Azione farmaci/tossici

� Gli effetti terapeutici e tossici dei farmaci traggono origine dalle loro interazioni con molecole presenti nell’organismo

� Per lo più i farmaci agiscono combinandosi con macromolecole specifiche in modo tale da alterarne le proprietà biochimiche specifiche in modo tale da alterarne le proprietà biochimiche biofisiche

� Si definisce RECETTORE il componente di una cellula che interagisce con un farmaco dando inizio alla catena di eventibiochimici che portano agli effetti farmacologici osservati

Fasi Tossicologiche

ASSORBIMENTO

SOSTANZE INSOLUBILI fagocitosi-pinocitosi

SOSTANZE IDROSOLUBILI NON IONIZZABILI < 4 Å filtrazione

SOSTANZE IDROSOLUBILI NON IONIZZABILI > 4 Å trasporto specializzatoSOSTANZE IDROSOLUBILI NON IONIZZABILI > 4 Å trasporto specializzato

SOSTANZE IDROSOLUBILI IONIZZATE a pH organici trasporto specializzato

SOSTANZE LIPOSOLUBILI ELETTROLITI DEBOLI diffusione

SOSTANZE LIPOSULUBILI APOLARI diffusione

ASSORBIMENTO

TRASPORTO SPECIALIZZATO

1. ATTIVO (mediante carriers)

2. DIFFUSIONE FACILITATA (gradiente di concentrazione)

Il TRASPORTO ATTIVO è: SELETTIVO

SATURABILE

ENERGETICAMENTE DISPENDIOSO

ASSORBIMENTO

1. SOLUBILITA’ LIPIDICA

2. IONIZZAZIONE2. IONIZZAZIONE

3. GRANDEZZA E STRUTTURA DELLA MOLECOLA

ASSORBIMENTO

1. Presenza di gruppi lipofili (idrofobici) o non polari. La proprietà nonpolare dei gruppi alchilici aumenta con la lunghezza della catena

CH3 < CH3CH2 < CH3CH2CH2 < CH3(CH2)n3 3 2 3 2 2 3 2 n

2. Acidi e basi deboli. La ionizzazione dipende dal pK della sostanza edal pH del mezzo. Le membrane biologiche sono permeabili alla formaNON IONIZZATA

ASSORBIMENTO

Per le sostanze che non siano elettroliti deboli vale la LEGGE DI FICK:

RT u Kr ∆Cφ =

l

φ = flusso di assorbimento (n. di moli che passano per l’unità diφ = flusso di assorbimento (n. di moli che passano per l’unità disuperficie e di membrana nell’unità di tempo)

R = costanteT = temperatura assolutau = mobilità della molecola all’interno della membranaKr = coefficiente di ripartizione lipidi/acqua∆C = gradiente di concentrazionel = spessore della membrana

ASSORBIMENTO

Per gli elettroliti deboli (acidi e basi) vale l’EQUAZIONE DIHENSERSON-HASSELBACH:

[non ionizzato]pH = pK + log

[ionizzato][ionizzato]

pK = pH quando l’elettrolita è dissociato per il 50%

ACIDI DEBOLI: pKa > 3

BASI DEBOLI pKb < 11

ASSORBIMENTOSviluppo dell’equazione DI HENSERSON-HASSELBACH

[base] [H+]Ka =

[acido]

[base]pKa = - log - log [H+]

[acido] [acido]

- log [H+] = pH

[base]pKa - pH = log

[acido]

[acido]pH = pKa

[base]

ASSORBIMENTO

VIE DI ASSORBIMENTO:

1. TRANSCUTANEA1. TRANSCUTANEA

2. POLMONARE

3. ORALE

4. ALTRE (e.v., i.m., s.c., i.p.)

ASSORBIMENTO

1. TRANSCUTANEA

La cute ha una superficie (nell’adulto) di 18.500 cm2.

La distanza tra lo strato esterno e la microcircolazione misura 150-200 µ.

La parte più esterna è formata da uno strato cheratinizzato (STRATOLa parte più esterna è formata da uno strato cheratinizzato (STRATOCORNEO) con pori di 1000 Å; sostanze con P.M. < 10.000 D possonofacilmente passare. Ulteriori facilitazioni vengono dai follicoli piliferi e dalleghiandole sebacee.

