Chimica farmaceutica e tossicologica I

Chimica farmaceutica e tossicologica I

04 marzo 2021

Programma di Chimica Farmaceutica e Tossicologica I

Parte generale:

• principi di chimica farmaceutica

• Fasi dell'azione di un farmaco

• Biotrasformazione dei farmaci - profarmaci

• Meccanismo d'azione dei farmaci:

• Bersagli molecolari; enzimi ed inibizione enzimatica; recettori; altri bersagli molecolari

• Interazioni farmaco-sito d’azione

• Proprietà chimiche e chimico-fisiche rilevanti per l'azione dei farmaci

• Struttura ed attività biologica:

• Meccanismi di azione specifici e non specifici

• Relazioni qualitative e quantitative struttura-attività

Parte sistematica

• : Farmaci antiinfettivi ed antitumorali

• Antibatterici

β-lattami; sulfamidici e solfoni; inibitori DHFR; nitroeterocicli; chinoloni; inibitori della sintesi proteica;

antimicobatterici

• Antiprotozoari

Antimalarici; altri antiprotoziari

• Antifungini

Acidi boronici; azoli; macrolidi polienici; flucitosina; lipopeptidi

• Antivirali

Farmaci usati nel trattamento di infezioni da Herpesvirus, HIV, HCV, Influenzavirus

• Antitumorali

Alchilanti; complessanti; antimetaboliti; antimitotici; inibitori di protein-chinasi; altri antitumorali

1 C ’

OS È LA CHIMICA FARMACEUTICA

“La Chimica Farmaceutica studia i prodotti di origine naturale, biotecnologica e sintetica dotati di attività biologica, sviluppando la

progettazione, la sintesi, lo studio delle proprietà, dei meccanismi di azione a livello molecolare e degli aspetti chimico-tossicologici,

l'utilizzazione e le relazioni fra struttura chimica e attività biologica delle principali classi di farmaci. Sono inoltre oggetto di studio le

preparazioni estrattive e sintetiche dei farmaci, l'analisi delle sostanze aventi attività biologica e in particolare dei medicinali e dei loro

metaboliti.” [MIUR: DM 4 Ott 2000]

È difficile definire cosa sia la chimica farmaceutica; si tratta di una disciplina di confine che prende da diverse discipline primarie ed

è, in sintesi, l’approccio chimico al mondo dei farmaci: ciò che è farmaco è oggetto di interesse della chimica farmaceutica.

In Italia il termine chimica farmaceutica non ha una definizione precisa; nel mondo anglosassone viene definita “chimica dei

medicinal chemistry)

medicinali” ( . La disciplina si interessa di progettazione, sintesi e sviluppo di composti bioattivi (drugs) o agenti

farmaceutici. I composti usati come farmaci molto spesso sono composti organici, ma possono essere anche inorganici, organometallici

e farmaci biologici (che non sono piccole molecole ma hanno dimensioni maggiori).

La chimica farmaceutica in generale si occupa prevalentemente dei farmaci costituiti da piccole molecole organiche. La chimica

farmaceutica si serve di chimica organica, chimica computazionale, biochimica, enzimologia e biologia strutturale: mette insieme un

ampio pool di conoscenze perché quello che interessa è lo sviluppo e la scoperta dei farmaci. Inoltre, è focalizzata soprattutto su quegli

aspetti dei medicinali che hanno a che fare con la forma farmaceutica finale, ad esempio la solubilità intesa come capacità di una

sostanza di poter essere inserita in una compressa. 1

ci sarà una lezione sul ripasso della nomenclatura di chimica organica

Nomenclatura dei farmaci ( ): il nome della singola sostanza che

costituisce un farmaco (principio attivo) segue le regole della chimica organica ma, se usato anche in terapia, avrà almeno altri due

nomi.

• Nomi chimici: acido o-acetil-idrossibenzoico (acido

acetilsalicilico)

• Nomi registrati: Aspirina, Rocefin, Bactrim

(sulfametossazolo e trimetoprim)

• Nomi generici (o nome comune): International

Nonproprietary Names (INN)

es. benzilpenicillina, chiamata così perché stabilito

dall’INN

Il comitato di esperti dell’OMS (INN) si occupa di

approvare nomi comuni e stabilisce regole per la

nomenclatura (es. sillabe che richiamano la classe

farmacologica):

È importante imparare a conoscere ad orecchio alcuni nomi comuni utilizzati per delle parti di farmaco, delle molecol che

accompagnano un farmaco. I farmaci molto spesso hanno un principio attivo ed essere poi formulati, ad esempio, come sali, esteri o

altri derivati. Le controparti (esterificanti, base se faccio il sale di un acido, acido se faccio il sale di una base, ecc.) hanno nomi comuni

molto utilizzati che a volte corrispondono a quelli utilizzati anche in chimica organica. Esempi:

Classificazione dei farmaci:

• Per classi terapeutiche (es. farmaci per l’infarto, per la lebbra, antivirali, ecc.): comodissima per chi ha a che fare con lavori

che si esplicano in sfera sanitaria, mentre per lo studio della chimica farmaceutica non è la classificazione più comoda perché

nella stessa classe abbiamo farmaci con meccanismi d’azione differenti, bersagli differenti, ecc.

• Per meccanismo d’azione (es. farmaci che agiscono su proteine G): talvolta si trovano sostanze che appartengono a classi

differenti, utile dal punto di vista biologico ma non chimico; inoltre per alcuni farmaci il meccanismo d’azione non è noto o

è costituito da più meccanismi d’azione (farmaci pleiotropici);

• Per classi chimiche (es. derivati beta-lattamici): soprattutto per quanto riguarda i farmaci moderni, dal punto di vista chimico

hanno strutture molto diverse l’una dall’altra.

Queste classificazioni vengono spesso combinate per poter fare statistiche sull’uso di farmaci o capire il numero di farmaci che sono

stati scoperti.

Classificazione ATC (molto utile a fini statistici ed economici): basato su diversi livelli, il sistema di classificazione ATC dei farmaci è

quello utilizzato dal Sistema Sanitario Nazionale italiano e di altri paesi per fare statistiche sulla spesa farmaceutica. L’acronimo ATC

sta per “Anatomico Terapeutico Chimico”.

Questo sistema di classificazione dei farmaci assegna a ciascun farmaco un codice alfanumerico che identifica il farmaco sulla base di

5 livelli: 2

[“singolo medicamento” inteso come medicina utilizzata in terapia per curare una malattia, un medicamento può contenere più

farmaci.]

Ogni sostanza prodotta dall’uomo e immessa sul mercato ha un costo, una convenienza/mancanza di convenienza economica. La

spesa farmaceutica nazionale (tutta la spesa pubblica dedicata ai farmaci), nel 2015, ha speso circa 28 milioni circa.

Per le principali classi terapeutiche che tratteremo quest’anno (antimicrobici e antineoplastici), gran parte della spesa va a farmaci per

uso ospedaliero, mentre quelli dispensati in farmacia (di classe A) hanno una percentuale di spesa piuttosto basso.

Nel 2014 è giunta in commercio una nuova classe di farmaci che ha sbancato il Sistema Sanitario Nazionale, ovvero farmaci

estremamente efficaci nel trattare l’Epatite C: un ciclo di cura costa 90 000 euro. Questo ha portato la categoria degli antimicrobici in

prima posizione. Nel 2018 la spesa relativa agli antimicrobici è calata, anche se ancora oggi i farmaci di quel tipo sono una classe molto

costosa. Nel frattempo, antineoplastici e immunomodulatori continuano ad avere spese altissime a livello del SSN (soprattutto farmaci

biotecnologici).

Primi 10 principi attivi per spesa farmaceutica nel 2015 e nel 2019, in verdi farmaci biotecnologici (Pembrolizumab e Nivolumab sono

molto importanti perché alla base dell’immunoterapia, Bevacizumab ha proprietà anti-angiogenetiche, ecc.).

3 Se facessimo una categorizzazione per numero di dosi

somministrate, i farmaci biotecnologici sparirebbero.

Rimarrebbero invece farmaci utilizzati per problemi a livello

gastrointestinale e metabolismo e farmaci attivi a livello

cardiovascolare. Tradizionalmente attorno agli anni 2000

l’industria farmaceutica ha capito che somministrare farmaci

a persone sane (antipertensivi e ipocolesterolemizzanti)

portava ad un guadagno economico enorme: questo ne fa

delle categorie che hanno il mercato maggiore assieme ai

farmaci antiulcera in generale. Nel campo degli antinfettivi

troviamo invece amoxicillina e acido clavulanico. Ad oggi sta

cambiando molto il mercato, c’è forte domanda per farmaci

che abbiano azione contro le infezioni virali. 05 marzo 2021

R

ELAZIONI TRA STRUTTURA DEI FARMACI E PROPRIETÀ

FARMACOCINETICHE

Fasi dell’azione di un farmaco

Da quando somministriamo un farmaco ad un individuo, a quando il farmaco esercita la propria azione, che normalmente è un’azione

terapeutica, intercorrono diverse fasi che non sono così ben divise come le descriviamo noi.

Possiamo distinguere tre fasi:

1. Fase farmaceutica: tutto ciò che succede al farmaco quando si passa dalla specialità medicinale, ovvero dalla forma

farmaceutica che si assume, fino al discioglimento in fluidi biologici che sono a contatto con parti dell’organismo che ne

permettono l’assorbimento o il meccanismo d’azione. Una volta che il nostro farmaco è andato in soluzione vicino al

sito d’assorbimento, inizia la fase successiva.

2. Fase farmacocinetica: si compone di diverse sottofasi, abbreviabili con l’acronimo ADME (assorbimento, distribuzione,

metabolismo ed escrezione); durante questa fase il farmaco diffonde per l’organismo, a volte in forma mirata, andando

direttamente negli organi bersagli, e altre volte in forma non mirata.

All’interno di questa fase troviamo anche reazioni di biotrasformazione che, come vedremo, sono molto importanti

perché possono portare a tossicità che non è correlata alle caratteristiche originali del farmaco.

Soltanto quando il farmaco è arrivato al sito d’azione inizia la fase successiva.

3. Fase farmacodinamica: il farmaco si lega al proprio bersaglio e dà inizio all’azione terapeutica

Non è una fase propriamente detta, ma un aspetto da tenere conto in

tutto questo processo è la tossicità; essa può derivare direttamente da

una scarsa selettività del farmaco, cioè dal fatto che si può legare a siti

d’azione indesiderati (off-targets), oppure può derivare anche da

metaboliti dei farmaci che si creano durante la terza delle quattro fasi

della farmacocinetica.

Concentriamoci ora sui processi di assorbimento della fase

farmacocinetica

D

IFFUSIONE E TRASPORTO DEI FARMACI

Non essendo dei palloncini pieni d’acqua, ma essendo costituiti da micro-compartimenti acquosi (o per meglio dire, in cui il solvente

maggiore è l’acqua) separati tra di loro da barriere normalmente di natura lipofila, i meccanismi di assorbimento e distribuzione del

farmaco non sono così semplici.

Difatti perché un farmaco diffonda da un comportamento acquoso all’altro, tramite una barriera lipofila, bisogna che ci siano delle vie

accessibile al farmaco; queste vie sono di natura diversa tra loro. 4

Alcuni farmaci sono capaci di attraversare le barriere lipofile per semplice diffusione passiva, perché hanno una certa solubilità sia in

acqua che in ambiente lipofilo. Questa diffusione passiva ha una formula che ci dice che il flusso attraverso una barriera dipende dalla

permeabilità di questa barriera al farmaco, dalla superficie della barriera e dalla differenza di concentrazione del farmaco tra il

compartimento da cui il farmaco arriva ed il compartimento in cui diffonde.

Il problema che si evince da questa formula è che l’assorbimento che possiamo ottenere dalla diffusione passiva è massimo a

concentrazioni equivalenti nel compartimento esterno ed interno; inoltre la velocità di diffusione cala drasticamente all’avvicinarsi di

questa uguaglianza di concentrazioni.

Esistono dei sistemi più complessi e specifici, che comprendono il sistema di diffusione facilitata (via carrier) ed il sistema di trasporto

attivo, che legano il farmaco con un’interazione specifica e gli permettono di attraversare la barriera.

La differenza tra diffusione facilitata e trasporto attivo è che i primi non riescono ad andare controgradiente, per cui il flusso attraverso

una barriera che presenta carrier, dipende dalla permeabilità e dalla differenza di concentrazione del farmaco tra il compartimento da

cui il farmaco arriva ed il compartimento in cui diffonde.

Al contrario esistono diversi sistemi di trasporto attivo che portano il farmaco in una direzione, indipendentemente dalla

concentrazione del compartimento in cui diffonde.

Come si può facilmente immaginare, questo tipo di trasporto consumerà energia (generalmente ATP)

Questi due tipi di trasporto necessitano anche di un riconoscimento specifico tra proteina trasportatrice e farmaco, riconoscimento

che normalmente si caratterizza di alcuni comportamenti chimici, rilevabili tramite saggi biochimici, come la saturabilità del trasporto

e la competizione. Avendo un trasporto mediato dal legame tra proteina e farmaco, aumentando la concentrazione di quest’ultimo,

crescerà anche la velocità di trasporto del nostro principio attivo, fino però ad un limite, detto saturabilità, che ci conferisce perciò una

cinetica non lineare.

La competizione invece riguarda due molecole diverse che vengono trasportate dalla stessa proteina;

questa competizione porta prima a saturazione il sistema di trasporto, per cui è possibile che per esempio

un costituente della dieta, riduca l’assorbimento di un certo farmaco, perché tiene occupato il sistema di

trasporto.

