Chimica farmaceutica e tossicologica II - Appunti

Chimica farmaceutica e tossicologica II

Prof. Andrea Duranti A.A. 2021-2022

Farmaci cardiaci

Articolo: L’OMS ha stilato una top ten delle cause di morte nel mondo nel 2016, responsabili del 54% dei decessi, cardiopatie e ictus al primo posto. Articolo: Leading causes of death globally in 2019. Confronto tra il 2000 e il 2019. Sono aumentati notevolmente i casi di morte dovuti a malattie cardiovascolari. Leading causes of death in low-income countries: al primo posto le condizioni neonatali.

Articolo: World health statistics 2021: il Covid è diventato una delle principali cause di morte. Calo del 27% della mortalità per malattie cardiovascolari. Articolo: Il Covid è diventato una delle principali cause di morte nel 2020. Le malattie cardiovascolari seguono al secondo posto.

Articolo: Ictus cerebrale; l’80% dei casi si può prevenire modificando il proprio stile di vita. L’ictus rappresenta la terza causa di morte più frequente, a seguito di malattie cardiovascolari e neoplasie. È importante prevenire, almeno in parte, l’insorgenza di queste malattie conducendo un corretto stile di vita.

Tipologie di farmaci cardiaci

I farmaci cardiaci si dividono in:

• Farmaci per l’insufficienza cardiaca
• Antiaritmici
• Antianginosi

I farmaci cardiaci agiscono:

• Direttamente sulle attività del miocardio, come inotropi positivi quando aumentano la forza di contrazione del miocardio, antiaritmici, farmaci del sistema nervoso autonomo e di altra natura.
• Indirettamente sulle attività del miocardio: nitrati, farmaci antianginosi, diuretici e ACE-inibitori, utilizzati nell’insufficienza cardiaca.
• Sia direttamente che indirettamente tramite il rilassamento della muscolatura liscia vasale: Ca-antagonisti.

Farmaci per l’insufficienza cardiaca

L’insufficienza cardiaca o scompenso cardiaco congestizio è l’incapacità del cuore, a causa di qualche disfunzione del cuore stesso, di pompare sangue in quantità adeguata alle esigenze metaboliche dell’organismo. Questo determina riduzione della gittata cardiaca e permanenza di sangue nei ventricoli ad ogni contrazione e conseguente congestione ma anche aumento della lunghezza delle fibrocellule per compensare l’aumento di volume e quindi dilatazione del cuore ed ipertrofia, ingrossamento.

Poiché esiste un sistema di regolazione che mantiene la pressione sanguigna costante, questo risponde alla caduta della portata circolatoria attivando pressocettori aortici che determinano tachicardia, aumento delle resistenze periferiche e del tono venoso. Si ha anche una attivazione del sistema renina-angiotensina aldosterone che porta a ritenzione di sodio e acqua con conseguente formazione di edemi in particolare a livello polmonare e degli arti inferiori dove il sangue tende a ristagnare. Inoltre, si verificano anche problemi associati a una riduzione del flusso ematico al rene con insufficienza renale.

La riduzione della funzionalità contrattile del ventricolo sinistro a cui è associata questa malattia può essere dovuta a sovraccarico di volume, ipertensione, cardiomiopatie e infarto del miocardio. Il trattamento si può fare mediante stimolazione della contrattilità del miocardio con farmaci inotropi positivi, per riduzione delle resistenze vascolare usando vasodilatatori oppure riducendo il volume di sangue in circolo con i diuretici.

Potenziale d'azione cardiaco

Il potenziale di riposo di una cellula cardiaca è di circa -90 mV ed è conservato mediante un sistema ATPasico di trasporto attivo che mantiene la concentrazione extracellulare di ioni sodio maggiore rispetto a quella intracellulare di ioni potassio. A seguito di un’eccitazione si verifica una depolarizzazione, il potenziale si alza notevolmente fino a un +30 mV, fase 0: depolarizzazione. Abbiamo poi la ripolarizzazione, fase 1, con l’apertura dei canali del potassio e la sua fuoriuscita.

Questa è accompagnata dall’apertura dei canali del calcio voltaggio-dipendenti che consentono l’ingresso di calcio detto trigger. Questo attiva i recettori rianodinici sul reticolo sarcoplasmatico che liberano calcio. In questa fase, fase 2: plateau, il potenziale rimane costante e abbiamo l’evento contrattile. Una volta terminata la contrazione, il calcio viene richiamato dal reticolo sarcoplasmatico e riportato all’esterno dallo scambiatore sodio/calcio, il potassio continua ad uscire e riprende la ripolarizzazione, fase 3. Il cuore si rilassa e i valori tornano quelli iniziali e la pompa sodio potassio ripristina il gradiente, ioni sodio all’esterno da dove erano partiti per la depolarizzazione e all’interno gli ioni potassio.

