Farmacognosia

La farmacognosia

La farmacognosia si occupa del riconoscimento e della descrizione dei farmaci di origine naturale. La stragrande maggioranza dei principi attivi di origine naturale deriva dalle piante, quindi gran parte dell'attività della farmacognosia è dedicata allo studio di piante medicinali. Le piante medicinali contengono, in uno o più dei loro organi, sostanze che possono essere utilizzate a fini terapeutici o che sono precursori di emisintesi chemiofarmaceutiche.

Piante medicinali e piante officinali

Una pianta è definita pianta medicinale anche se intrinsecamente non possiede una molecola con attività biologica, purché possieda molecole utili alla sintesi, come molecole di partenza o come intermedi, di una molecola dotata di attività biologica.

Officinale: pianta utile in campo farmaceutico, ma anche in campo cosmetico, liquoristico o industriale. Cioè una pianta utilizzata in ambiti più ampi rispetto a quello semplicemente farmaceutico.

Da un prodotto naturale si possono ottenere sia molecole utili per la sintesi di un farmaco, ma è possibile anche ottenere molecole biologicamente attive che potranno servire, come punto di partenza, per ottenere molecole simili o prodotti di sintesi. Il prodotto naturale di partenza che può entrare nei vari processi può anche derivare da dei processi che interessano piante che non sono utilizzate come piante medicinali, cioè da piante il cui utilizzo principale non è quello di essere una sorgente di principi attivi.

Infatti, il punto di partenza può essere anche piante tecnologiche (es. Canapa) o piante alimentari (es. Ulivo) perché è possibile che prodotti di scarto o prodotti secondari entrino nell'industria farmaceutica, cioè nella linea che porta a prodotti terapeutici proprio perché all'interno della trasformazione di piante tecnologiche o alimentari si vengono a creare prodotti di scarto che sono di interesse farmaceutico.

Esempio di uso di scarti agricoli

Esempio: nella produzione dell'olio di oliva si generano quantità estremamente significative di scarti di lavorazione, cioè le acque di vegetazione. Tali acque sono ricchissime di antiossidanti idrosolubili che non vengono mantenute nella componente lipidica, quando si separa l'olio, ma che rimangono nelle acque di vegetazione. Gli antiossidanti idrosolubili sono stati oggetto di interesse farmaceutico, cioè come materia prima per l'estrazione di sostanze ad attività antiossidante come l'idrossitirosolo.

Definizione di droga

Droga: parte della pianta (corpo vegetale) che contiene, assieme ad altre componenti inattive di scarso interesse farmacologico, una o più sostanze farmacologicamente attive dette principi attivi della droga. La parte della pianta medicinale utilizzata che contiene il principio attivo viene definita droga. Una stessa pianta può anche essere sorgente di droghe diverse, cioè ogni parte della pianta può avere un contenuto particolare di una specifica classe di molecole di interesse biologico.

Esempio di droga nel Ribes Nigrum

Esempio Ribes Nigrum: la droga è rappresentata da parti diverse della pianta. Infatti, il frutto del ribes è una droga ricca di antociani e flavonoidi; le foglie presentano invece un contenuto significativo di polifenoli; i semi possiedono acidi grassi polinsaturi oltre ad avere componenti antiossidanti; le gemme sono molto ricche di ormoni vegetali della crescita.

Derivati della pianta

Oltre che nella pianta, piuttosto che in una parte della pianta, la droga può essere costituita anche da derivati della pianta come:

• Succhi: che si possono ottenere da un frutto.
• Essudati: generati da una pianta (molto spesso il tronco di una pianta che subisce un trauma meccanico produce essudati).
• Latice: componente responsabile dell'azione farmacologica della droga.

Principio attivo: struttura chimica, all'interno della droga che fa parte della pianta medicinale, che presenta la molecola biologicamente attiva.

Complessità della pianta

La pianta rappresenta una complessità molto maggiore, dove vi sono anche parti che non sono di interesse farmacologico; la complessità si riduce selezionando la droga, cioè quelle parti della pianta che sono di interesse farmacologico; attraverso i processi di estrazione o frazionamento dalla droga è possibile arrivare a ottenere il principio attivo isolato che, tipicamente, diventa un farmaco. Al giorno d'oggi si utilizzano molte molecole pure, cioè come un farmaco, anche se sono di origine vegetale come per esempio la digitale.

