Appunti per il corso annuale di farmacognosia e farmacoterapia

Farmacognosia linea L-Z prof Sala AA 2021-22 lezione 1-2

Cos’è la farmacologia?

Che la farmacologia? La farmacologia si occupa dello studio dei farmaci e con farmaco si intende una sostanza o un prodotto utilizzato per modificare o esaminare funzioni fisiologiche o stati patologici a beneficio del paziente. Samuel Dale è il primo che usa il termine “farmacologia” (1698).

La prima classificazione di piante medicinali fu in Cina nel 2800 a.C. e nel 500 a.C. abbiamo un secondo testo (Egitto).

• 460-377 a.C. Ippocrate, padre della moderna medicina: capisce che le patologie sono reazioni anomale dell’organismo e non sono dovute a spiriti maligni.
• 135-201 d.C. Galeno sostiene che ci siano 4 umori nel nostro organismo che debbano essere mantenuti in equilibrio.
• 980-1037 d.C.: canone di Avicenna, summa di tutte le conoscenze dell’epoca.

La parola farmacologia deriva dal greco: “Pharmakon”, che significa rimedio o veleno => è la dose che fa la differenza.

La farmacognosia parla di tutto ciò che è naturale indipendentemente se sia di origine animale o vegetale.

Nel Medioevo nasce la medicina monastica che si basa sul tramandare il sapere degli antichi unito alla necessità di assistere i malati poveri ed alla coltura dei “semplici” caratteristica dell’erboristeria monastica. Tutto questo viene fatto sulla base della dottrina di Ippocrate, Galeno e Avicenna.

• XVI secolo: i farmaci devono essere soggetti a studio ed analisi critica.

1. “Tutto può essere veleno perché non vi è nulla privo di tossicità. È solo la dose che rende una cosa velenosa” → Paracelso viene definito il fondatore della farmacologia, della tossicologia e della chimica farmaceutica.

2. “Scopo della chimica è produrre delle medicine per la terapia delle patologie poiché tutte le funzioni vitali sono di natura chimica”.

1498 → esce la prima vera Farmacopea.

1561-1626 → Bacone suggerisce l’approccio sistematico all’analisi dei problemi attraverso la raccolta e l’elaborazione di dati empirici.

1957 → Bovet vince il Nobel per l’identificazione dei bersagli delle attività farmacologiche.

• Circa il 25% dei farmaci prescritti nel mondo sono di origine vegetale.
• Circa il 50% di tutti i farmaci approvati sono direttamente o indirettamente di derivazione naturale. Di tutte le piante solo poche migliaia sono valutate farmacologicamente perché:
• 1/10’000 il costo è elevato e la % di successo è di.
• 50 kg di materiale grezzo per studi preclinici + 20 tonnellate per completare gli studi.
• Il processo multidisciplinare richiede l’intervento di diverse figure.
• È inoltre necessario raggiungere uno sviluppo sostenibile: bisogna identificare precursori per raggiungere il principio attivo.

Selezione di una pianta come potenziale medicinale

Come si arriva alla selezione di una pianta come potenziale medicinale?

1. Osservo con attenzione la medicina popolare presente in diverse culture.
2. Valuto l’attività farmacologica di piante note per la loro tossicità → sicuramente le piante tossiche interagiscono con l’organismo.
3. Osservo l’ambiente in cui si sviluppano le piante: molto spesso le piante devono difendersi dall’ambiente nel quale crescono sviluppando dei metaboliti secondari che sono dei deterrenti per gli organismi che possono essere dannosi per la pianta stessa.
4. Ricerca randomizzata: anche gli antitumorali sono dei farmaci in cui vi è un grande.

Sviluppo dei farmaci

Lo sviluppo del farmaco è un processo lungo, indipendentemente dall’origine del principio attivo.

Devono essere seguite delle tappe che portano alla fine alla regolazione da parte di un ente regolatorio: EMA (European Medical Agency) per quanto riguarda l’Europa.

Dobbiamo prima passare dalla fase di caratterizzazione della molecola stessa, dobbiamo identificare la molecola, capire come funziona e se funziona nei modelli animali, dobbiamo vedere se è sicura. Una parte importante dello sviluppo del farmaco è quello di valutare la sua sicurezza e gli eventuali effetti tossici.

Una volta che il farmaco è stato caratterizzato ed è stato definito per la sua efficacia e per la sua sicurezza allora si chiede l’autorizzazione per l’uso nell’uomo.

