Chimica farmaceutica e tossicologica II

Chimica farmaceutica

Introduzione

Un modello su cui può essere basato e sviluppato un corso di chimica farmaceutica è basato sul mantenimento dell’equilibrio omeostatico all’interno dell’organismo vivente. In altre parole, è analizzata la genesi di ogni singola patologia a livello biochimico, la modalità in cui l’equilibrio omeostatico è stato compromesso e l’individuazione del ligando endogeno responsabile della suddetta alterazione. Dopo aver individuato il ligando endogeno, sarà descritta la molecola capace di mimarlo e il processo chimico per sintetizzarla e conferirle quelle caratteristiche affinché essa arrivi sul sito di interazione. Infine, saranno esaminate le logiche per scegliere quali sostituenti inserire sulla molecola per regolarne la farmacocinetica e la farmacodinamica.

L’equilibrio omeostatico

L’espressione equilibrio omeostatico descrive il funzionamento coordinato di tutti gli organi per garantire una relativa stabilità interna delle proprietà chimico-fisiche di un organismo vivente, anche al variare delle condizioni esterne. L’organo è un’unità anatomica, fisiologica e funzionale costituita da diversi tipi di tessuti associati per svolgere specifiche funzioni. Quando un organismo è in una condizione di equilibrio omeostatico, l’individuo non accusa nessun sintomo; quando questo equilibrio si altera, significa che un organo o un tessuto non riescono più a funzionare in sincronia con gli altri e si manifestano sintomatologie che indicano la presenza di un problema. Tale alterazione è il risultato di un non corretto funzionamento metabolico ed è definito con il termine scostamento.

Analizzare un determinato fenomeno in termini di equilibrio omeostatico vuole dire analizzare le origini dello scostamento. Il primo livello di questa indagine si effettua a livello dell’organo; se non si rivela sufficiente, è necessario “scendere” a livello tissutale e anche a livello cellulare. Da un punto di vista farmaceutico, l’obiettivo è capire il tipo di alterazioni che si verificano in un equilibrio omeostatico e approfondire in che modo le varie classi di farmaci riescano a intervenire sul controllo fisiologico di un organo. Il ripristino dell’equilibrio omeostatico originario è infatti, la risultante di un processo chimico: ossia è possibile adottare dei sistemi che sono in grado di riportare un’alterazione all’interno del range di riferimento. Sicché è possibile intervenire in modo artificiale senza dover aspettare che ciò avvenga, con tempistiche molto più lunghe, in modo naturale. In sintesi, mediante una sostanza esogena, che però imita l’azione di una sostanza endogena, si può riequilibrare in tempi più brevi uno stato alterato. Naturalmente, è necessario che abbia una struttura simile all’agente endogeno che imita.

Il farmaco

Secondo l’Organizzazione Mondiale della Sanità si definisce farmaco una sostanza o un prodotto usato per modificare o esaminare funzioni fisiologiche o stati patologici, a beneficio del paziente. I farmaci, in generale, agiscono legandosi ai recettori, così da mettere in moto una catena di eventi biochimici, i quali producono una serie di effetti farmacologici.

Il recettore è una macromolecola biologica a cui un ligando si lega per dare inizio ai propri effetti. Il legame farmaco-recettore può essere:

• Reversibile, in cui l’interazione farmaco-recettore è data da legami deboli;
• Irreversibile, in cui l’interazione farmaco-recettore è data da legami covalenti;

È importante sottolineare che nel caso di legami reversibili, le molecole libere del recettore e le molecole libere del farmaco sono in equilibrio dinamico. Mentre nel caso di legami irreversibili, l’effetto della molecola si esaurisce solo quando sono sintetizzati nuovi recettori. Inoltre, per poter ottenere una certa risposta biologica è necessario che il farmaco giunga al sito d’azione in concentrazioni adeguate.

All’interno delle varie interazioni, tutte a basso contenuto energetico e reversibili, risultano di particolare interesse quelle di Van der Waals, poiché sono maggiormente frequenti nei complessi farmaco-recettore. Tra tali interazioni, spicca la tipologia π-π poiché è in grado di fornire un contributo energetico significativo. Questa tipologia di interazione può assumere due posizioni differenti: la prima, π-stacking, è in parallelo; la seconda, T-shaped interaction, è in perpendicolare.

