Domande aperte dell'esame di Farmacognosia e Farmacologia generale con risposta esaustiva

Il legame alle proteine plasmatiche

Il fenomeno del legame che si instaura tra un farmaco e le proteine plasmatiche è innanzitutto uno dei principali fattori che influenzano il processo di distribuzione del farmaco stesso. Quest’ultimo, a sua volta, consiste nella fuoriuscita del farmaco dal torrente circolatorio al fine di raggiungere quelli che rappresentano i siti bersaglio e dunque gli organi specifici a livello dei quali il farmaco esercita la propria azione terapeutica. A livello di questi siti d’azione, dopodiché, si verificherà il processo finale di eliminazione del farmaco stesso; risulta chiaro dunque come il fenomeno di legame farmaco-proteine plasmatiche abbia una notevole rilevanza sia nell’ambito della distribuzione che dell’eliminazione.

Possiamo innanzitutto dire che a livello plasmatico, la maggior parte dei farmaci risulta essere legato alle proteine per circa il 95% e solo il restante 5% si trova nella forma libera. Tuttavia, solo la forma libera di un farmaco è quella che effettivamente viene distribuita e tenderà a dare un equilibrio con i volumi extravascolari. L’albumina rappresenta la principale proteina plasmatica che provvede a legare i farmaci creando i cosiddetti complessi “farmaco-proteina”: essa viene prodotta dal fegato e si complessa principalmente con sostanze acide. Altre proteine che legano i farmaci a livello plasmatico sono ad esempio l’alfa 1 glicoproteina (affinità maggiore per sostanze basiche).

Quindi, solo la quota di farmaco libero viene distribuito e partecipa per esempio al processo di filtrazione glomerulare e dunque alla eliminazione, e solo tale frazione libera è in grado di equilibrarsi con i volumi extravascolari dei tessuti circostanti. Aspetti clinicamente rilevanti del legame alle proteine plasmatiche sono rappresentati dal rallentamento dei processi di eliminazione passiva tramite filtrazione glomerulare e dal fatto che il farmaco legato possa essere rimpiazzato da un altro farmaco o da sostanze endogene ad alta affinità per i siti di legame proteici (bilirubina, acidi grassi).

Un esempio riguardo questo ultimo aspetto è rappresentato dal warfarin (cumarinico anticoagulante) il quale si lega all’albumina per circa il 98%, avremo dunque uno spiazzamento nei siti di legame alla proteina plasmatica stessa che porterà ad un aumento della dose libera di farmaco a livello plasmatico. Il warfarin dunque lega l’albumina, sottrae conseguentemente siti di legame al farmaco che pertanto rimane libero in quantitativi maggiori pronti ad essere distribuiti.

Gli enzimi co e bersaglio dell’attività dei farmaci

Definizione e caratteristiche degli enzimi

Gli enzimi sono catalizzatori biologici, ossia sostanze che permettono il procedere di una reazione, sia essa chimica o biologica, con maggiore facilità nonché velocità diminuendone la soglia di attivazione. L’abbassamento dell’energia di attivazione ha come effetto lo spostamento dell’equilibrio della reazione in direzione dei prodotti e l’aumento della velocità della reazione stessa. Gli enzimi non sono chimicamente coinvolti nella reazione, non vengono modificati né tantomeno si “consumano” durante la trasformazione in prodotti dei reagenti.

Molto spesso gli enzimi presentano un gruppo prostetico che può essere rappresentato da una piccola molecola organica: gruppo eme o uno ione. Si tratta di proteine altamente specifiche nonché sensibili (nei mammiferi) a fattori come la temperatura e il pH. L’interazione, dunque il legame degli enzimi con i corrispettivi substrati, induce modificazioni strutturali nell’enzima stesso. La maggior parte degli enzimi, presenta una dipendenza di tipo iperbolico dal substrato (equazione di Michaelis-Menten).

Modalità attraverso le quali un principio attivo può alterare il normale funzionamento di un enzima

Per quello che riguarda le diverse modalità con le quali i farmaci alterano il normale funzionamento degli enzimi, possiamo parlare di inibitori competitivi, non-competitivi ed irreversibili. I primi competono appunto con il substrato per il sito attivo dell’enzima: sia farmaci che substrato presentano dunque affinità per l’enzima in questione, competono “ad armi pari” e il fatto che prevalga l’uno sull’altro dipende esclusivamente dal grado di affinità e dalla corrispettiva concentrazione di ciascuno di essi. In caso di inibitori competitivi l’equazione di Michaelis-Menten si modifica in questo modo: K_m (apparente) aumenta, V_max rimane uguale.

