FARMACI FARMACI NICOTINICINICOTINICI

ACETILCOLINA ERECETTORI COLINERGICI

L'acetilcolina è il neurotrasmettitore più diffuso. Si trova nel S.N.C. (principalmente nella corteccia cerebrale e nel nucleo caudato), nel sistema nervoso autonomo e nel sistema volontario.

L'acetilcolina è il neuromediatore di:- tutti i gangli- della giunzione neuromuscolare- delle sinapsi postgangliari del sistema parasimpatico

BIOSINTESI, RILASCIO E BIODEGRADAZIONE- Sintesi della colina nel fegato

- Nel citoplasma delle cellule delle terminazioni nervose

- Nella fessura sinaptica

AcetilColina Colinaacetilcolinesterasi

COOH

HO NH2NH2HO NHO

CH3

CH3

CH3

Colina

+

SCoA

CH3

O

NO

CH3

CH3

CH3+

H3C

O Colinaacetiltrasferasi (CAT)

+

assorbita dalfluido extracellulare

sintetizzato neimitocondri

AcetilCoA Acetilcolina(ACh)

Serina Colina

- CO2decarbossilasi N-metil-

trasferasi

ACETILCOLINA

H3C O

O

NMe3+

O

HO

NMe31

3

2

45

N

N

CH3

H

S

MUSCARINAAmanita muscaria

2S,4R,5S

NICOTINANicotiana tabacum

(S)-(-)

+

Sir H.Dale, 1914

PROPRIETA' CONFORMAZIONALI

La molecola dell'acetilcolina è molto flessibile. Le varie conformazioni possono essere descritte dai valori dei quattroangoli di torsione: 0 1 2 3

C O

O

N

CH3

CH3

CH3

H

H

H

La conformazione biologicamente attiva è probabilmente:trans-trans ( 1 = 2 = 180°)

Deduzione ottenuta dalla diversa attività di analoghi rigidi:

OCOCH3 H

NMe3H

12

3

S

+

TRANS: attiva CIS: inattiva

OCOCH3 NMe3

HH

12

3

+

- selettivo muscarinico

- lieve attività nicotinica

1S,2S - (+) >100 + di 1R,2R - (-)

+

01

2 3

I recettori nicotinici sono selettivamente stimolati (agonisti) oltre che dalla S(-)-nicotina anche da:

NN

Me

Me NMe

MeMe+

+

DMPP PTMA 1,1-Dimetil-4-fenil-piperazinio Feniltrimetilammonio (Agonista dei gangli) (Agonista della Placca motrice) e bloccati (antagonisti) da:

Me3N (CH2)6 NMe3 Me3N (CH2)10 NMe3+ + + +

ESAMETONIO DECAMETONIO (Antagonista gangliare) (Antagonista muscolatura scheletrica) - I recettori muscarinici sono attivati (agonista) selettivamente dalla muscarina e bloccati (antagonista) selettivamente da:

N CH3

OCO CHCH2OH

C6H5

ATROPINA Atropa Belladonna

I recettori nicotinici e muscarinici differiscono oltre che per l’affinità verso differenti agonisti e antagonisti anche per molti altri aspetti: localizzazione funzione architettura molecolare meccanismi biochimici connessi con la loro attivazione

RECETTORI NICOTINICI I recettori nicotinici sono recettori a canale ionico (quattro domini transmembranali e cinque subunità) e la loro attivazione provoca il flusso degli ioni Na+, K+, Ca++ attraverso la membrana cellulare secondo il gradiente di concentrazione. NEURONALI N1 o NN 1 - Gangli del sistema simpatico e parasimpatico 2 - CNS MUSCOLARI N2 o NM Giunzione neuromuscolare Azione diretta (Agonisti) Nicotino-mimetici Azione indiretta (Anticolinesterasici) Farmaci Nicotinici Antinicotinici

Involvement of neuronal nicotinic receptors

neuronal survival nicotine exposure in cultures protects neurones

from drug-induced neurotoxicity

Physiology various complex cognitive functions arousal alertness food intake pain perception control of locomotor activity control of autonomous nervous system body temperature regulation

nAChRs are particularly important in two periods

of brain life:• early pre- and perinatal circuit formation• age-related cell degeneration

