Chimica farmaceutica I

Chimica farmaceutica

La chimica farmaceutica è una scienza interdisciplinare all’interfaccia tra la chimica organica, la biochimica, la farmacologia, la biologia computazionale e la chimica fisica. Questo ramo della chimica riguarda l’invenzione e la preparazione di composti metabolicamente attivi dotati di effetto terapeutico per l’uomo, lo studio del loro metabolismo, del meccanismo d’azione molecolare e la costruzione di relazioni struttura-attività (RSA).

Quali sono gli obiettivi della chimica farmaceutica?

• Conoscere e prevedere l’effetto di un farmaco sull’organismo;
• Conoscere le interazioni con altri farmaci;
• Prevedere i possibili effetti collaterali;
• Determinare le ottimali vie di somministrazione di un farmaco;
• Apportare modifiche ad un farmaco per ridurre gli effetti indesiderati;
• Determinare le scelte migliori per la conservazione del farmaco.

Per raggiungere tali obiettivi, il chimico farmaceutico deve avere conoscenze in merito a:

• Solubilità di un farmaco in ambiente acquoso o lipidico;
• Attraversamento delle membrane biologiche;
• Interazioni con i target recettoriali;
• Metabolismo (metaboliti inattivi, metaboliti tossici);
• Uso responsabile dei farmaci ed eventualmente effetti da abuso di farmaci.

Il farmaco è una sostanza chimica che, in una formulazione adeguata, è in grado di provocare un effetto farmacologico nell’uomo o nell’animale.

La ricerca farmaceutica si è evoluta notevolmente nel corso degli anni e ha permesso di conoscere e sintetizzare nuovi farmaci. Distinguiamo infatti:

• Farmaci di prima generazione: es. penicilline, sulfamidici, aspirina;
• Farmaci di seconda generazione: farmaci scoperti attorno al 1960, tra cui i farmaci neurolettici, i FANS, gli H2-antagonisti utilizzati come antiulcera, gli H1-antagonisti utilizzati come antistaminici, i beta-bloccanti;
• Farmaci di terza generazione: di più recente scoperta, tra cui i farmaci per le malattie neurodegenerative, gli antivirali e gli antitumorali.

Come avviene lo sviluppo di un nuovo farmaco?

• Scoperta: nella maggior parte dei casi la scoperta si basa su una ricerca sistematica conoscendo già il target, più raramente si può parlare di una scoperta totalmente casuale (concetto di “Serendipity”);
• Caratterizzazione chimico-fisica: solubilità, pH ecc.;
• Studi preclinici farmacologici: studi che hanno lo scopo di capire se il farmaco può risultare tossico in vitro su cellule/tessuti. Si fa riferimento a studi di farmacocinetica (percorso del farmaco prima dell’interazione con il farmaco: ADME) e studi di farmacodinamica (quando il farmaco interagisce con il target specifico e innesca una risposta farmacologica);
• Studi preclinici tossicologici: sugli animali, per valutare la tossicità acuta o cronica, la mutagenicità, la teratogenicità, la cancerogenicità. La tossicità acuta si valuta somministrando alte dosi di farmaco, la tossicità cronica si valuta somministrando dosi ripetute di farmaco nel tempo;
• Studi clinici: gli studi clinici richiedono le autorizzazioni specifiche da parte degli enti regolatori FDA e MEA (agenzia europea dei medicinali) perché si effettuano sui soggetti.

Gli studi clinici comprendono quattro fasi:

• Studi clinici di fase 1: si effettua la somministrazione del farmaco in studio su un numero ridotto di pazienti volontari sani;
• Studi clinici di fase 2: si effettua su pazienti malati per la valutazione dell’attività e del dosaggio necessario;
• Studi clinici di fase 3: trials clinici per stabilire l’efficacia;
• Studi clinici di fase 4: studi di farmacovigilanza, i pazienti che assumono il farmaco immesso in commercio riferiscono gli effetti indesiderati al medico/farmacista.

Tutto il processo di sviluppo di un nuovo farmaco è molto complesso, costoso e richiede di tempi molto lunghi (15-20 anni). Durante la fase di studio preclinico bisogna valutare anche studi riguardo: la formulazione, la stabilità del farmaco, la produzione su larga scala a livello industriale. Per questo motivo, quando i chimici farmaceutici si accorgono che una determinata sostanza è dotata di attività farmacologica utile e non tossica, intervengono le industrie farmaceutiche che comprano il brevetto e finanziano gli studi farmaceutici.