Fermandoci allo stadio di complessità superiore, cioè che arriva prima del principio attivo isolato, è necessario ricordare che in questo intervallo la complessità è molto maggiore rispetto al principio attivo isolato, ma è anche relativamente ridotta rispetto a tutto quello che è presente nella pianta in toto. Tuttavia, nella complessità rappresentata da diverse molecole che non sono rilevanti dalla loro specifica attività biologica, in questa complessità risiedono alcune caratteristiche che rendono una droga diversa dal principio attivo nel suo effetto finale.

Il fitocomplesso

Questo stadio di complessità maggiore del principio attivo isolato, rappresentato da tutte le molecole che sono presenti in una droga, dà luogo a quello che è definito fitocomplesso. Il fitocomplesso è il principio attivo insieme a tutte le altre molecole, anche prive di attività biologica o dotate di attività biologiche accessorie o molto poco potenti, ma che nel loro complesso possono contribuire a dare un profilo della droga diverso da quello che si può ottenere utilizzando solo il principio attivo.

Definizione fitocomplesso: Insieme di sostanze funzionali contenuto nella pianta che includono principi attivi e molecole ad attività minore ma in grado nell'insieme di influenzare le caratteristiche farmacocinetiche e farmacodinamiche dei principi attivi.

Effetti del fitocomplesso

• Effetto sinergico: due componenti, che da sole danno attività molto modesta, quando vengono messe insieme danno luogo ad un effetto decisamente maggiore rispetto a quello che si osserva se si prendono singolarmente.
• Potenziamento: una delle due componenti che interagiscono in questo effetto è completamente priva di attività biologica, ma che potenzia l'attività biologica dell'altra componente.
• Effetto additivo e sommazione: in un fitocomplesso si possono avere molecole che sono presenti in quantità insufficiente a dare un effetto biologico, ma che sommandosi ad altre componenti che presentano la stessa attività, insieme danno un effetto osservabile.
• Antagonismo: nel fitocomplesso possono esserci molecole che modulano in senso negativo gli effetti. Non è necessariamente negativo modulare nella direzione dell'inibizione perché permette, magari, di avere un effetto maggiormente bilanciato proprio grazie ad una componente antagonista.

Metabolismo primario e secondario

All'interno della pianta vi sono due principali classi di prodotti di metabolismo e di attività di metabolismo:

• Metabolismo primario: rappresentato dalla produzione, da parte della pianta stessa, di un numero limitato di sostanze che sono essenziali per il funzionamento delle strutture biologiche. Quindi, carboidrati, lipidi, proteine e acidi nucleici sono strutture necessarie, cioè essenziali, perché se una pianta non è in grado di sintetizzare queste classi di molecole non è in grado di sopravvivere.
• Metabolismo secondario: è rappresentato dalla biosintesi e dalla degradazione di grande quantità di molecole, definiti metaboliti secondari. Tale sintesi ha luogo in organi ben specifici della pianta, a differenza dei metaboliti primari che sono caratteristici di tutte le cellule della pianta. Quindi i metaboliti secondari possono essere limitati a parti della pianta, cioè solo a cellule specifiche. Non sono essenziali, possono essere sintetizzati ma non è necessario che tutte le cellule le sintetizzano.

Mattoni biosintetici e caratteristiche dei metaboliti secondari

Molto spesso i metaboliti secondari sono generati a partire da intermedi presenti nel metabolismo primario, come per esempio dal Glucosio da cui si formano gli zuccheri semplici utili per la sintesi di glicsidi; dall'AcetilCoA da cui deriva l'acido shikimico da cui derivano una quantità enorme di fenoli o l'acido mevalonico da cui deriva un grande numero di terpeni; dagli amminoacidi derivano molto spesso gli alcaloidi (le piante sono in grado di sintetizzare gli amminoacidi a partire dal metabolismo dei carboidrati). Nella stragrande maggioranza dei casi i principi attivi rappresentano metaboliti secondari.

