Basi molecolari dell'azione dei farmaci

Basi molecolari dell'azione dei farmaci

Prof. Costantino

Introduzione

Scopo del corso: fornire basi circa gli aspetti di progettazione (discovery e delivery) di farmaci, intesi come piccole molecole o farmaci biotecnologici. Si tratta di un corso di Chimica Farmaceutica. La Chimica Farmaceutica si propone di progettare e sintetizzare i farmaci, ovvero composti che, da soli o in combinazione, possono produrre effetti benefici nell’uomo (o in altri animali).

Il termine inglese per farmaco è "drug", similmente a "droga". Il farmaco è una molecola che esercita un effetto biologico sull’organismo ma, a differenza della droga, ha un effetto terapeutico e non ricreativo. Quindi i farmaci condividono con le droghe la capacità di alterare funzioni fisiologiche, l’unica differenza sta nell’abuso di queste sostanze da parte dell’uomo.

Il farmaco è una sostanza che interagisce fisicamente con un sistema biologico e produce un effetto (risposta biologica) osservabile o misurabile. Esempi: lo zucchero non viene considerato come un farmaco ma può essere utilizzato in casi di ipoglicemia e in quei casi ha un effetto terapeutico. Può essere considerato anche una droga perché dà dipendenza, modifica in maniera grave e persistente il metabolismo e fa male.

La morfina, la tossina botulinica, la nicotina, la caffeina, l’LSD, la Penicillina: molte di queste molecole interagiscono con il sistema vivente in qualche modo, ma per essere considerati farmaci non devono dare un effetto tossico ma un effetto benefico, per definizione. Molte di queste molecole oscillano tra la definizione di "farmaco" e "droga" perché il loro effetto è fortemente influenzato dalla dose con cui viene somministrata. Es. La tossina botulinica è un potente veleno ma in dosi adeguate viene usata in clinica per applicazioni di chirurgia estetica.

Valutazione quantitativa delle sostanze terapeutiche

La valutazione quantitativa di una sostanza ad effetto terapeutico è stata data da Paracelso: "Omnia venenum sunt: nec sine veneno quicquam existit. Dosis sola facit, ut venenum non fit" ("Tutto è veleno, e nulla esiste senza veleno. Solo la dose fa in modo che il veleno non faccia effetto.").

L’Indice Terapeutico (IT) di una sostanza è definito dal rapporto tra il suo dosaggio letale e il suo dosaggio efficace come farmaco. Generalmente è espresso in forma logaritmica. Il numero "50" al pedice indica uno studio su una popolazione: il 50% della popolazione muore o guarisce.

• Alto Indice Terapeutico: Tetraedrocannabinolo = 1000/1 può dare risposte in acuto ma non in cronico. Benzodiazepine = 100/1 agiscono sul SNC e, anche se vengono considerate molecole pericolose, non lo sono.
• Indice Terapeutico intermedio: Morfina = 70/1, molto difficile la prescrizione. Codeina (derivato della morfina) = 15/1, ha pochissimi effetti psicotropi, ha un effetto anti-tossivo (usato negli sciroppi per la tosse) anche se il suo IT è più basso di quello della morfina.
• Basso Indice terapeutico: Alcol etilico = 10/1, è facile andare in blocco respiratorio per overdose. Digitossina = 2/1 (bassissimo), è un farmaco usato negli anziani con deficit cardiaci (aumenta la forza di contrazione del cuore) ma è anche tossica: se si prendono 2 pastiglie anziché 1 si rischia di morire.

Brevettazione dei farmaci

Brevettare un nuovo farmaco è importante perché il farmaco è un prodotto ad elevatissimo valore intellettuale. Il costo che è sempre stato richiesto per portare in fase di sviluppo clinico un farmaco sarebbe insostenibile se il farmaco non venisse brevettato. Il farmaco deve essere pagato all’industria farmaceutica e lo Stato si fa carico del costo al posto del paziente.

Negli ultimi tempi il concetto di farmaco sta cambiando e si parla sempre di più di medicina "personalizzata" o "di precisione", es. un anticorpo monoclonale specifico per una certa malattia molecolare rara, un tumore che riguarda pochissimi pazienti. Si tratta di farmaci molto costosi ma che possono essere prescritti solo a un gruppo molto ristretto di pazienti, e questo implica un problema economico (chi paga questi farmaci?).

Cause di morte 1927 - 1984

Dalla tabella si può osservare come dal '27 all'84 le cause principali di morte sono molto cambiate: mentre in precedenza prevaleva la morte a causa di malattie infettive, oggi prevale la morte per malattie cardiovascolari. Tuttavia bisogna considerare che nel 1927 non si faceva diagnosi perché non vi erano gli strumenti adatti per farla. Le malattie cardiovascolari sono malattie della vecchiaia, della terza età, del consumo e sono aumentate con l’allungamento dello stile di vita (nel 1927 si moriva in età precoce di malattie infettive).

Mentre oggigiorno l’aspettativa di vita e la vita media sono concetti quasi equivalenti, nel 1800 non lo era. La vita media era molto influenzata dalla morte di bambini nei primi anni d’età. Negli ultimi anni l’aspettativa di vita è aumentata grazie alla riduzione dei morti per malattie infettive di quasi il 99% nei paesi industrializzati, mentre la vita media è raddoppiata! Nel 1920 se un bambino prendeva la scarlattina, la probabilità che morisse era alta perché se il Sistema Immunitario non riusciva a sconfiggere lo Streptococco agente causale della malattia infettiva, il quale portava ad Endocardite ed Endoencefalite (mortalità del 100%). Oggi invece basta assumere un antibiotico e per questo la mortalità si è praticamente azzerata. Lo stesso per la Legionella (forma di polmonite), il Colera, il Tifo.

Trattamento delle infezioni batteriche

La Penicillina è stata la prima molecola ad effetto antibiotico ad essere stata scoperta, grazie a Fleming, nel 1928. Fleming aveva delle piastre di colture batteriche sulle quali studiava l’effetto dell’interazione con diverse sostanze naturali. Una di queste piastre era stata accidentalmente contaminata da un fungo e Fleming osservò in corrispondenza della muffa, la comparsa di un alone di inibizione. In seguito è stata scoperta la struttura molecolare della Penicillina G. La penicillina è stata utilizzata praticamente da subito sull’uomo. Il problema è stata la produzione industriale di questa molecola, infatti è entrata in commercio negli USA solamente nel 1942 (il promotore è stata la Seconda Guerra Mondiale). Uno dei motivi per cui gli Alleati hanno vinto la Guerra è stato proprio grazie alla Penicillina, che ha salvato la vita di tantissimi soldati.

Terapia dell’ipertensione

L’ipertensione è una malattia subdola, con pochissimi segni clinici e per questo pericolosa perché porta inesorabilmente alla degenerazione dei vasi periferici. Fino agli anni ’50, quando sono stati sviluppati i primi farmaci per l’ipertensione, essa non veniva trattata; a partire dagli anni ’70 sono stati introdotti i farmaci β-bloccanti, diuretici, ecc. che permettono il controllo di questa condizione patologica.

Trattamento dei disordini dell’ansia

L’ansia è una malattia del Sistema Nervoso Centrale. Le patologie del SNC si distinguono in malattie neurologiche e malattie psichiatriche.

• Malattie neurologiche: Per molte si conosce l’origine eziologica, si ha un fenotipo chiaro, una modificazione biologica osservabile clinicamente. Es. Corea di Huntington, Sclerosi Multipla.
• Malattie psichiatriche: Anche se sono malattie soggettivamente identificabili, non sono possibili da osservare biologicamente (es. tramite un'analisi del sangue). Non ci sono differenze dal punto di vista biologico per identificare un malato da uno sano. Per questo motivo sono anche molto difficili da trattare perché non si conosce il bersaglio biologico e l’eziologia della malattia. In realtà il trattamento di queste patologie è attualmente eccellente (Prozac, Diazepam, inibitori della captazione della serotonina, benzodiazepine).

Le malattie psichiatriche si identificano in presenza di determinati segni clinici (spesso la diagnosi viene effettuata quando almeno 5 di questi vengono rilevati in un individuo). Segni clinici dell’ansia: panico, disturbo ossessivo-compulsivo, disordine da stress post-traumatico, agorafobia, sociofobia, altre fobie. Negli USA 1 individuo su 8, tra i 18 e i 54 anni, soffre di disordini legati all’ansia, per un totale di 19 milioni di individui. I disordini dell’ansia vengono trattati con le benzodiazepine (es. Valium).

Nuovi farmaci introdotti nel mercato americano dal 1940 al 1987

Dalla Seconda Guerra Mondiale fino agli anni ’60 il numero di nuovi farmaci (inteso come nuove classi di farmaci) è stato continuamente in aumento, causando un aumento del benessere per le società. A metà degli anni ’60 c’è stato invece un crollo nella scoperta di nuove classi di farmaci che giunge fino ad oggi. Il numero di nuovi farmaci all’anno è ora nell’ordine delle unità e non delle decine come prima. Come mai?

Motivi principali

• La storia della Talidomide (1961). La Talidomide è un anti-depressivo che, se preso in gravidanza, portava alla nascita di bambini focomelici (malformazioni genetiche). In Germania Occidentale ci sono stati 6000 casi di bambini nati con focomelia. Era il periodo in cui le donne diventavano sempre più indipendenti e vivano come un peso il portare avanti la gravidanza; la Talidomide è stata pubblicizzata per facilitare la carriera delle donne in gravidanza che entravano in depressione.
• L’industria farmaceutica è stata condannata al risarcimento dei pazienti dopo 20 anni. Tale condanna non è stata giustissima perché in realtà quello che doveva fare l’industria farmaceutica come studio era stato fatto: le coniglie in gravidanza non davano coniglietti focomelici. Nell’uomo invece questo è successo perché questo farmaco esiste come una miscela racemica: uno dei due enantiomeri produce questo effetto genotossico/teratogeno, mentre l’altro produce l’effetto ansiolitico. Nella coniglia l’effetto tossico non si è visto perché il farmaco veniva metabolizzato dal citocromo p450 della coniglia senza produrre l’effetto teratogeno, mentre nell’uomo questo meccanismo non è attivo e quindi ha prodotto l’effetto genotossico. Oggi è stata fatta la separazione racemica e si somministra solo l’enantiomero attivo e non quello teratogeno.
• Questo ha rotto l’idea che c’era prima dei farmaci: prima si pensava che se il farmaco funzionava in laboratorio sugli animali, allora dovesse per forza funzionare anche nell’uomo e per questo veniva subito messo in commercio. Oggi, prima di mettere un farmaco in commercio vengono effettuate moltissime prove perché è molto più dannoso mettere in commercio un farmaco tossico (precauzione). Questo ha rallentato lo sviluppo farmacologico.
• Negli anni ’70 sono nati i primi movimenti animalisti perché è stata acquisita consapevolezza etica per quanto riguarda il sacrificio degli animali da laboratorio e questo è stato un ulteriore ostacolo allo sviluppo di nuovi farmaci. Oggi molti studi non possono essere più effettuati sugli animali ma viene richiesto uno studio in vitro.

Studio dei sistemi biologici

Fino agli anni ’60 si seguiva un approccio "top-down", ovvero dall’alto verso il basso si osserva l’effetto sull’organismo e poi si passa all’organo, al tessuto, alla cellula e infine allo studio sulla biomolecola. Quindi prima si otteneva la molecola e la si provava subito sull’uomo per vederne l’effetto. Es. acido salicilico prodotto della corteccia del salice da cui si ottiene l’acido acetil salicilico. Era stato osservato che, masticando la corteccia del salice, si aveva un effetto fenotipico curativo. Si è scoperto successivamente tutto il processo molecolare, partendo "dall’alto".

Es. LSD molecola di semi-sintesi (deriva da uno scaffold di origine naturale e modificata tramite 1 o 2 passaggi per via chimica). Questi alcaloidi hanno un effetto anti-Parkinson. L’uomo che faceva queste semi-sintesi ha assaggiato la molecola ed è partito con il suo viaggio mentale: tipico approccio "top-down".

Dagli anni ’70 in poi questo approccio è vietato perché c’è un rischio inaccettabile dal punto di vista economico, etico e sociale. Oggi l’organismo è l’ultimo step per la prova del farmaco. Successivamente si è passati invece ad un approccio "down-up" o dal basso verso l’alto dal DNA (Genoma), si passa allo studio del trascrittoma (RNA), al proteoma (proteina), per poi passare alle strutture via via più complesse (cellule, tessuti, organi, organismi). Questo approccio è molto più costoso perché in qualsiasi step vi è la possibilità che la molecola venga scartata prima di arrivare allo studio sull’uomo. Lo scopo in questo caso è quello di trovare il prima possibile gli eventuali effetti tossici.

Oggi le cose stanno cambiando di nuovo perché con questo approccio si ottenevano molecole "pulitissime" (senza alcun effetto tossico) ma che non funzionano dal punto di vista clinico per mancanza di efficacia quando arrivano allo stato 3 (trial clinico), cosa che, con l’approccio top-down veniva osservata da subito.

Per avere l’approvazione di mettere una molecola in commercio oggi ci vogliono 10-15 anni:

• Discovery: 2-3 anni per scoprire la struttura chimica più adatta al bersaglio molecolare.
• Development: Altri 6-8 anni circa di sviluppo clinico si valuta la tossicità, l’efficacia, la farmaco-resistenza.

Portare un farmaco in fase clinica richiede 1 miliardo di euro, quindi perdere il farmaco in fase 3 significa perdere 1 miliardo di euro. Quindi è meglio che il farmaco "muoia" ad uno step precedente perché pochi si assumono il rischio di perdere così tanti soldi; si tratta di un "gap" molto complicato da superare.

I farmaci che vengono approvati oggi sono:

• Farmaci vecchi formulati per un nuovo utilizzo
• Nuove combinazioni di farmaci vecchi
• Farmaci biologici (es. anticorpi al posto di small molecules)

L’idea di avere dei farmaci "generalisti" di small molecules al giorno d’oggi è impensabile per fare business perché spesso questi farmaci vengono prescritti ad una dose consigliata che è standardizzata (e spesso iperdosata) e quindi non considera le differenze di sesso, età, peso corporeo. Es. la tachipirina (analgesico): la dose consigliata per l’adulto è di 1 grammo mentre per il bambino è di 0,33 grammi, ma questo è molto sbagliato perché non si può considerare il bambino come "1/3 di adulto".

Oggi si punta invece sullo sviluppo di molecole "personalizzate", ovvero adatta a ciascun particolare soggetto, che ha un certo fenotipo, un certo genotipo e vive in un certo ambiente.

Futuri scopi della ricerca di farmaci

• Ricerca delle cause della malattia (non solo diagnosi dei sintomi)
• Ricerca di farmaci che eliminano le cause della malattia (e non solo per alleviare i sintomi)
• Sviluppo di terapie "personalizzate", al fine di eliminare la mancata risposta al farmaco da parte di gruppi di pazienti con un profilo genetico diverso (Single Nucleotide Polymorphisms).

La scoperta di nuovi farmaci è nata per un’esigenza clinica, con lo scopo di curare una malattia. Il 70% dei farmaci usati attualmente in clinica sono farmaci sintomatici, che non agiscono sulla causa eziologica della malattia ma trattano il disordine attenuando il sintomo. Es. anti-infiammatori riducono il dolore dovuto all’infiammazione ma non ne eliminano la causa.

Vi è quindi la costante necessità di sviluppare nuovi farmaci per malattie trattate attualmente solo per via sintomatica:

• Malattie virali: influenza, HIV, rotavirus (1° causa di morte infantile nei Paesi industrializzati)
• Tumori (Immunologia, MA)
• Malattie autoimmuni
• Trapianto di organi
• Vaccini
• Malattie genetiche
• Aterosclerosi (metabolismo lipidico, manipolazione di recettori LDL)
• Malattie Reumatiche
• Malattie del Sistema Nervoso Centrale e Periferico
• Malattie della Pelle

I farmaci attualmente disponibili sul mercato sono circa 3000, intesi come principi attivi noti, utilizzabili clinicamente. Il numero di label è invece molto più alto: circa 10.000 farmaci industriali. Un medico generico nella sua carriera prescrive in media circa 400 farmaci (circa il 10% di quelli disponibili). Ciascuno di noi è esposto normalmente a qualche decina di farmaci durante il corso della propria vita.

Ci sono circa 30.000 malattie conosciute, di queste quindi circa 1/3 è trattabile con i farmaci noti (10.000). Delle restanti 20.000 (circa) malattie non trattabili vi sono:

• Malattie virali (Influenza, AIDS)
• Tumori
• Malattie autoimmuni
• Disordini del SNC
• Malattie rare
• Malattie della pelle

Attorno agli anni ’60 c’è stato un vero e proprio cambio di paradigma per quanto riguarda lo sviluppo di nuovi farmaci: prima si partiva dall’organismo e poi si arrivava a comprendere gli aspetti cellulari-molecolari-genetici (approccio "top-down"), mentre adesso avviene il contrario (approccio "down-up"). Il punto chiave che ha permesso la svolta di questo paradigma è stata la possibilità di sequenziare il genoma umano: the druggable genome.