Da un punto di vista chimico-farmaceutico, la progettazione di un farmaco prevede tre fasi distinte:

• La scoperta, ossia l’individuazione di lead compound dotati di una certa attività verso una o più macromolecole biologiche coinvolti nella patologia;
• L’ottimizzazione, ossia le modificazioni strutturali del lead al fine di: incrementarne l’attività e la selettività, migliorarne la farmacocinetica, diminuirne la tossicità e analizzare le SAR;
• Lo sviluppo, ossia l’ottimizzazione del processo sintetico e la preparazione di formulazioni farmaceutiche opportune;

In passato la scoperta dei farmaci era spesso affidata al caso, eventualità che si verifica ancora oggi ed è indicata con l’espressione inglese serendipity.

La somministrazione dei farmaci

La somministrazione di un farmaco può avvenire per via enterale, parenterale o topica. Nella scelta della somministrazione si valuta sempre la possibilità di ridurre al minimo i disagi del paziente. Dunque, si preferisce la somministrazione orale, in secundis quella intramuscolare e, infine, quella endovenosa. A questo proposito si parla di compliance, ossia il grado di collaborazione che il paziente presta nel seguire più o meno scrupolosamente le prescrizioni del medico curante. Un farmaco è caratterizzato da un effetto principale, che è l’effetto terapeutico, e da effetti collaterali, che possono essere di minore o di elevata entità.

Alcune definizioni

Principio attivo e forma farmaceutica

Il termine principio attivo si riferisce a una sostanza naturale, semisintetica o sintetica, che possieda un’attività biologica dotata di effetti terapeutici, benefici o tossici. La forma farmaceutica è la formulazione del principio attivo sviluppata in modo da permetterne la sua somministrazione attraverso una determinata via e un determinato dosaggio. È importante sottolineare che durante la liberazione del principio attivo dalla sua forma farmaceutica, la velocità di dissoluzione nella biofase influenza la biodisponibilità del farmaco.

Farmacocinetica

La farmacocinetica analizza quantitativamente e qualitativamente una serie di fenomeni che regolano la concentrazione di farmaco nei tessuti bersaglio. I suddetti fenomeni sono:

• Assorbimento;
• Distribuzione;
• Metabolismo;
• Eliminazione;

Questa branca della farmacologia si occupa anche dello studio dei fenomeni di tossicità provocati dall’uso dei farmaci. È necessario sottolineare che l’assorbimento è il passaggio del principio attivo di un farmaco dal sito di somministrazione al torrente circolatorio. Tale passaggio è influenzato in modo significativo da due aspetti:

• Le proprietà chimico-fisiche del farmaco;
• Le vie di somministrazione;

Farmacodinamica

La farmacodinamica studia l’azione degli effetti biochimici e fisiologici dei farmaci nei sistemi biologici. In altre parole, analizza di ogni farmaco i seguenti aspetti:

• Il meccanismo d’azione;
• Gli effetti farmacologici e la correlazione con la dose di farmaco;
• Gli effetti indesiderati e la correlazione con la dose di farmaco;
• Le interazioni tra farmaci;
• Le farmacoresistenze;

Sedativi e ipnotici

Farmaci ansiolitici e induttori del sonno

Introduzione

In questo capitolo sarà discussa la natura dell’ansia e i farmaci utilizzati per il suo trattamento e quelli per l’insonnia. La distinzione tra uno stato d’ansia “patologico” e uno “normale” non è di facile definizione; si può affermare che uno stato d’ansia “patologico” è il momento in cui i sintomi interferiscono con le normali attività produttive. Le classi di farmaci utilizzate nel trattamento dell’ansia sono suddivise nel modo seguente:

• Farmaci che agiscono sui recettori canale;
• Farmaci che agiscono sui recettori metabotropici;

I farmaci che agiscono sui recettori canale

Gli stati d’ansia o di ipereccitabilità si verificano quando i valori del potenziale di riposo e quelli del potenziale soglia sono vicini. Più questi valori sono vicini tra loro, più la struttura è eccitabile. Il -70 mV è un valore medio del potenziale a riposo determinato da una disposizione dei cationi e degli anioni ai due lati della membrana. In particolare, si ha una prevalenza di ioni sodio, calcio e cloruro nell’ambiente esterno e di potassio e cariche negative nel versante citosolico. Siccome è un equilibrio di tipo dinamico, ci sono dei momenti in cui il potenziale di riposo ha dei valori superiori a -70 mV.

