Appunti di Farmacologia

Farmacologia e farmacognosia

La farmacologia

La farmacologia è lo studio degli effetti delle sostanze chimiche sulle funzioni degli esseri viventi. Studia le proprietà dei farmaci e l’interazione di questi con l’organismo. In passato, fino al 1600 circa, non vi era nessun supporto scientifico all’uso delle sostanze terapeutiche; venivano utilizzate “pozioni magiche” e rimedi naturali a base di erbe, senza la conoscenza della natura chimica dei principi attivi.

Attorno al 1800 iniziò a svilupparsi la farmacologia, a partire dalla purificazione della morfina dall’oppio, eseguita nel 1805. Nel 1858 Virchow propone la teoria cellulare; 10 anni dopo vengono usate le prime formule strutturali per descrivere i composti chimici; Pasteur scopre i batteri come causa delle malattie nel 1878; nel 1905 Langley propone il concetto di recettore. Da tutte queste scoperte, si arriva pian piano allo sviluppo di questa scienza già presente: essa, infatti, deriva dagli antichi principi terapeutici (utilizzati senza cognizione) dai quali si sono sviluppati lo studio della chimica dei prodotti naturali e le scienze biomediche, precursori della farmacologia. Patologia, fisiologia, biologia molecolare, biochimica, chimica strutturale e di sintesi si sono combinate a questi precursori costituendo la farmacologia.

Discipline della farmacologia

La farmacologia è una disciplina ampia che comprende:

• Farmacognosia, studia le caratteristiche generali dei farmaci e delle droghe semplici;
• Farmacodinamica, studia i meccanismi d’azione dei farmaci e i loro effetti biochimici e fisiologici;
• Farmacocinetica, studia il movimento o il destino dei farmaci nell’organismo (ADME);
• Farmacoterapia, studia l’impiego dei farmaci nella prevenzione e trattamento delle patologie;
• Tossicologia, studia gli effetti nocivi dei farmaci e delle sostanze chimiche.

Oggi la farmacologia sconfina in territori di altre discipline:

• Biotecnologia, che utilizza le tecnologie del DNA ricombinante per costruire proteine di uso terapeutico, fare diagnosi e produrre animali transgenici;
• Farmacogenetica, che studia l’influenza genetica nella risposta dell’organismo al farmaco;
• Farmacogenomica, che usa le informazioni genetiche per guidare la scelta della terapia farmacologica su basi individuali;
• Farmacoepidemiologia, che studia gli effetti dei farmaci sulla popolazione;
• Farmacoeconomia, che quantifica in termini economici i costi e i benefici dei farmaci.

Che cos’è il farmaco?

Il farmaco è una sostanza chimica in grado di esplorare e modificare i sistemi fisiologici o patologici, con beneficio di chi lo riceve. È uno xenobiotico, cioè una sostanza estranea alla normale nutrizione e al normale metabolismo dell’organismo, ma, nonostante ciò, non è inerte, poiché interferisce con la materia vivente.

Ogni farmaco presenta il principio attivo. Questo è la componente principale del farmaco e la sostanza responsabile del suo effetto terapeutico. Il farmaco è costituito anche dagli eccipienti che vengono aggiunti per ottenere, ad esempio, una corretta formulazione che ne faciliti la somministrazione (formulazione farmaceutica = forma più adatta). I principi attivi possono essere sintetici (è il caso della maggior parte dei farmaci), semisintetici, come l'aspirina (acido acetilsalicilico), o di derivazione naturale, ottenuti attraverso l’estrazione, come, ad esempio, gli alcaloidi.

A seconda del tipo di principio attivo presente si distinguono:

• Farmaci di origine naturale, di natura estrattiva poiché prodotti da microorganismi, vegetali o animali;
• Farmaci di origine non naturale, sintetici o semisintetici, prodotti per sintesi chimica o tramite tecnologie di ingegneria genetica.

Il farmaco agisce sull’organismo dando effetti terapeutici (azione farmacologica). Quando questa modificazione indotta dal farmaco è positiva per la salute, allora si tratta di un medicamento. Quando, invece, la modificazione è dannosa per l’organismo, il farmaco sarà tossico. Si definisce tossico il farmaco che a dosi troppo elevate provoca un danno, mentre a determinate dosi corrette, si comporta da medicamento. Questo lo distingue dal veleno, una sostanza chimica che, in qualsiasi dose o concentrazione, non presenta effetto positivo (morso di scorpione, ad esempio...).

