Tossicologia generale e del farmaco - parte 4

Tossicologia lez. 10 24.03.2022

Oggi facciamo un argomento che a mio avviso è molto interessante per la tossicologia, che è la seconda fase nel percorso tossicocinetico di uno xenobiotico, e cioè la fase della distribuzione.

La volta scorsa abbiamo visto rapidamente l’assorbimento perché la maggior parte delle cose le sapevate e tante altre cose le riprenderemo poi in argomenti più specifici, quando faremo lo sfruttamento dei trasportatori per esempio a livello renale, a livello epatico, lo vedremo in maniera più specifica di volta in volta, quindi era inutile caricarvi la scorsa volta con tutti questi concetti.

Quindi, una volta che il nostro xenobiotico è stato assorbito lo ritroveremo, ovviamente, nel sangue. Dal sangue, lo xenobiotico, lascerà il liquido plasmatico per andare a distribuirsi in tutto l’organismo. E cioè andrà a distribuirsi prima di tutto nel liquido interstiziale e poi da qui potrà andare a distribuirsi all’interno delle cellule dei tessuti, quindi il passaggio è sangue—>liquido interstiziale—>interno della cellula, che richiede chiaramente il passaggio di tutta una serie di membrane, endoteliale e membrane cellulari eventualmente delle cellule dei vari organi in cui va a distribuirsi.

Ovviamente contemporaneamente a questo inizieranno i processi di biotrasformazione e di eliminazione. Un concetto importantissimo è che sia nel plasma che all’interno dei tessuti, il nostro xenobiotico, può trovarsi o in forma libera o in forma legata, ed esisterà sempre un equilibrio tra forma legata e forma libera.

Questo è importantissimo perché sapete bene che soltanto la quota libera di xenobiotico è in grado di superare le membrane. E quindi di lasciare per esempio il liquido plasmatico, di superare la membrana endoteliale e quindi di passare a livello extracellulare.

Lo stesso, a livello dei tessuti, il legame del nostro xenobiotico a strutture e proteine, elementi tissutali, ovviamente intrappolerà lo xenobiotico nel tessuto, mentre soltanto la quota libera si troverà in equilibrio con lo xenobiotico presente nel liquido extracellulare e nel plasma.

Quindi il concetto di xenobiotico libero e legato è importantissimo perché poi sarà la quota libera di xenobiotico che andrà ad esercitare i suoi effetti, che sia effetto terapeutico o effetto tossico.

Fattori che influenzano la distribuzione

Allora, da cosa dipende il modo in cui uno xenobiotico va a distribuirsi nell’organismo? Ovviamente da quello che abbiamo detto finora in tutte le lezioni precedenti, non è un tipo di distribuzione omogenea, abbiamo detto tante volte che gli xenobiotici hanno un target, un organo preferenziale, vanno ad accumularsi talvolta in organi specifici, quindi per la stragrande maggioranza degli xenobiotici la distribuzione non è omogenea in tutto l’organismo.

Da che cosa dipende la distribuzione dello xenobiotico? Come sempre, prima di tutto, dipende dalle caratteristiche della molecola stessa, e cioè dalla liposolubilità, perché da questo dipenderà la capacità del nostro xenobiotico di attraversare le membrane.

Così come abbiamo detto la volta scorsa, la lipofilia influenza sia il passaggio con le membrane che si interfacciano con l’esterno durante l’assorbimento ma anche tutte le membrane dell’organismo. Quindi, primo fattore importantissimo, la liposolubilità come sempre.

Secondo fattore che ovviamente è determinante per il raggiungimento di determinati distretti dell’organismo da parte dello xenobiotico sarà il flusso ematico distrettuale, cioè quanto ciascun distretto, ciascun organo è irrorato dal sangue.

Il terzo parametro che da un punto di vista tossicologico è fondamentale è la capacità degli xenobiotici di legarsi alle proteine plasmatiche in primis, quindi alle proteine del sangue, quindi di essere trasportato legato alle proteine plasmatiche, e poi anche la capacità di legarsi a proteine tissutali o comunque elementi tissutali che, poi lo vedremo, possono intrappolare il nostro xenobiotico, trattenere lo xenobiotico in specifici organi o tessuti.

Sulla base di tutte queste caratteristiche, ovviamente, si potranno verificare condizioni molto diverse, che sono esemplificate in questo disegno, nel primo caso abbiamo il nostro xenobiotico che è rappresentato da questi puntini azzurri si ritroverà esclusivamente nel sangue, quindi è uno xenobiotico che non riesce a superare l’endotelio plasmatico, l’endotelio capillare.

