Farmacologia (dragged) PDF

L'IT di un F rappresenta una misura del margine di errore ammissibile nel somministrarlo in dosi superiori a quelle terapeutiche (predice solo una probabilità di efficacia o tossicità) e non fornisce alcuna indicazione circa la sua utilità clinica. Esempio: i farmaci antitumorali pur avendo un basso...

L'IT di un F rappresenta una misura del margine di errore ammissibile nel somministrarlo in dosi superiori a quelle terapeutiche (predice solo una probabilità di efficacia o tossicità) e non fornisce alcuna indicazione circa la sua utilità clinica. Esempio: i farmaci antitumorali pur avendo un basso IT hanno elevata utilità terapeutica Indice o margine di sicurezza (MS): DL1/DE99 Indice terapeutico (IT) I farmaci che hanno un basso IT e, quindi, una piccola finestra terapeutica (es. anticoagulanti eparina e warfarin) sono clinicamente poco maneggevoli e i loro livelli plasmatici devono essere monitorati attentamente per mantenere il dosaggio terapeutico senza raggiungere livelli che potrebbero produrre tossicità. Per i farmaci che hanno un alto IT e, quindi, un’ampia finestra terapeutica (es. aspirina, penicillina G) è sicuro ed usuale somministrare dosi molto superiori (spesso di 10 volte) a quella minima necessaria per ottenere l’effetto desiderato e senza la necessità di monitorarne le concentrazioni plasmatiche. Ai fini dell’uso clinico di un F, rispetto all’IT, l’MS fornisce una stima più realistica della sicurezza, confrontando la dose tossica/letale nell’1% della popolazione (DT1 o DL1) con quella efficace nel 99% della popolazione (DE99). Nel caso del fenobarbital: IT: DL50/DE50 = 260/100 = 2,6 MS: DL1/DE99=160/120 =1,3 Margine di sicurezza (MS) Un MS > 1 indica che la dose efficace nel 99% della popolazione è < di quella che potrebbe essere tossica/letale nell'1% della popolazione. Un MS < 1 indica che la dose massimamente efficace sarà tossica/letale in più dell’1% degli individui che assumono questa dose. L'IT di un F è un indice molto approssimativo della sua sicurezza perché non tiene conto delle pendenze delle curve dose-risposta quantale relative all’effetto tossico/letale e terapeutico. 41 Esempio ⚠ Sulla base del valore dei rispettivi IT: DL50/DE50 per fenobarbital (Ph) = DL50/DE50 per farmaco A → Ph e farmaco A ugualmente sicuri. Sulla base del valore dei rispettivi MS: DL1/DE99 per Ph > DL1/DE99 per farmaco A → Ph più sicuro del farmaco A. Minore è la pendenza delle curve dose-risposta quantale per l'effetto terapeutico e per l'effetto tossico/letale (farmaco A), maggiore è la probabilità che effetti tossici/letali si producano entro l'intervallo terapeutico delle dosi e più piccolo sarà il valore dell’MS del F. Il parallelismo delle curve dose-risposta quantale per l'effetto terapeutico e per l'effetto tossico/letale (Ph e farmaco A) spesso indica che l'effetto tossico/letale rappresenta una diretta estensione dell'effetto terapeutico (stesso meccanismo) Il non-parallelismo delle curve dose-risposta quantale per l'effetto terapeutico e per l'effetto tossico/letale (farmaco B) indica che l'effetto tossico/letale risulta da meccanismi non correlati a quelli che producono l'effetto terapeutico e che il rapporto tra efficacia e tossicità è diverso ai diversi livelli di risposte. 19 marzo 2024 Possibili relazioni tra effetti terapeutici e avversi di un farmaco Stesso meccanismo per entrambi gli effetti Rende conto della gran parte della tossicità grave dei farmaci. Richiede di solito un’attenta gestione della dose del F. Esempio: coma ipoglicemico da insulina; emorragie da anticoagulanti (e.g. eparina). A volte, per ridurre le dosi di farmaco somministrate ed evitare la tossicità, può essere necessaria l’associazione con altri farmaci. Esempio: nel trattamento dell’ipertensione, la somministrazione di un secondo farmaco dotato di azione antipertensiva attraverso un meccanismo diverso da quello del primo permette la riduzione della dose e della tossicità del primo (es. vasodilatatore + diuretico). Identici bersagli molecolari (R) mediano entrambi gli effetti, ma sono localizzati in tessuti diversi o utilizzano cammini effettori diversi. La tossicità può essere attenuata/evitata: Usando la minima dose di F in grado di produrre un effetto terapeutico accettabile. Associando un F che agisca con meccanismo diverso (es. analgesico oppioide + paracetamolo). Veicolando il F direttamente al sito per l’azione desiderata (somministrazione topica). Esempio: glucocorticoidi (antinfiammatori steroidei) somministrati in forma di aerosol per minimizzarne gli effetti indesiderati (es. catabolismo proteico, osteoporosi, psicosi). 42 Tipi/sottotipi recettoriali diversi mediano i due effetti Richiede l’impiego di farmaci selettivi per i diversi tipi/sottotipi recettoriali. Esempi: Farmaci agonisti β2 adrenergici selettivi (es. salbutamolo) usati come broncodilatatori nelle sindromi ostruttive delle vie respiratorie, privi (alle dosi terapeutiche) di effetti cardiaci (recettori β 1 adrenergici) e vascolari (recettori α1 adrenergici). Farmaci antagonisti β1 adrenergici selettivi o β-bloccanti selettivi (es. atenololo) usati come antipertensivi, privi (alle dosi terapeutiche) di effetto broncocostrittore (recettori β 2 adrenergici). Take home message Sebbene la curva dose-effetto graduale e la curva dose-risposta quantale abbiano la stessa forma su di un grafico cartesiano semilogaritmico e gli stessi parametri (pendenza, DE 50), queste curve riassumono informazioni diverse. Graduale Misurabile in continuo Studi su di un singolo individuo Correla la dose all’entità dell’effetto La pendenza è indice della maneggevolezza clinica del farmaco La DE50 indica la dose media che induce la metà dell’effetto massimo in un dato individuo È la sola che può indicare l’efficacia massima di un farmaco Quantale Non misurabile in continuo Studi di popolazione Correla la dose alla frequenza dell’effetto La pendenza è indice della variabilità biologica nella risposta al farmaco La DE50 indica la dose mediana che induce l’effetto nella metà degli individui trattati È la sola che può indicare la variabilità biologica nella risposta a un farmaco Interazione tra farmaci L'effetto di un F può essere aumentato, ridotto o completamente abolito dalla presenza concomitante di un altro F o xenobiotico. Due farmaci o due xenobiotici (ad es. A e B) possano interagire in un organismo vivente e dar origine ai seguenti effetti: Effetto additivo e sommazione (EA + EB = 3 + 2 = 5) Effetto sinergico (EA + EB = 3 + 2 = 20) Potenziamento (EA + EB = 0 + 2 = 10), quando uno dei due farmaci non ha effetto singolarmente ha aumenta l’effetto del secondo farmaco se usato in combinazione. Antagonismo (antidoti) Antagonismo In base al meccanismo, si riconoscono diversi tipi di antagonismo tra farmaci: Antagonismo chimico o antidotismo (favorendo l’escrezione) Antagonismo farmacocinetico (riduzione assorbimento) Antagonismo funzionale o fisiologico (senso di sete) Antagonismo recettoriale (sostituzione nel sito recettoriale) 43 Antagonismo chimico (o antidotismo) Poco comune, si verifica quando un F che interagisce direttamente (legame chimico stabile) con il F che viene antagonizzato (azione non mediata da interazione con siti recettoriali), ne determina la rimozione o gli impedisce di raggiungere l’organo bersaglio. Esempi: Dimercaprol (nell’avvelenamento da Hg o As): chela il metallo riducendone la tossicità. Pralidossima (nell’intossicazione da composti organofosforici): neutralizza i composti organofosforici (pesticidi, gas nervini), inibitori irreversibili dell’acetilcolinesterasi. Antagonismo farmacocinetico Quando l'antagonista riduce efficacemente la concentrazione del F attivo al suo sito d'azione in conseguenza di un’alterazione di un processo farmacocinetico (assorbimento, distribuzione, biotrasformazione, escrezione) del F attivo. È comune e può essere importante nelle situazioni cliniche, dove tende a verificarsi in modo inaspettato. Alterazione dell’assorbimento Esempio: aumento della durata d’azione degli anestetici locali utilizzando l’adrenalina (vasocostrittore) che porta ad un minore assorbimento degli anestetici locali. Alterazione della biotrasformazione Esempio: ↓ effetto anticoagulante del warfarin da parte del fenobarbital per ↑ biotrasformazione epatica del warfarin (induzione enzimatica da fenobarbital) Alterazione dell’escrezione Esempi: ↑ Escrezione renale di barbiturici o aspirina da parte del NaHCO 3 per alcalinizzazione dell’urina. ↑ Escrezione renale di amfetamine da parte del cloruro di ammonio per acidificazione dell’urina. Antagonismo funzionale o fisiologico Quando due farmaci producono effetti funzionali opposti sull'organismo, che tendono ad annullarsi reciprocamente. Esempi: Agonisti dei recettori colinergici M2 → bradicardia Agonisti dei recettori adrenergici β1 → tachicardia Agonisti dei recettori istaminergici H1 → broncocostrizione Agonisti dei recettori adrenergici β2 → broncodilatazione Agonisti dei recettori istaminergici H2 → maggiore secrezione acida gastrica Inibitori della pompa protonica gastrica (es. omeprazolo) → minore secrezione acida grassa Antagonismo recettoriale Quando un antagonista inibisce (parzialmente o completamente, a seconda della sua concentrazione) l'effetto di un agonista che agisca attraverso lo stesso recettore. Gli antagonisti recettoriali possono agire con due meccanismi diversi, producendo un effetto sormontabile o insormontabile: 1. Antagonismo competitivo: reversibile o sormontabile 2. Antagonismo non competitivo: irreversibile o insormontabile 44 Antagonismo competitivo L'antagonista competitivo compete con l’agonista per legarsi reversibilmente allo stesso sito sul recettore. Il