principi di chimica farmaceutica 284 pagine

Principi di chimica farmaceutica

Programma del corso

• Progettazione e sviluppo di farmaci.
• Bersagli dei farmaci.
• Interazioni farmaco-bersaglio.
• Relazioni tra struttura e azione dei farmaci.
• Basi molecolari dell'azione dei farmaci.
• Macromolecole come farmaci.
• Macromolecole come bersagli di farmaci.

Obiettivo del corso

• Comprendere la stretta connessione tra struttura chimica e attività.
• Conoscere alcune classi di farmaci rappresentative per SAR e sviluppo.

Chimica farmaceutica

• Scoperta, progettazione, identificazione e preparazione di composti biologicamente attivi.
• Studio delle loro proprietà chimico-fisiche.
• Interpretazione del loro meccanismo d'azione a livello molecolare.
• Definizione delle relazioni struttura-attività.

Importanza della chimica farmaceutica

La crescita senza precedenti dell’aspettativa di vita per gli esseri umani, che è quasi raddoppiata in cento anni, è principalmente dovuta ai farmaci e a coloro che li hanno scoperti.

Alfred Burger, The Practice of Medicinal Chemistry, 1970

Aspettativa di vita e ricerca farmaceutica

• 1878: Pasteur scopre l’esistenza dei germi come causa delle malattie infettive.
• 1929: Fleming scopre la penicillina.
• 1932: Sulfamidici.
• 1940: Commercializzazione delle penicilline.
• 1952: Antipsicotici.
• 1957: Ansiolitici.
• 1965: β-bloccanti come antiipertensivi.
• 1976: Statine per il controllo del colesterolo.

"Senza cure, sarebbe vissuto al massimo ancora due anni, ma con le moderne terapie la sua sopravvivenza poteva essere accorciata di molto." Locuste, Daniele Luttazzi

Come si scopre un farmaco?

• Ricerca casuale.
• Ricerca razionale → Individuazione di un lead compound.

Ricerca di nuovi farmaci

Individuazione di lead compound

• Screening di prodotti naturali.
• Medicina popolare.
• Screening di librerie di prodotti sintetici.
• Ottimizzazione di farmaci esistenti ("me too", "me better").
• Ottimizzazione degli effetti collaterali di farmaci.
• Progettazione a partire da ligandi e modulatori naturali.
• Progettazione assistita da computer.
• Indagini sul metabolismo di farmaci (prodrugs, softdrugs).

FDA Approvals 2016

• 11 nuove entità molecolari.
• 11 nuovi biologici prodotti terapeutici:
  • 7 Anticorpi monoclonali.
  • 2 Oligonucleotidi antisenso.
  • 1 Peptide.
  • 1 Polidesossiribonucleotide.

FDA Approvals 2017 (dati al 30 settembre 2017)

• 34 nuovi ingredienti attivi.
• 21 nuove entità molecolari.
• 12 nuovi biologici prodotti terapeutici:
  • 8 Anticorpi monoclonali.
  • 4 Proteine.

Definizione di farmaco

Farmaco è una sostanza che interagisce con un distretto organico producendo una risposta biologica (es. cocaina, morfina, caffeina, curari, cannabis, alcol).

Ma per definire un farmaco non bastano queste caratteristiche: molte sostanze interagiscono e danno una risposta. I siti di interazione dei farmaci sono sistemi complessi e interconnessi, quindi una sostanza può produrre un effetto collaterale per interazione con distretti biologici diversi dal suo bersaglio principale, soprattutto in funzione della dose.

"omnia venenum sunt: nec sine veneno quicquam existit. Dosis sola facit, ut venenum non fit".

"Tutto è veleno: nulla esiste che non sia veleno. Solo la dose fa in modo che il veleno non sia tale." Paracelso, XVI secolo

Farmaci sono molecole di natura organica, metallorganica od inorganica, impiegate per la diagnosi, la prevenzione ed il trattamento delle malattie.

• Effetto positivo e negativo.
• Sistemi complessi.
• Dosaggio → farmaco o veleno.
• Qualsiasi natura.
• Azione.

Indice terapeutico

Indicatore della sicurezza di un farmaco: 50 = Rapporto tra dose letale nel 50% della popolazione (in genere riferita agli animali da esperimento) e dose efficace nel 50% dei casi.

Spesso sostituito dal margine di sicurezza: rapporto tra dose massima tollerata e dose minima efficace (DL₁/DE₉₉).