In genere, da un gruppo di farmaci di circa 10mila-20mila candidati si ottiene un’unica molecola farmacologica dotata delle migliori caratteristiche e proprietà. In termini più tecnici facciamo riferimento a:

• Fase di identificazione dell’“hit compound”, ossia dell’insieme dei composti iniziali da valutare per arrivare al lead compound. L’hit compound si ottiene o per via sintetica o per via computazionale, ossia attraverso degli specifici programmi al computer che permettono di studiare la struttura delle molecole in digitale, evitando quindi di sintetizzare troppe molecole in laboratorio, risparmiando risorse;
• Fase di generazione del “lead compound”, ossia il composto che abbiamo identificato come punto di partenza e che deve subire il processo di ottimizzazione;
• Ottimizzazione del lead attraverso vari studi di farmacocinetica e farmacodinamica;
• Ottenimento del farmaco attivo farmacologicamente.

Come è possibile scoprire nuovi farmaci?

• Scoperta casuale (“Serendipity”): un esempio di Serendipity è la scoperta della penicillina nel 1928 ad opera di Alexander Fleming. L’azione antibatterica della penicillina fu notata per la prima volta casualmente in una coltura batterica contaminata da spore del fungo Penicillum notatum.
  Un altro esempio è la scoperta delle benzodiazepine negli anni ’50 ad opera di Leo Sternbach. Le benzodiazepine sono farmaci tranquillanti composti da un ciclo eptanoico (7 termini) diazepinico (2 atomi di azoto), scoperti casualmente nel laboratorio della Hoffman-La Roche in cui Sternbach stava studiando nuovi composti ad attività tranquillante in alternativa ai barbiturici, troppo tossici. La prima benzodiazepina scoperta fu il clordiazepossido (“Librium”), da cui poi è stato scoperto il diazepam (“Valium”);
• Modifiche di farmaci noti (farmaci “me too”);
• Sostanze naturali: un esempio di farmaco sintetizzato da fonti naturali è la morfina, un oppioide derivato dall’oppio, un potente analgesico ottenuto per incisione delle capsule di Papaver somniferum. La morfina è il principale componente dell’oppio (10-15%) oltre alla presenza di altre sostanze come la codeina e la tebaina. I derivati sintetici della morfina sono: il metadone (utilizzato nella disassuefazione da oppioidi, meno potente della morfina), il loperamide (utilizzato come antidiarroico poiché la morfina e i suoi derivati provocano costipazione come effetto collaterale), il fentanil (potente analgesico utilizzato dalla semplificazione strutturale della morfina).
• Studio degli effetti collaterali: es. sildenafil;
• Sintesi razionale.

Che cos’è il brevetto e come funziona?

Il brevetto garantisce alla ditta titolare il diritto a vendere e trarre profitto da un nuovo farmaco in via esclusiva.

La durata del brevetto in Italia è di 20 anni, arco di tempo in cui solo la ditta titolare può sintetizzare quel determinato farmaco. Il brevetto viene depositato prima ancora della commercializzazione, durante gli studi preclinici.

Si possono brevettare molecole ma anche il loro utilizzo come medicinali e la via sintetica industriale, ossia come ottenere quel determinato composto farmacologico.

Le aziende farmaceutiche possono “prolungare” il brevetto attraverso una tecnica che prende il nome di commutazione chirale (o “chiral switching”). Fino a qualche decennio fa, infatti, i farmaci potevano essere venduti in forme racemiche (es. talidomide) ma ad oggi è importante definire l’enantiomero dotato di attività farmacologica, ossia enantiomero R o S. Il brevetto viene prolungato se l’azienda dimostra che un enantiomero è più attivo di quello in commercio al momento.

→ Es. bupivacaina levobupicaina (enantiomero S)
→ Es. omeprazolo esomeprazolo (enantiomero S)

Quanti nuovi farmaci vengono approvati dalla FDA ogni anno?

Nel 2020 sono stati approvati 20 NME (nuove entità molecolari) e 13 BLA (nuove applicazioni biologiche), un numero fortunatamente maggiore rispetto ai numeri del 2000. Non si tratta quindi di un numero molto elevato e l’area terapeutica in cui è stato approvato il maggior numero di farmaci nel 2020 è l’oncologia, insieme ad infettologia e neurologia. I farmaci maggiormente introdotti sono “piccole molecole” (< 40 AA).