Il farmaco può essere uno strumento terapeutico, ma anche sperimentale. Oltre al farmaco esiste il profarmaco, una molecola che non dà nessun effetto farmacologico, ma, quando subisce dei processi di biotrasformazione (metabolismo), assume le funzioni di un farmaco attivo.

L’azione farmacologica

Può essere curativa o sintomatica, ma anche avere uno scopo profilattico o diagnostico. Presenta tre fasi, precedute dalla somministrazione del farmaco.

• La prima fase è la fase farmaceutica e prevede una prima disgregazione del composto seguita dall’ingresso in soluzione dei principi attivi. Al termine di questo passaggio avremo il principio attivo disponibile, dunque una disponibilità farmaceutica.
• La seconda fase è la fase farmacocinetica che comprende l’assorbimento, la distribuzione, il metabolismo e l’escrezione del farmaco. Al termine avremo il principio attivo disponibile per l’azione, perciò una disponibilità biologica.
• L’ultima è la fase farmacodinamica, nella quale vi è l’azione del principio attivo sui recettori dei tessuti bersaglio. Al termine si ottiene l’effetto.

Come avviene la ricerca e lo sviluppo di un farmaco?

La prima fase che permette la formazione di un farmaco efficace consiste nella ricerca. Questa parte dall’identificazione del target e dalla selezione dei composti guida, detti Leads, che vengono successivamente ottimizzati. Tali risultati si ottengono attraverso le tecniche di screening in vitro ad alta capacità (stabilità metabolica, inibizione, permeabilità) e attraverso lo studio PC in vivo in specie precliniche.

Dopodiché si entra nella fase di sviluppo attraverso gli studi preclinici preceduti da una selezione del candidato. Alla richiesta di sperimentazione sull’uomo susseguono quattro fasi di sviluppo: la fase I comprende gli studi clinici su volontari sani; la fase II, gli studi clinici sui pazienti come prova del concetto; la fase III, gli studi clinici sui pazienti per testare efficacia e tollerabilità; la fase IV consiste nella farmaco-vigilanza con la richiesta per l’utilizzo del nuovo farmaco.

Durante lo sviluppo devono avvenire, inizialmente, l’identificazione e la qualificazione dei metaboliti prodotti dal farmaco, lo studio della tossicinetica (TC) e della farmacocinetica clinica e, infine, le formulazioni di bioequivalenza; gli studi sull’ADME con il radioattivo; gli studi delle interazioni tra farmaci, prima in vitro, poi clinici e la comprensione della relazione concentrazione-effetto (PC/PD).

Il caso Talidomide ci ha insegnato, attraverso un evento tragico, quanto sia fondamentale lo studio che accompagna lo sviluppo del farmaco. Attorno al 1956 venne introdotto l’utilizzo di questo farmaco, a scopo sedativo e ipnotico (non barbiturico), chiamato Talidomide. Nel giro di poco tempo si scoprì che il suo utilizzo, però, portava anche ad effetti tossici: nei primi mesi di gravidanza, infatti, la Talidomide causava il mancato sviluppo degli arti nei nati, cioè la fecomelia. In seguito a questo terribile evento cambiarono le leggi sulla sperimentazione farmaceutica e vi fu l’introduzione della “farmaco-vigilanza”.

La farmacocinetica: fase II dell’azione farmacologica

Descrive il movimento del farmaco all’interno dell’organismo, studiando l’evoluzione temporale delle concentrazioni di un farmaco e dei suoi metaboliti nei diversi fluidi e tessuti dell’organismo. Dipende da quanto farmaco è somministrato, per quale via e con quale frequenza. La risposta dell’organismo è funzione della concentrazione del farmaco a livello del sito d’azione.

