Agli studenti del corso di Laurea in C.T.F. (anno accademico )

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1 Agli studenti del corso di Laurea in C.T.F. (anno accademico ) Materiale didattico riguardante argomenti selezionati delle lezioni del corso di Farmacologia e Farmacoterapia. Si raccomanda agli studenti (come più volte sottolineato durante le lezioni) di usare questo materiale solo come aiuto/guida alla preparazione del relativo esame di Farmacologia e Farmacoterapia. Si rammenta, infatti, che l USO dei TESTI di Farmacologia consigliati (ad esclusiva scelta dello studente) è indispensabile per una corretta, utile e più facile preparazione della materia. Si precisa che il programma completo per la preparazione dell esame è sempre reperibile presso la segreteria della Sezione di Farmacologia. Gli studenti sono tenuti a svolgere tutti gli argomenti indicati nel programma anche se non compresi nel materiale didattico. Infine, si mettono in guardia gli studenti dall uso di fotocopie di materiale didattico (presunte stampe delle lezioni) ABUSIVAMENTE vendute presso le copisterie. Le figure utilizzate nelle lezioni sono quelle dei libri di testo consigliati o sono immagini copyright-free da siti web specializzati

2 Farmacologia e Farmacoterapia Prof. A. De Luca Farmacologia generale: Farmacodinamica: Effetto del farmaco sull organismo Farmacocinetica: Effetto dell organismo sul farmaco Farmacoterapia: Studio dei farmaci utilizzati nella terapia di: patologie cardio-vascolari disturbi neurovegetativi processi infiammatori acuti e cronici disordini neuropsichiatrici e affettivi patologie neurodegenerative patologie endocrine

3 FARMACOLOGIA GENERALE Farmacodinamica Studio del meccanismo d azione dei farmaci a livello molecolare, cellulare e di tessuto Bersagli cellulari dell azione dei farmaci Interazione farmaco-recettore Attività intrinseca di un farmaco Meccanismi di trasduzione del segnale Farmacocinetica Studio delle variazioni cinetiche del farmaco nell organismo. Influenza la farmacodinamica, l azione terapeutica e la tossicità Assorbimento Distribuzione Metabolismo Eliminazione Meccanismi generali che regolano l attività biologica di qualsiasi xenobiotico!

4 Molti farmaci sono ancora oggi ottenuti da fonti naturali

5 I procedimenti di estrazione chimica hanno permesso di ottenere i principi attivi in forma pura e facilmente dosabile. I procedimenti di semisintesi (a partire da principi naturali) o di sintesi (mediante modelli molecolari) hanno permesso inoltre di migliorarne le caratteristiche farmacologiche

6 FARMACI DI NATURA BIOTECNOLOGICA Proteine ottenute con tecniche biochimiche (DNA ricombinante) e dotate di potere terapeutico Fattori di crescita emopoietici deficit del sistema immunitario di varia natura Interleuchine ed Interferoni diversi usi terapeutici nel campo delle patologie infiammatorie ed infettive Ormoni terapie sostitutive Insulina nel diabete Ormone della crescita nelle sindromi da carenza Vaccini Immunomodulazione anti-infettiva Anticorpi monoclonali Tumori, malattie autoimmuni, antitrombotici

7 Attenzione Il progresso scientifico permette costantemente di modificare e allargare il concetto di terapia Terapia genica o cellulare (progressi biotecnologici) Inserimento di un gene difettoso in cellula malata o di cellule sane in organo malato Acquisizione di una funzione persa in conseguenza di una malattia genetica

8 Il concetto di farmaco si adegua alle esigenze della società: Il prodotto puo quindi presentarsi in forme diverse a seconda della richiesta

9 Classificazione dei farmaci Curativi: agiscono sulla causa della malattie, rimuovendola e facilitando la guarigione. ad esempio: antibatterici antivirali Sintomatologici: agiscono alleviando i sintomi della malattia. Migliorano la qualità di vita del paziente e l accettazione dello stato di malattia. Riducono i rischi di complicanze legati a quel sintomo e quindi il peggioramento dello stato patologico. ad esempio: antidolorifici e analgesici antiallergici antidepressivi antiipertensivi Sostitutivi: sostituiscono un fattore carente a causa di una patologia ad esempio: terapie ormonali insulina per diabetici vitamine Preventivi: evitano un evento patologico o fisiologico indesiderato ad esempio: pillola anticoncezionale antiossidanti e minerali contro l invecchiamento