Esistono quindi dei mattoni biosintetici che sono il punto di partenza dal quale le piante, attraverso reazioni anche molto complesse, possono andare a sintetizzare i metaboliti secondari. Infatti, a differenza dei metaboliti primari, i metaboliti secondari sono in un numero estremamente molto maggiore.

Caratteristiche dei metaboliti secondari: non hanno un ruolo definito e essenziale all'interno di una pianta medicinale, ma ciononostante essi non sono privi di attività per la pianta stessa. Infatti, i metaboliti secondari possono essere responsabili degli odori caratteristici di alcune piante, piuttosto che di colori e sapori. Quindi, i metaboliti secondari conferiscono virtù uniche in termine culinario, medicinale o di tossicità.

Ruoli dei metaboliti secondari

• Quando la pianta medicinale è sottoposta ad uno stress, che può essere di tipo meccanico (incisione del tronco di una pianta), o dovuti ad agenti microbiologici, i metaboliti secondari possono essere prodotti in quantità aumentata.
• La pianta si difende anche dall'ambiente perché esso può avere irradiazioni UV che possono essere dannose per la pianta stessa, quindi attraverso la sintesi di alcuni metaboliti secondari la pianta si difende.
• Alcuni metaboliti secondari si pensa che posseggano specifici ruoli, anche fisiologici, seppur non essenziali, per esempio: Alcuni oli essenziali facilitano la riparazione dei tessuti o possono regolare la traspirazione (importante negli ambienti aridi), Gli alcaloidi, che contengono azoto, possono rappresentare una riserva di azoto per la pianta stessa, I tannini difendono la pianta da infezioni da funghi, I flavonoidi conferiscono colori caratteristici e per questo hanno un ruolo nell'impollinazione.

La farmacognosia oggi

Le biotecnologie vegetali sono un aspetto molto importante nell'ambito della farmacognosia. Infatti, le biotecnologie vegetali, che si occupano dello sviluppo di tecnologie mirate alla produzione di prodotti attivi, sono un'interessante fonte di prodotti di interesse farmaceutico. Proprio per questo sono state sviluppate tecniche di cultura di cellule vegetali che permettono di evitare di usare pesticidi e altre sostanze su piante in natura che costituirebbero un problema nel momento in cui si separa il principio attivo.

Colture di cellule vegetali

Affrancarsi dalla cultura in campo per avere a disposizione cellule che possono essere sviluppate in ambiente controllato, cioè in vitro, rappresenta un aspetto molto importante. Le culture di cellule vegetali di solito si ottengono trattando le cellule vegetali stesse con un enzima, una cellulasi, che degrada la parete della cellula in modo tale che la cellula sia “nuda”, cioè si forma quello che è chiamato protoplasto. I protoplasti si fanno poi crescere in un terreno di coltura che contiene ormoni vegetali che favoriscono la crescita e la divisione delle cellule stesse, formando così un ammasso di cellule indifferenziate, chiamato callo.

Questo tipo di cultura di cellule vegetali non ha grande interesse da un punto di vista farmacognostico proprio perché esiste una correlazione molto stretta tra l'espressione di specifiche vie di metabolismo secondario e la differenziazione, cioè la morfologica e la citologica. Una cellula indifferenziata non si presta ad essere una sorgente certa di metaboliti secondari.

Proprio per queste ragioni si è tentato di attuare delle culture che presentino una certa differenziazione, come per esempio culture di germogli o di radici, cioè culture derivate da cellule d'organo e queste presentano anche una maggiore stabilità genetica e la produzione di metaboliti secondari. Quindi, le culture di organo sono vantaggiose perché mostrano:

• Maggiore stabilità genetica
• Buona capacità di produzione
• Produzione di metaboliti secondari durante la fase di crescita

Culture di Hairy roots

Una specie particolare di culture che possono essere utilizzate per la produzione di metaboliti secondari sono le Hairy roots, cioè un tipo particolare di radici filamentose che si ottengono infettando delle culture con uno specifico batterio (Agrobacterium rhizogenes). La caratteristica particolare è che il trasferimento di DNA del batterio rende le cellule infettate capaci di sintetizzare essa stessa l'Auxina, che è codificata nel DNA batterico, ma che per la pianta rappresenta un ormone di crescita essenziale, quindi le infezioni con questo batterio rendono le culture autosufficienti, cioè capaci di espandersi senza la necessità che vengano forniti ormoni vegetali.

