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Farmacologia e farmacoterapia I

Appunti di farmacologia e farmacoterapia basati su appunti personali del publisher presi alle lezioni della prof. Nieri dell’università degli Studi di Pisa - Unipi, facoltà di Farmacia, Corso di laurea magistrale in chimica e tecnologie farmaceutiche. Scarica il file in formato PDF!

Esame di Farmacologia docente Prof. P. Nieri

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INTRODUZIONE

La farmacologia è quella disciplina scientifica che si occupa di studiare i farmaci e le interazioni di

essi con gli organismi viventi. La farmacologia è suddivisa in diverse branche:

o Farmacodinamica: studia gli effetti biochimici e fisiologici del farmaco tra cui il

meccanismo d’azione e le relazioni dose-effetto (per test in vivo) o concentrazione-

effetto (per studi in vitro oppure alla concentrazione raggiunta dal farmaco nel

tessuto bersaglio o nella biofase, il tessuto dove il farmaco svolge la sua azione). In

sintesi, la farmacodinamica studia gli effetti del farmaco sull’organismo.

o Farmacocinetica: studia il destino del farmaco nell’organismo attraverso i processi di

assorbimento, distribuzione, metabolismo ed escrezione (ADME). La farmacocinetica

si occupa anche dell’andamento temporale della concentrazione di farmaco

all’interno di un organismo, utile strumento per valutare eventuali gli effetti

terapeutici, collaterali o tossici. In sintesi, la farmacocinetica studia cosa l’organismo

fa al farmaco.

o Farmacogenetica: studia la variabilità di risposta ai farmaci in dipendenza

dell’assetto genetico dell’organismo, cioè quali rapporti si instaurano tra determinati

geni dell’organismo e la risposta ai farmaci. I geni possono differire per polimorfismi

o per mutazioni.

o Farmacogenomica: studia la relazione tra espressione genica e variabilità di risposta

ai farmaci., cioè in quale modo l’utilizzo di farmaci e tossici possano modificare

l’espressione di geni e proteine all’interno di un determinato tessuto dell’organismo

e come ciò possa essere utilizzabile per produrre un effetto terapeutico.

o Farmacoantropologia: studia il perché diverse razze rispondano in maniera

differente ai farmaci, cercando quindi la variabilità farmacogenetica tra razze.

o Farmacologia clinica: è una scienza applicativa che permette un uso razionale del

farmaco in ambiente sanitario, valutando le risposte, gli effetti utili ed indesiderati, la

farmacocinetica e la tollerabilità dei farmaci nell’uomo sano e in quello malato. La

farmacologia clinica è a sua volta suddivisa in altre branche:

2

▪ Farmacovigilanza: studia gli effetti collaterali o tossici dei farmaci dopo

l’immissione in commercio per valutare al meglio i possibili effetti collaterali

che si erano già manifestati in fasi sperimentali precedenti o che risultano

ignoti, dovuti alla presenza di fattori biologici non presi in considerazione (ad

esempio la contemporanea assunzione di più farmaci).

▪ Farmacoepidemiologia: branca che studia la distribuzione all’interno della

popolazione dei parametri relativi all’uso del farmaco. Si occupa quindi di

valutare come si distribuiscono gli effetti positivi e negativi nell’uso del

prodotto all’interno della popolazione.

▪ Farmacoeconomia: studia i rapporti costo-beneficio dei farmaci e ne valuta

l’immissione in commercio.

Farmaco, Medicinale e Farmacopea

La Farmacopea è un codice nazionale ufficiale in cui vengono riportate, in merito ad ogni principio

terapeutico, informazioni riguardanti la preparazione, il controllo analitico, la disponibilità ed i

presidi da adottare in farmacia. Secondo l’OMS, un farmaco è una sostanza o un prodotto utilizzato

per modificare o esaminare funzioni fisiologiche o stati patologici a beneficio del paziente. Secondo

la Farmacopea invece, un farmaco è una sostanza o una composizione con proprietà curative o

profilattiche delle malattie umane e animali e somministrabile allo scopo di stabilire una diagnosi o

di ripristinare, correggere o modificare funzioni dell’uomo o dell’animale. Un farmaco può essere

quindi sia un medicamento che un mezzo diagnostico. I farmaci possono essere allo stato solido,

liquido o gassoso. Generalmente sono molecole organiche, elettroliti deboli con un peso

molecolare di 100-1000 Da. A differenza del farmaco, il medicinale è il prodotto finale che viene

acquistato in farmacia e può essere galenico (preparato direttamente dal farmacista) o una

specialità medicinale (preparata dall’industria farmaceutica e già confezionata. Il farmaco può avere

un’origine naturale (regno vegetale, animale o minerale), semisintetica (modifica di una sostanza

naturale), sintetica o biotecnologica. I farmaci biotecnologici sono derivati da fonti biologiche

ingegnerizzate e hanno permesso grandi passi avanti alla medicina (e.g. insulina, anticorpi

monoclonali, ormone della crescita, ecc…): sono molecole grandi ma con un target ben specifico; a

differenza dei farmaci tradizionali, i biofarmaci agiscono per via extracellulare a causa delle grandi

dimensioni.

L’effetto farmacologico è il risultato dell’interazione tra farmaco e organismo e può essere

terapeutico (o primario) o collaterale (o secondario). Per effetto terapeutico si intendono quelle

reazioni per cui è stato ideato il farmaco, mentre un effetto collaterale rappresenta un fenomeno

indesiderato che si manifesta alle concentrazioni terapeutiche: può essere non nocivo o nocivo. Gli

effetti collaterali non avvengono in tutta la popolazione ma in campioni ristretti per le diverse

sensibilità che possono modificare la farmacocinetica e la farmacodinamica del composto.

3

FARMACODINAMICA

Si occupa del meccanismo d’azione dei farmaci e delle relazioni dose-effetto e concentrazione-

effetto.

Un farmaco esercita un effetto interagisce con l’organismo mediante dei recettori, macromolecole

cellulari che spaziano dagli enzimi (e.g. l’aspirina inibisce la ciclossigenasi bloccando la produzione di

prostaglandine), trasportatori (e.g. la cocaina bloccando un trasportatore della noradrenalina

sviluppa un effetto simpatico mimetico per azione indiretta, andando ad aumentare la

concentrazione della noradrenalina) o di acidi nucleici. Un accettore è un’entità molecolare che lega

un farmaco senza scaturire un effetto farmacologico (e.g. le proteine plasmatiche).