Alzheimer’s disease

Parkinson’sdisease

ADHD

Tourette’s syndromeSchizophrenia

Anxietyand pain

nAChRsnAChRs

Dyskinesias

Potential Therapeutic Targets

Ca2+ Na+

K+

AChor

Nicotine

Preterminal nAChRs

PostsynapticnAChRs

PresynapticnAChRs

Ligand-gated ion channels

Ligand Gated Channels

Family 1 – GABAA 5HT3, nAChR

Drug site

ConformationsConformations of of nAChRsnAChRs

FullFullAgonistsAgonists

PartialPartialAgonistsAgonists

Antagonists(APO-state) Y.Y. BourneBourne etet al., al.,

The The EmboEmbo J.J.20052005, , 2424, 3635., 3635.

NicotinicReceptors

Subtypes

-BgTxblock

pCa/pNa

20

~ 0.2

1-1.5

++

++

-

2

2

2

1

Homomericneuronal

Heteromericmuscle

Heteromericneuronal

Ad oggi sono state clonate 17 subunitàche sono state divise in tipo muscolare [α1, β1, δ, γe ε(nel feto)] e in tipo neuronale(α2-α10 e β2-β4)

Heteropentameric receptors

C P C P C P

Homopentameric receptors

AGONISTI NICOTINICICompetitivi

Non Competitivi

Alcuni composti come TMA, DMPP e -Lobelina sono stati utilizzati come tools farmacologici senza alcun impiego terapeutico.

H3C N

CH3

CH3

CH3

N

N

C6H5

CH3H3C

O N OHH CH3

Cl-

+

+

+

TMA DMPP -Lobelina

Recentemente è stata studiata la possibilità di utilizzare agonistinicotinici nel trattamento del morbo di Alzheimer. I composti sotto riportati sono stati utilizzati come tools farmacologici o comemodelli per successive elaborazioni strutturali

NO

H3C

N

CH3

H

S

N

CH3

C2H5

O

NCl

HN

(S)-ABT-418ARECOLONE

EPIBATIDINAEpipedobates tricolor

selettivo per ( 4)2(

HN

N

O CITISINA

N NH

Cl

((--))--EpibatidineEpibatidine(1(1RR,2,2RR,4,4SS))

Potent analgesic (Daly: 1974; structure: early 1990’s)Antagonized by mecamylamine, but not by naloxoneMinimal tolerance to the analgesic effectLimited therapeutic indexSide effects: respiratory paralysis, seizures and death

Epipedobates tricolor

Ki: ( )- Epibatidine: 0.058 nM(+)-Epibatidine: 0.045 nM

Ki: endo-Epibatidine: 7.6 nMKi: ( )-Nicotine: 1 nM

(+)-Nicotine: 38 nM

G-CC-S-N-P-V-C-H-L-E-H-S-N-L-C*

C-K-G-K-G-A-K-C-S-R-L-M-Y-D-CC-T-G-S-C-R-S-G-K-C*

G-E---L-Q--N-Q--L-I-R--K-S-N*

R-D-CC-T-O-O-K-K-C-K-D-R-Q-C-K-O-Q-R-CC-A*

Conantokins: NMDA Antagonists

-Conopeptides: nAChRsAntagonists

-Conopeptides: Calcium Channel BlockersMarketed drug: ZICONOTIDE (Prialt)

-Conopeptides: Sodium Channel Blockers

CONOTOXINSCONOTOXINS

ConusConus

The primary structures of more than 100 conotoxins have beendetermined and classified into gene superfamilies.

G-CC-S-N-P-V-C-H-L-E-H-S-N-L-C*4/7-conotoxins

block neuronalnAChRs

The primary structures of more than 100 conotoxins have been determined and classifiedinto gene superfamilies.The -conotoxins are competitive antagonists of nAChRs.

