Appunti chimica farmaceutica 1 (parte generale)

Chimica farmaceutica

La chimica farmaceutica vera e propria nasce nel 1800, prima si parlava di alchimia o di stregoneria. In pratica nasce con la necessità di curare le malattie, quindi già da prima, da ciò che il mondo poteva offrire come materiali utili per la cura di malattie.

Primi documenti e rimedi antichi

I primi documenti risalgono al 3000 a.C. in Cina con Ephedra vulgaris, descritta come possibile rimedio per la tosse ed altri disturbi generici. In India viene introdotta la Curcuma longa intorno al 2000 a.C. per il trattamento di tosse, reumatismi, infiammazioni, anoressia e disturbi al fegato.

• L'etanolo, già noto ai popoli antichi medio orientali, che portava alcuni vantaggi
• Medicina umorale di Socrate che risale al 460 a.C. basata sui 4 elementi fondamentali (aria, terra, fuoco e acqua) con i 4 umori del corpo (bile nera, flemma, bile gialla e sangue)
• Primi accenni sull'oppio e oppio come farmaco per curare certi aspetti
• Trattato di Galeno, siamo d.C., riprende gli elementi di Ippocrate
• Trattato De medicina sulla terapia sperimentale, si introduce la teoria di sperimentazione, prove sugli schiavi
• Scritto da Avicenna influenzato dalle teorie di Galeno, è stato il testo unico sulla medicina fino al 1400-1500
• Con il Rinascimento Paracelso inizia a parlare di sperimentazione più mirata e ricomincia a basarsi sulle prove

Sviluppo della chimica farmaceutica

Il grande sviluppo si ha con l'evoluzione delle scienze chimiche. Nel 1800 iniziano le prime purificazioni e isolamenti delle sostanze naturali usate fino ad allora come estratti delle piante e quant'altro; vengono purificate le sostanze attive. È stata ad esempio isolata la morfina. Arrivano i primi farmaci grazie allo sviluppo della chimica organica, tra cui l'aspirina. Nel XX secolo si ha il vero sviluppo della chimica farmaceutica, per trattare tutte le patologie presenti, soprattutto infezioni batteriche, che torneranno nel 2050 come prima causa di morte.

La chimica organica però si interessava di più ai coloranti e non ai farmaci, perché più remunerativi. Ehrlic fondò la chemioterapia con il rosso tripan, il primo sulfamidico. Dalla scoperta empirica di questo rosso tripan, che sviluppava all'interno del topo un metabolita attivo, si osserva la correlazione tra le proprietà chimico-fisiche e l'attività biologica.

Contributi significativi

Nel 1939 Ferguson correla la concentrazione tossica di un composto alla sua solubilità o alla sua tensione di vapore. Per esempio, il solfato di bario è altamente tossico, ma insolubile, quindi poteva essere usato per le radiografie come agente di contrasto perché non passava ai tessuti. Non veniva assorbito nemmeno se ingerito, perché resta insolubile anche al pH acido dello stomaco. Oggi ci sono comunque altre tecniche.

Hammet mette in relazione la costante di idrolisi di esteri dell'acido benzoico alla natura dei gruppi sostituenti (elettronattrattori o donatori). Sono tutte osservazioni rivolte alla chimica organica, non farmaceutica. Poi si arriva finalmente a correlare l'energia libera dell'interazione farmaco-recettore all'attività biologica: queste correlazioni però non erano sempre lineari, avevano un campo limitato di applicazioni e l'attività biologica prima correlata solo ad un parametro chimico-fisico, ora viene correlata insieme a più parametri, grazie a Taft e Hansch.

Progressi nel XX secolo

Sempre nel ‘900 si inizia ad esaminare la conformazione della molecola, com'è strutturata. Si sostiene che la risposta biologica sia data dalla somma dei contributi dati dai vari sostituenti. Nel 81 Kier postula la natura di recettori attraverso calcoli quantomeccanici. Sulla base di questi è stato possibile stabilire le conformazioni dei primi recettori e delle molecole che potevano interagire con essi, per capire poi come modificarle in modo da avere una migliore interazione.

Fasi del farmaco e somministrazione

Il farmaco va incontro a diverse fasi, prima tra tutte la disaggregazione della forma farmaceutica, per liberare il PA che va in soluzione per poter essere assorbito. Inizia così la fase farmacocinetica, una volta chiamata ADME, oggi ADMET, perché oltre ad assorbimento, distribuzione, metabolismo ed escrezione, bisogna considerare la tossicità. Poi c'è la fase farmacodinamica, data dall'interazione farmaco-recettore.