Interazione Farmaco-Recettore

La maggior parte dei farmaci interagisce con una struttura dell’organismo per fornire un

determinato effetto generando, di fatto, una azione specifica. Farmaci che sfruttano invece reazioni

chimiche e fisiche di base generano azioni non specifiche (e.g. il bicarbonato di sodio agisce come

tampone per ridurre l’acidità di stomaco).

Il farmaco interagisce con il recettore da un punto di vista chimico seguendo la legge di azione di

massa stabilendo le opportune reazioni di equilibrio:

 

A + B C + D => K= [C][D] /[A][B] | R + F RF => K =[RF]/[R][F] e K =[R][F]

A D

/[RF]

All’equilibrio chimico è possibile individuare due costanti, una che indica la tendenza a formare il

complesso farmaco-recettore (K ) ed una invece che ne mostra la tendenza a rimanere dissociati e

A

non interagire (K ).

D Prendendo ad esempio le velocità di

associazione (v ) e di dissociazione (v ),

1 2

all’equilibrio è possibile asserire che

sono identiche. Considerato che il

numero di recettori totali ([R ]) è dato

T

dalla somma dei recettori liberi ([R]) e

dei recettori legati con il farmaco ([RF])

ed effettuando l’operazione K /K si

2 1

ottiene K : sostituendo

D

opportunamente, è possibile esprimere direttamente [FR] in funzione degli altri fattori. Se la metà

dei recettori totali risulta occupata ([FR] = [R ]/2), allora si evince che K =[F]: K è la concentrazione

T D D

in cui il farmaco lega il 50% dei recettori e K = 1/K .

D A

Questo dimostra che, minore è la K e maggiore risulterà l’affinità del farmaco risultando in una

D

minore concentrazione per legare i recettori.

I farmaci che presentano una azione specifica sono suddivisi in diverse tipologie:

4

• Farmaci agonisti: sono farmaci che attivano il recettore con interazioni che possono

modificare la struttura del recettore stesso o stabilizzarne la struttura. Un agonista può

essere parziale (attiva solo in parte un recettore) o totale (l’effetto massimale è più grande);

• Farmaci antagonisti: sono

farmaci che bloccano l’attività

del recettore impedendo

l’accesso al mediatore endogeno

o al farmaco agonista;

• Farmaci agonisti inversi: sono

farmaci che si legano allo stesso

recettore degli agonisti ma

invece di promuovere l’azione

terapeutica, ne promuove una

inversa. Di fatto non solo blocca

il recettore, ma produce anche

un effetto inverso.

I recettori oscillano spontaneamente tra una forma attiva e una inattiva, di conseguenza si ottiene

che: un farmaco agonista avrà più affinità e stabilizzerà la conformazione attiva; un agonista

parziale ha affinità principalmente per la forma attiva ma parzialmente anche per quella inattiva,

producendo quindi un effetto massimale ridotto; un antagonista compete con il mediatore

endogeno per il recettore e ne blocca l’accesso e non presenta affinità particolari; l’agonista inverso

ha affinità esclusivamente per la forma inattiva. Da un punto di vista terapeutico l’utilizzo di un

antagonista o di un agonista inverso è il medesimo: ridurre l’azione del mediatore endogeno. Lo

sviluppo dei farmaci attraversa una fase di studio suddivisa in due sezioni:

• Studio di legame: si studia in vitro

l’effettiva capacità del ligando di legarsi al

recettore tramite sonde radioattive;

• Studio funzionale: in vitro viene valutata

l’attività del ligando su recettori accoppiati

a proteine G stimolatorie dell’adenilato

ciclasi. Le variazioni di produzione di AMP

ciclico intracellulare sono misurabili e

definisco la natura del ligando (agonista,

antagonista o agonista inverso).

5

Agonisti totali e parziali

Se viene operato un grafico che mette in

relazione l’effetto del farmaco agonista totale

in rapporto alla sua concentrazione si osserva

un andamento iperbolico con una fase di

plateau dove, con l’occupazione del 100% dei

recettori, si ha l’effetto massimale del farmaco

(salvo alcune eccezioni).

Nel caso dei farmaci agonisti parziali si osserva

invece che, con l’occupazione del 100% dei

recettori, si ottiene un diverso effetto massimale (le curve risultano quindi “più basse”). L’efficacia

del farmaco è l’effetto massimale ottenibile da un dato composto alla concentrazione massima (nel

caso del grafico l’agonista totale è più efficace dell’agonista parziale). Operando invece in condizioni

semilogaritmiche, si osserva un comportamento di tipo “sigmoide”: tanto più un farmaco risulta

spostato verso sinistra, tanto maggiore risulterà la sua

potenza. Un buon indicatore della potenza di un farmaco è

il raffronto tra EC , ovvero la concentrazione alla quale il

50

farmaco produce il 50% dell’effetto massimale. La potenza

di un farmaco è calcolata quindi così: pD =-logEC . Tanto

2 50

maggiore sarà pD e tanto minore sarà la concentrazione. È

2

possibile valutare l’efficacia di un agonista parziale in

rapporto all’agonista totale introducendo il concetto di

attività intrinseca:

α=Efficacia max agonista parziale/Efficacia max agonista totale di riferimento

Ovviamente 0 < α < 1 poiché se fosse uguale a 1 l’agonista in studio risulterebbe un agonista totale,

se fosse invece 0 risulterebbe allora un antagonista.

6 Nel grafico di esempio è riportato il

comportamento di quattro farmaci

agonisti: mentre A, C, D sono

ugualmente efficaci, l’ordine di potenza

è A>C>D; B risulta meno efficace ma più

potente. Per spiegare il comportamento

dei farmaci agonisti, Clark elabora una

teoria secondo cui l’effetto

farmacologico è direttamente

proporzionale alla frazione di recettori

occupati: la teoria risulta tuttavia

incompleta. Successivamente Ariens

propone una teoria secondo cui l’effetto

farmacologico è proporzionale alla

formazione di un complesso farmaco-

recettore corretto di un fattore α,

l’attività intrinseca: la teoria non spiegava però l’esistenza degli agonisti inversi. La teoria del doppio

stato di Leff che sostiene l’oscillazione del recettore in diverse conformazioni permettendo di

spiegare l’esistenza dei vari tipi di farmaco.

