farmacocinetica

FARMACODINAMICA

STUDIO DEI MECCANISMI D’AZIONE DEI FARMACI E DEI LORO

EFFETTI SUGLI ORGANISMI VIVENTI

AZIONE DEL FARMACO = MODIFICA DI FUNZIONI O

PROCESSI BIOCHIMICI PREESISTENTI

(come e dove l’effetto è prodotto)

• FARMACI AD AZIONE ASPECIFICA

inducono modifiche funzionali in base alle loro proprietà fisiche e/o

chimiche, senza particolari affinità per particolari bersagli. Richiedono un

dosaggio elevato

• FARMACI AD AZIONE SPECIFICA

inducono modifiche funzionali in base all’interazione con siti specifici su

cellule e/o altre strutture. Richiedono un dosaggio più basso rispetto ai

precedenti.

EFFETTO DEL FARMACO = ciò che esso produce

SITO D’AZIONE = organo, tessuto, cellula sulla quale il farmaco agisce, dando luogo

alla catena di eventi che conducono all’effetto

LOCALI l’effetto si manifesta nel punto di

applicazione (lidocaina)

SISTEMICIl’effetto si manifesta dopo l’assorbimento e

la distribuzione (aspirina)

CLASSIFICAZIONE DEGLI EFFETTI FARMACOLOGICI

IMMEDIATIl’effetto è rapido, dopo una singola

esposizione (diazepam)

REVERSIBILIl’effetto scompare quando cessa

l’esposizione (broncodilatatori)

RITARDATIl’effetto si manifesta dopo un certo periodo

dall’esposizione iniziale (antidepressivi)

IRREVERSIBILIl’effetto permane quando cessa l’esposizione

(esteri organofosforici)

MECCANISMI ELEMENTARI D’AZIONE DEI FARMACI

(I) FARMACI CHE AGISCONO IN VIRTU’ DELLE LORO

PROPRIETA’ CHIMICO-FISICHE

• OSMOTICI (diuretici, purganti)

• ACIDI E BASI (antiacidi)

• OSSIDANTI-RIDUCENTI (disinfettanti)

• F. CHE FORMANO BARRIERE FISICHE (emollienti; sucralfato)

• ADSORBENTI (antidiarroici)

• SURFACTANTI (antisettici)

• STABILIZZANTI DI MEMBRANA (antiaritmici, anestetici locali)

MECCANISMI ELEMENTARI D’AZIONE DEI FARMACI

(II) FARMACI CHE INTERAGISCONO CON MACROMOLECOLE

COSTITUENTI DELL’ORGANISMO

TUTTE LE BIOMOLECOLE SONO BERSAGLI POTENZIALI: PROTEINE, LIPIDI, ACIDI NUCLEICI

• enzimi

- INIBITORI (reversibili o irreversibili) es. inibitori delle MAO, inibitori

dell’acetilcolinaesterasi, FANS…

- FALSI SUBSTRATI (sulfamidici)

- INDUTTORI O REPRESSORI sistema microsomiale

• sistemi di trasporto

es: inibitori dei carriers per gli acidi deboli (probenecid)

probenecid + penicillina G → ridotta eliminazione della penicillina G

probenecid + acido urico → ridotto assorbimento dell’acido urico

• canali ionici

es: Ca2+ antagonisti…

•Acidi nucleici

es: antitumorali…

•Sali

es: bifosfonati-osteoporosi si legano ai Sali di calcio

•RECETTORI

RECETTORE

Macromolecola o insieme di macromolecole cellulari (proteine) direttamente

e specificatamente deputate alla trasmissione di un segnale chimico fra e

all’interno delle cellule. L’interazione tra sostanze chimiche, quali ormoni,

neurotrasmettitori, farmaci o messaggeri intracellulari e i loro recettori e’

responsabile di un cambiamento delle funzioni cellulari.

Puo’ essere fissa o mobile non provvista di attività enzimatica ma idonea a

modulare attività enzimatiche o ionoforiche e provvista di siti specifici.

Geneticamente determinato.

In grado di interagire specificatamente con opportuni ligandi:

R + X ↔ RX

IPOTESI “CLASSICA”

R + X ↔ RX

R RX* Evento biochimico cellulare

EFFETTO FINALE

R = Recettore; X = Ligando

Teoria dell’occupazione di Clark

Il legame ligando-recettoreL’interazione F-R se è mediata da legami chimici deboli a bassa energia:• legami ionici • ponti idrogeno • attrazioni di van der Waals• interazioni idrofobiche

•è REVERSIBILE

F

R A

R B

Stereospecifico:Saturabile:

F

R A

FF

I legami chimici che si possono formare in ambiente acquoso

possono essere ad alta (covalenti) e bassa energia. I secondi

sono i più comuni:

1) Legami ionici

2) Ponti idrogeno

3) Attrazioni di van der Walls

4) Interazioni idrofobiche

La formazione di legami deboli è responsabile del processo di

riconoscimento fra ligando (farmaco) e recettore

Affinché il contatto tra un ligando ed il suo recettore

persista per un tempo significativo e sufficiente a

generare l'effetto biologico del farmaco, occorre che il

numero di legami a bassa energia sia relativamente

elevato.