Questi ultimi due sistemi di trasporto, cioè diffusione facilita e trasporto attivo, permettono a farmaci

particolarmente idrofili di attraversare la barriera; un esempio eclatante è quello degli aminoglicosidi, come la

Streptomicina.

Un esempio di trasportatore attivo è l’hPepT1, responsabile dell’assorbimento intestinale di cefalosporine (come

il Cefadroxil) e di un profarmaco di un antivirale (come il Valaciclovir).

Esistono anche altri meccanismi di passaggio delle membrane, come le porine, che permettono l’assorbimento

di alcuni antibiotici, grazie alla generazione di canali; i chinoloni, come l’Acido Nalidissico, sfruttano queste

porine per entrare nei batteri Gram- e svolgere un’azione antibiotica.

Un altro meccanismo di entrata all’interno delle cellule è l’endocitosi, sfruttata per esempio dagli oligonucleotidi come l’RNA.

P ROPRIETÀ CHIMICO FISICHE CHE INFLUENZANO LA DISTRIBUZIONE

Soprattutto per quanto riguarda la diffusione passiva, molto importante è riconoscere e prevedere il grado di ionizzazione di un

farmaco e quale sia la sua lipofilia.

Ionizzazione

La costante di dissociazione acida (Ka) definisce l’equilibrio di dissociazione di un acido debole in acqua, secondo la formula:

Per quanto riguarda gli acidi forti possiamo dire che posseggono pKa più basse rispetto ai “cugini” deboli.

Per una specie che perde un protone, il rapporto tra specie protonata e specie non protonata all’equilibrio, è uguale al rapporto tra

[H3O+] e Ka; in altre parole il rapporto tra specie neutra e specie anionica per un acido debole è uguale a 10 elevato alla differenza

tra pKa e pH. 5

Questa è un’espressione estremamente semplice che ci permette di stimare quale sia la percentuale di ionizzazione per un acido

debole ad un certo pH, nota la sua pKa. Nel caso in cui sia più alto il pH, rispetto alla pKa, vuol dire che l’ambiente è più basico

rispetto ad una condizione di riferimento in cui pKa=pH (condizione in cui ho il 50% di specie protonata ed il 50% di specie

deprotonata) e perciò prevarrà la forma deprotonata.

Negli ultimi anni si è iniziato a trattare le basi deboli come acidi deboli, perciò partendo dall’acido coniugato si può scrivere la reazione

in questo modo:

Motivo per cui si è smesso di utilizzare la Kb e ha preso piede l’utilizzo della Ka, dell’acido coniugato, anche per le basi. Basi più forti

hanno pKa più alte.

Nel caso in cui il pH sia inferiore alla pKa, l’ambiente è più acido di quello che avrei alla semiprotonazione (50%-50%), perciò prevarrà

la specie protonata.

Dal grafico a fianco si può capire visivamente come cambia la percentuale di concentrazione

della specie protonata o non, in base al pH ed alla pKa, sia per quanto riguarda un acido che

una base. Anche se non segnato, si può capire che l’asse delle ordinate ha come unità di misura

la percentuale.

L

IPOFILIA

Se io ho due fasi tra loro immiscibili, come fase acquosa e fase lipofila (olio d’oliva o normal-ottanolo), posso, applicando la formula

sotto riportata, ricavare un numero per definire la lipofilia di un farmaco in base al rapporto tra le concentrazioni di ripartizione del

principio attivo nelle due fasi.

Solitamente si sceglie il n-ottanolo come fase lipofila, un alcol a catena relativamente lunga, perché non assorbe all’UV, è poco volatile

e ha una discreta capacità di sciogliere diversi acidi. Un farmaco che avrà maggior tendenza a sciogliersi in n-ottanolo tenderà a ripartirsi

discretamente anche nella barriera a doppio strato fosfolipidico. Bisognerebbe sempre specificare la fase lipofila che io sto utilizzando,

perché se si omette vuol dire che faccio riferimento ad esperimenti svolti con il n-ottanolo. Il valore P che prendiamo in considerazione

per misurare la lipofilia, è chiamato coefficiente di ripartizione, che è di fatto una costante di equilibrio, ed è legato esponenzialmente

alla differenza di energia libera tra il farmaco solvatato in acqua ed n-ottanolo e per questo motivo molto spesso il valore P viene

espresso in scala logaritmica con il valore LogP.

Possedere un LogP = 0 vuol dire P=1 e perciò quel farmaco avrà una ripartizione equivalente tra le due fasi.

LogP = 1 vuol dire che il nostro farmaco si scioglierà 10 volte meglio nella fase lipofila rispetto alla fase acquosa. Mentre un farmaco

con un LogP negativo tenderà a sciogliersi meglio