Le vie di somministrazione oggi sono moltissime. Un tempo c'erano solo pastiglie date per via orale e iniezioni. Tra le altre vie abbiamo la sublinguale, che dà un ottimo assorbimento e soprattutto rapido. La via orale è la più semplice, ma è molto variabile, dipende dal pH e dalla sede di assorbimento (stomaco o intestino). Molto buono è anche l'assorbimento rettale perché c'è un'ottima vascolarizzazione. Poi c'è la via topica, che consente l'utilizzo anche di sostanze tossiche, ma che non vengono assorbite.

Disgregazione e disaggregazione

Sono stati fatti studi per migliorare questi processi e migliorare quindi l'assorbimento. È la fase che comporta la disgregazione in granuli e la disaggregazione degli stessi in particelle fini. Queste passano in soluzione con una velocità determinabile dall'equazione di Noyes-Whitney.

Esempio: l'aspirina è insolubile in acqua, ma a pH gastrico (1-3, molto acido) serve la dissoluzione, quindi la si associa ad un tampone. La compressa tamponata è sottoforma di sale sodico e a pH gastrico torna ad essere acido libero e tende a precipitare, ma lo fa come particelle infinitesime, incrementando così l'area superficiale. In questo modo si facilita la ridissoluzione e l'assorbimento.

Forme farmaceutiche

È più facile maneggiare i solidi dei liquidi soprattutto a livello industriale, ma i solidi per essere assunti devono essere solubilizzati. Per passare in soluzione una struttura allo stato solido deve farsi che tutte le molecole si disgreghino tra di loro rompendo le forze di interazione intermolecolari. Più queste sono deboli più è facile. La molecola può interagire anche con il solvente attraverso altre forze di interazione intermolecolari. Tali forze devono essere superiori per avere la solvatazione. Il primo passaggio è proprio la solubilizzazione; da ricordare che il simile scioglie il simile.

Biodisponibilità

Tuttavia, per poter agire un composto deve essere presente ad una determinata concentrazione nel sito d'azione e questa non è solo funzione della dose somministrata. Biodisponibilità: prende in considerazione la possibilità del farmaco di arrivare al circolo, sia la quantità somministrata, sia quella che arriva al circolo e con quale velocità vi arriva. Come inizia l'assorbimento inizia anche l'eliminazione, quindi può essere che non si raggiunge mai la concentrazione necessaria ad avere l'effetto. Il farmaco è immediatamente disponibile con la somministrazione endovena, l'ideale in situazioni d'emergenza. La biodisponibilità è la somma di vari fenomeni positivi e negativi: assorbimento, distribuzione, siti di stoccaggio, eliminazione, biotrasformazione.

Profarmaco

Il farmaco può essere tale o in forma di profarmaco, una modifica strutturale fatta per superare problematiche di assorbimento o distribuzione, poi per reazioni di metabolismo viene ripristinato il farmaco. Nel circolo, dopo assorbimento, il PA può essere libero o legato a proteine e anche nei tessuti può essere libero o legato. Solo quello libero svolge l'azione. Tutti questi passaggi dipendono dal passaggio di membrane cellulari.

ADMET

Assorbimento

Assorbimento: diffusione passiva, trasporto attivo, trasporto facilitato, coppia ionica, convettivo, pinocitosi ed endocitosi.

La diffusione passiva riguarda la maggior parte dei PA. Sono escluse molecole ioniche. Il PA è in soluzione acquosa, deve superare la membrana cellulare o dei comparti intracellulari. Entra nella membrana stessa, dove avrà concentrazione dipendente dal coefficiente di diffusione, e poi va dall'altra parte della membrana. La diffusione è secondo gradiente di concentrazione, quindi a seconda di questa può tornare al comparto 1 o andare al comparto 2; è un equilibrio dato da 2 K. La diffusione è regolata dalle concentrazioni dei due comparti moltiplicati per il coefficiente di diffusione. L'equilibrio è regolato dalla legge di Fick, che ci dice che la velocità (quantità di sostanza che diffonde attraverso una membrana in funzione del tempo) è influenzata da diversi fattori:

Non tutte le molecole riescono a passare la membrana tramite diffusione passiva, come gli ioni e le molecole molto grandi e polari, mentre le molecole piccole riescono a passare tranquillamente. La diffusione si equilibra nel tempo fino a un valore costante. Ruolo fondamentale è svolto dal coefficiente di ripartizione tra membrana e fase acquosa ai lati della stessa. In questo passaggio, la velocità è direttamente proporzionale alla concentrazione del farmaco. La permeabilità dei non elettroliti è indipendente dalle dimensioni della molecola. Possiamo concludere che la velocità dipende sicuramente dal coefficiente di ripartizione, ma soprattutto dalla concentrazione.