legame al recettore di agonista e di antagonista è mutuamente esclusivo (il recettore è in grado di legare solo una molecola per volta). Aumentando la dose di agonista a sufficienza, l’antagonista viene spiazzato dal sito sul recettore e si raggiunge lo stesso Emax ottenuto in assenza dell’antagonista (sormontabilità). L'antagonista competitivo sposta la curva dose-risposta per l'agonista parallelamente (senza variazione della pendenza) verso destra, aumenta la DE50 apparente dell'agonista, cioè riduce la potenza dell’agonista, senza modificarne l’efficacia (Emax). L'antagonismo competitivo è il meccanismo più diretto attraverso il quale un F può ridurre l’effetto di un altro F o di un mediatore endogeno ed è ampiamente sfruttato. Nel trattamento di patologie dovute ad un’eccessiva attività di mediatori endogeni. Esempi: o Farmaci b-bloccanti nelle aritmie causate da un eccessivo rilascio di adrenalina § Atropina (e farmaci atropino-simili) nell’ipertono vagale (sostenuto dall’ACh) o Farmaci anti-H1 nelle reazioni allergiche associate a liberazione di istamina In tossicologia clinica, per contrastare gli effetti tossici di una sostanza. Esempi: o naloxone nell’overdose da oppioidi (analgesici centrali) o flumazenil nel sovradosaggio da benzodiazepine (ansiolitici) o atropina nell’avvelenamento da funghi del genere Amanita muscaria (muscarina: agonista colinergico muscarinico) Gli agonisti parziali si comportano da antagonisti competitivi Un agonista parziale, quando presente contemporaneamente ad alte concentrazioni di un agonista totale (endogeno o F), legandosi allo stesso sito sul recettore dell’agonista totale, è in grado di inibire parzialmente l’effetto generato dall’agonista totale, comportandosi da antagonista competitivo. A basse dosi, l’agonista parziale ha effetto additivo a quello di basse dosi di agonista totale (quadrante basso a sx, dove α = 0.3, 30%) 45 Antagonismo non competitivo L'antagonista non competitivo non può essere spiazzato dal recettore dall’agonista perché: Si lega irreversibilmente (legame covalente) allo stesso sito sul recettore al quale si lega l'agonista. Oppure, si lega (reversibilmente o irreversibilmente) ad un sito del recettore diverso (sito allosterico) da quello occupato dall'agonista (i due siti interagiscono in modo tale da non permettere che il recettore venga attivato dall’agonista). L'antagonista non competitivo sposta la curva dose-risposta per l'agonista verso il basso (minore pendenza): riduce l’Emax ottenibile (efficacia) anche in presenza di dosi elevate di agonista (insormontabilità), senza modificarne la DE50 (potenza). Gli antagonisti non competitivi sono sostanze usate principalmente come mezzi sperimentali per studiare il funzionamento dei recettori e solo pochi sono usati clinicamente come antagonisti recettoriali. Esempi di antagonisti recettoriali Agonista Antagonista competitivo Acetilcolina (recettori M-colinergici) Atropina Isoprenalina (recettori β-adrenergici) β-bloccanti Istamina (recettori istaminergici) Antistaminici Morfina (recettori oppioidi) Naloxone Agonista Antagonista non competitivo Acetilcolina (recettori NM-colinergici) Gallamina (bloccante neuromuscolare) Agonisti α1-adrenergici Fenossibenzamina Implicazioni cliniche dell’antagonismo recettoriale: la dose di un antagonista competitivo deve essere aumentata se la quantità di agonista (endogeno o esogeno) nel paziente aumenta. Organizzazione molecolare/funzionale trasduzione del segnale e modulazone farmacologia dei recettori Molecole segnale o ligandi endogeni (neurotrasmettitori, ormoni, fattori di crescita, autacoidi, citochine, ecc.) esplicano la loro attività attraverso l’intermediazione di specifici recettori cellulari deputati al trasferimento dell’informazione tra e dentro le cellule. Il segnale transmembrana è realizzato da pochi meccanismi molecolari, ciascuno dei quali usa una diversa strategia per attraversare la barriera del doppio strato fosfolipidico della membrana cellulare. Queste strategie si avvalgono di 4 superfamiglie di recettori, distinte sulla base di struttura molecolare e natura del meccanismo di trasduzione del segnale (collegamento recettore-effettore finale). In ordine di velocità di risposta sono: A. Recettori di membrana 1. Canali ionici ligando-dipendenti (ionotropici) 46  2. Recettori associati a proteine G (metabotropici) 3. Recettori legati a chinasi (reazioni infiammatorie) B. Recettori intracellulari 4. Recettori nucleari Ogni superfamiglia di R comprende numerosi membri che condividono la medesima architettura strutturale. Ogni membro o tipo recettoriale è presente in molti sottotipi (3, 4 o più) che riconoscono uno stesso ligando e che sono dotati di specifiche distribuzioni tissutali e di proprie caratteristiche funzionali/farmacologiche. I recettori attivati possono iniziare uno o più cammini di trasduzione del segnale che portano a specifici cambiamenti delle funzioni delle cellule bersaglio, sia a breve termine che a lungo termine. Esempio di recettori nucleari: recettori degli estrogeni Nonostante inizialmente si fossero scoperti solamente recettori per gli estrogeni citoplasmatici, si è visto che esistono anche dei recettori degli estrogeni nucleari. Questi localizzano nella loro forma inattiva nel citoplasma, dove quando legano l’estrogene dimerizzano e traslocano o nei mitocondri, o nel nucleo, dove fungono da fattori di trascrizione. Recettori nucleari (RN) Sono una famiglia di 48 recettori proteici solubili localizzati nel citoplasma (RN di tipo I) o nel nucleo (RN di tipo II) delle cellule bersaglio. Trasducono il segnale portato da ligandi endogeni altamente lipofili (lipidi/ormoni), che diffondono facilmente attraverso le membrane plasmatica e nucleare. 47 Circa la metà dei RN fino ad oggi identificati sono recettori orfani (ligando e funzione sconosciuti) e tra questi alcuni sembrano funzionare: Come sensori metabolici dello stato lipidico FXR, Farnesoid X Receptor, riconoscono gli acidi biliari ma funzione sconosciuta LXR, Liver X Receptor, riconoscono gli ossisteroli naturali (colesterolo) PPAR, peroxisome proliferator activated receptor, riconoscono gli acidi grassi, sono attivatori della proliferazione dei perossisomi e legati all’obesità Come sensori di xenobiotici Aumentando l’espressione degli enzimi (citocromo P450) che biotrasformano questi xenobiotici CAR, constitutive androstane receptor per l’androstano PXR, pregnane X receptor per steroidi e xenobiotici I RN sono fattori di trascrizione attivati da ligando, capaci di legare sequenze consenso-specifiche del DNA, dei promotori di geni specifici regolandone (attivazione o repressione) la trascrizione portando a una modificazione della concentrazione di specifiche proteine funzionali nelle cellule bersaglio. L’attività biologica dei RN è tessuto-specifica: I RN sono diversamente espressi nei tessuti. I geni regolati da un RN in un tessuto sono diversi da quelli regolati dallo stesso RN in un altro tessuto/organo. Poiché la trascrizione genica è un processo relativamente lento e di lunga durata, i farmaci che agiscono su RN spesso richiedono un periodo di tempo più lungo (ore-giorni) per l’insorgenza dell’azione ed hanno effetti più duraturi rispetto ai farmaci che agiscono su recettori di membrana. RN di tipo I Rispondono agli ormoni steroidei. Localizzazione citoplasmatica, traslocano nel nucleo solo dopo aver legato i loro ligandi, come complessi recettore-ligando. Esempi: RN per glucocorticoidi (GR): ligando endogeno cortisolo (o idrocortisone) RN per mineralcorticoidi (MR): ligando endogeno aldosterone RN per ormoni sessuali o Estrogeni (ERα e ERβ) o Progesterone (PR) o Androgeni (AR): ligandi endogeni testosterone e diidrotestosterone RN di tipo II Localizzano nel nucleo. Esempi: RN per l’ormone tiroideo (tiroxina) (TRα e TRβ) RN per vitamine liposolubili o Vitamina A (retinolo) e composti correlati naturali e di sintesi (retinoidi) (RARα, RARβ e RARγ) o Vitamina D (calcitriolo) (VDR) 48  20 marzo 2024 Organizzazione strutturale dei RN I vari RN hanno una struttura molto simile tra loro, essendo costituiti da una singola catena polipeptidica che contiene diversi domini funzionali: I. Regione A/B regolatoria: altamente variabile in sequenza e dimensioni tra i vari RN, contiene il dominio di attivazione della trascrizione (AF-1) → specificità d’azione del R. II. Regione C: contiene il sito di riconoscimento/legame per specifiche sequenze di DNA (DBD, DNA binding domain; altamente conservato), denominate hormone responsive elements (HREs) presenti nei promotori dei geni bersaglio. III. Regione E: contiene il sito specifico di legame per il ligando (LBD, ligand binding domain), permette la dimerizzazione del recettore e lega co-attivatori/co-repressori trascrizionali (dominio di attivazione AF-2) e proteine da shock termico (hsp). IV. La regione D (regione cerniera) è un dominio flessibile, che connette il DBD con il LBD e serve a controllare il movimento del recettore al nucleo. Trasduzione del segnale dei RN In assenza del ligando, il recettore è presente nel citoplasma (RN di tipo I) o nel nucleo (RN di tipo II) in forma inattiva determinata dall’interazione con: Proteine inibitorie specifiche della classe delle heat shock proteins (hsp), nel caso di RN di tipo I Co-repressori trascrizionali, nel caso di RN di tipo II Il legame del ligando (endogeno o farmaco agonista) al recettore causa una modificazione conformazionale del recettore che promuove: Dissociazione di hsp o sostituzione di co-repressori con co-attivatori trascrizionali Dimerizzazione del recettore Traslocazione di RN di tipo I nel nucleo nella forma di omodimeri ligando-recettore Nel nucleo, il dimero ligando-recettore si lega a specifiche sequenze di DNA presenti nei promotori di alcuni geni bersaglio (hormone responsive elements, HREs) modulandone la trascrizione → risposta in ore/giorni. A causa di queste caratteristiche, dovendo il ligando entrare nella cellula, esso deve essere lipofilo. Un’altra implicazione è che una mutazione del punto riconosciuto dal recettore può inattivare o attivare il relativo gene. Gli idrocarburi policiclici arilici (PAH) sono prodotti della combustione assunti nella dieta, essendo lipofili sono in grado di entrare nella cellula, legare il proprio recettore AhR rimuovendo l’hsp, traslocare nel nucleo dove in forma di dimero attiva la trascrizione di numerosi geni legando i rispettivi HREs. Portano ad un incremento dei livelli di mRNA di più di 100 volte. Queste sostanze sono cancerogene. I recettori dei PAH sono presenti anche a livello del SNC, anche se i ligandi endogeni sono ignote. 