Parte di Chemioterapia

I farmaci nell'organismo

Concentrazione plasmatica e risposta terapeutica

Regime A e B: sono somministrazioni ripetute endovena; nel regime A il farmaco viene distribuito, metabolizzato ed eliminato, per cui ci sono picchi ad ogni somministrazione, fino a raggiungere la finestra dello steady state (del successo terapeutico); nel regime B il farmaco si sta accumulando nell'organismo e quindi si possono raggiungere concentrazioni tossiche! Con moltissime sostanze la tossicità dipende dalla concentrazione! Ad esempio con l'acqua, questa se in eccesso può diventare tossica nonostante il 70% del nostro corpo sia formato da acqua, perché cambiano le concentrazioni dei sali, degli elettroliti delle cellule; si ha diluizione.

Iter del farmaco nell'organismo

NB: I processi di assorbimento, distribuzione, ed eliminazione sono tutti influenzati dalla capacità del farmaco di attraversare le membrane cellulari. Quando viene somministrato un farmaco, la compressa ad esempio si disgrega (si dissolve), entra in soluzione e il principio attivo viene assorbito, entra in circolo e si ha un farmaco libero, farmacologicamente attivo (che determina anche la tossicità) che viene distribuito ai vari distretti dell'organismo e sarà in equilibrio dinamico con il farmaco legato (alle proteine plasmatiche); l'equilibrio sarà anche con le riserve tissutali (e tessuto adiposo) e con quello legato ai recettori (sito d'azione: quello libero si lega al target e svolge la sua azione farmacologica; poi si stacca dal recettore e torna farmaco libero).

L'organismo cerca di eliminare il farmaco perché è una sostanza estranea => ci saranno processi di biotrasformazione con formazione di metaboliti e tutto questo porterà ad un'escrezione (riconosciuto come sostanza estranea, non self, da eliminare).

Assorbimento, distribuzione ed eliminazione

L'assorbimento, distribuzione ed eliminazione dei farmaci sono tutti legati alla loro capacità di attraversare la membrana. Caratteristiche delle membrane:

• Membrana generale: 40% PL – 60% proteine.
• Membrana mitocondriale: 20-25% PL – 75-80% proteine.
• Membrana mielinica: 75% PL – 25% proteine (serve per trasportare gli impulsi nervosi e si trova nella membrana assonale).

La membrana è formata quindi da lipidi, proteine e carboidrati; il colesterolo (caratteristica degli eucarioti) è importante perché garantisce la fluidità delle membrane. Le proteine (e quindi anche i recettori) si spostano all'interno della membrana proprio perché questa è fluida. Il colesterolo però, se in eccesso nelle membrane, è dannoso perché può portare ad esempio a riduzione del lume del vaso (occlusione e formazione di placca aterosclerotica; non è vasocostrizione, che è determinata da contrazione della m. liscia!). Le sostanze per poter attraversare le membrane devono avere determinate caratteristiche: prima di tutto non devono essere cariche (non possono essere troppo polari) e anzi solo le molecole non cariche possono attraversare per diffusione passiva.

Assorbimento

Diffusione passiva

Caratteristiche dei farmaci che ne facilitano la diffusione attraverso le membrane:

• Assenza di carica.
• Elevata liposolubilità (apolarità).

Funziona sul gradiente di concentrazione della sostanza che deve attraversare. Si può calcolare la liposolubilità di una sostanza con il coefficiente di ripartizione = Conc in olio / Conc in acqua; è un indice quantitativo del grado di idrofilia/lipofilia di un farmaco (quanto si ripartisce nella parte lipidica rispetto a quella idrofila):

• Se >1 farmaco tendenzialmente lipofilo.
• Se <1 farmaco tendenzialmente idrofilo.

NB: Peso Molecolare: non solo il gradiente è importante per determinare la diffusione passiva, ma anche il PM, in quanto molecole di peso superiore a 1000 solitamente possono essere assorbite solo per pinocitosi e non per diffusione passiva.

Pinocitosi/endocitosi

È caratterizzata dalla formazione di vescicole che contengono il farmaco in soluzione invaginazione della membrana, formazione della vescicola che può passare la membrana e rilasciare la sostanza. Il contenuto delle vescicole può essere rilasciato nel citoplasma o addirittura all’altro lato della cellula (transcitosi: tipica dell’endotelio capillare). La pinocitosi è caratteristica di proteine (tossina botulinica o insulina) ed, in genere, delle molecole a PM > 1000. Richiede energia sotto forma di ATP ed è ancora più versatile del trasporto attivo, che richiede l'intervento di proteine di trasporto presenti sulla membrana cellulare.