-Conotoxin subfamilies

E-CC-N-P-A-C-G-R-H-Y-S-C*3/5-conotoxins

block muscularnAChRs

-GI

MII

NO

NH

CYTISINE (Tabex)

NH

VARENICLINE(Chantix, Champix)

N

NN NH

Cl

EPIBATIDINE

Targeting the 4 2 nAChR subtype

N NH

Cl

NH

NO

CH3

EpiboxidineEpiboxidineKKii 44 2: 0.3 2: 0.3 nMnM

N

NO

CH3 N

NO

NH3C ON

H O

NH

N

ClN

H

N

Cl

ABT 418ABT 418KKii 44 2: 20 2: 20 nMnM

((ZZ))--((SS))KKii 44 2: 330 2: 330 nMnM

UBUB--165165KKii 44 2: 0.27 2: 0.27 nMnM

EpibatidineEpibatidineKKii 44 2: 0.026 2: 0.026 nMnM KKii 44 2: 1.6 2: 1.6 nMnM

AnatoxinAnatoxin--aaKKii 44 2: 1.1 2: 1.1 nMnM

FerruginineFerruginineKKii 44 2: 120 2: 120 nMnM

Targeting the 4 2 nAChR subtype

N

N

H

NH

N

3'5'

1'

2

4

= o > attività della Nicotina per recettori centrali

N

N

H

N

NH

N

N

N

N

H

NH

N

N

NH

NCl

NH

NH

OH3C

NH3C

OR

3'5'

1'

2

4

= o > attività della Nicotina per recettori centrali

5'2'

12 4

Anatossina-aAnabaena flos-agnae

più potente di Ach e Nicotinasia per recettori centrali che periferici

Ferrugininaaffinità per recettori

nicotinici centrali

Arecoloneattività comparabile alla Nicotina

per recettori centrali

NH3C

R

O

Isoarecolone

NH

OH3C

N

N

CH3

N

(CH2)n

CH3

N

R

NCH3H3C

NCH3R

N

CH3

CH3

NCH3R

NH

CH3N

R

CH3

2'

3'4'

5'

MODIFICHE STRUTTURALI EFFETTUATE SULL'ANELLO PIRROLIDINICO DELLA NICOTINA

n = 1-4n = 1 10>n = 3,4 10-30<

(R = H, C2H5, n-C3H7)

+

= perif.

R = H , CH3

5'

trans > cis

attività nicotinica

3'

R = H , CH3

attività nicotinica

O N

(CH2)n

Hn = 1 , 2n = 1 5x10-2 nMn = 2 15x10-2 nM

NH

CH3O

N(CH2)n

R = C3H7ottimo

diminuzione

L'anello piridinico, che si ripete inalterato in tutti i derivati, non è indicato.

neuronal nAChR ligands, Abbott

RJR-2429R, J Reynolds Tobacco Co

nAchR modulators

(S)-nicotine, EndovascStanford University

ABT-089, Abbott Laboratories

SIB-1553A, SIBIA Neurosciences Inc

Phase 2 Clinical

Preclinical dev.

N

O

DERIVATI SOTTOPOSTI A SPERIMENTAZIONECLINICA

Cl

NH

TEBANICLINA

Sviluppato come analgesico peril dolore neuropatico. Lo sviluppo clinicoè stato arrestato da effetti collaterali a livello della muscolatura gastrointestinale

N

NO

CH3

ABT-418

E' stato sottoposto a saggi cliniciper migliorare la sintomatologia di AD. Recentemente la sperimentazione clinica è statasospesa.

N

N

N

alta selettività per il sottotipo

Me2N O N

R

O

R = H, Me

affinità nel range nM

N

HN

O

Ar

selettivi per

HN

N

N

VARENICLINA (CHANTIX)

Approvato dal FDA nel 2006 per disassuefazione da nicotinaAgonista parziale e agonista pieno

FARMACOFORO NICOTINICOFARMACOFORO NICOTINICO

NO N+

c

ba

CH3Distanza a-b: 7.3-8.0 ÅDistanza a-c: 6.5-7.4 Åbâc: 30.4-35.8°

•• Interazione tra un sito anionico del recettore (a) ed un atomo di azoto protonato del ligando.

• Un legame a idrogeno fra un donatore di legame a idrogeno localizzato sul recettore (b) e un accettore di legame a idrogeno sul ligando.

• Un’interazione fra un sistema (anello eteroaromatico o gruppo carbonilico) del ligando (c) e un sistema di elettroni o un residuo carico positivamente localizzati nel ‘binding site’ del recettore.

• Un’interazione -catione fra un residuo aromatico (Trp-149) del ‘binding site’ del recettore e l’atomo di azoto protonato del ligando.

