Chimica farmaceutica 1 e fitochimica - Quarta parte

Lezione 31

Ieri abbiamo iniziato i farmaci antitumorali, abbiamo visto le caratteristiche generali e il primo gruppo, quello dei farmaci alchilanti, così detti perché vanno a legarsi preferenzialmente sugli acidi nucleici del DNA attraverso reazioni di alchilazione e questo porta all’interruzione di catena e alla rottura dei filamenti.

Abbiamo anche visto che i derivati del platino vengono inseriti in questo gruppo sebbene dal punto di vista chimico devono essere considerati dei metallanti, in quanto il platino sottoforma di ione positivo idratato dall’acqua va a legarsi sui gruppi nucleofili del DNA.

Farmaci antimetaboliti

Oggi iniziamo i farmaci antimetaboliti, questo è un gruppo molto vasto di farmaci antitumorali che presentano un’alta analogia con molecole fondamentali per la sopravvivenza cellulare e vengono a sostituirsi a queste o bloccando la crescita della catena dell’acido nucleico, oppure possono bloccare gli enzimi che sono deputati alla sintesi del DNA o dell’RNA, quindi parliamo delle corrispondenti polimerasi.

Talvolta questi farmaci inibiscono entrambi, quindi sia l’enzima che la catena di DNA in crescita. Abbiamo visto già questi farmaci come antivirali, sono molto utilizzati, tanto è vero che molti antivirali inibiscono le corrispondenti polimerasi, basti pensare a tutti i farmaci visti contro l’HIV, anche virus a DNA, come quello dell’Herpes, quindi sono molto diffusi.

Iniziamo con i farmaci antimetaboliti che intervengono nella biosintesi dell’acido tetra-idro-folico, ancora una volta questa biosintesi ci offre un valido target, tanto è vero che lo abbiamo visto come target importante con i farmaci antibatterici come i sulfamidici, lo abbiamo visto con gli antitubercolari, con l’acido para-amino-benzoico e lo abbiamo visto anche come anti-protozoarici con il cicloguanil e pirimetamina, tutti farmaci che intervengono nella sintesi dell’acido tetra-idro-folico, intervenendo su due enzimi, uno è la pteroato-sintetasi nel caso dei batteri che agisce nel primo stadio e poi la tetra-idro-folato deidrogenasi che agisce successivamente permettendo la riduzione dell’acido diidrofolico in tetra-idro-folico.

Questa via può essere sfruttata anche per essere inibita nel caso delle cellule tumorali perché anche il nostro organismo ha bisogno di sintetizzarsi l’acido tetra-idro-folico ma lo fa partendo dall’acido diidrofolico in quanto non siamo in grado di sintetizzare tutti i precursori.

Allo scopo sono stati ideati dei farmaci che presentano un’elevata analogia con il substrato, quindi il primo substrato utile è l’acido diidrofolico che viene ridotto ad acido tetra-idro-folico tramite la diidrofolato reduttasi nell’uomo, quindi attraverso una riduzione di questo doppio legame (freccia) dell’anello pirazinico della pteridina che porta l’acido tetra-idro-folico che lega attraverso le posizioni N-5 e N-10 un raggruppamento metilenico che verrà inserito nel precursore della pirimidina andando poi a produrre tutte quelle basi che serviranno per la sintesi della catena degli acidi nucleici.

Metotrexato

Il metotrexato è una molecola estremamente analoga all’acido diidrofolico, differenziandosi da questa per sole tre caratteristiche, presenta un gruppo amminico che sostituisce un gruppo ossidrilico sulla posizione 4, poi abbiamo un ulteriore doppio legame tra la posizione 7 e la posizione 8, non presente nell’acido diidrofolico e poi l’atomo di azoto in posizione 10 viene metilato e queste tre piccole modifiche sono sufficienti per andare a bloccare la diidrofolato reduttasi, inibendolo in modo irreversibile.

Quindi si osserverà una mancanza di acido tetra-idro-folico che talvolta può richiedere anche la somministrazione in contemporanea di acido diidrofolico quando questa notevole carenza causa problemi.

Il metotrexato è usato nel coriocarcinoma, ovvero in quel tumore a carico del trofoblasto, nella placenta, viene utilizzato con successo nella leucemia acuta e inoltre possiede un’azione immuno-soppressiva ed è stato impiegato per tanti anni nei trapianti d’organo per evitare il rigetto dell’organo stesso e ha trovato applicazione anche nell’artrite reumatoide.

