2 Metabolismo ed eliminazione

Metabolismo

Metabolismo si riferisce alle modificazioni chimiche che un farmaco subisce nell’organismo. Tutte quelle caratteristiche chimico-fisiche del farmaco che favoriscono il processo di assorbimento di un farmaco, ne sfavoriscono l’eliminazione. Per questo motivo, lo scopo della biotrasformazione è quello di modificare la struttura del farmaco, rendendolo generalmente più idrosolubile e quindi più facilmente escretabile dal nostro organismo. Questo spiega perché tutti i farmaci subiscono un processo di metabolizzazione e vengono escreti sotto forma di metaboliti (non si trova mai il farmaco parentale nei liquidi di escrezione quali bile e urina).

Due aspetti importanti del metabolismo dei farmaci

• Un farmaco dà origine generalmente a più metaboliti, ad esempio, acido acetilsalicilico o aspirina.
• Il numero e la tipologia di metaboliti che si producono dalla biotrasformazione a partire dal farmaco parentale possono influenzare molto la risposta terapeutica sia in termini di efficacia farmacologica sia in termini di tossicità.

La biotrasformazione può dare origine, a partire dal farmaco parentale a:

• Metaboliti inattivi sia dal punto di vista farmacologico sia tossicologico (non sono in grado di legare alcuna molecola presente nel nostro organismo e dunque sono inerti), caso più frequente e auspicabile.
• Metaboliti attivi dal punto di vista farmacologico (attività farmacologica analoga a quella del composto parentale e ciò indica che la biotrasformazione non ha alterato la capacità del farmaco di legare il suo bersaglio molecolare oppure attività farmacologica diversa e ciò indica che hanno acquisito la capacità di legare altri bersagli molecolari) o dal punto di vista tossicologico (legano molecole organiche dal cui legame origina un effetto tossico).
• Metaboliti attivi: se il principio attivo non ha una biodisponibilità sufficiente a garantire un effetto farmacologico (principio attivo incapace di essere assorbito), viene somministrato un profarmaco, ossia una molecola priva di efficacia terapeutica ma dotata di una migliore capacità di essere assorbita, la quale, una volta arrivata al fegato, viene convertita attraverso la biotrasformazione epatica nel composto attivo (bioattivata) e in questo modo può raggiungere la circolazione sistemica.

Esempi di profarmaci

Levodopa: farmaco di elezione per il trattamento del morbo di Parkinson ed è il precursore inerte della dopamina. La levodopa costituisce una fonte esogena di dopamina che serve a trattare la sintomatologia di questi soggetti, caratterizzati da un deficit di dopamina. La dopamina in quanto tale non può essere somministrata non tanto perché ha un problema di assorbimento quanto perché ha un problema di distribuzione: non passa la barriera ematoencefalica e quindi non può raggiungere il suo bersaglio molecolare nel SNC. La levodopa è in grado di attraversare la barriera ematoencefalica e sia nel SNC sia al di fuori, trova degli enzimi biotrasformativi ossia delle decarbossilasi che sono in grado di convertire la levodopa in dopamina.

Codeina: profarmaco che dopo la biotrasformazione epatica dà origine al principio attivo, ossia la morfina.

Esempio di metaboliti attivi dotati di spettro farmacologico uguale a quello del composto parentale

Diazepam: la biotrasformazione epatica di questo farmaco genera due metaboliti: oxazepam e nordiazepam dotati della stessa attività farmacologica del composto parentale. Si osserva nel paziente un effetto terapeutico nonostante la concentrazione plasmatica del diazepam sia scesa al di sotto della CMA, effetto terapeutico prolungato e vantaggioso.

Esempio di metaboliti attivi dotati di spettro farmacologico diverso da quello del composto d’origine

Ipronazide: è un farmaco antidepressivo che viene biotrasformato in isonazide, farmaco antitubercolosi.

Esempi di metaboliti attivi tossici

Paracetamolo: è un farmaco analgesico e antipiretico che viene biotrasformato in un metabolita tossico e altamente reattivo, il parabenzochinone. Se il paracetamolo viene somministrato a dosi terapeutiche, il parabenzochinone viene coniugato con il glutatione ed eliminato. Se il paracetamolo viene somministrato a dosi troppo elevate o a intervalli temporali troppo ravvicinati rispetto a quelli indicati dal foglietto illustrativo, il metabolita tossico, dopo aver saturato tutto il glutatione disponibile, si lega alle proteine degli epatociti e causa epatotossicità. La formazione di metaboliti attivi tossici si verifica quando tossicoforo (porzione della molecola responsabile di un effetto tossico del farmaco) e farmacoforo coincidono, il farmaco dà origine sia all’effetto terapeutico sia all’effetto tossico.

Reazioni di biotrasformazione

Il farmaco viene biotrasformato attraverso due reazioni enzimatiche: reazioni di fase I (danno origine ai cosiddetti metaboliti primari; talvolta la biotrasformazione di fase I cioè l’origine dei metaboliti primari è sufficiente affinché questi metaboliti possano essere eliminati dall’organismo) e reazioni di fase II (in cui i metaboliti primari sono substrato degli enzimi di fase II e vengono coniugati a molecole endogene formando un complesso che subisce eliminazione, caso più frequente).