Condizioni che determinano insufficienza cardiaca

• Sovraccarico di volume
• Ipertensione
• Cardiomiopatie

Sintomi e segni: congestione venosa, ingrossamento del cuore, edemi periferici.

Trattamenti:

• Stimolazione della contrattilità del miocardio, inotropi positivi
• Riduzione delle resistenze vascolari, vasodilatatori
• Riduzione del volume di sangue in circolo, diuretici

Progettazione e sviluppo del farmaco

Lead compound: Processo dall’hit al lead. Approccio SOSA: partire da un farmaco già esistente cercando di eliminare l’attività principale e migliorarne un’altra.

Sulfatiazolo

1. Farmaco antibatterico scoperto come hit tramite screening a tappeto, deriva dalla sulfanilamide. Il sulfatiazolo è un antibatterico visto nell’immagine delle strategie per ottenere nuovi hit e nuovi lead. Ci interessa in quanto è stato uno spunto importante per l’insufficienza cardiaca che va nella direzione della congestione, cioè quando il liquido non defluisce bene. Il sulfatiazolo ha anche un ruolo importante di hit compound nei confronti del recettore ETA, cioè recettore dell’endotelina A, coinvolto nella sindrome cardiaca congestizia ed è stato scoperto mediante screening a tappeto.

Sulfaisossazolo

2. Antibatterico che deriva dal sulfatiazolo. Il sulfaisossazolo presenta delle differenze solo a livello dell’anello. È sempre un antibatterico, ma abbiamo un IC di circa 2 ordini di grandezza migliore, IC₅₀ = 0,78 M. Quindi, sempre con un antibatterico, si andava nella direzione di un miglioramento rispetto al nuovo bersaglio, approccio SOSA.

Continuiamo ad avere un approccio antibatterico di fondo. L’approccio SOSA ci diceva di andare progressivamente ad eliminare l’attività ‘vecchia’ per avere quella nuova.

BMS-182874

3. Nel BMS-182874 si è mantenuta la porzione che dava migliore attività sin dall’inizio. Modifica la porzione di sinistra inserendo due anelli aromatici. IC₅₀ = 0,15 M.

BMS-193884

4. Nel BMS-193884 abbiamo ulteriormente migliorato la situazione IC₅₀ = 1,4 nM.

BMS-207940

5. Nella BMS-207940 abbiamo una nuova porzione e soprattutto una attività estremamente elevata, IC₅₀ = 0,010 nM. Antagonista del recettore endotelina A coinvolto nell’insufficienza cardiaca congestizia, minor gittata cardiaca e maggior volume di sangue cardiaco.

Conclusioni

• Equivalenza d’anello isosteria
• Inserimento di anelli e sostituenti
• Aumento del volume della molecola
• Approccio congiuntivo

Effetto inotropo positivo

Meccanismi che portano ad:

• Aumento della concentrazione di ioni Ca
• Aumento della sensibilità della troponina C al calcio, importante per la contrazione del muscolo
• Azioni che favoriscono il legame tra actina e miosina nella contrazione o la permanenza di ioni Ca all’interno del canale
• Azioni che stimolano la pompa Ca-ATPasi o favoriscono la permanenza di ioni Ca all’interno del canale
• Stimolazione cardiaca di altra natura

Glicosidi cardiaci

Sono sostanze di origine naturale contenute in varie famiglie vegetali, tra le quali le più importanti sono: Scrofulariacee, Digitalis purpurea, Digitalis lanata, Liliacee, Urginea scilla, Ranuncolacee, Adonis vernalis, Apocinacee, Strophantus kombé, Strophantus gratus, Thevetia peruviana. Se usati in maniera non corretta portano ad effetti indesiderati che possono anche portare a morte.

