Azione farmaci/tossici

Azione farmaci/tossici
Gli effetti terapeutici e tossici dei farmaci traggono origine dalle loro
interazioni con molecole presenti nell’organismo
Per lo più i farmaci agiscono combinandosi con macromolecole
specifiche in modo tale da alterarne le proprietà biochimiche
biofisiche
Si definisce RECETTORE il componente di una cellula che
interagisce con un farmaco dando inizio alla catena di
eventibiochimici che portano agli effetti farmacologici osservati
Fasi Tossicologiche
ASSORBIMENTO
SOSTANZE INSOLUBILI
SOSTANZE IDROSOLUBILI NON IONIZZABILI < 4 Å
SOSTANZE IDROSOLUBILI NON IONIZZABILI > 4 Å
SOSTANZE IDROSOLUBILI IONIZZATE a pH organici
SOSTANZE LIPOSOLUBILI ELETTROLITI DEBOLI
SOSTANZE LIPOSULUBILI APOLARI
fagocitosi-pinocitosi
filtrazione
trasporto specializzato
trasporto specializzato
diffusione
diffusione
ASSORBIMENTO
TRASPORTO SPECIALIZZATO
1. ATTIVO (mediante carriers)
2. DIFFUSIONE FACILITATA (gradiente di concentrazione)
Il TRASPORTO ATTIVO è: SELETTIVO
SATURABILE
ENERGETICAMENTE DISPENDIOSO
ASSORBIMENTO
1. SOLUBILITA’ LIPIDICA
2. IONIZZAZIONE
3. GRANDEZZA E STRUTTURA DELLA MOLECOLA
ASSORBIMENTO
1. Presenza di gruppi lipofili (idrofobici) o non polari. La proprietà non
polare dei gruppi alchilici aumenta con la lunghezza della catena
CH3 < CH3CH2 < CH3CH2CH2 < CH3(CH2)n
2. Acidi e basi deboli. La ionizzazione dipende dal pK della sostanza e
dal pH del mezzo. Le membrane biologiche sono permeabili alla forma
NON IONIZZATA
ASSORBIMENTO
Per le sostanze che non siano elettroliti deboli vale la LEGGE DI FICK:
RT u Kr ∆C
φ = 
l
φ = flusso di assorbimento (n. di moli che passano per l’unità di
superficie e di membrana nell’unità di tempo)
R = costante
T = temperatura assoluta
u = mobilità della molecola all’interno della membrana
Kr = coefficiente di ripartizione lipidi/acqua
∆C = gradiente di concentrazione
l = spessore della membrana
ASSORBIMENTO
Per gli elettroliti deboli (acidi e basi) vale l’EQUAZIONE DI
HENSERSON-HASSELBACH:
[non ionizzato]
pH = pK + log 
[ionizzato]
pK = pH quando l’elettrolita è dissociato per il 50%
ACIDI DEBOLI:
BASI DEBOLI
pKa > 3
pKb < 11
ASSORBIMENTO
Sviluppo dell’equazione DI HENSERSON-HASSELBACH
[base] [H+]
Ka = 
[acido]
[base]
pKa = - log  - log [H+]
[acido]
- log [H+] = pH
[base]
pKa - pH = log 
[acido]
[acido]
pH = pKa 
[base]
ASSORBIMENTO
VIE DI ASSORBIMENTO:
1. TRANSCUTANEA
2. POLMONARE
3. ORALE
4. ALTRE (e.v., i.m., s.c., i.p.)
ASSORBIMENTO
1. TRANSCUTANEA
La cute ha una superficie (nell’adulto) di 18.500 cm2.
La distanza tra lo strato esterno e la microcircolazione misura 150-200 µ.
La parte più esterna è formata da uno strato cheratinizzato (STRATO
CORNEO) con pori di 1000 Å; sostanze con P.M. < 10.000 D possono
facilmente passare. Ulteriori facilitazioni vengono dai follicoli piliferi e dalle
ghiandole sebacee.