Nel secondo caso invece il nostro xenobiotico riuscirà a superare l’endotelio capillare e andrà a distribuirsi anche nel liquido extracellulare.

Nel terzo caso la distribuzione è molto ampia e omogenea, per cui lo xenobiotico lascia il sangue, va nel liquido extracellulare ma entra anche all’interno delle cellule.

Nel quarto caso il nostro xenobiotico si andrà ad accumulare progressivamente all’interno degli organi, dei tessuti, all’interno delle cellule per poi avrà lasciato idealmente, ovviamente questo è uno schema perché voi sapete che nei vari comparti le concentrazioni, si crea sempre un equilibrio, quindi è praticamente impossibile che all’equilibrio sia zero la concentrazione nel plasma e a livello extracellulare, ma questo è giusto per schematizzarvi le varie situazioni, nell’ultima situazione quindi il nostro xenobiotico sarà andato ad accumularsi all’interno di un tessuto e lo ritroveremo totalmente all’interno delle cellule.

Conseguenze della distribuzione dei farmaci

Quindi, i farmaci, tutti gli xenobiotici avranno una distribuzione caratteristica per ciascuno xenobiotico e potranno andare a distribuirsi anche, per quanto riguarda i farmaci, in distretti, in organi dove non esercitano l’effetto terapeutico, e ovviamente questo può avere diverse conseguenze.

Infatti questo meccanismo farà sì che sia ridotta la quantità di farmaco che può raggiungere il sito bersaglio della sua azione terapeutica, perché l’accumulo, la distribuzione in organi che non coincidono con il target terapeutico ovviamente sottrarrà farmaco dal circolo.

Altra conseguenza, i farmaci altamente lipofili, ne abbiamo già fatto un esempio la scorsa volta, che si accumulano per esempio nel tessuto adiposo, possono essere poi rilasciati, proprio perché esiste un equilibrio del farmaco, delle concentrazioni del farmaco nei diversi distretti, potrà essere rilasciato lentamente nel plasma, arrivare quindi in maniera costante al sito target dell’effetto terapeutico, e quindi esercitare un’azione prolungata nel tempo.

Questo è quello che accade per esempio con gli anestetici molto lipofili che raggiungono immediatamente il SNC, che oltre ad essere un organo lipofilo è anche un organo altamente irrorato, quindi il primo organo che viene raggiunto è il cervello.

Tuttavia questi anestetici molto lipofili tendono anche ad accumularsi nel tessuto lipidico che è molto meno irrorato ma che ha una grande massa e da qui tendono ad essere rilasciati lentamente nel tempo, e quindi a ritornare nel sangue e da qui vanno nel SNC ed è questo il motivo che per questa classe di anestetici il tempo d’azione è molto prolungato, perché si deve tenere conto del rilascio dai siti di deposito.

Altra conseguenza molto importante è che, ovviamente, a causa dell’accumulo in siti diversi da quello terapeutico si può esercitare un’azione tossica con meccanismi completamente diversi da quelli con cui il nostro farmaco esercita l’azione terapeutica.

Volume di distribuzione apparente

È quindi molto importante per tutti gli xenobiotici, ma insomma soprattutto per i farmaci in questo caso, avere un’idea, un parametro che ci indichi la modalità di distribuzione del nostro farmaco nell’organismo, cioè in quale delle situazioni che abbiamo elencato poco fa si troverà il nostro farmaco.

Ci occorre un parametro che ci dia immediatamente quest’informazione, e quindi ci dica anche che per quel determinato farmaco, noi, ad una determinata dose, ci dobbiamo aspettare una certa concentrazione plasmatica. Perché la concentrazione plasmatica dipenderà dalla distribuzione del farmaco.

Quindi questo parametro che si utilizza a questo scopo è il volume di distribuzione apparente. Ovviamente, l’avrete fatto in farmacologia, si tratta di un parametro virtuale, che non descrive esattamente la realtà ma che è molto utile per la gestione dei farmaci.

Il volume di distribuzione è un parametro che indica la capacità degli xenobiotici di distribuirsi nei vari organi e tessuti dell’organismo. Ovviamente non ci dà nessuna informazione di dove va a distribuirsi lo xenobiotico, di quale tipo esatto di distribuzione avrà quello xenobiotico, però ci dà un’indicazione del tipo di distribuzione.

Viene definito come volume teorico necessario a contenere la quantità totale di farmaco presente nell’organismo alla stessa concentrazione di quella presente nel plasma se il farmaco raggiungesse in tutti i distretti la stessa concentrazione plasmatica.

