Chimica farmaceutica e tossicologica I

Chimica farmaceutica e tossicologica: il cammino del farmaco

Il cammino del farmaco è il percorso che permette di portare sul mercato un composto innovativo a partire dalla sua sola ideazione: comprende tutto il percorso dalla fase di ricerca all’immissione sul mercato, sebbene le fasi di ricerca e sviluppo rappresentino le due fasi principali. Prodotti come gli integratori alimentari presentano un cammino diverso perché i medicinali hanno regole differenti e anche meno stringenti: i medicinali presentano un cammino regolatorio decisamente più complesso rispetto ad altri medical devices.

Piccole molecole e farmaci biotecnologici

I medicinali sono generalmente suddivisi in due grandi gruppi: piccole molecole organiche e farmaci biotecnologici. La fase di ricerca rappresenta la fase di inizio del processo che condurrà la singola molecola sul mercato ed è basata anch’essa su regole stringenti: la prima fase della ricerca è rappresentata dall’identificazione di un target come un recettore, un enzima, una mutazione di una proteina, ecc.

In questo step, gli sforzi di chimici farmaceutici, farmacologi e biotecnologi concorrono a ricercare un’eventuale molecola -organica o biotecnologica- che possa agire su uno specifico target per quella specifica patologia: un successivo screening sarà sfruttato per verificare l’effettiva attività del composto sul bersaglio individuato. Al termine dello screening, in caso di risultato positivo, si ottiene il cosiddetto hit, una molecola con attività promettenti sul bersaglio fornito, verificata solamente tramite prove preliminari su target in vitro.

Fase di sviluppo

Dalla fase di ricerca si apre la fase di sviluppo, volta ad ottenere il lead, una molecola che presenti caratteristiche di candidato farmaco. La fase di sviluppo inizia con lo sviluppo preclinico, una fase costellata da una serie di prove volte a validare la molecola prima del test sull’uomo. Tra i test condotti rientrano:

• Prove di tossicità;
• Test chimici;
• Test analitici;
• Prove di formulazione.

Se i risultati sono promettenti, dalla fase di sviluppo preclinico si passa alla fase clinica, caratterizzata da ulteriori tre fasi:

• Fase clinica I: test su pochi soggetti, volontari sani, per verificare eventuali forme di tossicità;
• Fase clinica II: verifica dell’efficacia della molecola per prove su pochi volontari affetti dalla patologia investigata dallo studio;
• Fase clinica III: verifica dell’efficacia del medicinale per test su un maggior numero di volontari malati e per cercare il dosaggio migliore.

Al termine della fase clinica, se i risultati sono positivi, inizia la fase di registrazione con la richiesta dell’Autorizzazione all’Immissione in Commercio (AIC): inizia quindi la fase di lancio sul mercato e, quindi, del marketing. La promozione di un certo medicinale non può far leva sul prezzo del prodotto, in quanto affetta da calmierazione da parte dell’autorità regolatoria: il prezzo dipende molto dai costi di ricerca e sviluppo sostenuti e tende a diminuire con il tempo.

Poiché il prezzo medio per l’immissione di una nuova molecola sul mercato è di circa 1,2B€ e il rapporto tra molecole commerciabili e quelle scartate è di circa 1:10k, si hanno costi altissimi associati ad una scarsa probabilità di successo: attualmente le grandi multinazionali farmaceutiche tendono a comprare idee e brevetti da società più piccole per poi sviluppare ulteriormente il progetto e commerciarlo.

Fasi del processo

• Fase di ricerca
• Fase di sviluppo (Hit, Lead, Preclinica)
• Fase clinica (Fase clinica I, Fase clinica II, Fase clinica III)
• Fase postclinica (Marketing, Farmacovigilanza)

Generalmente, una volta scoperta una nuova e interessante molecola, non è possibile iniziare a lavorare direttamente sull’uomo e, necessariamente, esistono delle fasi e dei tempi obbligati: la fase di ricerca dura circa 3-6 anni, la fase di sviluppo circa 10-12. Gli attuali progressi ottenuti dai vari gruppi R&D hanno permesso di ottenere un sostanziale incremento del numero di farmaci disponibili sul mercato e, in un’ottica di tutela del proprio patrimonio intellettuale, le aziende farmaceutiche devono ricorrere al brevetto, strumento normativo che garantisce al proprietario l’esclusiva su quello specifico prodotto.

