Appunti integrati di Chimica farmaceutica 1

La chimica farmaceutica

La chimica farmaceutica è quella materia che studia tutto il mondo del farmaco: dalla scoperta di una molecola lungo tutto il percorso per diventare un farmaco, considerando anche gli effetti tossici. L’Organizzazione Mondiale della Sanità (OMS) o World Health Organization (WHO) classifica i farmaci come quei composti di natura organica, metallorganica o inorganica, ottenute per via estrattiva, fermentativa, biotecnologica o sintetica che vengono impiegati per la diagnosi, la prevenzione e il trattamento delle malattie umane o animali. Non è solo contenuto il principio attivo ma anche un insieme di eccipienti e altre sostanze che rendono il prodotto finito. Inoltre, stabilisce quali sono i criteri che devono essere rispettati affinché un farmaco possa essere somministrato all’uomo.

Fasi dello sviluppo di un farmaco

Selezione del bersaglio

La selezione del bersaglio nasce da un bisogno medico per cui si mira all’identificazione di un target che può essere una proteina bersaglio, un enzima ovvero delle molecole che sono deputate ad un determinato processo biologico. Interagendo chimicamente o patologicamente con questo target si riesce ad avere la risposta biologica. Per l’identificazione di un target ciò che interessa è la genomica, ovvero una branca della medicina che studia l’insieme di geni che sono coinvolti in un determinato processo biologico. Si passa alla validazione del target attraverso uno studio che prende il nome di proteomica, che è la scienza che studia l’insieme delle proteine che possono essere coinvolte nella patologia. In generale, l’identificazione del target porta all’assay development ovvero allo sviluppo del saggio. Oggi per ideare un farmaco ci vuole un preciso razionale scientifico, cioè bisogna conoscere la patologia che si vuole andare a controllare e il meccanismo con cui farlo, quindi è quello che guida la ricerca verso il giusto percorso.

Scoperta del “lead”

È un percorso importantissimo e il chimico farmaceutico ha un importante ruolo. Si parte da un composto chiamato lead, da una molecola che inizialmente ha dato una risposta su quel determinato bersaglio. La scoperta di una nuova molecola avviene per casualità (serendipity) per cui si ha soltanto idea del target della molecola e dell’ambito terapeutico per cui è efficace quella molecola ma non si sa nulla della stabilità della molecola per effetto del metabolismo che può subire nell’organismo. Il percorso del farmaco è lunghissimo (circa 10 anni) ed è regolato da leggi precise e può avere tanti fallimenti. Considerate che da un numero molto grande di molecole scoperte all’anno, soltanto un piccolo numero, circa 20 composti, raggiungono il mercato. Una nuova molecola appena scoperta non può essere somministrata all’uomo, perché le probabilità di morte sono elevate.

I principi attivi da cui si parte sono responsabili dell’effetto terapeutico ed interagiscono con un determinato bersaglio. Questi sono di varie origini come abbiamo visto. Un esempio è un principio attivo estratto dal mondo naturale come piante o parti di esse, che in genere sono ricavate in % molto bassa per cui è difficile riprodurle, quindi è complesso avere un composto che viene estratto solo da fonti naturali. Infatti, si ricorre ad un processo semisintetico: si riproduce in laboratorio chimicamente la sintesi di quel principio attivo estratto dalla pianta di cui si è copiata la struttura.

Sin dall’antichità si trasmettevano di generazione in generazione “pozioni magiche” che avevano un effetto terapeutico ed erano miscele di sostanze di origine vegetale, però non si aveva la consapevolezza di quale principio attivo determinasse una risposta biologica. Le conoscenze del passato, quindi, sono molto diverse da quelle che abbiamo oggi (infatti gli studi ci hanno portato ad avere un miglioramento della qualità della vita ed è aumentata l’età media in ogni paese).

Un farmaco molto studiato e riuscito è l’Aspirina, scoperta per caso da fonti di origine naturale ed è stata commercializzata per la prima volta da Bayer.

