Tossicologia Prof.re Nebbia

7 ottobre: cinetica e xenobiotici

Cinetica = il percorso di un farmaco all’interno dell’organismo. Percorso ADME.

Le reazioni biotrasformative condizionano la persistenza dello xenobiotico all’interno dell’organismo e quindi l’efficacia di un farmaco, la pericolosità di una sostanza tossica.

Bioattivazione: reazioni biotrasformative che portano alla formazione di metaboliti più tossici responsabili della tossicosi.

1 2 Da ripassare: composto aromatico, alifatico, 3 4 alchile, gruppo aromatico, eterociclo; principali legami di estere, diamide…; principali cicli cellulari, [inserisci file di 2 pag. con gruppi funzionali + file di 17 pag.]

Xenobiotico: qualunque sostanza estranea all’organismo.

4 fasi: assorbimento, distribuzione, metabolismo/biotrasformazione, escrezione (ADME). Sono le grandi tappe della cinetica.

Passaggio attraverso le membrane biologiche

Gli xenobiotici devono superare le membrane biologiche. Sono costituite da un doppio strato di fosfolipidi (modello a mosaico fluido) al cui interno vi sono delle strutture proteiche: i pori di membrana (4 Å nell’epitelio intestinale). All’interno della membrana sono inserite alcune proteine, per esempio alcuni recettori, proteine di efflusso, enzimi (Na-K ATPasi ad es).

1 Sono definiti come composti aromatici tutti i composti organici che contengono uno o più anelli aromatici nella loro struttura. La presenza di tali anelli conferisce loro reattività particolari, molto diverse da quelle dei composti alifatici aventi peso molecolare e gruppi funzionali simili. L'aromaticità può essere definita come l'abbassamento di energia dello stato fondamentale della molecola dovuto alla delocalizzazione degli elettroni π sull'intera molecola. I composti chimici contenenti anelli benzenici sono relativamente più stabili dei corrispondenti alcheni e di conseguenza tendono a reagire in maniera differente, attraverso reazioni che tendono a preservare l'integrità dell'anello aromatico e la stabilità che ne consegue. I composti aromatici quindi non subiscono preferenzialmente, come per gli alcheni, reazioni di addizione elettrofila, ma di sostituzione elettrofila.

2 Si definiscono composti alifatici i composti organici che non fanno parte della classe dei composti aromatici. Tra i composti alifatici si annoverano gli alcani (come il metano e il butano), gli alcheni (come l'etilene) e gli alchini (come l'acetilene). Nei composti alifatici, gli atomi di carbonio possono legarsi dando vita a catene lineari o ramificate. Possono essere presenti legami singoli (alcani), doppi (alcheni) o tripli (alchini). Gran parte dei composti alifatici sono infiammabili.

3 In chimica organica alchile (o gruppo alchilico) è il nome generico del gruppo funzionale corrispondente ad un alcano privato di un atomo di idrogeno. I gruppi alchilici prendono il nome dai corrispondenti alcani e hanno formula generale -C_nH_2n+1.

4 Un composto eterociclico è un composto ciclico costituito da molecole nelle quali uno o più atomi dell'anello sono eteroatomi, cioè atomi diversi dal carbonio. Gli eteroatomi più comuni sono: l'N, l'O, lo zolfo, il boro, il fosforo. Ciascuno di essi dà origine a vaste famiglie di composti eterociclici. La piridina e la pirimidina sono eterocicli analoghi del benzene, il glucosio in forma ciclica è un composto eterociclico in quanto all'interno dell'anello è presente un atomo di ossigeno.

Diffusione semplice o passiva

1. Diffusione semplice o passiva: sistema non saturabile; non dipendente da energia. Avviene per differenza di concentrazione. È la via più semplice.

Lo xenobiotico deve quindi essere liposolubile se vuole attraversare il doppio strato; non deve quindi essere polare o deve esserlo poco.

I farmaci più grossi pesano intorno ai 1.000 Da. I più comuni: 200-300 Da.

Filtrazione

2. Filtrazione: 5 molecole “piccole” (ioni inorganici, molecole organiche polari o non polari).

Le molecole piccole (che potrebbero passare attraverso i pori) invece possono essere cariche.

Diffusione facilitata

3. Diffusione facilitata: soprattutto per molecole che hanno significato fisiologico. Alcune molecole (glucosio, alcune vitamine) passerebbero attraverso canali specifici all’interno delle membrane; o si legherebbero a “carrier”; differenza di concentrazione, saturabile, non richiede energia.

Trasporto attivo

4. Trasporto attivo: come diffusione facilitata (canali, carrier), ma contro gradiente di concentrazione e quindi richiede energia (ATPasi), esempi: ioduri (tiroide), fluorouracile (antineoplastico), alcuni aa.

