Chimica farmaceutica

Chimica farmaceutica A.A. 2020-2021

Introduzione alla chimica farmaceutica

Oggi vediamo una serie di cose che ci introducono alla chimica farmaceutica che approfondiremo durante il corso. Innanzitutto, cosa è la chimica farmaceutica? Si occupa della scoperta, progettazione, produzione e ottimizzazione dei farmaci. È una disciplina all’interfaccia di altre discipline, perché sono necessarie nozioni chimiche, ma anche fisiologia, biologia, microbiologia, biochimica, patologia e farmacologia, giusto per citarne alcune. Quindi si sta parlando di un ambito multidisciplinare, proprio perché dobbiamo renderci conto non soltanto della molecola in sé, ma delle proprietà della molecola nel contesto biologico.

Il farmaco è una sostanza in grado di prevenire, trattare e curare una malattia. Si può assumere questa sostanza in modo preventivo, per impedire, per esempio, di contrarre una malattia, quindi non si è malati ma si cerca di impedire di diventarlo. Il farmaco in certi casi ci permette di guarire da malattie, in altri casi altre malattie non sono invece curabili in modo farmacologico. La cosa importante è che il farmaco è una sostanza chimica, quindi parleremo di chimica, e quindi la struttura dei farmaci può essere estremamente varia.

I farmaci possono essere molecole organiche più o meno complesse. Per esempio, troviamo il Piracetam, con azione nootropa, ovvero che migliora la memoria e l’apprendimento. È una molecola piccola, di basso peso molecolare, estremamente semplice rispetto, per esempio, all’Imatinib, un antitumorale. Possiamo però trovare anche farmaci fatti da molecole più o meno complicate, fatti da oligopeptidi per esempio o polipeptidi, e troviamo un altro antitumorale, l’Octreotide, che contiene sia aa-D che aa-L, cosa abbastanza particolare, anche se in realtà in ambito farmacologico usiamo materiale non usuale proprio perché più resistente, per esempio, alle proteasi dell’ospite.

Ci possono però anche essere proteine vere e proprie usate come farmaci, l’insulina (fatta da due catene corte, 21aa+30aa), ma anche gli Interferoni, una serie di proteine di aa variabile da 143 a 166. Ma sicuramente la proteina più grossa che viene usata come farmaco è l’ormone della crescita (GH) fatto da 181aa.

Farmaci a struttura di nucleosidi

Un’altra classe importante di farmaci sono quelli a struttura di nucleosidi o oligonucleotidica. Per esempio, parliamo della Citarabina, tipico nucleoside fatto da base azotata più zucchero. E non c’è il ribosio, come sarebbe dovuto essere in un classico nucleoside, ma l’arabinosio, che differenziano per un centro stereogenico, dove abbiamo un’epimerizzazione. Cosa porta questo cambiamento? Il fatto che mentre se avessimo avuto il ribosio poteva essere inserito tra gli acidi nucleici, la molecola con l’arabinosio impedisce al substrato naturale di posizionarsi.

Infatti, la citarabina blocca gli enzimi deputati alla sintesi degli acidi nucleici, e si usa sia per infezioni virali che per eventi tumorali. Possiamo però anche avere delle strutture a poli-nucleotidi, per cui possiamo avere 20-30 nucleotidi, o anche un numero maggiore. La struttura di un polinucleotide è fatta dalla catena dei ribosi tenuti insieme dai gruppi fosfato e le basi azotate.

Per esempio, potremo avere la struttura degli oligonucleotidi antisenso. Queste molecole hanno una sequenza nucleotidica complementare a una particolare regione del DNA o RNA, e questa complementarietà fa sì che questo polinucleotide si attacchi all’acido nucleico in quella sequenza, impedendone la trascrizione e quindi la traduzione. Impediamo la produzione dell’mRNA o proteina, in base che si blocchi il DNA, o l’RNA rispettivamente. Quando la usiamo? Per esempio quando a una cellula si vuole impedire di produrre una proteina. Queste molecole sono anche farmaci. Sono sicuramente dei “tools”, sostanze usate nella ricerca (per fare il knock out di una proteina per esempio), ma lo stesso principio lo usiamo in farmaci.

Per esempio, il primo a essere introdotto in terapia è il Fomivirisen, chiamato commercialmente Vitraven, fatta più di 20 anni fa, ed è una struttura che blocca la replicazione del citomegalovirus nella retina. Abbiamo un classico polinucleotide, dove però al posto dell’ossigeno (X in immagine) del gruppo fosfato, abbiamo lo zolfo, che rende la molecola inattaccabile dalle endonucleasi, che altrimenti con estrema facilità vanno a rimuovere i polinucleotidi.