Sotto lo strato corneo si trova l’EPIDERMIDE in doppio strato, unamembrana sottoepidermica, la MATRICE DELLA CUTE e, infine la paretedei VASI SANGUIGNI e LINFATICI

ASSORBIMENTO

1. TRANSCUTANEA

Dose e liposolubilità influenzano l’assorbimento (per DIFFUSIONEPASSIVA)PASSIVA)

Fattori che alterino lo strato corneo o la microcircolazione possonomodificare le condizioni di assorbimento

ASSORBIMENTO

2. POLMONARE

E’ la via principale attraverso cui vengono assorbiti i tossiciindustriali (DIFFUSIONE PASIVA)industriali (DIFFUSIONE PASIVA)

L’epitelio alveolare è molto sottile (10 µ) e la superficie assorbentemolto ampia (50-100 m2)

ASSORBIMENTO

2. POLMONARE

Viene regolato da alcuni fattori:

a. liposolubilitàa. liposolubilità

b. gradiente di concentrazione tra aria alveolare e sangue

c. coefficiente di diffusione membrana alveolo-capillare

d. solubilità nei lipidi plasmatici

e. capacità di legarsi alla plasma-proteine

f. portata cardiaca

ASSORBIMENTO

3. ORALE

Una delle vie di elezione in farmacologia, rara in tossicologiaindustriale, frequente negli avvelenamenti anche accidentali.

Acidi e basi deboli (equazione di Henderson-Hasselbach) vengonoassorbiti per DIFFUSIONE PASSIVAassorbiti per DIFFUSIONE PASSIVA

Cavo orale pH 6,2-7,2

Stomaco pH 1,0-3,0

Duodeno pH 4,8-8,2

Digiuno-Ileo pH 7,5-8,0

Colon pH 7,0-7,5

VIE DI SOMMINISTRAZIONE ENTERALI

�parziale effetto di primo �ha una latenza d’azione �assorbimento variabile e

�il pz deve essere sveglio e collaborante�l’assorbimento incompleto può non permettere il raggiungimento della concentrazione minima efficace�effetto di primo passaggio

�è la via più economica

e più sicura

�possibilità di utilizzo di

PREPARAZIONI RETARD

�� assorbimento variabile, che dipende da molti fattori

�gli effetti compaiono dopo almeno 45-60 minuti

PER OS

�� corretta assunzione del farmaco

�aumentato rischio di effetti collaterali

�utilizzata in emergenza

�evita l’effetto di primopassaggio

�assorbimento rapido

�l’effetto compare dopo pochi minutiSUBLINGUALE

�parziale effetto di primo passaggio

�ha una latenza d’azione minore rispetto alla via per os

�assorbimento variabile e incompleto

RETTALE

Distribuzione

I fase

dipendente dal flusso sanguigno cuore, fegato, rene, cervello

II fase

dipendente da diffusibilità attraverso le membrane

Accumulo delle sostanze tossiche

nella sede di tossicitànella sede di tossicità

in depositi adipe, ossa

Equilibrio con livelli plasmatici

legame a proteine plasmatiche

Raggiungimento dello steady state

equilibrio di distribuzione, condizione di equilibrio tra il farmaco libero nei vari distretti

E’ molto importante la solubilità del farmaco nel doppio strato lipidico, dato dal

che indica come un farmaco si distribuisce

in una soluzione contenente H2O e olio:

COEFFICIENTE DI [farmaco] nella fase oleosa= -----------------------------------

RIPARTIZIONE [farmaco] nella fase acquosa

COEFFICIENTE DI RIPARTIZIONE

COEFFICIENTE DI RIPARTIZIONE

Se > 1 il farmaco è lipofilo e diffonde facilmenteSe < 1 il farmaco è idrofilo e non diffonde facilmente

Il coefficiente di ripartizione non è un parametro fisso, ma può variare in diverse situazioni, per esempio:• per metabolizzazione del farmaco• la maggior parte dei farmaci sono acidi o basi deboli, quindi il coefficiente varia a seconda del pH dell’ambiente nel quale si trovano (questa variabile può essere sfruttata anche per aumentare la velocità di eliminazione: alcalinizzazione delle urine in caso di avvelenamento da barbiturici)

Correlazione tra liposolubilità e assorbimento

DISTRIBUZIONE

1. PROTEINE PLASMATICHE (prevalente)

2. ERITROCITI2. ERITROCITI

3. LEUCOCITI

DISTRIBUZIONE

Se la distribuzione avvenisse sempre nello stesso modo, sarebbe possibile calcolare, mediante la determinazione nel plasma, la distribuzione negli organi:

