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 preparazione 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 relazioni struttura-attività. È 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 metabolismo di particolari microrganismi e vengono isolati dai brodi di coltura nei quali questi microrganismi crescono (antibiotici); altri sono isolati da organi animali, da parti di piante, da prodotti di queste. La maggior parte dei farmaci però viene ottenuta per sintesi, totale o parziale (questo ultimo termine si riferisce a modificazioni chimiche di sostanze di origine naturale). Con riferimento alla loro origine è mostrata a fianco la distribuzione percentuale dei farmaci essenziali elencati dalla Organizzazione Mondiale della Sanità (OMS) (i farmaci essenziali, circa 300, sono i farmaci che soddisfano le esigenze sanitarie della maggior parte della popolazione e che dovrebbero perciò essere sempre disponibili in adeguata quantità e nelle opportune forme di dosaggio).

MINERALI 8%
ANIMALI 6%
SINTESI PARZIALE 11%
MICROORGANISMI 7%
VACCINI 5%
PIANTE 8%
SIERI 2%
SINTESI 52%

Origine dei farmaci essenziali dell'OMS 1

Negli ultimi 15 anni sono emerse come importante fonte di nuovi agenti terapeutici le biotecnologie e circa una cinquantina sono i farmaci approvati ottenuti in questo modo.

I farmaci, intesi come principi attivi, vengono commercializzati in forme adeguate alla somministrazione (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 medicamento.

Una forma farmaceutica può contenere più principi attivi (preparato in associazione).

Una indicazione piuttosto sommaria del margine di sicurezza di un farmaco è fornita dal suo indice terapeutico IT, definito come il rapporto tra dose letale nel 50% degli animali da esperimento e dose efficace nel 50% degli individui.

DL₅₀/DE₅₀ = IT

Il tempo richiesto per la genesi di un nuovo farmaco si è progressivamente allungato nel corso degli ultimi 40 anni a causa, soprattutto, delle maggiori richieste regolatorie da parte delle autorità sanitarie e della complessità scientifica dello sviluppo di molecole i cui targets sono spesso patologie persistenti e degenerative. Esso è attualmente compreso tra gli 8 e i 12 anni (figura a lato).

Tempo necessario per lo sviluppo di un nuovo farmaco
Anni
14
12
10
8
6
4
2
1965 1975 1985 1995 2005

Le molteplici e complesse fasi richieste per l’individuazione di una promettente sostanza biologicamente attiva e per il suo sviluppo completo a medicamento sono alla base dell’elevato costo di un nuovo farmaco (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.

Probabilità 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

Il numero di nuovi farmaci introdotti in commercio nel mondo ogni anno si aggira nell’ultimo 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 specialità medicinali è:

• Confezioni a base di una sola sostanza: 7145;
• A base di più 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 compound’, o composto guida. Il lead compound è una 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 sì che raramente un lead approdi alla approvazione e quindi alla commercializzazione. Esistono, ovviamente, delle eccezioni. Una di queste è rappresentata dal paclitaxel (chiamato precedentemente taxolo), approvato nel 1993, laddove l’indagine iniziale sull’estratto della corteccia del Tasso del Pacifico (Taxus brevifolia) evidenziò una azione citotossica, dovuta al paclitaxel appunto, risale al 1962, mentre la delucidazione della struttura del principio attivo è del 1972.

CH COO₃ O
OHCHO₃O
N OH
OH OHHO
OCOCHO O₃
Paclitaxel

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).

• Miglioramento di farmaci esistenti;
• Screening sistematico;
• Osservazioni cliniche degli effetti collaterali dei farmaci;
• Sfruttamento di osservazioni biologiche;
• Isolamento e sintesi di sostanze naturali;
• Indagini sui meccanismi biochimici e patobiochimici nell'organismo;
• 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 scientifico, in quanto dalla somma di piccoli e graduali miglioramenti può discendere alla fine una innovazione sostanziale.

Lo screening 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 combinatoriale è quella di costruire ampie collezioni di composti contenenti un alto numero di 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.