49 Nell’organismo, i RN coordinano programmi trascrizionali strettamente interconnessi tra loro e volti a regolare importanti funzioni fisiologiche: Sviluppo, crescita e differenziamento; omeostasi metabolica (metabolismo energetico; bilancio elettrolitico) Riproduzione; sistema immunitario Molte condizioni patologiche sono associate ad un malfunzionamento del sistema dei RN: Infiammazione; cancro; diabete Malattie cardiovascolari; obesità; disordini di apparato scheletrico, sistema riproduttivo e sistema immunitario Numerosi farmaci (circa il 10%) di ampio impiego terapeutico sono analoghi strutturali dei ligandi endogeni ed agiscono su RN comportandosi da agonisti o da antagonisti Gli agonisti vengono frequentemente utilizzati in terapie di sostituzione per sopperire a carenze dei ligandi endogeni di origine alimentare (es. vitamine A e D), di origine fisiologica (es. estrogeni e progestinici durante la menopausa), di origine patologica e genetica (es. tiroxina nell’ipotiroidismo; vitamina D nel rachitismo) Gli antagonisti vengono utilizzati principalmente per modificare l’attività dei recettori per gli ormoni sessuali nelle patologie neoplastiche ormono-responsive. Il SNC è lipofilo, per cui le sostanze lipofile come i PHA si dirigono verso di esso. Gli estrogeni sono ormoni che hanno attività attivatrice dei neuroni, per cui sono stati considerati come farmaci per contrastare l’avanzamento di malattie neurodegenerative. Ma in grandi quantità possono essere cancerogeni. Recettori nucleari in sintesi Sono una famiglia di 48 recettori solubili che percepisce sia segnali lipidici che ormonali, e modula la trascrizione genica. Due principali gruppi: RN di tipo I, presenti nel citoplasma, formano omodimeri in presenza dei loro ligando (di solito di natura endocrina, ad es. ormoni steroidei) e migrano nel nucleo. RN di tipo II, in genere presenti costitutivamente nel nucleo, e formano eterodimeri con il recettore X dell’acido retinoico (ad es. LXR, FXR, PXR etc.) e i loro ligandi sono lipidi che mediano effetti a feedback positivo (quindi amplificazione di un evento biologico). Un terzo sottogruppo trasduce prevalentemente segnali endocrini ma funziona come eterodimero col recettore X dei retinoidi (ad es. il recettore per l’ormone tiroideo TR, il recettore per la vitamina D (VDR) e il recettore per l’acido retinoico (RAR). I complessi L-R inducono modificazioni della trascrizione genica attraverso il legame di elementi responsivi sul promotore genico e reclutando fattori coattivatori e corepressori (ad es. acetilasi/deacetilasi degli istoni). La famiglia dei RN è responsabile degli effetti farmacologici di circa il 10% di tutti i farmaci prescritti, e gli enzimi da essa regolati influenzano la farmacocinetica di circa il 60% di tutti i farmaci prescritti. Esempi di farmaci che agiscono su RN e loro usi clinici principali Farmaci Agonisti Antagonisti Glucocorticoidi Sindromi allergiche Insufficienza surrenalica acuta e cronica Immunosoppressione Terapia tumorale (leucemia, linfoblastica, linfomi) 50  Infiammazione Mineralcorticoidi Insufficienza surrenalica cronica Scompenso cardiaco Ipoaldosteronismo congestizio Estrogeni Contraccezione Tumori ormono-dipendenti Ipogonadismo femminile (mammario ed endometriale) Terapia sostitutiva (menopausa, osteoporosi, insufficienza ovarica) Progestinici Contraccezione Interruzione gravidanza (primo Ipogonadismo femminile trimestre) Terapia sostitutiva menopausale Androgeni Insufficienza testicolare Tumore prostatico Ipogonadismo maschile Ormoni tiroidei Ipotiroidismo Vitamina D Osteomalacia Rachitismo Acido retinoico Acne, psoriasi Leucemia mieloide acuta Recettori di membrana Rappresentazione schematica delle diverse famiglie di Recettori di membrana: A. Canali ionici aperti dal legame col il neurotrasmettitore B. Recettori accoppiati a proteine G con la tipica struttura a sette domini transmembrana C. Recettori per la matrice extracellulare (integrine) D. Recettori per le citochine (risposta infiammatoria) E. Recettori con attività protein-chinasica intrinseca che fosforila residui di tirosina e/o serina (tumori) F. Recettori con attività guanilato ciclasica intrinseca G. Recettori per le lipoproteine H. Recettori per il TNF o recettori di morte I. Recettori Toll-like Sono proteine integrali trans membranarie che trasducono il segnale di ligandi fisiologici troppo idrofili (es. catecolamine) o troppo grandi (es. ormoni peptidici) per attraversare la membrana plasmatica della cellula bersaglio. Per il trasferimento dell’informazione all’interno della cellula, si avvalgono di due domini: Dominio extracellulare per il legame con il ligando endogeno. Dominio intracellulare per la trasduzione del segnale. 51 Il segnale è trasdotto attraverso la generazione di modificazioni bioelettriche (concentrazioni ioniche intracellulari) e biochimiche, dirette o mediate dalla produzione di secondi messaggeri intracellulari, responsabili della risposta cellulare. Fino ad oggi, sono stati identificati più di 1000 recettori diversi espressi sulla membrana delle cellule umane, raggruppati in 20 sottofamiglie distinguibili per struttura e funzione. Alcuni sono recettori orfani (ligando e funzione sconosciuti). Principali famiglie (ciascuna composta da numerosi membri) per le quali sono disponibili farmaci: Recettori canale o ionotropici Recettori accoppiati a proteina G o metabotropici Recettori accoppiati a tirosin chinasi Recettori per l’adesione ed il movimento delle cellule Esempi di ligandi fisiologici per recettori di membrana Neurotrasmettitori (piccole molecole cariche, facilmente sintetizzabili) Acetilcolina (ACh) Aminoacidi o derivati da aminoacidi o Catecolamine: dopamina, adrenalina2, noradrenalina o Serotonina (5-HT) o Acido γ-aminobutirrico (GABA), regolato dal Valium® o Glutammato o Istamina o Glicina Nucleosidi (adenosina) e nucleotidi (ATP) Neuropeptidi Piccole molecole di natura proteica che, liberate da cellule neuronali o gliali in risposta ad uno stimolo, agiscono, legandosi a specifici recettori di superficie, come neurotrasmettitori o neuromodulatori. Neuropeptidi modulatori di dolore e nocicezione: neuropeptidi oppioidi (encefaline, endorfine, endomorfine, dinorfine); sostanza P Peptidi nel controllo cardiovascolare e idro-salino: peptidi natriuretici; endotelina; vasopressina Fattori ipotalamici di controllo della secrezione di ormoni ipofisari: TRH (ormone rilasciante la tirotropina); ACTH (ormone adrenocorticotropo); LHRH (ormone rilasciante l’ormone luteinizzante) Molecole segnale lipidiche Eicosanoidi (prostaglandine, prostaciclina, trombossani, leucotrieni) Fattore attivante le piastrine (PAF) Fattori di crescita Citochine e Chemochine Ormoni peptidici Insulina Glucagone Numerosi neurotrasmettitori possono attivare recettori appartenenti a famiglie diverse, in particolare recettori ionotropici e recettori metabotropici. 2 Secreta da neuroni del SNC agisce come un neurotrasmettitore; secreta dalla midollare del surrene agisce come un ormone. 52 Induzione nelle cellule bersaglio di risposte: sia rapide e di breve durata sia più lente e di maggiore durata sia eccitatorie che inibitorie Risposta rapida Risposta lenta Neurotrasmettitore (recettori ionotropici) (recettori metabotropici) Acetilcolina (ACh) Nicotinici (NN, NM) Muscarinici (M1, M2, M3) GABA GABAA GABAB Glutammato AMPA e NMDA mGluR1 – mGluR8 Serotonina 5-HT3 5-HT1, 5-HT2, 5-HT4, 5-HT5 ATP P2X P2y La stimolazione di recettori diversi da parte di uno stesso neurotrasmettitore comporta, quindi, differenze qualitative (tipo di risposta) ed anche cinetiche (velocità d’insorgenza e durata della risposta). Recettori-canale o Recettori ionotropici Sono complessi macroproteici transmembrana, costituiti da 5 (più raramente 3 o 4) subunità proteiche, disposte in modo da formare un canale idrofilico attraverso il quale passano gli ioni in modo controllato e selettivo. Presenti in maggior quantità e varietà a livello delle sinapsi interneuronali (SNC, SNA) e della giunzione neuromuscolare (SNS, sistema nervoso simpatico) dove mediano la neurotrasmissione sinaptica veloce. Il legame del ligando e l’apertura del canale ionico si attuano in 1-2 msec. Possiedono alcune importanti proprietà: Sono attivati in risposta a ligandi specifici (agonista endogeno o esogeno) Conducono ioni attraverso la membrana cellulare (altrimenti impermeabile) secondo gradiente di concentrazione Selezionano tra ioni diversi, in base a dimensione e carica: selettività ionica per cationi ed anioni L’attivazione continua provoca desensitizzazione (recettore non più conduttivo e responsivo) Esempi di recettori ionotropici eccitatori Recettore colinergico nicotinico Canale ionico ligando dipendente costituito da 5 subunità (α2βγδ). Per la piena attivazione del recettore è necessario il legame dell’ACh ad entrambi i siti di legame. Il canale ionico è delimitato dalle regioni M2 transmembranarie (a-eliche anfipatiche) di ciascuna subunità. In condizioni di riposo (assenza di ligando) il canale è chiuso da segmenti idrofobici (a-eliche costituenti il cancello) che occludono il poro del canale e non permettono il passaggio di ioni. La selettività della carica ionica che attraversa il canale è data dalla presenza di aminoacidi carichi negativamente, disposti in 3 anelli lungo la superficie interna del canale. 