Inoltre, poiché i legami chimici deboli si formano solo se

gli atomi coinvolti giungono in stretta vicinanza tra loro, è

necessario che la superficie della molecola di farmaco e

quella della molecola di recettore siano chimicamente

complementari l'una all'altra.

Questa complementarietà ligando-recettore è alla base

della specificità dell'interazione farmacologica.

Complementarietà ligando-recettore

Numero di legami - Durata interazione

N.B. Il legame ligando-recettore deve essere specifico. L’attivazione di un

recettore puo’ essere facilitata aumentando la probabilita’ di interazione tra

ligando e recettore, cioe’ se si aumenta la concentrazione del ligando.

Nella maggior parte dei casi farmaco (ligando) e recettore sono

tenuti uniti da legami deboli e l’interazione e’ percio’ limitata nel

tempo: una molecola di farmaco si stacca dal suo recettore,

diffonde nel mezzo ed eventualmente si lega ad un’altra

molecola recettoriale. Tale interazione e’ percio’ REVERSIBILE

Se il numero di legami deboli che si formano e’ troppo elevato o

il legame farmaco-recettore e’ di tipo covalente, l’energia del

sistema puo’ essere insufficiente a causare il distacco del

farmaco. Tale interazione e’ percio’

IRREVERSIBILE

CARATTERISTICHE DELL’INTERAZIONE FARMACO-RECETTORE

La formazione del complesso farmaco-recettore è una reazione reversibile

[RF] conc. del complesso farmaco recettore all’equilibrio[R] conc. del recettore all’equilibrio[F] conc. del farmaco all’equilibrio

R + F RF

k1

k2

k1

k2

=

[RF]

[R] [F] = KA

Costante di associazione

R + F RF

k1

k2

k2

k1

=

[R] [F]

[RF] = KD Costante di dissociazione

La costante di dissociazione

Maggiore è l’affinità → minore è la conc. necessaria per legare il 50% dei recettori presenti.

Definisce Affinità di un farmaco per il

suo recettore

Misura la capacità del farmaco di legarsi al

suo recettore

Definisce la concentrazione

necessaria a saturare il 50% dei siti di legame

presenti

KD = [R] x [F]/[RF]

Se RT = [R] + [RF]

[R] = KD x [RF]/[F]

RT = KD x [RF]/[F] + [RF]

[RF] = [F] x [RT]/KD + [F] oppure B = [F] x [Bmax]/KD + [F]

dove B = Bound (F legato al recettore) e Bmax = n°totale di recettori

Isoterma di legame o di Langmuir e correla la concentrazione di farmaco legata al recettore in funzione della concentrazione di

farmaco stesso

Isoterma di legame

Bmax = n di recettori

KD = conc. che satura

il 50% dei R

Piu’ bassa e’ la KD,

maggiore e’ l’affinita’

(serve meno ligando

per saturare il 50% dei

recettori)

RELAZIONI TRA INTERAZIONE FARMACO-RECETTORE

E RISPOSTA

TEORIA DELL’OCCUPAZIONE (di Clark)

L’effetto di un farmaco è direttamente proporzionale al grado di occupazione

del recettore

Questa relazione vale soltanto se:

- la reazione farmaco-recettore è reversibile

- è stato raggiunto l’equilibrio

- i recettori sono tutti omogenei

- l’interazione è stechiometrica (una molecola di farmaco per una molecola di recettore)

F + R FR →→→→ EFFETTO→→→→←←←←

k1

k2

Kd misura l’AFFINITA’ del ligando

L'ipotesi dell'occupazione non spiega

tutti i fenomeni farmacologici

Già dalla metà degli anni '50, Ariens ed altri autori si resero conto del fattoche l'ipotesi dell'occupazione nella sua forma più semplice non rendeconto di alcuni fenomeni che si verificano frequentemente infarmacologia; fra questi, due sono particolarmente importanti:

a) spesso la curva dose-risposta e la curva di interazione farmaco-recettorenon coincidono;

b) esistono farmaci che, pur occupando un determinato recettore, produconouna risposta inferiore ad altri che occupano lo stesso recettore, oppurenon producono alcuna risposta.

È stato quindi necessario modificare l'ipotesi dell'occupazione, od integrarlacon ulteriori ipotesi, per spiegare questi fenomeni. In questi casi, larelazione fra occupazione del recettore e risposta non è lineare, e il valoredi EC50 (o ED50) risulta diverso da quello di KD

Si definisce agonista un farmaco che si lega ad un recettore inmodo tale da generare una risposta biologica di per sé;generalmente, un agonista mima gli effetti di composti endogeni:ad es., il carbacolo è un agonista dei recettori per l'acetilcolina, inquanto mima gli effetti del normale neurotrasmettitore.

Per antagonista in senso stretto si intende un antagonistarecettoriale, cioè un farmaco che, pur legandosi ad un recettore, èincapace di produrre un effetto di per sé, ma inibisce (parzialmenteo completamente, a seconda della concentrazione) l'effetto di unagonista che agisca attraverso lo stesso recettore.

Alcuni ligandi hanno elevata affinita’ per il recettore ma non portano ad alcun

cambiamento delle funzioni cellulari

Teoria dell'attività intrinseca o di Ariens.

L'effetto di un farmaco è proporzionalealla formazione del complesso farmaco-recettore moltiplicato per un fattore α

detto anche attività intrinseca.

FARMACODINAMICA

L’esistenza di antagonisti, che pur legandosi allo stesso recettore a cui si

lega l’agonista non producono di per sé alcun effetto, contraddice la teoria

dell’occupazione.

Introduzione di un nuovo concetto:

L’effetto di un farmaco è proporzionale alla sua ATTIVITA’ INTRINSECA o EFFICACIA ( α )

- Capacità del farmaco di dare inizio alla risposta biologica dopo essersilegato al recettore- Correlata alla probabilità di indurre un cambiamento conformazionaledel recettoreEFFETTO = α [FR]

- α = 0 per un antagonista- α = 1 per un agonista- α compreso tra 0 e 1 per un agonista parziale o dualista (concaratteristiche intermedie fra quelle di un agonista e quelle di unantagonista)

O N

H

H

M e

H

H

OO

2C

H

Binding site

Perfect Fit(No change in shape)

Antagonista: legame reversibile

O N

H

H

M e

H

H

OO

2C

H

Binding site

Antagonista: legame reversibile

O

NH2

H

H

antagonista

OHO

2C

Receptor binding site

Extra binding regions

Antagonist

Binding sitefor antagonist

Binding sitefor messenger

Receptor Receptor

messenger

Ingombro sterico

1

Nu

Nu

Receptor

Cl

Cl

Agonist binding site

Antagonistbinding site

Cl

Cl

Antagonista: legame irreversibile

Nu

Nu

Receptor

2Irreversible binding

RECETTORE

-) Macromolecola fissa o mobile non provvista di attività enzimatica ma idonea a modulare attività enzimatiche o ionoforiche e provvista di siti specifici

-) Geneticamente determinato

-) Idoneo ad essere deformato dalla interazione con un agonista, tale deformazione è trasmessa o ad un’enzima o a ionofori vicini. Il legame è reversibile.

-) Idoneo ad interagire con un antagonista il quale previene o impedisce la deformazione indotta dall’agonista. Il legame può anche essere irreversibile.

Il legame farmaco-recettore

Il legame farmaco-recettore può essere

• reversibile (quando il legame chimico

farmaco-recettore è dovuto a legami

deboli in genere)

Ma anche

• irreversibile (quando il farmaco si lega con

legami covalenti al suo recettore.

• Nel caso che il farmaco formi legami reversibili con il suo recettore,

molecole libere di recettore e molecole libere di farmaco sono in equilibrio

dinamico:

R + F RF

• Se il legame farmaco-recettore è irreversibile, l’effetto della molecola si

esaurisce fino a quando sono state ripristinate nuove proteine recettoriali.

R + F RF

Il legame farmaco-recettore

Il legame farmaco-recettore

La percentuale di farmaco legato al recettore (e quindi la sua efficacia) dipende

• dal numero di molecole del farmaco presenti nel sito recettoriale,

• dal numero dei recettori e

• dalla affinità del farmaco per il recettore stesso (maggior affinità, maggior

legame)

Inoltre…….L’attività di un farmaco

• non è soltanto funzione del numero di molecole legate al recettore,

• ma anche del numero di recettori presenti in un sistema,

• delle loro proprietà biologiche,

• della regolazione funzionale,

• della distribuzione tissutale e

• delle modificazioni fisiopatologiche di questi ultimi.

Anche alterazioni genetiche a carico dei recettori o dei loro sistemi ditrasduzione possono influenzarne l’attività.

RELAZIONE DOSE-EFFETTO

L’intensità dell’effetto prodotto da

un farmaco è proporzionale alla

dose somministrata

Le risposte farmacologiche possono essere divise in:

1) Risposte graduali: misurabili in continuo tendendoasintotticamente ad un valore massimo; es. pressionesanguigna

2) Risposte non misurabili in continuo ma che si possonoclassificare con un voto (score); es. dolore, grado didemenza.

3) Risposte quantali (tutto o nulla): risposta o no (es. vita omorte, sonno)

Curve dose-risposta

Risposta

[Farmaco]

max

50%

log10[Farmaco]

logEC50

RISPOSTE GRADUALI

SOGLIA DI OCCUPAZIONE

Alcuni farmaci devono occupare una considerevole frazione di recettori prima di vedere un effetto (es. alcuni bloccanti neuromuscolari)

Risposte gradualipotenza

Secondo la teoria dell’occupazione

KD = ED50

….e per gli antagonisti

Antagonista competitivo o sormontabile (Il legame antagonista-recettore

può avvenire sullo stesso sito recettoriale dell’agonista e quindi le

due molecole competono per un sito comune)

Antagonista Recettore

Complessoantagonista-recettore

NESSUNA RISPOSTA!

Antagonista competitivo o sormontabile (Il legame antagonista-recettore

può avvenire sullo stesso sito recettoriale dell’agonista e quindi le

due molecole competono per un sito comune)

Antagonista Recettore

Complessoantagonista-recettore

Risposte gradualiAntagonismo sormontabile

Antagonista sormontabile o competitivo:

Sposta a destra, parallelamente, la curva dose-risposta. Aumentando a sufficienza la concentrazione di agonista si puo’ raggiungere l’effetto massimo. Percio’, aumenta la EC50apparente dell’agonista. Il meccanismo molecolare e’ generalmente quello della competizione per uno stesso sito.

Antagonista non competitivo o non sormontabile (Il legame antagonista-

recettore è irreversibile e perciò una volta legato il recettore è

occupato permanentemente)

Antagonista Recettore

Complessoantagonista-recettore

NESSUNA RISPOSTA!

Risposte gradualiAntagonismo non sormontabile

Antagonista non sormontabile o non competitivo:

Sposta a destra, in modo non parallelo, la curva dose-risposta, deprimendo l’effetto

massimo ottenibile anche a concentrazioni elevate di agonista. Se la relazione tra occupazione del recettore e effetto e’ lineare la EC50 dell’agonista non

varia. Il meccanismo molecolare e’ generalmente quello della competizione

irreversibile per uno stesso sito dell’agonista o per un altro sito

(antagonista allosterico non competitivo).

Risposte graduali Antagonismo competitivo

Agonista + concentrazioni multipledi antagonista B

log10[agonista]

Risposta

Agonistada solo

D1 D2 D3 D4

[B] [2B] [3B]

DR = dose ratio

La distanza fra due curve non dipende dalla dose di agonista ma dalla potenza e dalla dose di antagonista

La potenza di un antagonista si esprime con il pA2 di un antagonista

• E’ il logaritmo negativo della

concentrazione di antagonista necessaria

per raddoppiare la concentrazione di

agonista che produce una certa risposta

Modulatore Allosterico

Antagonismo Allosterico

Risposte graduali-Agonisti parziali

efficacia Effetto = Effettomax x αααα

Agonisti parzialiαααα compreso tra 0 e 1 =

Agonisti pieni αααα = 1

Antagonisti αααα = 0

esempio

Attivita’ costitutiva e agonisti inversi

Oggi questa teoria e’ superata: molti recettori (GPCRs) sono in

grado di generare risposta anche in assenza di ligando, hanno

cioe’ attivita’ costitutiva

SECONDO L’IPOTESI “CLASSICA”

R + X ↔ RX

R RX* Evento biochimico cellulare

Secondo questa teoria RX* e’ l’unica entita’ in grado di generare una risposta

At a first glance, it may seem there is no theoretical or practical reasons to believe that inverse agonists should

have an intrinsic benefit over an antagonist in many situations where drugs are clinically used. In general,

drugs are simply used to regulate the release of an endogenous agonist or to compete with it and limit its

actions. Therefore potency, bioavailability and selectivity seem the key issues to consider. However, in a range

of circumstances, specific benefits of using an inverse agonist can be envisaged.

A first requirement to conceive an advantage in using an inverse agonist over an antagonist is that the receptor

displays constitutive activity in vivo. In this sense, the constitutive activity of GPCRs in native in vivo systems

has been proved only for few receptors.