Il metotrexato è un farmaco che è stato sintetizzato tanti anni fa e in tempi recenti si sono ottenuti degli analoghi che mostrano dei miglioramenti e soprattutto permettono una maggiore potenza dovuta al fatto che il farmaco agisce sempre all’interno della biosintesi dell’acido tetra-idro-folico ma lo fa anche in un altro punto.

Pemetrexed

Abbiamo il pemetrexed che rispetto al metotrexato manca dell’atomo di azoto in posizione 10 e l’altra grande variazione è la sostituzione dell’anello pirazinico con un anello di tipo pirrolico, inoltre ritorna l’atomo di ossigeno nella posizione 4 che è presente nel diidrofolato ma non nel metotrexato.

Questo farmaco viene impiegato nella terapia del così detto mesotelioma pleurico maligno in associazione con il cisplatino, ovvero quel tumore a carico del mesotelio polmonare che viene causato dall’amianto. Questa molecola offre un vantaggio di andare ad inibire anche la timidilato-sintasi oltre che bloccare la diidrofolato reduttasi.

Questo naturalmente permette una maggiore efficacia del farmaco perché la timidilato-sintasi è quell’enzima che attraverso il gruppo -SH è in grado di trasferire il gruppo metilenico che si trova legato tra l’N-5 e l’N-10 del derivato che possiede il gruppo metilenico, quindi dal N5-N10-metilen-tetra-idro-folato, al substrato rappresentato dall’uridina mono-fosfato.

In questa slide vediamo come funziona, quando abbiamo a che fare con il substrato rappresentato dalla deossi-uridina-mono-fosfato che è un substrato naturale, la timidilato-sintasi attraverso il gruppo tiolico va a legarsi su questo atomo di C (freccia), successivamente la posizione adiacente viene arricchita elettronicamente in modo tale che possa andare a legarsi sul C metilenico, legato in posizione N-5 e N-10 del tetra-idro-folato, così si apre il nucleo, si forma un complesso a tre tra l’enzima, la base e il tetra-idro-folato.

Poiché nella posizione 5 abbiamo normalmente un atomo di idrogeno, questo viene perso e così facendo gli elettroni vanno a formare un doppio legame che è naturalmente presente nel substrato di partenza e questo permette la fuoriuscita dell’enzima che potrà essere pronto per riattaccare un’altra molecola. Nell’ultimo passaggio si ha la liberazione dell’acido tetra-idro-folico dalla deossi-uridina-mono-fosfato perdendo questo protone (freccia), si forma un doppio legame e si lega l’azoto con il carbonio formando il substrato in cui è presente il gruppo metilenico che poi sarà quello della timidina-tri-fosfato, perché il risultato ultimo è sempre quello della sintesi della timidina-tri-fosfato. Quindi questo farmaco mostra una doppia inibizione enzimatica.

Antimetaboliti pirimidinici

L’enzima timidilato-sintasi è un enzima fondamentale anche per quanto riguarda farmaci sempre di tipo antimetabolitico che sono diversi dall’acido tetra-idro-folico ma assomigliano molto di più al substrato della timidilato-sintasi. Questi mostrano una forte analogia con quello che è il 5-uridina-mono-fosfato, sul quale la timidilato-sintasi va ad inserire il gruppo metilenico.

5-fluorouracile

In questo gruppo rientra il 5-fluorouracile che è un farmaco antitumorale piuttosto potente ma con indice terapeutico piuttosto basso, quindi molto tossico, di cui abbiamo già accennato qualcosa quando abbiamo fatto i farmaci antifungini, in particolare con la flucitosina che è un farmaco del tipo 5-fluorouracile che viene deaminato in modo selettivo all’interno delle cellule fungine facendo sì che la molecola citotossica venga attivata esclusivamente all’interno del fungo e questo permetteva di utilizzare la flucitosina con sicurezza.

Vediamo rapidamente come interviene la timidilato-sintasi e come si forma il metabolita endogeno analogo al 5-fluorouracile.

La molecola deve essere preventivamente attivata tramite una uridina-fosforilasi, deve quindi venire ribosilata sul 5-fluorouracile formando la fluoro-uridina che poi viene fosforilata a mono-fosfato tramite una uridina chinasi, ottenendo la 5-fluorouridina mono-fosfato. A questo punto questa può essere ulteriormente fosforilata, di-fosfata e tri-fosfata e così fatta può essere incorporata nella catena del RNA in crescita e questo porta ad un’azione citotossica nei confronti della cellula.

Incorporazione nell’RNA.