Ci permette di identificare l’indice terapeutico, cioè la distanza tra la dose necessaria per avere l'effetto farmacologico e la dose che provoca un effetto tossico (quanto più sono distanti queste due dosi, tanto più sicuro è il farmaco, e viceversa) e la finestra terapeutica, l’intervallo di concentrazione all'interno del quale il farmaco è in grado di mantenere i propri effetti terapeutici minimizzando gli effetti collaterali.

È un processo che parte dalla somministrazione della dose e comprende quattro fasi: Assorbimento, Distribuzione, Metabolismo ed Escrezione (ADME).

• L’assorbimento della dose somministrata di farmaco permette di raggiungere una concentrazione di farmaco al livello della circolazione sistemica.
• Dalla circolazione sistemica il farmaco raggiunge i tessuti attraverso la distribuzione.
• Il farmaco può subire anche dei processi di biotrasformazioni che costituiscono il metabolismo.
• Il farmaco viene rimosso dall’organismo attraverso l’escrezione.

Le caratteristiche di ADME sono importanti da considerare durante lo sviluppo di nuovi agenti terapeutici (la tossicità è correlata alle proprietà ADME).

Assorbimento

L'assorbimento è la prima fase del viaggio di un farmaco all'interno del nostro organismo; consiste nel passaggio del medicinale dal sito di somministrazione al circolo sanguigno. La nostra sostanza, per arrivare al sangue, deve attraversare principalmente le membrane cellulari e lo può fare attraverso diversi meccanismi molecolari diversi.

La membrana cellulare è costituita dal doppio strato fosfolipidico (teste idrofile esterne e code idrofobe interne) e altri componenti come carboidrati, glicolipidi, colesterolo, proteine periferiche e integrali. Una sostanza che deve attraversarla deve essere in grado di solubilizzarsi in fase oleosa, dunque, se una molecola è molto polare non riesce a sciogliersi bene in fase oleosa e non può attraversare la membrana.

I meccanismi con cui può avvenire il passaggio del farmaco sono:

• Diffusione passiva, che avviene secondo gradiente di concentrazione (da un’area a concentrazione maggiore ad una a concentrazione minore) e termina nel momento in cui non è più presente questa differenza di concentrazioni. Questo meccanismo è regolato dalla lipofilia: più il farmaco è liposolubile, più diffonde attraverso la membrana grazie allo scioglimento del farmaco stesso (per i farmaci idrosolubili avviene il passaggio tramite pori acquosi);
• Diffusione attraverso canale;
• Diffusione mediata da trasportatore;
• Endocitosi in fase fluida;
• Endocitosi mediata da recettore.

I fattori che influenzano l’assorbimento di un farmaco sono:

• Dipendenti dal farmaco come:
  • Il peso molecolare e la forma molecolare del farmaco;
  • La solubilità in acqua e nei lipidi;
  • Il grado di ionizzazione;
  • Il coefficiente di ripartizione;
• Dipendenti da variabili fisiologiche come:
  • L’area della superficie assorbente;
  • Il flusso ematico;
  • Il pH nel sito di assorbimento;
  • Altri fattori (cibo, svuotamento gastrico, eliminazione presistemica...)

Perciò, ad ostacolare la diffusione e, dunque, anche l’assorbimento, sarà: un basso coefficiente, una barriera spessa, una piccola superficie della barriera ed un rapporto tra le concentrazioni basso. A facilitare la diffusione sarà invece un alto coefficiente di ripartizione, una barriera sottile, una superficie di barriera ampia ed un rapporto tra le concentrazioni alto.

Diffusione passiva

Analizziamo ora nello specifico la diffusione passiva: questa via possiede dei parametri che dipendono dalle caratteristiche chimico-fisiche della molecola e dalle caratteristiche fisiologiche, anatomiche e patologiche del paziente. Tra le caratteristiche chimico-fisiche della molecola troviamo:

• Peso molecolare (PM), consiste nell'ingombro sterico; rappresenta cioè le dimensioni di una determinata sostanza. Maggiore sarà il peso molecolare, più ostacolata sarà la diffusione passiva (più è grossa la sostanza più farà fatica ad attraversare la membrana). Il peso molecolare è quindi inversamente proporzionale alla capacità di diffusione passiva.
• Grado di dissolubilità, cioè la capacità del principio attivo di sciogliersi nel liquido extracellulare. Più rapidamente la molecola si scioglierà nel liquido extracellulare e più rapidamente sarà messa a disposizione per il passaggio attraverso la membrana.
• Diffusibilità è un termine che a sua volta include altri parametri e il tutto viene spiegato con la legge di Fick:

  dQ/dT = (D x Krip / e) x S (C1-C2)