Sintesi classica
ABCD
A DABB C ABC = + = + = +

Nella sintesi classica una molecola A viene fatta reagire con una molecola B per dare un prodotto AB il quale, per reazione con C, fornisce il prodotto ABC, e così via.

Sintesi combinatoriale
1 1 1 1 1 1 1
Molecole di tipo A (A₁, A₂, A₃ …A_n)
Molecole di tipo B (B₁, B₂, B₃ …B_n')
A A B CCB A B D A B C D
1-n i i i 1-m 1-n' i i 1-m' i i i i + = + = + =

Nella sintesi combinatoriale invece una serie di molecole di tipo A (A₁, A₂, A₃ …A_n) viene fatta reagire con una serie di molecole di tipo B (B₁, B₂, B₃ …B_n') con ottenimento di tutte le possibili combinazioni tra A e B per un totale di nn’ composti. La reazione successiva con una serie di reagenti di tipo C (C₁, C₂, C₃ …C_m) porta ad nn’m composti del tipo ABC, e così via.

n n' nxn' m nxn'xm m' nxn'xmxm' del tipo ABC, e così via. Il numero dei prodotti totali ottenibili N dipende dal 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 è il numero dei passaggi (nell’esempio 4), N sarà = n^s. (nell’esempio 10⁴).

2 3 4
10 10 10 10 10 10 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 ricerca farmaceutica è ricca di esempi in cui gli effetti collaterali osservati durante la sperimentazione clinica hanno suggerito manipolazioni della struttura originale allo scopo di produrre nuove molecole nelle quali un effetto secondario è stato amplificato, fino a diventare quello principale.

SO₂NH ETEROCICLOH N₂
Sulfamidico
(Antibatterico)
C SOH NH CONHBu₃ 2
Tolbutamide
(Ipoglicemizzante)
N N
NHH N SO₂ 2 2
CH CONH S SO NH₃ 2 2
Acetazolamide
(Diuretico)
Sulfanilamide
(Antibatterico)
Azioni secondarie:
H ClN
Diuretica
Idroclortiazide
Ipoglicemizzante (Diuretico)
HN S NHSO₂ 2
O O

Uno di tali esempi è costituito dalla sulfanilamide, il precursore di tutti i sulfamidici; la sostituzione di un idrogeno dello azoto solfonammidico con un eterociclo ha notevolmente aumentato la potenza antibatterica del capostipite, eliminando nello stesso tempo le azioni secondarie diuretica e ipoglicemizzante. Tali azioni sono 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’ottimizzarne le caratteristiche farmacologiche attraverso opportune modifiche della sua struttura. Gli obiettivi principali del processo di ottimizzazione sono: aumento della potenza, miglioramento della specificità d’azione, riduzione della tossicità e miglioramento delle proprietà farmacocinetiche del lead. Le modifiche strutturali vengono guidate da criteri di scelta di carattere qualitativo e quantitativo. I dettagli di tali strategie verranno esaminati successivamente nel capitolo delle relazioni struttura-attività.

Lead compound
Ottimizzazione della struttura
Ricerca di base ed applicata
Sostanza attiva adatta ad essere sviluppata a medicamento
Elaborazione farmacocinetica, farmacodinamica e tossicologica
Elaborazione chimica, chimico-analitica e galenica
Sviluppo esplorativo (preclinico)
Medicamento
Sperimentazione clinica
Sviluppo di un metodo di produzione industriale
Sviluppo completo
Prodotto pronto per il mercato

Il processo di ottimizzazione conclude la fase della ricerca di base ed applicata. Ad esso fanno seguito una serie di operazioni di varia natura che costituiscono la fase di sviluppo preclinico (figura a lato). Per elaborazione farmacocinetica si intende la definizione dei dati di assorbimento, distribuzione, metabolismo ed escrezione dei principi attivi ottimizzati; la elaborazione farmacodinamica consiste nel completamento del quadro del loro profilo di attività; l’elaborazione tossicologica riguarda 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