Mosaico fluido: proteine di membrana (es. Na-K ATPasi), glicoproteine (recettori).

Pori di membrana: endotelio capillare 40-80 Å, epit. intestinale, membr. cell. 4 Å. Diametro.

Diffusione passiva

• Avviene secondo gradiente.
• Il 90% degli xenobiotici con peso compreso tra 100-400 Da passa in questo modo.
• Le molecole dotate di sufficiente liposolubilità sono in grado di attraversare il doppio strato.
• Le molecole piccole (< 100 Da) e gli ioni passano attraverso i pori di membrana.

Molecole indissociate >>> molecole dissociate (ionizzate).

La maggior parte sono acidi/basi deboli in equilibrio tra forma dissociata-indissociata; la forma 6 dissociata è polare; le indissociate sono apolari (passano facilmente).

7 Le molecole piccole (< 100 Da) e gli ioni passano tramite i pori di membrana. Es. CN-

Trasporto facilitato

Carrier proteico transmembranario che lega transitoriamente alcune sostanze e le trasporta dall’altra parte della membrana.

È secondo gradiente.

Sono soprattutto molecole endogene come fruttosio e glucosio.

No consumo di energia.

Trasporto attivo

• Riguarda alcune molecole, non solo endogene.
• Contro gradiente richiede dispendio di energia.
• Riguarda essenzialmente molecole fisiologiche (alcuni zuccheri, ioni, aa, vitamine, ecc).
• 8 Alcuni farmaci (es. antitumorale 5-fluorouracile e levodopa) possiedono una struttura simile alle pirimidine e sfruttano questo passaggio.
• Esempi: Na-K ATPasi: per 1 ATP consumato 3 Na fuori e 2K dentro.

Endocitosi

Fagocitosi e pinocitosi (fluidi).

• Sono molecole di grandi dimensioni; polari.
• Consente il trasporto di xenobiotici idrofili (polari) e di grosse dimensioni.
• Si parla di fagocitosi quando vengono inglobate molecole di qualche decimo di micron.
• Si parla di pinocitosi quando vengono inglobate molecole più piccole o soluti a basso peso molecolare.

5 Na, K, Cl…

6 Tende a passare difficilmente la membrana.

7 Cianuro: è molto tossico. Blocca la fosforilazione ossidativa, bloccando la citocromo ossidasi. È così piccolo da essere assorbito già a livello del cavo orale. Dotato di carica.

8 Usato nel morbo di Parkinson.

• È la classica via di ingresso di vari ormoni, immunoglobuline, vitamine, transferrina, ecc. Soprattutto 9 molecole endogene (ormoni dell’uomo, immunoglobuline…).

Caratteristiche dei vari tratti del tubo gastro-enterico

Grande influenza/differenze di pH. Differenze nei vari tratti riguardanti il pH ma anche nella natura della membrana. Nell’intestino tenue, per es. l’epit. è adatto all’assorbimento. In altri tratti l’epitelio è corneificato.

Altre differenze: superficie totale, tempo di transito della sostanza, fegato bypassato o no.

Una sostanza viene assorbita soprattutto a livello del tenue → circolazione portale → fegato per il 99,9%.

In alcuni tratti il fegato è bypassato. Se viene bypassato, si ha più farmaco immodificato nel circolo sanguigno (metabolismo ipersistemico / effetto di primo passaggio).

Preparazioni sublinguali: tutto quello che viene assorbito a livello orale bypassa il fegato → l’effetto farmacologico è più immediato.

Il pH è intorno ai 6 nei primi tratti; scende in maniera drammatica nello stomaco: 1-3. Duodeno: 5-7. Tenue: 6-7. Crasso: 6.8-7.

L’epitelio nell’esofago è spesso e corneificato; nel cavo orale è molto sottile (→ alto assorbimento). Nell’esofago c’è un’importante componente muscolare per permettere i movimenti peristaltici. Nello stomaco c’è un epitelio diverso e può avvenire un assorbimento importante soprattutto dei farmaci debolmente acidi.

Duodeno e resto dell’intestino non hanno particolari proprietà e qui vengono assorbiti farmaci soprattutto debolmente basici ma anche gli altri.

Nel crasso c’è solo assorbimento di liquidi. La vascolarizzazione è molto importante per il cavo orale; molto buona nel resto dell’intestino e nell’esofago.

La superficie di assorbimento ci dice la % di quella molecola che può essere assorbita. È piccola nel cavo orale e nell’esofago, stomaco. Ampia in tutto il resto dell’intestino. La superficie totale è comunque molto elevata → buona capacità di assorbimento.