10 BERSAGLI CELLULARI DEI FARMACI (RECETTORI) Costituenti cellulari con cui i farmaci stabiliscono un legame chimico Tale interazione è alla base degli effetti biologici del farmaco Recettori fisiologici naturali. Sono i recettori per eccellenza. Sono proteine la cui funzione fisiologica è quella di comportarsi da recettori per sostanze endogene Recettori per : neurotrasmettitori ormoni autacoidi Enzimi di vie metaboliche o regolatorie Acetilcolinesterasi Ciclossigenasi Monoamminossidasi Trasportatori Canali ionici voltaggio-dipendenti Proteine strutturali Acidi Nucleici I farmaci non creano effetti, né impartiscono alle cellule funzioni nuove, ma modulano funzioni fisiologiche che sono proprie di cellule e tessuti Funzione comune a molti tipi di cellule: azione estesa e poco specifica Funzione vitale di una cellula altamente specializzata: tossicità elevata (anche se azione specifica)

11 INTERAZIONE FARMACO-RECETTORE Legame covalente: Legame ionico: Legame idrogeno: Legame di Van der Waal: legame ad elevata energia (100 kcal/mole) Complesso farmaco recettore stabile e duraturo attrazione elettrostatica tra gruppi ionizzati del farmaco e del recettore. Forza legame (5 kcal/mole) Legame reversibile e influenzato dal ph forza di legame 2-5 kcal/mole. forza legame 0.5 kcal/mole Dinamica dell interazione farmaco-recettore (FR) Attrazione elettrostatica con formazione di legami ionici. Il complesso farmaco-recettore viene stabilizzato dalla formazione di numerosi ponti idrogeno e forze di Van der Waal. Se il legame non è di tipo covalente, il complesso FR si può dissociare e riformare in maniera casuale diverse volte, fino a quando il farmaco è presente

12 I FARMACI SONO SELETTIVI: si legano solo ad alcuni recettori I RECETTORI SONO SPECIFICI: riconoscono solo alcuni ligandi La selettività del farmaco e la specificità del recettore sono dovuti all affinità e cioè al grado di complementarità chimico-fisica tra farmaco e recettore Studio struttura-attività finalizzata ad identificare molecole sempre più selettive verso uno specifico bersaglio cellulare La possibilità di modificare la struttura delle proteine-recettore (mutagenesi sito-diretta), consente di individuare gli aminoacidi coinvolti nel legame con i farmaci e di meglio ottimizzare il disegno e la sintesi di farmaci ad elevata affinità

13 Neurotrasmettitori RECETTORI FISIOLOGICI Neurone post-sinaptico o cellula post-sinaptica Ormoni

14 I farmaci che agiscono sui recettori fisiologici si caratterizzano anche per l attività intrinseca (α) e cioè la capacità di comportarsi o meno come il ligando endogeno Ligando endogeno (neurotrasmettitore, ormone etc,) interagisce con propri recettori e li attiva, promuovendo una risposta biologica Agonista: Farmaco dotato di attività intrinseca massima come il ligando endogeno (α = 1). Induce una risposta biologica, attivando i sistemi di trasduzione propri del recettore Antagonista: farmaco dotato di affinità verso il recettore ma privo di attività intrinseca (α = 0). L azione biologica consiste nell impedire le azioni del ligando endogeno

15 Farmaci e recettori fisiologici: attività intrinseca

16 Esistono anche. Agonisti parziali: Farmaci dotati di minore attività intrinseca rispetto all agonista (α < 1). In seguito all interazione con il recettore determinano una risposta biologica, ma di intensità minore. Occupando il recettore esercitano anche una certa azione antagonista nei confronti dell agonista o del ligando endogeno. Quindi, vengono anche definiti antagonisti parziali. Agonisti inversi: Farmaci con attività intrinseca opposta a quella del ligando endogeno (α = -1). Il legame di queste sostanze al recettore produce una risposta opposta a quella del ligando endogeno. Ad esempio Ligando endogeno ed agonista puro: contrazione Agonista inverso: rilassamento