Sotto lo strato corneo si trova l’EPIDERMIDE in doppio strato, una
membrana sottoepidermica, la MATRICE DELLA CUTE e, infine la parete
dei VASI SANGUIGNI e LINFATICI
ASSORBIMENTO
1. TRANSCUTANEA
Dose e liposolubilità influenzano l’assorbimento (per DIFFUSIONE
PASSIVA)
Fattori che alterino lo strato corneo o la microcircolazione possono
modificare le condizioni di assorbimento
ASSORBIMENTO
2. POLMONARE
E’ la via principale attraverso cui vengono assorbiti i tossici
industriali (DIFFUSIONE PASIVA)
L’epitelio alveolare è molto sottile (10 µ) e la superficie assorbente
molto ampia (50-100 m2)
ASSORBIMENTO
2. POLMONARE
Viene regolato da alcuni fattori:
a. liposolubilità
b. gradiente di concentrazione tra aria alveolare e sangue
c. coefficiente di diffusione membrana alveolo-capillare
d. solubilità nei lipidi plasmatici
e. capacità di legarsi alla plasma-proteine
f. portata cardiaca
ASSORBIMENTO
3. ORALE
Una delle vie di elezione in farmacologia, rara in tossicologia
industriale, frequente negli avvelenamenti anche accidentali.
Acidi e basi deboli (equazione di Henderson-Hasselbach) vengono
assorbiti per DIFFUSIONE PASSIVA
Cavo orale
Stomaco
Duodeno
Digiuno-Ileo
Colon
pH
pH
pH
pH
pH
6,2-7,2
1,0-3,0
4,8-8,2
7,5-8,0
7,0-7,5
VIE DI SOMMINISTRAZIONE ENTERALI
assorbimento variabile,
PER OS
che
è la via più economica
il pz deve essere sveglio e
dipende da molti fattori
gli effetti compaiono dopo
almeno 45-60 minuti
e più sicura
possibilità di utilizzo di
PREPARAZIONI RETARD
assorbimento variabile e
ha una latenza d’azione
incompleto
minore rispetto alla via per os
collaborante
l’assorbimento incompleto
può non permettere il
raggiungimento della
concentrazione minima
efficace
effetto di primo passaggio
parziale effetto di primo
passaggio
assorbimento rapido
utilizzata in emergenza
corretta
l’effetto compare dopo pochi
evita
RETTALE
SUBLINGUALE
minuti
l’effetto
passaggio
di
assunzione del
primo farmaco
aumentato rischio di effetti
collaterali
Distribuzione
I fase
dipendente dal flusso sanguigno cuore, fegato, rene, cervello
II fase
dipendente da diffusibilità attraverso le membrane
Accumulo delle sostanze tossiche
nella sede di tossicità
in depositi adipe, ossa
Equilibrio con livelli plasmatici
legame a proteine plasmatiche
Raggiungimento dello steady state
equilibrio di distribuzione, condizione di equilibrio tra il farmaco
libero nei vari distretti
COEFFICIENTE DI RIPARTIZIONE
E’ molto importante la solubilità del farmaco nel doppio strato lipidico, dato dal
COEFFICIENTE DI RIPARTIZIONE
che indica come un farmaco si distribuisce
in una soluzione contenente H2O e olio:
COEFFICIENTE DI
RIPARTIZIONE
Se > 1
Se < 1
[farmaco] nella fase oleosa
= ----------------------------------[farmaco] nella fase acquosa
il farmaco è lipofilo e diffonde facilmente
il farmaco è idrofilo e non diffonde facilmente
Il coefficiente di ripartizione non è un parametro fisso, ma può variare in diverse situazioni,
per esempio:
• per metabolizzazione del farmaco
• la maggior parte dei farmaci sono acidi o basi deboli, quindi il coefficiente varia a seconda
del pH dell’ambiente nel quale si trovano (questa variabile può essere sfruttata anche per
aumentare la velocità di eliminazione: alcalinizzazione delle urine in caso di avvelenamento
da barbiturici)
Correlazione tra liposolubilità e assorbimento
DISTRIBUZIONE
1. PROTEINE PLASMATICHE (prevalente)
2. ERITROCITI
3. LEUCOCITI
DISTRIBUZIONE
Se la distribuzione avvenisse sempre nello stesso modo, sarebbe
possibile calcolare, mediante la determinazione nel plasma, la
distribuzione negli organi:
VOLUME DI DISTRIBUZIONE APPARENTE: quel volume nel
quale la quota totale di una sostanza dovrebbe essere