Ruolo delle proteine di membrana

Le proteine di membrana possono essere recettori e quindi possono dividersi in:

• Recettori proteici (sono ad esempio quello dell'insulina).
• Recettori canale (che fanno passare ioni, come quello dell'Ach, e servono quindi anche per trasmettere un impulso: creano un ddp nella membrana che trasmette l'impulso); ci sono poi recettori canale che hanno un gate regolato dal potenziale (es canali del Ca).

Esistono anche proteine di trasporto, che trasportano sostanze (partecipano al trasporto attivo e alla diffusione facilitata dei farmaci) e proteine con legate catene zuccherine (glicoproteine di membrana).

Diffusione facilitata dei farmaci

Avviene ad opera di trasportatori (proteine) presenti nella membrana. È saturabile: quando si ha una quantità troppo elevata di sostanze trasportare e quando non si ha più il gradiente di concentrazione. È selettiva (fino a un certo punto) e segue il gradiente di concentrazione.

Trasporto attivo dei farmaci

Avviene ad opera di scambiatori/cotrasportatori presenti nella membrana. È selettivo (fino a un certo punto) perché il trasportatore riconosce un certo tipo di sostanza. Può avvenire anche contro il gradiente di concentrazione (in quanto è accoppiato ad un processo in grado di fornire l’energia necessaria = ATP). È saturabile (e tendenzialmente unidirezionale), non tanto per l'annullamento del gradiente, ma perché vengono occupati tutti.

Il ruolo dei trasportatori proteici nell’assorbimento dei farmaci

Le proteine di trasporto sono delle proteine multifunzionali che hanno un ruolo fisiologico nella modulazione del trasporto di diverse sostanze quali zuccheri, lipidi, aminoacidi, acidi biliari, steroidi, ormoni, vitamine => possono trasportare diversi tipi di sostanze, non solo i farmaci (è un caso che riconoscano anche questi!). Svolgono un ruolo importante nell'acquisizione di sostanze importanti per l'organismo, ma anche per l'espulsione di sostanze, come gli acidi biliari, che sono importanti per l'emissione dei grassi, che altrimenti non potrebbero essere assorbiti (se non in parte ad es sulla membrana esterna dell'orletto a spazzola dell'enterocita si trova un trasportatore NPC1L1 che riconosce il colesterolo e lo fa entrare per assorbire quello presente nel cibo). Questi trasportatori servono però anche per eliminare ed espellere le sostanze potenzialmente tossiche.

• Captazione: facilitano l’entrata di sostanze (tra cui farmaci) all’interno delle cellule.
  • OATP (organic anion transporting polypeptide).
  • OAT (organic anion transporter).
  • PEPT (peptide transporter).
• Efflusso: esportano sostanze (tra cui farmaci) all’esterno delle cellule, anche contro un gradiente di concentrazione perché sono proteine che legano ATP e quindi lo utilizzano per funzionare.
  • ABC (ATP binding cassette): P-gp (P-glicoproteina) / MDR1 (multidrug resistance protein 1).
  • BCRP (breast cancer resistance protein).

Queste proteine di trasporto sono quindi responsabili della resistenza ai farmaci, non solo agli antitumorali, ma anche agli antibiotici; questo perché le proteine di trasporto si trovano:

• Nel fegato in zone strategiche, ovvero: intorno al canalicolo biliare (e quindi permettono il passaggio e l'escrezione delle sostanze nella bile) e a livello degli epatociti, dove si trovano le cellule endoteliali => passaggio delle molecole dal sangue agli epatociti, che le filtrano e metabolizzano (serve anche per il ricircolo degli acidi biliari che produce).
• Nel cervello a livello della barriera ematoencefalica, dove modulano quali sostanze dall'endotelio possono passare alla cellula nervosa e viceversa (è una barriera di difesa, che deve permettere l'espulsione delle sostanze tossiche).
• Nel rene a livello dei tubuli prossimali, dove regolano l'escrezione del farmaco e la sua eliminazione dall'organismo.
• Nell'intestino, sull'orletto a spazzola, dove regolano l'assorbimento delle sostanze dal tratto GI.
• A livello di placenta, ovaie, testicoli, fondamentali per la riproduzione e quindi necessitano di proteine che possano espellere le sostanze nocive (devono essere protette per cui devono ributtare fuori le sostanze nocive).

