Chimica Farmaceutica e tossicologia - Appunti

Lezione 1: 03/10/2013

Progettazione delle molecole e target biologico

Se conosco le caratteristiche del target perché è stato cristallizzato, posso progettare la molecola mettendo dei gruppi che interagiscono con le caratteristiche del target biologico, ma non tutti i target biologici sono conosciuti a tal punto. Posso partire da una molecola e modificarla in modo da ottenere man mano caratteristiche sempre migliori. Gruppo farmacoforico: sono le caratteristiche fondamentali che deve avere la molecola per compiere la sua funzionalità.

Quando si somministra una molecola, prima di raggiungere il target biologico e avere interazioni dinamiche, va incontro a diversi passaggi che possono modificarla da un punto di vista metabolico. Perciò se un composto, per esempio, era molto attivo in vitro, in vivo può perdere parte delle proprie caratteristiche. Oppure il composto può essere completamente inattivato dopo delle modificazioni metaboliche.

Trasformazioni metaboliche

Queste trasformazioni sono utili o dannose? Dipende dal risultato che io voglio ottenere. Se un farmaco ipnotico sedativo, deve avere emivita lunga o breve? Breve, così dura solo la notte e non ho effetto del giorno dopo. Un farmaco anticonvulsivante deve avere una lunga durata per riuscire a tenere sotto controllo per lungo tempo le scariche elettriche che non sono più sotto controllo in chi soffre di epilessia.

Processi metabolici e strategie di protezione

Se si ha un sistema aromatico, quale processo di metabolizzazione avviene? Ossidazione, che porta alla formazione di un fenolo, che poi viene coniugato. Questo processo di ossidazione avviene normalmente in posizione para se il benzene è già sostituito. Perciò posso andare a proteggere la posizione para inserendo un alogeno.

Se ho un farmaco che agisce a livello del SNC, devo fare in modo che passi la barriera ematoencefalica (BEE) e così devo agire sulle caratteristiche di lipofilia. Sistema catecolico: un sistema aromatico con due gruppi OH.

Si possono usare per esempio degli aminoacidi che, nonostante non siano lipofili, possono usare dei trasportatori che permettono in questo modo di passare la membrana ematoencefalica. Per esempio si somministra L-Dopa che diventa dopamina, ma attenzione, la L-dopa trasformata a livello periferico diventa dopamina quando si trova a livello periferico e non riuscirà più ad attraversare la membrana ematoencefalica. Si può usare un inibitore della decarbossilazione che permette alla L-dopa di essere trasformata in dopamina solo a livello centrale.

Logiche per progettare molecole attive

• Fase di scoperta: con metodi razionali posso generare un composto che abbia attività sul mio target, oppure trovo un composto naturale. Non sempre il composto ha caratteristiche ottimali per diventare un farmaco, perciò devo ottimizzare alcuni parametri farmacocinetici. Per esempio devo modificare la sua interazione con i sistemi metabolici, le caratteristiche chimico-fisiche. Per diventare un farmaco deve essere anche sintetizzabile a livello industriale, ovvero il processo di sintesi deve essere più o meno rapido, poco costoso e soprattutto deve avere delle rese che siano abbastanza elevate.
• Fase di ottimizzazione: fase in cui si cerca di migliorare le caratteristiche del farmaco.
• Fase di sviluppo: fase in cui un determinato farmaco viene prodotto, con le caratteristiche ottimali sviluppate precedentemente.

Cercare molecole prototipo

• Modificazione di farmaci esistenti: "me too drugs". Hanno caratteristiche migliorative rispetto ad altri farmaci. Esempio della cimetidina, primo farmaco antiulcera scoperto, ed antagonista del recettore H2 istamina, ma aveva emivita breve perché la cimetidina contiene il nucleo dell’imidazolo che viene facilmente metabolizzato. Questo nucleo è stato sostituito con quello del furano, ottenendo in questo modo un nuovo farmaco migliore.
• Screening sistematico: tecnica molto recente. Con l'avvento dell'era genomica si cerca di stabilire l'impatto dei geni a livello fisiologico e anche a livello patologico. Le ditte farmaceutiche hanno un target biologico e utilizzano tutti i prodotti che hanno nelle loro librerie di composti e li saggiano sul target. In alcuni casi riescono a trovarne alcuni che sono attivi, e in questo modo andranno poi a modificarli per migliorarne le azioni.
• Valorizzazione di informazioni biologiche: se ho un farmaco che in commercio può avere attività diverse rispetto a quelle normali della sua applicazione. Se ne modifico le strutture, in alcuni casi riesco a spostare la sua attività da un target ad un altro. In commercio c’è un farmaco antiipertensivo, minoxidil, che va sui canali del potassio e porta a peluria. Perciò è stato usato come farmaco topico per far crescere i capelli. C’è un farmaco antitubercolare (isoniazide) che ha attività sull’umore e perciò viene utilizzato come antidepressivo in alcune sue strutture modificate.
• Ricerca programmata e approcci razionali: si può progettare un farmaco sulla base delle caratteristiche del target che ci serve modificare nella propria azione.