La 5-fluorouridina monofosfato può a sua volta subire un processo di riduzione, formando la 5-deossiuridina monofosfato. Questa rappresenta il substrato adatto, l’atomo di fluoro in posizione 5 è fondamentale perché determina l’inibizione della timidilato-sintasi perché l’atomo di fluoro diversamente da quanto succede con l’atomo di ossigeno non è un buon gruppo uscente, ovvero nella reazione vista prima in cui la timidilato-sintasi deve andare a legarsi al deossiribosio, si trova dall’altra parte non più l’idrogeno ma si troverà l’atomo di F che appunto per liberare l’enzima deve essere liberato, ma siccome il fluoro a causa del suo poter elettron-attrattore non è un buon gruppo uscente e conseguentemente il legame diventa irreversibile e l’enzima non può essere rigenerato.

Quindi il 5-fluorouracile è un farmaco che con una semplice sostituzione di un atomo di idrogeno con uno di fluoro blocca questo enzima.

In realtà il blocco è un po' più complesso perché determina la formazione di un complesso a tre, tra la timidilato-sintasi, il 5,10-metilen-tetra-idro-folato e il 5-fluorouracile che non viene ad essere idrolizzato, questo porta ovviamente al blocco della sintesi della timidina tri-fosfato. Infatti una volta che la timidina viene sintetizzata poi deve essere ulteriormente fosforilata per arrivare alla forma completa tri-fosforilata.

Il 5-fluorouracile è una molecola che ha un indice terapeutico basso, ma è un farmaco importante perché ha un effetto positivo in un gran numero di tumori solidi e viene utilizzato su tumori alla mammella e allo stomaco come farmaco singolo, in questo caso dà delle risposte parziali ma quando viene associato ad altri farmaci antitumorali abbiamo una risposta più efficace.

Viene utilizzato in associazione al cisplatino per il tumore al tratto digerente, oppure all’oxaliplatino nel caso del tumore del colon-retto. In questo caso si associano farmaci che non hanno una potente azione mielo-soppressiva perché il 5-fluorouracile la ha, ma i derivati del platino mostrano un’azione negativa sul midollo osseo, oppure può essere impiegato associato al metotrexato (azione sinergica) che agisce sull’enzima precedente quindi sulla diidrofolato reduttasi mentre il 5-fluorouracile agisce in un momento successivo, quindi abbiamo un effetto simile a quello del sulfamidico associato ad una 2,4-diammino-pirimidina.

Su questo farmaco si sono sviluppati diversi meccanismi di resistenza, tra tutti la ridotta espressione di enzimi attivanti il 5-fluorouracile, quindi la fase di ribosilazione e di mono-fosforilazione di questo enzima, si può avere un’aumentata espressione della timidilato-sintasi, oppure una mutazione amminoacidica della timidilato-sintasi.

È un farmaco che viene assorbito pochissimo per via orale e presenta un assorbimento altalenante e quindi va somministrato solo per via parenterale, la tossicità è molto elevata, sia a livello gastroenterico in quanto la mucosa intestinale a questo farmaco è molto sensibile, che sebbene non abbia un’azione diretta in quanto non viene somministrato per via orale, però siccome le cellule dell’apparato gastro-intestinale sono cellule che si riproducono molto velocemente quindi sono soggette ad azione cito-tossica da parte di questi farmaci.

È molto elevata anche la depressione del midollo osseo, può portare a completa perdita dei peli e può anche determinare gravi disturbi neurologici che spesso richiedono la sospensione e sostituzione del farmaco. È un farmaco che deve essere somministrato sotto attento controllo medico proprio per questo indice terapeutico molto basso.

Capecitabina

Ancora abbiamo la capecitabina che è un derivato del 5-fluorouracile e deve essere considerato come un profarmaco. Infatti riconosciamo come nucleo, come base pirimidinica quella del 5-FU, solo che è presente una funzione carbammoilica (cerchiata) che è molto importante per la somministrazione orale, è quella che permette al farmaco di essere assorbita cosa che non succede con il 5-FU, e poi abbiamo la ribosilazione laddove però il gruppo CH₂OH è sostituito con un gruppo metilico.

Questo farmaco viene assorbito molto bene e a livello epatico si ha l’eliminazione della catena acida tramite esterasi epatiche e poi avviene la deaminazione ossidativa tramite una citidina-deaminasi, in cui si sostituisce il gruppo amminico con un atomo di ossigeno, si forma la 5’-deossi-5-fluorouriina la quale infine viene fosforilata a 5-FU tramite la timidina fosforilasi.

