Chimica farmaceutica e tossicologica I - Appunti

CHIMICA FARMACEUTICA E

TOSSICOLOGICA I

3° Anno - a.a. 2020-2021

Prof. Gilberto Spadoni 1

Mettere in relazione la struttura chimica di una sostanza con la sua azione farmacologica.

chimica farmaceutica

La (medicinal chemistry) si occupa della scoperta, progettazione, sviluppo, produzione e caratterizzazione di

agenti terapeutici,

nuovi chimici e biologici, e ne mette in relazione la struttura chimica con l’attività biologica.

La chimica farmaceutica si occupa anche dello studio, della identi cazione e della sintesi dei prodotti del metabolismo dei farmaci e

dei composti ad essi correlati.

È una disciplina fondata sulla chimica che si interfaccia con altre discipline quali la sica, la biochimica, la biologia, la farmacologia, la

tossicologia, l’informatica e la medicina e che applica i loro principi alla creazione di conoscenze nalizzate all’introduzione di nuovi

utili farmaci.

COS’E’ UN FARMAC

Direttiva 2001/83/CE (G.U. dell’Unione Europea: L. n. 311 DEL 28/11/2001) recante un Codice comunitario relativo ai medicinali per

uso umano.

Direttiva 2004/27/CE (G.U. dell’Unione Europea: L. n. 136/34 del 30/04/2004) che modi ca la Direttiva 2001/83/CE recante un Codice

comunitario relativo ai medicinali per uso umano.

Nel corso degli anni il termine “medicinale” ha subìto degli aggiornamenti, in virtù delle nuove conoscenze che si sono sviluppate.

Medicinale è:

A. ogni sostanza o associazione di sostanze presentata come avente proprietà curative o pro lattiche delle malattie

umane. De nizione superata, nuova de nizione:

B. ogni sostanza o associazione di sostanze che possa essere utilizzata sull’uomo o somministrata all’uomo allo scopo di ripristinare,

correggere o modi care funzioni siologiche (che sono alterate), esercitando un’azione farmacologica, immunologica o metabolica,

ovvero di stabilire una diagnosi medica.

farmacodinamica, farmacocinetica tossicità.

Un farmaco è caratterizzato da e

- La farmacodinamica è lo studio di come una droga (farmaco) interagisce col proprio bersaglio molecolare. Dipende dalle

caratteristiche chimiche del farmaco, dalla sua struttura.

- La farmacocinetica è come una droga si distribuisce nell’organismo (alla ricerca dei suoi bersagli).

e etti collaterali

Nessun farmaco è totalmente sicuro. I farmaci di eriscono profondamente negli che possono produrre.

dose farmaco veleno

la cui viene somministrato a determinare se un composto agirà da o da (Es. digossina, mor na).

È terapeutico

L’indice (IT) di un farmaco è il rapporto tra la dose che dà l’e etto tossico sul 50% dei pazienti e quella che ne cura il 50%

(rapporto tra dose letale al 50% e dose e cace al 50%).

Più alto è l’indice terapeutico, maggiore è la sicurezza del farmaco (es.: aspirina).

-

- Se l’indice terapeutico è basso, bisogna stare molto attenti alle dosi da somministrare, perché si può incorrere in e etti tossici molto

facilmente (es.: digossina, mor na).

- Se il rapporto è uguale a 1 signi ca che la dose e cace è uguale alla dose tossica, quindi il farmaco non può essere utilizzato.

tossicità selettiva:

Alcuni farmaci danno una farmaci e caci che producono tossicità verso cellule estranee o anormali, ma non verso

cellule normali dell’organismo ospite (attaccando determinanti delle cellule non-self, che non sono presenti nel self. Es: attacco agli

antigeni non-self dei microrganismi patogeni).

La tossicità selettiva può essere la conseguenza di eventi:

- farmacodinamici: per esempio può interferire con meccanismi speci ci di cellule tumorali

- ma anche di eventi farmacocinetici: ad esempio nel caso della tubocurarina.

Antistaminici di prima e seconda generazione: uno degli e etti collaterali principali degli antistaminici di prima generazione è la

sonnolenza (data dall’interazione di questi farmaci anche con recettori del SNC). Una delle modi che che è stata fatta su questi

farmaci è quella di, pur mantenendo la capacità di interferire coi recettori per l’istamina (principale molecola che interviene nei processi

→

allergici), far in modo che non raggiungano il SNC (si evitano così gli e etti secondari di sonnolenza) antistaminici di seconda

generazione.

Uno dei compiti della chimica farmaceutica è quello di cercare di modi care le caratteristiche chimico- siche di un farmaco per

renderlo più adeguato, più selettivo, più potente, con minor e etti collaterali.