Origini

Sin dai tempi più antichi, Erodoto notava che masticando le foglie di salice si produceva un effetto antidolorifico, però non se ne sapeva la ragione, perché in realtà non c’erano gli elementi per individuare il principio attivo. Ippocrate riportava che una polvere amara estratta dalla corteccia del salice effettivamente era utile per alleviare il dolore. Con il tempo e la sperimentazione si acquisiscono più conoscenze e lo stesso principio attivo fu estratto da un’altra pianta, la spirea ulmaria. Soltanto nel 1828, un farmacista insieme ad un chimico italiano, Raffaele Piria, scoprirono ed estrassero dalla corteccia del salice, attraverso tecniche chimiche in laboratorio, il principio attivo, cioè quella molecola responsabile dell’effetto terapeutico, l’acido salicilico. Questo fu poi derivatizzato nel 1897 da Hoffman, in cui il gruppo ossidrilico dell’acido salicilico viene acetilato generando l’acido acetil-salicilico, che dal 1899 viene brevettato come farmaco da Bayer, in modo tale da mantenere così la proprietà intellettuale sulla molecola. Il composto prende il nome di aspirina:

• Il prefisso A- indica il gruppo acetilico.
• SPIR- perché questo stesso principio attivo fu estratto dalla pianta di spirea.
• Suffisso INA- perché in quell’epoca tutti i farmaci avevano questo suffisso.

L’aspirina oggi è un farmaco che può avere target diversi, e questo è determinato da formulazioni differenti, per esempio, cambia il dosaggio e contribuisce anche l’aggiunta di sostanze che energizzano l’azione di quel principio attivo:

• Un antipiretico, un analgesico perché blocca la produzione delle prostaglandine, le quali hanno il ruolo di trasmettere l’impulso del segnale del dolore al cervello e quindi la loro riduzione fa sì che si ottenga l’effetto desiderato.
• Un anticoagulante blocca la produzione dei trombossani.

Proprio sulla base della scoperta dell’aspirina, oggi nel mondo della ricerca ci si focalizza sulle sostanze che possono avere diversi bersagli metabolici e che quindi curino diverse patologie. Per tutte le malattie (dove si presenta una funzione fisiologica alterata) utilizziamo dei farmaci, per esempio ipertensivi o antiaritmici. Inoltre, è importante capire che il farmaco deve essere pensato per traghettare e arrivare ad un determinato bersaglio farmacologico, in modo da ottenere l’effetto terapeutico desiderato. Un bersaglio farmacologico può essere:

• Un ormone.
• Un organo, come nel caso del diabete, in cui il pancreas non rilascia più insulina che è responsabile dell’iperglicemia.
• Una carenza di sali minerali o vitamine (integratori) potrebbe comportare uno squilibrio nel funzionamento fisiologico dell’organismo.

I farmaci vengono anche utilizzati per il trattamento di infezioni, il blocco temporaneo di una funzione fisiologica come l’anestesia; detossificazione dell’organismo perché il farmaco si potrebbe degradare in qualcosa che sia tossico per l’organismo e la soluzione prevede l’uso degli antidoti come per esempio i chelanti; il farmaco può essere utilizzato non solo per la cura delle patologie ma anche per:

• La prevenzione, nel caso dei vaccini.
• Diagnosi: per quanto riguarda la branca della medicina che riguarda la diagnosi, in determinati casi di indagine sono necessarie delle sostanze chimiche che devono essere somministrate (mezzi di contrasto RM).

Lo studio dei farmaci è uno studio molto traslazionale, perché servono competenze trasversali; infatti, per la ricerca vengono coinvolte competenze diverse come chimici, biochimici, farmacologi, microbiologi, tossicologi, fisiologi e patologi poiché possono dare informazioni complete, per garantire che il farmaco sia efficace e sicuro per l’uomo e che quindi sia commercializzabile. Nella fase di ricerca di base per identificare un lead compound su un determinato target ci vogliono da 1 a 3 anni. In questa fase il processo poi si interseca con una fase prettamente chimica perché su delle basi di genomica e proteomica, il chimico farmaceutico comincia a sintetizzare dei composti, tenendo conto delle informazioni che vengono dal bersaglio: conoscere quali sono i siti di legame di una molecola, ad esempio, è fondamentale per capire come modificare queste strutture. In questa fase c’è tutta la ricerca di base che viene fatta a livello delle accademie e per tale motivo è bene che l’industria e l’accademia comunichino tra di loro. Quello a cui l’accademico si deve adattare è la segretezza per evitare che il dato biologico sia spendibile dall’industria farmaceutica.

