Chimica farmaceutica e Tossicologica I

Chimica farmaceutica (prof. Marco Pallavicini)

La chimica farmaceutica nasce con la medicina come scienza della preparazione dei farmaci a partire da quello che la natura offre nel mondo minerale, vegetale e animale. Tutte le civiltà più antiche hanno tramandato le loro medicine (solitamente di origine vegetale): Ippocrate (V sec A.C.); Scribonio Largo (I sec. D.C.); Galeno (II sec. D.C.); Scuola araba di Avicenna (XI sec D.C.); Paracelso (XVI sec. D.C.).

Seguendo l’evoluzione delle scienze chimiche (Boyle, Lussac, Clapeyron etc...), si affranca gradualmente dalle sostanze di origine naturale e sviluppa nuove sostanze artificialmente preparate. Solo nel XIX secolo si comincia ad operare con cognizione di causa, inizialmente con la purificazione di sostanze naturali:

• 1806 isolamento della morfina (F. Sertürner)
• 1823 isolamento della chinina (Pelletier, Caventou)
• 1833 isolamento dell’atropina (H. Mein)

Poi compaiono i primi farmaci di sintesi:

• 1876 acetanilide, fenolo e acido salicilico
• 1883 antipirina
• 1886 salolo
• 1889 aspirina
• 1903 acido dietilbarbiturico

Nella prima parte del XX secolo Ehrlich fonda la chemioterapia (Rosso tripan). Si passa così dalla scoperta empirica, dovuta al 'prova e riprova', alla prima correlazione tra proprietà chimico-fisiche ed attività biologica. Infatti, nel 1939 si stipula l’equazione di Fergusone che correla la concentrazione battericida (Cn) di un composto con la sua solubilità o la sua tensione di vapore:

C = kS, Cn = kPn^1/a

dove C è la concentrazione necessaria per risposta biologica, K e b sono costanti per quella serie di prodotti, e A è il parametro chimico-fisico di quel composto.

Studi di Relazione Struttura-Attività (SAR) necessari per correlare l’attività biologica con parametri chimico-fisici hanno portati a Hammett (1935) che mette in relazione la velocità di idrolisi di esteri dell’acido benzoico con la natura elettronica e la posizione del sostituente.

Log (k/k₀) = σρ

dove k e k₀ sono costanti di velocità di idrolisi degli esteri, σ è la costante dipendente dal tipo di composto e di reazione, e ρ è un parametro che quantifica l’influenza del sostituente in virtù della sua natura e della sua posizione.

La costante di equilibrio K è correlata all’energia libera di conseguenza si può scrivere: ΔLn K = - ΔG°/RT

Queste correlazioni trovano tuttavia limitate applicazioni e soprattutto danno risultati poco soddisfacenti.

Sviluppi successivi

Proprio per la scarsa utilità dei risultati operati si arriva a determinare un’equazione in cui la concentrazione è messa in relazione alla somma di vari termini che quantificano le caratteristiche strutturali della molecola come la lipofilia:

Log 1/C = a + bπ + cσ²

dove C è la concentrazione molare del composto per avere una certa risposta biologica, σ è il parametro di Hammett riguardante la natura del sostituente, e π è il parametro di Hansch esprimente la idro/lipofilia del sostituente.

L’analisi delle relazioni struttura-attività viene ulteriormente sviluppata fino all’approccio di Free e Wilson: la risposta biologica di un composto è data dalla somma dei contributi, apportati all’attività base della struttura fondamentale (A₀), dei singoli sostituenti (considerati additivi).

Lemont B. Kier (1981) postula la natura dei recettori attraverso calcoli quantomeccanici e giunge a poter predire la conformazione preferita degli agonisti per quei recettori. Una volta identificato il rapporto tra una certa attività biologica e certe proprietà molecolari si potrà indirizzare la sintesi verso composti che meglio esprimono quelle proprietà molecolari.

