Chimica farmaceutica e tossicologica I - Appunti

CHIMICA FARMACEUTICA E TOSSICOLOGICA I

Corso M-Z per Farmacia (Prof. G. Ortar)

Appunti sulla Parte Generale

INTRODUZIONE

Generalità sui farmaci

La chimica farmaceutica si interessa della scoperta, progettazione, identificazione e prepa-

razione dei composti biologicamente attivi, dello studio delle loro proprietà, del loro metabolismo,

dell’ interpretazione del loro meccanismo d’ azione a livello molecolare, della costruzione delle re-

lazioni struttura-attività. E’ una disciplina fondata sulla chimica che coinvolge anche numerosi

aspetti delle scienze biologiche, farmacologiche e mediche e che applica i principi di tali scienze

alla creazione di conoscenze finalizzate all’ introduzione di nuovi utili farmaci.

I farmaci sono tutte quelle sostanze di natura organica, metallorganica od inorganica,

ottenute per via estrattiva, fermentativa o sintetica che vengono impiegate per la diagnosi, la

prevenzione e il trattamento delle malattie umane o animali.

Più in dettaglio i farmaci possono essere impiegati per uno dei seguenti scopi:

●Somministrazione di elementi di cui l’ organismo è carente (vitamine, sali, ormoni, idrolizzati

proteici);

●Prevenzione di una infezione (sieri, vaccini);

●Trattamento di una infezione (chemioterapici);

●Blocco temporaneo di una funzione fisiologica (anestetici locali, contraccettivi);

●Correzione di una funzione fisiologica alterata (antiipertensivi, antiaritmici);

●Detossicazione dell’ organismo (antidoti);

●Diagnosi della funzionalità o dello stato di mantenimento di un organo (tests di funzionalità,

mezzi di contrasto).

Le principali classi di farmaci sono:

●Farmaci agenti sul sistema nervoso;

●Agenti farmacodinamici (farmaci che agiscono sui processi dinamici dell’ organismo, ad esempio

sistema cardiovascolare, apparato respiratorio e gastrointestinale);

●Chemioterapici;

●Farmaci agenti su funzioni endocrine e su malattie metaboliche (ad esempio antiinfiammatori,

antiartritici, antidiabetici).

La grande maggioranza dei farmaci impiegati attualmente è costituita da composti organici e

loro sali. Alcuni sono prodotti dal metaboli-

smo di particolari microrganismi e vengono

isolati dai brodi di coltura nei quali questi mi-

crorganismi crescono (antibiotici); altri sono

MINERALI

8%

ANIMALI isolati da organi animali, da parti di piante, da

6% prodotti di queste. La maggior parte dei

SINTESI PARZIALE farmaci però viene ottenuta per sintesi, totale o

MICROORGANISMI 11%

7% parziale (questo ultimo termine si riferisce a

VACCINI modificazioni chimiche di sostanze di origine

5% PIANTE naturale). Con riferimento alla loro origine è

SIERI 8%

2% mostrata a fianco la distribuzione percentuale

dei farmaci essenziali elencati dalla Organiz-

zazione Mondiale della Sanità (OMS) (i far-

SINTESI

52% maci essenziali, circa 300, sono i farmaci che

soddisfano le esigenze sanitarie della maggior

parte della popolazione e che dovrebbero per-

ciò essere sempre disponibili in adeguata

quantità e nelle opportune forme di dosaggio).

Negli ultimi 15 anni sono emerse come impor-

tante fonte di nuovi agenti terapeutici le bio-

ORIGINE DEI FARMACI ESSENZIALI DELL' OMS 1

tecnologie e circa una cinquantina sono i farmaci approvati ottenuti in questo modo.

I farmaci, intesi come principi attivi, vengono commercializzati in forme adeguate alla som-

ministrazione (forme farmaceutiche) e nelle quantità necessarie a dare una risposta farmacologica

(dose terapeutica). La forma farmaceutica nel suo assieme (principio attivo + ingredienti inerti con

funzioni varie, di riempimento, lubrificante, legante, conservante, antiossidante) costituisce il

Una forma farmaceutica può contenere più principi attivi (preparato

medicamento.

in associazione).

DL Una indicazione piuttosto sommaria del margine di sicurezza di un farmaco

= 50

IT è fornita dal suo indice terapeutico IT, definito come il rapporto tra dose letale nel

DE

50 50% degli animali da esperimento e dose efficace nel 50% degli individui.