William Withering

William Withering, XVIII secolo: scienziato inglese che ha scoperto il potere della digitale. Pascoli, un secolo dopo, dedicò alla digitale una poesia. Da un racconto della sorella, che stava in un giardino delle suore che conteneva una pianta di Digitale. Le suore avevano capito che questa pianta era pericolosa e dicevano di starne alla larga. William Withering, scienziato inglese, vissuto fra il 1741 e il 1799, ha scoperto i poteri della Digitalis purpurea. Si accorse che qualcuno aveva fatto a una signora degli infusi con la digitale. Dieci anni dopo ha pubblicato un documento in cui dimostrava tutti questi effetti. A fronte di questa scoperta occorreva comunque regolamentare l’utilizzo della digitale, in quanto pericolosa.

Un secolo dopo Pascoli dedicò alla digitale una poesia dal cui testo si evince che la poesia è stata scritta in base a un racconto fatto a lui da sua sorella che stava in un collegio dalle suore. Le suore avevano percepito che la digitale era pericolosa quindi diventa un motivo di contrapposizione fra qualcosa che si può fare e qualcosa che non si può fare. Il significato è che in quel periodo la digitale assumeva anche un pericolo ulteriore oltre all’essere portatrice di morte.

Glicosidi ad uso terapeutico

Glicosidi e non glucosidi, perché? Non c’è il glucosio, ci sono altri zuccheri, i glucosidi fanno sempre parte dei glicosidi. Glicosidi cardiaci ad uso terapeutico:

• Digossina
• Metil-digossina
• Strofantina K

Digitalis purpurea

La principale pianta contenente glicosidi cardioattivi è la Digitalis purpurea. Si utilizzano le foglie, raccolte durante il secondo anno di vegetazione, prima della fioritura. Diffusa nell’Europa centro-occidentale, in Italia cresce frequentemente in Sardegna e in generale in terreni silicei e montuosi. I glicosidi digitalici sono formati da: un nucleo steroideo, aglicone ogenina, + catena glicidica + anello lattonico, se è a 5 atomi di C: cardenolide, se è 6 atomi di C: bufadienolide. L’ossigeno lega la parte zuccherina.

I principali glicosidi contenuti nella digitale sono: digitossina, gitossina, gitalossina e digossina. La digossina è l’unica ad essere utilizzata in clinica in larga scala. I loro effetti sul miocardio sono i medesimi, così come la loro tossicità. La digitossina, che raggiunge più facilmente il SNC, poiché è una molecola più lipofila, dà maggiori effetti indesiderati di natura neurologica. Le principali differenze sono rappresentate da emivita, durata dell’azione e grado di assorbimento orale.

La digitale esercita sul miocardio un’azione:

• Inotropa positiva, aumenta la forza di contrazione
• Cronotropa negativa, riduce la frequenza cardiaca
• Batmotropa positiva, aumenta l’eccitabilità
• Dromotropa negativa, riduce la velocità di conduzione dell’impulso

La digitale è un farmaco che ha indice terapeutico basso, <10, piccole concentrazioni in più possono dare effetti indesiderati. I glicosidi cardiaci hanno l’anello steroideo nella disposizione cis-trans-cis, a differenza di quello presente negli ormoni steroidei che è trans-trans-trans.

Prototipi di glicosidi cardiaci

Due prototipi di glicosidi cardiaci caratterizzati per il sostituente lattonico in posizione C17β: digitossina e proscillaridina A.

• Lattone a 5 termini
• Zucchero a 3 termini
• 1 doppio legame
• Struttura steroidea
• Di origine vegetale
• Lattone a 6 termini, β,γ-insaturo
• Una unità zuccherina
• 3 doppi legami
• Struttura steroidea
• Di origine per lo più animale

Struttura dell’actodigin

Derivato isomerico in cui il lattone è legato in posizione diversa dal C17β; la molecola è meno tossica ma meno attiva. Digitossina e digossina differiscono solo per un OH. La digitossina ha un buon assorbimento per via orale ed è lentamente escreta, per cui determina fenomeni di accumulo e quindi di tossicità. La digossina è considerata il glucoside d’elezione: ha una persistenza nell’organismo inferiore rispetto a quella della digitossina, quindi dà meno effetti collaterali di accumulo, per la maggiore idrofilia.