17 Perchè farmaci che legano lo stesso recettore hanno attività intrinseca differente? TEORIA RECETTORE MODULATO Il recettore puo esistere in due stati conformazionali diversi, lo stato di riposo e quello attivato, che hanno affinità diversa nei confronti dei farmaci. Il legame preferenziale del farmaco ad uno dei due stati, puo spostare l equilibrio tra i due in maniera differente, da cui risulta la diversa attività intrinseca

18 Teoria del recettore modulato Ri Ra FRi FRa L effetto farmacologico dipende dal complesso farmaco-recettore predominante L attività intrinseca (α) sarà il risultato delle Kd relative del farmaco (e quindi della quota di farmaco legata) verso il recettore nei due stati conformazionali

19 Riassumendo N.B. Non confondere l attività intrinseca con l efficacia terapeutica!!!

20 Recettori fisiologici per i farmaci L azione biologica di un farmaco sarà il risultato della sua affinità per il recettore (o bersaglio) e della sua attività intrinseca

21 ad esempio Recettori fisiologici per i farmaci

22 Altri bersagli dell azione dei farmaci Canali ionici: proteine transmembrana che regolano il passaggio di specie ioniche attraverso le membrane cellulari, controllando l eccitabilità e/o l omeostasi ionica

23 Altri bersagli dell azione dei farmaci Canali ionici ad esempio

24 Altri bersagli dell azione dei farmaci Enzimi: proteine che catalizzano reazioni biochimiche e metaboliche

25 Altri bersagli dell azione dei farmaci Enzimi ad esempio

26 Altri bersagli dell azione dei farmaci Trasportatori: proteine transmembrana che regolano il trasporto (attivo o facilitato) di ioni e/o sostanze organiche attraverso le membrane cellulari

27 Trasportatori Altri bersagli dell azione dei farmaci ad esempio Trasportatori Colina Noradrenalina (ricaptazione 1) Inibitori Emicolinio Antidepressivi triciclici Cocaina

28 Tutte le sostanze sono veleni; non ce n è nessuna che non sia un veleno. La dose giusta differenzia il veleno dal rimedio Paracelso ( Nessun farmaco è completamente specifico nella sua azione e/o selettivo per un bersaglio cellulare. L aumento della dose di un farmaco provocherà l interazione con altri bersagli, diversi dal primario Comparsa di effetti collaterali e di effetti tossici Effetti collaterali: effetti farmacologici indesiderati (azioni su cellule e tessuti diversi da quelli bersaglio dell azione terapeutica), che però in alcuni casi possono essere sfruttati per un altra azione terapeutica Esempi: Azione antiaggregante Aspirina Azione sedativa anti-istaminici Effetti tossici: danni biochimici e morfologici prodotti da farmaci e xenobiotici

29 SPERIMENTAZIONE FARMACOLOGICA 1. Valutare l attività farmacologica di una nuova sostanza (meccanismo d azione) 2. Quantificare l effetto farmacologico Affinità Attività intrinseca Parametri farmaco-terapeutici: DME = Dose minima efficace DE 50 = Dose media efficace DL 50 = Dose media letale IT = Indice terapeutico DL 50 /DE Prevedere il possibile effetto terapeutico Sperimentazione «in vitro» Organi isolati Cellule isolate Componenti subcellulari Sperimentazione «in vivo»

30 Sperimentazione in vitro su cellule e tessuti isolati permette di ottenere informazioni su farmaci e recettori Scoperta di nuovi farmaci attraverso la loro azione su recettori noti Identificazione di nuovi Recettori mediante l uso di farmaci selettivi Approccio funzionale: Il farmaco modifica una funzione fisiologica del tessuto mediante l interazione con il recettore EFFETTO FARMACOLOGICO Affinità e attività intrinseca Approccio quantitativo: Quantifica il legame tra farmaco e recettore mediante l uso di sostanze radiomarcate (studi di binding) Determinazione dell affinità di legame (a prescindere da attività intrinseca) Determinazione dei siti recettoriali presenti su un tessuto

