appunti di chimica farmaceutica 3

Definizione di farmaco

Nel 1892 nel trattato di materia medica e terapia si ritrovano due definizioni:

Rimedio: ogni agente assunto con la dieta che è capace di far tornare l’organismo da uno stato morboso a uno stato fisiologico. Questo coincide con la moderna definizione di nutraceutico.

Farmaco: un composto chimico estraneo all’organismo e che opera in esso profondi cambiamenti che gli permettono di ritornare allo stato sano. Oggi per farmaco si intende una sostanza chimica o biologica, sintetica o naturale che introdotta nell’organismo ne altera le funzioni e ripristina lo stato di salute. Nella definizione di farmaco può essere incluso anche il cibo.

Nella farmacopea viene riportata la definizione di principio attivo: sostanza di origine naturale o sintetica che può essere usata per prevenire, curare, diagnosticare malattie dell’uomo e degli animali.

Farmaco: Preparazione galenica di principi attivi così come è impiegata in diagnostica o in terapia per uso topico, orale o parenterale. Queste sostanze contengono oltre al principio attivo, altre sostanze quali eccipienti, antiossidanti, correttivi, lenitivi, coloranti, emulsionanti e sono confezionate in appropriate forme farmaceutiche quali creme, unguenti, compresse, confetti, capsule, sciroppi, supposte, fiale, aerosol.

History of drug discovery

Da sempre l’uomo ha sentito il bisogno di curarsi, per cui la prima fonte a cui si è rivolto per cercare rimedio farmaci è stata la natura. In Grecia si faceva riferimento ad una divinità chiamata Esculapio nei cui templi erano presenti sacerdoti che suggerivano rimedi per le malattie. Vicino ai templi sono state trovate delle tavolette votive; in una di queste è rappresentato un sacerdote che cura una ferita da guerra con il morso di un serpente per favorirne la cicatrizzazione.

Intorno al Rinascimento Paracelsus introdusse la dottrina dei segni secondo cui Dio aveva lasciato nella natura tutto ciò di cui l’uomo avesse bisogno per curarsi; e per riconoscere i vari rimedi questi erano stati marcati con dei simboli particolari (forma, colore, sapore) che l’uomo doveva associare alla malattia da curare. Ad esempio i petali di iris di colore viola erano utilizzati per curare gli ematomi. L’Haenemone hepatica è caratterizzata da foglie di forma simile alle cellule epatiche e questo rimedio veniva utilizzato per il trattamento dei disturbi epatici. Altro esempio è la Solidago virgaurea minuta dai petali gialli, colore associato all’ittero e utilizzata per il trattamento di questa malattia.

L’aspirina nasce dall’applicazione della dottrina dei segni. Nel 1760 un monaco, Edward Stone, passeggiava lungo il Tamigi alla ricerca nella natura di un rimedio per la cura dell’influenza. Fu attratto dalla forma e dalla posizione in cui crescevano i salici piangenti; la forma triste e le radici che pescavano nel Tamigi vennero associate al raffreddamento tipico dei sintomi influenzali e pubblicò questa osservazione nella rivista “Philosophical Transactions” nel 1763. Si iniziò a curare l’influenza con estratti della corteccia di salice notando che effettivamente i pazienti ne traevano beneficio.

Successivamente si capì qual era il principio attivo: si osservò che la salicilina, contenuta nelle cortecce, veniva ad essere metabolizzata attraverso una reazione di idrolisi e ossidazione a formare l’acido salicilico, responsabile di andare ad inibire gli enzimi ciclossigenasi e quindi eliminare i sintomi pro-infiammatori. Dall’acido salicilico si arrivò poi all’acido acetil salicilico nel 1887 ad opera di un chimico, Felix Hoffmann, che effettuò una sorta di lead optimization.

L’acido salicilico era all’ora impiegato in grosse quantità perché era debolmente attivo verso il target, Hoffmann cercò di aumentare la potenza dell’acido salicilico modificandone la struttura, in maniera tale da poter somministrare dei dosaggi inferiori ed avere meno effetti collaterali che vanno sotto il nome di salicilismo. Nel 1899 la Bayer sulla base di questa scoperta introdusse in commercio l’aspirina con azione antinfiammatoria e antipiretica.

Il nome aspirina nasce dalla combinazione di A=gruppo acetilico, spir=spirea plant da cui veniva estratto l’acido salicilico, in=suffisso utilizzato a quel tempo per i farmaci. Nel 1880 si conosceva il principio attivo del farmaco ma non il suo meccanismo d’azione per il quale è necessario aspettare gli anni 70 quando vengono iniziati gli studi sulla cascata dell’acido arachidonico, substrato degli enzimi COX-1 e COX-2. Attraverso questa reazione enzimatica si formano prostaglandine e trombossani che hanno sia funzione chemiotattica, ovvero servono ad attirare le piastrine nel luogo dell’infiammazione, che di regolazione della temperatura. In questi anni si scoprì che l’aspirina si comporta da inibitore irreversibile delle COX.

Il gruppo reattivo dell’acido acetil salicilico è il gruppo acetile che subisce attacco nucleofilo da residui aminoacidici nucleofili che si trovano nel sito catalitico dell’enzima, come ad esempio la serina che presenta il gruppo OH sulla catena laterale. In seguito a questa addizione nucleofila al carbonile viene promossa l’uscita dell’acido salicilico (che è un buon gruppo uscente); così facendo l’enzima rimane acetilato e quindi bloccato. L’organismo ha bisogno di ritrascrivere il gene della COX e quindi sintetizzare nuova proteina per bypassare questa inibizione e continuare la sua funzione fisiologica.

L’aspirina ha diverse indicazioni terapeutiche ognuna delle quali si esplica a dosaggi differenti: analgesico, antinfiammatorio, antipiretico e antiaggregante piastrinico. L’effetto analgesico si esplica a livello periferico a causa della diminuzione della produzione di prostaglandine con un dosaggio di 0,5 g per 3-4 volte al giorno. L’effetto antinfiammatorio è dovuto a una riduzione della vasodilatazione e dell’edema e il dosaggio richiesto è di 3,5-4 g al giorno per un lungo periodo. L’effetto antipiretico è dovuto al fatto che con l’inibizione delle COX si ha una diminuita sintesi delle prostaglandine che hanno un ruolo nella regolazione dei centri termoregolatori.

L’effetto antiaggregante piastrinico è stato recentemente scoperto: l’aspirina è in grado di inibire le COX presenti a livello delle piastrine, ossia quelle cellule che favoriscono la formazione di coaguli nel sangue. Le piastrine sono enucleate per cui una volta inibite le COX non c’è più possibilità di risintetizzarle, per cui è sufficiente un basso dosaggio per espletare questa azione (0,1 g al giorno) e avere un farmaco in grado di prevenire la formazione di trombi. Tra gli effetti collaterali causati dall’aspirina ci sono: gastrite, salicilismo, sindrome di Reye e reazioni allergiche in quanto essendo l’aspirina un inibitore reversibile potrebbe legarsi ad altre proteine formando degli addotti non riconosciuti più dal SI scatenando una risposta immunitaria.

Modern drug discovery

Quattro personaggi chiave nella ricerca farmaceutica e nella drug discovery moderna sono:

• Anton van Leeuwenhoek: descrisse per la prima volta al microscopio il SN, le sinapsi e la comunicazione tra esse.
• Louis Pasteur: padre fondatore della microbiologia e scopritore dell’isomeria ottica dei composti chimici analizzando i cristalli di acido tartarico e separandoli manualmente con l’aiuto del microscopio.
• Robert Koch: riconobbe per primo l’origine microbica di molti stati patologici.
• Paul Erlich: introdusse per primo sia il concetto di proiettile magico (composto chimico altamente selettivo da uccidere il patogeno ma non arrecare danno all’organismo ospite, concetto poi trasferito ad un recettore) e la tecnica dello screening sistematico per trovare molecole biologicamente attive.

Attraverso questo metodo nel 1910, fu il primo ad introdurre in commercio quello che era il primo farmaco sintetico chiamato Salvarsan, un derivato dell’arsenico introdotto per il trattamento della sifilide poiché tale composto era in grado di uccidere il Treponema pallidum.

Il drug discovery è il processo mediante il quale i farmaci vengono disegnati o scoperti. Tale processo comprende l’identificazione di candidati, la sintesi, la caratterizzazione, lo screening e saggi biologici per determinarne l’efficacia terapeutica. Una volta che il composto ha dimostrato l’efficacia poi inizieranno le fasi di sviluppo clinico. La drug discovery moderna segue una serie di tappe:

1. Identificazione della patologia di cui si vuole sviluppare un nuovo farmaco.
2. Studio delle basi molecolari biologiche e biochimiche del disordine.
3. Selezione e validazione del bersaglio biologico chiamato target molecolare.
4. Sviluppo di saggi biologici o biochimici che permettano di valutare l’interazione delle molecole testate con il target. Si procede con l’individuazione di un lead ovvero una molecola che lega il target.
5. Studio dell’interazione tra i lead e il target attraverso tecniche computazionali o cristallografiche.
6. Modifica della molecola per renderla più efficace e potente nel legare in maniera specifica il recettore.
7. Valutazione dell’efficacia del principio attivo in vitro e in vivo e studio della farmacocinetica e della farmacodinamica.
8. Esclusa la tossicità della molecola e dopo aver determinato che essa presenta un meccanismo d’azione della sua efficacia legato al bersaglio desiderato, questa diventa candidato farmaco. Si compila l’IAND (investigation a new drug), un dossier in cui vengono raccolti tutti i risultati sperimentali ottenuti e che viene sottoposto all’FDA o all’EMA per richiedere l’autorizzazione a procedere con gli studi clinici.
9. Gli studi clinici prevedono 4 fasi:
   • In fase 1 la molecola è testata su volontari sani per testare l’assenza di tossicità. Non sempre gli studi di fase 1 si eseguono su volontari sani: ciò dipende dal tipo di patologia che si prende in considerazione ma anche dal meccanismo di azione del farmaco.
   • In fase 2 si recluta un numero ristretto di pazienti, che presentano la patologia che si intende curare con il farmaco e si va a valutare l’efficacia del farmaco. Se si ottengono risultati positivi statisticamente significativi si passa in fase 3.
   • In fase 3 vengono aumentate le dimensioni del campione andando a reclutare un numero maggiore di pazienti per studiare un’efficacia su larga scala. Se il farmaco funziona in fase 3 entra in commercio dopo aver chiesto l’autorizzazione all’FDA negli Stati Uniti o EMEA in Europa.
   • La fase 4 consiste nella farmacovigilanza.

Il tempo che è richiesto affinché il farmaco vada in commercio a partire dall’idea progettuale arriva in media a 12-15 anni. Oltre ai lunghi tempi è anche richiesto un elevato sforzo di denaro; partendo da migliaia di composti, alla fine dell’iter, si ha che solo una di tutte queste molecole studiate presenterà i requisiti di purezza, farmacotossicità, efficacia terapeutica per entrare in commercio.

Tra le sfide che la ricerca farmaceutica deve fronteggiare durante il percorso di drug discovery ci sono:

• Costi: a causa della crisi generalizzata diventa sempre più difficile trovare investitori nel processo di drug discovery; questo tipo di finanziamento non si distribuisce inoltre in tutte le fasi del processo ma buona parte di esso viene assorbito nella ricerca preclinica. Accade spesso tuttavia che molti modelli di farmaci che mostrano efficacia nei modelli preclinici falliscono invece in clinica: ciò va a vanificare tutto l’investimento fatto. Nelle aziende si segue il principio per cui se bisogna fallire è meglio farlo precocemente.
• Scarsa possibilità di riuscire a portare in commercio un farmaco totalmente innovativo. Negli anni passati si studiavano patologie relativamente semplici che presentavano una causa eziologica monofattoriale, ad esempio patologie infiammatorie, ulcere, infezioni batteriche. Oggi le malattie per cui c’è un alto medical need sono patologie di tipo multifattoriale, dove l’eziologia non è ancora ben chiara, ad esempio tumori, Alzheimer, Parkinson, patologie del SNC, in cui è anche difficile creare dei modelli preclinici adeguati. Ad esempio la terapia antitumorale moderna va sempre più verso una terapia personalizzata che consiste nell’impiantare la massa tumorale del paziente in un animale da laboratorio sul quale si testano poi i vari farmaci. Nel momento in cui si va a registrare una molecola per farla entrare in commercio l’FDA valuta l’innovatività del farmaco rispetto a quello che c’è al momento sul mercato per il trattamento della stessa patologia. Il farmaco in questione potrà essere classificato come:
  • New molecular entity: un principio attivo nuovo, con un meccanismo di azione non ancora esplorato attraverso altri farmaci.
  • Incrementally modified drug: un principio attivo la cui struttura somiglia a farmaci già conosciuti e presenti in commercio ma che presentano un miglioramento rispetto a quest’ultimi. Un esempio di incrementally modified drug è la ranitidina, utilizzata nel trattamento dell’ulcera peptica per la quale era già stato messo in commercio un altro farmaco, la cimitidina.
  • Other drug: si tratta di un principio attivo già immesso in commercio che viene riproposto per un’altra applicazione ad esempio l’acido acetilsalicilico dapprima approvato in commercio come antinfiammatorio/analgesico e negli anni ’80 è stata trovata una nuova applicazione come anticoagulante. Altro esempio è la talidomide che negli anni ‘60 venne messa in commercio per trattare la nausea dovuta alla gravidanza. La talidomide fu presto ritirata dal commercio quando si scoprì, a causa dell’aumento del numero di nascite di bambini focomelici, che era un farmaco teratogeno. Alla fine degli anni ’70 si scoprì che la talidomide era in grado di uccidere il microbo responsabile della lebbra e venne rimesso in commercio con questa nuova indicazione. La talidomide è stata sempre commercializzata come racemo nonostante era risaputo che la forma destrogira era responsabile della teratogenicità, in quanto la molecola subiva interconversione in vivo. Pertanto la talidomide è un farmaco che non può essere somministrato in gravidanza. Successivamente si scoprì che la talidomide era efficace anche nel trattamento per la leucemia mieloide e nel 2008 l’FDA approvò il farmaco con questa indicazione. Questa è una strategia che consente di massimizzare i guadagni e ridurre il rischio dell’azienda farmaceutica in quanto essendo il farmaco già in commercio non è necessario testare l’assenza di tossicità e la sicurezza. Questa strategia è stata applicata dall’azienda Pfizer con viagra: nel momento in cui stava per scadere il brevetto del farmaco l’azienda ha cercato di prolungarlo trovando una nuova applicazione: è stato dimostrato infatti che il viagra è efficace nel trattamento dell’ipertensione polmonare variando la dose e la formulazione.