In funzione del peso molecolare del composto in esame vi è una buona correlazione lineare tra la costante di permeabilità (P) e il coefficiente di ripartizione (K). La molecola più pesante è la propionamide; più alto è il peso molecolare, più basso è il coefficiente di ripartizione e quindi la sua permeabilità. Anche se il sistema è statico la molecola diffonde nel tempo, lentamente, verso la zona meno concentrata. Se c'è una barriera e la tolgo inizia la diffusione. Anche la distanza è un fattore che determina il tempo necessario.

La maggior parte di PA sono solidi e elettroliti deboli. Solo la parte non ionizzata passa. Bisogna trovare un compromesso opportuno tra la forza dell'elettrolita e la lipofilia. Equazione di Handerson-Hasselbach:

Quando domina la fase indissociata, il logaritmo è negativo e il pH deve essere maggiore della pKa; avviene l'opposto quando la fase dissociata domina. Le variazioni di dissociazione di acidi e basi deboli giustificano il diverso assorbimento di queste sostanze nei differenti tratti del tubo gastroenterico. Una base debole (pKa 4) sarà protonata a pH 1 dello stomaco e non potrà essere assorbita. È assorbita meglio (parzialmente) nel duodeno, dove il pH è 6 e a pH del sangue di 7 sarà completamente indissociata. Un acido debole sarà ben assorbito a livello gastrico in quanto indissociato. A parità di pKa tra due sostanze diverse, si osserva il coefficiente di ripartizione olio/acqua per capire se avviene l'assorbimento.

Più aumenta il pH più decresce la velocità di assorbimento per gli acidi, il contrario per le basi. I sali di un composto hanno velocità di assorbimento rispetto al prodotto non salificato. Se la molecola è anfiprotica (zwitterionica), sia con funzione acida che basica, ha una situazione più complicata. A pH centrali è in forma zwitterionica, neutra. Ai 2 estremi è carica: a pH acido è protonata, con carica positiva, a pH basico è deprotonata con carica negativa.

La salificazione diventa importante perché favorisce la solubilizzazione e la velocità di dissoluzione, riduce la v di precipitazione alle variazioni di pH, il che ne favorisce l'assorbimento. Una eventuale precipitazione come amorfo in piccole particelle (non c'è la forma ordinata, legami più deboli) favorisce l'assorbimento rispetto al composto cristallino. Inoltre, la salificazione permette di avere tutte le molecole allo stato solido, sia a partire da gas che da liquidi o da oli e cere. Risultano più facili da maneggiare. L'agente salificante quindi è importante dal punto di vista funzionale e regolatorio (cambiano le fasi di approvazione della molecola). Si può usare bromidrato, cloridrato, ma anche composti organici, come il citrato, il pamoato. Per acidi deboli posso fare sali sodici, di Ca, K e anche usare cationi organici. In ogni caso si usa un contro ione con una pKa che differisce di almeno 2-3 unità da quella del farmaco e deve essere autorizzato dalle autorità preposte (EMA, FDA). Sono per il 70% di tipo anionico, in quanto i PA sono in prevalenza basici.

La scelta del contro ione è vincolata dalla capacità della molecola di formare un solido valido. Per esempio, se il cloridrato è igroscopico e assorbe acqua, si può sciogliere nella filtrazione, dovrei lavorare sempre in condizioni anidre; è difficile da maneggiare, è meglio fare un altro sale. Oppure ho problematiche nell'assorbimento, per esempio un sale che non si dissocia.

Trasporto attivo

Il trasporto attivo va contro gradiente (di concentrazione o elettrochimico), contro gli equilibri chimici classici, quindi necessita cambiamenti di conformazione del trasportatore attivo, normalmente garantiti da liberazione di energia derivante dalla liberazione del fosfato dell'ATP. Normalmente sono impiegate 2 moli di ATP per ogni mole di prodotto. Si accumula farmaco all'interno della cellula ed è lo stesso sistema che garantisce l'accumulo di alimenti con importante valore nutrizionale. Le pompe di efflusso invece lo portano fuori. I trasportatori hanno una concentrazione massima che possono trasportare ogni volta; se questa viene raggiunta il sistema è saturo ed è inutile aumentare la dose. Il limite di carico corrisponde a Vmax. Inoltre, bisogna tenere presente che le molecole possono competere tra di loro per uno stesso trasportatore.