SVILUPPO DELLE SCIENZE FARMACEUTICHE

Le scienze farmaceutiche hanno subìto delle profonde trasformazioni, dato dallo sviluppo dei farmaci.

Fino all’inizio del ‘900 la maggior parte dei farmaci utilizzati derivavano da osservazioni della medicina popolare; attraverso vari

tentativi, utilizzando diversi prodotti, si erano evidenziati alcuni e etti bene ci nel trattamento di alcune patologie come il dolore. Era

comunque un approccio abbastanza empirico, non si conoscevano i meccanismi d’azione delle sostanze naturali e nemmeno la loro

struttura molecolare.

Primi farmaci isolati da prodotti naturali nel 19° secolo

(la loro struttura è stata determinata molto più avanti

negli anni):

- Mor na: isolata dall’oppio nel 1806, forte

analgesico, diventata anche sostanza di abuso

(bisogna stare attenti alle dosi); ha una struttura

abbastanza complessa, sono però presenti delle

sostanze endogene (endomor ne) a struttura

peptidica (quindi a struttura apparentemente

totalmente diversa dalla mor na) che svolgono la

stessa funzione, controllando la trasmissione 2

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dolori ca (poiché il meccanismo d’azione è legato alla presenza di determinati gruppi funzionali). La prima sintesi chimica è stata

e ettuata nel 1925.

- Ca eina: isolata dal ca è nel 1819;

- Chinina: isolata nel 1819, antimalarico;

- Colchicina: isolata nel 1820;

- Cocaina: isolata dalle foglie della coca nel 1860, diventata anche sostanza di abuso per i suoi e etti euforizzanti;

- Efedrina;

- Coniina;

- Belladonna,

Atropina: alcaloide contenuto nell’Atropa è un anti-muscarinico (blocca l’acetilcolina).

Tutte queste sostanze sono presenti naturalmente nelle speci che piante.

Nuove scoperte, aumento delle tecnologie del DNA ricombinante, progetto genoma umano: scoperta di nuovi target molecolari e

quindi sintesi di nuovi farmaci.

COME AGISCONO I FARMACI →

La prima intuizione è stata data nel 1913 da Ehrlich: “A substance will not work unless it is bound” l’e etto di un farmaco è la

complesso binario

→

conseguenza dell’interazione di quest’ultimo con una macromolecola biologica si forma un che va ad innescare

una serie di modi che cellulari che culminano con l’e etto biologico osservato.

Si formano quindi dei legami tra le due molecole.

Dipende da:

• Caratteristiche chimico- siche del farmaco e del target;

• Forza ed e cacia delle interazioni;

• Con gurazione spaziale dei gruppi chimici che interagiscono nei legami tra i due partner.

Si può avere:

Meccanismo d’azione speci co: interazione selettiva con macromolecole che hanno uno speci co ruolo siologico (recettori,

• enzimi, canali...). sito di legame.

L’interazione avviene a livello di uno speci co In molti casi i farmaci si legano a siti di legame per composti endogeni (il

farmaco ha quindi caratteristiche simili al composto endogeno).

Meccanismi d’azione non speci ci: non mediati da interazioni selettive con macromolecole.

•

- Alterazioni delle proprietà chimico- siche dei uidi biologici (es.: antiacidi, lassativi osmotici); (lassativi osmotici: molecole molto

idro le che richiamano acqua nel lume intestinale, in questo modo si provocano delle pressioni nella muscolatura liscia intestinale che

facilitano l’evacuazione delle feci).

- Alterazione chimica non-speci ca (es.: disinfettanti).

Dato che l’interazione non è speci ca, servono elevate concentrazioni di queste sostanze per avere l’e etto biologico desiderato (≠ se

il meccanismo è speci co, bastano basse concentrazioni per provocare l’azione farmacologica).

I bersagli molecolari possono essere localizzati in diversi distretti cellulari: citoplasma, nucleo, membrana cellulare.

BUSINESS FARMACEUTICO E SVILUPPO DI UN FARMAC

Bisogna avere l’intervento di diversi specialisti: biologi, chimici, modellisti molecolari, biotecnologi, farmacologi, ecc.

Investimenti molto elevati che si ri ettono anche nel mercato. A livello mondiale la spesa in ambito sanitario per lo sviluppo di nuovi

farmaci è stata di €1.2 trilioni nel 2018 e nel 2023 si pensa che possa arrivare a €1.5 trilioni.

Industrie farmaceutiche multinazionali maggiormente attive: Johnson & Johnson, Ho mann-La Roche, P zer, Bayer, Novartis, ecc.