Assorbimento orale e trasporto attivo

I trasportatori a livello intestinale sono coinvolti nella:

• Captazione dei farmaci [favorisce l’assorbimento] PepT1; H+-MCT; SPNT1; ASBT; SLGT1; Dipet-TripeptT.
• Secrezione dei farmaci [limita l’assorbimento] P-gp (o MDR1); MRP1; cMOAT (MRP2); OCT1; OATP3; BCRP; LRP.

Glicoproteina P (P-gp o MDR1 o ABCB1)

Membro della famiglia di trasportatori ABC (ATP-binding cassette), ha due siti di legame per ATP, che lega e che fornisce l'E. La proteina consiste di circa 1200 amino acidi (abbastanza grossa). Gene identificato in diverse specie:

• Topo: mdr 1a,1b e 2.
• Ratto: pgp 1,2 e 3.
• Cavia: pgp 1,2 e 3.
• Uomo: MDR 1 e 2.

Ha 12 segmenti transmembrana. Largamente distribuita in colon, intestino tenue (è importante che si trovi qui perché il tenue è molto lungo e soprattutto possiede molte frastagliature: ha le pieghe e quindi ha una superficie ampissima), fegato (è il filtro che protegge l'organismo dalle sostanze tossiche) e cervello (la barriera ematoencefalica protegge dall'entrata di sostanze tossiche dannose). Ruolo fisiologico: la P-glicoproteina si trova a livello della superficie apicale di cellule tipicamente associate a fenomeni di trasporto:

• Superficie apicale delle cellule della mucosa intestinale.
• Membrane dei canalicoli biliari.
• Orlo a spazzola del tubulo renale prossimale.
• Cellule endoteliali di cervello e testicoli, dove protegge dall'entrata di sostanze estranee.

È stato proposto che il ruolo fisiologico della P-glicoproteina sia la detossificazione mediante la secrezione attiva di xenobiotici.

NB: La P-gp è però coinvolta anche nella resistenza multifarmaco (MDR), fenomeno secondo il quale cellule tumorali sviluppano resistenza a farmaci citotossici e quindi l'organismo non risponde più al trattamento farmacologico => la P-glicoproteina utilizza l’energia risultante dalla idrolisi di ATP per pompare i farmaci citotossici fuori dalle cellule (impedendone l’assorbimento e l’attività); questo porta a perdita dell'effetto del farmaco.

NB: Nel caso della resistenza antibiotica la P-gp appartiene al battere, ma anche all'uomo (ad esempio nelle cellule intestinali, dove può limitare l'assorbimento del farmaco); mentre nel caso dei chemioterapici è delle cellule dell'uomo sia tumorali che sane => MDR è il risultato della sovraespressione di P-glicoproteina: MDR1 nell’uomo; mdr1 e pgp1 nei roditori.

Induzione della P-gp ad opera della rifampicina

[L'AUC dice come il farmaco si distribuisce nell'organismo (indice dell'andamento nel tempo della concentrazione del farmaco). Il farmaco ad un determinato tempo (Tmax) arriva ad essere alla conc Cmax]. In questo caso, se somministro Digossina da sola avrò una certa concentrazione di farmaco assorbita e distribuita nell'organismo; se si somministra insieme alla Rifampicina, la Cmax diminuisce moltissimo perché questa è un induttore farmaco-metanolico che induce l'espressione è l'attività della P-glicoproteina che, funzionando di più, determina espulsione dei farmaci => la Digossina, anche se assorbita allo stesso modo, viene eliminata e ributtata fuori dalle cellule il paziente con scompenso, che necessita la Digossina, può andare incontro a gravi problemi perché non si raggiunge il range di concentrazione terapeutico.

Assorbimento "ingegnerizzato" dei farmaci

Se i farmaci hanno problemi ad essere assorbiti e a passare le membrane, è possibile svilupparne alcuni che utilizzino i sistemi di trasporto delle sostanze nutritizie per favorirne l’assorbimento. Usare i sistemi di trasporto attivi può contribuire a superare diversi problemi che limitano lo sviluppo di farmaci:

• Limitata permeabilità intestinale.
• Rapida eliminazione dei farmaci.
• Breve emivita (tempo necessario perché la concentrazione del farmaco si dimezzi).
• Scarso assorbimento dovuto a limitata solubilità.
• Scarsa capacità di penetrare il SNC.
• Elevato metabolismo di 1º passaggio: avviene nel fegato e può essere anche del 90%.

