirina

Aspirina ➤ Molecola che deriva da prodotti di origine naturale (estratto di corteccia del salice bianco).

È stato il reverendo Edward Stone, nel 1757, a scoprire gli effetti benefici della corteccia di salice nel trattamento contro le febbri reumatiche. È stato isolato il principio attivo (molecola responsabile dell’abbassamento delle febbri reumatiche): la salicina.

In seguito a idrolisi si forma la saligenina. Questa va incontro a ossidazione e si forma acido salicilico, sostanza tossica, che viene quindi acetilata con formazione di acido acetilsalicilico (aspirina).

Nome commerciale coniato dalla Bayer nel 1899, componendo il prefisso "a-" (per il gruppo Acetile) con "-spir-" (dal fiore Spiraea ulmaria, da cui si ricava l'acido salicilico) e col suffisso "-in", generalmente usato per i farmaci all'epoca.

Per tanti anni è stata utilizzata per il trattamento delle febbri reumatiche senza conoscere il meccanismo d’azione, che venne scoperto nel 1971. Inibizione dell’enzima (ciclossigenasi) coinvolto nella trasformazione dell’acido arachidonico in prostaglandine (molecole prodotte nei processi infiammatori).

Sono stati fatti tutta una serie di derivati anti-infiammatori.

È una molecola poco solubile in acqua (3 g/L, ovvero 0,3% circa). Perciò non si può iniettare, per formare una soluzione iniettabile bisogna formare il sale (importante la scelta del sale da formare, acido/base, deve essere bilanciato per avere un pH compatibile con quello ematico) → si può utilizzare l’acetilsalicilico di lisina, prodotto commerciale ottenuto dalla salificazione del gruppo carbossilico con il gruppo amminico della lisina (amminoacido basico), questo ha una solubilità in acqua maggiore del 40% (si può utilizzare quindi in una soluzione iniettabile). Non viene modificato il composto, è sempre acido acetilsalicilico, raggiungerà l’equilibrio tra forma dissociata e indissociata.

Bersagli cellulari

Il target deve avere alcune caratteristiche importanti:

• Deve avere un ruolo noto nella genesi della patologia;
• La modulazione della sua funzione deve portare ad un effetto benefico;
• Deve essere facilmente raggiungibile da un farmaco (“drugable”);
• Non deve essere un gene essenziale (si potrebbero avere conseguenze pericolose);
• Deve essere selettivamente espresso nel tessuto danneggiato (se lo stesso target è presente in più tessuti, si potrebbe andare ad anneggiare tessuti sani).

I target sono in genere macromolecole che contengono “tasche” idrofobiche sulla superficie (facilmente accessibili), che sono i siti di legame per il farmaco.

I target maggiormente utilizzati per lo sviluppo di farmaci sono: strutture proteiche (enzimi, recettori, anticorpi, proteine di trasporto), acidi nucleici (DNA, RNA, miRNA), altri (lipidi, carboidrati, ecc).

Il recente sequenziamento del genoma umano (progetto genoma umano) ha messo a disposizione nuovi target molecolari e quindi la possibilità di sviluppare nuovi farmaci.

Scoperta delle alterazioni genetiche all’origine delle malattie → terapia genica e nuovi modelli sperimentali.

Passaggi dell’identificazione di nuovi ligandi

La validazione del target è un lungo processo che si conclude nel momento in cui si dimostra che l’utilizzo di un composto in grado di interagire con questo comporti un effetto farmacologico.

Un target è “drugable” se ha delle caratteristiche strutturali (le tasche peptidiche) che permettono l’interazione col farmaco.

Molte proteine contribuiscono allo sviluppo di una patologia, ma sono “undrugable”.

Molte proteine sono “drugable”, ma i farmaci non sviluppano su di esse nessun effetto terapeutico.

Farmaci che agiscono sugli acidi nucleici

• Farmaci che interagiscono col DNA: agenti intercalanti (come doxorubicina), veleni delle topoisomerasi (camptotecina, podofillotossine), agenti alchilanti (cisplatino), tagliatori di catena (nitrofurantoina), ecc.
• Farmaci che interagiscono col RNA: agenti che legano i ribosomi (inibitori della sintesi proteica nei batteri), ecc.

Recettori

Recettore: proteina che si attiva per l'interazione con una molecola specifica detta ligando (che si lega al sito attivo) subendo una variazione conformazionale in grado di generare una risposta biologica.

I ligandi endogeni coinvolti sono principalmente i neurotrasmettitori e gli ormoni.

La maggior parte dei messaggeri chimici sono amine biogene. Altri sono amminoacidi, lipidi (es: prostaglandine), purine (es: ATP), neuropeptidi (es: endorfine), ormoni. Queste molecole possono interagire con diverse isoforme recettoriali (recettori simili ma non identici).

I neurotrasmettitori sono molecole dotate di una discreta polarità (per la presenza di un gruppo amminico), perciò hanno caratteristiche non compatibili con l’ambiente lipofilo e quindi riescono a raggiungere quelle porzioni del recettore che si trovano all’esterno della membrana cellulare.

I neurotrasmettitori vengono sintetizzati nei neuroni a partire da amminoacidi. Vengono poi immagazzinati all’interno di vescicole e quando arriva l’impulso vengono rilasciati (mediante esocitosi) nella fessura sinaptica. I neurotrasmettitori vanno così ad agire sui recettori post-sinaptici. Infine, dopo aver esplicato la loro funzione, devono essere smaltiti, tramite degradazione o riassorbimento pre-sinaptico.

I neurotrasmettitori quindi vengono rilasciati solo se è necessario e solo nel tessuto dove ce n’è bisogno. (≠ se lo inietto come farmaco va ad agire su tutte le isoforme recettoriali; bisogna iniettare un farmaco selettivo che agisca su una sola isoforma). Sottotipi recettoriali si trovano in tessuti diversi ed esplicano funzioni diverse.

Più informazioni si hanno sul ligando endogeno, più informazioni si hanno sulle possibili caratteristiche strutturali dei siti di legame; così è più facile sviluppare un farmaco che possa agire su questi. Risposte rapide risp