uniformemente distribuita per dare la concentrazione plasmatica
osservata
Proteine Plasmatiche
Sintetizzate nel fegato
6-8 g per 100 mL di plasma (6-8 %)
Albumine 4,5 %
Globuline 2,5 %
• α β da sintesi epatica
• γ secrete da linfociti B e plasmacellule (IgG IgM IgE)
Fibrinogeno 0,3 %
Legame farmaco-proteico
ionico, reversibile
proteine plasmatiche (accettori, trasportatori)
albumina
• farmaci acidi (warfarin, fenilbutazone, penicillina, sulfamidici)
• distinti siti di legame
diazepam
warfarin
digitossina
α1glicoproteina-acida
• farmaci basici
lipoproteine
• farmaci molto lipofili
DISTRIBUZIONE
VOLUME DI DISTRIBUZIONE APPARENTE
Vd = Q/c
ove
Vd = volume di distribuzione
Q = quota nell’organismo in mg
c = concentrazione plasmatica in mg/L
Il Vd è inversamente proporzionale alla distribuzione plasmatica e
può essere di ordini di grandezza superiore a quello reale
DISTRIBUZIONE
L’organismo è composto da:
58% di acqua (41 L) di cui 4% plasma (3 L), 13% extracellulare (9
L), 41% intracellulare (29 L)
20% di proteine
15% di grassi
7% di minerali
DISTRIBUZIONE
LEGAME CON I TESSUTI
1. Generico
2. Specifico (organo-tropismo)
TESSUTI DI DEPOSITO
1. Tessuto adiposo
2. Tessuto osseo
3. Tessuto connettivale
I capillari sanguiferi hanno un’organizzazione morfofunzionale diversa a seconda della sede in cui si trovano
La permeabilità del letto vascolare ad un certo farmaco è
diversa a seconda del distretto irrorato
LA BARRIERA EMATOENCEFALICA
L’endotelio dei vasi cerebrali ha caratteristiche morfologiche e funzionali
che permettono la realizzazione della barriera ematoencefalica che
impedisce l’ingresso nel liquido interstiziale di qualunque sostanza
incapace di diffondere liberamente attraverso le membrane
Nel SNC possono quindi penetrare solamente:
• farmaci con un adeguato coefficiente di distribuzione
(direttamente dipendente dal coefficiente di ripartizione)
• farmaci capaci di utilizzare i sistemi di trasporto presenti a
livello della barriera ematoencefalica
Lo stato di impermeabilità è ridotto a livello dei plessi coroidei
e di altre regioni periventricolari, dove hanno normalmente
luogo i processi di filtrazione e secrezione.
Inoltre, l’impermeabilità della barriera è ridotta in corso di
infiammazione e infezione (meningite).
METABOLISMO
1. reticolo endoplasmico liscio (microsomi)
2. citoplasma (frazione solubile)
3. mitocondri
4. lisosomi
5. nucleo
METABOLISMO
1. REAZIONI 1a FASE (metabolica propriamente detta)
2. REAZIONI 2a FASE (coniugazione)
Reazioni di fase I
METABOLISMO
1. REAZIONI 1a FASE (metabolica propriamente detta)
microsomiali
extramicrosomiali
METABOLISMO
a. MICROSOMIALI:
a. idrolisi
b. ossidazione
c. riduzione
esteri, amidi, idrazidi, nitrili
idrossilazione di composti aromatici
idrossilazione di composti alifatici
N-dealchilazioni
O- e S-dealchilazioni
Epossidazioni
N- e S-ossidazioni
composti nitrosi e azoici
Ossidasi a funzione mista
Cytochrome
P450
Xenobiotici interferenti con i CYP450
Induttori
Fenobarbital
Rifampicina
Carbamazepina
Desametasone
Fenitoina
Lindano, DDT
Benzo(a)pirene, diossina
Alcool etilico, additivi alimentari
Inibitori
Cimetidina
Isoniazide
Desimipramina
Metadone
Omeprazolo
Proportion of drugs metabolized by Phase I enzymes
Ep Hydrol
CYP3A4/5
DPYD
CYP2E1
Esterases
Others
CYP1A1/2
CYP1B1
CYP2A6
CYP2D6
CYP2C8/9
CYP2B6
CYP2C19
Conversione di xenobiotici a sostanze tossiche
Bioattivazione del Benzopirene
METABOLISMO
b. EXTRAMICROSOMIALI:
a. idrolisi
b. ossidazione
c. riduzione
desterificazione, deaminazione,
dealogenazione
alcoli, aldeidi, amine
chetoni
METABOLISMO
2. REAZIONI 2a FASE:
Reazioni di coniugazione tra un metabolita della sostanza
xenobiotica ed un coniugante endogeno.