Lo sviluppo di un nuovo farmaco impiega circa 10-15 anni.

Il farmaco deve garantire un e etto terapeutico e contemporaneamente non indurre (o comunque limitare) gli e etti collaterali.

Processo:

- Studi pre-clinici: individuazione di un possibile target e individuazione di una molecola in grado di interagire con questo;

- Testato prima in vitro poi sugli animali; 3

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- Si chiede alle autorità competenti di poter fare studi clinici sull’uomo (veri ca dei possibili e etti tossici, stabilire un dosaggio

adeguato);

- Monitoraggio post-commercio: farmaco vigilanza (bisogna continuare a controllare, per vedere se insorgono altri e etti).

Durante tutto questo processo intervengono diversi specialisti: biologi, bioinformatici, ingegneri, modellisti molecolari, chimici,

farmacologi, scienziati, ecc.

Esistono fondamentalmente due diversi tipi di approccio per lo sviluppo di un nuovo farmaco:

1. Dalla droga al target: identi care la sostanza che determina l’e etto siologico desiderato quando somministrata. Il bersaglio

molecolare viene scoperto successivamente. →

Es: aspirina: inibisce la ciclossigenasi, che porta alla formazione di mediatori dell’in ammazione (prostanoidi) e etti anti-

in ammatori.

2. Dal target alla droga: viene prima selezionato il bersaglio molecolare, poi vengono selezionati i possibili farmaci che si legano a

quel bersaglio e in ne se ne valutano gli e etti siologici. In questo caso bisogna sapere i meccanismi della patologia, si può così

eradicare la causa; se no si agisce alleviando i sintomi.

→

Es: trattamento dell’ulcera peptica farmaci che bloccano diversi recettori (dell’istamina, dell’acetilcolina, della gastrina, pompa

protonica) che inducono la produzione di HCl (si inibisce così la secrezione di HCl): Cimetidina (anti-istamina), Atropina (anti-

colinergico), Esomeprazolo (inibitore della pompa protonica), inibitori anti-gastrina.

Helicobacter Pylori, microrganismo che sopravvive al pH acido dello stomaco (producendo un enzima che aumenta il pH nelle zone

circostanti), si àncora nelle cellule parietali dello stomaco ed è spesso causa di questa patologia. Utilizzo di antibiotici che lo

distruggono come l’Amoxicillina.

→

Es: Saquinavir il target è l’HIV proteasi (un enzima che necessita un residuo di acido aspartico nel sito catalitico, scinde in posizione

adiacente alla prolina), enzima che scinde un polipeptide virale, permettendo il proseguimento del ciclo vitale del virus. Il Saquinavir è

un farmaco che ha caratteristiche simili al polipeptide virale, viene quindi riconosciuto dall’enzima, ma non essendo presente la prolina

non lo scinde, rimane però legato ad esso e in questo modo l’enzima non è più disponibile per il virus; il ciclo vitale del virus risulta

così rallentato.

ESEMPIO

Aspirina

➤

Molecola che deriva da prodotti di origine naturale (estratto di corteccia del salice bianco).

È stato il reverendo Edward Stone, nel 1757, a scoprire gli e etti bene ci della corteccia di salice nel trattamento contro le febbri

reumatiche. È stato isolato il principio attivo (molecola responsabile dell’abbassamento

salicina.

delle febbri reumatiche): la saligenina.

In seguito a idrolisi si forma acido salicilico,

Questa va incontro a ossidazione e si forma sostanza

acido acetilsalicilico

tossica, che viene quindi acetilata con formazione di

(aspirina).

Nome commerciale coniato dalla Bayer nel 1899, componendo il pre sso

Spiraea ulmaria,

"a-" (per il gruppo Acetile) con "-spir-" (dal ore da cui si

ricava l'acido salicilico) e col su sso "-in", generalmente usato per i farmaci

all'epoca.

Per tanti anni è stata utilizzata per il trattamento delle febbri reumatiche

senza conoscere il meccanismo d’azione, che venne scoperto nel 1971. Inibizione dell’enzima (ciclossigenasi) coinvolto nella

trasformazione dell’acido arachidonico in prostaglandine (molecole prodotte nei processi in ammatori).

Sono stati fatti tutta una serie di derivati anti-in ammatori.