Il tempo richiesto per la

genesi di un nuovo farmaco si è

progressivamente allungato nel

TEMPO NECESSARIO PER LO SVILUPPO DI UN NUOVO FARMACO corso degli ultimi 40 anni a

causa, soprattutto, delle maggiori

Anni richieste regolatorie da parte

14 delle autorità sanitarie e della

complessità scientifica dello

+

+

12 sviluppo di molecole i cui targets

+ sono spesso patologie persistenti

10 + e degenerative. Esso è attual-

mente compreso tra gli 8 e i 12

8 anni (figura a lato).

Le molteplici e comples-

+

6 se fasi richieste per l’ individua-

zione di una promettente sostan-

4 za biologicamente attiva e per il

+ suo sviluppo completo a medica-

2 mento sono alla base dell’ ele-

vato costo di un nuovo farmaco

1975 1985 1995 2005

1965 (qualche centinaio di milioni di

euro). Nella figura successiva

sono indicate schematicamente le principali fasi di sviluppo di un nuovo farmaco ed il numero dei

composti esaminati che superano le varie fasi.

Il numero di nuovi farmaci introdotti in commercio nel mondo ogni anno si aggira nell’ ul-

PROBABILITA' DI SUCCESSO NUMERO COMPOSTI

PER STADIO

5000-10000

RICERCA DI BASE E APPLICATA Fasi 1 e 2

Fase 3 250

SVILUPPO PRECLINICO

FASE I DI SVILUPPO CLINICO 5

Fase 4

FASE II DI SVILUPPO CLINICO

FASE III DI SVILUPPO CLINICO

AIC

autorizzazione immissione 1

in commercio

Tempo in anni

2 16

4 6 8 10 12 14

2

timo quinquennio mediamente attorno ai 30. Il numero di farmaci e di loro associazioni in vendita

in Italia (2005) è:

●sostanze singole: 1375 (sali esclusi);

●associazioni: 718.

Quello delle specialita' medicinali è:

●confezioni a base di una sola sostanza: 7145;

●a base di piu' sostanze: 1412.

Individuazione di nuovi farmaci e loro sviluppo a medicamenti

Di norma, i farmaci di utilità clinica non vengono ‘scoperti’. Ciò che viene invece

inizialmente individuato è il cosiddetto ‘lead o composto guida. Il lead compound è una

compound’,

molecola prototipo che possiede una attività biologica interessante, ma anche quasi sempre

caratteristiche indesiderate quali bassa potenza, eccessiva tossicità, problemi di stabilità chimica e/o

metabolica, di assorbimento, eccetera. Tali difetti fanno

si che raramente un lead approdi alla approvazione e

CH COO

3 O quindi alla commercializzazione. Esistono, ovviamente,

OH

C

H

O 3

O delle eccezioni. Una di queste è rappresentata dal

paclitaxel (chiamato precedentemente taxolo), approvato

N O

H nel 1993, laddove l’ indagine iniziale sull’ estratto della

OH O

H

HO corteccia del Tasso del Pacifico (Taxus che

brevifolia)

OCOCH

O O 3 evidenziò una azione citotossica, dovuta al paclitaxel

Paclitaxel appunto, risale al 1962, mentre la delucidazione della

struttura del principio attivo è del 1972.

Le vie più comuni per individuare un lead

compound sono le seguenti (da tenere presente che diversi prodotti biologicamente attivi sono stati

anche scoperti per caso, ad esempio le penicilline).

a) Miglioramento di farmaci esistenti

b) Screening sistematico Osservazioni cliniche degli effetti collaterali

dei farmaci

c) Sfruttamento di

osservazioni biologiche Isolamento e sintesi di sostanze naturali

d) Indagini sui meccanismi biochimici e patobiochimici nell' organismo

e) Indagini riguardanti il metabolismo dei farmaci

[Sintesi di profarmaci (prodrugs) o di farmaci labili (soft drugs)]

L’ utilizzo di farmaci già noti come modelli (approccio a) per individuare altre molecole

attive è una pratica largamente utilizzata a livello industriale. Questo approccio manca di originalità

ed i prodotti così ottenuti rientrano nella categoria dei cosiddetti ‘me-too products’ che permettono

a più ditte farmaceutiche di accedere, con limitati investimenti, a settori particolarmente

remunerativi. Sebbene molto criticata, questa strategia ha anche una sua validità dal punto di vista

3

scientifico, in quanto dalla somma di piccoli e graduali miglioramenti può discendere alla fine una

innovazione sostanziale.