Gli inibitori non competitivi si legano invece in prossimità del sito attivo e ne modificano la capacità di interagire con il substrato. L’inibitore quindi interferisce con l’attività enzimatica, ma non a livello del sito catalitico dell’enzima quindi non c’è competizione con il substrato. In caso di inibitori non-competitivi K_m resta uguale, ma V_max diminuisce. Infine, gli inibitori irreversibili si legano al sito attivo dell’enzima, tramite legame covalente, creando un complesso enzima-inibitore inattivo. Anche in questo caso, nell’equazione di Michaelis-Menten K_m rimane immutata mentre V_max diminuisce.

La somministrazione orale: assorbimento, biodisponibilità, effetto di primo passaggio

La somministrazione orale viene ampiamente utilizzata in via di alcuni suoi aspetti di facilità di utilizzo: non richiede personale specializzato, non è dolorosa, gode di una ragionevole compliance. La biodisponibilità, definita come la frazione di farmaco che entra nella circolazione sistemica a seguito della somministrazione specifica confrontata con quella che entra in seguito a somministrazione endovenosa (considerata uguale ad 1), in caso di somministrazione orale può essere significativamente influenzata dall’effetto di primo passaggio.

È necessario che il farmaco si dissolva nel lume del tubo digerente, attraversi la mucosa gastrointestinale e che, dopo l’immissione nel sistema portale, superi il fegato in quantità sufficienti. I farmaci somministrati per via orale (a differenza ad esempio di quelli per via endovenosa che direttamente raggiungono il circolo sanguigno) sono infatti dapprima esposti al fegato dove possono essere estesamente metabolizzati. Appena assorbito a livello intestinale infatti, il farmaco giunge, tramite la vena porta al fegato. Si tratta di un sistema immediato di filtrazione e selezione che il nostro organismo opera: il fegato d’altro canto, è l’organo adibito a difenderci da eventuali sostanze tossiche.

Se i farmaci, giunti al fegato, vengono qui riconosciuti, dai sistemi di biotrasformazione, come “tossici” ecco che essi possono direttamente essere eliminati attraverso per esempio la secrezione biliare piuttosto che possono essere biotrasformati ed inattivati. Se questo accade, il farmaco non verrà distribuito nel nostro organismo raggiungendo i propri siti di azione. Altro processo importante, nonché problematico in alcuni casi, della somministrazione orale è l’assorbimento del farmaco a livello intestinale. L’assorbimento qui dipende chiaramente dalla superficie disponibile, dalla struttura stessa dell’intestino, dai villi intestinali che massimizzano la superficie a disposizione.

Alcune molecole di principi attivi, grazie alle loro caratteristiche lipofile, possono penetrare per diffusione passiva all’interno dell’epitelio gastrointestinale; altre necessitano di sistemi di trasporto che, in alcuni casi, si oppongono all’assorbimento del farmaco stesso. Tra i trasportatori più comuni troviamo la p-Glicoproteina. Risulta chiaro comunque che solo una quota del farmaco viene assorbita a livello intestinale. In via generale, la velocità (ed efficacia) di assorbimento del principio attivo nell’intestino è proporzionale alla liposolubilità del farmaco stesso.

Concetti generali sulla eliminazione dei farmaci: la clearance

La clearance è sostanzialmente una misura della capacità di eliminazione di uno specifico farmaco cioè l’efficienza di eliminazione di un principio attivo operata dal nostro organismo. Si tratta di un processo additivo che coinvolge reni, fegato ed altri organi che insieme danno la clearance sistemica totale. Si tratta concretamente del volume di sangue (plasma) purificato dalla presenza di uno specifico farmaco nell’unità di tempo.

Dal punto di vista matematico dunque la clearance è uguale a: velocità di eliminazione del farmaco/concentrazione plasmatica del farmaco, ma anche K_e (costante di eliminazione) × V_d (volume di distribuzione apparente). La Clearance raccoglie tutte le modalità di eliminazione di un farmaco: eliminazione fisica, per esempio quella renale, oppure eliminazione metabolica, cioè la biotrasformazione del farmaco che avviene ad esempio nel fegato. Si tratta in realtà di una costante poiché, ad ogni velocità di eliminazione del farmaco, corrisponde anche una specifica concentrazione plasmatica e questi due parametri vanno di pari passo: all’aumentare delle concentrazioni plasmatiche, aumenta proporzionalmente anche la velocità di eliminazione del farmaco stesso per cui la clearance rimane sostanzialmente costante.