Meccanismo d’azione

L’insufficienza cardiaca è associata a un insufficiente accumulo di calcio a livello del reticolo sarcoplasmatico. Il target dei glicosidi cardiaci è la pompa sodio/potassio ATPasi, la presenza del farmaco in concentrazioni terapeutiche riduce del 30% l’attività della pompa determinando una maggiore permanenza del sodio nella fibrocellula cardiaca. Ne consegue l’attivazione dello scambiatore sodio/calcio, NCX, che, agendo in funzione del gradiente elettrochimico prevalente, consente uscita di sodio ed ingresso di calcio in questo caso. Tale meccanismo spiega anche la tossicità del farmaco in quanto un sovradosaggio determinerebbe eccessiva inibizione della pompa e quindi sovraccarico di calcio e rischio di aritmie. Nell’immagine vediamo prima le situazioni in cui non è presente il glicoside e nella seconda parte la situazione in cui abbiamo il glicoside. Otteniamo quello che vogliamo in quanto abbiamo necessità di ripristinare il funzionamento della pompa cardiaca e la contrazione quindi abbiamo bisogno di calcio, che deve entrare nella cellula.

Pompa sodio/potassio ATPasi

La pompa sodio/potassio ATPasi è costituita da 2 subunità polipeptidiche contenenti siti di glicosilazione delle quali l’α svolge la funzione catalitica e la β quella regolatoria con attività enzimatica legata alla formazione del complesso αβ. La subunità γ esercita un’attività regolatoria ed è in grado di interagire con il complesso α-β già formato ma non con le singole subunità α e β.

La pompa Na+/K+ ATPasi agisce in forma dimerica, αβ - αβ, con un meccanismo chiamato a “flip-flop” in cui le 2 subunità catalitiche hanno conformazioni complementari: quando una è nella forma che lega Na+ nel lato citoplasmatico, E1, mentre una fa questo l’altra lega K+ nel lato extracellulare, E2. Si chiama pompa sodio/potassio proprio per questo motivo, permette l’ingresso di 2 ioni potassio e l’uscita di 3 ioni sodio.

Nella fase in cui l’ATPasi ha rilasciato Na+ ma non ha ancora legato K+, stato E2-P, si può verificare il legame con i glicosidi, che determina inibizione del legame con K+ e il conseguente blocco del processo.

Modalità di legame tra il glicoside e il sito recettoriale sulla pompa

La genina presenta due OH ed un anello lattonico essenziali per l’attività, da soli nessuna delle due ne ha mostrata. La maggior parte dell’energia di interazione con il sito di legame della pompa sarebbe da imputare a forze di Van der Waals dipendenti dalla distanza, importante cis-trans-cis. L’introduzione di OH in posizioni diverse dalla 14 e dalla 3 sullo scheletro determina riduzione della attività ma anche questi due sostituenti che si pensava fossero fondamentali in realtà possono essere rimossi senza perdere completamente l’attività. L’anello d della struttura steroidea non sembra essenziale per l'attività. Il lattone è essenziale, non si pensa che ci sia una specifica posizione per il legame con la pompa ma che questo sito si generi in seguito al cambio conformazionale promosso dal legame nello steroide.

Inversione di configurazione

L’inversione di configurazione con produzione dell’actodigin determina perdita totale di attività a causa della modifica della posizione reciproca dei gruppi ma è meno tossica. La genina ha un carattere dipolare per la presenza dello steroide in cui abbiamo legami C-H e potenziale positivo e del lattone che invece è circondato da potenziale elettronico negativo, soprattutto nell’area dei due O. I due O possono comportarsi da accettori di legami H. La sostituzione del lattone con eterocicli, anche furanici che contengono O, ha dimostrato perdita di attività, lo stesso si ottiene mantenendo C=O ma sostituendo O con N. Il lattone è stato anche sostituito con strutture aperte come esteri α,β-insaturi o nitrili α,β-insaturi: attivi poco meno del lattone. Riducendo il doppio legame olefinico l’attività diminuisce.

Catena zuccherina

La catena zuccherina modula le proprietà farmacocinetiche e farmacodinamiche. Le genine prive di zuccheri sono più lipofile, quindi vengono rapidamente assorbite e metabolizzate per epimerizzazione di C3. Il ruolo principale della porzione zuccherina è quello di impedire o ritardare l’epimerizzazione sul C3, che determina una notevole perdita di attività. I monosaccaridi sono più potenti rispetto a catene più lunghe, infatti la funzione C3 principalmente è svolta dallo zucchero direttamente legato alla genina. La sostituzione di zuccheri con amminozuccheri determina aumento dell’attività.

Farmacocinetica

L’assorbimento varia in base alla struttura chimica, i derivati lipofili, lipofilia influenzata dai sostituenti ossidrilici sulla genina e dalle porzioni zuccherine legate, sono quelli più significativamente assorbiti e lentamente escreti quindi hanno maggiore durata d’azione. La formulazione e parametri come l’aspetto cristallino possono influenzare molto l’assorbimento.