Lo scrrening sistematico comprende lo screening estensivo e quello casuale (random). Nel

primo caso, l’ indagine è condotta su una serie relativamente piccola di molecole chimicamente

sofisticate e consiste in un’ ampia varietà di tests biologici e farmacologici. Nel secondo caso, il

numero di molecole saggiate è molto ampio, mentre il tipo di attività cercata è unico. Queste due

varianti sono state combinate a partire dagli anni '80 come conseguenza della robotizzazione e delle

miniaturizzazione delle metodologie di screening (high-throughput screening, screening ad alta

capacità) che consentono di valutare simultaneamente centinaia di composti in decine di tests

biologici. Il problema di porre la sintesi dei composti al passo con le nuove potenzialità degli

screenings è stato in parte risolto mediante la sintesi combinatoriale. L’ idea base della chimica

è quella di costruire ampie collezioni di composti contenenti un alto numero di

combinatoriale

varianti di strutture fondamentali, procedere alla valutazione della loro attività biologica, isolare ed

identificare il/i prodotti attivi. La figura seguente illustra il principio della sintesi combinatoriale.

Nella sintesi classica una

Sintesi classica molecola A viene fatta reagire con una

molecola B per dare un prodotto AB il

ABCD quale, per reazione con C, fornisce il

A D

AB

B C ABC

= + = + =

+ prodotto ABC, e così via. Nella sintesi

combinatoriale invece una serie di

1 1 1 1 1 1 1 molecole di tipo A (A , A , A …A )

1 2 3 n

viene fatta reagire con una serie di

Sintesi combinatoriale molecole di tipo B (B , B , B …B )

1 2 3 n’

con ottenimento di tutte le possibili

combinazioni tra A e B per un totale di

A A B C

C

B A B D A B C D

1-n i i i

1-m

1-n' i i 1-m' i i i i

+ = + = + = nn’ composti. La reazione successiva

con una serie di reagenti di tipo C (C ,

1

.

C , C …C ) porta ad nn’m composti

2 3 m

n n' nxn' m nxn'xm m' nxn'xmxm' del tipo ABC, e così via. Il numero dei

2 3 4 prodotti totali ottenibili N dipende dal

10 10 10 10 10

10 10 numero di reagenti disponibili in ogni

passaggio. Se ad ogni passaggio si usa sempre lo stesso numero di reagenti n (nell’ esempio 10) ed s

s 4

è il numero dei passaggi (nell’ esempio 4), N sarà = n . (nell’ esempio 10 ).

Per quanto riguarda l’ approccio c), esso comprende le osservazioni cliniche degli effetti

collaterali dei farmaci e l’ isolamento (e l’ eventuale sintesi) di sostanze naturali. La storia della ri-

cerca farmaceutica è ricca di esempi in cui gli effetti collaterali osservati durante la sperimentazio-

ne clinica hanno suggerito mani-

polazioni della struttura originale

allo scopo di produrre nuove mo-

SO NH ETEROCICLO

H N

2 2 lecole nelle quali un effetto se-

Sulfamidico condario è stato amplificato, fino

(Antibatterico) C SO

H NH CONHBu

3 2 a diventare quello principale. Uno

Tolbutamide di tali esempi è costituito dalla

(Ipoglicemizzante) sulfanilamide, il precursore di tut-

N N ti i sulfamidici; la sostituzione di

NH

H N SO

2 2 2 un idrogeno dello azoto solfon-

CH CONH S SO NH

3 2 2 ammidico con un eterociclo ha

Acetazolamide

Sulfanilamide notevolmente aumentato la poten-

(Diuretico)

(Antibatterico)

Azioni secondarie: za antibatterica del capostipite,

H Cl

N

Diuretica eliminando nello stesso tempo le

Idroclortiazide

Ipoglicemizzante (Diuretico) azioni secondarie diuretica e ipo-

H

N S NH

SO 2 2 glicemizzante. Tali azioni sono

O O 4

state invece evidenziate attraverso altri tipi di modifiche che hanno portato alla introduzione in

terapia degli ipoglicemizzanti a struttura solfonilureica e dei diuretici solfonammidici.

I prodotti di origine naturale, in particolare quelli provenienti dal mondo vegetale, sono la

più antica fonte di farmaci. Punto di partenza per l’ isolamento, la delucidazione strutturale e la

sintesi di sostanze naturali è l’ osservazione, casuale o derivante da uno screening sistematico, di

una attività interessante nell’ estratto di una parte di pianta, di un organo animale, di una coltura

batterica o fungina. La ricerca in questo settore può anche essere in qualche modo guidata dalle

indicazioni della medicina tradizionale (etnofarmacologia).

Gli approcci d) ed e) rappresentano due tipi di strategie razionali per l’ individuazione di

nuovi lead. Secondo il modello ‘medico’, le malattie sono la conseguenza della deregolazione di

una normale funzione dell’ organismo che può essere definita in termini biochimici ed influenzata

da opportuni interventi chimici o fisici. Una volta che il processo biochimico deregolato sia stato

individuato e caratterizzato nei dettagli molecolari, il lead può essere rappresentato da una o più

sostanze endogene che intervengono nella deregolazione (ad esempio neurotrasmettitori, ormoni,

fattori di crescita, citochine, substrati enzimatici vari).

