farmacocinetica studia levoluzione temporale delle concentrazioni di un farmaco e dei suoi...
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FARMACOCINETICA
Studia l’evoluzione temporale delle concentrazioni di un farmaco e dei suoi metaboliti nei diversi fluidi e tessuti dell’organismo mediante
l’analisi dei processi che ne regolano:
ASSORBIMENTO
DISTRIBUZIONE
METABOLISMO
ELIMINAZIONE
METABOLISMO Principio attivo
Reazioni di fase IOSSIDAZIONERIDUZIONE
IDROLISI
Metaboliti di fase I-OH
-COOH-NH2
-SH
Reazioni di fase IICONIUGAZIONE
Metaboliti coniugati
ELIMINAZIONE
Perché i farmaci vengono metabolizzati?
I farmaci a basso MW sono xenobiotici, cioè molecole estranee,il cui destino nell’organismo umano può variare.Alcuni vengono escreti intatti. La maggior parte viene invece modificata strutturalmente per facilitarne l’escrezione.
Questi processi di modifiche chimiche vanno sotto il nome di “METABOLISMO”
Il metabolismo dei farmaci è una funzione di detossificazione che l’organismo possiede per difendersi dall’esterno.
Un farmaco ideale dovrebbe raggiungere intatto il sito d’azione, curare la malattia e abbandonare l’organismo.
Tuttavia i chimici farmaceutici spesso affrontano il problema del metabolismo/escrezione di un farmaco che non ha i requisiti ideali (troppo veloce, troppo lungo il tempo di residenza nell’organismo, insorgenza di effetti collaterali).
Lo studio del metabolismo ha principalmente due scopi:
1) Delucidare funzioni e destino di un farmaco;2) Manipolare il processo metabolico di un farmaco potenziale.
Definizione di Xenobiotico
• Sostanze chimiche estranee all’organismo; possono essere di produzione o naturali:– Farmaci– Prodotti chimici– Pesticidi– Prodotti della pirolisi nei cibi arrostiti– Metaboliti secondari di piante– Tossine prodotte da muffe, piante e animali
• Dipende dalla loro lipofilicità– I composti lipofili possono essere riassorbiti più
facilmente e quindi rimanere in circolo più a lungo.
• Dipende dalla conversione a composti idrofili (biotrasformazione).
Eliminazione degli Xenobiotici
Biotrasformazione
•Definizione: Conversione di uno xenobiotico a composto più idrofilo
• Biotrasformazione = metabolismo
• La biotrasformazione è catalizzata da enzimi situati nel fegato e in altri tessuti.
Fonti tissutali di enzimi metabolizzanti:
• Principale: fegato
• Ma anche tessuti associati a lunghi tempi di esposizione a enzimi: pelle, polmoni, mucosa nasale, occhio, tratto GI.
• Ancora: reni, pancreas, milza, cuore, cervello, testicoli, ovaio, placenta, plasma, eritrociti, piastrine, linfociti e tessuto aortico.
La biotrasformazione è dovuta a un “piccolo” numero di enzimi con ampia specificità d’azione.
• Alcuni enzimi che metabolizzano xenobiotici agiscono anche su composti endogeni. Ad es. sali biliari e bilirubina
• Gli enzimi metabolizzanti possono essere:– 1. Costitutivi– 2. Inducibili – la sintesi dell’enzima
è indotta da stimoli esterni.
Effetti della Biotrasformazion
e
Maggior solubilità in Acqua e minore tossicità
Maggior solubilità in acquae maggiore tossicità
Farmaco più efficace
Farmaco meno efficace emeno tossico
Il fegato è il sito primario del metabolismo di farmaci.
“First pass effect” (o “first pass metabolism”): metabolismo di un farmaco o di altri xenobiotici durante l’assorbimento. Avviene di solito nel fegato o nel tratto GI dopo somministrazione orale.Il fegato è una “macchina” metabolica e spesso inattiva i farmaci nel tragitto dal tratto GI alla circolazione sistemica.