• Interazioni steriche positive e negative localizzate sulla parte alifatica ed eteroaromatica del ligando.

MODIFICHE STRUTTURALI APPORTATEALLA STRUTTURA DELL'ACh

H3C O

O

N

CH3

CH3

CH3+

modifica delponte etilenico

modifica dellafunzione acetossilica

modifica dellatesta cationica

C O

O

N

CH3

CH3

CH3H

HH

+

5.9 A°

N

CH3

CH3

CH3 P

CH3

CH3

CH3 SCH3

CH3As

CH3

CH3

CH3

N

CH3

CH3

CH3

+ + + +

Attività nicotinica decrescente

N

CH3

C2H5

CH3 N

CH3

C2H5

C2H5 N

C2H5

C2H5

C2H5

N

CH3

CH3

CH3 NH

CH3

CH3 NH2

CH3

NH3

C O

O

N

CH3

CH3

CH3H

H

H

+

R1

R2

R2 R1 EPMR(retto di rana)

Ach H H 1H CH3

CH3 H1802

C O

O

N

CH3

CH3

CH3H

H

H

+

Eliminando o sostituendo il ponte etereo non si hanno importanti variazioni di attività

Aumentando la lunghezza della catenasi ha diminuzione di attività

R ON

CH3

CH3

CH3+

I composti con R = C2H5 , nC3H7 , nC4H9 , CH2=CH hanno lastessa attività dell'acetilcolina

(CH2)n NMe3+

Acetilcolina

EPMR

n = 1n = 2n = 3n = 4

(retto di rana)1

9.31.10.38

Antagonista

ANTAGONISTI DEIRECETTORI NICOTINICI

neuronali placca motrice

GANGLIOPLEGICI CURAROSIMILI

PACHICURARI LEPTOCURARI

ANTAGONISTI DEI RECETTORI NICOTINICI NEURONALI

GANGLIOPLEGICIBloccano la trasmissione dell'impulso nervoso sia della via simpaticache della via parasimpatica. Gli effetti sul sistema simpatico sono piùmarcati.Per tale ragione i gangloplegici venivano usati come antiipertensivi.

Effetti collaterali:- riduzione generalizzata del tono simpatico e parasimpatico- secchezza delle fauci- inibizione motilità intestinale- ritenzione urinaria

Composti con attività ganglioplegica- I sali bis-ammonici quaternari danno inibizione competitiva

- Le ammine terziarie danno inibizione non competitiva

C2H5 N

C2H5

C2H5

C2H5+

TEATetraetilammonio

N(CH2)5

CH3N

H3C

Pentolinio

+ +

Me3N (CH2)6 NMe3

+ +

Esametonio

N CH3

CH3

H3C

H3C

CH3

Pempidina

CH3

CH3

NHCH3

CH3

Mecamilammina

RELAZIONE STRUTTURA-ATTIVITA' EMECCANISMO D'AZIONE

Me3N (CH2)n NMe3

- Variando n si può modulare la selettività verso i recettori nicotinici gangliari o muscolari.- L'attività nicotinica a livello della placca neuromuscolare raggiunge il valore massimo per n = 5 o 6.- La distanza fra i due gruppi ammonici quaternari è di 5-6 A°.- Solo uno dei due gruppi ammonici occupa il sito anionico dell'ACh..- L'altro gruppo ammonico va ad occupare un sito accessorio.

Me3N O CH3

O

Me3N NMe3

RECETTORE DEI GANGLI

+

-- sito anionico

sito anionicosecondario

+ +PENTAMETONIO

5.3 A°

+ +

RECETTORE DEI GANGLI

Me3NO CH3

O

+

- -sito anionico

sito anionicosecondario

Me3N NMe3+ +

PENTAMETONIO

5.3 A°

RECETTORE PLACCA MOTRICE

Me3N O CH3

O

+

- -sito anionicosecondario

sito anionico

Me3NNMe3

++

DECAMETONIO

Me3N ONMe3

++

SUCCINILCOLINA = SUXAMETONIO

O

O

10.6 A°

O

PACHICURARI

NCH3

CH3

H3CO

HO

O

O

N OCH3H

H3C

Cl-

Cl-

OH

NN

OCH2CH2NEt3

OCH2CH2NEt3

OCH2CH2NEt3

H3C

R

H3COCO

CH3

CH3OCOCH3

BLOCCANTI NEUROMUSCOLARI CURAROSIMILI

PACHICURARI(non depolarizzanti)