Antagonisti

Per valutare l’efficacia

di un antagonista

occorre che ne venga

studiata la capacità di

competere con un agonista per un determinato recettore. Gli antagonisti

possono essere di tipo sormontabile (aumentando la

concentrazione dell’agonista è possibile superare l’effetto

dell’antagonista) o non sormontabile (un aumento di

concentrazione dell’agonista non riesce a spiazzare

l’antagonista).

Per valutare la potenza di un antagonista (pA ) occorre

2

utilizzare la retta di regressione di Schild dove log (DR-1) = log

7

B + log K : ponendo DR=2 (Dose Ratio indica la quantità di agonista necessario ad ottenere l’effetto

B

terapeutico desiderato) si ottiene log B = -log K = pA . La potenza di un antagonista è la

B 2

concentrazione di antagonista per la quale occorre raddoppiare la concentrazione dell’agonista per

ottenere il medesimo effetto.

In terapia è possibile utilizzare un agonista parziale come un antagonista per ridurre l’attività di un

mediatore endogeno: sono utili perché possono ridurre un determinato effetto senza annullarlo del

tutto. Ciò è spiegato dal fatto che un agonista parziale, anche legando il 100% dei recettori,

stabilizzerà sia la forma inattiva che attiva degli stessi e, anche al massimo della sua efficacia, ne

deriverà un effetto ridotto. 8

Poiché spesso le relazioni legame farmaco-recettore e

concentrazione-effetto non coincidono, esistono due

spiegazioni:

• Se la curva concentrazione-effetto è più spostata a

sinistra rispetto a quella farmaco-recettore, significa

che si raggiunge prima la EC rispetto a K . Questo è

50 D

dovuto alla presenza di recettori di riserva: la

sovraespressione recettoriale innalza il numero di

recettori presenti in un tessuto senza però aumentare

la relativa risposta cellulare, di conseguenza ottengo

una K ad una soglia minore (cioè la effettiva

D

concentrazione prima della sovraespressione);

• Se la curva concentrazione-effetto è più

spostata a destra occorre aumentare la

concentrazione per ottenere l’effetto desiderato a

causa della presenza della soglia di occupazione: un

farmaco deve occupare una certa quantità di recettori

prima di produrre un determinato effetto

farmacologico. Questo fenomeno è molto presente in

quei sistemi dove la risposta è determinata da una

serie di eventi che si amplificano.

Modulazione o Adattamento Recettoriale

La cellula, sottoposta ad uno stimolo farmacologico, è portata a rispondere in diversi modi per

ostacolarne il funzionamento. L’azione dei farmaci agonisti è ostacolata da fenomeni di

desensibilizzazione (o down-regulation) mentre i farmaci antagonisti vanno incontro a fenomeni di

sensibilizzazione (o up-regulation)

Nel caso dei farmaci agonisti, la cellula ridurrà la sua sensibilità verso il farmaco andando a ridurre il

numero di ricettori disponibili sulla sua superficie:

• Il recettore, tramite fosforilazione della parte intracellulare, viene cambiato in una

conformazione meno affine nei confronti del ligando

• Chiusura del recettore canale;

• Riduzione dei recettori disponibili sulla membrana;

• Riduzione della trasduzione del segnale;

• Internalizzazione del recettore per endocitosi.

9

Nel caso invece dei farmaci antagonisti, la cellula cercherà di aumentare la sua sensibilità verso un

determinato ligando sviluppando ed aumentando il numero di recettori disponibili per aumentare

le possibilità di legame.

Sia il fenomeno di down-regulation che up-regulation sono responsabili della tolleranza

farmacodinamica che porta ad una riduzione di efficacia del farmaco: è di tipo farmacodinamico

perché agisce a livello del meccanismo d’azione.

Specificità o selettività di interazione farmaco-recettore

Molti dei farmaci comunemente utilizzati oggi sono specifici per un determinato sottotipo

recettoriale. Nel dettaglio, un farmaco è specifico per un determinato recettore quando esistono

dosaggi dello stesso che stimolano selettivamente lo specifico recettore. Gli studi di binding ed in

generale le tecniche di molecular modeling possono determinare previsioni sulla struttura del

ligando di partenza prima dei veri e propri studi in vitro ed in vivo.

Specificità o selettività non sono sinonimo di esclusività, ad esempio un farmaco selettivo per il

recettore adrenergico β1 risulta affine (in maniera tuttavia ridotta) anche al sottotipo α2. Un

farmaco è tanto più selettivo tanto maggiori sono gli intervalli di concentrazione tra la specificità

per un determinato sottotipo ed un altro.

Effetti terapeutici ed effetti tossici

Oltre ai ben noti effetti terapeutici, i farmaci sono caratterizzati anche dalla presenza di effetti

secondari che possono essere sia nocivi che non nocivi. Gli effetti collaterali si possono ottenere per

interazione dello stesso effettore o dello stesso sottotipo recettoriale o anche dall’interazione di

due tipi totalmente diversi. È importante capire quindi quali siano le concentrazioni alle quali è

sicuro somministrare il prodotto per determinarne la

maneggevolezza: vengono quindi condotti studi di

tossicità in fase preclinica su campioni animali.

Un importante parametro di indagine è fornito dall’indice

terapeutico, rapporto tra dose letale e dose efficace nel

50% degli animali test IT= LD /ED . Osservando la prima

50 50

curva e gaussiana si nota che a sinistra della ED si

50

trovano i soggetti iperresponsivi mentre a destra gli

iporesponsivi.

Tuttavia, poiché le curve dose-effetto sia per gli effetti

terapeutici che letali non è detto che siano simmetriche, è

più importante valutare un altro parametro, ovvero il

margine di sicurezza. 10 Esso prende in analisi la dose con

cui si ottiene un effetto

terapeutico nel 99% della

popolazione (ED ) e quella

99

sufficiente a manifestare effetti

tossici nell’1% della popolazione

(LD ). È possibile che, a parità di

1

indice terapeutico, due farmaci

mostrino due diversi margini di

sicurezza.

La finestra terapeutica è un ulteriore parametro di indagine che indica la sicurezza di un farmaco: è

la concentrazione di farmaco nel plasma compreso tra la minima dose che porta ad efficacia clinica

e la minima dose che fornisce effetti tossici. Tanto più questo intervallo è grande, tanto più è sicuro

l’utilizzo di un dato farmaco.

