Farmacologia generale

Farmacologia generale

La farmacologia è la disciplina che studia il farmaco. Un farmaco è una qualsiasi sostanza chimica e fisica che è in grado di apportare, in un organismo biologico, determinate modifiche funzionali e strutturali: queste modifiche sono in grado di alterare un processo biologico. Il farmaco modifica una funzione biologica. Per esempio, da un punto di vista normativo, un farmaco non è il Licopene ma da un punto di vista farmacologico, lo è. Utilizziamo a nostro vantaggio questa capacità di alterare le funzioni biologiche in un soggetto dove queste funzioni sono alterate.

La farmacologia moderna nasce nel XX secolo ed è un ibrido tra varie discipline; sfruttiamo varie conoscenze per capire se una sostanza potrà avere o meno un’applicazione in terapia per una patologia sia nell’uomo che nell’animale. C’è un’altra definizione in cui si riconosce la parola farmaco: il farmaco viene usato anche in laboratorio sperimentale per indurre la patologia e non per curarla.

Branche della farmacologia

Una branca della farmacologia è la farmacogenomica, la quale si occupa di studiare e capire quali sono gli effetti del farmaco andando a ricercare, rilevare, quali sono le componenti di origine genetica nell’individuo che assume il farmaco, e che, in qualche modo, possono alterarne la risposta. Lo scopo è quello di cercare il miglior farmaco per il paziente.

Un’altra branca è la farmacoeconomia, ovvero, capire il farmaco rapportando la sua efficacia clinica con una valutazione di tipo economico. Il primo scopo della farmacologia è capire come funziona il farmaco. Il farmaco modifica una funzione biologica, quindi implica un’interazione chimica con un’altra molecola che trova nell’organismo target (bersaglio della sua attività).

Interazioni e meccanismi d'azione

Esistono due tipi di interazioni:

• Fortemente specifiche: in cui il farmaco è una sostanza che ha caratteristiche chimico-fisiche che conferiscono determinati tipi di attività, abbastanza specifiche. Un esempio è l’H₂O₂, con azione nociva verso i patogeni, ha azione ossidante su tutta una serie di molecole. È un farmaco.
• Fortemente aspecifiche: tipico della maggior parte dei farmaci, che utilizzano l’interazione con macromolecole organiche presenti nel nostro organismo.

La maggior parte dei target del farmaco sono proteine: spesso sono enzimi. Il farmaco si lega a proteine con funzione enzimatica, aumentando o diminuendo l’attività catalitica degli enzimi. Un altro tipo di target del farmaco è il recettore, cioè una proteina che serve a legarsi con mediatori endogeni (ormoni o neurotrasmettitori) che inducono un cambiamento nella funzione della cellula. Anche i canali ionici e trasportatori sono dei target. Il farmaco si lega al target e questo legame porta a una serie di effetti su più livelli.

Tutto ciò appartiene alla sfera del meccanismo d’azione del farmaco: il meccanismo d’azione può essere molecolare, cellulare o sistema d’organo. Tutti i parametri, gli studi e le metodiche che riguardano la comprensione di ciò che il farmaco fa all’organismo rientrano nella farmacodinamica. Essa riguarda lo studio delle proprietà su ciò che il farmaco fa all’organismo.

Il farmaco è uno xenobiotico, cioè una sostanza estranea al nostro organismo. Nel corso degli anni, l’organismo ha ideato meccanismi di difesa contro questi xenobiotici, facendo sì che, determinate loro caratteristiche chimico-fisiche, li portino ad essere poco assorbiti a livello intestinale, ad esempio; oppure avere dei sistemi enzimatici atti ad avere un’azione inibitoria su determinate sostanze. Il farmaco viene riconosciuto dall’organismo come sostanza estranea.

Quando entra nell’organismo, potrebbe essere o non essere assorbito, passare agevolmente o meno le membrane cellulari. Un nostro sistema di metabolismo è ideato per catturare quella molecola e modificarla dal punto di vista strutturale rendendola inattiva. L’organismo tenderà ad assicurare un’esauriente ed efficace escrezione. Non è scontato che il farmaco raggiunga il suo target poiché l’organismo, nei confronti del farmaco, attua una serie di misure che riguardano la possibilità o meno di essere assorbito, che sia metabolizzato, che sia distribuito nei vari compartimenti dell’organismo e che sia escreto.