Per quanto concerne il punto e), i farmaci subiscono comunemente trasformazioni chimiche

nell’ organismo ad opera di sistemi enzimatici. Talvolta, l’ azione farmacologica del farmaco è

dovuta in parte o del tutto ad uno o più di questi prodotti di biotrasformazione. Nell’ ambito degli

studi sul metabolismo dei farmaci rientra anche la progettazione di profarmaci (prodrugs) e di

farmaci labili (soft drugs). I primi sono sostanze inattive che vengono attivate ‘in vivo’, mentre i

secondi sono sostanze attive che subiscono ‘in vivo’ una inattivazione metabolica prevedibile e

controllata.

Una volta che sia stato identificato un nuovo lead, il passo successivo consiste nell’ otti-

mizzarne le caratteristiche farmacologiche attraverso opportune modifiche della sua struttura. Gli

obiettivi principali del processo di

ottimizzazione sono: aumento della

Lead compound potenza, miglioramento della spe-

cificità d’ azione, riduzione della

Ottimizzazione tossicità e miglioramento delle pro-

della struttura Ricerca di base prietà farmacocinetiche del lead.

ed applicata Le modifiche strutturali vengono

guidate da criteri di scelta di carat-

tere qualitativo e quantitativo. I

Sostanza attiva adatta ad

essere sviluppata a medicamento dettagli di tali strategie verranno

esaminati successivamente nel ca-

pitolo delle relazioni struttura-atti-

vità.

Elaborazione Elaborazione chimica,

farmacocinetica, chimico-analitica Il processo di ottimizzazio-

farmacodinamica e galenica ne conclude la fase della ricerca di

Sviluppo esplorativo

e tossicologica (preclinico) base ed applicata. Ad esso fanno

seguito una serie di operazioni di

varia natura che costituiscono la

Medicamento fase di sviluppo preclinico (figura

a lato). Per elaborazione farmaco-

Sperimentazione cinetica si intende la definizione

Sviluppo di un metodo

clinica di produzione industriale dei dati di assorbimento, distribu-

zione, metabolismo ed escrezione

Sviluppo

completo dei principi attivi ottimizzati; la

elaborazione farmacodinamica

Prodotto pronto consiste nel completamento del

per il mercato quadro del loro profilo di attività;

l’ elaborazione tossicologica ri-

5

guarda la definizione delle loro tossicità acuta, subacuta e cronica. Nell’ elaborazione chimica viene

messa a punto una procedura di preparazione dettagliata, ben riproducibile, il più possibile

economica e facilmente trasferibile su scala industriale dei composti ottimizzati mentre nella

elaborazione chimico-analitica vengono messi a punto i saggi di identificazione e di determinazione

della purezza. La elaborazione galenica consiste nell’ elaborazione dei principi attivi in una o più

formulazioni. La sperimentazione clinica condotta sull’ uomo per confermare le proprietà finora

definite negli animali da esperimento si articola in 3 fasi (fasi I-III) che differiscono tra loro per il

numero dei soggetti coinvolti, la durata ed il grado di approfondimento della sperimentazione. Dopo

la registrazione e l’ introduzione in commercio, il farmaco viene ulteriormente controllato in una

fase IV (farmacovigilanza). Classificazione dei farmaci

I farmaci possono essere classificati in base a vari criteri: struttura chimica, azione

farmacologica, impiego terapeutico, meccanismo d’ azione. La classificazione raccomandata dalla

OMS e curata in Italia dal Ministero della Salute è la classificazione ATC (Anatomica-Terapeutica-

Chimica). Il sistema base divide i farmaci in 14 Gruppi Anatomici Principali (1° livello) , ognuno

dei quali viene poi articolato in Gruppi Terapeutici Principali, Sottogruppi Terapeutici, Sottogruppi

Chimico/Terapeutici e Sottogruppi Chimici per un totale di 5 livelli gerarchici come mostrato di

seguito. Ad ogni farmaco è associato un codice alfanumerico. I testi di Chimica Farmaceutica

impiegano generalmente una classificazione simile a quella ATC, anche se meno capillare.

GRUPPI ANATOMICI PRINCIPALI

Sangue ed organi emopoietici

Antimicrobici generali per uso sistemico Sistema cardiovascolare

Apparato gastrointestinale e metabolismo Sistema genito-urinario ed ormoni sessuali

Dermatologici Sistema muscolo-scheletrico

Farmaci antineoplastici ed immunomodulatori Sistema nervoso centrale

Farmaci antiparassitari, insetticidi e repellenti Sistema respiratorio

Organi di senso Vari

Preparati ormonali sistemici, esc