53 Alcuni recettori canale sono intracellulari (ad esempio i canali di rilascio del Ca 2+). Recettore dell’inositolo 1,4,5-trifosfato (IP3R) del reticolo endoplasmatico: nella segnalazione intracellulare del Ca2+ in un’ampia varietà di tipi cellulari, viene antagonizzato dalla caffeina. Recettore della rianodina 1 (RyR-1) del reticolo sarcoplasmatico: espresso ubiquitariamente in molti tipi cellulari, partecipa ad una varietà di importanti fenomeni di segnalazione del Ca2+ (neurotrasmissione, secrezione, contrazione muscolare). Viene attivato dalla caffeina e antagonizzato dal dantrolene (farmaco miorilassante periferico). Un difetto genetico a carico di RyR-1 che comporta l’incapacità di legare il Ca2+ da parte del reticolo sarcoplasmatico è alla base dell’insorgenza dell’ipertermia maligna (reazione idiosincrasica) nei soggetti geneticamente suscettibili quando esposti ad anestetici generali inalatori e/o a bloccanti neuromuscolari depolarizzanti (succinilcolina). Caratteristiche strutturali dei recettori ionotropici Sono distinguibili tre zone morfofunzionali: 1. Porzione extracellulare, generalmente di grandi dimensioni, che delimita una larga camera a imbuto dove si concentrano gli ioni e dove sono localizzati i siti di legame per i ligandi 2. Porzione intramembranaria, situata alla fine dell’imbuto, che costituisce il poro ionico vero e proprio che seleziona gli ioni 3. Porzione intracitoplasmatica, dove sono presenti siti di fosforilazione (per la regolazione delle cinetiche di apertura e chiusura del canale e della desensitizzazione) e siti di legame per proteine adattatrici che legano il recettore al citoscheletro (per stabilità e corretto posizionamento del recettore nella membrana cellulare) Sottotipi recettoriali Per uno stesso recettore, le proprietà ioniche (selettività ionica specifica, conduttanza, tempo di apertura del canale, sensibilità alla desensitizzazione) e farmacologiche (capacità di legare agonisti e antagonisti) possono variare considerevolmente in funzione della sua composizione in subunità (isoforme del recettore/sottotipi recettoriali → eterogeneità recettoriale). Trasduzione del segnale dei recettori ionotropici Il legame del ligando al recettore induce una modificazione conformazionale di una o più subunità che apre il canale (gating) e permette il passaggio di ioni → Rapida modificazione delle concentrazioni ioniche intracellulari e del potenziale elettrico transmembranario. Il flusso ionico cessa quando il ligando si dissocia dal recettore oppure il recettore diventa desensitizzato per prolungata esposizione all’agonista o in presenza di elevate [agonista] (endogeno o esogeno). La desensitizzazione è una proprietà intrinseca alla molecola del recettore; tuttavia, la velocità con cui progredisce viene regolata da fosforilazioni specifiche del recettore da parte di varie chinasi attivate da secondi messaggeri sintetizzati in seguito alla stimolazione di altri recettori (metabotropici; accoppiati a tirosin chinasi) → cross-talk tra recettori PKA (protein chinasi A, cAMP-dipendente) PKC (protein chinasi C) Calcio-calmodulina chinasi Tirosinchinasi 54 In base al tipo di ioni permeanti, i recettori ionotropici modificano l’eccitabilità della cellula bersaglio: Aumentandola (depolarizzazione): potenziale postsinaptico eccitatorio (EPSP), effetti eccitatori postsinaptici. Diminuendola (iperpolarizzazione): potenziale postsinaptico inibitorio (IPSP), effetti inibitori postsinaptici. Esempi di recettori ionotropici eccitatori Recettori per il glutammato (omo- o etero-tetrameri) Implicati in numerose risposte eccitatorie del SNC, compresa la nocicezione, e nei processi di memoria e apprendimento. Prendono il nome dagli agonisti che selettivamente ad essi si legano: Tipo AMPA (a-amino-3-idrossi-5-metil-4-isoxazolone proprionato), associato a canale per cationi (permeabilità alta al Na+ e bassa al Ca2+) Tipo NMDA (N-metil-D-aspartato), comunemente associato a canale per il Ca2+ Tipo kainato, associato a canale per cationi (Na+, K+, Ca2+) Recettore 5-HT3 (pentamero) per la serotonina, associato a canale per cationi (Na+, K+, Ca2+) Nel SNP media la nocicezione. Nel SNC (Chemioreceptor Trigger Zone nel midollo allungato) è coinvolto nel riflesso del vomito. Alcuni antagonisti selettivi sono potenti farmaci antiemetici (es. ondansetron), utilizzati nel controllo di nausea e vomito incoercibili indotti da chemioterapia antiblastica e da radioterapia e in profilassi e trattamento di nausea e vomito post-operatori. Recettore purinergico P2x per l’ATP (omo- o etero-trimero) Primariamente associato a canale per cationi (Ca2+ >> Na+ > K+). Recettori aperti dai nucleotidi ciclici (omo- o etero-tetrameri) Associati a canale per cationi (Na+, K+, Ca2+). Lega: cAMP, nell’epitelio olfattivo. cGMP, nei coni della retina. Nucleotidi ciclici, in tessuti non sensoriali (ippocampo, cuore, rene, testicoli, intestino). Recettori colinergici nicotinici per ACh Eteropentameri, associati a canale per Na+ (K+, Ca2+), così denominati da nicotina (primo ligando scoperto), alcaloide contenuto nelle foglie della pianta Nicotiana tabacum. I recettori colinergici nicotinici comprendono due sottotipi: NN (subunità 2a, 3b): media le risposte eccitatorie veloci dell’ACh a livello del SNC, delle sinapsi gangliari del SNA e delle cellule cromaffini della midollare del surrene. NM (subunità 2a, b, γ, d): a livello della placca motrice, media la contrazione dei muscoli scheletrici. Esempi di recettori ionotropici inibitori Recettore GABAA per l’acido g-aminobutirrico (GABA): eteropentamero, associato a canale per il Cl- Nel SNC media le risposte inibitorie neuronali del GABA Nella forma più diffusa, è costituito da 3 subunità proteiche nel rapporto stechiometrico di 2α, 2β, 1γ Recettore per la glicina (omo- o etero-pentamero): associato a canale per il Cl- Media le risposte inibitorie della glicina a livello del midollo spinale. Viene antagonizzato dalla stricnina (alcaloide estratto dai semi di piante del genere Strychnos, quali la noce vomica e la fava di S. Ignazio, usata un tempo come veleno per piccoli animali vertebrati quali roditori e uccelli). 55 Modulazione farmacologica dell’attività dei recettori ionotropici A. Farmaci che agiscono sul sito di legame del neurotrasmettitore, comportandosi da agonisti o da antagonisti B. Farmaci che agiscono su siti allosterici del recettore, diversi da quello per il neurotrasmettitore, aumentandone o inibendone l’attività: a. Modificazione della cinetica di legame del neurotrasmettitore b. Effetti su apertura e chiusura del canale ionico c. Effetti sulla velocità di passaggio del recettore allo stato desensitizzato Bloccanti neuromuscolari o curari Sono farmaci che operano un blocco della trasmissione colinergica (recettore nicotinico) nella giunzione neuromuscolare → paralisi flaccida di tutti i muscoli volontari striati scheletrici normali (non il cuore). Utile durante intervento chirurgico ed i curari sono usati principalmente come farmaci aggiuntivi, per il loro effetto miorilassante, prevalentemente in ambito ospedaliero. Causando paralisi dei muscoli respiratori (diaframma, muscoli toracici), il loro uso clinico richiede la ventilazione meccanica. In anestesia generale è utilizzato per consentire l’intubazione endotracheale (per la ventilazione meccanica); in chirurgia, per ottenere una migliore operabilità e gestibilità del paziente; in unità di terapia intensiva, per facilitare la ventilazione controllata. In base al meccanismo d’azione si dividono in: Agonisti, depolarizzanti, o leptocurari. Antagonisti competitivi, non depolarizzanti, o pachicurari. Agonisti, depolarizzanti, o leptocurari Succinilcolina. A breve durata d’azione (pochi minuti), utile durante l’intubazione perché, se questa non ha successo, il paziente torna in grado di respirare. Il farmaco non è substrato della AChE, ma della pseudocolinesterasi (epatica e plasmatica) che rapidamente (1-2 min) lo idrolizza ad acido succinico e colina. Questa idrolisi, essendo molto più lenta di quella dell’ACh da parte della AChE (~1 msec), causa: Attivazione protratta del recettore NM → eccitazione ripetitiva e transitoria, accompagnata da fascicolazioni del muscolo Conseguente rapida desensitizzazione del recettore NM Antagonisti competitivi, non depolarizzanti, o pachicurari D-tubocurarina (principale alcaloide del curaro3) e suoi derivati di sintesi più sicuri (es. mivacurio, atracurio, pancuronio), a più lunga durata d’azione (10 min-2 ore). Ketamina Anestetico generale endovenoso che agisce primariamente come antagonista non competitivo sul recettore NMDA per il glutammato. Occlude il canale del Ca2+ connesso al recettore legandosi ad un sito collocato all’interno del canale stesso → meno attività del recettore porta a minore neurotrasmissione sinaptica eccitatoria. 3 Estratto vegetale preparato a partire da numerose e varie piante della foresta amazzonica, utilizzato dagli indigeni come veleno da freccia per guerra e caccia (l'animale ucciso può essere mangiato in sicurezza, in quanto la tubocurarina non attraversa le membrane mucose). 