FARMACOCINETICA

La farmacocinetica è la branca della farmacologia che si occupa di studiare il destino di un farmaco

all’interno dell’organismo, può essere distinta concettualmente in tre fasi:

1. Assorbimento

2. Distribuzione 11

3. Eliminazione (Metabolismo ed Escrezione)

La farmacocinetica studia le concentrazioni del farmaco nel tempo sia a livello plasmatico che

tissutale, importanti informazioni che determinano il comportamento del farmaco e la loro azione.

Assorbimento dei farmaci

L’assorbimento è l’insieme di processi attivi e passivi

che consentono il passaggio di un farmaco dal sito di

somministrazione alla circolazione sistemica. È un

passaggio che tuttavia può non essere sempre

presente poiché il farmaco potrebbe essere

somministrato direttamente nel torrente

circolatorio ed essere completamente

biodisponibile.

Per biodisponibilità si intende la frazione di farmaco

disponibile nel circolo sistemico senza essere

metabolizzato.

Un farmaco può sfruttare diversi sistemi per raggiungere il sito di azione che dipendono

prevalentemente dalle caratteristiche chimico-fisiche del farmaco stesso.

A. Diffusione passiva

B. Diffusione attraverso canale

C. Diffusione mediata da trasportatore

D. Endocitosi in fase fluida

E. Endocitosi mediata da recettore

Affinché un farmaco possa diffondere per diffusione passiva, deve soddisfare alcune prerogative,

tra cui essere di ridotte dimensioni ed apolare. L’apolarità di una molecola dipende dal pH

12

dell’ambiente circostante. Molecole idrosolubili con dimensioni inferiori a 4Å diffondono attraverso

appositi canali, mentre quelle più grandi di 4Å diffondono attraverso trasportatori.

Acidi e basi organiche ionizzate possono diffondere per mezzo di trasportatori ma necessitano di

dispendio energetico, mentre proteine ed altre grandi macromolecole diffondono con meccanismi

di fagocitosi e pinocitosi.

La diffusione passiva è il mezzo di diffusione più utilizzato dai farmaci ed è regolato da gradiente di

concentrazione: il rapporto idrofilicità/lipofilicità è importante nel processo di assorbimento e

diffusione di un farmaco perché gli permette di muoversi agevolmente attraverso i vari

compartimenti. Un parametro che ben ne descrive il comportamento è il coefficiente di ripartizione,

rapporto della solubilità di un farmaco in acqua e in ottanolo:

coefficiente di ripartizione= C / C

olio acqua

Se il coefficiente risulta più piccolo di 1, allora il farmaco è idrofilo e diffonderà difficilmente; se il

coefficiente è maggiore di 1 allora il farmaco risulta lipofilo e diffonderà facilmente: se è però

troppo lipofilo verrà sequestrato dalle membrane e non verrà rilasciato in ambiente acquoso.

Farmaci che sono presenti in forma di elettroliti deboli la permeazione dipende dalla frazione non

ionizzata del farmaco dovuta essa stessa al pH dell’ambiente circostante. L’equazione di Henderson-

Hasselbach descrive e determina il comportamento di acidi e basi deboli in funzione del pH

ambientale. È possibile sfruttare questa caratteristica nel

processo di intrappolamento ionico: andando

ad agire sul pH dei vari distretti dell’organismo

è possibile bloccare una determinata sostanza

dalla diffusione incontrollata (e.g. uso di

cloruro di ammonio per acidificare le urine e

permettere l’intrappolamento ionico di

farmaci basici, viceversa utilizzo bicarbonato di

sodio per intrappolare farmaci acidi).

La diffusione dei farmaci all’interno dell’organismo è influenzata da molteplici fattori tra cui il grado

di polarità e lipofilicità della molecola, la forma e le dimensioni della molecola (molecole piccole e

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poco ingombrate passano meglio le membrane). La capacità di legarsi a un carrier influisce altresì

sul destino della molecola: se una molecola non soddisfacesse i requisiti per una agevole diffusione,

il legame con un carrier molecolare può aiutarne la diffusione. Un carrier molecolare è una

molecola che presenta alcune peculiari caratteristiche:

• Specificità: il carrier può legare solo specifici farmaci e per caratteristiche prettamente

chimiche;

• Saturabilità: il carrier è presente in numero limitato per cui, all’aumentare della

concentrazione del farmaco aumenta la velocità di trasporto fino all’arrivo ad una fase

stazionaria dove il meccanismo carrier è saturato;

• Interazioni: se vengono sfruttati carrier, è possibile che insorgano problemi di interazione

con altri farmaci o alimenti che debbono essere presi in considerazione.

In aggiunta alle caratteristiche del farmaco, è importante andare a valutare anche le caratteristiche

del sito di somministrazione che può influire pesantemente sulla capacità di diffusione del

composto. Oltre a valutare il pH del distretto, occorre valutare:

• Grado di vascolarizzazione: più un tessuto è

vascolarizzato e più velocemente diffonde il

farmaco;

• Permeabilità vascolare: la capacità di un vaso

endoteliale di lasciar passare determinate

molecole;

• Superficie assorbente: l’area attraverso la quale

può essere assorbito il farmaco, tanto più è

estesa e tanto più velocemente diffonde;

• Possibilità di forme di deposito tissutali: una

iniezione sottocutanea o in una zona

particolarmente adiposa ostacolano il passaggio del farmaco e creano una sacca di deposito;

• Spessore delle barriere: non tutte le membrane possiedono la stessa profondità, ad esempio

la barriera emato-gassosa presente nei polmoni risulta molto meno spessa a livello del villo

intestinale o della cute;

• Metabolismo di primo passaggio: le prime reazioni di modificazione del farmaco possono

iniziare già dal sito di somministrazione (e.g. per os).

14

La somma delle valutazioni delle concentrazioni

nei compartimenti di passaggio, lo spessore della

barriera e la superficie di scambio, oltre che il

coefficiente di ripartizione permettono di

ottenere una buona indicazione sulla cinetica della

reazione, descritta accuratamente nella legge di

Fick. dM/dt = (C -C )xDxA/d

1 2

Farmaci di grandi dimensioni devono prima

riversarsi nel circolo linfatico e poi, tramite esso,

riversate nel torrente circolatorio.