31 TESSUTI ISOLATI Un tessuto isolato può essere ottenuto da: a) Animali di laboratorio: sani con patologie b) Uomo durante procedure chirurgiche o reperti autoptici N.B. In opportune condizioni, gli organi isolati si mantengono sopravviventi (per ore o giorni) e rispondono ai farmaci in modo molto simile alla risposta in vivo Vantaggi Studiare l effetto del farmaco sul tessuto bersaglio (o di interesse) eliminando variabili circolatorie, ormonali e farmacocinetiche Descrivere in maniera quantitativa le azioni farmacologiche Interazione farmaco-recettore Relazione Attività intrinseca DOSE- EFFETTO

32 RELAZIONE TRA EFFETTO E COMPLESSO FARMACO-RECETTORE L effetto di un farmaco è proporzionale alla frazione di recettori occupati ed è massimo quando tutti i recettori sono occupati K 1 FARMACO (F) + RECETTORE (R) FR EFFETTO K 2 Effetto Massimo ordinate = Effetto MAX Posizione curve = EC 50 Pendenza Kd = K2/K1 (costante di affinità) EQUAZIONE MICHAELIS-MENTEN Effetto = Effetto Max[F] Kd + [F] No effetto [F] = 0 50% Eff. Max [F] = Kd Eff. Max [F] >> Kd Kd = K2/K1

33 CURVA DOSE-RISPOSTA SEMILOGARTIMICA Effetto..... Interpolazione dati sperimentali Grafica Matematica: Funzioni che descrivono curve sigmoidali Funzione logistica R [F] n M = [F] n + K n R = risposta M = risposta Max [F] = conc. Farmaco K parametri per n interpolazione I punti sperimentali sono interpolati con questa funzione ed i programmi matematici consentono di calcolare la differenza residua tra i dati sperimentali e la curva teorica e tende a mantenere tale differenza al minimo modificando i parametri per l interpolazione

34 CURVA DOSE-RISPOSTA SEMILOGARTIMICA Farmaci (A e B) che agiscono come agonisti sullo stesso recettore devono descrivere curve sigmodi tra loro parallele. A e B agonisti sullo stesso recettore (stessa m) A B Kd A < Kd B A ha maggiore affinità di B A più potente B A e B hanno la stessa efficacia (producono stesso effetto Max)

35 LINEARIZZAZIONE CURVA DOSE-RISPOSTA Equazione di Lineweaver-Burk (doppi reciproci) 1 Effetto Kd = + Effetto Max [F] 1 Effetto Max

36 AGONISTI PARZIALI Differiscono dagli agonisti puri per la diversa efficacia A Agonisti puri B C A agonista puro, B e C agonisti parziali. La Kd di un agonista parziale (B) si può determinare dalle coppie di concentrazioni equiefficaci rispetto ad A e plottando i doppi reciproci (1/A ordinate ed 1/B in ascissa). I punti descrivono una retta che può essere analizzata secondo una regressione lineare ottenendo la pendenza m e l intercetta b Kd B = m/b

37 Antagonismo recettoriale Antagonisti competitivi Antagonisti non competitivi

38 ANTAGONISTI RECETTORIALI Farmaci privi di efficacia (attività intrinseca), interagiscono con il recettore senza attivarlo ed inibiscono le azioni di un agonista o del ligando endogeno [Agonista] EPI = agonista Prazosina = antagonista Antagonisti Competitivi: Stabiliscono un legame reversibile con il recettore. L inibizione viene superata (sormontata) aumentando le concentrazioni di agonista In presenza dell antagonista competitivo l agonista ha la stessa efficacia (Effetto Max ottenibile) ma apparente riduzione di potenza (EC50 aumenta)