È una molecola poco solubile in acqua (3 g/L, ovvero 0,3% circa). Perciò non si può iniettare, per formare una soluzione iniettabile

bisogna formare il sale (importante la scelta del sale da formare, acido/base, deve essere bilanciato per

di lisina,

→

avere un pH compatibile con quello ematico) si può utilizzare l’acetilsalicilico prodotto

commerciale ottenuto dalla sali cazione del gruppo carbossilico con il gruppo amminico della lisina

(amminoacido basico), questo ha una solubilità in acqua maggiore del 40% (si può utilizzare quindi in

una soluzione iniettabile). Non viene modi cato il composto, è sempre acido acetilsalicilico, raggiungerà

l’equilibrio tra forma dissociata e indissociata.

BERSAGLI CELLULAR

Il target deve avere alcune caratteristiche importanti:

- Deve avere un ruolo noto nella genesi della patologia;

- La modulazione della sua funzione deve portare ad un e etto bene co;

- Deve essere facilmente raggiungibile da un farmaco (“drugable”)

- Non deve essere un gene essenziale (si potrebbero avere conseguenze pericolose); 4

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- Deve essere selettivamente espresso nel tessuto danneggiato (se lo stesso target è presente in più tessuti, si potrebbe andare a

danneggiare tessuti sani).

I target sono in genere macromolecole che contengono “tasche” idrofobiche sulla super cie (facilmente

accessibili), che sono i siti di legame per il farmaco.

I target maggiormente utilizzati per lo sviluppo di farmaci sono: strutture proteiche (enzimi, recettori,

anticorpi, proteine di trasporto), acidi nucleici (DNA, RNA, miRNA), altri (lipidi, carboidrati, ecc).

Il recente sequenziamento del genoma umano (progetto genoma umano) ha messo a disposizione

nuovi target molecolari e quindi la possibilità di sviluppare nuovi farmaci.

→

Scoperta delle alterazioni genetiche all’origine delle malattie terapia genica e nuovi modelli

sperimentali.

Passaggi dell’identi cazione di nuovi ligandi:

La validazione del target è un lungo processo che si conclude nel momento in cui si dimostra che l’utilizzo di un composto in grado di

interagire con questo comporti un e etto farmacologico.

Un target è “drugable” se ha delle caratteristiche strutturali (le tasche peptidiche) che permettono l’interazione col farmaco.

Molte proteine contribuiscono allo sviluppo di una patologia, ma sono “undrugable”.

Molte proteine sono “drugable”, ma i farmaci non sviluppano su di esse nessun e etto terapeutico.

Farmaci che agiscono sugli acidi nucleici:

- Farmaci che interagiscono col DNA: agenti intercalanti (come doxorubicina), veleni delle topoisomerasi (camptotecina,

podo llotossine), agenti alchilanti (cisplatino), tagliatori di catena (nitrofurantoina), ecc.

- Farmaci che interagiscono col RNA: agenti che legano i ribosomi (inibitori della sintesi proteica nei batteri), ecc.

RECETTOR

Recettore: ligando sito attivo)

proteina che si attiva per l'interazione con una molecola speci ca detta (che si lega al subendo una

variazione conformazionale in grado di generare una risposta biologica.

I ligandi endogeni coinvolti sono principalmente i neurotrasmettitori e gli ormoni.

La maggior parte dei messaggeri chimici sono amine biogene. Altri sono amminoacidi, lipidi (es: prostaglandine), purine (es: ATP),

neuropeptidi (es: endor ne), ormoni. isoforme recettoriali

Queste molecole possono interagire con diverse (recettori simili ma non identici).

I neurotrasmettitori sono molecole dotate di una discreta polarità (per la presenza di un gruppo amminico), perciò hanno caratteristiche

non compatibili con l’ambiente lipo lo e quindi riescono a raggiungere quelle porzioni del recettore che si trovano all’esterno della

membrana cellulare.

I neurotrasmettitori vengono sintetizzati nei neuroni a partire da amminoacidi. Vengono poi immagazzinati all’interno di vescicole e

quando arriva l’impulso vengono rilasciati (mediante esocitosi) nella fessura sinaptica. I neurotrasmettitori vanno così ad agire sui

recettori post-sinaptici. In ne, dopo aver esplicato la loro funzione, devono essere smaltiti, tramite degradazione o riassorbimento pre-

sinaptico.

I neurotrasmettitori quindi vengono rilasciati solo se è necessario e solo nel tessuto dove ce n’è bisogno. (≠ se lo inietto come farmaco

va ad agire su tutte le isoforme recettoriali; bisogna iniettare un farmaco

selettivo che agisca su una sola isoforma). Sottotipi recettoriali

Si trovano in tessuti diversi ed esplicano funzioni diverse 5

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Più informazioni si hanno sul ligando endogeno, più informazioni si hanno sulle possibili caratteristiche strutturali dei siti di legame;

così è più facile sviluppare un farmaco che possa agire su questi. risposte rapide risp