Per questo motivo alcuni farmaci (e.g. nitroglicerina) non possono essere somministrati p.o.
Il metabolismo può modificare un farmaco in vari modi
1. La polarità generalmente aumenta,
aumentando la solubilità in acqua e dunque
l’escrezione del metabolita per via renale.
2. L’attività del farmaco è ridotta. Un’eccezione è rappresentata dai prodrugs, farmaci inattivi nella forma di somministrazione ma che vengono metabolizzati nella loro forma attiva.
Altri esempi di bioattivazione:
prontosil/sulfanilamide;
alcool metilico/formaldeide,
salicina/acido salicilico (aspirina)
3. I metaboliti dei farmaci hanno di solito un Vd (volume apparente di distribuzione) più basso rispetto al farmaco da cui derivano
dose (mg)
plasma concentration at equilibrium (mg/ml) Vd =
Tutte le reazioni di biotrasformazione possono assegnate a una delle due principali classi:
reazioni di fase I e reazioni di fase II
Reazioni di Biotrasformazione:
• Fase I: ossidazione, riduzione, idrolisi• Reazioni che espongono o introducono un gruppo
funzionale.
• Fase II: coniugazione• Formazione di legame covalente tra lo
xenobiotico, o uno dei suoi metaboliti, con un composto endogeno solubile in acqua, e.g., glutatione.
Reazioni di Biotrasformazione:
• Fase I: ossidazione, riduzione, idrolisi– Porta piccoli incrementi in termini di
idrofilicità.
• Fase II: coniugazione– Porta consistenti incrementi in termini di
idrofilicità
Enzimi idrolitici di Fase I:
• Carbossilesterasi– Idrolizzano esteri, ammidi e tioesteri
• Organofosfatasi– Idrolizzano gli esteri dell’acido fosforico
• Importanti per il metabolismo di insetticidi/pesticidi
1. Procaina – anestetico locale
NH2
C
O
ON
NH2
COOH
HON+
2. Procainamide – idrolizzata più lentamente
NH2
C
O
NHN
NH2
COOH
HNN+
esterasi
esterasi
Organofosfatasi(Es. Paraoxonase)
O
P
O
OO C2H5C2H5
NO2
NO2
OH
OH
P
O
OO C2H5C2H5+H2O
Riduzione:• Riduzione di alcheni, nitro o azo composti che
avviene nell’intestino ad opera di :– 1. Microflora intestinale
– 2. Citocromo P450
Es. Nitrobenzene
NO2 NH2
anilina
Azo riduzione:
N N
NH2
H2N SO2NH2 NH2
NH2
H2N
H2N SO2NH2
Prontosil
Sulfanilamide
+
Ossidazioni
• Citocromo P450• Alcool deidrogenasi• Perossidasi
1. Alcool deidrogenasi (ADH)
• Ossidazione di alcoli ad aldeidi• Presente in:
– Fegato– Reni– Polmoni– Mucosa gastrica
Metabolismo dell’alcool etilico
R CH2OH R CO
HR C
O
OHNAD
+
NADH NADHNAD
+
ADH ALDH
Microsomi
Cytosol Mitocondri
CH3 CH2OH CH3 CO
HCH3 C
O
OHNAD
+
NADH NADHNAD+
ADH ALDH
CH3 CHOH
OH
CYP2E1
NADPH
NADP+
2. Perossidasi
• Catalizzano reazioni di coossidazione: Reazioni che accoppiano la riduzione dell’acqua ossigenata o dell’acido arachidonico all’ossidazione di uno xenobiotico
• Non richiedono NADPH o NADH
• E’ una classe che include molti enzimi differenti situati in molti tessuti.