Ciò che il farmaco fa all’organismo lo definiamo come pertinenza di un’altra branca della farmacocinetica, che è la farmacologia generale.

Tipologie di effetti

Esistono due tipologie di effetto che possiamo andare a valutare:

• Effetto graduale: è il più semplice. Può essere misurato attraverso una scala che prevede una gradualità. Ad esempio, colesterolemia.
• Effetto quantale: si muove attraverso gradini fissi, non mutabili e non frazionabili. Non ha possibilità di radiazione. Ad esempio, effetto morte.

Il farmaco produce un effetto (questo effetto può essere graduale) attraverso l’interazione di tipo chimico con target, che può essere un enzima, un recettore propriamente detto o un canale ionico. Recettore: è una proteina che si trova sulla membrana recettoriale o a livello citosolico o a livello nucleare. Il recettore aspetta l’arrivo di un ligando specifico per lui, un agonista che può essere un neurotrasmettitore, un ormone o mediatore biologicamente designato per andare a funzionare su quella determinata proteina. La proteina recettoriale riceve il ligando e, in base a questo legame, produce una serie di modifiche. Alcune volte il termine recettore è usato, in generale, per indicare una qualsiasi macromolecola endogena che possa legarsi ad un farmaco, producendo un effetto.

Interazione chimica e complesso farmaco-recettore

L’effetto graduale è dovuto al legame chimico del farmaco al target e che porta alla formazione del complesso farmaco recettore (F-R): F + R → FR. Questo complesso non è altro che il recettore che ha cambiato la sua conformazione in modo tale da essere in grado di apporre delle modifiche biologiche. Il recettore, nella sua forma fondamentale, interagisce poco, ma quando si lega, ad esempio, alla noradrenalina, interagisce in modo da apportare un effetto biologico. R = recettore adrenergico, che è un recettore propriamente detto. F = agonista => è in grado di far scaturire dal recettore lo stesso effetto, una serie di eventi intracellulari a valle, che avrebbe fatto il ligando endogeno. Normalmente, la tipologia di interazione chimica tra R (recettore) e F (agonista) è di questo tipo: F + nR ↔ FR (effetto biologico). Il legame di un farmaco agonista nei confronti di un recettore propriamente detto, si attiva attraverso forze deboli, come le forze di Van der Waals. La reazione è bidirezionale. In base ad una “concentrazione di recettore”, in relazione alle concentrazioni di farmaco, che mettiamo vicino al recettore, si possono formare un numero variabile di complessi F-R, regolati dalla legge dell’azione di massa.

Dove, la costante fissa è R e all’aumentare di F aumenta FR (complesso recettore-farmaco). Andando a graficare una situazione di questo tipo, ottengo:

• Quando il farmaco tende a zero, anche FR tende a zero.
• n → il massimo del complesso FR che si può formare, corrisponde alla totale occupazione dei recettori da parte di F.
• Il 50% della quota di FR ottenibile sull’asse delle y, corrisponde al valore della Kd.
• Il massimo di complesso FR che si può formare è n, numero dei recettori che la cellula esprime della superficie.

Al crescere della concentrazione di F sul sito recettoriale, aumenta la quota di complesso FR, andando da zero fino al massimo di recettori occupati, con cinetica iperbolica. Se prendiamo il livello di FR ottenuto sottraendo al 50% del livello ottenibile, quindi l’occupazione totale, tutti i recettori sono legati al farmaco, qual è la concentrazione di farmaco che fa formare il 50% di recettore? Coincide con la costante di dissociazione, la quale assume caratteristiche di una concertazione di farmaco che ha occupato la metà dei recettori occupati.

Se abbiamo un sistema recettoriale occupabile da farmaci, all’aumentare della concentrazione del farmaco, vediamo delle concentrazioni di farmaco che non danno una significativa occupazione recettoriale e quindi sono concentrazioni di farmaco subliminari. Poi, ad una determinata concentrazione vedo l’effetto. Normalmente, negli studi pre-clinici e clinici, gli aumenti di farmaco si fanno ad intervalli di gradino o 3x o 10x: una progressione per step di incremento. Per rapportare tutti questi incrementi, in modo più facile dal punto di vista grafico, dobbiamo usare il logaritmo.