56 Recettore GABAA Il recettore GABAA nelle varie aree del SNC consta di diverse combinazioni dei tre tipi principali di subunità 2α, 2β, γ (esistono varie isoforme del recettore GABAA, con proprie distribuzioni cerebrali e con funzioni diverse). Il GABA si lega all’interfaccia extracellulare delle subunità β/α del recettore GABAA. Il recettore GABAA possiede siti modulatori (allosterici) di legame diversi per vari farmaci: Anestetici generali iniettabili (propofol; tiopental) Anestetici generali inalatori organici; etanolo Sedativo-ipnotici: barbiturici (fenobarbital); benzodiazepine (BZ), zolpidem Il legame dei farmaci ai loro siti sul recettore GABA A causa una facilitazione allosterica della neurotrasmissione inibitoria GABAergica attraverso aumentando l’affinità del GABA per il suo sito di legame sul recettore, quindi portando ad una maggiore frequenza e durata di apertura del canale per il Cl-. A concentrazioni elevate (anestetiche), barbiturici, propofol, anestetici generali inalatori ed etanolo esercitano un’azione GABAmimetica (attivazione diretta dell’apertura del canale per il Cl-, anche in assenza di GABA). 26 marzo 2024 Benzodiazepine versus barbiturici Le benzodiazepine non agiscono direttamente sul recettore del GABA. Al crescere della dose, le BZ esercitano: Azione ansiolitica Azione sedativo-ipnotica (sedazione e induzione del sonno); amnesia anterograda (perdita di memoria che non compromette i ricordi passati, ma limita molto la capacità di memorizzare informazioni nuove) Azione miorilassante centrale (riduzione del tono muscolare) Azione anticonvulsivante (inibizione di sviluppo e diffusione di attività epilettiforme nel SNC) Le BZ possono deprimere i centri respiratori e vasomotori bulbari, in dipendenza da dose ed uso concomitante di altri neuro-depressori. Generalmente, la depressione della funzione respiratoria e cardiovascolare non è clinicamente rilevante/pericolosa a dosi ipno inducenti, ma lo può diventare in pazienti con disturbi polmonari o cardiovascolari, o in associazione con altri depressori centrali compreso etanolo. Gli effetti delle BZ sono antagonizzati dal flumazenil (antagonista competitivo del recettore centrale delle BZ – antidoto). In caso di sovradosaggio, le BZ sono meno pericolose (ampio margine di sicurezza) dei sedativo-ipnotici barbiturici e dell’etanolo. Le BZ attualmente sono i farmaci d’elezione per il trattamento di ansia e disturbi del sonno, avendo sostituito ampiamente i sedativo- ipnotici, barbiturici e non-barbiturici meno sicuri. Barbiturici ed etanolo: alto rischio tossicologico, per la progressione lineare della curva dose-effetto nella sequenza sedazione-ipnosi-anestesia generale-coma- morte. 57  Le benzodiazepine hanno notevole azione ansiolitica a dosi non sedativo-ipnotiche e comunque nettamente inferiori a quelle in grado di indurre anestesia e depressione bulbare (centri respiratori e vasomotori). Recettori accoppiati a proteine G (G Protein Coupled Receptors, GPCR) o Recettori metabotropici La più numerosa (oltre 800 membri) e diversificata superfamiglia di recettori di membrana; molti GPCR sono recettori orfani (ligando e funzione sconosciuti). Largamente presenti a livello del SN e dei vari organi/tessuti e criticamente coinvolti virtualmente in ogni sistema fisiologico. Mediano la risposta della maggior parte degli ormoni (peptidici e glicoproteici) e dei neurotrasmettitori lenti e di tutti i neuropeptidi (es. neuropeptidi oppioidi). Rispetto ai recettori ionotropici, generano risposte più lente e di maggiore durata. Mediano la visione (rodopsina, pigmento fotosensibile dei bastoncelli della retina attivato dai fotoni, accoppiata a proteina G o trasducina che attiva una fosfodiesterasi per il GMPc), la percezione olfattiva e gustativa. Sono il bersaglio della maggior parte dei farmaci (agonisti ed antagonisti; ~ 40%) attualmente in uso. Per generare la risposta biologica, i GPCR sono accoppiati a specifici effettori finali (enzimi, canali ionici o altre molecole) attraverso proteine regolatrici, denominate proteine G. I GPCR interagiscono con diverse proteine intracellulari e possono così attivare anche segnali indipendenti dalle proteine G. Esempi di recettori GPCR Recettori colinergici muscarinici 4 (M1, M2, M3) Recettori adrenergici (α1, α2; β1, β2, β3) Recettori dopaminergici (D1, D2) Recettori serotonergici (tutti, tranne il recettore 5-HT3) Recettori istaminergici (H1, H2) Recettori metabotropici per il glutammato (mGluR1 - mGluR8) Recettore GABAergico GABAB (vs GABAA ionotropico) Recettori A per l’adenosina; recettori purinergici P2Y per l’ATP Recettori per eicosanoidi (prostaglandine, prostaciclina, trombossani e leucotrieni) Recettori per neuropeptidi (es. neuropeptidi oppioidi) Recettori per endocannabinoidi Recettori coinvolti in processi di adesione cellulare (adhesion GPCRs): per lo più recettori orfani Esempi di processi cellulari regolati dai GPCR Risposte cellulari a breve termine (secondi → minuti) Effetti metabolici: principalmente attraverso la modulazione dell’attività di enzimi o altre proteine Secrezione ghiandolare; secrezione neuronale (rilascio di neurotrasmettitori) Secrezione di ormoni (es. ormone tiroideo) Contrazione dei muscoli lisci Inotropismo (forza contrattile) e cronotropismo (frequenza di contrazione) cardiaci Risposte cellulari a lungo termine (ore → giorni) Attivazione/repressione della trascrizione di geni specifici → controllo di proliferazione e differenziamento cellulari. 4 Da muscarina, alcaloide contenuto nel fungo velenoso Amanita muscaria. 58 Struttura dei GPCR Sono tutti formati da una singola catena polipeptidica che attraversa la membrana plasmatica 7 volte (a- eliche idrofobiche transmembranarie H1- H7). Il terminale aminico (E1) è extracellulare e quello carbossilico (C4) è intracellulare. Le sette a- eliche transmembranarie sono collegate tra loro da tre anse (loops) extracellulari (E2-E4) e da tre segmenti citoplasmatici (C1-C3). Oltre al sito di legame per il ligando, possiedono dei siti di fosforilazione per chinasi specifiche (GRK), per il controllo cellulare della funzionalità del recettore (desensitizzazione del recettore indotta da agonisti). Il sito di legame per il ligando (endogeno o esogeno) ha una localizzazione diversa (porzioni transmembranarie o extracellulari) a seconda del tipo di ligando e, quindi, di recettore. L’interazione reversibile dell’agonista endogeno o esogeno (primo messaggero) con il recettore induce una modificazione conformazionale che causa un aumento di affinità del recettore per una specifica proteina G e la sua attivazione. La proteina G attivata agisce su specifici enzimi e canali ionici portando alla formazione nel citoplasma di secondi messaggeri che attivano, a cascata, una serie complessa di reazioni enzimatiche → amplificazione del segnale iniziale. Struttura delle proteine G Le proteine G (Guanine nucleotide-binding proteins) sono una famiglia di proteine eterotrimeriche, composte da subunità α, β e γ, legate alla superficie interna della membrana cellulare. Solo la subunità α interagisce con il recettore, è capace di legare GDP e GTP ed è dotata di attività GTPasica intrinseca. Normalmente, proteine citoplasmatiche GAP (GTPase Activating Proteins) accelerano l’attività GTPasica delle subunità α attivate → fine della segnalazione Le subunità β e γ rimangono associate come complesso βγ Sia la subunità a sia il complesso βγ interagiscono con effettori citoplasmatici (enzimi, canali ionici) Esistono numerose classi di proteine G, raggruppate sulla base dell’omologia di sequenza delle loro subunità a (isoforme) e di comuni proprietà funzionali: Differiscono principalmente nel riconoscimento degli effettori dei quali modulano l’attività, ma condividono un meccanismo di attivazione simile. 59  Attraverso le proteine G un singolo recettore può regolare più effettori (attraverso la subunità α ed il complesso βγ) e, quindi, trasmettere all’interno della cellula una serie di segnali coordinati tra di loro. L’interazione tra recettori e proteine G è transitoria e rapidamente reversibile. Le proteine G agiscono come dei trasduttori tra recettori e specifici effettori (enzimi, canali ionici o altre molecole) che controllano i livelli citosolici dei secondi messaggeri attraverso un ciclo di attivazione/disattivazione governato da: Legame del ligando al recettore (accensione del segnale: 2 – 3) Idrolisi del GTP (spegnimento del segnale: 4) Principali classi di proteine G 1. Stimolatorie (Gs) a. αs attivazione dell’adenilato ciclasi → ↑ [AMPc] b. βγ attivazione di canali per il Ca2+ di tipo L → ↑ [Ca2+] Esempi di GsPCR: b-adrenergici (b1, b2, b3); dopaminergici D1; istaminergici H2 2. Inibitorie (Gi) a. αi inibizione dell’adenilato ciclasi → diminuzione [AMPc] b. βγ attivazione di canali per il K+ cardiaci → iperpolarizzazione Esempi di GiPCR: a2-adrenergici; colinergici muscarinici M2; dopaminergici D2; oppioidergici (µ, d, k); gabaergici GABAB; per endocannabinoidi 3. Gq a. αq attivazione della fosfolipasi C-β (PLCβ) → ↑ IP3 e DAG, da fosfatidil inositolo-4,5-bifosfato (PIP2), ↑ [Ca2+] Esempi di GqPCR: a1-adrenergici; colinergici muscarinici M1 e M3; istaminergici H1; purinergici P2Y Secondi messaggeri Sono molecole segnale, biologicamente attive, liberamente diffusibili, generate da specifici enzimi e canali ionici, che congiungono l’attivazione recettoriale con la generazione della risposta cellulare, anche in sedi distanti dal punto in cui sono stati prodotti. La loro concentrazione varia drasticamente e transitoriamente in risposta all’attivazione recettoriale Producono un gran numero di modificazioni intracellulari, sia direttamente sia indirettamente, modulando la funzione di più effettori (prevalentemente chinasi) Hanno