Da uno studio statistico è emerso che tra il 1989 e il 2000 l’FDA ha approvato solo il 35% di farmaci new molecular entity, mentre gran parte di essi sono incrementally modified drug. Mentre negli anni ’90 per ottenere AIC da parte dell’FDA non si necessitava di un elevato numero di studi sulla sicurezza, dal 2000 in avanti FDA ed EMEA sono diventate molto più restrittive e richiedono molti più dati sulla sicurezza del farmaco per evitare che questo causi gravi effetti collaterali quando utilizzato su larga scala al punto da rendere necessario il ritiro dal commercio come è accaduto ad esempio per la fenfluramina, un’amfetamina utilizzata come dimagrante che ha portato a problemi di cardiotossicità e sintomi depressivi. Altro farmaco ritirato dal commercio fu il vioxx, un inibitore selettivo delle COX2 immesso in commercio come antinfiammatorio di ultima generazione poi ritirato a causa dei problemi di cardiotossicità causati.

• La copertura brevettuale. La durata brevettuale nei paesi occidentali ha una durata di 15-16 anni mentre nei paesi orientali come India e Cina non è consentito brevettare specie medicinali. Nel momento in cui scade il brevetto entrano nel mercato i medicinali generici che hanno lo stesso principio attivo degli originali ma la formulazione può leggermente cambiare nonostante rispetti il principio di bioequivalenza. Poiché le aziende che producono il generico non hanno dovuto sostenere i costi della ricerca e della sperimentazione preclinica e clinica del nuovo farmaco, esse portano il medicinale sul mercato ad un prezzo inferiore. Il SSN spinge verso l’acquisto di farmaci generici per abbattere i costi della sanità; ciò porta ad un minor guadagno per le aziende che hanno sostenuto la ricerca che a loro volta avranno difficoltà ad investire sulla ricerca e sviluppo di nuovi farmaci. Per poter sfruttare al meglio la durata del brevetto l’azienda farmaceutica spesso opta per brevettare il farmaco quando esso è già a ridosso degli studi di fase clinica. Se la brevettazione venisse effettuata in tempi antecedenti il rischio per l’azienda sarebbe quello di riuscire a portare il prodotto nel mercato nel momento in cui il brevetto sta quasi per scadere.

Per cercare di mantenere contenuti i costi del drug discovery tra il 2000 e il 2009 ci fu il fenomeno dell’acquisizione e della fusione delle aziende. La fusione delle aziende porta ad un rapporto paritario tra le aziende: si valutano i progetti più promettenti di entrambe e si accantonano i progetti più ad alto rischio in modo tale da minimizzare gli investimenti. L’acquisizione determina un rapporto subordinato di un’azienda rispetto ad un’altra.

Per risolvere le problematiche legate agli alti costi, alla bassa innovazione e al patent cliff le aziende farmaceutiche si sono mobilitate effettuando uno studio delle varie tappe del drug di...