Modifica del lead

Sintesi chimica che serve ad ottimizzare i composti affinché abbiano dei requisiti strutturali per una migliore interazione con il bersaglio. In una struttura chimica è presente una parte farmacoforica, responsabile dell’attività biologica, ed una parte collaterale, meno importante per l’attività biologica ma altrettanto importante per la modulazione della biodisponibilità, della lipofilia, dell’idrofilia, mantenendo la giusta posizione della molecola dentro il sito recettoriale.

Le modifiche apportate al lead compound si basano sul concetto di isosteria: sostituzione di un atomo rispetto ad uno effettivamente presente, per esempio un atomo di C con un eteroatomo, che abbiano dei requisiti strutturali e si valuta se questa piccola sostituzione bioisosterica porta ad una validazione dell’effetto biologico o meno. Ci sono tutta una serie di concetti storici sull’isosteria partendo dal 1853 con l’esplorazione primaria delle relazioni struttura-attività in cui Gerhardt introdusse in chimica organica il concetto di serie omologa che è stato poi adottato anche dai chimici farmaceutici. Nel 1919 Langmuir introdusse il concetto di isosteria riferendolo soltanto ad atomi, gruppi di atomi, molecole che hanno lo stesso numero di elettroni, (isoelettroniche) stesso numero di atomi, una distribuzione elettronica simile e proprietà fisiche simili. Un caso tipico è quello di CO e N₂O, molecole che contengono tre atomi, 22 elettroni, possiedono proprietà chimico-fisiche simili perché sono entrambi dei gas (pressione, viscosità, costante dielettrica ecc.) e questi prodotti hanno anche lo stesso comportamento biologico su microrganismi come il Mixomiceta Physarum Policefalum.

Tuttavia, il concetto risultò un po’ troppo vago infatti lo stesso Langmuir cominciò a pensare a come le molecole di isosteri dovessero considerare il fatto che le proprietà fisiche di una specie negativa non possono essere paragonate a quelle di una specie con carica positiva, ma in realtà l’isosteria non implica inevitabilmente che le strutture siano anche isoelettriche. Infatti, sono considerati isosteri molecole che hanno struttura differente e carica opposta come il diazometano neutro e il chetene carico. Per questo motivo, lo stesso Langmuir, cominciò a raggruppare gli isosteri (in 21 gruppi circa) anche in base alla carica. Grimm nel 1925 ha migliorato il concetto di isosteria che prescinde dal fatto che gli isosteri debbano avere lo stesso numero di atomi, ma è importante che abbiano lo stesso numero di elettroni totali. Infatti, egli formulò la legge dello spostamento degli idruri che serve a definire la somiglianza tra gruppi funzionali che hanno lo stesso numero di elettroni in totale, ma diverso numero di atomi. Un esempio è lo ione ossonio O^2-; al quale si aggiunge un atomo di idrogeno, ciò non fa variare molto il volume perché l’H è piccolo, ma gli elettroni totali di questo gruppo OH^- ossidrile sarebbero quelli dello ione ossonio 8 più quello dell’idrogeno 1, in totale sono 9. Considerando che lo ione fluoro F^- ha 9 elettroni, OH^- sono isosteri pur avendo numero di atomi diversi.

Questo ha permesso di mettere a disposizione del chimico dei gruppi sostituenti, isosteri tra di loro, normalmente utilizzati nella modificazione di sostanze biologicamente attive. Egli ha supposto la teoria dello pseudoatomo o idruro, ovvero due sostituenti che hanno uguale numero di elettroni, quindi sono isosteri, ma che sono costituiti da un numero di atomi diversi. Come si forma un pseudoatomo? Quando un idrogeno viene “aggiunto” in senso nucleare ad uno ione ossonio si ottiene un isotopo del fluoro F^- (ovvero lo ione ossidrile). Quando lo stesso protone viene introdotto a livello periferico sempre sullo ione ossonio, viene creato lo ione ossidrile (isostero del fluoro). F^- ed OH^- mostrano perciò alcune analogie come il numero degli elettroni (9). Da questa tabella un chimico farmaceutico poteva ricavare delle informazioni importanti, per esempio se nella molecola c’era un atomo di fluoro e si voleva modificare la struttura migliorando l’effetto biologico si poteva provare a mettere un gruppo amminico o un gruppo metilico.