  • dQ/dT = velocità di diffusione (quantità di farmaco assorbito nell'unità di tempo)
  • D = coefficiente di diffusione (capacità del farmaco di diffondere in base alle sue proprietà)
  • Krip = coefficiente di ripartizione (cioè se il farmaco è più idrosolubile o liposolubile)
  • e = indica lo spessore della membrana
  • S = indica la superficie della zona di assorbimento
  • (C1-C2) = indica la concentrazione del farmaco ai lati delle membrane

  La velocità di diffusione è direttamente proporzionale a D, Krip, S e (C1-C2). La velocità di diffusione è inversamente proporzionale ad e (spessore della membrana). Quindi tanto più è lipofilo il farmaco (sempre entro un certo limite) e tanto più velocemente diffonde attraverso la membrana.

• Liposolubilità consiste nella ripartizione di una molecola in un ambiente oleoso o in un ambiente acquoso, determinando una difficoltà o un vantaggio per quanto riguarda il passaggio della membrana. Questo rapporto prende il nome di coefficiente di ripartizione olio / acqua.
• Grado di dissociazione (ionizzazione) che può essere differente a diversi pH. Ricordiamo che il pH è diverso a seconda delle zone del nostro organismo e che i farmaci che noi assumiamo possono essere acidi deboli o basi deboli. Un acido debole o una base debole si trova in equilibrio con la sua forma dissociata e indissociata. Quindi possiamo dire che il grado di dissociazione è influenzato dal pH dell'ambiente in cui si trova la molecola.

La relazione che c'è tra grado di dissociazione della molecola e pH è descritta nell'equazione di Henderson-Hasselbalch. Quando il pH del mezzo è minore della pKa del farmaco, le forme protonate HA e BH+ predominano. Quando il pH del mezzo è maggiore della pKa del farmaco, predominano le forme deprotonate A- e B. Quando pH del mezzo è uguale a pKa del farmaco sono presenti in egual misura le forme protonate e le forme deprotonate.

Coefficiente di ripartizione

Ma che cos’è il coefficiente di ripartizione? Il coefficiente di ripartizione indica come un farmaco si distribuisce in una soluzione contenente acqua e olio ed è dato dal rapporto tra la concentrazione di farmaco nella fase oleosa e la concentrazione di farmaco nella fase acquosa.

K rip [farmaco] fase oleosa/ [farmaco] fase acquosa =

Se è maggiore di 1, allora il farmaco è lipofilo e diffonde facilmente; se è minore di 1, il farmaco è idrofilo e non diffonde facilmente.

Il coefficiente di ripartizione non è un parametro fisso, ma può variare in diverse situazioni, per esempio per metabolizzazione del farmaco o perché, essendo la maggior parte dei farmaci acidi o basi deboli, il coefficiente varia a seconda del pH dell’ambiente nel quale si trovano (questa variabile può essere sfruttata anche per aumentare la velocità di eliminazione: alcalinizzazione delle urine in caso di avvelenamento da barbiturici).

In definitiva affermiamo che l’entità dell’assorbimento di un farmaco dipende da: pKa del farmaco, lipofilia del farmaco e pH del mezzo. Questi parametri sono correlati nell’ ipotesi della ripartizione in funzione del pH, per la quale:

• Gli acidi e le basi sono assorbiti preferenzialmente in forma indissociata;
• La maggior parte dei farmaci è assorbita per diffusione passiva;
• La velocità di assorbimento e la quantità di farmaco assorbita sono correlate al coefficiente di ripartizione, per cui una maggiore liposolubilità dà un maggiore assorbimento;
• Acidi deboli e farmaci neutri possono essere assorbiti nello stomaco, mentre le basi no.

Conclusioni

Quindi, l’assorbimento di un farmaco dipende dalle caratteristiche del farmaco, dalle proprietà dell’organismo e dalle caratteristiche dell’esposizione.