Ci vogliono già diversi anni per caratterizzare la molecola e ci vogliono altrettanti anni per riuscire a ottenere l’autorizzazione per usarlo nell’uomo.

Se tutto questo ha successo avviene la richiesta per l’autorizzazione di mettere il farmaco in commercio.

Per arrivare alla molecola che vogliamo sviluppare si tratta in prima battuta di identificare, nell’ambito della patologia sulla quale vogliamo intervenire, il bersaglio farmacologico.

Definizione del bersaglio farmacologico

Come arriviamo a definire il bersaglio?

Dobbiamo conoscere la patologia a livello molecolare e se sappiamo quali sono i sistemi coinvolti e quali sono le alterazioni nella manifestazione della patologia, allora possiamo pensare di interferire con quei sistemi.

Se sappiamo che il Parkinson è da imputare a un deficit di un neurotrasmettitore del SNC possiamo intervenire fornendo un precursore in modo che le cellule possano sintetizzare una quantità maggiore di questo neurotrasmettitore.

Se sappiamo che una patologia coinvolge l’iperattivazione di un recettore a livello del sistema interessato dalla patologia stessa allora il bersaglio sarà questo recettore e dovremo sviluppare delle molecole che potranno interagire con il recettore e possano prevenire l’attività del neurotrasmettitore.

Quindi le conoscenze molecolari ci danno le informazioni su come dobbiamo intervenire. Se sappiamo ad esempio i meccanismi e gli enzimi coinvolti nella sintesi del colesterolo: l’ipercolestoremia è una delle patologie più diffuse nel mondo occidentale ed andare a inibire uno dei sistemi enzimatici coinvolti nella sintesi del colesterolo è un bersaglio di interesse se vogliamo andare a intervenire su questa patologia che ha poi delle conseguenze anche a livello di altri organi. Possiamo intervenire mimando a un qualcosa di specifico da dover curare.

Bersagli farmacologici sono spesso obiettivi di studio di molti gruppi accademici: si cercano di identificare nuovi bersagli farmacologici per sviluppare nuove molecole.

Analisi del genoma

Un approccio più recente è quello relativo all’analisi del genoma: studiando il genoma si possono trovare mutazioni che sono riconducibili al manifestarsi di una patologia.

Non stiamo parlando di andare a identificare delle alterazioni geniche che sono in qualche modo direttamente responsabili della patologia come nel caso della fibrosi cistica, che coinvolge una serie di alterazioni genetiche a carico di un sistema di trasporto degli ioni a livello degli epiteli che è direttamente responsabile della manifestazione della patologia stessa.

Ma in questo caso noi stiamo parlando dell’andare a studiare le variazioni a livello del genoma che possono essere associate al manifestarsi di una patologia, c’è la possibilità di evidenziare degli aspetti nel genoma che rappresentano un fattore di rischio.

Alcune società come deCODE ricercano a livello delle mutazioni puntiformi che generano al momento della traduzione una proteina diversa o non funzionante.

Anche quando non siamo in una zona codificante, come nella zona promotore di un gene che controlla l’espressione del gene, può cambiare la modalità con cui la cellula risponde ad uno stimolo che dovrebbe portare alla stimolazione di quella proteina.

deCODE ha avuto la possibilità di avere un portale unico ricco di informazioni, ha potuto fare delle mappe e delle analisi della popolazione islandese; tramite questo approccio di popolazione non c’è il rischio di analizzare solo dei sottogruppi che possono dare una visione distorta o parziale, è un approccio appropriato per identificare dei fattori a livello del genoma e che rappresentano un indice di rischio per quanto riguarda una patologia.

Quindi come obiettivo queste società hanno la sintesi di nuovi farmaci, ma allo stesso tempo conferisce informazioni di tipo analitico quindi informazioni sul rischio di potenziali patologie sulla presenza o meno di marker genetici che sono stati identificati.

L’interesse dal nostro punto di vista è legato al fatto che è possibile utilizzare questo tipo di informazione, ossia alterazioni a livello del genoma, serve per identificare un potenziale bersaglio.

Ad esempio è stato visto che una mutazione a livello della proteina amiloide-beta-precursore in una precisa sequenza amminoacidica diminuiva fortemente il rischio del manifestarsi dell’Alzheimer.