• Prostaglandin H synthase (cicloossigenasi):– Reni,piastrine, tratto GI, cervello, polmone, vescica
• Mieloperossidasi– leucociti
• Lactoperossidasi– Tessuto mammario
Coossidazione di xenobiotici durante la conversione
dell’acido arachidonico a PGH2
(1)
Acidoarachidonico
PGG2 PGH2
Prostaglandine,Trombossani
Coossidazione di xenobiotici durante la conversione
dell’acido arachidonico a PGH2
(2)
Acidoarachidonico
PGG2 PGH2
Prostaglandine,Trombossani
cicloossigenasi
perossidasi
Coossidazione di xenobiotici durante la conversione
dell’acido arachidonico a PGH2
(3)
Acido arachidonico
PGG2 PGH2
Prostaglandine,Trombossani
perossidasi
X or 2XH XO or 2X.
NH C
CH3
OH
O
.NC
CH3
OH
O
NC
CH3
O
O
NAPQIfree radical
NAPQI
Metabolismo dell’Acetaminofen ad opera di PHS (Cicloossigenasi)
Binding to protein Binding to protein
Metabolismo del benzene a intermedi tossici
OH
P450 P450
OH
OH
OH
OH
myeloperoxidase
O.
OH
Protein andDNA binding -bone marrowsuppression
Liver
Bone marrow
Citocromo P450• E’ l’enzima più importante per le reazioni di Fase I.
• E’ presente in alte concentrazioni nei microsomi epatici.
• E’ comunque presente ad apprezzabili concentrazioni in quasi ogni tessuto del corpo.
• Svolge un ruolo primario nel determinare la durata d’azione dei farmaci.
• Gioca un ruolo fondamentale sia nella detossificazione degli xenobiotici che nella loro attivazione a intermedi tossici o tumorigenici.
• Metabolizza un gran numero di xenobiotici.• Varie isoforme sono presenti in vari tessuti,
ciascuna con diverse specificità di substrato.• Possiede il gruppo “eme” che permette di
legare l’ossigeno (O2).• Richiede NADPH per svolgere l’attività catalitica.• E’ in grado di metabolizzare anche composti
endogeni (ormoni steroidei, acidi biliari, vitamine, acidi grassi).
Ossidazioni mediate dal Citocromo P450
• Ossidrilazione di carboni alifatici o aromatici.• Epossidazione di doppi legami.• Ossigenazione di eteroatomi (S-, N-) e N-
ossidrilazione.• Dealchilazione di eteroatomi (Ex. ROR ROH o
SR SH)• Idrolisi di esteri• Deidrogenazione
Reazioni catalizzate dal Citocromo P450:
O O O O
O
H
HCoumarin
Coumarin-3,4-epoxide
Epossidazione
COOH COOH
OHCYP3A4
Lauric acid Hydroxylauric acid
Ossidrilazione
Esempi di reazioni di fase 1
N-dealchilazione RNHCH2 RNH2 +CHO2 codeine
theophylline
Idrossilazionealifatica RCH2CH2 RCHCH2 cyclosporine
tolbutamide
OH
Aromatic hydroxylation
OHO
R R R
phenytoin
D. Le reazioni di Fase 2 sono reazioni di coniugazione (sintetiche).
1. La Glucuronidazione avviene nel reticolo endoplasmatico. Il glucosio viene usato per formare uridina difosfato acido glucuronico (UDPGA) che trasferisce un’unità di glucuronide al farmaco in presenza di una transferasi.
Le reazioni di Fase 2 sono coniugazioni con:
Acido glucuronicosolfatoacetatoamino acidiglutatione ridotto
Il risultato è l’ottenimento di molecole più solubili in acqua, inattive e facilmente escrete.
Enzimi coinvolti nelle reazioni di Fase 2
• Glucuronidazione: uridine 5’-diphosphate glucuronyltransferase
• Metilazione: catechol O-methyltransferase histamine N-methyltransferase thiopurine methyltransferase
• Solfatazione: sulfotransferasi
• Glutatione: glutatione S-transferasi
Esempio di reazione di fase 2
SolfatazioneSolfatazione
ROH+3’-phosphoadenosine 5’-phosphosulphate
R O S OH
O
O+
3-phosphoadenosine -5’-phosphate
E. Fattori che influenzano il metabolismo di farmaci.
1. Induzione enzimatica. Alcuni farmaci (barbiturati, fenitoina, rifampin, warfarina, alcool) e inquinanti (fumo di sigaretta) aumentano l’attività degli enzimi metabolizzanti, tra i quali: glucuronyl transferase, il sistema metabolizzante gli steroidi. Questa induzione velocizza il metabolismo del farmaco.