Somministrazione della forma farmaceutica

Fasi che precedono il manifestarsi dell’effetto farmaceutico:

1. Fase farmaceutica: liberazione del principio attivo dalla forma farmaceutica e sua dissoluzione
2. Fase farmacocinetica: assorbimento, distribuzione in particolari tessuti, metabolismo, escrezione maggiore per via urinaria e biliare, tossicità legata al farmaco stesso o ai metaboliti
3. Fase farmacodinamica: interazione del farmaco con il sito d’azione

Fase farmaceutica

È determinante la via di somministrazione:

• Somministrazione enterale: quella maggioritaria è quella orale con un assorbimento condizionato da diversi fattori, come l’assunzione a stomaco vuoto o dopo i pasti, ma ha il vantaggio di essere semplice, economica e attuabile dal paziente stesso. Oltre alla somministrazione orale si ha anche la somministrazione sublinguale e rettale, che a differenza di quella orale, sono caratterizzati da buon assorbimento.
• Somministrazione polmonare: assorbimento ottimo e si rincorre a questa somministrazione quando si vuole un’azione a livello bronco-respiratorio.
• Somministrazione topica: assorbimento scarso, ma può essere applicata in loco.
• Somministrazione parenterale: come la somministrazione intravascolare in cui non si hanno problemi di assorbimento, la somministrazione intramuscolare in cui si ha un assorbimento veloce poiché sono iniettate soluzioni acquose, ma si possono somministrare solo piccoli volumi, la somministrazione subcutanea che è adatto per sospensioni insolubili.

Disgregazione e disaggregazione

Quando si parla di disgregazione si parla di disgregazione in granuli della forma farmaceutica a cui segue la disgregazione degli stessi in particelle più fini. Il principio attivo passa in soluzione tramite l’equazione di Noyes-Whitnet:

dW/dt = kA (C_s - C)

La velocità di passaggio in soluzione è direttamente proporzionale a:

• All’area del granulo (A), per questo è meglio avere granulometrie fini in modo tale che l’area esposta molto ampia in relazione al peso favorisca la velocità di passaggio in soluzione.
• Coefficiente di diffusione del farmaco (D).
• (C_s - C): differenza di solubilità del farmaco nel liquido considerato a un determinato pH, ovvero la quantità massima che si può sciogliere per unità di volume a quel pH, e la concentrazione del farmaco a quel determinato tempo. Quando il divario tra ciò che si può sciogliere e quello che si scioglie è ampio, si ha una velocità più elevata e mano a mano che il divario diminuisce, perché la sostanza passa in soluzione, si ha una diminuzione della velocità di dissoluzione.
• Spessore dello strato di diffusione (h): la velocità di passaggio è inversamente proporzionale allo spessore.

Esempio: dissoluzione a livello gastrico di aspirina tamponata con sodio citrato. La linea di ridissoluzione indica l’andamento della concentrazione, quindi il principio attivo è molto concentrato vicino al granulo, diminuisce nello strato di diffusione, è costante nell’ambiente gastrico e un andamento verso il basso nella membrana gastro-enterica. In tutte le somministrazioni, ad eccezione della via endovenosa, è necessario passare delle membrane biologiche, per questo a seconda della via di somministrazione si hanno diverse forme farmaceutiche.

Fase farmacocinetica

Un composto per agire deve essere presente ad una determinata concentrazione al sito d’azione. Quindi, la risposta è proporzionale alla concentrazione del principio attivo sito d’azione, ma questa non è stabilita solo dalla dose perché bisogna parlare di biodisponibilità che mette in relazione la dose somministrata e la velocità con la quale il principio attivo arriva ad avere una certa concentrazione nel plasma. La biodisponibilità è il risultato di una serie di fenomeni che avvengono contemporaneamente subito dopo che si ha un assorbimento, ma anche quando questo è ancora in atto perché si verificano anche altri fenomeni che condizionano la concentrazione di farmaco nel plasma. Questi fenomeni sono: distribuzione, biotrasformazione ed escrezione e tutti questi sono subordinati all’attraversamento delle membrane cellulari.