La sostituzione amminoacidica di questa proteina è adiacente a un sito proteasico; questi siti possono rappresentare un potenziale bersaglio farmacologico: nei soggetti che non hanno questa modificazione possiamo inibire l’attività proteasica che porta a questi frammenti.

Un lavoro dello stesso gruppo riguarda una mutazione in una proteina coinvolta nel metabolismo dell’acido arachidonico fosse associata a un aumentato rischio nell’infarto del miocardio e di ischemia cerebrale: dato che in questo caso si tratta di una proteina che ha un ruolo nella sintesi di mediatori dell’infiammazione, il bersaglio farmacologico che emerge da queste osservazioni è la via metabolica che porta alla sintesi di questi mediatori dell’infiammazione e come interferire con questa via metabolica, attraverso alcuni inibitori a livelli diversi del suo percorso, possa rappresentare, a seconda di quello che si osserva nei soggetti mutati, una via di protezione dal rischio di infarto del miocardio.

Bersagli farmacologici

Quali sono i bersagli farmacologici?

• Recettori accoppiati a proteine G (> 5’000).
• Recettori nucleari (> 150).
• Canali ionici (> 1’000).
• Enzimi (non si sa nemmeno il numero talmente sono tanti).

Attualmente vi sono più di 330 bersagli di cui più di 270 espressione del genoma umano e circa 60 espressi da organismi patogeni quali antibiotici e antivirali perché in questo caso la proteina bersaglio è quella caratteristica dell’organismo patogeno. Circa il 26% sono enzimi, il 3,5% sono recettori nucleari, 3,3% sono trasportatori, 3,3% canali ionici, 2% recettori per citochine mentre il rimanente sono recettori accoppiati a proteine G.

Identificato il bersaglio farmacologico si tratta di cercare delle molecole che siano in grado di interagire con i bersagli farmacologici nella maniera desiderata.

Se il bersaglio è un enzima è necessario che la molecola possa riconoscere e interferire con questo enzima, determinando le modifiche strutturali che influenzano l’attività della cellula.

Se il bersaglio è un recettore accoppiato a proteine G e vogliamo attivarlo allora è necessario che la molecola riconosca selettivamente quel recettore e deve legarsi provocando le modificazioni strutturali che risultano nell’attivazione della cellula sulla quale il recettore è posizionato.

Come si arriva a molecole di questo genere?

Sono due gli approcci utilizzati:

1. Studio di sostanze endogene che sono in grado di interagire con quel bersaglio molecolare: ad esempio se il bersaglio è un recettore questo sarà attivato in maniera selettiva da una certa sostanza prodotta dal nostro organismo; si possono usare queste molecole come un modello di partenza e modificarle in modo da ottenere gli effetti farmacologici desiderati.
2. Screening biblioteche composti chimici e/o sostanze naturali: vengono analizzate sistematicamente un grande numero di molecole usate da piante medicinali per arrivare a identificare delle sostanze in grado di rappresentare un punto di partenza per ottenere una molecola, cioè il cosiddetto lead compound (composto di partenza).

C’è la possibilità di adottare diversi approcci:

• Storico → corteccia di cinchona (chinino) e salice (aspirina). Nel mondo della farmacologia abbiamo dei preparati di cui si conosceva l’attività in specifiche patologie e quindi si tratta di isolare i composti che sono presenti e di identificare all’interno di questi composti presenti nel fitoterapico il principio attivo che è in grado di interagire con il bersaglio farmacologico. ok
• Sviluppo SAR di un composto naturale → β-recettori (propranololo), H₂-recettori (cimetidina). Se conosciamo agonisti endogeni dei diversi recettori, la modifica di questi agonisti endogeni ci porterà a sviluppare delle molecole caratterizzate.
• Molecole disegnate per interagire con uno specifico sito → inibitori dell’ACE, inibitori della COX-2, inibitori delle proteasi dell’HIV. Conoscendo la struttura tridimensionale del bersaglio farmacologico e quindi del sito dove tipicamente il substrato o l’antagonista andrà a legarsi per svolgere la sua attività, si possono modellare delle molecole che per la loro struttura chimica si adattano al bersaglio.
• Per caso (serendipity) → spesso è capitato di osservare delle attività farmacologiche inaspettate nell’ambito dell’utilizzo di farmaci sviluppati per l’utilizzo in altre patologie. Ad esempio l’inoprazide era un farmaco che veniva usato come chemioterapico e come agente antitubercolare ma sono stati osservati anche cambiamenti a livello psicologico, ad esempio vedevano migliorato il loro umore e quindi si è scoperto che la molecola era un potente antidepressivo.
• Random screening (HTS) → antibiotici, antitumorali. È l’azienda farmaceutica che porta avanti questo tipo di processi perché necessitano di strumentazioni analitiche adeguate e una chimica significativa. Le molecole che si identificano in questo modo sono strutturalmente nuove. Maggiore è la variabilità delle strutture chimiche che si valutano e più è facile riuscire a trovare il lead compound.