2. Inibizione enzimatica. Può avvenire per diminuita sintesi degli enzimi, per aumentata degradazione, o per competizione di due o più farmaci per lo stesso sito di binding.Esempi:1) la cimetidina inibisce il metabolismo di alcuni farmaci potenzialmente tossici tra cui fenitoina, warfarina e teofillina (broncodilatatore).2) Cirrosi epatica, epatotossici (CCl4, toluene).3) Infezioni virali, influenza A o adenovirus, influenzano il metabolismo della teofillina
3. Polimorfismi genetici. La risposta dei farmaci varia tra individui. Di solito la variazione segue una distribuzione gaussiana tuttavia alcune risposte di farmaci possono essere discontinue. Ad esempio, la N-acetilasi epatica mostra polimorfismo genetico. Circa il 50% della popolazione è in grado di acetilare l’isoniazide (farmaco antitubercolare) rapidamente, mentre il restante 50% molto più lentamente.
4. Età. Bambini e anziani hanno un metabolismo dei farmaci epatico ridotto, così come un ridotto metabolismo renale.
ESCREZIONE DEI FARMACI
il processo per mezzo del quale un farmaco viene eliminato dall’organismo
L’escrezione può avvenire •attraverso i reni con l’urina•attraverso il dotto biliare e l’intestino con le feci.
Meno importanti sono l’eliminazione per via polmonare (anestetici generali volatili) e quella attraverso la pelle.
Etere etilico e stricnina sono esempi di farmaci rapidamente eliminati attraverso l’urina senza andare incontro a fenomeni di accumulo o a trasformazioni metaboliche.
ESCREZIONE DEI FARMACI:
COME AVVIENE
VIE DI ELIMINAZIONE DEI FARMACI
RENALEEPATICA
POLMONAREINTESTINALECUTANEASALIVARELACRIMALEMAMMARIA
PRINCIPALI
SECONDARIE
Il Nefrone
Tubulo contorto prossimale
Ansa discendente o di Henle (segmento sottile)
Ansa ascendente o di Henle (segmento sottile e spesso)
Capsula glomerulare o di Bowman
Dotto collettore midollare
Dotto collettore corticale
Tubulo contorto distale
Effetti della funzione renale sulla eliminazione urinaria dei farmaci
Escrezione/metabolismo renale
Riassorbimento(i farmaci diffondono dal fluido tubulare al plasma secondo il gradiente di concentrazione, il grado di ionizzazione e il MW)
Attivo Composti endogeni(vitamine, zuccheri, aminoacidi)
Passivo Farmaci
Secrezione (meccanismo attivo)(i farmaci vengono trasportati contro un gradiente di concentrazionedai capillari alfluido tubulare. Nei tubuli prossimali renali ci sono due principali sistemi responsabilidella secrezione di farmaci, uno per anioni organici(penicilline, glucoronidi, etc..) e uno per i cationi organicimorfina, Sali di ammonio quaternari, etc..)
Farmaci anionici(penicillina/probenecid)
Farmaci coniugati
Il rene è l’organo principale deputato all’escrezione di farmaci e loro metaboliti.