On the other hand, there are clinical instances where the pathological entity is a constitutively active GPCR,

which produces physiological response in the absence of endogenous agonists. In these circumstances, the

underlying condition may be only effectively treated with inverse agonists. Most of these diseases are

associated with the endocrine system, although visual alterations due to rhodopsin mutations and some viral

infections were also related to constitutively active forms of GPCRs.

There are also many examples where inverse agonists may be useful for cancer treatment. For instance, high

levels of specific GPCR expression have been described in tumor cells, where it has been shown that their

endogenous ligands, present at high levels in the tumor cells.

sinergismo

azione combinata di due farmaci dotati di attività

qualitativamente simile, quando vengono somministrati

contemporaneamente, per cui l’effetto globale

dell’associazione è superiore o inferiore a quello

singolo del più attivo dei due.

SOMMA POTENZIAMENTO DECREMENTO

SINERGISMO DI SOMMAeffetto farmaco A = 1effetto farmaco B = 1effetto finale = 2I due farmaci possono agire con lo stesso meccanismo d’azione o con meccanismi diversi (es. streptomicina-penicillina)

SINERGISMO DI POTENZIAMENTOeffetto farmaco A = 1 effetto farmaco B = 1effetto finale = 3La risposta che si ottiene è superiore rispetto allasomma delle azioni dei due farmaci(es. trimetoprim/sulfametossazolo)

SINERGISMO DI DECREMENTOeffetto farmaco A = 1 effetto farmaco B = 1effetto finale = 1.5La risposta ottenuta è inferiore alla somma delle azioni dei due farmaci, ma comunque maggiore a quella ottenuta somministrando un solo farmaco. Può anche essere definito come un antagonismo competitivo tra un agonista e un agonista parziale (morfina/nalorfina)

• L’espressione controllata dei recettori assicurala selettivita’ tissutale e cellulare delle risposte ailigandi endogeni.

• Esistono meccanismi complessi che controllanol’espressione e la localizzazione dei recettori.Diverse proteine molto vicine tra loro, immersein microambiente favorevole. Questo complesso“recettore-proteine adattatrici-trasduttori delsegnale” viene spesso definito come“recettosoma”

Espressione controllata dei recettori

DESENSIBILIZZAZIONE

MECCANISMI DI DESENSIBILIZZAZIONE RECETTORIALE

A) VARIAZIONI DI AFFINITA’

B) DISALLINEAMENTO TRA RECETTORE E SISTEMA DI TRASDUZIONE

C) INTERNALIZZAZIONE DEL RECETTORE (DOWN-REGULATION)

MODULAZIONE DELLE RISPOSTE RECETTORIALI

Le risposte recettoriali sono controllate in termini quantitativi e

temporali per permettere alle cellule di rispondere adeguatamente a

stimoli esterni diversi

CONTROLLO DEL

NUMERO

Regolazione di sintesi,

trasporto e rimozione dei

recettori

Regolazione della

capacità del recettore e

degli effettori di

rispondere al mediatore

Significato finalistico dei fenomeni di

adattamento delle risposte recettoriali

Assenza di stimolazione

induce la cellula ad

aumentare il n° di recettori

in modo da aumentare la

probabilità di interazione

con il ligando

“up-regulation”

Eccesso di stimolazione

induce la cellula a ridurre

il n° di recettori in modo

da ridurre l’interazione

con il ligando

“down-regulation”

REFRATTARIETA’ O DESENSITIZZAZIONE

Riduzione della capacità di un sistema recettoriale di generare una

risposta al farmaco in seguito a esposizione persistente ad un

agonista

MECCANISMI DI DESENSITIZZAZIONE RECETTORIALE

VARIAZIONI DI AFFINITA’

DISALLINEAMENTO TRA RECETTORE E

SISTEMA DI TRASDUZIONE

INTERNALIZZAZIONE DEL RECETTORE

(DOWN-REGULATION)

RECETTORE

-) Macromolecola fissa o mobile non provvista di attività enzimatica ma idonea a modulare attività enzimatiche o ionoforiche e provvista di siti specifici

-) Geneticamente determinato

-) Idoneo ad essere deformato dalla interazione con un agonista, tale deformazione è trasmessa o ad un’enzima o a ionofori vicini. Il legame è reversibile.

-) Idoneo ad interagire con un antagonista il quale previene o impedisce la deformazione indotta dall’agonista . Il legame può anche essere irreversibile.

-) Suscettibile di assumere tre conformazioni diverse tra loro: stato di riposo, stato di attivazione, stato di desensibilizzazione.