Transit time

• Cavo orale ed esofago: corto.
• Stomaco: 30-40 min: stomaco.
• Duodeno: 6 ‘’.
• Piccolo intestino: circa 3 ore.
• Grande intestino: lunga (up to 24 h).

9 Anche usati come farmaci.

Tutti i tratti più importanti (stomaco, duodeno, intestino tenue) non bypassano il filtro epatico. Il filtro epatico viene bypassato per il cavo orale e l’ampolla rettale (zona molto vascolarizzata → assorbimento rapido).

Equazioni di Henderson-Hasselbach

Molecola poco polare → più liposolubile.

Molecola molto polare → meno liposolubile.

La ionizzazione dipende dal pKa e dal pH ambientale. (pH-pKa)

Acido debole: [fraz. ionizzata] = [fraz. indissociata] * 10^(pKa-pH)

Base debole: [fraz. ionizzata] = [fraz. indissociata] * 10^(pH-pKa)

Acidi deboli: pKa 5-1.

Basi deboli: pKa fino a 10-11. Esempio di acido debole: acido acetil-salicilico (aspirina).

pKa = 4.4

pH del plasma: 7.4

pH dello stomaco: 1.4 → [indissoc.]/[ioniz.] = 1/1.000: nello stomaco abbiamo più forma indissociata → attraversa facilmente la barriera, giunge nel plasma ma qui il pH è diverso. Il rapporto qua si inverte e prevale il farmaco nella forma ionizzata = resta nel plasma e non torna nello stomaco.

Il contrario vale per le basi deboli: sono presenti in forma dissociata in ambito gastrico.

Il contrario avviene nell’intestino tenue: gli acidi deboli in forma ionizzata; le basi deboli in forma indissociata.

Gli acidi deboli sono quindi assorbiti soprattutto in ambito gastrico.

Le basi deboli saranno assorbite più in ambito enterico.

Alcaloidi = debolmente basici. Es. cocaina, caffeina, nicotina.

10 Non chiede le formule.

Vie di somministrazione / esposizione

11 Vie: orale, parenterali, topiche. 12 13 L’esposizione no, la somministrazione è volontaria.

Via orale

• Più comune (anche per le sostanze tossiche).
• Si articola in:
  • Dissoluzione della forma farmaceutica.
  • Passaggio attraverso la mucosa gastro-enterica.
  • Passaggio attraverso il fegato.

Tutto questo prima che il principio attivo raggiunga il circolo sistemico.

È la via più semplice e comoda ma il percorso è lungo.

Abbiamo quindi una forma farmaceutica es. compressa, confetto.

La compressa è data dal principio attivo compresso; il confetto è rivestito da uno strato di principi zuccherini.

Nel fegato ci sono già reazioni di assorbimento con eliminazione attraverso la bile; ciò abbatte ulteriormente la quantità di principio attivo che raggiunge il circolo sistemico. Solo quando viene raggiunto il circolo sistemico, c’è la diffusione ai vari organi.

• A livello della mucosa enterica vi sono particolari proteine transmembranali (glicoproteine di efflusso) ed enzimi biotrasformativi 14 che limitano l’assorbimento.
• Tutti gli xenobiotici ingeriti pervengono al fegato tramite la circolazione venosa reflua portale.
• Nel fegato verranno poste in essere importanti reazioni biotrasformative che ridurranno la quota di xenobiotico che raggiunge la circolazione sistemica (anche tramite escrezione per via biliare).

Raggiunta la circolazione sistemica, verrà distribuito nei vari organi, e ritorna quindi al fegato. Una parte del farmaco (nel passaggio dal fegato al circolo) verrà anche spenta attraverso l’emuntorio renale.

Dal fegato poi, di nuovo in circolo, fin quando tutto il farmaco sarà eliminato.

Fattori che influenzano l’assorbimento

• Stato di replezione e tempo di svuotamento gastrico che dipende anche dalla quantità e dal tipo di dieta.
• Tenore lipidico della dieta (dieta ricca di lipidi prolunga il tempo di svuotamento).
• Forma farmaceutica: ci sono forme più adatte ad una dissoluzione rapida ed altre meno.

Vie parenterali

15 Endovenosa, intramuscolare, sottocutanea, intradermica (per i test di sensibilità).

Via endovenosa

• Garantisce immediato raggiungimento della circolazione sistemica: quando ho bisogno di saltare il filtro del fegato e devo raggiungere in tempi brevissimi tutto l’organismo. In parte la molecola viene eliminata e in parte si distribuisce ai vari organi.
• Azione molto rapida ma di durata comparativamente inferiore. Tutti i passaggi visti per via orale aumentavano il tempo ma garantivano un’azione più duratura.
• 16 Utile per farmaci ad emivita breve e/o basso indice terapeutico. Basso indice terapeutico: es. anestetici, fenitoina.
• Via di elezione per farmaci irritanti e/o in soluzioni ipertoniche; ad es. i sulfamidici. Questi, se irritanti 17 un’unica- eseguita in soluzione (bolo injection) o per infusione lenta continua (flebo). Infusione continua per prolungare l’effetto.