Visto che la presenza dei trasportatori blocca l'entrata di questi farmaci, diventa necessario identificare un trasportatore appropriato utilizzato per l'assorbimento di sostanze nutritive (che quindi necessariamente fa entrare la sostanza nella cellula); si cerca di capire la forma 3D riconosciuta da questo trasportatore (si sviluppa un sistema di valutazione del trasporto) e si cerca di identificare le caratteristiche chimiche necessarie al trasporto (modulo di xenotrasporto); il farmaco viene quindi modificato ad esempio attaccandogli un gruppo in più che gli permette di essere riconosciuto dal trasportatore si combina il modulo di xenotrasporto con la struttura ad attività farmacologica: viene modificata la struttura del farmaco in modo che possa essere riconosciuto dal trasportatore e possa essere assorbito (si può sia aggiungere gruppi funzionali coniugando il farmaco stesso, oppure sviluppare pro-farmaci), andando a by-passare i problemi => si sfruttano i sistemi fisiologici dell'organismo per avere l'effetto terapeutico.

Valutare in vitro l’efficienza del trasporto » Valutare la biodisponibilità nell’animale da esperimento » Nb: Se queste proteine modulano l'assorbimento, il metabolismo e l'eliminazione del farmaco, si può allora modulare anche l'effetto terapeutico perché si modula la quantità di farmaco presente in circolo (farmaco libero e legato) e si modulano quindi anche gli effetti tossici, oltre a quelli terapeutici.

Es: proteina ABCA1 (trasportatore del colesterolo che si occupa di buttare fuori il colesterolo dalla cellula) e morbo di Tangier (in assenza di questa proteina) questa malattia è molto rara (~ 100 pazienti omozigoti che non esprimono la proteina) e provoca la formazione di tonsille gialle. Le tonsille normalmente, essendo linfonodi, contengono i linfociti e macrofagi, cellule "spazzino" che ripuliscono vasi e tessuti e possono esprimere recettori per le lipoproteine e internalizzarle al loro interno; allo stesso tempo possono però anche ributtarle fuori perché hanno il trasportatore ABCA1. Nel morbo di Tangier, visto che non c'è ABCA1, il colesterolo si accumula all'interno del macrofago che non può espellerlo e muore, dando il colore giallo alle tonsille perché piene di grasso. Il problema è che i grassi si accumulano nei vasi e i pazienti muoiono per aterosclerosi precoci; gli omozigoti invece muoiono prima di nascere per tossicità a livello fetale perché la proteina ABCA1 è coinvolta anche nell'assorbimento di altre sostanze a livello intestinale e, non ricevendo nutrienti, il feto muore (questo spiega perché sono pochi i casi di questa malattia).

Grafico: topi normali che esprimono P-gp (nero) e topi che non la esprimono (bianco). In questo caso viene somministrato Verapamil radioattivo e si va a vedere la radioattività presente nel cervello topi: quelli che hanno la P-gp hanno una bassa radioattività perché il Verapamil, arrivato alla BEE, viene ributtato fuori; nei topi in cui manca la P-gp si ha invece accumulo del farmaco nel cervello. Se si da però Ciclosporina a conc crescenti, nel topo transgenico non cambia nulla, mentre nel topo normale, al crescere delle dosi di ciclosporina, la radioattività cresce come se non ci fosse la P-gp. Perché? La ciclosporina va a competere ed è più affine alla P-GP per cui viene espulsa la ciclosporina e il Verapamil può entrare.

Modulazione dei trasportatori

Queste proteine di trasporto possono sia esser modulate dai farmaci, che dagli eccipienti, che servono solo per la somministrazione del farmaco: Cremophor = surfactante non ionico che inibisce la P-glicoproteina e quindi aumenta ad es di ~22% la biodisponibilità orale della digossina (il suo assorbimento), che ha un IT stretto e quindi può essere molto pericolosa.

Distribuzione

Nell'iter del farmaco nell'organismo questo viene distribuito ai vari distretti e in questo caso grande importanza va al legame alle proteine plasmatiche, che può ridurre molto la distribuzione ai tessuti e può essere un problema per farmaci con: