Schemi di Farmacologia

Farmacodinamica

Farmacodinamica: branca della farmacologia che studia il meccanismo d’azione dei farmaci e di come vanno a innescare una risposta farmacologica all’interno dell’organismo, andando ad agire principalmente sulla cascata di trasduzione del segnale.

GPCR

GPCR: recettori accoppiati a proteine G formati da sette domini transmembrana che vengono attivati da ligandi endogeni. Un esempio sono i recettori oppioidi che hanno come ligando endogeno le endorfine che scatenano un’azione antidolorifica. Quando l’effetto delle endorfine non è abbastanza, si utilizzano dei farmaci, come la morfina, che si legano al recettore oppioide e ne stimolano la sua attività tramite gli stessi meccanismi che vengono attivati dalle endorfine.

Sede d’azione dei farmaci

• Locale: nella sede in cui si è somministrato il farmaco si osserva l’effetto farmacologico.
• Sistemica: una volta assunto il farmaco, tramite la circolazione sistemica, esso raggiunge il sito d’azione (solitamente un tessuto) dove va a svolgere la sua azione. Il farmaco deve avere una struttura tale da permettergli di arrivare al plasma e ai tessuti periferici.

Meccanismi d’azione

• Specifiche: farmaco interagisce in maniera specifica con una macromolecola (recettore) per poter svolgere il suo effetto. In questo caso, è importante considerare la stereoselettività, in quanto, se di un farmaco esistono due diversi enantiomeri, solo uno di essi avrà una spiccata azione farmacologica. Per questo, è importante conoscere la struttura del recettore per andare a progettare dei farmaci che riescono a legarsi in maniera ottimale ad essi.
• Non specifiche: l’azione del farmaco non è mediata dall’interazione con uno specifico recettore ma su meccanismi chimico-fisici generali (disinfettanti, antiacidi).

Aspetti quantitativi dell’interazione farmaco-recettore

Teoria dell’occupazione (Clark): si basa sulla teoria di Michaelis-Menten e pone due postulati:

• In un determinato organo/tessuto, è presente un numero finito di recettori e ognuno di essi è disposto a legarsi reversibilmente con una molecola di farmaco in rapporto 1:1.
• La risposta del sistema biologico è proporzionale al numero di recettori occupati, quindi l’effetto massimo si ottiene quando tutti i recettori sono occupati.

Secondo questa teoria, l’effetto scatenato da un farmaco dipende dalla concentrazione di farmaco moltiplicata per l’effetto massimo e rapportata alla somma fra la costante di dissociazione fra farmaco e recettore e la concentrazione di farmaco.

La Kd rappresenta la concentrazione di farmaco necessaria per avere l’effetto emimassimale (metà recettori occupati) ed è anche la misura inversa dell’affinità fra farmaco e recettore. Per affinità si intende quante molecole hanno legato il recettore.

Più alta è l’affinità e maggiore sarà la potenza in quanto serve meno farmaco per produrre uno specifico effetto, considerando che, per potenza, ci si riferisce alla quantità di molecole di farmaco legate al recettore necessarie per avere l’effetto emimassimale. Di conseguenza, si può dire che la potenza è determinata dalla dose: una potenza minore richiede dosaggi più elevati (morfina-codeina-fentanyl). Ma non necessariamente il farmaco più potente è anche quello clinicamente più utile in quanto una maggiore potenza sta a significare una maggiore propensità a dare effetti collaterali.

Questa teoria non è particolarmente esplicativa, in quanto:

• Alcuni recettori, quando si ha l’effetto massimo, non sono occupati, quindi i recettori non sono completamente saturati, oppure lo fanno dopo l’effetto massimo.
• La cascata di trasduzione del segnale non si amplifica in maniera lineare ma in maniera iperbolica e, quindi, non è detto che si raggiunga l’effetto occupando i recettori; in questo modo, la potenza va a sovrastimare la Kd.

Teoria dell’attività intrinseca (Ariens): si usa la stessa formula della teoria dell’occupazione ma considera la capacità del farmaco di dare inizio alla risposta biologica una volta che si è legato al recettore attraverso il fattore α, che rappresenta l’attività intrinseca, caratteristica per ogni farmaco, un parametro compreso fra 0 e 1 che viene considerato sulla base dell’effetto del ligando naturale.