Brevetto e durata

Il brevetto viene depositato generalmente durante la fase preclinica e ha una durata di 20 anni (ulteriormente espandibili nell’ambito dei prodotti farmaceutici): al termine anche dell’estensione del brevetto, il medicinale non è più coperto da alcuna tutela e può essere genericizzato, con prezzi d’acquisto notevolmente più bassi rispetto al prodotto “brandizzato”.

La fase di ricerca gioca un ruolo fondamentale nell’individuare quante più potenziali molecole hit per avere la più ampia libreria possibile di molecole farmacologicamente attive: attualmente, esistono in commercio molecole con più di cento anni di storia ed una grande efficacia terapeutica, come la morfina, l’aspirina e la penicillina.

Evoluzione della ricerca farmacologica

Con il tempo si è passati da un approccio chemocentrico alla ricerca di molecole attive, ad un approccio farmacologico, possibile solo a partire dagli anni ’70 per la scoperta e gli studi sui recettori e sui mediatori endogeni. L’approccio farmacologico ha cambiato anche il modo con cui la chimica si rapportava con la ricerca, basandosi non più sull’isolamento di prodotti di origine naturale o su scoperte casuali, bensì procedendo con solidi dati e basi farmacologiche.

A partire dagli ’90, l’approccio genetico alla ricerca ha permesso di individuare oltre 10.000 nuovi target farmacologici dei quali, ad oggi, più di 800 rappresentano bersagli di farmaci correntemente in uso: questo approccio si basa sullo studio del recettore e il design di molecole che possano interagire con esso.

In quegli anni si fa strada anche la chimica combinatoriale, dove il chimico farmaceutico comincia ad allestire librerie di composti simili per aumentare le probabilità di successo nel trovare un potenziale hit. Con il progredire del tempo, la chimica farmaceutica si è evoluta per trovare nuove forme e nuovi metodi per identificare i vari hit oltre a nuove procedure di sintesi per facilitarne la produzione.

Nomenclatura dei farmaci

I farmaci attualmente in commercio presentano tre distinti nomi:

• Nome brevettato, proprietario o depositato: il nome dell’azienda che è assegnato per identificare quel determinato prodotto medicinale;
• Nome comune o non proprietario: è un nome che fornisce un’idea della struttura senza ricorrere ad un nome chimico vero e proprio;
• Nome chimico: nomenclatura secondo IUPAC.

A titolo di esempio, è possibile verificare direttamente sull’aciclovir:

• Nome proprietario: ZOVIRAX;
• Nome non proprietario: aciclovir;
• Nome chimico: 2-amino-1,9-diidro-9-[(2-idrossietossi)metil]-6H-purin-6-one.

Zovirax è il nome depositato dall’azienda detentrici del brevetto, alla sua scadenza però, il generico commercializzato non può essere venduto con tale nome ma sfruttando il nome non proprietario, aciclovir. Il nome non proprietario è generalmente associato alla categoria farmacologica di appartenenza, come negli esempi in basso:

Indice terapeutico (IT)

L’indice terapeutico fornisce un’idea del margine di sicurezza del potenziale farmaco, relazionando la dose letale media con la dose efficace media. Un buon indice terapeutico presenta un valore di IT molto alto: infatti, tanto maggiore è la dose letale rispetto alla dose efficace e tanto più un farmaco è sicuro.

Ovviamente, i farmaci non presentano le medesime curve per l’effetto terapeutico e letale: nel caso in esempio, warfarin e penicillina presentano due profili di IT completamente differenti. Nel primo caso si assiste alla sovrapposizione delle curve e, di conseguenza, l’effetto terapeutico massimale si sovrappone ad effetti tossici; nel secondo caso le curve sono ben distanziate: la finestra terapeutica del warfarin è nettamente più stretta di quella della penicillina, per cui la penicillina, rispetto al warfarin, risulta più sicura da somministrare.