la funzione di localizzare il segnale all’interno della cellula e di amplificare il segnale recettoriale La risposta biologica allo stesso secondo messaggero varia in dipendenza dalla funzione biochimica svolta nei diversi tipi di cellule 60 I principali secondi messaggeri sono: cAMP cGMP DAG IP3 Ca2+ Il sistema effettore dell’adenilato ciclasi (AC) o cammino AMPc-dipendente L’adenilato ciclasi (AC), enzima ubiquitario associato alla membrana plasmatica, catalizza la conversione dell’ATP in cAMP è attivato da Gs e inibito da Gi. La stimolazione dell’AC induce un aumento di [cAMP]i che attiva la proteinchinasi A cAMP-dipendente (PKA). La PKA attivata fosforila un gran numero di substrati cellulari proteici (enzimi, proteine contrattili, canali ionici, fattori di trascrizione) regolandone così la funzione (stimolazione o inibizione). Si hanno quindi diversi tipi di risposte, a seconda del tipo di cellula e del substrato proteico fosforilato. Il segnale viene spento dalle fosfodiesterasi (PDE) che idrolizzano il cAMP ad 5’-AMP. Anche gli effetti dell’attivazione della PKA sono generalmente transitori per la presenza nelle cellule di fosfatasi per fosfoproteine che contrastano l’attività della PKA. La famiglia delle fosfodiesterasi (PDE) Esistono diversi tipi (~ 11) di PDE, con diversa localizzazione tissutale. Alcuni tipi di PDE sono selettivi per il cAMP, altri per il cGMP. Molte PDE sono inibite da farmaci: le metilxantine (teofillina, caffeina) sono deboli inibitori delle PDE. Amplificazione a cascata del segnale dei GPCR Una conseguenza di questa cascata amplificatrice di eventi biochimici è che la durata degli effetti indotti dall’attivazione dei GPCR da parte dell’agonista endogeno o esogeno può estendersi nel tempo, indipendentemente dalla durata dell’interazione agonista-recettore. Esempio: stimolazione β-adrenergica da adrenalina Effetto inotropo positivo da attivazione di recettori b1-adrenergici accoppiati a proteina Gs nelle cellule muscolari cardiache. o Fosforilazione, da parte della PKA, dei canali per il Ca2+ voltaggio dipendenti con conseguente loro attivazione → aumento [Ca2+]i → aumento della forza di contrazione del miocardio. Effetto broncodilatatore, da attivazione di recettori b2-adrenergici accoppiati a proteina Gs nella muscolatura liscia bronchiale. o Fosforilazione, da parte della PKA, della chinasi della catena leggera della miosina (MLCK) con conseguente sua inattivazione → rilasciamento della muscolatura liscia bronchiale. GsPCR e GiPCR sono spesso presenti nello stesso tessuto/organo con effetti contrapposti All’inibizione della AC spesso si associa (via complesso βγ): Inibizione diretta (non mediata da secondi messaggeri) di canali per il Ca2+ di tipo N (neuronali) → minore rilascio di neurotrasmettitori. Attivazione diretta di specifici canali per il K+ (GIRK, inward-rectifier K+ channel) nelle cellule pacemaker del cuore → iperpolarizzazione → minore frequenza cardiaca. 61 Attivazione della trascrizione genica da parte di GsPCR L’attivazione della PKA (u-v) stimola l’espressione di numerosi geni → effetti a lungo termine Tutti i geni regolati dalla PKA contengono una sequenza di DNA denominata cAMP-response element (CRE) CRE si lega alla forma fosforilata di un fattore di trascrizione denominato CRE-binding (CREB) protein che si trova solo nel nucleo Trasduzione del segnale ̀ catalitiche della PKA traslocano al nucleo dove (3) Le subunità attivano per fosforilazione CREB (5) CREB fosforilato si associa con il co-attivatore CBP/P300 per stimolare vari geni bersaglio controllati dall’elemento regolatorio CRE → Regolazione di proliferazione e differenziamento cellulari Sistema effettore della fosfolipasi C di tipo β (PLCβ) Viene attivato da protein Gq L’enzima di membrana PLCβ attivato idrolizza il fosfatidilinositolo-4,5-bifosfato (PIP2; un fosfatidilinositolo di membrana) in due secondi messaggeri o Inositolo 1,4,5-trifosfato (IP3) → interazione con un recettore specifico (canale per il Ca2+) nel reticolo endoplasmatico → liberazione di Ca2+ → [Ca2+]i o Diacilglicerolo (DAG) L’aumento della [Ca2+]i permette l’attivazione della protein chinasi C (PKC) da parte di DAG La PKC attivata fosforila (in serina e treonina) vari substrati proteici intracellulari (enzimi cellulari, recettori) modificandone l’attività e quindi generando diversi tipi di risposte, a seconda del tipo di cellula e del substrato proteico fosforilato I segnali biologici prodotti da DAG e IP3 sono terminati dal loro rapido metabolismo nel citoplasma ad opera di chinasi e fosfatasi specifiche Il litio viene usato come farmaco antimania nel controllo profilattico della malattia maniaco-depressiva o disturbo bipolare. Causa interruzione del ciclo di risintesi dei fosfatidilinositoli di membrana quindi riduce il sistema effettore PLCβ. Diverse condizioni patologiche umane sono associate a mutazioni attivanti o inattivanti dei GPCR Esempi di malattie associate a mutazioni attivanti: GsPCR per ormone tireotropo TSH → persistente ↑ [cAMP]i nelle cellule tiroidee → proliferazione e differenziamento delle cellule tiroidee → ipertiroidismo familiare non autoimmune; adenomi tiroidei iperfunzionanti GsPCR per ormone luteinizzante LH → persistente ↑[cAMP]i in cellule testicolari di Leydig → produzione di testosterone → pubertà ̀ maschile precoce familiare 62 Esempi di malattie associate a mutazioni inattivanti: Rodopsina (nei bastoncelli della retina) → degenerazione primitiva dei fotorecettori → retinite pigmentosa autosomica dominante (una degenerazione retinica che comporta perdita progressiva di visione notturna e campo visivo periferico; in molti casi, può portare alla cecità assoluta) Proteine G e condizioni patologiche umane Alterazioni della normale segnalazione delle proteine G sembrano essere alla base di alcune condizioni patologiche (malattie genetiche; tumori del sistema endocrino): ̀ GTPasica e, quindi, attivazione costitutiva, sono presenti in αs, che causano inibizione dell’attività o Adenomi ipofisari (elevata percentuale) secernenti GH (ormone della crescita) o Tumori tiroidei (alcuni) αi, che sono presenti in alcuni tumori dell’ovaio e del surrene αq, che sono presenti in neoplasie melanocitiche Azione di alcune tossine batteriche su proteine G Tossina colerica Proteina esamerica, prodotta dal batterio Vibrio cholerae responsabile del colera ̀ A1 è una ADP-ribosil-transferasi che, nel citoplasma, trasferisce il gruppo ADP-ribosio La subunità (ADPR) dal NAD+ alla subunità ̀ α di proteine Gs L’ADP-ribosilazione causa perdita della attività GTPasica intrinseca di as → blocco di as nella forma attiva per un tempo più ̀ lungo del normale →Persistente attivazione della AC → rapido ↑[cAMP]i (100 volte oltre il normale) → sovra attivazione della PKA La PKA fosforila il regolatore della conduttanza transmembrana della fibrosi cistica (CFTR, un trasportatore ABC con la funzione di canale ionico per il Cl-) → efflusso ATP-mediato di ioni Cl- → secrezione di grandi quantità ̀ di H2O, Na+, K+ e HCO3- dall’epitelio intestinale nel lume intestinale → imponente diarrea, pericolosa per la vita Tossina della pertosse Esoproteina costituita da 6 subunità, prodotta dal batterio Bordetella pertussis responsabile della pertosse o tosse canina La subunità S1 è una ADP-ribosil-transferasi che trasferisce il gruppo ADP-ribosio dal NAD+ alla subunità α di proteine Gi → interazione delle proteine Gi con GPCR impedita → interferenza con la comunicazione intracellulare L’ADP-ribosilazione blocca αi nella forma inattiva (legata al GDP) → mancata inibizione dell’AC → persistente formazione di cAMP con [cAMP] nella cellula infettata → alterazione della normale segnalazione cellulare o Secrezioni e produzione di muco o Infiammazione delle vie aeree o Sensibilizzazione all’istamina vasodilatazione, permeabilità ̀ vascolare (ipotensione); emorragia nasale Modulazione dell’attività dei recettori La tolleranza farmacologica (o assuefazione) Consiste in una graduale diminuzione/scomparsa della risposta ad un F (perdita di efficacia) dopo assunzione ripetuta o continua (giorni-settimane). Clinicamente, una dose più alta del F è richiesta per ottenere l’iniziale entità dell’effetto. La velocità con cui si sviluppa la tolleranza e la sua entità dipendono da: Intensità e durata del trattamento farmacologico Bersaglio molecolare coinvolto 63  Farmaci o Farmaci di abuso(stupefacenti); sostanze di uso voluttuario (etanolo, nicotina) o Farmaci attivi sul SNC: analgesici oppioidi; benzodiazepine (ansiolitici/ipnotici); barbiturici (sedativi/ipnotici); miorilassanti centrali o Altri: farmaci agonisti b2-adrenergici (broncodilatatori, nella terapia dell’asma) La tolleranza non va confusa con la resistenza, che si riferisce invece alla perdita di efficacia dei farmaci antimicrobici ed antitumorali. Le cellule tumorali, ad esempio, possono aumentare la produzione di glicoproteina P, una proteina di membrana che è in grado di espellere i farmaci antitumorali dalla cellula. Lo sviluppo della tolleranza, a volte anche molto rapido (minuti-ore → tachifilassi), è un processo reversibile con la sospensione della terapia farmacologica Terminologia Scomparsa o riduzione della risposta Resistenza o Refrattarietà ̀ (di solito microbiologica) Tolleranza: la risposta diminuisce in seguito a continua somministrazione del farmaco (richiede giorni o settimane per ritornare normale). Sono necessarie dosi maggiori di farmaco per produrre l’effetto iniziale col passare del tempo oppure bisogna cambiare farmaco. Downregulation: diminuzione del numero dei recettori, è una desensibilizzazione ed avviene per o Endocytosis (internalization) o Receptor Trafficking o Receptor Recycling (Recycling) Desensitizzazione (o desensibilizzazione) o Tachifilassi: tolleranza molto rapida, la risposta diminuisce rapidamente dopo somministrazione di poche dosi (o continua somministrazione di farmaco (richiede secondi o minuti per ritornare normale) causata da: o Change in receptor (cambiamento conformazionale, alterata fosforilazione di regioni intracellulari) o Loss of receptor(downregulation) o Exhaustion of mediators o Active efflux of drug o Enhanced metabolism (es.etanolo e barbiturici) o Compensatory physiological mechanisms Refrattarietà: canali Voltaggio dipendenti richiedono una fase di riposo prima di poter essere riattivati. Durante questa fase di riposo sono refrattari. Meccanismi di tolleranza farmacologica La tolleranza farmacologica può svilupparsi come conseguenza di eventi cellulari o molecolari. Tolleranza da attivazione di meccanismi omeostatici (molto diffusi) compensatori o da adattamento fisiologico (meccanismo non noto) alla presenza del farmaco. Alcuni effetti collaterali dei farmaci (es. sonnolenza, nausea), ad esempio, tendono a decrescere nonostante si continui l’assunzione del farmaco. Esistono due tipi principali di tolleranza: Tolleranza farmacocinetica: quella dovuta a modificazioni farmacocinetiche (assorbimento o eliminazione), che determinano una riduzione della [farmaco] nel sito d’azione. Esempio: o Barbiturici e etanolo, che aumentano la propria degradazione epatica (induzione enzimatica) Tolleranza farmacodinamica: quella dovuta a fenomeni di adattamento recettoriale (a carico di recettori), indotta dall’esposizione prolungata e ripetuta (cronica) ad un agonista. Non si sviluppa in ugual misura verso tutti gli effetti di un dato farmaco agonista. Ad esempio, i farmaci analgesici oppioidi, agli stessi livelli di dose, hanno: o Effetto analgesico, depressione respiratoria ed effetti psichiatrici soggetti ad un notevole grado di tolleranza o Effetto antitussivo ed effetto antidiarroico sono soggetti a scarso/nullo grado di tolleranza 64 Tachifilassi da deplezione di neurotrasmettitori (nelle vescicole sinaptiche) Esempio: amine simpaticomimetiche ad azione indiretta, che, promuovendo il rilascio neuronale in particolare della noradrenalina a livello centrale e periferico, sono capaci di mimarne gli effetti senza interagire con i recettori adrenergici. Sostanze amfetaminiche: per i notevoli effetti stimolanti il SNC (minore senso di fatica e fame; stato di allerta), sono dotate di elevato potenziale tossicomanigeno o Amfetamina e metilen-diossi-metamfetamina (MDMA o ecstasy), importanti farmaci di abuso o Metilfenidato (analogo strutturale dell’amfetamina, Ritalin®), usato nel trattamento del disturbo da deficit dell’attenzione e iperattività (ADHD, attention deficit hyperactivity disorder) in bambini/adolescenti Efedrina: alcaloide derivato dall’Ephedra vulgaris (erba usata in Cina da migliaia di anni per curare l’asma), dotata di effetti stimolanti sul SNC simili a quelli delle amfetamine, ma meno pronunciati. Viene usata, in associazioni miste e per uso topico, come decongestionante nasale, broncodilatatore, sedativo della tosse, antiinfluenzale. Per gli effetti centrali è ricompresa tra le sostanze dopanti, utilizzate per migliorare le prestazioni atletiche. Desensibilizzazione/desensitizzazione Può essere il risultato di un mancato accesso temporaneo al recettore da parte degli agonisti o la conseguenza di una ridotta sintesi o disponibilità dei recettori sulla superficie cellulare. Generalmente il recettore desensibilizzato è ancora in grado di legare l’agonista, anche se spesso con minore affinità, ma riduce la capacità di rispondere allo stimolo o diminuendo la permeabilità (se è un recettore canale), o diminuendo la sua capacità di tradurre il segnale (se è un recettore metabotropico). Un meccanismo responsabile del fenomeno della desensibilizzazione è ad es. costituito dall’alterata fosforilazione di siti specifici intracellulari, o dalla mutazione delle G-protein. 27 marzo 2024 I meccanismi di tolleranza farmacologica possono essere mediati da: Receptor Mediated o loss of receptor function (change in receptor conformation) o reduction of receptor number Non-Receptor Mediated o reduction of receptor-coupled signaling components o reduction of drug concentration o physiological adaptation Fenomeni di adattamento recettoriale I recettori sono entità dinamiche le cui concentrazione e funzione possono essere modulate da fattori endogeni ed esogeni. Alterazioni dei controlli quantitativi e funzionali dei recettori, o dei loro relativi sistemi di trasduzione del segnale, sono alla base di numerose patologie (congenite o acquisite). I recettori e le molecole coinvolte nella trasduzione del loro segnale sono continuamente soggetti nel tempo a controlli quantitativi e qualitativi della loro attività, che servono a controbilanciare gli effetti di un eventuale eccesso o difetto di segnale ai recettori stessi. Le strategie di controllo attuate riguardano: I meccanismi di sintesi, trasporto e rimozione dalla membrana plasmatica dei recettori (controllo del numero) 65  Regolazione della capacità del recettore e degli effettori di rispondere al ligando (controllo dell’attività) I fenomeni di adattamento riguardano solo i recettori ed i loro sistemi di trasduzione del segnale e solo occasionalmente gli altri bersagli molecolari dei farmaci (enzimi, pompe, trasportatori). L’adattamento recettoriale s’instaura non solo in seguito ad alterazioni patologiche dei segnali endogeni (neurotrasmettitori, ormoni, ecc.), ma anche in risposta a prolungata/ripetuta esposizione a farmaci agonisti o antagonisti, ed è reversibile alla cessazione dell’evento che l’ha determinato. Trattamento cronico con agonisti (eccesso di segnale al R) → minori risposte recettoriali per desensitizzazione (breve termine) e downregulation (lungo termine) o Sviluppo di tolleranza farmacodinamica. o Sviluppo di dipendenza fisica (comporta l’insorgenza della sindrome di astinenza alla brusca interruzione dell’assunzione del farmaco o per somministrazione di un antagonista). Trattamento cronico con antagonisti (difetto/assenza di segnale al R) → maggiori risposte recettoriali (ipersensibilità agli agonisti endogeni o esogeni) o Comparsa di effetti rimbalzo alla brusca sospensione della terapia con antagonisti. Lo stato desensitizzato o refrattario di un rece ore è una condizione nella quale un rece ore perde la capacità (entro secondi/minuti) di rispondere ad un agonista endogeno o esogeno dopo prolungata/ripetuta esposizione ad esso. Si verifica dopo a variazione del recettore. Per uno stesso rece ore, l’entità della desensitizazzione può differire tra tessuti diversi. Meccanismi di desensitizzazione A seconda del tipo di recettore, la desensitizzazione può essere attuata a attraverso vari meccanismi. Recettori ionotropici Prevalentemente attraverso la perdita progressiva della capacità di regolare i cambi conformazionali necessari per l’apertura del canale ionico connesso al recettore (e non attraverso variazioni di n° di recettori o di affinità dell’agonista). L’evento è spesso rapidissimo (secondi), così come il completo recupero del recettore. La desensitizzazione è una proprietà intrinseca alla molecola recettoriale, che non richiede modificazioni post-trasduzionali. La velocità con cui s’instaura può essere regolata da specifiche fosforilazioni del recettore, indotte da varie chinasi (PKA; PKC; CaMK; TK) attivate da secondi messaggeri. La rapidità con cui insorge la desensitizzazione del recettore colinergico NM spiega la paralisi flaccida della muscolatura scheletrica indotta da: Farmaci curari agonisti depolarizzanti (succinilcolina) Elevate dosi (intossicazione acuta) di esteri organofosforici anti-AChE Recettori accoppiati a proteina G (GPCR) Viene iniziata dal legame di un agonista al recettore che, solitamente via complesso bg della proteina G, attiva rapidi (entro secondi) processi di fosforilazione (su siti localizzati nel terzo loop intracellulare e nel terminale carbossilico intracellulare del recettore) catalizzati da numerose chinasi. ↓ Capacità del recettore di legare l’agonista Disaccoppiamento del recettore dalla proteina G (↓ capacità di trasdurre il segnale) ↑ Velocità di rimozione del recettore dalla membrana (internalizzazione) ↓ n° dei recettori espressi nella membrana cellulare (downregulation) 66 La desensitizzazione dei GPCR può essere: Eterologa: insorgenza lenta (minuti); debole e di breve durata; relativamente frequente tra i GPCR Omologa: insorgenza rapida (secondi); profonda e di lunga durata Desensitizzazione eterologa dei GPCR Dipende dalla fosforilazione del recettore e mediata dai secondi messaggeri. Chinasi coinvolte: chinasi dipendenti da secondi messaggeri (PKA; PKC; protein chinasi Ca2+/calmodulina-dipendenti), la cui produzione è causata da altri eventi cellulari. È causata dalla fosforilazione non specifica del recettore, indipendente dalla sua attivazione da parte di agonisti: l’attivazione prolungata di un recettore induce perdita della capacità di rispondere all’agonista anche in altri recettori che utilizzano la stessa via di trasduzione del segnale (es. AMPc) o lo stesso effettore (es. PKA). Desensitizzazione omologa dei GPCR Dipendente dalla fosforilazione del recettore ma indipendente dai secondi messaggeri. Chinasi coinvolte: GRKs (chinasi dei recettori accoppiati a proteina G). Rapida fosforilazione solo del recettore attivato dall’agonista: la perdita della capacità di rispondere all’agonista è specifica per il recettore che è attivato. Desensitizzazione omologa rapida, risensitizzazione e downregulation dei recettori β-adrenergici 1. Il legame dell’agonista al recettore (R) di attiva il processo di risposta promovendo l’interazione di R con la proteina Gs. 2. R attivato è fosforilato da BARK (chinasi GRK specifica per il R b-adrenergico), attivata dal complesso βγ della proteina Gs. a. prevenzione di ulteriori possibili interazioni con Gs b. promozione del legame (entro minuti) con la β-arrestina (βArr, proteina citosolica adattatrice, multifunzionale) → desensitizzazione omologa 3. Il complesso R fosforilato βArr è internalizzato per endocitosi mediata da clatrina e confinato negli endosomi. 