Se il potenziale di membrana a riposo è mediamente -70 mV, per evocare un potenziale d’azione, lo stimolo applicato deve essere capace di raggiungere il valore soglia -55 mV. Se il potenziale di riposo è, invece, a -65 mV, per poter raggiungere il potenziale di azione è necessario uno stimolo meno intenso. In entrambi i casi, la risposta evocata è la medesima, cambia solo l’intensità dello stimolo applicato. Tutto ciò è dovuto al fatto che quando viene raggiunto il potenziale soglia, viene indotta una variazione conformazionale dei canali del sodio, permettendo l’entrata dello ione nella cellula.

L’eccitabilità è strettamente associata al valore del potenziale di riposo: più questo è positivo, più la cellula è eccitabile e viceversa. In altre parole, un tessuto neuronale può variare la sua responsività a un dato stimolo in funzione del valore del potenziale di riposo che ha in quel momento. Essendo il potenziale di riposo variabile nel tempo, ci saranno periodi di maggiore o minore responsività della struttura cellulare presa in considerazione. I farmaci che inducono un aumento del flusso di ioni cloruro sono chiamati agenti sedativi.

I farmaci che agiscono allo stesso modo, ma con una maggiore durata di azione e che sono capaci di indurre il sonno, sono chiamati ipnotici. La differenza, quindi, è da ricercarsi nella durata e potenza dell’azione. I modulatori allosterici positivi aumentano la portata dei canali del cloruro e, andando a rendere più negativo il potenziale a riposo, riducono la reattività: questi composti prendono il nome di neurosteroidi. I neurosteroidi sono prodotti dalle cellule gliali. La sintesi dei neurosteroidi appartenenti alla classe dei pregnenoloni avviene attraverso internalizzazione del colesterolo, che subisce una serie di trasformazioni: dapprima il colesterolo viene trasformato in pregnenolone, poi in progesterone che a sua volta è trasformato in diidroprogesterone e, infine, in allopregnenolone, che poi viene solfatato.

I pregnenoloni solfatati vengono riversati nel liquido che circonda le vie neuronali principali andando a interagire allostericamente sui canali del cloruro. Anche se al momento questa possibilità non è percorribile, si potrebbe pensare di incrementare la sintesi di pregnenolone aumentando l’internalizzazione del colesterolo con farmaci steroidogenici.

Farmaci sedativi e farmaci ipnotici

Da un punto di vista terapeutico, è necessario distinguere i farmaci sedativi dai farmaci ipnotici. I sedativi riducono l’ansia e l’eccitazione e hanno una blanda azione depressiva sulla responsività neuronale. Gli ipnotici sono deputati all’induzione e al mantenimento del sonno. In questo caso, con l’espressione induzione s’intende la capacità di risolvere una serie di effetti che alterano una normale condizione di sonno.

Alcoli-fenoli

Quando si parla di alcoli, non si può non parlare dell’etanolo. L’utilizzo dell’etanolo come farmaco è superato. Essendo una sostanza molto idrofila, ha una farmacocinetica sfavorevole che non le permette di superare la barriera ematoencefalica. Inoltre, l’etanolo, a livello epatico, viene convertito in acetaldeide che è epatotossica al punto da indurre una patologia come la cirrosi epatica. L’acetaldeide è trasformata in acetato, che invece dovrebbe essere prodotto dal ciclo di Krebs, il ciclo dei pentosi e il ciclo degli esosi.

È chiaro che se in maniera diretta si fornisce all’organismo acetato, esso non farà lo sforzo di produrlo. Per tale ragione, tutti i grassi assorbiti con la dieta non vengono più utilizzati e sono depositati a livello epatico causando nel tempo steatosi epatica. L’alcol etilico sembra agire su un sito allosterico che però è diverso dal sito allosterico delle β-Carboline e dal sito allosterico dei pregnenolon-solfati.

Un’ipotesi sostiene l’esistenza di un possibile meccanismo di azione per il quale tali molecole, come per esempio il Propofol, si ripartiscono nella membrana cellulare saturando tutti gli spazi liberi lasciati dagli acidi grassi insaturi e polinsaturi. In questo modo, la fluidità della membrana cambia e si bloccano le attività dei canali del calcio, del sodio e del cloro.