L’infezione da citomegalovirus può colpire soprattutto i malati di AIDS che non hanno le giuste difese immunitarie. Quindi è un’infezione che di norma sarebbe facilmente riparata, ma in pazienti immunodeficienti sono abbastanza complicate da trattare. Il modo per ovviare a questa infezione era usare questa sostanza direttamente nella retina con un’iniezione intraoculare di questo polinucleotide antisenso. Oggi è un farmaco che NON si usa più ma è importante storicamente. Ci sono altri farmaci sempre basati su polinucleotidi, come il Patisiran, un siRNA che inibisce l’espressione di una proteina, la transtiretina, che produce una polineuropatia data da questa amiloidosi, mediata proprio da questa proteina quando non funziona bene.

Infine, un polinucleotide è anche un gene, una porzione di DNA che codifica per una proteina. Per esempio, nel 2019 è stato approvato il Zolgensma, che non è altro che quel gene che codifica per la SMN1 (survival motor neuron 1) e che genera una atrofia muscolare. E si tratta con questo farmaco soprattutto i bambini sotto ai 2 anni per far regredire la malattia. Da notare che sono farmaci estremamente costosi, la terapia per esempio con quest’ultimo farmaco costa 2 milioni di dollari.

Approvazione e sviluppo dei farmaci

Nella tabella seguente vediamo i farmaci approvati dalla FDA (Food and Drug Administration) dal 1993 al 2018. Quali sono le proprietà per usarli? Solo se le autorità preposte hanno dato la possibilità di usare il farmaco suddetto, e si ottiene questo solo se il farmaco supera alcuni test specifici (che vedremo a farmacologia). La FDA approva tutti gli anni un certo numero di nuovi farmaci che nella tabella vengono suddivisi in NME (new molecular entities), e cioè le piccole molecole sotto ai 1000Da; mentre le colonne più scure sono le molecole basate su polipeptidi, quindi con peso da 16 a 152kDa. Il numero delle NME si nota è quasi sempre superiore al numero di farmaci biologici. Le piccole molecole organiche infatti sono molto più semplici da somministrare rispetto a quelli biologici che (eccetto l’insulina) devono essere sempre somministrati da personale specializzato. Le piccole molecole organiche sono farmaci che solitamente si somministrano molto più facilmente rispetto ai biologici, e per questo ancora attirano l’attenzione da parte delle industrie farmaceutiche. Però notiamo che negli ultimi anni le colonne più scure stanno aumentando sempre più, e infatti anche i farmaci biologici stanno aumentando nettamente.

La FDA nel corso degli anni ha approvato circa 8.000 farmaci, ma ogni anno approva delle nuove molecole (in realtà a volte sono approvate anche vecchie molecole leggermente modificate o utilizzate in altri ambiti). Perché però dovremmo cercare nuovi farmaci quando già ne abbiamo tantissimi? Perché in alcuni casi ci sono malattie non efficacemente curate, come per esempio le malattie neurodegenerative (Alzheimer, Parkinson, SLA ...) per cui ci sono tanti farmaci, ma sintomatici. Oppure perché compaiono nuove patologie, ed è il caso dei nostri giorni con il Covid, ma anche con il virus Zica, Ebola e altri. Oppure si cercano nuovi farmaci quando vecchi farmaci non sono più efficaci, parlando allora della resistenza, fondamentale nell’ambito del combattimento contro le malattie infettive e tumori, dove il patogeno o le cellule tumorali prendono contromisure purtroppo efficaci.

Un altro motivo è anche una convenienza economica. Ricordiamoci che l’industria farmaceutica è un’organizzazione che deve fare del profitto, a fronte di una miriade di spese per fare un nuovo farmaco. Poter fare un farmaco quindi che venga venduto dappertutto o in paesi che hanno più alto reddito, può essere un modo molto conveniente, per esempio se un’industria trovasse un farmaco contro il dolore farebbe una marea di soldi. Esistono tanti farmaci in realtà contro il dolore, ma per lo più causato da infiammazioni leggere (per esempio i FANS, come l’aspirina), e non curano il dolore neuropatico, il cosiddetto “dolore profondo”. La morfina è eccellente ma dà effetti collaterali e quindi non ha tutta questa efficienza. Un altro esempio fu la cimetidina, un farmaco anti-ulcera che rivoluzionò la cura all’ulcera, prima curata solo chirurgicamente e fece fare tanti soldi alla “Smith Kline & French”.