Es: Log (10^-10) = -10

Log (10^-9) = -9

Log (10^-8) = -8

Se usiamo il logaritmo, tutti gli step di pari incremento assumono la stessa direzione. Se andiamo a valutare l’incremento della quantità di complesso FR che si forma con l’incremento logaritmico della concentrazione di farmaco, allora il grafico mi acquista dimensioni ragionevoli. La curva iperbolica viene trasformata in una cinetica sigmoidale: abbiamo compattato in una scala logaritmica. Al crescere della concertazione di farmaco sul sito recettoriale, aumenta l’occupazione del recettore, da parte del farmaco.

Teorie dell'occupazione recettoriale

Negli anni 50, vennero elaborate le prime teorie dell’occupazione recettoriale. Si vedeva che, all’aumentare di una dose di farmaco, aumentava il suo effetto.

Il fondamentale scientifico di ciò che è un’interazione chimica di questo tipo: se aumentiamo la dose assunta, ho più farmaco in corpo e sul sito recettoriale. Se abbiamo già farmaco sul sito recettoriale, occuperemo già recettori e andremo avanti nella curva precedente. Questa è un’interazione quantitativa. Quindi, se incrementiamo le concentrazioni di farmaco, aumento del logaritmo, aumenta l’occupazione recettoriale da 0 a 100% del possibile, passando attraverso un punto medio dell’occupazione del 50% dei recettori, data la concentrazione di farmaco che coincide con la costante di dissipazione di quel complesso FR. Questo valore di concentrazione, ci dà l’idea di affinità del farmaco: più è piccola questa concentrazione, più è potente il farmaco. Il farmaco sarà assunto in dosi piccole per arrivare a quel tipo di occupazione.

Teoria di Clark

Clark, farmacologo del XX secolo, cercò di capire come mai, al crescere della dose, aumenta anche l’effetto. Elabora questa teoria: se è vero che esiste una relazione farmaco-recettore di quel tipo, all’aumentare della concentrazione di farmaco aumento l’occupazione recettoriale e questo coincide con l’incremento dell’effetto. Vi è una relazione diretta tra occupazione recettoriale e effetto farmacologico. La graduazione dell’effetto, secondo Clark, è direttamente proporzionale alla quota relativa di recettore occupato. Quindi, se la gradualità dell’effetto che stiamo guardando va da un certo valore a un altro, con raggiungimento di un effetto massimale (non superabile), l’effetto aumenta fino a che non si attenuerà su un valore costante. Sull’asse delle y mettiamo l’effetto prodotto. Secondo Clark, se abbiamo il 50% dell’effetto, significa che il farmaco ha occupato il 50% dei recettori occupabili. Quando occupiamo il 100% dell’effetto, avremo occupato tutti i recettori. Otteniamo una curva concentrazione-risposta perfettamente sovrapponibile con quella precedente.

Teoria di Ariens

Qualche anno dopo arriva Ariens e inizia a pensare: cosa c’è in mezzo tra FR → … effetto? A quale effetto faceva riferimento Clark? Ariens afferma che la formazione di FR, al crescere delle concentrazioni di farmaco, andrà da zero a cento, secondo l’occupazione recettoriale regolata dalla costante di dissociazione del farmaco per il suo recettore. Il 50% dell’occupazione recettoriale è data dalla concentrazione di farmaco equivalente alla costante di dissociazione tra lui e il recettore. Gli eventi che si frappongono nel mezzo potrebbero amplificare o rallentare ciò che all’inizio era una semplice interazione recettore-farmaco. Una riflessione che potremmo fare sulla teoria di Ariens è che se occupare, attivando un recettore β-adrenergico cardiaco, fa aumentare il cAMP, siamo sicuri che serve attivare tutti i recettori affinché tutto il cAMP che si può formare, si formi? L’attivazione recettoriale a valle di questo recettore, può essere amplificata da sistemi esistenti. Basta una piccola spinta a valle per creare un effetto grande negli step successivi. Per cui, alla fine, se guardiamo la curva rossa dell’effetto finale, vedremo che è spostata verso concentrazioni più piccole.

Clark diceva che per avere il 50% dell’effetto, dobbiamo aver occupato il 50% dei recettori: Ariens smentisce questa teoria. Secondo quest’ultimo per avere il 50% dell’effetto, data una favorevole trasduzione (propagazione) del segnale, potrebbe bastare quando è occupato il 3% dei recettori. Questo 3% basta per portare il sistema amplificato. Per avere l’effetto tale magari basta aver occupato la metà dei recettori e non tutti. Possiamo avere una situazione contraria… A valle abbiamo un sistema che lavora male, non amplifica bene il segnale e magari lo ritarda. Per avere il 10% della risposta farmacologia, dobbiamo occupare il 50% dei recettori. Anche quando abbiamo occupato tutti i recetti possibili, cioè sulla curva FR (siamo al 10%), il nostro effetto non è ancora completo. Non sarà mai possibile raggiungere una completezza rispetto al teorico, anche se è meno probabile. Ariens riprende la teoria di Clark e dice che l’effetto farmacologico è proporzionale alla concentrazione del farmaco sul sito bersaglio, ma l’effetto non è correlato direttamente a FR, ma l’effetto è funzione di FR (f(FR)).

Quindi, più recettore occupiamo più effetto tenderemo ad avere; questa relazione tra effetto e occupazione recettoriale è regolata da una funzione complessa perché gli step tra questo effetto e occupazione sono molti. Per cui, osserviamo effetto e vediamo come si evolve al crescere delle concentrazioni del farmaco e quindi, tenere separate due curve. Una curva è quella dell’occupazione recettoriale: il farmaco occupa i recettori secondo una sua costante di dissociazione. Ora vediamo come evolve l’effetto al crescere della concentrazione sul sito recettoriale. Le due curve non necessariamente corrispondono. Avremo una curva dell’occupazione recettoriale e una curva dell’efficacia farmacologica.

Distinguendo le due cose, possiamo guardare sull’asse delle x, il log [Kd] oppure scegliamo uno degli effetti a valle rilevabile (es. battito cardiaco o pressione arteriosa) e correliamo lo stesso range di concentrazioni di farmaco all’effetto farmacologico: otteniamo un andamento della curva con cinetica uguale e non è detto che le due curve siano sovrapponibili. La curva blu usa l’effetto finale e potrebbe essere più a destra o a sinistra della curva nera. Come farmacologo mi interessa più la curva dell’efficacia.

Anche in questo caso avremo un effetto che andrà da effetto zero (il farmaco non mi sta facendo niente, è troppo poco) fino a un effetto massimale, cioè arriviamo a un livello oltre il quale il livello di incremento di concentrazione sul sito bersaglio, non evoca più una risposta aggiuntiva. Questo andamento, da uno zero a un 100%, ottenibile in senso relativo come effetto, vedrà anche lui un 50% che coinciderà con una determinata concentrazione di farmaco che lo ha prodotto e che non è più la stessa (può essere più a destra o a sinistra la curva). Questo è un parametro di tipo funzionale, cioè vediamo un effetto funzionale: il farmaco esercita un effetto. Questo parametro, in termini logaritmici, è la concentrazione di farmaco che produce il 50% della risposta ottenibile attraverso quel farmaco. È chiamata concentrazione efficace 50 (EC50): questa è la concentrazione di farmaco in grado di evocare il 50% della risposta farmacologia massima. Questo è un parametro fondamentale nello studio farmacologico.

Possiamo fare un’altra riflessione. Guardiamo l’occupazione recettoriale: un farmaco Ache ha questa curva, cioè al crescere della sua concentrazione, raggiunge l’occupazione recettoriale in questo range di concertazioni. Questa è una caratteristica del farmaco, del recettore o di entrambi? Una certa molecola e un sistema recettoriale interagiscono tra loro: se interagiscono a concentrazioni basse o a concentrazioni alte, è legata alla natura chimica del farmaco, in relazione alla natura chimica del recettore. È una cosa che riguarda entrambi: girano secondo una affinità reciproca che è espressa dalla costante di dissociazione.

Cambiamo farmaco, ma che agisce sullo stesso recettore: ha la medesima modalità di azione e medesimo meccanismo ma è un’altra molecola. Se è un’altra struttura molecolare, siamo sicuri che, quantitativamente, questa interazione sia equivalente?