Molti farmaci possono avere effetti terapeutici a certe dosi e divenire tossici a dosi più elevate, quindi il dosaggio è un parametro critico nell’uso dei farmaci.

Es. IT Cannabis = 1000. Es. IT Alcol = 10.

Concetto di dosaggio applicato anche a pericolosità sostanze naturali/sintetiche: non tutte le sostanze sintetiche sono pericolose, come non tutte le sostanze naturali sono sicure.

Sostanze tossiche a 1000 mg/kg di peso corporeo

• Naturali:
  • Muscimolo.
  • Solanina.
  • Amigdalina.
• Sintetiche:
  • Etilene glicole.
  • Aspirina.
  • Sodio tiopentale.

Sostanze non tossiche a 1000 mg/kg di peso corporeo

• Naturali:
  • Saccarosio.
  • Acido citrico.
  • Acqua.
• Sintetiche:
  • Teflon.
  • Aspartame.
  • Glutammato monosodico.

Attività farmaci

• Cura: antibiotico.
• Prevenzione: vaccini.
• Alleviare: ansiolitici.
• Diagnosi: mezzi di contrasto.
• Alterazione:
  • Anestetico generale.
  • Immunomodulatore.

Esempio:

• FANS e antiulcera: alleviano e curano.
• Acido folico: previene e cura.
• Estrogeni: alterano e prevengono.
• Apomorfina: allevia e diagnostica.

Origine dei farmaci

La maggior parte dei farmaci impiegati attualmente è costituita da composti organici. Vengono ottenuti per:

• Isolamento: da piante, animali, microorganismi, fonti minerali.
• Sintesi: totale o parziale (modifica chimica di un prodotto di origine naturale). Es. antibiotici (penicilline).

Distribuzione percentuale dell’origine dei circa 350 farmaci considerati essenziali dall’OMS (Organizzazione Mondiale della Sanità). I farmaci essenziali sono quelli che soddisfano le esigenze sanitarie della maggior parte della popolazione e che dovrebbero perciò essere sempre disponibili in adeguata quantità e nelle opportune forme di dosaggio. Nonostante non si parli di farmaci biotecnologici, la maggior parte di questi è ottenuta attraverso processi biotecnologici. Questa partizione rappresenta bene anche la totalità dei farmaci.

Definizioni utili

• Farmaco ≡ principio attivo. Es. aspirina.
• Forma farmaceutica ≡ forma adeguata alla somministrazione, mediante la quale sono veicolati i farmaci.
• Dose terapeutica ≡ quantità necessaria a dare una risposta farmacologica utile.
• Medicamento o medicinale ≡ forma farmaceutica nel suo insieme (principio attivo + ingredienti inerti con funzioni varie, come riempimento, lubrificante, legante, antiossidante, conservante). Es. compressa di aspirina.

La struttura chimica del farmaco ne determina la risposta biologica. Di solito l’azione di un farmaco coinvolge 3 fasi, in successione:

1. Fase farmaceutica: scelta della formulazione e della via di somministrazione più opportuna (ottimizzazione di assorbimento e distribuzione).
   • Formulazione dipende dalle caratteristiche della molecola (compresse, pomata, via orale, supposta, iniezione endovenosa).
   • Importanza del "viaggio" del farmaco fino all'organo bersaglio, oppure somministrazione locale (+ penetrazione).
2. Fase farmacocinetica: ADME (assorbimento, distribuzione, metabolismo, eliminazione), controllo e determinazione biodisponibilità (quantità di farmaco effettivamente disponibile per l’azione (eventuale modifica durante il viaggio)).
3. Fase farmacodinamica: interazione farmaco-bersaglio al sito di azione (ottenimento massima attività e selettività e minima tossicità).

Fase farmaceutica

Scelta della formulazione e della via di somministrazione, cruciale per l’ottenimento dell’effetto desiderato.

• Effetti sistemici: avvengono in diversi distretti e/o in siti lontani da quello di somministrazione.
• Effetti localizzati: avvengono nel sito di somministrazione e/o in siti specifici.

Farmaci somministrati topicamente entrano nel torrente circolatorio e provocano effetti sistemici. Farmaci somministrati per via sistemica hanno effetti topici, se poco assorbiti o se non raggiungono sufficienti concentrazioni ematiche.

Vie di somministrazione

• Vie enterali:
  • Orale, rettale, sublinguale.
• Vie parenterali:
  • Intramuscolare, endovenosa, sottocutanea.
• Vie inalatorie:
  • Nasale, polmonare.
• Vie transdermiche.