Nello specifico, la clearance renale è dovuta al processo di filtrazione glomerulare dei farmaci non legati a proteine plasmatiche o alla secrezione a livello dei tubuli renali di farmaci acidi e basici per opera di sistemi di trasporto. Essa risulta tuttavia essere ridotta a causa di processi di riassorbimento di farmaci lipofili a livello dei tubuli, da patologie renali o dalla competizione di diversi farmaci per i sistemi di trasporto. La clearance epatica è invece il risultato del metabolismo dei farmaci operato da parte di enzimi epatici, della secrezione di farmaci nella bile (ad opera di sistemi di trasporto presenti sugli epatociti), nonché del processo di ricircolo enteroepatico. Qui la clearance si riduce tendenzialmente a causa di fenomeni di competizione tra farmaci per il metabolismo o per la secrezione nella bile, da svariate patologie o insufficienza epatica e da fattori di variabilità genetica nella espressione di enzimi di metabolismo.

Sempre a livello epatico, la clearance è invece aumentata dall’induzione di geni codificanti per enzimi metabolici (induzione dovuta agli stessi farmaci da eliminare o farmaci diversi) e da fattori di variabilità genetica.

Le diverse classi di recettori di membrana: caratteristiche generali

I recettori sono innanzitutto proteine che si legano ad un fattore specifico, definito ligando o agonista, il quale ne provoca una variazione conformazionale in seguito alla quale osserviamo l’insorgenza di una risposta biochimica. Esistono 3 diverse tipologie di recettori di membrana: recettori canale, recettori accoppiati a proteine G ed infine recettori con accoppiata attività enzimatica.

In linea generale, i recettori di membrana sono localizzati, come suggerisce il termine stesso, a livello della superficie della membrana cellulare e tipicamente sono in grado di raccogliere un segnale proveniente dall’esterno della cellula per trasferirlo all’interno della stessa. I recettori-canale strutturalmente formano dei canali ionici nella membrana; sono delle strutture trans-membrana con più subunità (4-5 di solito) ciascuna delle quali attraversa 4 volte la membrana hanno quindi 4 domini trans-membrana. L’estremità ammino -terminale la troviamo al di fuori della cellula così come quella carbossi – terminale e il dominio di legame per il ligando (agonista) è tipicamente nella terminazione ammino-terminale.

Tendenzialmente questi recettori-canale sono attivati da voltaggio e le varie subunità creano un poro nella membrana che si apre e richiude permettendo o ostacolando il passaggio di ioni dentro il canale. Esempi classici di recettori-canale sono il recettore nicotinico e i recettori GABA. I recettori accoppiati a proteine G sono anche definiti recettori a 7 domini transmembrana poiché si tratta di un’unica unità proteica con l’estremità N-Ter verso il lato extracellulare, l’estremità C-Ter verso quello intracellulare e 7 domini idrofobici ad alfa-elica che attraversano la membrana. Questi domini sono connessi da segmenti ed il terzo segmento (definito loop) citoplasmatico è la regione che interagisce e lega la proteina G. Modifiche di questa porzione determinano la formazione di recettori in grado di legare ligandi, ma ormai incapaci di accoppiarsi alle proteine G.

I recettori con accoppiata attività enzimatica infine, sono le proteinchinasi di membrana che fosforilano diverse proteine effettrici. I recettori trans- chinasici sono tipicamente costituiti da un solo dominio extracellulare per il legame con il ligando/agonista, un dominio transmembrana e un dominio proteinchinasico sulla superficie intracellulare. Alcuni di questi recettori sono privi di questo ultimo dominio, ma appena avviene il lato all’esterno con il ligando, legano ed attivano, sul foglietto intracellulare, proteinchinasi poste sulla superficie interna della membrana stessa che provvedono alla fosforilazione.