Storia e sviluppo dei farmaci

Tornando a parlare più in generale di un farmaco, di farmaci ne parliamo fin dalle antichità e possiamo vedere nelle varie epoche cosa è cambiato nel fare un farmaco. Il farmaco innanzitutto è il punto di arrivo di una lunga ricerca, complessa e costosa, in cui intuizione, fortuna e intelligenza giocano un ruolo fondamentale, come anche la tecnologia, e il progresso soprattutto. In antichità i farmaci erano piante (soprattutto), veleni, minerali, che venivano saggiati direttamente sull’uomo. Si iniziò a non usare più soltanto piante e sostanze pure, a partire dagli inizi del 1800 quando nel 1806 venne isolata la morfina da Sertüner a partire dall’oppio, un estratto, un lattice, secreto dal Papaver somniferum, una pianta, e Sertüner la provò direttamente su se stesso, azzeccando fortunatamente la dose. Caso simile con la fisostigmina scoperta e estratta nel 1864.

Il vero passo in avanti nello studio dei farmaci si ebbe a cavallo tra il 1800 e il 1900, quando furono trovate e sintetizzate tantissime nuove molecole, dette sostanze di sintesi. Per esempio, l’aspirina è di fine ‘800 e che ancora oggi usiamo maggiormente in terapia. Si iniziò lo studio su cavie animali, accorgendoci che possiamo fare studi in vivo su animali vivi, con tutta una serie di complessità per interpretare i risultati. E allora si iniziò a fare anche studi su singoli organi isolati.

Chiaramente il progresso ha anche permesso di purificare proteine, per cui è possibile saggiare le molecole direttamente su proteine isolate, soprattutto enzimi, oppure su membrane per esempio contenenti recettori, misurando direttamente l’interazione farmaco-bersaglio. Un'altra pietra miliare fu l’impulso alla chimica dei prodotti naturali dalla seconda metà del ‘900 in poi, con l’uso di quelle tecniche di tipo spettroscopico fondamentali per lo studio delle proprietà di una molecola.

Arriviamo poi alla fine del ‘900 per arrivare all’uso dei metodi computerizzati a braccetto con l’uso, per saggiare, non più su enzimi o membrane o tessuti, ma direttamente su proteine umane espresse in sistemi ricombinanti. È ovvio l’avanzamento notevole che si ebbe, perché fu possibile coltivare cellule e far esprimere a esse quelle molecole che vogliamo saggiare e vedere le conseguenze. Ecco che poi negli anni 2000 si inizia a cercare la molecola di partenza in librerie combinatoriali, ovvero in una collezione di prodotti, con saggi detti HTS (screening biologici a alta efficienza) e sempre proteine umane. E infine quindi si arriva alle biotecnologie che sono le tecnologie più utili oggi in ambito della scoperta e formazioni di nuovi farmaci.

Possiamo aggiungere anche un’altra cosa fondamentale. Parliamo infatti del fatto che “farmaco” e “sostanza biologicamente attiva” NON sono la stessa cosa. I farmaci devono avere la giusta farmacocinetica, ovvero la giusta azione biologica che serve per essere usata in una cura a una malattia, ma deve anche essere in grado di arrivare al sito di interazione e superare o coesistere con i processi farmaco-cinetici (assorbimento, distribuzione, metabolismo e escrezione). Per cui deve arrivare nel sito di azione, interagire con il bersaglio per dare la giusta azione senza effetti collaterali. Quindi il farmaco non solo dà azione biologica, ma deve arrivare al sito target e poi anche essere eliminato. Quindi in questa definizione diciamo che allora una sostanza biologicamente attiva NON sempre è un farmaco.

Inoltre, dobbiamo tenere sempre a mente che il farmaco serve a curare, ma ha sempre effetti collaterali. Molto spesso infatti sono molecole con azione tossica, in cui la differenza tra azione tossica e azione terapeutica è soltanto la dose. Ricorda sempre: NON esiste un farmaco perfetto senza effetti collaterali.

Sviluppo di un farmaco

Vediamo ora lo sviluppo di un farmaco. Innanzitutto, diciamo subito che i tempi medi sono di 15 anni, il che significa che ci sono farmaci che dopo una decina di anni dall’inizio del progetto entrano in terapia, e altri che non ci entrano mai. Il costo stimato solitamente per un percorso di realizzazione di un nuovo farmaco è di un valore compreso tra 385 milioni e 1,4 miliardi di euro.