Fase farmacocinetica

ADME = Assorbimento, Distribuzione, Metabolismo, Eliminazione.

Assorbimento

Trasferimento del principio attivo dal sito di assorbimento al torrente circolatorio → passaggio tra le giunzioni intracellulari o attraverso le membrane cellulari o tramite trasportatori o endo/esocitosi. Avviene in funzione delle caratteristiche chimico-fisiche e dell’area di superficie assorbente.

Circolazione sistemica e distribuzione

Distribuzione: trasferimento nei compartimenti dell'organismo.

Avviene in funzione:

• Della concentrazione del farmaco, del flusso sanguigno, della vascolarizzazione, della permeabilità capillare.
• Delle caratteristiche chimico-fisiche del farmaco.
• Della presenza di barriere cellulari (BEE).

Metabolismo

• Modificazioni enzimatiche con formazione di uno o più metaboliti (in fegato, reni, polmoni, plasma):
  • Fase I (ossidazione, riduzione, idrolisi).
  • Fase II (coniugazione).
• Azione idrolitica dell'ambiente acido dello stomaco:
  • Metaboliti resi più idrofili → eliminati.
  • Metaboliti → inattivi, meno attivi, tossici.

Eliminazione

Rimozione, dall'organismo, del farmaco o dei suoi metaboliti attraverso varie vie:

• Reni.
• Feci.
• Polmoni.

Fase farmacodinamica

Interazione farmaco-bersaglio al sito d’azione. La produzione di una risposta biologica da parte di un farmaco è conseguenza di una interazione con uno specifico bersaglio molecolare quindi è necessario un processo di riconoscimento reciproco tra farmaco e bersaglio (dogma centrale della farmacodinamica).

La chimica farmaceutica si occupa di farmacodinamica, precisamente della stretta relazione tra la struttura molecolare di un farmaco e la sua attività biologica:

• La struttura chimica influenza l’interazione con il bersaglio.
• La struttura chimica influenza il percorso del farmaco nell’organismo.

Informazioni necessarie

Per studiare l’influenza della struttura chimica sull’attività biologica, è necessario conoscere:

• Struttura del bersaglio e altre informazioni.
• Meccanismo con cui il farmaco esercita l’effetto.
• Proprietà chimico-fisiche del farmaco (acidità/basicità, solubilità, coefficiente di ripartizione, dimensioni molecolari, stereochimica ecc.).

Bersagli dell’azione dei farmaci

Target

• Proteine: classificazione proteine in 4 categorie, dal punto di vista farmaceutico, alcuni possono far parte di categorie diverse (canali ionici):
  • Proteine strutturali.
  • Proteine di trasporto.
  • Enzimi: come pompe ioniche e canali ionici
  • Recettori:
    • Intracellulari.
    • Transmembrana:
      • Ionotropi: come pompe ioniche e canali ionici.
      • Metabotropi.
      • Ad attività enzimatica.
• Acidi nucleici.
• Altro:
  • Lipidi.
  • Carboidrati.

Farmaci rappresentanti eccezioni al quadro dei bersagli:

• Antiacidi: neutralizzano H⁺.
• Agenti chelanti: di metalli, soprattutto pesanti.
• Diuretici: purganti osmotici, richiamano acqua nel sito dove vengono somministrate (soluzioni con sostanze molto idrofile, che non vengono digerite, con proprietà colligative che richiamano acqua). Es mannitolo.

Proteine strutturali

Soprattutto proteine di protezione di una qualche struttura. Sono bersagli interessanti.

Es. collagene, filamenti intermedi, citoscheletro, pectine, tubulina, cheratina (disturba ad es. azione farmaci antimicotici, perché non passano la superficie cheratinosa delle unghie → terapia orale, azione specifica su tessuti specifici).

Tubulina, costituente dei microtubuli (fuso mitotico): La gran parte ha attività antitumorale (perché bloccano la crescita delle cellule).

• Alcaloidi della vinca e taxani: farmaci antitumorali. Inibiscono la polimerizzazione della tubulina (i primi), e la depolimerizzazione (i secondi) → non disgregazione fuso mitotico.
• Colchicina: antireumatici, bloccano la depolimerizzazione dei tubuli a livello delle articolazioni e bloccano l’entrata dei neutrofili nelle articolazioni (causa di infiammazione).

Ogni sostanza ha sito specifico di azione sulla tubulina. Sono sempre relativamente piccoli, ma gli alcaloidi sono più grandi della colchicina.