Sviluppo dell’HTS

Per lo sviluppo dell’HTS sono necessari 4 elementi:

1. Banche dati di composti, dobbiamo avere a disposizioni numerose strutture chimiche.
2. Metodo di dosaggio configurato per l’automatizzazione → la farmacologia del bersaglio non deve venire alterata dalla manipolazione molecolare; → basso costo → facilità d’uso e possibilità di automatizzare e miniaturizzare. → se possibile non radioattivo.
3. Stazione di lavoro robotizzata e in questo modo è possibile lavorare con centinaia di composti al giorno.
4. Sistema di valutazione dei risultati computerizzato.

Alla fine dello screening ci troviamo con una molecola potenzialmente attiva: il lead compound ossia il composto capostipite di quelli che diverranno i farmaci in commerci.

Il fatto che questa molecola interagisca non vuol dire che sia in grado di raggiungere il bersaglio.

Inizialmente lo screening viene fatto su modelli acellulari, in seguito si lavora su modelli biochimici, in modo da osservare eventuali effetti indesiderati quando il farmaco lavora nel sistema biologico.

Il farmaco deve essere assorbito e deve avere una farmacocinetica buona. Dobbiamo poi valutare la sicurezza; seguono test per l’efficacia sugli animali e sulla tossicologia, prima di arrivare alla somministrazione all’uomo.

Sono tutti passaggi essenziali, non si può arrivare a una richiesta di autorizzazione alla sperimentazione dell’uomo sull’efficacia senza avere i dati e sulla sicurezza del farmaco e solo quando si hanno dei dossier completi su entrambi gli aspetti si può fare.

Solo la valutazione del rischio e del beneficio ci dà la possibilità di dare un parere ragionato sul farmaco.

Lezione 3

Protezione brevettuale

Una volta trovato il nostro lead compound, si tratta di proteggere la nostra scoperta.

Senza la possibilità di proteggere questa proprietà intellettuale tutti gli sforzi che abbiamo fatto possono essere usati da chiunque altro che ne trarrà tutti i benefici; la protezione brevettuale garantisce un ritorno economico dalla scoperta e sviluppo di un determinato farmaco.

Ogni nazione ha il proprio ufficio brevetti, ma per far sì che il brevetto di una nazione valga in Europa è necessario richiedere l’estensione del brevetto. In ogni caso ogni paese prima di rilasciare un brevetto deve verificare che in altre nazioni non sia stato già brevettato qualcosa di simile.

Quello che viene certificato dall’Ufficio dei Brevetti non è un’autorizzazione alla produzione di quel farmaco (questo compete all’EMA), ma garantisce il diritto unico a produrre e vendere quel farmaco. Il brevetto non garantisce la protezione dall’infrangimento: deve essere l’inventore, e non l’ufficio brevetti, a preoccuparsi di proteggere il brevetto nel caso in cui qualcuno lo infrangesse.

L’esclusiva garantita dal brevetto ha un tempo limitato: dura 20 anni a partire dalla data di deposito della domanda, si è ancora all’inizio dello sviluppo del farmaco, il processo di sviluppo va a “mangiarsi” i 20 anni di protezione del brevetto.

Per poter chiedere un brevetto, bisogna dimostrare che esista un prodotto che porti i risultati sulla base dei quali si chiede il brevetto.

Avere un brevetto e quindi avere l’esclusiva nella vendita di un determinato prodotto per un’azienda farmaceutica rappresenta un valore e vantaggio economico straordinari: quando nel 2000 la Eli Lilly, che era la detentrice sul brevetto del Prozac, non ottenne il prolungamento del periodo di protezione brevettuale le azioni sono crollate e i detentori delle azioni della Lilly hanno deciso che il fatto di non avere più il brevetto del Prozac avrebbe comportato una diminuzione significativa nelle vendite perché sarebbero comparsi i farmaci generici, farmaci