Questa teoria definisce il comportamento dei diversi farmaci:

• α = 1: equazione uguale alla teoria dell’occupazione, quindi si è di fronte a un farmaco agonista totale, in grado di evocare l’effetto massimo (pramipexolo).
• α fra 0 e 1: l’effetto misurato sarà al massimo la percentuale espressa dall’attività intrinseca, quindi non si avrà mai l’effetto massimo (solo legame con ligando naturale), quindi il farmaco è un agonista parziale (aripiprazolo).
• α = 0: non si ha un effetto quindi si è di fronte a un antagonista.

In base a questa teoria, l’efficacia di un farmaco dipende dall’effetto massimo poiché mano a mano che l’effetto massimo si abbassa, si abbassa anche l’efficacia, mentre la potenza non cambia.

Teoria dei due stati del recettore: la teoria sostiene che i recettori esistano naturalmente in due stati diversi, recettore attivo e recettore inattivo, in equilibrio fra loro. In assenza di un ligando, quasi tutto l’equilibrio è spostato verso il recettore inattivo, ma esiste comunque una piccola frazione di recettore attivo, implicando l’esistenza di un’attività basale costitutiva del sistema. Questa teoria è, quindi, in grado di spiegare tutte le forme di agonismo e antagonismo:

• Agonista: farmaco che ha affinità solamente per il recettore attivo e che è in grado di spostare l’equilibrio totalmente verso questa forma, andando a produrre l’effetto massimo.
• Antagonista: farmaco che ha la stessa affinità per la forma attiva che per la forma inattiva e che favorisce la permanenza o il ritorno alle condizioni iniziali di equilibrio, in cui è presente solamente il tono basale.
• Agonista parziale: farmaco che ha affinità sia per la forma attiva che per la forma inattiva con una preferenza per quella attiva e che causa uno spostamento solo parziale dell’equilibrio verso la forma attiva, causando un effetto submassimale.
• Agonista inverso: farmaco che ha attività esclusivamente per la forma inattiva e che sposta totalmente l’equilibrio verso questa forma, andando ad abolire anche l’attività basale del sistema e andando ad antagonizzare i farmaci agonisti eventualmente presenti.

Tipologie di farmaci

• Agonisti: farmaci attivatori di recettori.
  • Ortosterici: farmaci che si legano allo stesso sito di legame del ligando endogeno.
  • Allosterici: farmaci che si legano al recettore a un sito diverso rispetto a quello del ligando (GABA e benzodiazepine/barbiturici).

Potenziatori allosterici: farmaci capaci di aumentare la potenza/efficacia del ligando endogeno una volta che si legano al recettore; da soli non hanno effetti (benzodiazepine e barbiturici).

• Antagonisti: farmaci che si legano al recettore e inibiscono la sua attività, ossia non sono in grado di produrre l’effetto farmacologico che deriva dall’attivazione del recettore ma sono capaci di prevenire l’effetto di un agonista sullo stesso recettore.
  • Competitivi: si legano al recettore nello stesso sito di legame del ligando/agonista e lo spiazzano dal suo sito di legame, andando a instaurare un legame reversibile. Si tratta di un antagonismo che viene definito come sormontabile perché, aumentando a sufficienza la concentrazione dell’agonista, si può spostare tutto l’antagonista dal sito di legame e ottenere l’effetto massimo; quindi, la presenza dell’antagonista fa aumentare la concentrazione di agonista necessaria per ottenere un determinato effetto, di conseguenza, la concentrazione efficace 50 aumenta (naloxone).
  • Non competitivi: dopo il legame fra l’antagonista e il recettore, il recettore non viene attivato neanche in presenza di un eccesso di agonista (insormontabile) e, quindi, non è possibile raggiungere l’effetto massimo.

Ortosterici: farmaci che si legano in maniera irreversibile (covalente) al recettore nello stesso sito di legame del ligando naturale.

Allosterici: farmaci che si legano in un sito allosterico del recettore non impedendo il legame fra il recettore e l’agonista, ma prevenendo l’attivazione del recettore da parte dell’agonista stesso. In questo caso, la concentrazione efficace 50 non viene modificata (ketamina e s-ketamina).

Recettori farmacologici

Recettori fisiologici: recettori per ligandi endogeni che stanno in uno stato di quiescenza fino a quando arriva un ligando che si lega al recettore, causa una modifica conformazionale che lo attiva, scatenando la cascata di trasduzione del segnale. A livello di questi recettori, il farmaco può andare a mimare l’azione del ligando endogeno (agonista) oppure può inibirla (antagonista).