39 ANTAGONISTI RECETTORIALI [Agonista] Antagonisti non-competitivi: Stabiliscono un legame non reversibile con il recettore. L inibizione non può essere superata (sormontata) aumentando le concentrazioni di agonista Legame irreversibile o su sito allosterico o interferenza con sistema di trasduzione In presenza di antagonista non competitivo si osserva un fenomeno apparente di riduzione del numero di recettori disponibili per il legame con l agonista. Riduzione Efficacia Stessa Potenza Non si raggiunge l Effetto Max Non si modifica EC 50 o Kd dell agonista

40 Gli antagonisti non hanno attività propria ma modificano le azioni degli agonisti puri e degli agonisti inversi

41 REGRESSIONE DI SCHILD Analisi del pa 2 Permette di : valutare se un antagonista è di tipo competitivo calcolare la costante di affinità dell antagonista competitivo mediante approcci di tipo funzionale su tessuti isolati basati sulla già descritta capacità dell antagonista di modificare le curve dose-risposta degli agonisti Poiché l antagonista è privo di attività intrinseca, il suo legame con il recettore è regolato da leggi chimico-fisiche che ne determinano l affinità. L antagonismo competitivo viene descritto dalla formula di Gaddum relativa alla teoria dell occupazione recettoriale: ρ = 1 + Ka [A] [B] Kb ρ = frazione recettori occupati [A] = concentrazione agonista Ka = costante affinità agonista [B] = concentrazione antagonista Kb = costante affinità antagonista

42 Regressione di Schild B Il rapporto di dosi equiefficaci A /A dipende dalla concentrazione di antagonista B e dalla sua costante di dissociazione Kb secondo la relazione: A A = B 1 + Kb Quando A /A = 2 B/Kb = 1 In forma logaritmica: log B = log Kb pa 2 = -log B = -log Kb = log (1/Kb)

43 Agonista senza antagonista + concentrazioni crescenti di antagonista DR1 DR2 Concentrazione agonista Sperimentalmente:si costruiscono diverse curve dose-risposta all agonista in presenza di diverse concentrazioni di antagonista. Per ogni curva si calcola il rapporto tra dosi equiefficaci A = DR A log (A /A - 1) = log B- log Kb

44 Regressione di Schild Se l antagonismo è competitivo i punti sperimentali descrivono una retta con pendenza = 1 la cui intercetta (X) sarà il -pa 2 = log Kb infatti log(a - 1) = 0 quando A (oppure DR) = 2 A A

45 ANTAGONISMO FARMACOLOGICO NON-RECETTORIALE ANTAGONISMO FUNZIONALE: Due agonisti su due recettori differenti sullo stesso tessuto producono effetti opposti sulla stessa funzione fisiologica Stimolazione recettori istamina vasali: vasodilatazione stimolazione recettori adrenergici vasali: vasocostrizione ANTAGONISMO FISICO: Due agonisti su due recettori in organi differenti producono due effetti biologici che si contrastano Stimolazione recettori adrenergici cardiaci: aumento pressione Stimolazione recettori istamina vasi: riduzione pressione ANTAGONISMO FARMACOCINETICO: Interazione di due farmaci a livello di assorbimento, distribuzione, metabolismo o eliminazione Barbiturici aumentano il metabolismo epatico di molti farmaci ANTAGONISMO CHIMICO: Due farmaci interagiscono chimicamente con conseguente annullamento della loro azione (antagonismo per neutralizzazione). Protamina, proteina fortemente basica, reagisce con l eparina, acida, con formazione di un sale stabile perdita attività anticoagulante dell eparina.

46 DOPPIO AGONISMO E (+) = α (+) [A] E (-) = α (-) [A] K (+) +[A] K (-) +[A] α : attività intrinseca R (+) e R (-) : opposti recettori K : costante dissociazione E tot = E (+) -E (-) caso 1 : α (+) = α (-) ; K (+) = K (-) E t = 0 caso 2 : α (+) = α (-) ; K (+) < K (-) R (+) recettore dominante caso 3 : α (+) > α (-) ; K (+) = K (-) E t < r (+) caso 4 : α (+) > α (-) ; K (+) < K (-) caso 5 : α (+ ) < α (-) ; K (+) < K A(-) curva bifasica E t = 0 alla conc. di iso-risposta