VOLUME DI DISTRIBUZIONE APPARENTE: quel volume nel VOLUME DI DISTRIBUZIONE APPARENTE: quel volume nel quale la quota totale di una sostanza dovrebbe essere uniformemente distribuita per dare la concentrazione plasmatica osservata

Proteine Plasmatiche

� Sintetizzate nel fegato

� 6-8 g per 100 mL di plasma (6-8 %)� Albumine 4,5 %

Globuline 2,5 %� Globuline 2,5 %• α β da sintesi epatica

• γ secrete da linfociti B e plasmacellule (IgG IgM IgE)

� Fibrinogeno 0,3 %

Legame farmaco-proteico

� ionico, reversibile� proteine plasmatiche (accettori, trasportatori)

� albumina• farmaci acidi (warfarin, fenilbutazone, penicillina, sulfamidici)• distinti siti di legame • distinti siti di legame

� diazepam� warfarin� digitossina

� α1glicoproteina-acida• farmaci basici

� lipoproteine • farmaci molto lipofili

DISTRIBUZIONE

VOLUME DI DISTRIBUZIONE APPARENTE

Vd = Q/c

ove Vd = volume di distribuzione

Q = quota nell’organismo in mg

c = concentrazione plasmatica in mg/L

Il Vd è inversamente proporzionale alla distribuzione plasmatica epuò essere di ordini di grandezza superiore a quello reale

DISTRIBUZIONE

L’organismo è composto da:

58% di acqua (41 L) di cui 4% plasma (3 L), 13% extracellulare (9L), 41% intracellulare (29 L)

20% di proteine

15% di grassi

7% di minerali

DISTRIBUZIONE

LEGAME CON I TESSUTI

1. Generico

2. Specifico (organo-tropismo)

TESSUTI DI DEPOSITO

1. Tessuto adiposo

2. Tessuto osseo

3. Tessuto connettivale

I capillari sanguiferi hanno un’organizzazione morfo-funzionale diversa a seconda della sede in cui si trovano

La permeabilità del letto vascolare ad un certo farmaco è diversa a seconda del distretto irrorato

LA BARRIERA EMATOENCEFALICA

L’endotelio dei vasi cerebrali ha caratteristiche morfologiche e funzionali che permettono la realizzazione della barriera ematoencefalica che impedisce l’ingresso nel liquido interstiziale di qualunque sostanza incapace di diffondere liberamente attraverso le membrane

Nel SNC possono quindi penetrare solamente:• farmaci con un adeguato coefficiente di distribuzione

(direttamente dipendente dal coefficiente di ripartizione)• farmaci capaci di utilizzare i sistemi di trasporto presenti a

livello della barriera ematoencefalica

Lo stato di impermeabilità è ridotto a livello dei plessi coroideie di altre regioni periventricolari, dove hanno normalmenteluogo i processi di filtrazione e secrezione.Inoltre, l’impermeabilità della barriera è ridotta in corso diinfiammazione e infezione (meningite).

METABOLISMO

1. reticolo endoplasmico liscio (microsomi)

2. citoplasma (frazione solubile)

3. mitocondri

4. lisosomi

5. nucleo

METABOLISMO

1. REAZIONI 1a FASE (metabolica propriamente detta)

2. REAZIONI 2a FASE (coniugazione)

Reazioni di fase I

METABOLISMO

1. REAZIONI 1a FASE (metabolica propriamente detta)

microsomiali

extramicrosomiali

METABOLISMO

a. MICROSOMIALI:

a. idrolisi esteri, amidi, idrazidi, nitrili

b. ossidazione idrossilazione di composti aromatici

idrossilazione di composti alifatici

N-dealchilazioni

O- e S-dealchilazioni

Epossidazioni

N- e S-ossidazioni

c. riduzione composti nitrosi e azoici

Ossidasi a funzione mista

Cytochrome P450

Xenobiotici interferenti con i CYP450

� InduttoriFenobarbitalRifampicinaCarbamazepinaDesametasone

� InibitoriCimetidinaIsoniazideDesimipraminaMetadoneDesametasone

Fenitoina

Lindano, DDT

Benzo(a)pirene, diossina

Alcool etilico, additivi alimentari

MetadoneOmeprazolo

Proportion of drugs metabolized by Phase I enzymesProportion of drugs metabolized by Phase I enzymes

CYP3A4/5

Ep Hydrol

DPYD CYP2E1

Esterases

Others

CYP2B6CYP2A6

CYP1B1CYP2C8/9

CYP2C19

CYP2D6CYP1A1/2

Conversione di xenobiotici a sostanze tossiche

Bioattivazione del Benzopirene

METABOLISMO

b. EXTRAMICROSOMIALI:

a. idrolisi desterificazione, deaminazione, dealogenazionedealogenazione

b. ossidazione alcoli, aldeidi, amine

c. riduzione chetoni

METABOLISMO

2. REAZIONI 2a FASE:

Reazioni di coniugazione tra un metabolita della sostanza xenobiotica ed un coniugante endogeno.

Il risultato è un metabolita più idrosolubile al fine di essere escreto Il risultato è un metabolita più idrosolubile al fine di essere escreto con le urine.

Le reazioni di coniugazione riducono generalmente il pK del composto rendendolo più dissociato ai pH organici, aumentandone l’idrosolubilità.

METABOLISMO

1. GLUCURONO CONIUGAZIONE (microsomi)

2. SOLFO CONIUGAZIONE (frazione solubile)

3. SINTESI DI AMIDI (mitocondri; tra amine endogene e acidiesogeni; tra acidi endogeni e amine esogene→ acetilazione)

4. SINTESI DI ACIDI MERCAPTURICI (frazione solubile,4. SINTESI DI ACIDI MERCAPTURICI (frazione solubile,microsomi, mitocondri)

5. METILAZIONE

6. CONIUGAZIONE DI SUBSTRATI ANALOGHI (frazione solubile)

7. FORMAZIONE DI TIOCIANATI (mitocondri)

Effetto protettivo del Glutatione

METABOLISMO

7. FORMAZIONE DI TIOCIANATI (mitocondri)

rodanasi

CN- + S2O3= → SCN- + SO3

=

cianato tiosolfato tiocianato solfito

FATTORI CHE INFLUENZANO IL METABOLISMO

1. Dose e frequenza di somministrazione (il pool coniugante è facilmente saturabile)

2. Specie e razza (differenze metaboliche e farmacogenetiche)

3. Dieta e stato di nutrizione (enzimi e pool coniugante, in 3. Dieta e stato di nutrizione (enzimi e pool coniugante, in particolare il GSH)

4. Età, sesso e peso (sviluppo e cambiamenti costituenti organici)

5. Via di somministrazione (distribuzione)

FATTORI CHE INFLUENZANO IL METABOLISMO

6. Interazione con altri tossici e contaminanti ambientali (induttori e inibitori enzimatici, competitori, modificatori, fattori ormonali)

7. Conseguenze di interazioni con altri enzimi (glucuronasi, sulfatasi, deacetilasi)sulfatasi, deacetilasi)

8. Gravidanza e anormalità fisiologiche (ridistribuzione, alterazioni funzionali in organi quali il fegato)

Induzione enzimatica

� aumentata attività cit. P450� autoinduzione� induzione da altri farmaci

� aumentata� inattivazione � inattivazione � escrezione� formazione metaboliti attivi o tossici

� riduzione� efficacia� durata d'azione

Inibizione enzimatica

� inibizione competitiva� concentrazione dei farmaci� affinità per l’enzima

• chinidina: warfarin, benzodiazaepine, fenitoina, morfina • cimetidina• cimetidina• chetoconazolo• macrolidi

� inibizione non competitiva� inattivazione permanente dell’enzima� inibitori suicidi

• secobarbital, noretindrone, etinilestradiolo

ESCREZIONE

RENALE

1. Filtrazione glomerulare

2. Secrezione tubulare (trasporto attivo)

BILIARE

1. Secrezione di anioni e cationi con P.M. < 300 D

2. Secrezione di sostanze anfifile ad elevato P.M.

3. Sistema di secrezione per metalli pesanti

Escrezione renale

FILTRAZIONE GLOMERULARE

� diffusione passiva

� diffusione acquosa attraverso i pori acquosi

� dipendente da � dipendente da � velocità di filtrazione glomerulare

� peso molecolare < 5000

� legame farmaco-proteico

Glomerulus

Macula Densa

Glomerular Capillaries

Escrezione renale

SECREZIONE TUBULARE� trasporto attivo� diffusione facilitata dipendente da energia con bassa

specificità� carrier acidi organici

• acido urico, penicilline, glicurono-coniugati• acido urico, penicilline, glicurono-coniugati

� carrier basi organiche• colina, istamina, cimetidina

� competizione per il carrier (probenicid inibitore secrezione acidi: aumenta i livelli di penicillina)

� escrezione ridotta nell'insufficienza renale� meno del 50% dei nefroni funzionanti

23

1

23

La secrezione degli anioni avviene con un meccanismo che precede 3 fasi: 1) co-trasporto (sinporto) di alfa-chetoglutarato e Na+; 2) co-trasporto di alfa-chetoglutarato ed anione (antiporto); 3) secrezione dell’anione nel lume secondo il suo gradiente di concentrazione

Escrezione renale

RIASSORBIMENTO TUBULARE� farmaci non-ionizzati� riassorbimento acqua e Na+

� gradiente di concentrazione tubulo-interstizio� gradiente di concentrazione tubulo-interstizio� pH-dipendente� alcalinizzazione o acidificazione delle urine negli

avvelenamenti (per aumento della ionizzazione, intrappolamento)

Riassorbimento tubulare� Riassorbimento Na+ e acqua

� gradiente di concentrazione

� farmaci non-ionizzati• diffusione passiva

• pH-dipendente

• alcalinizzazione o acidificazione delle urine negli avvelenamentidelle urine negli avvelenamenti

� proteine di basso peso molecolare

• endocitosi

� glucosio, aminoacidi • carrier

Valutazione della nefrotossicità

� Esami urine� volume, osmolalità, pH� glicosuria� proteinuria� proteinuria

• glomerulare → albumina• tubulare → β2-microglobulina

� Esami sangue• creatininemia• azotemia (BUN)

Escrezione epatica

L’escrezione dei farmaci nella bile è influenzata principalmente da due caratteristiche fisiche: la polarità e il peso molecolare.

La presenza di un gruppo polare aumenta l’escrezione

Solo composti con peso molecolare > 300-500 vengono escreti nella bile.

Nella secrezione biliare sono coinvolti 4 sistemi di trasporto attivo: anioni, Nella secrezione biliare sono coinvolti 4 sistemi di trasporto attivo: anioni, cationi, acidi biliari e sostanze neutre.

L’escrezione biliare ha particolare importanza per i farmaci somministrati per via orale (effetto di primo passaggio o eliminazione presistemica).

Il circolo entero-epaticoI farmaci escreti nella bile possono essere riassorbiti nell’intestino.

Questo è particolarmente frequente per i farmaci coniugati con l’acido glucuronico.

Questi coniugati vengono scissi dalla b-glucuronidasi intestinale e il farmaco libero viene riassorbito.farmaco libero viene riassorbito.

In questi casi si verifica un continuo circolo entero-epatico che può mantenere il composto nell’organismo finché esso non viene ulteriormente metabolizzato o escreto per via renale.

Questo meccanismo di ricircolo è essenziale per evitare la deplezione continua di sostanze endogene come gli acidi biliari, gli estrogeni e le vitamine D e B12.

Valutazione della epatotossicità

� Segni clinici� Ittero, fatigabilità, prurito, sanguinamento intestinale,

dolore addominale

� Esami clinici� Marker di attività epatica � Marker di attività epatica

• Bilirubina coniugata, albumina, tempo protrombina, ammoniemia

� Marker di necrosi epatocitaria• Aminotransferasi (AST, ALT)

� Marker di colestasi • Fosfatasi alcalina, γ-GT, 5’-nucleotidasi

� Ecografia, biopsia

ESCREZIONE POLMONARE

Dipende da:

1. Quota totale assorbita

2. Solubilità nei tessuti

3. Velocità del metabolismo e dell’escrezioneAmpia superficie capillare (80 m2) ed elevata perfusione ematica (2,5 l/min;intestino tenue 1 l/min)

4. Intervallo dall’esposizione4. Intervallo dall’esposizione

Concentrazione aria espirata (Ca)velocità metabolismo= ——————————————

Concentrazione nell’ambiente (Ci)

< 0,5 composti altamente solubili (toluene, stirene)> 0,5 composti poco solubili (esano, cicloesano)

ESCREZIONE

ALTRE

LATTE (pH 6,5) diffusione basi

SUDORE diffusione

SALIVA (pH 6,5) ultrafiltrazione quota libera

LIQUOR diffusione

trasporto attivo anioni e cationi