Il risultato è un metabolita più idrosolubile al fine di essere escreto
con le urine.
Le reazioni di coniugazione riducono generalmente il pK del
composto rendendolo più dissociato ai pH organici, aumentandone
l’idrosolubilità.
METABOLISMO
1. GLUCURONO CONIUGAZIONE (microsomi)
2. SOLFO CONIUGAZIONE (frazione solubile)
3. SINTESI DI AMIDI (mitocondri; tra amine endogene e acidi
esogeni; tra acidi endogeni e amine esogene→ acetilazione)
4. SINTESI DI ACIDI MERCAPTURICI (frazione solubile,
microsomi, mitocondri)
5. METILAZIONE
6. CONIUGAZIONE DI SUBSTRATI ANALOGHI (frazione solubile)
7. FORMAZIONE DI TIOCIANATI (mitocondri)
Effetto protettivo del Glutatione
METABOLISMO
7. FORMAZIONE DI TIOCIANATI (mitocondri)
CN- + S2O3=
cianato tiosolfato
rodanasi
→ SCN- + SO3=
tiocianato solfito
FATTORI CHE INFLUENZANO IL METABOLISMO
1. Dose e frequenza di somministrazione (il pool coniugante è
facilmente saturabile)
2. Specie e razza (differenze metaboliche e farmacogenetiche)
3. Dieta e stato di nutrizione (enzimi e pool coniugante, in
particolare il GSH)
4. Età, sesso e peso (sviluppo e cambiamenti costituenti organici)
5. Via di somministrazione (distribuzione)
FATTORI CHE INFLUENZANO IL METABOLISMO
6. Interazione con altri tossici e contaminanti ambientali (induttori e
inibitori enzimatici, competitori, modificatori, fattori ormonali)
7. Conseguenze di interazioni con altri enzimi (glucuronasi,
sulfatasi, deacetilasi)
8. Gravidanza e anormalità fisiologiche (ridistribuzione, alterazioni
funzionali in organi quali il fegato)