Tre fasi principali dell'attività dei farmaci

1. Fase biofarmaceutica:
   • Via di somministrazione: si modifica la struttura per ottenere un farmaco che supera le varie difficoltà che incontra una volta introdotto nel nostro organismo.
   • Formulazione
2. Fase farmacocinetica: ADME. Il farmaco deve superare le membrane e perciò deve avere delle caratteristiche adeguate. Se si ha per esempio un peptide che una volta somministrato viene degradato rompendo i vari legami tra i vari L aa, posso andare ad introdurre D aa che in questo modo formano legami che non vengono rotti. Lo stesso che fanno per esempio i batteri. Per passare da L aa a D aa i batteri utilizzano enzimi chiamati racemasi.
3. Fase farmacodinamica:
   • Relazione dose effetto
   • Relazione dose risposta

Sistemi di trasmissione e recettori

SNC + SNP (somatico e vegetativo). Il sistema nervoso somatico è un sistema che noi possiamo controllare, mentre il sistema nervoso vegetativo è un sistema che noi non possiamo controllare. Il sistema motorio va dal centro alla periferia (unidirezionale) mentre quello sensitivo va dalla periferia al centro. Motorio + sensitivo: costituiscono il sistema somatico. Il sistema vegetativo è costituito da simpatico e parasimpatico ed entrambi sono bidirezionali nella trasmissione dei messaggi.

Trasmissione neuronale

Neurone: corpo centrale con arborificazioni dette neuriti che sono molto importanti perché connettono un neurone con altri. Maggiore è la connessione, maggiore è l'elaborazione della risposta ottenuta. La trasmissione dell'impulso avviene grazie a una fibra ampia che ha una guaina esterna. La guaina mielinica non è sempre presente. La guaina ha un impatto molto importante sulla velocità della connessione. Dove termina l'assone si hanno le sinapsi, a livello delle quali vengono rilasciati i neurotrasmettitori. Possiamo agire a livello del rilascio di NT, oppure a livello dei recettori e dei vari meccanismi che permettono di spegnere un determinato segnale. Conoscendo la struttura di queste sostanze, possiamo cercare di sintetizzare delle molecole simili che abbiano, per esempio, una selettività d'azione.

La ACh ha azione su diversi recettori, ma il nostro organismo riesce a ottenere la selettività di azione perché attiva le varie vie in base a dove serve, ma se la somministro dall'esterno la ACh va a livello di tutti i distretti e perciò non ho alcun tipo di selettività d'azione da parte della ACh. La selettività da parte del nostro organismo è anche indotta dal fatto che la ACh viene rilasciata solo in quei distretti che vengono attivati dopo che viene ricevuto un determinato tipo di stimolo.

Ruolo della guaina mielinica

Perché la mielina modifica la velocità di trasmissione? Nelle membrane ci sono agglomerati proteici che formano dei pori per il passaggio di ioni. Sono dei canali ionici e sono specializzati per il passaggio di un certo ione. Se il canale viene chiuso, lo ione non può passare. Questo passaggio avviene perché quando si ha una membrana, la concentrazione degli ioni è diversa tra interno ed esterno della membrana; se il canale è chiuso la differenza di concentrazione si mantiene, ma se arriva l'impulso si apre il canale e si annulla la differenza di potenziale, e il segnale riesce a passare perché si ha l'attivazione del canale.