4. La dissociazione dell’agonista da R internalizzato riduce l’affinità di legame con la βArr → defosforilazione di R da parte di fosfatasi (P’asi) specifiche. 5. Ritorno di R (riciclo) alla membrana plasmatica. 6. Ripetute/prolungate esposizioni della cellula ad agonisti favoriscono la distribuzione di R internalizzati ai lisosomi promuovendo la downregulation di R (entro ore-giorni) piuttosto che la sua risensitizzazione. 67 Recettori RTK per fattori di crescita Internalizzazione (per endocitosi) attraverso vescicole rivestite di clatrina, seguita da degradazione nei lisosomi. Ridotta sintesi (processi che riducono la trascrizione genica, la stabilità dell'mRNA o il tempo di emivita del recettore). Recettori nucleari Downregulation per ridotta sintesi Upregulation dei recettori da difetto di segnale È un fenomeno generalmente meno intenso e diffuso rispetto alla desensitizzazione. Si verifica per cronica riduzione del ligando endogeno o per prolungata assunzione di un farmaco antagonista aumentando capacità di risposta recettoriale (iperattività o ipersensibilità) ad agonisti endogeni o esogeni. L’ipersensibilità viene attuata solitamente attraverso un aumento dell’espressione genica del recettore (upregulation). Si verifica soprattutto nelle cellule nervose e nelle fibre muscolari scheletriche (recettori NM della placca motrice). L’ipersensibilità, da un punto di vista farmacologico, comporta la comparsa di effetto rimbalzo (rebound effects) quando la terapia con il farmaco è sospesa bruscamente, dovuti allo squilibrio recettoriale instauratosi durante la terapia (il riadattamento della cellula alla situazione originaria richiede tempo) È prassi terapeutica procedere ad una sospensione graduale di una terapia cronica con antagonisti, ad esempio, per i farmaci beta-bloccanti nella terapia dell’ipertensione arteriosa. Esempi di condizioni che causano un aumento di espressione dei recettori Infiammazione: ↑ n° recettori per le citochine Ipersensibilità da denervazione anatomica (es. amputazione) o funzionale (es. intossicazione da tossina botulinica → blocco protratto del rilascio di ACh) della fibra muscolare: ↑ extrasinaptico (al di fuori della giunzione neuromuscolare) persistente e diffuso del n° dei recettori colinergici N M → ipersensibilità della fibra muscolare agli agenti colinomimetici Tumori: molti sono associati a ↑ n° recettori per i fattori di crescita. Esempio: recettore HER2 per EGF (Epidermal Growth Factor) iperespresso nel 20-25% dei casi di carcinoma mammario metastatico Esempi di patologie (congenite o acquisite) su base recettoriale Ipercolesterolemia familiare (dislipidemia ereditaria, tra le più frequenti, che esiste in una forma eterozigote ed in una forma omozigote molto più grave): causata principalmente da mutazioni nei geni che codificano per il recettore delle LDL (lipoproteine a bassa densità) → carenza/assenza congenita negli epatociti di recettori LDL → accumulo/eccesso nel sangue di colesterolo sotto forma di LDL che si deposita sulle pareti delle arterie con formazione di placche (ateromi) → progressione ad aterosclerosi occlusiva con angina pectoris o rottura della placca con conseguente infarto del miocardio o ictus. Miastenia gravis: ↓ n° recettori NM funzionanti sulla placca motrice da produzione (da parte del timo) di auto-Ab inattivanti diretti contro il recettore colinergico N M → debolezza muscolare fluttuante ed affaticabilità. Ipertiroidismo familiare autoimmune: da produzione di auto-Ab attivanti diretti contro il recettore per ormone tireotropo TSH → ipersecrezione tiroidea. 68 Farmacocinetica Assorbimento di farmaci → La farmacocinetica (dal greco kinesis = movimento) identifica e descrive i movimenti dei farmaci nell’organismo, dal loro ingresso alla loro rimozione, e le eventuali modificazioni della loro struttura operate dall’organismo. Può essere riassunta nell’acronimo ADME: Assorbimento-Distribuzione-Metabolismo- Escrezione. 1. Assorbimento: passaggio del farmaco dalla sede di applicazione al sangue attraverso le membrane biologiche 2. Distribuzione del farmaco dal sangue ai diversi compartimenti dell'organismo (spesso i farmaci lipofilici sono accumulati nel tessuto adiposo) 3. Metabolismo o Biotrasformazione: modificazioni chimiche che il farmaco subisce nell'organismo, principalmente ad opera del fegato 4. Escrezione del farmaco /metaboliti dall'organismo Per esercitare la loro azione i farmaci devono arrivare al tessuto bersaglio (sito d’azione) in forma attiva e in concentrazione appropriata e, per fare ciò, utilizzano il torrente circolatorio. L’alterazione di uno qualsiasi dei processi farmacocinetici può modificare l’effetto di un farmaco. La conoscenza dei processi farmacocinetici, nei loro aspetti qualitativi e quantitativi, permette di decidere come ottenere nel paziente una [farmaco prescelto]plasma che sia all’interno della finestra terapeutica, così da ottenere l'effetto terapeutico, limitando gli errori, in eccesso o in difetto, responsabili di possibili effetti tossici o di inefficacia/inutilità della terapia farmacologica. Quanto farmaco somministrare (dose) Per quale via e in quale formulazione farmaceutica Con quale frequenza La tossicità da farmaci è molto più frequentemente causata da un uso inappropriato di farmaci correttamente scelti che non da un’errata scelta del farmaco. Il numero delle molecole attive in via di sviluppo che devono essere abbandonate per problemi di farmacocinetica e tossicità è molto elevato e costituisce una delle cause degli altissimi costi richiesti dalla realizzazione di un farmaco. Sono molti, inoltre, i casi in cui il farmaco, dopo essere stato messo in commercio, è ritirato dal mercato. Il tempo trascorso dalla messa in commercio e il primo report di morte (ADR – Adverse Drug Reaction) è in calo, sintomo del fatto che il monitoraggio è in miglioramento. Il viaggio dei farmaci nell’organismo Il movimento di un farmaco nell’organismo avviene principalmente in forma di soluto in fase acquosa (acqua corporea extracellulare ed intracellulare). Tutti i processi farmacocinetici richiedono il passaggio dei farmaci attraverso le membrane biologiche che separano i vari compartimenti acquosi dell’organismo (plasma, fluidi interstiziali, fluidi intracellulari). 69 I farmaci generalmente non passano tra cellula e cellula (trasporto paracellulare) ma attraverso le cellule (trasporto transcellulare) → la membrana cellulare rappresenta la barriera comune. Eccezione: capillari ematici e terminali linfatici. La membrana cellulare è una barriera semipermeabile, costituita da un doppio strato fosfolipidico idrofobico, che si oppone al passaggio di molecole idrosolubili (ameno che non abbiano ridotte dimensioni molecolari tali da permetterne il passaggio attraverso le zone idrofile della membrana oppure possano sfruttare i meccanismi di trasporto). Citoplasma e spazi extracellulari sono invece soluzioni acquose. Proprietà fisico-chimiche delle molecole importanti per le loro funzioni come farmaci (drug-like properties) Per poter interagire con i sistemi biologici e attraversare le membrane lipidiche, i farmaci devono sciogliersi in acqua ma anche nei lipidi: A. Una molecola altamente solubile in acqua non penetra le membrane lipidiche e resta nella fase acquosa. B. Una molecola solubile sia in acqua sia nei lipidi può attraversare le membrane lipidiche (e.g. etanolo). C. Una molecola altamente liposolubile può sciogliersi nella membrana lipidica e lì restare (es. olio minerale, costituito da idrocarburi totalmente apolari). Dunque, deve possedere le seguenti proprietà: Solubilità in acqua: una molecola deve sciogliersi in acqua prima che possa interagire con qualsiasi processo nell’organismo, compreso il passaggio attraverso membrane lipidiche Lipofilia (misurata determinando il Cr, coefficiente di ripartizione olio/acqua 5): indica quanto bene il farmaco si scioglierà nelle membrane lipidiche Proprietà da elettroliti deboli a carattere acido o basico → grado di ionizzazione → capacità di distribuirsi nei liquidi corporei a diverso pH Peso molecolare (250-450 Da): molecole con elevato PM (biologiche) non diffondono attraverso le membrane lipidiche (vs chimiche, a basso PM) Meccanismi di passaggio dei farmaci attraverso le membrane cellulari 1. Diffusione passiva o semplice 2. Filtrazione (attraverso canale) 3. Diffusione facilitata (trasportatore, secondo gradiente) 4. Trasporto attivo Diffusione passiva o semplice La diffusione semplice (meccanismo comune nell’assorbimento per molti farmaci) è guidata dalla differenza di [F] ai due lati di una membrana. Avviene secondo gradiente di concentrazione, senza dispendio di energia. Riguarda: Farmaci di medie dimensioni Farmaci dotati, al tempo stesso, di un grado di lipofilia (misurata determinando il Cr) sufficiente a permetterne la distribuzione nell’ambiente lipidico della matrice della membrana cellulare e di un grado di idrofilia sufficiente a tenerli in soluzione nei liquidi acquosi extra- e intracellulari Forme non ionizzate di farmaci elettroliti deboli acidi o basi 5 Calcolato disciogliendo una molecola in una miscela acqua/olio e misurando la concentrazione nelle due fasi. 70