Per ovviare allo scarso profilo farmacocinetico dell’etanolo si è cercato di incrementarne la lipofilia utilizzando il cloralio idrato. In vivo, per metabolizzazione, il cloralio idrato è trasformato in tricloetanolo, molto più lipofilo e in grado di attraversare la barriera ematoencefalica. Questo processo però ha la formazione di una quota di cloroformio. In tale molecola, il carbonio ha una carica parziale positiva dovuta alla presenza dei 3 atomi di cloro. Per cui, tende facilmente a liberare un idrogeno radicalico e a formare una specie reattiva che può andare a legarsi sui gruppi funzionali delle proteine di membrana, quali i gruppi solfidrilici, i gruppi ossidrilici, determinando in tal modo la tossicità.

Per evitare l’utilizzo del tricloetanolo è stata utilizzata la paraldeide che in vivo si trasforma in acetaldeide. La paraldeide attraversa facilmente la BEE perché lipofila e riesce a portare a livello centrale una certa quantità di alcol etilico. Si tratta di un profarmaco che svolge la sua azione solo dopo aver subito un processo di metabolizzazione. Ha un enorme problema: possiede un odore molto sgradevole. Dall’utilizzo delle molecole descritte si è compreso che per poter interagire con i recettori del GABA c’è bisogno di un –OH, di un –CH2-OH o di un –CH2-CH2-OH. Un derivato di natura alcolica, capace inoltre di incrementare la lipofilia e compartimentalizzare il farmaco a livello del sistema nervoso centrale, è l’Idroxizina, che riprende la struttura degli antistaminici.

Un’altra molecola d’interesse è il Meprobamato, appartenente ai carbammati, di cui però non si conosce il meccanismo d’azione: è un antiglicinergico che agisce a livello delle sinapsi glicinergiche lungo la via midollare.

I barbiturici

I barbiturici nascono da una reazione di condensazione tra l’acido malonico e l’urea in modo da ottenere un acido barbiturico. I barbiturici sono depressori aspecifici dell’asse cerebrospinale e funzionano dove sono espressi i canali del cloruro. L’unico trattamento che li vede ancora di una certa attualità riguarda l’induzione e il mantenimento dell’anestesia generale e il trattamento di alcune forme di epilessia. Anche in questo caso, il risultato dell’azione è una iperpolarizzazione ascrivibile a una attivazione dei canali del cloruro. I recettori del GABA sono ancora una volta centrali in questo processo.

Il canale si apre perché c’è il GABA che si lega, ma il recupero funzionale si allunga fin quando il barbiturico è legato sul sito allosterico. Quando i barbiturici sono presenti in concentrazioni elevate, essi attivano il canale anche in assenza del GABA. I barbiturici furono utilizzati per indurre la sedazione e l’ipnosi. Tuttavia, si notò che utilizzando l’acido barbiturico, l’azione sedativa era scarsa o nulla perché questo acido presenta un logP di -2 che lo rende molto più solubile in acqua che nella componente lipofila della membrana.

In altre parole, il logP di -2 non permette di attraversare la BEE e produrre la benché minima attività. Proprio per tale ragione furono provate delle sostituzioni degli idrogeni del metilene per ottenere sostanze con logP più favorevoli. Aggiungendo due etili, il logP passava a 0 e iniziava a dare un lieve effetto di sedazione. Visto che questo tipo di sintesi è molto semplice da realizzare sono stati sintetizzati moltissimi composti con una diversa lipofilia. I due idrogeni del metilene in posizione 5 sono acidi perché il carbanione che si forma è stabilizzato dalla delocalizzazione del doppietto elettronico sui due carbonili adiacenti. La funzione immidica in posizione 1 e 3 è particolarmente acida, in quanto il carboanione viene stabilizzato per risonanza. Quindi, un barbiturico può avere quattro sostituzioni diverse. In tal modo, è possibile sintetizzare diversi derivati, alcuni dotati di attività e altri privi. Nello specifico, i derivati privi di attività sono i seguenti:

• 1 monosostituiti, il logP risulta essere inferiore a zero;
• 5 monosostituiti;
• 1,3 disostituiti;
• 1,5 disostituiti;
• 1,3,5,5, tetra sostituiti;

Mentre i derivati che presentano attività sono:

• 5,5 disostituiti;
• 5,5 tiobarbiturici;
• 1,5,5 trisostituiti;

Pur avendo ottenuto il massimo della lipofilia con i de