Il volume apparente di distribuzione: definizione e fattori che influenzano il V_d

Il volume apparente di distribuzione (V_d) rappresenta innanzitutto uno dei parametri farmacocinetici fondamentali. Alla sua formulazione fa capo l’ipotesi secondo cui consideriamo il corpo umano come un compartimento singolo, con un volume V e una quantità di farmaco D che si distribuisce e viene metabolizzato uniformemente in esso. La definizione canonica di V_d è la seguente: misura dello spazio apparente dell’organismo disponibile per contenere il farmaco alla concentrazione plasmatica V_d = Dose somministrata/Concentrazione plasmatica. Sostanzialmente si tratta della costante che correla la quantità di farmaco nell’organismo alla concentrazione plasmatica.

Si tratta tuttavia di un valore calcolato e non rappresenta un volume reale: è un valore riproducibile e di utilizzo clinico. Per la valutazione di V_d si somministra un dato farmaco, si ottiene un campione di plasma del soggetto, vi si calcola la concentrazione di farmaco presente nel plasma e si procede con il calcolo del volume apparente. La conoscenza del valore di V_d permette a sua volta il calcolo della dose di carico LD, ossia la quantità (dose) di farmaco da somministrare per ottenere la concentrazione plasmatica desiderata e rispettare dunque il valore dell’indice terapeutico del farmaco in questione.

Il V_d, relativo ad uno stesso farmaco, può variare in diversi soggetti sulla base di fenomeni come il legame alle proteine plasmatiche, il legame alle componenti tissutali oppure in funzione della distribuzione preferenziale del tessuto adiposo. Anche l’età rappresenta un parametro che influenza le variazioni del valore di V_d, ad esempio, in un neonato c’è fino all’80% di acqua a livello corporeo, poco tessuto adiposo e pH plasmatico più acido. Quest’ultimo fattore soprattutto, determina una distribuzione asimmetrica (non equa) del farmaco e influenza pertanto il volume di distribuzione. Anche una somministrazione contemporanea di più farmaci (co-terapia), che competono per i siti di accumulo tissutale, rappresenta un fattore in grado di influenzare V_d.

Concetti generali sull’eliminazione dei farmaci. Costante di eliminazione K_e

La costante di eliminazione K_e, parametro farmacocinetico fondamentale, rappresenta la frazione del farmaco, presente nell’organismo in ogni dato momento, che viene eliminata nell’unità di tempo. Tale definizione tuttavia non deve erroneamente portarci a pensare che sia la velocità di eliminazione ad essere costante. Quest’ultima infatti dipende strettamente dai valori di concentrazione plasmatica del farmaco in questione, parametro a cui è legata da una proporzionalità diretta. Ciò che dunque rimane costante è semplicemente la frazione di farmaco presente nel nostro organismo che viene eliminata ogni unità di tempo. Dal punto di vista grafico, inoltre, tale parametro farmacocinetico rappresenta la pendenza della curva di eliminazione (approssimata da una retta in caso di grafico su scala logaritmica) e il suo valore dipende dall’ordine delle cinetiche di tipo 0 e 1. La costante di eliminazione può inoltre essere espressa come il rapporto fra la Clearance e il volume di distribuzione, altri due parametri farmacocinetici fondamentali.

Diffusione passiva dei farmaci attraverso le membrane biologiche

La diffusione passiva rappresenta una tipologia di movimento di molecole (farmaci compresi) da una regione a più elevata concentrazione verso una a minore concentrazione al fine di stabilire una situazione di equilibrio fra le due. Questa differenza di concentrazione, fra un lato e l’altro della membrana plasmatica, prende il nome di gradiente di concentrazione. Tale gradiente a sua volta è il risultato dell’energia cinetica delle molecole stesse, energia che porta queste ultime ad un movimento costante al fine di occupare tutto lo spazio a loro disposizione, allontanandosi casualmente l’una dall’altra.

Parliamo in particolare di diffusione semplice quando il farmaco attraversa spontaneamente il doppio strato lipidico della membrana cellulare poiché possiede caratteristiche di lipofilia (e dimensioni) tali da permettergli il passaggio senza alcuna problematica, vista l’affinità alle componenti stesse della membrana. Le molecole, e i farmaci, dunque, in caso di diffusione passiva si muovono, da un versante all’altro della membrana, secondo gradiente di concentrazione e soprattutto in assenza di qualsiasi forma di energia. La velocità di diffusione viene influenzata da svariati parametri quali la temperatura, la pressione, la dimensione delle molecole e le loro caratteristiche chimiche.