La misurazione e la valutazione dell’indice terapeutico rappresentano una delle prime prove condotte sull’ideale molecola bersaglio.

Biodisponibilità

Il concetto di biodisponibilità è molto importante poiché definisce il destino di un farmaco o di uno xenobiotico laddove, una volta immessa nell’organismo, il corpo stesso cerchi di eliminarla: la biodisponibilità indica quanto una molecola rimanga all’interno dell’organismo e per quanto rimanga efficace.

La biodisponibilità dipende dall’ADME:

• Assorbimento: la molecola, presente all’interno del corpo, entra nel circolo sanguigno. L’ingresso avviene tramite una via di somministrazione che permetta di avere il farmaco all’interno dell’organismo. Tra le vie di somministrazione più comuni rientrano:
  • Via orale
  • Via sublinguale
  • Via rettale
  • Via parenterale
• Distribuzione: una volta che la molecola entra nel circolo sanguigno, essa viene distribuita in tutto il torrente circolatorio e nei vari distretti dell’organismo. Concorrono alla distribuzione anche le numerose proteine plasmatiche oltre alle caratteristiche chimiche della molecola stessa;
• Metabolismo: l’organismo tende ad eliminare tutte le molecole estranee, agendo in prima battuta modificando il composto e alterandone la polarità. Il metabolismo principale avviene a livello epatico dove le modifiche strutturali sono più importanti e permettono una rapida escrezione;
• Eliminazione: il processo avviene prevalentemente, ma non esclusivamente, a livello renale. Qui il sangue è filtrato molte volte nell’arco della giornata e le caratteristiche chimiche proprie della molecola.

Metabolismo

Con metabolismo si intende il complesso processo di biotrasformazione operato dal metabolismo nell’intento di eliminare il composto. Il corpo attiva tutta una serie di reazioni biologiche che trasformano la struttura chimica della molecola all’interno dell’organismo, spesso grazie ad enzimi che attivano e catalizzano le reazioni.

Lo scopo principale di queste reazioni è, nella maggior parte dei casi, alterare la polarità dei composti per renderli più polari e solubili in acqua, eliminandoli poi per via renale: l’obiettivo primario è l’eliminazione dello xenobiotico nel minor tempo possibile.

Il metabolismo avviene prevalentemente nel fegato, qui sono presenti enzimi metabolici della famiglia del citocromo P450: essi sono presenti in circa 33 varietà. Altri siti del metabolismo sono i polmoni, la placenta e l’intestino, dove la flora batterica intestinale contribuisce al metabolismo degli elementi assunti: in caso di dismicrobismo per trattamento antibiotico, si può infatti assistere a fenomeni di dissenteria.

I metaboliti derivati dalla modifica del composto originario possono essere tossici, attivi o inattivi. Il metabolita inattivo rappresenta quella molecola derivata che, rispetto al composto iniziale, è priva delle proprietà farmacologiche di interesse. Il metabolita attivo è quel metabolita che continua ad avere eguale o variata (aumentata o diminuita) efficacia terapeutica rispetto al composto iniziale: è importante valutare l’attività e la presenza dei metaboliti di un farmaco prima di iniziare una seconda somministrazione, in modo tale da evitare fenomeni di accumulo anche tossici.

I metaboliti tossici, invece, presentano effetti indesiderati particolarmente nocivi: la molecola originaria sarà difficilmente utilizzata come medicinale per i rischi connessi ai metaboliti tossici.

Il metabolismo non rappresenta uno standard per tutti gli individui ma è influenzato da diverse variabili come gli aspetti genetici ed i fattori fisiologici, fattori alimentari e ultima, ma non meno importante, la co-somministrazione di farmaci: alcuni medicinali possono risultare inibitori o induttori di un certo enzima, modificando il metabolismo di un altro farmaco che sottende al medesimo enzima.