Esempi di farmaci che sono entrati recentemente nel mercato sono:

• Paliperidone: è un antagonista D2-5HT2A (dopaminergico e serotoninergico) utilizzato come antipsicotico, sintetizzato apportando un miglioramento delle proprietà farmacocinetiche del risperidone, farmaco già esistente sul mercato;
• Desvenlafaxina: inibitore del reuptake di serotonina e dopamina, ottenuto per demetilazione (“des”=senza un metile) di un farmaco antidepressivo già conosciuto, la venlafaxina;
• Colina fenofibrato: agonista PPARα, sale ottenuto dal fenofibrato, utilizzano nelle iperlipemie;
• Arformoterolo: (isomero R,R) è un β2-agonista a lunga durata d’azione (LABA) utilizzato nel trattamento della bronco-pneumopatia cronica ostruttiva e nell’asma, ottenuto dalla miscela racemica RS del formoterolo;
• Romiplostin: è un farmaco che funge da agonista del recettore della tromboplastina e stimola la produzione piastrinica;
• Rufinamide: anticonvulsivante efficace nel trattamento dell’epilessia resistente al trattamento con altri farmaci (Sindrome di Lennox-Gastaut).

Che cosa si intende per “drug repurposing”?

Si intende la ricollocazione di farmaci già approvati ma con uno studio diverso in un ambito terapeutico diverso.

Il vantaggio sta nel fatto che lo studio per il ricollocamento è molto più breve rispetto allo studio di un nuovo farmaco. Esempi: amantadine (influenza → Parkinson), aspirina (antinfiammatorio → antipiastrinico), bupropione (antidepressivo → disassuefazione da fumo), sildenafil (inibitore della PDE5 nel trattamento dell’ipertensione e angina pectoris → impotenza).

Relazioni struttura attività (SAR)

È importante conoscere come delle variazioni strutturali su una molecola si traducono in senso di attività biologica.

Alexander Crum Brown diceva: “Non c’è dubbio ragionevole che esista una relazione tra l’attività fisiologica di una sostanza e la sua composizione chimica”.

Quando parliamo di struttura facciamo riferimento alla struttura molecolare, elettronica, sterica (di ingombro), per cui modifiche delle proprietà chimico-fisiche in termini di volatilità, solubilità, acidità, polarità, reattività, possono interferire con l’aspetto farmacocinetico (ADME) e farmacodinamico (interazione con il target specifico).

Come possiamo classificare i farmaci in base all’attività?

• Farmaci con attività strutturalmente specifica: l’attività biologica dipende dalle proprietà chimiche quali dimensioni e forma della molecola, stereochimica, gruppi funzionali, distanze intramolecolari.
  Sono farmaci la cui attività sembra legata all’interazione tra la molecola di farmaco ed un sito d’azione specifico. L’attività non è facilmente correlabile con nessuna delle proprietà chimiche citate in quanto un piccolo cambiamento di una sola di esse può modificare profondamente l’attività (es. un farmaco che può esistere solo sotto forma di enantiomero R o S perché solo uno dei due è metabolicamente attivo).
  Sostanze con caratteristiche strutturali comuni provocano effetti farmacologici simili e tali effetti sono altamente stereospecifici, quindi variano in base alla chiralità.
  Variazioni parziali delle caratteristiche strutturali permettono di ottenere composti con proprietà di antagonisti diretti o competitivi.
• Farmaci con attività strutturalmente non specifica: l’attività biologica del farmaco non dipende dalle proprietà chimiche della molecola ma da quelle chimico-fisiche quali solubilità, coefficiente di ripartizione, tensione di vapore. Si tratta di farmaci in cui l’attività sembra legata all’accumulo del farmaco in parti lipidiche della cellula (es. membrane cellulari), non c’è un’interazione diretta con il sito recettoriale ma solo un discorso di accumulo, per cui l’azione farmacologica non è dovuta all’interazione con uno specifico sito recettoriale. Effetti farmacologici simili sono provocati da sostanze che hanno caratteristiche strutturali diverse ma simili proprietà chimico-fisiche. Gli effetti non variano al variare della chiralità e non si hanno antagonisti competitivi con caratteristiche strutturali analoghe a quelle degli agonisti.