Membrane cellulari e trasporti

La membrana cellulare è formata da un b-layer lipidico dove le teste polari sono rivolte all’esterno e le catene idrofobiche rivolte verso l’interno. In questo si inseriscono anche proteine superficiali, proteine intramembrana o proteine che costituiscono pori. I processi di assorbimento possono essere dovuti a:

• Diffusione passiva
• Trasporto attivo
• Trasporto facilitato
• Trasporto convettivo
• Trasporto mediante coppia ionica
• Fenomeni endocitotici

Diffusione passiva

Nel comparto di partenza si ha una concentrazione A₁, nel comparto di arrivo si avrà una concentrazione A₂ e una concentrazione A_m nel comparto all’interno della membrana. Quello che è interessante è il decremento di concentrazione nel comparto 1 nel tempo in funzione alle costanti di velocità dove K₁ indica la velocità con cui la concentrazione dal comparto 1 entra nella membrana, mentre K_-1 indica il passaggio dalla membrana al comparto A₁. Invece, K₂ indica il passaggio dalla membrana al comparto 2 e K_-2 indica il passaggio dal comparto 2 alla membrana.

Quello che interessa è il decremento nel tempo della concentrazione nel comparto 1 e quindi la velocità di assorbimento che corrisponde alla diminuzione della concentrazione di A₁ nel tempo, che è proporzionale a A₁ x K₁ – il passaggio opposto ovvero K_-1 x A_m.

Si può anche andare a calcolare la variazione di concentrazione nel tempo nella membrana, infatti dA_m/dt è la variazione di A_m nella membrana. I termini rossi indicano l’ingresso della sostanza in membrana (K₁ e K_-2), termini blu indicano l’uscita della sostanza da membrana (K_-1, K₂).

Allo stato stazionario, all’interno della membrana, non si ha variazione, quindi la concentrazione all’interno della membrana rimane costante. Quindi è dA_m/dt=0, quindi questo succede quando ciò che entra nella membrana dal comparto 1 e due si eguaglia a ciò che esce dalla membrana.

La diminuzione della sostanza nel comparto 1 è funzione della differenza di concentrazione dei due comparti e delle costanti cinetiche che però sono difficili da determinare per questo per descrivere matematicamente tale processo si usa la legge di Fick. Tale legge dice che la quantità di diffusione è direttamente proporzionale alla differenza di concentrazione tra i due compartimenti, alla superficie attraverso il quale avviene la diffusione, alla costante di diffusione caratteristica della sostanza e inversamente proporzionale allo spessore della membrana.

(A₁ - A₂): differenza di concentrazione tra i due compartimenti A₁ e A₂

S: superficie attraverso la quale avviene diffusione (maggiore è area e maggiore è quantità di sostanza che diffonde)

D: costante di diffusione di quella sostanza

K è il coefficiente di ripartizione olio-acqua della sostanza considerata ed è molto importante quando si hanno due compartimenti acquosi e uno intermedio oleoso, come la membrana.

Q è una quantità ed è uguale a una concentrazione per un volume (Q=AV, dove V è il volume del compartimento nel quale avviene la migrazione) cioè è la quantità che diffonde attraverso la membrana. Quindi, dQ, cioè la variazione di Q, è il prodotto di dAV.

La variazione di concentrazione è quindi uguale a:

dQ/dt = (ADK/h) (C₁ - C₂)

Tutto il termine che sta prima della differenza in parentesi si indica con P, che è la costante di permeabilità

P = ADK/h

Se si considerano due concentrazioni nel compartimento 1, cioè quello di provenienza, e si considera una C₀, cioè una concentrazione iniziale, e una concentrazione C_t, cioè una concentrazione a un determinato tempo dopo che l’assorbimento è iniziato, si ha che quando C_t = C₀ la concentrazione nel compartimento 2 di ingresso della sostanza sarà uguale alla concentrazione che si aveva nel compartimento 1 inizialmente. Ciò che manca al compartimento 1 deve essere come concentrazione nel compartimento 2.

Se si vuole vedere com’è l’andamento della concentrazione nel tempo allora:

C₀ - C_t = (A/V) (C₁ - C₂) e log(C₀ - C_t) = logC₀ - (2P/h)t

Tale equazione è quella di una retta perché se si diagramma il log(C₀ - C_t) si ottiene una retta dove la pendenza è 2P/h e l’intercetta è data dal logC₀. Quindi, dalle misure che si possono fare sperimentalmente di C₀ - C_t si può monitorare la concentrazione con continuità nel comparto di partenza, rilevare i valori di C_t e misurare la concentrazione nel comparto 1 da cui si può ricavare P, usando l’equazione sopra riportata.