1. Quando un farmaco è escreto in forma non metabolizzata, nel rene vede comunque diminuire la propria attività
2. Farmaci e metaboliti polari sono prontamente eliminati dai reni.
ELIMINAZIONE PER VIA RENALE
1) I farmaci liposolubili tendono ad essere escreti a concentrazionisimili a quelle presenti nel plasma. La loro concentrazione dipendesoprattutto dal volume delle urine
2) I farmaci polari tendono ad essere escreti nelle urine a concentrazionisuperiori a quelle presenti nel plasma, quindi la loro escrezionedipende più dal volume del filtrato glomerulare che dal volume delle urine
3) I farmaci coniugati si comportano in maniera simile alle sostanzepolari, ma possono essere escreti in misura maggiore perché soggetti a meccanismi di secrezione attiva
4) I farmaci che si ionizzano facilmente, cioè acidi e basi, vengono escreti in maniera pH dipendente
CLEARANCE (ml/min) = U x V P
U = Concentrazione del farmaco nell’urinaV = Volume urina in 1 min.P = Concentrazione del farmaco nel plasma
Quantità di plasma che in un minuto viene depurata dalla sostanza
Cl = 0 - Viene completamente riassorbito (glucosio)
Cl = flusso plasmatico renale (PAI)
Per filtrazione glomerulare e per secrezione attiva tutto il plasma che attraversa i capillari, sia glomerulari che tubulari, viene depurato
Cl = volume di plasma ultrafiltrato
Non si lega alle proteine, non subisce riassorbimento né secrezione
Cl < volume di plasma ultrafiltrato - Viene in parte riassorbito
Cl > volume di plasma ultrafiltrato - Viene in parte secreto
La Filtrazione di molecole non legate a proteine rappresenta il modo di escrezione della maggior parte dei farmaci
• I farmaci legati alle proteine non vengono filtrati dal glomerulo.
2. La filtrazione glomerulare permette l’escrezione nelle urine di farmaci con MW <250 K.
3. Le sostanze idrofile o lipofobiche sono eliminate in maniera più efficiente dai reni, in quanto non vengono riassorbite dal tubulo del nefrone dopo la filtrazione.
3. Se un farmaco è una base debole, la somministrazione di NH4
+Cl- acidifichera’ le urine e aumenterà la quantita’ di base in forma ionizzata.
a. L’escrezione della base debole sara’ incrementata.
b. Questo effetto è tanto più efficace quanto più il pKa del farmaco è simile al pH fisiologico.
Il trasporto attivo di pochi farmaci avviene nel tubulo prossimale.
1. Generalmente coinvolge la secrezione di acidi e basi forti.
2. Caratteristiche del trasporto attivo:a. competizione tra substrati per il carrierb. saturazione del carrierc. mancanza del legame alle proteine
3. Può avvenire anche il riassorbimento.
4. Solo poche sostanze possono essere sia attivamente secrete che riassorbite (e.g. acido urico e aspirina).
Blood vessel
• Secrezione tubulare– Trasporto attivo dal circolo sanguigno
verso il tubulo, dipendente dall’energia a disposizione.
– E’ dipendente dalla concentrazione plasmatica del farmaco
– E’ soggetta a competizione per il carrier, ad es. la secrezione di penicillina può essere ostacolata dalla somministrazione di probenecid (analgesico, anti-gotta)
• Riassorbimento– Processo passivo dal tubulo al circolo
dansgugno, dipendente dalla solubilità lipidica, pKa, pH, velocità di escrezione delle urine.
– Effetto del pH urinario : in caso di overdose di phenobarbital (acido debole) le urine vengono alcalinizzate con sodio bicarbonato;
– All’opposto, ammonio cloruro è usato per acidificare le urine per aumentare l’escrezione di farmaci basici
•L’escrezione biliare avviene nel fegato
•1. Composti polari e ad alto MW, e metaboliti coniugati, sono attivamente escreti nella bile.
• E’ importante per l’eliminazione di composti ad alto MW (>500).
fegato
intestino tenue
•2. Il circolo enteroepatico avviene con pochi farmaciche vengono eliminati nella bile, riassorbiti dall’intestino, rimandati al fegato e di nuovo eliminati nella bile.
a. Una glucuronidasi intestinale può rompere il glucuronide, in modo che il farmaco libero possa essere riassorbito
b. La digitossina, un glicoside cardiaco, è sottoposto a riciclo enteroepatico.
c. Normalmente il circolo enteroepatico causa un aumento del tempo di emivita del farmaco.