Teoria recettoriale

Già agli inizi del ‘900, Paul Ehlrich ipotizzò che le cellule dei mammiferi fossero provviste di recettori in grado di interagire secondo leggi chimiche con gli antigeni ed i composti chemioterapici. Queste sostanze erano dotate di proprietà aptofore (ancoranti) e toxofore (avvelenanti).

Ehlrich riuscì a comprendere la reversibilità di questa interazione, che definiva come un “interazione labile e per nulla permanente”, descrivendo che:

“Solo alcune sostanze possono ancorarsi ad alcune parti dell’organismo perché si adattano alla molecola del complesso accettore, come un pezzo di mosaico trova il suo posto in un disegno.”

Questa descrizione spiega perfettamente il concetto di complementarità tra recettore ed antigene.

I recettori sono macromolecole biologiche, solitamente proteine ma possono essere anche acidi nucleici, che fanno parte della cellula target (es. fanno parte della membrana biologica).

Sono molecole in grado di interagire in maniera specifica con un farmaco, ossia una qualsiasi sostanza endogena (neurotrasmettitori o metaboliti) o esogena (di sintesi) in grado di legare il sito recettoriale.

La complementarità tra farmaco e recettore deve essere intesa in senso dinamico, in quanto ognuna delle due molecole può provocare nell’altra delle specifiche modifiche conformazionali e della distribuzione di cariche, allo scopo di adattarsi perfettamente l’una all’altra.

Per poter correttamente spiegare la teoria recettoriale occorre classificare i farmaci in due categorie: farmaci agonisti e farmaci antagonisti.

• Farmaci agonisti: si definisce “agonista” una qualsiasi sostanza (farmaco, metabolita, NT, ormone) che, legandosi al suo recettore specifico, produce una risposta biologica.
  Viene anche definito “agonista pieno” per distinguerlo dall’agonista parziale che è invece una sostanza che legandosi ai recettori specifici produce una risposta che non è mai quella massima prodotta dall’agonista pieno. Esso possiede, quindi, proprietà intermedie tra quelle dell’agonista pieno e quelle dell’antagonista;
• Farmaci antagonisti: si definisce “antagonista” una sostanza che, legandosi al recettore dell’agonista, ne impedisce l’effetto bloccando il sito recettoriale. Questa definizione però non è del tutto corretta poiché, secondo la “Teoria classica dell’occupazione” (anche definita “Teoria di Clark-Ariens”) esistono due tipologie di antagonismo:
  • Farmaci antagonisti competitivi: ad azione reversibile, cioè il blocco recettoriale è sormontabile da opportune dosi di agonista;
  • Farmaci antagonisti non competitivi: azione solo parzialmente sormontabile dall’agonista perché si lega ad un sito recettoriale diverso da quello dell’antagonista (in pratica non competono per lo stesso sito recettoriale). Quindi, l’antagonista non si lega al sito recettoriale dell’agonista ma si lega ad un sito recettoriale differente definito “sito allosterico”.

Quali sono state le varie teorie recettoriali nel corso degli anni?

(1) Teoria classica dell’occupazione di Clark (1926): “l’attività farmacologica è proporzionale al numero di recettori disponibili”;

(2) Modifica di Ariens e Stephenson che idearono per primi il “concetto chiave-serratura”: “si può avere interazione con affinità ma non necessariamente con efficacia”. Questo concetto permette di comprendere l’attività di agonisti ed antagonisti: gli agonisti sono sostanze che possiedono sia affinità che attività intrinseca (efficacia), mentre gli antagonisti possiedono solo l’affinità.

(3) Teoria della velocità di Paton (1961): “l’intensità dell’attività biologica dipende dalla cinetica (velocità) con cui vengono attivati i recettori”;

(4) Teoria della perturbazione macromolecolare di Belleau (1964): anche definita “teoria dell’adattamento indotto”, che spiega come le perturbazioni possono essere produttive (cioè portare ad una risposta biologica, quindi parlando di agonisti) oppure possono essere non produttive (solitamente si fa riferimento a dei farmaci con caratteristiche simili all’agonista ma con una dimensione maggiore oppure che determinano un “misfolding”, adattamento conformazionale non produttivo in termini di attività).

Come spieghiamo la cinetica dell’interazione farmaco-recettore?

R = recettore non attivato
FR = complesso farmaco-recettore