Sembra uno scioglilingua, però adesso vediamo che a parte la definizione il concetto è molto semplice e anche molto utile. Intanto lo ricaviamo semplicemente, se noi stiamo somministrando un farmaco e conosciamo la dose possiamo ricavarlo dal rapporto tra la dose che noi somministriamo e la concentrazione plasmatica.

Il modo in cui viene espresso generalmente è in litri anche se lo si trova talvolta rapportato al peso corporeo ovviamente rapportandolo a un individuo adulto di circa 70 kg, quindi in L/Kg.

Facciamo un esempio, io somministro 1000 mg di farmaco, misuro la concentrazione plasmatica di farmaco e ottengo 10 mg/Kg. Volume di distribuzione, facendo il rapporto, sarà di 100 L.

Altro esempio, dose 1000 mg, concentrazione plasmatica 50 mg/Kg, volume di distribuzione 20 L. Quindi nel primo caso Vd 100 L nel secondo 20 L.

Altro esempio sempre dose 1000 mg e concentrazione plasmatica 200 mg/Kg quindi Vd = 5 L. Quindi 3 farmaci che hanno Vd di 100 L, 20 L, 5 L, secondo voi come si interpreta?

Un farmaco con Vd di 5 litri che tipo di distribuzione può avere? 5 L sono molti o pochi secondo voi? Quanta acqua abbiamo nell’organismo?

Il volume di distribuzione, rileggete la definizione, è il volume teorico necessario a contenere la quantità totale di farmaco presente nell’organismo, quindi stiamo parlando di tutta l’acqua corporea, il plasma, il liquido extracellulare, come abbiamo detto passa dal sangue al liquido extracellulare, più il liquido contenuto nelle cellule.

E quanto è tutta questa acqua contenuta nel nostro corpo? 5 L è bassissimo come Vd, sarebbe morta dissanguata. 100 L è un Vd molto elevato.

Quindi se noi abbiamo un volume di distribuzione piccolo di 5 L che cosa sta facendo questo farmaco? Partiamo dalla somministrazione del farmaco, somministriamo il farmaco, il farmaco va nel sangue, viene distribuito, metabolizzato ed eliminato.

Quindi, lo stiamo somministrando, misuriamo la concentrazione plasmatica 5 L. Stiamo prendendo un parametro che è il volume di distribuzione, non la concentrazione plasmatica, la concentrazione plasmatica in questo caso era 200 mg/L.

Il volume di distribuzione quindi è piccolo, perché ho una dose di 1000 mg diviso 200 mg/L e ottengo 5 L. Nel primo caso avevo invece una dose di 1000 mg e una concentrazione nel plasma di 10 mg/kg quindi un volume di distribuzione 100 L.

Quindi si accumula nel sangue e non lo lascia, ecco perché il volume è piccolo, perché è il volume teorico totale che contiene quel farmaco, in questo caso quel volume è molto piccolo.

Al contrario un volume di distribuzione di 100 L cosa ci sta dicendo? Che quei 100 L sono ben sopra della nostra acqua corporea, perché 100 L noi non li abbiamo, si chiama volume virtuale proprio perché, perché se addirittura, il volume di distribuzione supera la quantità totale di acqua corporea compreso plasma, liquido cellulare e liquido extracellulare vuol dire che il farmaco si sta distribuendo all’interno di qualche organo e quindi ha lasciato quasi completamente il sangue, infatti la concentrazione plasmatica è bassissima e addirittura quello che viene fuori come volume di distribuzione teorico, apparente, è un volume che supera la quantità totale di acqua corporea.

Per cui ci dà subito un’informazione, è evidente che se il volume di distribuzione è molto alto, quel parametro ci sta dicendo che quel farmaco si è andato ad accumulare da qualche parte.

Distribuzione nei comparti corporei

E adesso andiamo a spiegarlo un pochino con i numeri. La quantità totale di acqua corporea in un individuo adulto è di circa 45 L. I quali sono distribuiti tra il plasma, 4-5 L, il liquido extracellulare circa 14 L, e il liquido intracellulare.

In base a questo il volume di distribuzione di un farmaco per esempio potrà avere un valore che coincide con il valore dei tre comparti, e cioè per esempio il volume di distribuzione 4-5 L è il volume del plasma, per esempio un farmaco come l’eparina che deve agire sul sangue quindi è corretto che abbia un volume di distribuzione così basso perché non lo deve lasciare il sangue e ha un volume di distribuzione di 4-5 L.

Se invece il volume di distribuzione è intorno ai 20 L vuol dire che oltre ad essere presente nel sangue il farmaco è presente anche nel liquido extracellulare e quindi la somma tra plasma e liquido extracellulare, quindi un volume di distribuzione di 20 L che è la seconda opzione di quello che abbiamo visto nella slide prima.