Difetti di questa via

• Possono praticare un’endovenosa solo persone competenti.
• Vale anche per gli animali.
• Nel gatto si usa la vena interdigitale.

Via intramuscolare

• Tecnicamente più semplice della endovenosa (specie da laboratorio, cane, gatto).
• Velocità di assorbimento relativamente elevata, dipendente da: grado di ionizzazione, liposolubilità della forma non ionizzata, localizzazione, uso di preparazione ritardo (esteri con acidi grassi a catena lunga 18 19), uso di vasocostrittori (es. adrenalina).
• Es: il 17-β-estradiolo, una delle preparazioni più usate nei trattamenti vietati con gli estrogeni è l’estradiolo benzoato = estere dell’acido benzoico. Dal muscolo, l’estere viene idrolizzato lentamente e quindi si garantisce una liberazione graduale (= efficacia prolungata) del principio attivo.
• In certi casi possiamo usare vasocostrittori: si pratica l’iniezione di vasocostr. intorno all’area → si somministra il farmaco per via intramuscolare → la vasocostrizione rallenterà la diffusione e l’assorbimento del principio attivo.

Via sottocutanea

• Poco usata nell’uomo. Si usa molto nelle specie da laboratorio, in cane e gatto. La cute di un cane è più sottile di quella del gatto.
• Tecnicamente la più semplice fra le vie parenterali, particolarmente per i carnivori domestici.
• Velocità di assorbimento rel. più lenta della via i.m. (minore vascolarizzazione).
• 20 Possibilità di aumentare la superficie di contatto del farmaco iniettato aggiungendo enzimi litici (jaluronidasi) alla preparazione.
• No farmaci irritanti (numerose fibre dolorifiche).
• 21 22 Impianti sottocutanei a lento rilascio di ormoni steroidei per il trattamento a scopo anabolizzante dei bovini (illegale in Europa ma legale negli USA).

Vie intracavitarie

• Intraperitoneale: soprattutto specie da laboratorio.
• Intracardiaca in caso di arresto cardiaco.
• Intraarticolare.
• Intratecale (per somministrazione di mezzi di contrasto ad es): all’interno del canale encefalo-rachidiano.

Via inalatoria

• Può essere sia una via di somministrazione (aerosol).
• Importante per azione locale o sistemica (es. anestetici gassosi).
• Vascolarizzazione importante + superficie elevata di assorbimento → immediato ingresso in circolo.
• In tossicologia è molto importante (svantaggio) per gas/vapori o sostanze nebulizzate (es. pesticidi).

Vie topiche

• Via dermica: occorre bypassare lo strato corneo dell’epidermide usando particolari veicoli come DMSO.
• Se somministriamo dei farmaci in presenza di lesioni (abrasioni ad es.) bisogna stare attenti perché c’è un assorbimento sistemico importante.
• La cute è una naturale barriera contro la penetrazione di xenobiotici; particolari eccipienti (DMSO) in grado di aumentare la penetrazione dei farmaci; stesso effetto soluzioni di continuo (abrasioni, ferite).
• Vie mucose: intra-oculare, intra-mammaria, intra-vaginale.

11 = locali.

12 Sostanza farmacologica.

13 Es: inquinante, veleno.

14 A livello enterico ma anche gastrico.

15 Vengono iniettate piccole quantità di allergeni.

16 Indice terapeutico: rapporto fra la dose tossica e la dose efficace.

17 L’effetto dura poco.

18 Il principio può essere esterificato; nel muscolo zona subisce poi lenta idrolisi e libera il principio attivo che viene assorbito.

19 Es. estradiolo benzoato -> liberazione graduale.

20 Aumentando l’assorbimento.

21 Essenzialmente miscele di androgeni ed estrogeni.

22 Per veicolare questi ormoni.

Trasporto ematico degli xenobiotici

Dopo l’assorbimento, gli xenobiotici in circolo possono:

• Legarsi con le proteine plasmatiche (equilibrio forma libera-forma legata).
• Legarsi con la frazione corpuscolata del sangue (molto più raramente): es. eritrociti (Pb); leucociti (As). Fungono quindi da vettori.

Precede la distribuzione nei vari organi/tessuti. A livello del circolo, possono verificarsi alcuni fenomeni che possono condizionare un’escrezione più rapida o più lenta a seconda di determinate caratteristiche della sostanza.

La maggior parte dei composti farmaco-tossicologici sono class