Proteine virali che costituiscono il capside

Buon bersaglio per l’azione dei farmaci, perché vanno a colpire strutture vitali per il virus → no proliferazione e no entrata nel sistema genetico della cellula ospite.

• HIV ha sistema di riconoscimento di alcune citochine all’esterno della cellula umana (target CD4), si legano e si fondono, attraverso delle proteine → entrata materiale genetico → infezione o latenza. Le proteine entry inhibitors si inseriscono all’interfaccia e impediscono la fusione.
• Capsid-binding agents: pori all’interfaccia delle interazioni tra le proteine del rinovirus, dentro cui si inserisce il farmaco, che inibisce l’effetto protettivo per il virus.

Proteine di trasporto

Trasportatori di membrana: consentono il passaggio attraverso la membrana, di sostanze polari e alcune sostanze grandi, che altrimenti non riuscirebbero ad attraversare lo strato idrofobico. Viene bloccato anche il trasporto fisiologico.

Es. albumina (trasportatore troppo genetico). Suddivisione in 2 classi importanti:

• ABC (ATP binding cassette): usati per espellere i xenobiotici. Es. P-gP responsabile della resistenza agli antibiotici, lo considera una sostanza estranea perché ha imparato a riconoscerlo.
• Trasportatori di neurotrasmettitori: molto importanti come bersagli di farmaci.
  • Diuretici dell’ansa: agiscono sui sistemi di co-trasporto di ioni, inibendo il riassorbimento di elettroliti → aumento elettroliti nelle urine → richiamo acqua nelle urine → aumento volume urine (effetto diuretico).
  • Glicosidi cardiaci: a livello cardiaco, bloccano l’ATPasi Na⁺/K⁺, bloccando così la perdita del calcio → aumento calcio → aumento forza contrazione (per insufficienza cardiaca).
  • Antidepressivi: La cellula nervosa produce i neurotrasmettitori, li immagazzina in vescicole e nel momento di bisogno li rilascia. Poi vengono richiamati all’interno della cellula e vengono rimmagazzinati. La depressione è data da malfunzionamento dei recettori, i farmaci inibiscono il sistema di ricaptazione → aumento concentrazione sul neurone post-sinaptico → maggiore effetto.

Enzimi e recettori

Bersagli molto utilizzati.

• Importante il sito attivo (spesso complementari).
• Importanti i cofattori.

Es. farmaci chelanti di metalli essenziali come cofattori → bloccano l’attività dell’enzima. Farmaci come inibitori enzimatici (più facile) e come sostituti enzimatici, anche antagonisti.

Inibizione

• Competitiva: farmaco compete con il substrato, ma non innesca la reazione → inibizione reversibile o irreversibile (se si lega in modo covalente).
  • Es. Sulfamidici (antibiotici, primi ad entrare in commercio (prima della penicillina)), che si inseriscono in una via metabolica (produzione acido diidrofolico) a livello di formazione della molecola a partire dai precursori e bloccano l’enzima diidropteroato sintetasi (acido para-amminobenzoico + 6-idrossimetil-7,8-diidropterina difosfato + acido glutammico). Assomigliano strutturalmente all’acido para-amminobenzoico (PABA):
    • Occupano il sito attivo dell’enzima, bloccandone la funzionalità.
    • Oppure si legano al primo precursore, ma la porzione diversa (solfonammide) non permette il legame della terza molecola.
    I batteri sono in grado di produrre naturalmente l’acido folico, le cellule si difendono sintetizzando una maggiore quantità di enzima, oppure imparando ad utilizzare l’acido preformato assunto con la dieta. L’uomo non è in grado di sintetizzare l’acido folico (specificità azione verso batteri).
• Irreversibile:
  • Es. Penicilline, ammidi cicliche (struttura molto reattiva). Agiscono sull’enzima transpeptidasi (residuo serina nel sito attivo) → rottura legame anello β-lattamico (resta legato l’enzima: gruppo R molto grande non permette all’acqua di raggiungere il legame e agire separando le due molecole → legame covalente stabile). La transpeptidasi avrebbe agito su un dimero di D-alanina. Sintesi ulteriore di enzima, ma il microrganismo è già senza parete e non fa in tempo, quindi muore.
  • Es. Inibitori DPP-4 (Residuo cisteina) agiscono su una via di produzione di glucosio → ipoglicemizzanti. Intermedio covalente che blocca l’enzima, regolarizzando la via metabolica. Farmaci che formano legami covalenti molto specifici, colpiscono strutture molto particolari, in modo specifico (non causano problemi molto più grandi).
• Allosterica (non competitiva):...