I farmaci possono essere somministrati in diverse forme

farmaceutiche, solide, liquide o gassose: a seconda della

forma farmaceutica, l’assorbimento avverrà in maniera più

o meno lenta. Se la forma farmaceutica prescelta è solida,

prima che il farmaco venga assorbito deve andare incontro

a fenomeni di disgregazione e dissoluzione che possono

modificare la cinetica di assorbimento. 15 Le cinetiche di assorbimento possono

essere di tipo I o di tipo 0 : nel primo caso

la velocità dipenderà dalla

concentrazione, mentre nel secondo ne

risulterà indipendente.

Generalmente i farmaci diffondono per

diffusione passiva seguendo una cinetica

del primo ordine, nel caso di trattamento

con dosi terapeutiche di farmaci che

richiedono il trasporto a mezzo carrier è

molto difficile saturare il meccanismo di

trasporto.

Vie di somministrazione

Quando si tratta delle vie di somministrazione di un farmaco, occorre valutare due parametri

fondamentali:

1. Biodisponibilità: la biodisponibilità è la frazione di farmaco in forma indissociata disponibile

nella circolazione sistemica. È espressa come percentuale o decimale e non ha unità di

misura;

2. Bioequivalenza: è un parametro utile per valutare se due formulazioni farmaceutiche

possano fornire la stessa velocità e lo stesso grado di assorbimento. È un dato utile per

confrontare un farmaco originario con un generico;

La variazione del sito di somministrazione può variare sia la biodisponibilità che la velocità di

assorbimento di un farmaco.

Le vie di somministrazione sono suddivisibili in diverse tipologie

a. Vie Enterali e Vie Parenterali: le vie di

somministrazioni enterali prevedono l’assorbimento

del farmaco a livello del cavo orale o del tratto

gastrointestinale. Le vie parenterali prevedono

invece l’iniezione del farmaco attraverso i tegumenti

o direttamente in circolo;

b. Vie Naturali e Vie Artificiali: la distinzione è basata

sulla necessità di uno strumento esterno per poter

superare le barriere epiteliali;

c. Vie Topiche e Vie Sistemiche: nella via topica il

farmaco viene somministrato direttamente nel sito

d’azione del farmaco, nella via sistemica invece il

farmaco raggiunge il sito d’azione dopo essere

entrato nel circolo sistemico. 16 Una volta che il farmaco è stato

somministrato, a seconda del sito di

somministrazione, la molecola inizia il suo

percorso all’interno dell’organismo: se

assunto per via rettale o sublinguale il

farmaco raggiungerà direttamente la

circolazione generale, mentre se assunto

per os raggiungerà in parte direttamente la

circolazione generale ed in parte

proseguirà il tragitto nel tratto

gastrointestinale. Il farmaco, una volta che

entra nel tratto gastrointestinale viene

assorbito e, tramite la vena porta,

trasportato al fegato dove subisce una prima metabolizzazione detta metabolismo di primo

passaggio o metabolismo pre-sistemico; è un tipo di metabolismo che sussiste anche a livello

gastrico, polmonare, intestinale o buccale. Una via di somministrazione presenta vantaggi e

svantaggi rispetto ad un'altra: • La somministrazione orale

presenta una maggior presenza di

barriere metaboliche da dover superare

ma una maggiore accettazione da parte

del paziente;

• La via rettale prevede un minor

numero di processi metabolici dato che

solo 1/3 del sangue refluo del colon è

immesso nel circolo portale verso il

fegato mentre il resto è immesso direttamente nella circolazione generale senza subire

processi metabolici;

• La via sublinguale supera direttamente qualunque metabolismo di primo passaggio

immettendo il farmaco direttamente in circolo.

Lo svantaggio principale della somministrazione orale è che a livello gastrico, a seconda del suo

contenuto, ci possono essere delle variazioni nell’assorbimento: la quantità, la natura, la

temperatura ed il pH del cibo contenuto nello stomaco possono rallentare la velocità con cui il

farmaco è riversato nell’intestino per l’assorbimento. Il tempo di svuotamento gastrico è essenziale

per regolare l’assorbimento del farmaco e può variare dai 30’ a 7h: nello stomaco si possono

manifestare diversi eventi che possono modificare la biodisponibilità del farmaco, dalla

competizione cibo-farmaco per i sistemi di trasporto alla cellula epatica

alle complessazioni cibo-farmaco, fino alle interazioni tra farmaci stessi.

A livello intestinale, ma anche in molti altri distretti corporei, sono

presenti altri elementi capaci di modificare l’assorbimento di farmaci

come le p-glicoproteine, proteine di membrana capaci di estrudere

diversi farmaci dal citoplasma riducendone così la biodisponibilità.

17

La biodisponibilità di un farmaco può essere pesantemente ridotta anche dai meccanismi

metabolici del fegato:

• Il rapporto di estrazione è un indice dell’entità dell’attività metabolica del fegato ed è

identificato dalla formula E = (C – C ) / C ;

in out in

• Il rapporto di estrazione incide quindi sulla biodisponibilità orale in ragione di Max F = 1 – E;

• Sia E che Max F possono essere descritti come numero decimale o percentuale Max F = 1 – 0,6 =

0,4 o 40%

La biodisponibilità orale può oscillare da valori talmente

bassi per cui occorre cambiare via di somministrazione, a

valori estremamente alti e, in rari casi, alla totalità.

Tra le più comuni vie di somministrazione di tipo enterale

rientrano la via orale, sublinguale e rettale mentre tra le vie

parenterali si ricordano la via endovenosa, intramuscolare e

sottocutanea. 18

Oltre alle succitate via parenterali, esistono altre vie meno praticate tra cui:

• Via intrarteriosa: il farmaco è somministrato direttamente nello specifico tessuto. È utile

per avere alte concentrazioni localizzate ed evitare effetti tossici in altri tessuti durante, ad

esempio, la somministrazione di antitumorali;

• Via intracardiaca: il farmaco è iniettato direttamente a livello del cuore;

• Via intratecale: la via intratecale sfrutta la somministrazione del farmaco nel liquido

cefalorachidiano al di sotto della dura madre;

• Via peridurale: sfrutta la somministrazione di farmaco nel liquido cefalorachidiano al di

sopra della dura madre;

• Via inalatoria: il farmaco viene somministrato come gas o come aerosol per avere un

effetto locale (e.g. farmaci antiasmatici) o sistemico (e.g. anestesia);

• Via intranasale: è una via naturale dove è sufficiente che il farmaco superi una mucosa. Può

generare sia un effetto locale che sistemico ed è una delle vie di accesso più comuni per le

droghe da abuso.