competitivi

LEPTOCURARI(depolarizzanti)non competitivi

+

+

d-tubocurarina cloruro20-40 volte più potente dell'enantiomero l

Chondodendron tormentosum

+

+

+

3I-

++

R = CH3 PancuronioR = H Vecuronio

Gallamina

NN

O

CH3

CH3

O

+

Rapacuronium Br1999

- Bloccante neuromuscolare non depolarizzante

- Utilizzato come coadiuvante di anestetici generali

O

CH3

Br-

CH2

CH3

OH

H H

H

LEPTOCURARISono molecole a catena lunga e lineare. Si ha un massimo di attivitàquando i due gruppi onio sono separati da una catena metilenicacompresa nell'intervallo fra C-10 e C-16. La distanza fra le dueteste cationiche varia nell'intervallo 10.8 A° - 18.2 A°.Se si aumenta l'ingombro sterico dei gruppi legati agli atomi di azotoquaternari si pass progressivamente da leptocurari a pachicurari.

Me3N (CH2)10 NMe3++

Et3N (CH2)10 NEt3++

N (CH2)10 N++

Me

Me

Me

Me

DEPOLARIZZANTE(non competitivo)

NON DEPOLARIZZANTE

più potente, competitivo

Me3N (CH2)10 NMe3++

2I-

Decametonio

Più potente della tubocurarina.Ha interesse storico, non è piùin commercio

CH2

CH2

COO CH2CH2 NMe3

COO CH2CH2 NMe3

+

+

Suxametonio

Ha azione brevissima.Viene idrolizzato rapidamenteda colinesterasi ematiche.Viene somministrato per infusione continua.Dose 10-30 mg.

LEPTOCURARIMe3N NMe3

+ +

- -sito anionico sito anionico

secondario

PACHICURARI

O

O O

CH2CH2

CH2CH2

CH2 CH2 NEt3

NEt3

NEt3

-sito anionico

-sito anionicosecondario

+

+

+ACh X

Tubocurarina : si ottiene per estrazione dalla corteccia diChondrodendron tomentosum. Breve durata d'azione. Non è assorbita per via orale; si somministra per e.V. o i.m.

Gallamina: azione trascurabile sui gangli; meno potente della tubocurarina. Si somministra per e.v. alla dose di 1mg/Kg.

Pancuronio: 4 volte più potente della tubocurarina con azione più rapida. Unico effetto collaterale importante è latachicardia. Dose: 0.04-0.08 mg/Kg.

Proprietà farmacologiche, insorgenza, durata d’azione e

metabolismo degli antagonisti nicotinici muscolari riportati nell’Informatore Farmaceutico Italiano (1996)

Farmaco Meccanismo Insorgenza Durata Metabolismo (Specialità d’azione dell’azione d’azione medicinale®) (minuti) (minuti) Sussametonio depolarizzante 1-1,5 6-8 idrolisi da cloruro colinesterasi (Midarine, plasmatiche Myotenlis) Atracurio competitivo 2-4 30-40 degradazione besilato di Hofmann; (Tracrium) idrolisi da colinesterasi plasmatiche Mivacurio competitivo 2-4 12-18 idrolisi da cloruro colinesterasi (Mivacron) plasmatiche Pancuronio competitivo 4-6 120-180 metabolismo bromuro nel fegato e (Pavulon) clearance; eliminazione renale Vecuronio competitivo 2-4 30-40 metabolismo bromuro nel fegato e (Norcuron) clearance; eliminazione renale Pipecuronio competitivo 2-4 80-100 metabolismo bromuro nel fegato (Arduan) e clearance; eliminazione renale

SINTESI PANCURONIOO

HgSO4

OCOCH3

H3C CH3

O+

Cl

CO3H

OCOCH3O

O

ON

N

HO HN

NaBH4

OHN

N

HO

ON

N

CH3OCO

COCH3

ON

N

CH3OCO

COCH3

2 CH3BrCH3+

CH3

+

Ac2O/Py

2 Br-

CH3COO CCH3

CH2