Nel parlare delle tempistiche è un periodo lungo perché si divide in più fasi:

• Fase I: Pre-clinica (6,5 anni), in cui decidiamo la patologia da studiare, il bersaglio da aggredire, quindi quale molecola sfruttare ecc. E lo facciamo in vari modi di cui parleremo alla fine del corso. Dobbiamo trovare la molecola detta lead, il punto di partenza della sperimentazione, da cui produrremo tantissime molecole che poi porteranno a una scelta sulla base di varie caratteristiche. A questo punto scegliamo i candidati da proporre alle autorità per usarli nelle fasi seguenti. Alla fine di questa fase dobbiamo fare un riassunto di tutto ciò da dare alle autorità per poi iniziare a fare gli studi successivi.
• Fase II: Clinica, che si divide in tre sotto-fasi:
  • Fase 1 (1,5 anni) e si somministra la molecola a volontari sani, per studiare la somma dei processi che. Vengono detti appartenenti alla farmacocinetica, quando il farmaco sta nel sangue, quanto viene secreto, quanto sta in circolo ecc.
  • Fase 2 e 3 (2 e 3,5 anni): si misura l’attività della nuova sostanza su pazienti, di cui un piccolo numero in questa fase, e un numero più alto nella fase 3. Si fa questo studio in doppio o triplo cieco, spesso valutando e controllando l’effetto contro placebo (preparazione farmaceutica identica al farmaco vero, ma senza principio attivo, che non dovrebbe in linea teorica dare alcuna attività, ma in realtà nella buona riuscita del farmaco gran parte lo fa la psicologia del paziente). Quindi dividiamo il gruppo di volontari in uno a cui dare il placebo, e uno il farmaco vero. Quando parliamo di doppio o triplo cieco significa che abbiamo chi divide farmaco dal placebo (1), il medico che non sa quale è il placebo e quale il farmaco (2), e eventualmente una terza persona che va a controllare i risultati (3). L’efficacia del farmaco viene misurata paragonandolo al placebo, oppure contro un farmaco già esistente, però per esempio più vecchio.
• Fase III: Esami variabile (1,5 anni), solitamente mettiamo i risultati in un file, a presentare alle autorità, e il tempo è variabile anche in base alla mole di dati presenti, alla precisazione dei dati, al tipo di indagini fatte (o eventualmente richieste) ecc.
• Fase IV: Post-marketing vigilanza (tempo indefinito), inizia la su individui a altissimo range, su scala mondiale. E spesso in questa quarta fase emergono degli effetti collaterali che non erano stati considerati, e eventualmente questi effetti collaterali si sono dimostrati estremamente gravi tanto da indurre la rimozione del farmaco dal commercio. In questa fase in realtà l’industria farmaceutica non smette di fare ricerca sul farmaco, ma viene fatta ricerca per esempio per cercare nuove formule, nuovi modi per somministrare la sostanza, o si cerca terapie combinate ecc. E serve per prolungare la vita del farmaco, infatti la commercializzazione esclusiva l’industria la ha per un tempo limitato, perché sono tutte cose brevettate, ma il brevetto scade.

Scoperta dei farmaci

Vediamo ora il perché la via che porta a una nuova medicina è molto lunga e costosa. La via infatti è lunga e tortuosa, partiamo dalla progettazione a una serie di fasi lunghe che portano a risultati che ogni volta devono essere elaborati, studiati, confrontati con dati già esistenti e così via. È sempre un processo circolare in cui spesso si ricomincia addirittura da capo perché incontriamo delle insidie che ci costringono a tornare sui propri passi.

Un farmaco può essere scoperto in molte maniere, ma abbiamo due strategie “limite”: una progettazione razionale e una scoperta fortuita (serendipity in inglese detto che rende bene l’idea). Tra queste due vie ci sono chiaramente altri sistemi che vedremo, e che sono più o meno razionali.

Quando parliamo di “scoperta fortuita” intendiamo per esempio la scoperta della penicillina G da parte di Fleming nel 1928, e la sulfanilamide da parte di Domagk nel 1935. Certe scoperte possono avvenire per caso, ma il ruolo dello scopritore non è per niente secondario. Per esempio, Alexander Fleming era un microbiologo che studiava colture batteriche che non crescevano là dove cresceva una particolare muffa. Ma non fu il primo a descrivere questo antagonismo tra muffe e funghi, infatti già alcuni allievi di Pasteur avevano già descritto questo antagonismo. Ma si dice che l’ha scoperto Fleming perché an...