Tra le vie naturali possiamo ritrovare tutte le somministrazioni per via enterale (orale, sublinguale e

rettale) alle quali si aggiungono la via inalatoria, cutanea e mucosale (comprensiva delle mucose

nasofaringee, auricolari esterne, congiuntivali, vescicali, uretrali, vaginali o uterine).

Le vie artificiali racchiudono oltre alla via endovenosa e muscolare anche la via intradermica,

sottocutanea, intracardiaca, intraperitoneale, epidurale, intraarticolare, intratecale.

Distribuzione dei farmaci

La distribuzione è un processo farmacocinetico che implica il

passaggio della sostanza dal circolo sistemico ai tessuti: il

processo inverso dell’assorbimento. La meccanica del passaggio

da circolo sistemico a tessuto è molto simile a quella in fase di

assorbimento. Il farmaco può legarsi ad alcuni componenti

tissutali originando una forma bound oppure trovarsi in circolo e

19

risultare quindi una forma free: le due forme sussistono in un

equilibrio chimico regolato da diversi fattori.

Le forme free e bound esistono sia a livello ematico tra i

farmaci liberi e quelli legati a proteine plasmatiche, sia a livello

tissutale tra forme ionizzate e non ionizzate, incapaci di

passare le barriere cellulari.

Tra le proteine plasmatiche (PP) si ricordano:

• Albumine: legano i farmaci acidi;

• Globuline: legano i farmaci basici;

• Alfa 1-glicoproteina acida: è una proteina plasmatica che aumenta la sua concentrazione nel

sangue in seguito a patologie o eventi stressanti. Legano principalmente i farmaci basici;

• Lipoproteine: legano i lipidi endogeni. Tra le più comuni ci sono le lipoproteine HDL (alta

densità), le LDL (bassa densità), VLDL (densità bassissima) e le IDL (densità intermedia).

Il legame del farmaco con le PP è importante per determinare la sua azione e concentrazione nel

sangue oltre che il periodo di attività nell’organismo a seguito delle forme di deposito create dalle

PP. Non tutti i farmaci si legano in egual modo alle PP, ma dipende dalla affinità che ogni farmaco

mostra per una determinata proteina.

Il numero delle PP può variare in seguito alla somministrazione di farmaci o per condizioni

patologiche tra cui:

• Aumento delle Proteine Plasmatiche

o Morbo di Chron

o Malattie autoimmuni

• Diminuzione delle Proteine Plasmatiche

o Cirrosi epatica

o Sindrome nefrosica

o Malattie croniche debilitanti

Un fattore di non poco conto quando si parla del processo di distribuzione è la presenza delle

barriere biologiche come la Barriera EmatoEncefalica (BEE) e la Barriera FetoPlacentare (BFP).

La BEE è costituita da un endotelio non

fenestrato con giunzioni serrate; l’endotelio

è stellato di enzimi e p-glicoproteine che

favoriscono l’effusione di farmaci che hanno

già penetrato le membrane ma sono

substrato di questa particolare pompa. La

presenza di avvolgimenti attorno ai capillari

dovuti alle cellule gliali impediscono ancora

di più il passaggio di eventuali farmaci. La

permeabilità della BEE è ridotta nei plessi

coroidei ed in alcuni distretti periventricolari e in caso di patologie infiammatorie o infettive (ad

esempio in caso di meningite). Nel Sistema Nervoso Centrale (SNC) possono quindi penetrare

20

solamente farmaci con un adeguato coefficiente di ripartizione olio/acqua o che riescono a

sfruttare i meccanismi di trasporto già presenti a livello della BEE.

L’altra barriera degna di interesse è la BFP che, sebbene molto meno restrittiva della BEE, filtra il

sangue diretto al feto. Generalmente l’equilibrio farmacocinetico tra la madre ed il feto avviene in

circa 40 minuti, per cui è sicuro somministrare farmaci alla madre poco prima del parto.

Le condizioni che possono influire sulla distribuzione sono:

• Flusso ematico al tessuto;

• Capacità del farmaco di attraversare le membrane;

• Legame del farmaco alle PP;

• Legame del farmaco a componenti tissutali;

• Presenza di barriere.

Il farmaco può uscire dal circolo e distribuirsi e, a

seconda delle sue caratteristiche, occupare un

volume di liquido diverso, anche tutto il volume

disponibile (si considera il volume dell’acqua

corporea): si costituisce quindi un equilibrio di

distribuzione tra sangue e tessuti.

All’equilibrio, tanto farmaco va dal circolo ai

tessuti quanto dai tessuti va al circolo.

Da un punto di vista farmacocinetico, una volta raggiunto l’equilibrio, la concentrazione risulta

ininfluente sulla distribuzione, dato che intervengono i meccanismi di trasporto, biotrasformazione

ed escrezione. Da un punto di vista matematico viene introdotta la teoria del modello

compartimentale farmacocinetico: un compartimento è un insieme di tessuti che raggiunge

contemporaneamente l’equilibrio di distribuzione. Alcuni tessuti interagiscono con i farmaci

sequestrandone parte dalla quota libera e generando forme di deposito, come ad esempio:

• Tetracicline: ossa;

• Barbiturici: tessuto adiposo;

• Clorochina: fegato; 21

• Iodio: tiroide;

• Isoniazide: tessuto elastico polmonare.

La concentrazione dei farmaci in un dato tessuto genera un coefficiente di partizione

farmaco/tessuto k = C / C , dove C rappresenta la concentrazione di farmaco nel tessuto e C la

p t a t a

concentrazione del farmaco nel letto vascolare: un farmaco può non raggiungere

contemporaneamente la stessa concentrazione in diversi tessuti come è altresì possibile che diversi

farmaci raggiungano la stessa concentrazione nello stesso tessuto.

Nel momento in cui si si realizza una forma di

deposito in un tessuto, si innesca un meccanismo

di redistribuzione, il farmaco viene rilasciato dalla

forma bound alla forma free nel torrente

circolatorio dal tessuto deposito per una nuova

distribuzione.

Il deposito può avvenire sia per legami con

componenti tissutali sia per alcune forme di

intrappolamento ionico: i farmaci acidi si

accumulano in ambienti acidi e viceversa.