Questa non è l'unica modalità con cui vengono utilizzate le culture di Hairy roots, infatti sono anche utilizzate per portare avanti delle specifiche reazioni di biotrasformazione, cioè quando le reazioni chimiche sono molto complesse e difficili da portare avanti le Hairy roots sono in grado, tramite specifici enzimi, di compiere varie reazioni in modo altamente controllato e stereospecifico.

Esempio: riduzioni, ossidazioni, acetilazioni, isomerizzazioni ecc. Quindi, partendo da un substrato, tramite reazioni altamente specifiche è possibile ottenere molecole di interesse come la nicotina e la chitina.

Esempio di scopolamina con Hairy roots

Esempio atropina: l'atropina può essere convertita dalle colture di Hairy roots in scopolamina, con introduzione di un epossido all'interno dell'anello tropanico e tale reazione è molto complessa. I vantaggi delle Hairy roots sono:

• Non richiedono auxina esogena per la crescita
• Generalmente non richiedono incubazione alla luce, perché tipicamente sono radici
• Sono colture relativamente stabili e quindi le rese di prodotto sono riproducibili perché le cellule mantengono le loro caratteristiche anche in presenza di molti passaggi di proliferazione

In realtà, per quanto gli esempi di possibile utilizzo sono numerosi, questo approccio è poco praticabile dal punto di vista commerciale, infatti è usato per la produzione di:

• Ginseng
• Scopolamina
• Paclitaxel

Esistono anche una serie di problematiche principalmente dovute alle difficoltà tecnologiche e sostenibili da un punto di vista commerciale. Tuttavia, alcuni esempi di prodotti di interesse industriale sono:

• Alcaloidi come l'atropina, l'iosciamina: hanno rese molto basse, quindi anche se c'è molto interesse, oggi non sono ancora praticabili
• Digitalis: grande interesse nell'ottenere una produzione in vitro come alternativa alla coltura in campo aperto, ma anche in questo caso le rese sono molto basse e non sono praticabili dal punto di vista economico.
• Composti antitumorali: anche nelle piante in campo aperto, questi composti sono prodotti in rese molto basse perché si trovano in parti della pianta che hanno un lento sviluppo
• Taxolo: grande interesse alla sintesi mediante colture cellulari perché questa è una molecola con grande domanda, quindi sono necessarie grandi quantità di Taxus che devono essere abbattute. Per evitare questo si utilizzano anche colture cellulari di T. brevifolia che producono nell'ordine di mg di taxolo dopo decine di giorni di incubazione.

Per la produzione di roots sono in corso anche grandi lavori per le Hairy roots proprio perché si sta cercando di sostituire l'utilizzo della pianta, che non è sostenibile anche dal punto di vista ecologico.

• Ginseng: si è cercato di produrre ginseng tramite colture cellulari perché il ginseng ha grande interesse e mercato. Le saponine che si riescono a produrre dalle colture cellulari hanno valori che, in alcuni casi, sono interessanti infatti radici ridifferenziate possono produrne il 27,4% mentre le radici naturali del 4,1%.
• Antocianine: la produzione con colture cellulari è stata dismessa a causa dei costi maggiormente elevati per la produzione di biomassa e per l'estrazione rispetto all'estrazione di antocianine da piante in campo aperto.

Le culture vegetali sono di grande interesse, le biotecnologie si applicano per massimizzare la produzione di molecole di interesse farmacologico, ma le problematiche di sostenibilità economica sono molto elevate.

La fitochimica

Lo studio della fitochimica è lo studio delle vie metaboliche che le piante utilizzano per la produzione dei principi attivi, cioè dei metaboliti secondari. Infatti, attraverso la conoscenza delle vie metaboliche, si cerca di aumentare, nella pianta in quanto tale, la produzione di metaboliti secondari di interesse. Proprio per le caratteristiche dei principi attivi, che sono metaboliti secondari e quindi non essenziali per la pianta, esiste un'ampia variazione...