47 Approccio quantitativo: Metodiche di binding Isolamento frazione cellulare dove sono localizzati i recettori (ad esempio: membrana) Esposizione dell omogenato di tessuto a quantità crescenti di ligando radiomarcato Filtrazione ed allontanamento del ligando debolmente legato Lettura della radioattività contenuta nel filtro: funzione del farmaco legato all omogenato

48 Il legame totale aumenta in funzione della concentrazione del ligando radioattivo ma non segue una cinetica di saturazione a causa dei legami non specifici legami specifici (recettore): saturabili e soggetti a competizione di altri farmaci legami non specifici: non saturabili e non soggetti a competizione La curva che descrive il legame specifico si ottiene misurando la radioattività in presenza di uno spiazzante freddo : farmaco non radiomarcato che spiazza il radioligando dal legame specifico. In questa maniera la radioattività residua sarà il risultato del legame non specifico. Legame specifico = legame totale - legame non specifico

49 ANALISI DI SCATCHARD Il legame di una molecola (farmaco) A con una proteina P è una reazione di equilibrio: A + P C Il complesso C rappresenta la quantità di molecola A legata. Costante di dissociazione K= [A] [P] [C] Il rapporto molecola legata / molecola libera [C]/[A] dipende dalla concentrazione di proteine recettoriali presenti: [C] = - 1 [C] + [P] t [A] K K Relazione lineare pendenza = -1/K intercetta = [P]t/K Da questa analisi otteniamo la K e il numero di recettori presenti a livelo del tessuto in esame

50 DOSAGGI RECETTORIALI - Scoperta di sostanze endogene ed identificazione di nuovi recettori - Caratterizzazione di nuovi farmaci - Malattie associate ad anomalie recettoriali Parkinson; Schizofrenia - Desensibilizzazione recettoriale durante patologie e terapie -Diabete -Riduzione recettori ß-adrenergici durante terapia antidepressiva - Alterazioni base autoimmune (anticorpi specifici contro recettori) Miastenia grave - Dosaggio concentrazioni plasmatiche di farmaci

51 Differenze tra occupazione recettore ed effetto del farmaco Legame Effetto A Kd Effetto B

52 Meccanismi responsabili L effetto farmacologico rileva le azioni biologiche dei recettori che non sono evidenziate dalle curve di legame Recettori di riserva: recettori presenti nelle cellule che non contribuiscono all azione biologica Meccanismi di trasduzione Amplificazione del segnale Tappe limitanti

53 Studi farmacologici in vivo Risposte quantali o del tutto - nulla E difficile graduare l effetto farmacologico in funzione della dose in una popolazione di individui a causa della variabilità della risposta legata a fattori individuali. Si procede quindi a determinare il numero di soggetti responsivi alle varie dosi di farmaco fissando l effetto farmacologico (risposta tutto o nulla) Distribuzione normale delle frequenze Il maggior numero di soggetti responsivi (2/3) rientra nell intervallo di 1 deviazione standard rispetto alla mediana (DE 50 ). Al di sotto di tale intervallo: soggetti molto responsivi Al di sopra : soggetti poco responsivi

54 Distribuzione cumulativa delle frequenze e DE 50 Le osservazioni sperimentali possono anche essere rappresentate come distribuzione cumulativa delle frequenze. In questo caso il numero di soggetti responsivi alle varie dosi viene rappresentato come percentuale rispetto al totale degli individui in trattamento. Tale distribuzione mostra chiaramente che aumentando la dose, aumenta la percentuale di soggetti responsivi, fino al raggiungimento di una dose a cui risponderà il 100% dei soggetti. Da tale distribuzione si calcola con facilità la DE 50 : Dose che determina l effetto farmacologico nel 50 % della popolazione in esame

55 Indice terapeutico e fattore assoluto di sicurezza -L indice terapeutico (DL 50 /DE 50 ) è spesso insufficiente per conoscere la sicurezza di un farmaco. -E importante il fattore assoluto di sicurezza : rapporto tra DL 0 E DE 100