Ulteriore parametro utile a capire la tendenza di un

farmaco a distribuirsi e uscire dal torrente circolatorio è il

volume apparente di distribuzione: esso indica il volume di

liquido nel quale dovrebbe essere disciolto il farmaco per

raggiungere la concentrazione plasmatica e può indicare la

presenza di eventuali forme di deposito.

22

Valutando il V del warfarin si nota come risulti

d

estremamente simile al volume plasmatico:

questo indica che il farmaco si trova

prevalentemente nel plasma invece che nei

tessuti.

Se il volume è di migliaia di litri (impossibile!)

significa che è molto presente nei tessuti e poco

nel plasma, andando altresì ad indicare una

forma di deposito extraplasmatico che sottrae il

farmaco al plasma. Una volta distribuito il farmaco

all’interno dell’organismo, processi di

eliminazione e biotrasformazione ne

riducono la concentrazione plasmatica.

Ad esempio, analizzando il

comportamento di un farmaco

somministrato in una sola dose per via

endovenosa, si nota come la

concentrazione vada a diminuire

secondo un gradiente esponenziale

(decadimento): questo andamento è

determinato solo dall’eliminazione del

farmaco e sfrutta un modello

monocompartimentale, dove l’intero

organismo raggiunge

contemporaneamente l’equilibrio di

concentrazione del farmaco. Se espleto

la funzione su un grafico

semilogaritmico ottengo una retta dove,

all’incontro sull’asse y ottengo la

concentrazione iniziale del farmaco.

In realtà è molto più corretto parlare di

modelli a due compartimenti, uno dove

i tessuti raggiungono immediatamente

l’equilibrio con il sangue ed uno che lo

raggiungono tardivamente.

Biotrasformazione dei farmaci

Il destino del farmaco all’interno dell’organismo è influenzato anche dalla capacità di andare

incontro a biotrasformazione. La sede principale delle attività di biotrasformazione all’interno

dell’organismo è il fegato ma anche altri organi e tessuti contribuiscono all’attività metabolica tra

cui reni, polmoni, intestino, placenta, surrene, cute.

23

Ogni molecola è dotata di un proprio corredo enzimatico per cui può concorrere all’attività di

biotrasformazione. Conoscendo in anticipo il percorso di un farmaco è possibile strutturarlo in

modo che i processi metabolici lo convertano, al termine del percorso, nella molecola effettiva:

vengono così preparati i profarmaci, farmaci che risultano attivi esclusivamente dopo opportuna

biotrasformazione all’interno dell’organismo. I fenomeni di biotrasformazione possono portare a

modifiche tali nella struttura chimica del farmaco da modificarne sensibilmente l’attività, ad

esempio:

• Aumento dell’attività terapeutica;

• Perdita dell’attività terapeutica;

• Trasformazione in metabolita tossico;

• Detossificazione;

• Acquisizione di differente attività terapeutica;

• Migliore escrezione.

Per ovviare queste problematiche vengono sviluppati i profarmaci, capaci non solo di ottimizzare la

biotrasformazione del farmaco stesso ma migliorare anche la compliance del paziente nei confronti

del farmaco tra cui il mascheramento di un sapore o un odore, riduzione del dolore in sede di

iniezione, miglioramento della stabilità chimica e dell’assorbimento, prolungamento dell’azione

oltre che una riduzione della tossicità.

Le reazioni di biotrasformazioni di un farmaco sono suddivise in reazioni di funzionalizzazione (fase

I) e reazioni di coniugazione (fase II). Le reazioni

di fase I sono utili a introdurre o mascherare

determinati gruppi funzionali come -OH o -NH 2

mentre le reazioni di fase II sono generalmente

preposte al legame del farmaco con un

determinato componente cellulare: mentre le

reazioni di fase I possono aumentare l’attività

di un farmaco, le reazioni di fase II

generalmente la riducono. La

biotrasformazione di un farmaco lo porta ad

essere più idrofilo per facilitarne l’escrezione,

oppure può essere escreto così com’è. Le reazioni di fase I sono principalmente reazioni di

ossidazione, ed in minor parte di riduzione ed

idrolisi, condotte nella frazione cellulare

microsomiale, principalmente a livello dei

mitocondri. Queste reazioni sono condotte

principalmente dal citocromo p-450 (CYP), legato a

livello mitocondriale e legato al reticolo

endoplasmatico rugoso: tramite una porzione

3+

contenente Fe che viene ridotta per acquisto di un

elettrone, lega il farmaco e l’ossigeno favorendo

24

l’ossidazione. I citocromi sono classificati con la formula CYP-numero famiglia-lettera sottofamiglia-

numero isoforma; attualmente il citocromo principalmente responsabile del metabolismo dei

farmaci è il CYP3A4, molto espresso a livello del fegato e dell’epitelio intestinale.

Le reazioni di fase II avvengono principalmente nel citosol e permettono il legame della molecola ad

alcune componenti biologiche; si ricordano:

• Glucuronazione;

• Coniugazione con glutatione;

• Acetilazione;

• Solfatazione;

• Coniugazione con amminoacidi;

• Metilazione.

Si riportano a titolo di esempio i metabolismi di alcuni farmaci

Metabolizzazioni di acido acetilsalicilico, isoniazide,

acetaminofene. 25

Due importanti molecole dimostrano però che non necessariamente le reazioni di fase II riducano

l’azione di un farmaco: nel caso della morfina, il derivato 6-glucuronide è un derivato più attivo

della molecola originaria; nel caso del minoxidil, la versione più attiva è il minoxidil solfato.

L’attività metabolica dell’organismo può essere potenziata (induzione enzimatica) o ridotta

(inibizione enzimatica) a causa di altre sostanze o eventi biologici:

• Induzione enzimatica: farmaci (e.g. barbiturici), insetticidi (e.g. DDT), inquinanti ambientali

(idrocarburi policiclici aromatici), alcol etilico, additivi alimentari, erbicidi, composti di natura

indolica in alcuni vegetali (e.g. cavoletti di Bruxelles), steroidi (e.g. testosterone)

• Inibizione enzimatica: farmaci (e.g. cimetidina), inibizione della sintesi, modifica del turnover

per aumento della distruzione della cellula, complessazione o inattivazione della molecola,

competizione per cofattori o sito attivo, modificazioni allosteriche.