• Di membrana: hanno una porzione esterna dedicata al legame con il ligando che, quindi, non deve necessariamente entrare nella cellula, poi hanno un dominio transmembrana e un dominio citoplasmatico, effettore, ossia responsabile di scatenare la cascata di trasduzione del segnale.

Recettori canale

Recettori canale: si aprono e si chiudono in base al legame con il ligando. Infatti, l’interazione con il ligando produce l’apertura del canale attraverso una modifica conformazionale che porta a una depolarizzazione della membrana per il passaggio del sodio o una iperpolarizzazione della membrana per il passaggio del calcio.

Un recettore canale può essere bloccato, per esempio, dal magnesio, che si inserisce a livello dell’apertura facendo da tappo in modo da impedire il passaggio degli ioni anche quando il canale è aperto. Il magnesio va a bloccare i canali NMDA iperstimolati quando si ha un eccesso di glutammato che causa delle crisi che derivano dall’iperattività del sistema nervoso centrale.

Recettori enzima

Recettori enzima: una volta attivati dal legame con il ligando, vanno ad attivare un enzima legato al recettore facendo partire delle reazioni enzimatiche all’interno della cellula.

Con attività tirosinchinasica intrinseca

Presentano un dominio extracellulare che riconosce il ligando, un singolo dominio transmembrana e una porzione interna che ha attività tirosinchinasica, ossia va a fosforilare i residui tirosinici delle proteine, andando ad attivare la cascata di trasduzione del segnale. In particolare, l’interazione con il ligando porta a una dimerizzazione del recettore, necessaria per avere l’attività tirosinchinasica.

Recettori HER: recettori dei fattori di crescita che vengono studiati in ambito oncologico in quanto vengono iperespressi dalle cellule tumorali, come quelle del carcinoma mammario. Di conseguenza, sono state sviluppate delle terapie mirate con farmaci che riconoscono selettivamente il recettore, come gli anticorpi monoclonali, capaci di riconoscere e di andarsi a legare a specifiche sequenze delle isoforme di questi recettori. In particolare, trastuzumab rompe gli eterodimeri che si formano anche senza il legame con il ligando, pertuzumab inibisce la formazione degli eterodimeri ligando-dipendenti e lapatinib inibisce l’attività tirosinchinasica del recettore dimerizzato; tutti e tre questi farmaci impediscono l’attivazione della cascata di trasduzione del segnale.

Visto che vanno ad agire su meccanismi cellulari diversi, questi farmaci vengono utilizzati assieme in terapia in modo da potenziare gli effetti, in quanto si va a rompere sia la dimerizzazione sia la cascata enzimatica.

Esistono anche i farmaci TKI che si legano alla porzione intracellulare del recettore e vanno a inibire la tirosinchinasi. Si tratta di molecole piccole e selettive per i recettori tumorali.

Con attività tirosinchinasica reclutata

Una volta che viene attivato dal legame con il ligando, il dominio intracellulare dimerizza e attiva delle proteine vicine con attività tirosinchinasica come Jak, che vanno a fosforilare altre proteine, come Stat, che dimerizzano e si trasferiscono nel nucleo dove vanno a regolare la trascrizione di alcuni geni.

Un farmaco che blocca l’attività di questi recettori è tofacitinib, che si lega a Jak. È stato utilizzato durante il Covid perché portava a una riduzione della produzione delle citochine e delle interleuchine. Adesso viene utilizzato principalmente per trattare l’artrite reumatoide.

Con attività serina/treonin chinasica

Quando il ligando si lega ai recettori, avviene l’eterodimerizzazione dei recettori che porta alla fosforilazione dei residui serinici o treoninici che porta all’attivazione della proteina Smad che dimerizza e migra nel nucleo dove aumenta la trascrizione dei geni implicati nella sintesi del collagene.

TGFβ: questo recettore è implicato nel meccanismo che porta all’insorgenza della fibrosi nel fegato e nei polmoni. Infatti, le cellule tonde del fegato, se stimolate, assumono una conformazione allungata, da fibroblasti, e cominciano a sintetizzare collagene che si deposita nel fegato. A lungo andare, il parenchima del fegato sarà composto da collagene e, non trattato, questo può evolvere in una cirrosi.

Al momento non si ha nessun farmaco che va ad agire a livello di questi recettori, ma sono stati approvati e messi in commercio due nuovi farmaci contro la fibrosi, uno che va ad agire a livello dell’ormone tiroideo e l’altro che è la semaglutide.