Il 5-FU subirà il processo visto prima, quindi ribosilazione, fosforilazione e successiva trasformazione del ribosio in deossiribosio. La capecitabina presenta anche una certa selettività perché la fase di attivazione da 5’-deossi-5-fluorouriina a 5-FU, avviene prevalentemente nelle cellule tumorali in quanto qui si ha una sovra-espressione di timidina fosforilasi, questo quindi permette di salvaguardare in misura maggiore i tessuti circostanti sani.

Questo farmaco viene associato al docetaxel che è un farmaco antitumorale antimitotico, per il tumore al seno che non risponde più alle antracicline che spesso rappresentano il farmaco di prima scelta assieme ai farmaci derivati dal tassolo.

Citarabina

La citarabina è ancora una volta un farmaco che possiede un nucleo pirimidinico quindi si comporta come antimetabolita ed è un analogo della citidina, dove l’unica differenza è rappresentata dalla sostituzione del D-ribosio con il D-arabinosio.

Quindi la differenza è unicamente legata alla configurazione di questo atomo di carbonio (freccia).

Questo fa sì che il farmaco una volta attivato tramite deossicitidina chinasi e poi successivamente di-fosforilato tramite la deossinucleotide chinasi, viene tri-fosforilato e inserito nella catena di DNA in crescita.

Questo porta al blocco dell’accrescimento della catena perché questa inversione di configurazione impedisce un giusto accoppiamento delle basi e porta anche al blocco della corrispondente polimerasi.

La citarabina viene utilizzata come farmaco unico nella leucemia mieloide acuta, deve essere somministrato per via endovenosa o per via cutanea, ma non per via orale.

Presenta una forte depressione midollare come tutti i farmaci antimetabolitici, con disturbi gastro-intestinali con lesioni a carico di questi tessuti, nausea e vomito e talvolta anche dei fenomeni di orticaria.

Antimetaboliti purinici

Mercaptopurina

Tra quelli che hanno una struttura di tipo purinico ritroviamo la mercaptopurina, che ha un’estrema analogia con il substrato naturale che in questo caso è rappresentato dall’adenina e l’unica modifica è relativa al gruppo tiolico -SH con un gruppo amminico.

In questo caso il blocco non avviene tanto sull’accrescimento della catena di DNA o la corrispondente polimerasi, ma inibisce un enzima che si chiama amido-dosforibosil-transferasi e questo porta al blocco dell’acido adenilico e dell’acido guanilico.

Ovvero come vediamo qui, agisce quando abbiamo il fosfo-ribosil-derivato che subisce una reazione di deaminazione prelevando un gruppo amminico della glutammina e lo inserisce al gruppo NH. Quindi questo farmaco va ad inibire il trasferimento del gruppo amminico che poi naturalmente attraverso una serie di reazioni che non ci interessano va a formare i due acidi, l’acido adenilico e l’acido guanilico.

La mercaptopurina viene impiegata per la cura di alcuni tumori e soprattutto nelle leucemie linfatiche acute. Come maggior effetto citotossico abbiamo quello a livello del midollo osseo, ricordiamoci che questa è una caratteristica comune di tutti i farmaci antimetabolitici.

Idrossicarbamide

Abbiamo poi l’idrossicarbamide che è una molecola molto semplice, possiamo chiamarla anche idrossi-urea in quanto non è altro che l’urea idrossilata, che inibisce un enzima importantissimo che è la ribonucleotide-reduttasi che determina la riduzione del ribosio in deossiribosio.

Questo è un farmaco che è noto da tantissimo tempo (almeno 70-80 anni) e viene usato per la leucemia cronica granulocitica e nella cura dei tumori solidi come quello del collo e della cervice uterina. È un farmaco che può essere impiegato per lungo termine proprio perché ha una tossicità decisamente limitata, soprattutto se confrontata con tutti gli altri farmaci antimetaboliti.

Farmaci antibiotici

Farmaci antibiotici, quelli che agiscono con un meccanismo completamente diverso, di cui abbiamo diversi derivati, il nome prende spunto sia dall’origine che è naturale, dallo Streptomyces e poi anche per la loro somiglianza strutturale con gli antibatterici.

Dactinomicina

Tra questi ricordiamo la dactinomicina che è isolata appunto dallo Streptomyces che possiede un gruppo fenossa-azonico (cerchiato) sul quale attraverso due funzioni carboniliche si trovano legati dei peptidi ciclici rappresentati da cinque amminoacidi abbastanza particolari, di cui alcuni appartengono anche alla serie D e alcuni sono anche non proteici.

Sono dei farmaci che sono in grado di legarsi al DNA attraverso sia un’azione intercalante perché questo nucleo fenossa-azonico in virtù della sua planarità, ri