La legge di Grimm afferma che “gli atomi che si trovano fino a 4 posizioni prima di un gas nobile nel sistema periodico degli elementi possono formare pseudoatomi legandosi rispettivamente a 1, 2, 3, 4 atomi di idrogeno. Tali pseudoatomi sono simili agli atomi che nel sistema periodico si trovano a 1, 2, 3, 4 colonne più a destra degli atomi considerati.

NB: In realtà questi sono solo valori storici in quanto oggi si sa che l’effetto elettronico dei vari sostituenti è molto importante in uno scaffold in quanto il gruppo amminico è elettronattrattore a differenza del gruppo metilico che è elettrondonatore.

Erlenmeyer nel 1948 ha proposto che quello che contava per la isosteria non era il numero totale di elettroni ma ha ridefinito isosteri quegli atomi, ioni o molecole in cui gli strati elettronici periferici possono essere considerati identici. Se mettiamo a confronto il tiofene ha un atomo di -S- mentre il benzene ha un gruppo -CH=CH-. Se nel tiofene al posto dello zolfo mettiamo il gruppo CH=CH otteniamo il benzene. Quindi l’atomo di zolfo e il gruppo CH=CH vengono definiti equivalenti d’anello. La differenza tra queste due molecole è che in una c’è lo zolfo, nell’altra il gruppo CH=CH. Questa modifica si chiama trasformazione anello-catena. Si è notato che mettere l’uno o l’altro è la stessa cosa perché ne determinano il raggiungimento della stessa proprietà fisica, che in questo caso è il punto di ebollizione. Heinsberg ampliò il concetto di equivalenti di anello ed, integrando le diverse definizioni proposte, ammise l’isosteria di tutta una serie di eterocicli: propose la formazione di due gruppi di famiglie (nella famiglia del benzene si trovano, oltre al tiofene, la piridina, il furano e il pirrolo, considerati equivalenti di anello). Analogamente, sulle serie sature cicloalchiliche si considerarono equivalenti di anello il ciclopentano, il tetraidrofurano, il tetraidrotiofene e la pirrolidina. Il tetraidrofurano ed il furano non sono considerati isosteri, perché l’isosteria rispetta sempre le caratteristiche elettroniche.

NB: La piridina possiede un atomo di azoto che ha sostituito un gruppo CH del benzene, quindi azoto e CH sono equivalenti d’anello, anche se in questo caso i punti di ebollizione non sono simili ma vengono definiti ugualmente isosteri.

Fino ad ora quelli considerati erano i bioisosteri classici perché tengono in considerazione lo stesso numero di elettroni in totale, o il numero degli elettroni periferici. Con il progredire della conoscenza del concetto di valenza e a causa della ibridazione degli orbitali atomici, il numero di elettroni periferici non costituiva una caratteristica essenziale per l’isosteria; ma il tipo di ibridazione condizionava molto di più la capacità di un gruppo a sostituirne un altro. Per questo motivo è stato così proposto di considerare isosteri tutti quei gruppi che, indipendentemente dal numero di elettroni periferici, possedevano caratteristiche steriche ed elettroniche simili che producono ugualmente una similarità nell’attività biologica; questi gruppi sono stati chiamati isosteri non classici.

Friedman nel 1951 ha proposto il termine di bioisosteri per quei gruppi che sostituiti al gruppo originale in una data molecola ne mantengono intatto il tipo di attività. In altri termini mantengono intatta nella molecola la capacità di essere riconosciuta dal bersaglio biologico. Inoltre, Friedman ha allargato il concetto di bioisosteri anche ad isosteri che mostrano proprietà opposte (antagonisti) poiché generalmente interagiscono con lo stesso sito di riconoscimento. Thornber (1979) propose una definizione svincolata e flessibile del termine bioisostero come: «gruppi o molecole aventi analogie chimiche e fisiche che producono effetti biologici spiccatamente simili».

I termini isosteri non classici e bioisosteri vengono usati indifferentemente quando si tratta di isosteri che non possiedono lo stesso numero di atomi, ma che in una data serie, hanno in comune parametri chiave importanti per l’attività. La sostituzione bioisosterica apporterà cambiamenti in uno o più dei seguenti parametri: dimensione, forma, distribuzione elettronica, solubilità nei lipidi (lipofilia), solubilità nell’acqua (idrofilia), pKa, reattività chimica, legame idrogeno. Pertanto, il chimico attraverso le sostituzioni bioisosteriche apportate ad un lead ne può aumentare la potenza, selettività e tempo di azione e ridurre la tossicità.