Recettori per l’adesione cellulare

Recettori per l’adesione cellulare (integrine): recettori che mediano l’integrità cellulare.

Integrine: vengono espresse sulla superficie dei linfociti quando vengono reclutate le cellule del sistema immunitario, attraverso la produzione di chemochine. Quando un tessuto è particolarmente infiammato, sulla parete interna dei vasi che irrorano il tessuto viene aumentata l’espressione delle proteine coinvolte nell’adesione cellulare. In particolare, i linfociti T si legano a questi recettori e vanno a formare un legame stretto che facilita la migrazione del linfocita attraverso la parete vascolare, fino alla zona infiammata, dove vanno a formare un infiltrato immunitario.

Per impedire questo processo, si sono formulati degli anticorpi monoclonali come Vedulizumab che si legano all’integrina α4β7 espressa a livello dei linfociti T, e impediscono ai linfociti di legarsi all’endotelio vascolare e di penetrare nel tessuto infiammato.

GPCR e proteine G

GPCR: recettori collegati a proteine G che, una volta attivati dal legame con il ligando, aprono dei canali ionici o alterano l’attività di alcuni enzimi. Sono costituiti da 7 domini transmembrana uniti in un’unica catena polipeptidica con la porzione N-terminale a livello extracellulare e la porzione C-terminale a livello intracellulare; inoltre, presentano un loop fra il segmento 5 e 6 dove si va a legare una diversa proteina G eterotrimerica (subunità α, β, γ) capaci di legare e idrolizzare GTP.

Quando il ligando va a interagire con il suo sito attivo nel recettore, attiva la proteina G collegata che assume un’attività GTP-asica nella subunità α che è in grado di interagire con un’altra proteina effettrice (enzima o canale) e, a seguito di questo, si scatena la cascata di trasduzione del segnale.

Sono degli importanti target farmacologici, come, ad esempio, i più stabili sono i neurotrasmettitori e i recettori oppioidi.

Esistono 3 diversi pathway perché i vari recettori attivano dei meccanismi intracellulari diversi in quanto sono collegati a diverse proteine effettrici.

• Gs (norepiferina): attivata la proteina Gs, viene attivata l’adenilato ciclasi che sintetizza l’AMP ciclico (secondo messaggero), che va ad attivare la PKA che aumenta la fosforilazione delle proteine.
• Gi (dopamina): il legame con il GPCR causa l’inibizione dell’adenilato ciclasi che comporta una minore produzione di AMP ciclico e una minore attivazione della PKA e, quindi, una minore fosforilazione delle proteine.
• Gq (glutammato): la proteina effettrice è la fosfolipasi C che induce la sintesi di due secondi messaggeri, il diacilglicerolo e l’inositolo-3-fosfato. Il primo va ad aumentare l’attività della PKC comportando un aumento nella fosforilazione delle proteine; mentre il secondo va ad agire a livello di tutte quelle proteine che aumentano il rilascio del calcio, portando all’attivazione di tutta una serie di proteine calcio-dipendenti.

Recettori per la serotonina

Recettori per la serotonina: la serotonina all’interno del corpo umano possiede 13 recettori GPCR raggruppati in sette famiglie: 3 (canale ionico), 1 e 5 (GPCR collegati a proteina Gi), 2 (GPCR collegati a proteina Gq) e 4, 6 e 7 (GPCR legati a proteina Gs). Quindi, in base a dove la serotonina si lega, vengono modificati diversi pathway molecolari, collegati alle diverse funzioni che la serotonina svolge. Questi recettori non sono espressi solamente nel cervello, ma anche in altri organi dove hanno delle funzioni ancora differenti.

I farmaci serotoninergici sviluppati sono:

• Triptani: farmaci agonisti che vanno ad agire a livello dei recettori 5-HT1B e 1D provocando l’inibizione del rilascio dei peptidi vasoattivi come la sostanza P, VIP e CGRP, in modo da andare a diminuire la vasodilatazione. Si tratta di farmaci che vengono utilizzati principalmente contro l’emicrania.
• Sostanze stupefacenti come l’LSD che ha una struttura simile a quella della serotonina ed è una molecola agonista per il recettore che causa allucinazioni; o come la psilocibina, contenuta nei funghi allucinogeni.

GLP1

GLP1: è un recettore collegato a proteine G espresso a livello delle cellule del pancreas che svolge numerose funzioni, tra cui la regolazione del rilascio di insulina. Un farmaco che si comporta come GLP1 è la semaglutide, usata per il tratta