Quando non c'è la guaina i canali sono in sequenza l'uno all'altro. Quando c'è la guaina si trovano i canali ionici solo a livello di dove si interrompe la guaina, e perciò l'impulso sarà saltatorio. E solo lì si avrà la depolarizzazione e quindi la trasmissione del segnale. I canali sono normalmente dei canali del sodio. Lo ione sodio è più concentrato all'esterno che all'interno, perciò quando si aprono il sodio entra e si ha azzeramento della differenza di potenziale. Il potassio invece è più concentrato all'interno. L'apertura dei canali del potassio invece comporta una iperpolarizzazione e perciò effetto inibitorio, per il fatto che il potenziale diventa negativo, perché il potassio esce dalla cellula permettendo in questo modo di avere un aumento delle cariche negative all'interno di questa.

Neurotrasmettitori

Neurotrasmettitori sono sintetizzati, oppure in pochi casi sono ottenuti partendo dalla dieta, ovvero in pochissimi casi possono essere introdotti attraverso il cibo. Sono immagazzinati nelle vescicole presinaptiche e quando arriva l'impulso nervoso vengono liberati nello spazio sinaptico. I recettori possono essere sulla membrana postsinaptica, dando effetti eccitatori o inibitori, ma i neurotrasmettitori (NT) possono agire anche su recettori della membrana presinaptica e avere una funzione regolatoria nel rilascio del NT stesso. Può favorire il rilascio di altro NT con feedback positivo, oppure inibire il rilascio con feedback negativo.

I recettori presinaptici per ACh sono M2, ACh agisce su questi e va ad inibire il rilascio di altra ACh. Questo serve per portare ad un controllo delle varie risposte nervose, per evitare che queste durino troppo a lungo. Per esempio, se ACh agisce troppo a lungo, comporta il venire a verificarsi di paralisi spastiche. Per interrompere questa attività, ACh viene degradata. È un estere della colina con acido acetico, e si ha un enzima che rompe il legame estereo (ACh esterasi). Oppure si possono avere recettori che ricaptano il NT che rientra così nelle vescicole presinaptiche.

Se si ha una carenza del NT, possiamo favorire la biosintesi. Se per esempio si ha carenza di ACh che non può essere somministrata come tale perché non riuscirebbe ad andare a livello del SNC ma darebbe solo effetti collaterali a livello periferico, possiamo fare dei derivati che possono essere assorbiti, per esempio la fosfatidil colina che poi genera la ACh colina, una volta che questa ha permeato la barriera ematoencefalica BEE. Ogni assone ha un tipo di NT, ma il neurone successivo può per esempio avere un NT diverso.

Nel caso della dopamina si somministra la L-dopa perché è un intermedio della biosintesi della dopamina. Non si può somministrare in modo diretto la dopamina perché avremmo moltissimi effetti collaterali a livello periferico. La L-dopa invece non agisce sui recettori periferici ma passa la membrana ematoencefalica e poi viene trasformata in dopamina. Per evitare che la L-dopa venga trasformata in dopamina a livello periferico sarà necessario co-somministrarla con degli inibitori delle decarbossilasi periferiche.

Posso regolare il rilascio di NT. Se voglio che un NT rimanga più a lungo nella sinapsi posso, per esempio, inibire l'enzima che normalmente lo degrada. Nel sistema colinergico, per esempio, si può avere una carenza di ACh che comporta Alzheimer, e perciò posso dare dei farmaci che bloccano la degradazione di ACh e si usano inibitori di ACh esterasi. Questo metodo è un metodo d'azione indiretto, perché non vado ad agire direttamente sui recettori, ma invece agisco a livello del metabolismo del NT che mi interessa.

Ma se blocco in modo troppo estensivo la AChE, posso ottenere una troppa attivazione del SNC, come accade con i gas nervini che sono degli inibitori di tipo irreversibile e perciò portano all'ottenimento di una ipereccitazione, perché aumentano troppo la permanenza della ACh a livello sinaptico. Se devo mantenere un NT nella fessura sinaptica e questo viene allontanato con la ricaptazione, posso bloccare la ricaptazione per mantenere l'effetto più a lungo. Questo è quello che viene fatto con i farmaci antidepressivi, per esempio si usa la Floxetina, inibitore selettivo della ricaptazione della serotonina.

ACh va su diversi tipi di recettori, perciò devo fare in modo tale di andare a bloccare solo i tipi di recettori che mi interessano per curare la patologia presa in considerazione. Perciò sarà necessario andare a disegnare dei farmaci che siano farmaci di tipo selettivo per un determinato sottotipo recettoriale.