Induzione enzimatica
aumentata attività cit. P450
aumentata
autoinduzione
induzione da altri farmaci
inattivazione
escrezione
formazione metaboliti attivi o tossici
riduzione
efficacia
durata d'azione
Inibizione enzimatica
inibizione competitiva
concentrazione dei farmaci
affinità per l’enzima
•
•
•
•
chinidina: warfarin, benzodiazaepine, fenitoina, morfina
cimetidina
chetoconazolo
macrolidi
inibizione non competitiva
inattivazione permanente dell’enzima
inibitori suicidi
• secobarbital, noretindrone, etinilestradiolo
ESCREZIONE
RENALE
1. Filtrazione glomerulare
2. Secrezione tubulare (trasporto attivo)
BILIARE
1. Secrezione di anioni e cationi con P.M. < 300 D
2. Secrezione di sostanze anfifile ad elevato P.M.
3. Sistema di secrezione per metalli pesanti
Escrezione renale
FILTRAZIONE GLOMERULARE
diffusione passiva
diffusione acquosa attraverso i pori acquosi
dipendente da
velocità di filtrazione glomerulare
peso molecolare < 5000
legame farmaco-proteico
Macula
Densa
Glomerulus
Glomerular Capillaries
Escrezione renale
SECREZIONE TUBULARE
trasporto attivo
diffusione facilitata dipendente da energia con bassa
specificità
carrier acidi organici
• acido urico, penicilline, glicurono-coniugati
carrier basi organiche
• colina, istamina, cimetidina
competizione per il carrier (probenicid inibitore
secrezione acidi: aumenta i livelli di penicillina)
escrezione ridotta nell'insufficienza renale
meno del 50% dei nefroni funzionanti
3
2
1
La secrezione degli anioni avviene con un meccanismo che precede 3 fasi: 1)
co-trasporto (sinporto) di alfa-chetoglutarato e Na+; 2) co-trasporto di alfachetoglutarato ed anione (antiporto); 3) secrezione dell’anione nel lume
secondo il suo gradiente di concentrazione
Escrezione renale
RIASSORBIMENTO TUBULARE
farmaci non-ionizzati
riassorbimento acqua e Na+
gradiente di concentrazione tubulo-interstizio
pH-dipendente
alcalinizzazione o acidificazione delle urine negli
avvelenamenti (per aumento della ionizzazione,
intrappolamento)
Riassorbimento tubulare
Riassorbimento Na+ e acqua
gradiente di concentrazione
farmaci non-ionizzati
• diffusione passiva
• pH-dipendente
• alcalinizzazione o acidificazione
delle urine negli avvelenamenti
proteine di basso peso
molecolare
• endocitosi
glucosio, aminoacidi
• carrier
Valutazione della nefrotossicità
Esami urine
volume, osmolalità, pH
glicosuria
proteinuria
• glomerulare → albumina
• tubulare → β2-microglobulina
Esami sangue
• creatininemia
• azotemia (BUN)
Escrezione epatica
L’escrezione dei farmaci nella bile è influenzata principalmente da due
caratteristiche fisiche: la polarità e il peso molecolare.
La presenza di un gruppo polare aumenta l’escrezione
Solo composti con peso molecolare > 300-500 vengono escreti nella bile.
Nella secrezione biliare sono coinvolti 4 sistemi di trasporto attivo: anioni,
cationi, acidi biliari e sostanze neutre.
L’escrezione biliare ha particolare importanza per i farmaci somministrati
per via orale (effetto di primo passaggio o eliminazione presistemica).
Il circolo entero-epatico
I farmaci escreti nella bile possono essere riassorbiti nell’intestino.
Questo è particolarmente frequente per i farmaci coniugati con l’acido
glucuronico.
Questi coniugati vengono scissi dalla b-glucuronidasi intestinale e il
farmaco libero viene riassorbito.
In questi casi si verifica un continuo circolo entero-epatico che può
mantenere il composto nell’organismo finché esso non viene ulteriormente
metabolizzato o escreto per via renale.
Questo meccanismo di ricircolo è essenziale per evitare la deplezione
continua di sostanze endogene come gli acidi biliari, gli estrogeni e le
vitamine D e B12.
Valutazione della epatotossicità
Segni clinici
Ittero, fatigabilità, prurito, sanguinamento intestinale,
dolore addominale
Esami clinici
Marker di attività epatica
• Bilirubina coniugata, albumina, tempo protrombina,
ammoniemia
Marker di necrosi epatocitaria
• Aminotransferasi (AST, ALT)
Marker di colestasi
• Fosfatasi alcalina, γ-GT, 5’-nucleotidasi
Ecografia, biopsia
ESCREZIONE POLMONARE
Dipende da:
1. Quota totale assorbita
2. Solubilità nei tessuti
3. Velocità del metabolismo e dell’escrezione
Ampia superficie capillare (80 m2) ed elevata perfusione ematica (2,5 l/min;
intestino tenue 1 l/min)
4. Intervallo dall’esposizione
Concentrazione aria espirata (Ca)
velocità metabolismo= ——————————————
Concentrazione nell’ambiente (Ci)
< 0,5 composti altamente solubili (toluene, stirene)
> 0,5 composti poco solubili (esano, cicloesano)
ESCREZIONE
ALTRE
LATTE (pH 6,5)
diffusione basi
SUDORE
diffusione
SALIVA (pH 6,5)
ultrafiltrazione quota libera
LIQUOR
diffusione
trasporto attivo anioni e cationi