Se invece il volume di distribuzione è di circa 40 L vorrà dire che il nostro xenobiotico andrà a distribuirsi nel plasma, nel liquido extracellulare e anche nelle cellule, per esempio l’etanolo, che è una piccola molecola liposolubile, che riesce ad attraversare le membrane andrà a distribuirsi in tutte le strutture del nostro organismo e quindi ha un volume di distribuzione di 40 L.

Se il valore del volume di distribuzione rientra in questi tre range questo ci sta dicendo che il farmaco ha avuto una distribuzione omogenea, cioè non è stato soggetto di accumulo in alcuni organi perché rientra nei volumi dell’acqua corporea.

Per molti xenobiotici il volume di distribuzione è ben superiore ai 40 L, questo vuol dire che, intanto la concentrazione plasmatica è molto bassa come nel primo esempio che abbiamo fatto, perché il farmaco ha lasciato il sangue, supera il volume di acqua corporea totale, perché sicuramente è andato ad accumularsi in qualche organo.

Ovviamente tutto questo discorso non tiene conto dei processi di metabolismo ed eliminazione, è un modo semplificato per avere un parametro immediato sul tipo di distribuzione che andrà ad avere il farmaco. Sappiamo benissimo che il farmaco nel momento in cui si trova nel plasma immediatamente iniziano tutti i processi, quindi distribuzione, metabolismo, eliminazione.

Quindi questa è una visione molto semplificata della tossicocinetica di un farmaco.

Esempi di volumi di distribuzione

In questa tabella sono riportati degli esempi che vi fanno anche capire che i farmaci vengono studiati proprio per avere un determinato volume di distribuzione a seconda del meccanismo terapeutico che devono avere questi farmaci.

Come abbiamo detto prima farmaci come il Warfarin o l’eparina hanno un volume di distribuzione molto basso di 5 L perché rimangono nel plasma e questo è l’effetto desiderato per questi farmaci.

Tra i farmaci che invece hanno volume di distribuzione tra 10-20 L, quindi che lasciano il sangue e arrivano al liquido extracellulare ci sono l’aspirina, alcuni antibiotici, l’ampicillina e la gentamicina, che agiscono a livello del liquido interstiziale dove si accumulano per esempio le cellule immunitarie, dove va ad agire l’aspirina.

Farmaci che hanno volume di distribuzione tra i 20-40 L e quindi che riescono a distribuirsi anche dentro le cellule sono per esempio i glucocorticoidi che devono legarsi, per svolgere la loro azione, ai recettori per i glucocorticoidi che sono citoplasmatici.

Ne abbiamo parlato la scorsa volta, non esistono solo recettori di membrana ma anche recettori citoplasmatici che si comportano da fattori di trascrizione e tra questi abbiamo per esempio i recettori PPAR, recettori per la proliferazione dei perossisomi, a cui si legano i lipidi endogeni, i recettori per i glucocorticoidi, il recettore per le diossine, sono recettori citoplasmatici.

Quindi è chiaro che i farmaci per andare ad agire su quei recettori dovranno essere in grado di superare la membrana cellulare, di entrare dentro le cellule. Quindi anche in questo caso il volume di distribuzione è questo ed è ciò che è desiderato da un farmaco di questo tipo.

E poi ci sono farmaci che hanno un volume di distribuzione più elevato del volume di acqua corporea totale, per esempio l’imipramina, è un antidepressivo che ha come tessuto target il SNC, per cui è un farmaco altamente lipofilo che supera la barriera ematoencefalica e che ha come organo principale di accumulo il cervello, che è ciò che noi ci aspettiamo da un farmaco con attività sul SNC.

Anche il propranololo ha un Vd molto elevato, questo però è un antipertensivo, un beta-bloccante, quindi in teoria da questa classe di farmaci non ci si aspetta un volume di distribuzione così elevato, ma questo è anche un farmaco molto lipofilo, supera facilmente la barriera ematoencefalica e anche qui si accumula nel SNC.

E questa caratteristica ha fatto sì che il propranololo abbia avuto anche prescrizioni off level, cioè non come farmaco ipertensivo ma come farmaco con azione a livello del SNC. Quindi questo grande volume di distribuzione può essere sfruttato per altri effetti che può avere il propranololo.

Quindi riassumendo, nel compartimento plasmatico si concentrano i farmaci che, o hanno un elevato peso molecolare, sono farmaci idrofili che non superano l’endotelio capillare, oppure sono farmaci che si legano