Le reazioni di metabolizzazione sono suddivise in tre tipologie:

1. Reazioni di fase I (modifiche non di sintesi): le modifiche avvengono sulla molecola ma non sono reazioni di sintesi, tendono invece a convertire taluni gruppi funzionali. Sono reazioni catalizzate dal citocromo P450 ma anche da enzimi circolanti nel sangue e sono reazioni tipiche l’ossidazione, la riduzione e l’idrolisi;
2. Reazioni di fase II (modifiche per reazioni di sintesi): vengono attaccate altre strutture sulla base della molecola, già più polare rispetto al composto di partenza, per aumentarne ulteriormente la solubilità in acqua per una rapida eliminazione. Le reazioni tipiche di questa fase, come la coniugazione, avvengono per opera delle transferasi;
3. Reazioni di fase III (modifiche non di sintesi su metaboliti ottenuti dalle reazioni precedenti).

Reazioni di fase I

Le reazioni ossidative come N- o O-dealchilazione sono comuni nei medicinali che presentano delle ammine secondarie legate alle strutture molecolari, oppure delle ammine terziarie con gruppi alifatici. Nella N-dealchilazione, la reazione ossidativa converte la parte alchilica in un alcool: la successiva rottura del legame C-N porta alla formazione di un’ammina primaria e di un’aldeide, derivante dall’ossidazione dell’alcol. Nella O-dealchilazione si ha un gruppo metossilico legato alla struttura molecolare che, per ossidazione della porzione alifatica, conduce alla conversione della catena alifatica in alcol e successiva rottura del legame C-O con formazione di un alcol primario ed un’aldeide.

Idrossilazione della catena o dell’anello aromatico: Parimenti alle catene alifatiche, anche un anello aromatico può essere ossidato a dare un intermedio epossidico e, poi, un derivato fenolico. N- e S-ossidazione: L’N-ossidazione prevede l’ossidazione di un’ammina, anche terziaria, ad intermedio idrossilamminico che si converte poi in N-ossido. In caso di tioetere, la reazione di S-ossidazione porta alla conversione in un intermedio e alla trasformazione finale in solfossido.

Deamminazione e desolfonazione: Nella reazione di deamminazione, per ossidazione del carbonio a dare un’idrossilammina, si ottiene come prodotto finale ammoniaca e un derivato chetonico. La reazione di desolfonazione, operata su di un tiolo, permette di convertirlo in acido solfidrico e un derivato chetonico.

Reazioni cui sono soggetti gli alcoli: L’enzima alcol deidrogenasi attacca l’etanolo per convertirlo ad acetaldeide: una volta ottenuta l’acetaldeide, essa può essere convertita in acido carbossilico per azione dell’aldeide deidrogenasi: alcoli secondari, invece, possono condurre a derivati chetonici. In caso di assunzione di etanolo, la capacità di eliminazione dello stesso dipende strettamente dal metabolismo: un organismo compromesso può avere una scarsa capacità metabolica con accumulo di acetaldeide, composto responsabile della produzione del tipico e spiacevole effetto sbornia. Gli enzimi monoammino ossidasi sono invece in grado di convertire le ammine primarie in derivati contenenti un gruppo aldeidico.

Reazioni di riduzione

Azoriduzione: La reazione di riduzione in caso di presenza di azoderivato può condurre alla formazione di due ammine, molto più polari del composto iniziale. Nitroriduzione: Il gruppo nitro, in caso di riduzione, può essere convertito in un’ammina primaria.

Reazioni di idrolisi

Idrolisi di esteri e ammidi: Gli esteri sono molecole che raramente rimangono tal quali nell’organismo e il metabolismo può essere utilizzato per rendere biodisponibili delle molecole che, almeno inizialmente, non lo sono. Le peptidasi sono enzimi che tagliano i legami amminici, rendendo molto difficile la somministrazione di peptidi per via orale, ragion per cui la biodisponibilità orale di questi composti è molto bassa. A causa della grande abbondanza di peptidi all’interno dei farmaci biotecnologici, essi possono essere somministrati solo per via parenterale a lento rilascio.

Reazioni di fase II

Le reazioni di fase II sono reazioni di coniugazione che permettono di attaccare una porzione molto polare direttamente alla struttura chimica del composto. Tra i substrati che è possibile legare a farmaci, gli acidi glucuronico, solforico e aminoacidi come cisteina e serina, così come i polipeptidi come il glutatione.