La cinetica enzimatica di metabolizzazione e biotrasformazioni, può essere di ordine primo o di

ordine zero e, nella maggior parte dei casi, segue la legge di Michaelis-Menten V = (V [C]) / (k +

max m

C). Se k << [C], si ottiene una cinetica di ordine 0 dove la velocità di metabolizzazione è uguale alla

m

velocità massima del sistema; se invece k >> [C], allora il sistema segue una cinetica del primo

m

ordine regolata dalla concentrazione del substrato.

Escrezione dei farmaci

L’escrezione è il processo che porta

all’allontanamento dei farmaci dall’organismo tramite

la sua immissione nei tubuli renali, anche se sono

possibili fenomeni di riassorbimento. Le vie di

eliminazione maggiore sono attraverso il fegato ed i

reni, ma anche i polmoni per sostanze gassose o latte

materno, saliva, sudore, ecc…

• Escrezione renale, il rene può allontanare le

molecole di farmaco dall’organismo attraverso

diversi meccanismi: 26

o Filtrazione glomerulare: il processo è

aspecifico e trasporta il farmaco

presente nel liquido filtrato nei tubuli

(dal sangue ai tubuli). La componente

legata a proteine plasmatiche non

può essere filtrata perché, a causa

delle grandi dimensioni, non passa

attraverso l’endotelio dei capillari

renali: si ottiene una filtrazione di

circa il 20% del volume totale con

una velocità di circa 125 mL/min;

o Secrezione attiva: alcuni

trasportatori, sfruttando l’energia

liberata da ATP, riescono a portare

nel tubulo renale cationi ed anioni

organici. Il trasportatore lega la quota

free del farmaco e la elimina nel

tubulo renale, facendo in modo che

una quota bound si liberi dalle proteine plasmatiche per diventare free: il processo è

talmente efficiente che può arrivare ad eliminare anche il 100% del farmaco. La

clearance totale è il volume di liquido corporeo che può essere depurato nell’unità di

tempo, dovuto all’azione sia della filtrazione che della secrezione attiva. La

secrezione attiva può essere saturata e si instaurano gradienti di concentrazione,

inoltre è possibile che avvengano fenomeni di interazione tra molecole di farmaco e

molecole endogene e tra diverse molecole di farmaci;

o Riassorbimento: al contrario della secrezione attiva il meccanismo del riassorbimento

prevede che alcune sostanze, tra cui l’acqua e i farmaci lipofili, vengano reimmessi in

circolo. Il meccanismo di riassorbimento può essere sia passivo sia attivo, con

conseguente consumo di ATP;

• Escrezione biliare: la via di escrezione biliare permette di eliminare farmaci con un peso

molecolare superiore a 300-500 Da. Fenomeni di secrezione attiva possono eliminare anioni

e cationi oltre alle sostanze neutre, acidi biliari e metaboliti di fase II. Meccanismi come il

circolo enteroepatico permettono di aumentare la permanenza del farmaco nell’organismo.

o Circolo enteroepatico: i farmaci escreti

attraverso la bile e metabolizzati tramite

glucuroconiugazione possono essere

riassorbiti a livello intestinale. Infatti, la

flora batterica intestinale produce

glucuronidasi capaci di riportare il farmaco

in quota free e farlo riassorbire dal fegato:

questo processo è molto utile per i farmaci

utilizzati in caso di patologie epatiche per

mantenere a lungo il farmaco in circolo nel

27

fegato.

• Escrezione polmonare: è prevalentemente usata per l’escrezione di sostanze gassose, come

nel caso dell’etanolo per gli ubriachi, o come via di somministrazione-eliminazione per

alcuni farmaci come gli anestetici.

• Via mammaria: è una via di escrezione che porta il farmaco ad avere una concentrazione nel

latte materno molto simile a quella plasmatica, dato che il pH del sangue (7.4) è molto simile

a quello del latte (7.0)

• Via salivare: è una via che comporta un certo ricircolo del farmaco dato che la saliva viene

inghiottita (è come se il farmaco venisse nuovamente somministrato per os). L’analisi della

concentrazione del farmaco nella saliva è un buon indice per valutare la cinetica del farmaco

nell’organismo.

• Vie artificiali: oltre alle vie di escrezione naturali, esistono alcune vie di escrezione artificiali

utili nel caso quelle naturali risultassero insufficienti. Si ricordano in questa classe la dialisi

extracorporea, la dialisi peritoneale, l’emoperfusione.

Un ulteriore parametro da tenere in

considerazione è la clearance che può essere

relativa al singolo organo o a tutto l’organismo,

in quest’ultimo caso è la somma di tutte le

singole clearance d’organo: Cl = Fs x ([Ca] – [Cv])

/ [Ca] dove Fs rappresenta il flusso sanguigno, Ca

la concentrazione di farmaco a livello arterioso

(ingresso) e Cv la concentrazione di farmaco a

livello venoso (uscita). Dato che il rapporto di

estrazione di un dato organo è dato dalla

formula E=([Ca]-[Cv])/[Ca], allora Cl = FsxE.

Valutando la clearance renale è possibile valutare la presenza di secrezione attiva o riassorbimento:

• Clearance renale > volume filtrato glomerulare: si verifica sicuramente secrezione attiva

dato che non esiste altro processo che porta il farmaco nelle urine;

• Clearance renale < volume filtrato glomerulare: si verifica riassorbimento del farmaco

oppure il farmaco è legato alle proteine plasmatiche

La clearance è esprimibile anche come il rapporto tra il volume

di distribuzione apparente del farmaco ed il tempo di

eliminazione Cl = V/t da cui si ricava la costante di

e

eliminazione k = 1/t .

e e 28


PAGINE

62

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8 mesi fa


DETTAGLI
Esame: Farmacologia
Corso di laurea: Corso di laurea magistrale in chimica e tecnologie farmaceutiche
SSD:
Docente: Nieri Paola
Università: Pisa - Unipi
A.A.: 2018-2019

I contenuti di questa pagina costituiscono rielaborazioni personali del Publisher manuel.grotti di informazioni apprese con la frequenza delle lezioni di Farmacologia e studio autonomo di eventuali libri di riferimento in preparazione dell'esame finale o della tesi. Non devono intendersi come materiale ufficiale dell'università Pisa - Unipi o del prof Nieri Paola.

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