Recettori e modulazione della risposta

Se si ha un recettore presinaptico, se la sua attivazione blocca il rilascio di NT si parla di autorecettore. L'effetto comporta un indebolimento della risposta da parte del NT stesso, per il fatto che l'attivazione di tale recettore comporta un feedback negativo sulla regolazione del rilascio del NT stesso. Se invece uso un composto che agisce da agonista sul recettore postsinaptico, si ha un rafforzamento della risposta. Se uso un antagonista che va sull'autorecettore, favorisce il rilascio del NT, per il fatto che blocca il normale feedback negativo, e perciò in questo modo ottengo un rafforzamento della risposta, se agisce invece sul recettore postsinaptico, l'antagonista indebolisce la risposta, perché blocca la normale risposta mediata da quel tipo di NT.

La clonidina, un farmaco antiipertensivo che agisce sul recettore alfa2 adrenergico e blocca il rilascio di NT. Alfa2 è un recettore presinaptico che normalmente blocca il rilascio di noradrenalina con un feedback negativo, perciò la clonidina, favorendo l'attivazione di tale recettore, si comporta come un agonista del recettore presinaptico. Si comporta come antiipertensivo perché la noradrenalina normalmente media la vasocostrizione, se io ne blocco il rilascio, favorisco la vasodilatazione che induce in questo modo una diminuzione della pressione arteriosa.

Neurotrasmettitori principali

• Noradrenalina: detta anche catecolamina, ha il gruppo amminico e un nucleo aromatico con due OH (catecolo).
• Dopamina: appartiene alla classe delle catecolamine. Questi composti non sono molto stabili perché il catecolo all'aria tende ad ossidarsi perciò diventa gruppo dichinonico (due gruppi C=O). Dal punto di vista terapeutico, questi farmaci devono essere conservati in contenitori scuri e lontano dall'aria.
• Acetilcolina: non ha carattere basico perché ha gruppo trimetilammonio che è acido. Per idrolisi viene disattivata dando acido acetico e colina.
• Istamina: basica e la basicità è dovuta al gruppo amminico esterno e al nucleo imidazolico. Ma NH2 è la porzione più basica, infatti essendo lontana dall'anello aromatico, il doppietto spaiato rimane localizzato sull'azoto. A pH fisiologico si trova in forma protonata come NH3+. Per primo si protona l'azoto più basico, quello amminico libero. La istamina può avere un altro tautomero per prototopia del protone sull'altro azoto dell'anello imidazolico. Esistono entrambe le forme tautomere. Ma sarà leggermente più stabile e quindi più presente all'equilibrio la forma tautomera in cui l'azoto numero 1 (quello legato all'H) è più lontano dal gruppo R sostituente dell'anello. Questo è dovuto a questioni di ingombro sterico. Nomenclatura: l'azoto con l'idrogeno è il numero 1, e poi do il numero minore possibile all'altro N. Se si sposta il protone, posso ottenere 5 aminoetileimidazolo o 4 amminoetileimidazolo.
• Serotonina
• Acido glutammico
• Acido aspartico: sono entrambi aminoacidi eccitatori. Sia il glutammico che l'aspartico.
• Glicina: co-agonista; va su recettori del glutammato e serve per l'attivazione.
• Acido GABA ammino butirrico: acido glutammico decarbossilato, un aminoacido inibitorio. Sia acido glutammico che aspartico vanno su canali ionici e recettori accoppiati a recettori G. Se aspartico va su canali, fa entrare Na e in parte calcio e così comporta eccitazione. Invece il GABA può andare su canali ionotropici e fa entrare Cl- nella cellula e in questo modo la cellula va incontro a un processo di iperpolarizzazione, ovvero aumenta la concentrazione delle cariche negative dentro la cellula che comporta uno spegnimento dei vari segnali.

Il nostro organismo utilizza un certo numero di sistemi di trasmissione, ma oltre ad agire su diversi distretti un NT può avere sia effetto attivatorio che inibitorio, in base al tipo di recettore con il quale interagisce. Servono perciò dei composti di sintesi che sappiano mantenere questo tipo di selettività delle risposte.

Principali teorie recettoriali

1. Teoria della occupazione: principio di Le Chatelier. Se ho un equilibrio e voglio modificare la risposta...