Le reazioni di fase I sono chiamate anche reazioni di funzionalizzazione perché hanno lo scopo di inserire o mettere in evidenza gruppi funzionali nella molecola che la rendono più idrofila e/o disponibile per le reazioni di fase I, come: -OH, -NH₂, -COOH. Le reazioni di fase I sono: ossidazione, riduzione, idrolisi e idrossilazione. Gli enzimi biotrasformativi di fase I sono tipicamente legati a membrane biologiche, quindi predominano nel REL e, più raramente, a livello mitocondriale.

Le reazioni di fase II sono chiamate anche reazioni di coniugazione in cui i metaboliti derivati dalle reazioni di fase I vengono coniugati (legame covalente) con una molecola endogena (presente a livello epatico) a formare complessi che verranno eliminati dall’organismo. Gli enzimi biotrasformativi di fase I sono tipicamente citosolici. Le reazioni di coniugazione più frequenti sono:

• Glucuronazione o coniugazione con l’acido glucuronico
• Acetilazione o coniugazione con l’acetato
• Coniugazione con il glutatione
• Coniugazione con la glicina

Sede della biotrasformazione

La sede principale della biotrasformazione è il fegato perché la sua anatomia è funzionale all’arrivo del farmaco a quest’organo (elevato livello di perfusione, servito da capillari con ampie fenestrature) e per la presenza di enzimi biotrasformativi. Altre sedi sono il rene, il polmone e l’intestino e nel SNC (presenza di enzimi biotrasformativi di fase I).

Determinazione sperimentale del metabolismo dei principi attivi

Il tessuto epatico umano viene omogenato e centrifugato a 10mila gravità (bassa velocità) e ciò porta alla formazione di un pellet di scarto contenente i grossi organuli degli epatociti e di un surnatante chiamato frazione S9 in cui sono contenuti sia gli enzimi di fase I sia di fase II. Se volessimo studiare separatamente la biotrasformazione epatica di fase I e di fase II, si sottopone la frazione S9 a un’ulteriore centrifugazione a 100mila gravità che porta alla formazione di un pellet microsomiale (rappresentata tutta la frazione di REL. Microsomi= artefatti che si formano) cui sono in seguito all’ultracentrifugazione dei frammenti di REL che erano presenti nella frazione S9 contenuti gli enzimi di fase I e di un surnatante (rappresentato dalla frazione citosolica del tessuto originario) in cui sono contenuti gli enzimi di fase II.

Esempio di ossidazione: ossidazione mediata dal CYP450

• CYP 450 è l’enzima biotrasformativo più importante di fase I perché l’80% dei farmaci oggi in commercio subisce un’ossidazione di fase I mediata da questo enzima.
• È espresso ad alto livello nel fegato, a livello del REL, ma anche nel SNC.
• È coinvolto anche nella biosintesi o degradazione di molti composti endogeni (ormoni steroidei, vitamine liposolubili, acidi grassi, etc.).
• Nell’uomo, esistono almeno 18 isozimi CYP450 e questa diversificazione rende conto del fatto che ognuno è specifico per substrati diversi (CYP450, nel suo percorso evolutivo che lo ha portato ad essere presente nel nostro organismo in così tante isoforme, ha un significato protettivo: biotrasformazione come meccanismo per inattivare molecole esogene, farmaci inclusi).
• Nomenclatura: ad esempio, CYP3A4: il primo numero rappresenta la famiglia, la lettera rappresenta la sottofamiglia e un altro numero identifica la specifica isoforma/gene.
• Contiene il gruppo Eme e quindi un atomo di ferro. È stato chiamato citocromo P450 poiché, nel momento in cui il gruppo Eme si trova allo stato ridotto (Fe²⁺) e legato all’ossigeno o al monossido di carbonio, è in grado di assorbire la luce a 450 nm.

Ciclo catalitico del CYP450

1. CYP450 nella sua forma ossidata (cioè quando il ferro ha valenza 3+), ha affinità per il suo substrato (in questo caso il farmaco), lo lega e si forma un complesso.
2. Il CYP450 viene ridotto (il ferro passa da valenza 3+ a valenza 2+). L’elettrone per ridurre CYP450 è donato dal NADPH per azione dell’enzima NADPH-CYP450 reduttasi che lo trasferisce dal NADPH al CYP450.
3. Questa riduzione è fondamentale perché solo in questa forma ridotta, il CYP450 è in grado di legare (ha affinità) l’O₂ (che ci serve per introdurre un atomo di ossigeno nella molecola substrato quindi nel farmaco). Si forma un complesso ternario O₂-CYP450-substrato.
4. Arriva un secondo elettrone la cui fonte è o il NADPH per azione dell’enzima NADPH-CYP450 reduttasi che lo trasferisce dal NADPH al CYP450, oppure dal NADH grazie all’azione dell’enzima NADH-citocromoB₅ reduttasi che lo trasferisce dal NADH al cytB₅ e dal cytB₅ al CYP450.

Pertanto: un atomo di ossigeno esce come acqua, l’altro atomo di ossigeno viene inserito nel substrato che esce e in cui è stato messo in evidenza il gruppo funzionale OH. Il CYP450 torna in forma ossidata pronto per un nuovo ciclo.

Le diverse isoforme del CYP450 sono codificate da geni per i quali sono state identificate numerose varianti alleliche. Questo vuol dire che, a seconda del genotipo, ogni individuo può avere una capacità biotrasformativa legata all’attività catalitica di quella specifica isoforma di CYP450:

• Normale (variante o SNP più frequente nella popolazione e quindi considerata wild-type): gli individui portatori di questa variante genica wild-type vengono identificati fenotipicamente, dal punto di vista farmacologico, come metabolizzatori estensivi quindi con un’attività catalitica sufficiente.