I trasportatori attivi sono espressi in vari organi (deputati ad assorbimento ed eliminazione) e barriere: intestino, fegato, reni, barriere ematoencefalica e placentare. Se si compromette il metabolismo, possono cessare rapidamente di funzionare. L'energia necessaria è fornita da ATP nel caso di trasporto attivo primario o da gradienti ci concentrazione di altre specie a loro volta generati da trasportatori primari. Questi ultimi sono detti secondari e sono ad esempio Na+/K+-ATPasi. I trasportatori sono classificati in 2 famiglie:

• ABC (ATP-binding cassette o trasportatori ATP dipendenti): sono trasportatori di efflusso primari coinvolti nella secrezione di farmaci
• SLC (solute carrier o trasportatori di soluti): sono trasportatori attivi secondari o trasportatori facilitanti.

Il trasporto primario interessa il trasferimento controgradiente di ioni inorganici, come la pompa Na+-K+. È costituita da 2 subunità alfa associate a 2 beta glicopeptidiche. Sulla superficie citoplasmatica della alfa vi sono i siti per Na+, mentre quelli per K+ sono sulla superficie extracellulare. È un esempio antiporto, ma esistono anche uniporti.

Il secondario dipende dal primario. Sfrutta l'energia potenziale generata dal gradiente di concentrazione fornito dal primario (sovente lo ione tende a riattraversare la membrana in virtù del passivo). Se si blocca la produzione di ATP, si blocca anche questo trasporto. Per la maggior parte è Na+ dipendente in quanto Na tende ad entrare nella cellula in funzione del gradiente mantenuto dalla pompa Na+/K+.

Trasporto facilitato

Il trasporto facilitato riguarda soprattutto vitamine. C'è sempre il legame con trasportatore, che però non richiede necessariamente energia, per cui non va contro gradiente. È semplicemente un cambiamento conformazione per facilitare il passaggio della molecola. Un classico esempio è quello della vit B12, del glucosio o della colina a livello degli eritrociti e dei cationi tetrametilammonici.

Trasporto convettivo

Simile al passivo, ma vincolato al passaggio attraverso i pori di membrana, che fanno da setaccio. I pori sono costituiti da proteine. Più è grossa la molecola più è basso il "sieving coefficient" e quindi più difficilmente passa. Sfrutta comunque il gradiente di concentrazione, come la passiva. Dipende dal numero di pori, dal raggio, dalla viscosità del liquido al loro interno. Molecole con diametro maggiore di 10 A non possono passare; l'ideale si ha per raggio di 4 A. Quando il raggio di Van der Waals della molecola è maggiore di 2r, essa non può passare con questo sistema di trasporto.

Trasporto mediante coppia ionica

È la modalità con cui una molecola carica, fortemente ionizzata, può passare attraverso una membrana. Esempio: un anione organico grande può legarsi a una specie cationica sufficientemente grande. Interagiscono per legame ionico (carica negativa e positiva) e tale legame è rafforzato da altri. La specie diventa neutra, non più ionica, e può passare la membrana. Una volta passata, la coppia ionica può dissociarsi e rigenerare i 2 elementi per reazioni di equilibrio.

Pinocitosi ed endocitosi

Per il passaggio di molecole molto grosse. La pinocitosi si basa sulla formazione di invaginazioni che si richiudono per formare vescicole che si rompono poi all'interno della cellula, mentre l'endocitosi riguarda le sostanze che sono contenute in vescicole che vengono rilasciate nel citosol per digestione lisosomiale della membrana vescicolare o per fusione membranale. Questo meccanismo viene sfruttato per veicolare i farmaci in maniera tessuto-selettiva. La fagocitosi è simile alla pinocitosi, ma per molecole ancora più grosse o per particelle insolubili.

Permeabilità paracellulare

Piccole molecole lipofile ma anche quelle polari possono passare attraverso le cellule epiteliali dell'intestino grazie a pori canale di diametro di circa 8 A. Accade nel tratto GI e nel glomerulo renale. Queste cellule sono state definite colabrodo perché non sono in grado di formare una barriera completamente impermeabile.