Nella diffusione passiva le molecole passano da una zona ad alta concentrazione a zone meno concentrata, ma non tutte le molecole possiedono le caratteristiche chimico-fisiche adatte all’attraversamento passivo, infatti:

• Molecole cariche come amminoacidi o ioni non passano per diffusione passiva anche se il gradiente di concentrazione favorirebbe il loro passaggio.
• Molecole polari come zuccheri o molecole molto idrosolubili non passano per diffusione passiva.
• Acqua, molecole lipofile e gas (O₂ e CO₂) possono diffondere passivamente attraverso membrana.

La maggior parte dei farmaci passa le membrane biologiche per diffusione passiva.

Il ruolo fondamentale dei fenomeni di diffusione attraverso le membrane cellulari è svolto dal coefficiente di ripartizione tra l’ambiente lipofilo e l’ambiente acquoso. Infatti, la velocità è direttamente proporzionale alla concentrazione del farmaco e se si parla di molecole prive di cariche, la permeabilità è indipendente, entro certi limiti, dalle dimensioni della molecola.

La permeabilità relativa non dipende dalle dimensioni, ma dipende dal coefficiente di ripartizione, quindi al crescere della lipofilia aumenta la diffusione.

La velocità è funzione della concentrazione attraverso una costante di proporzionalità che riassume in sé diversi fattori. Inoltre, vi è una buona correlazione lineare tra il coefficiente di ripartizione e il prodotto della costante di permeabilità per la radice quadrata del peso molecolare. Quindi, quello che influisce maggiormente la velocità di diffusione è la correlazione tra coefficiente di ripartizione e permeabilità, la dimensione della molecola e quindi il peso molecolare influiscono meno.

La maggior parte dei farmaci sono acidi o basi deboli quindi in funzione del pH possono essere presenti in % diversi nelle due forme, cioè quella protonata o deprotonata, anche se gli elettroliti forti come lo ione cloruro è sempre presente in forma carica. Questo è un aspetto importantissimo perché le specie cariche NON sono in grado di passare passivamente, quindi è importante capire qual è la % di forma carica.

• Acidi deboli: la forma carica è la forma deprotonata (A^-) quindi è quella che NON è in grado di passare la membrana. La Ka dell’acido debole è quella che regola la dissociazione dell’acido (AH) a dare A^- + H⁺
• Base debole: la forma carica è quella protonata (BH⁺) quindi è quella che non è in grado di passare la membrana. La Ka della base è riferita all’acido coniugato della base.

Elaborando in forma logaritmica la Ka dell’acido debole e la Ka dell’acido coniugato della base e andando a valutare il rapporto si ha che in un caso è pH-pKa (per la base), mentre nell’altro caso è pKa-pH (per l’acido) e con questi è poi possibile calcolare la % delle due specie.

Nel caso di acidi deboli la % di forma dissociata è 100/(1 + 1/D) e questo non è altro che l’anti-logaritmico di AH/A quindi anti-logaritmico di pKa – pH. La percentuale indissociata è l’opposto.

Parlando di basi deboli la forma dissociata è BH⁺ quindi si ha 100/(1+ 1/D) e questo non è altro che l’anti-logaritmico di B/BH⁺ quindi l’antilogaritmo di pH-pKa. La percentuale di forma indissociata è l’opposto.

I/D è l’antilogaritmo della differenza tra pKA e pH per acidi deboli, mentre tra pH e pKA per le basi deboli. Le due espressioni sono le % di forma dissociata e di forma indissociata, infatti ci sono variazioni della dissociazione delle specie in funzione del pH e questa variazione ha una grande influenza sul passaggio attraverso le membrane cellulari.

Esempio una base debole: che a pKa di 4 sarà poco assorbita nello stomaco, perché applicando la formula precedente si ottiene che il 99,9% è la % dissociata (BH⁺), a pH di 6 si ha che la base debole è forma dissociata per il 0,99% quindi a pH=6 circa per il 99% la base è presente come B e solo lo 0.99 è presente nella forma carica. Nel sangue, a pH=7 la % dissociata BH⁺ è 0,099% quindi la base debole è completamente assorbita.

Quindi, nel caso di una base debole con una pKa di 4 questa sarà poco assorbita a livello dello stomaco perché per il 99,9% è presente in forma B.