passaggio attraverso le membrane File

Farmacologia di Base
FA149 - 4 CFU
Farmacologia
038FA - 8 CFU
Docente: dott. Chiara FLORIO
Edificio M - stanza B/47
Email: [email protected]
Testi consigliati:
Parte generale
Hacker Bachmann Messer
Pharmacology Principles and Practice
Academic Press
Parte speciale
Rang, Ritter, Flower, Henderson
Rang & Dale's Pharmacology
Eighth edition
ELSEVIER
Farmacologia Generale
(di Base)
1 . Farmacocinetica
2. Farmacodinamica
Farmacocinetica
Lo studio del movimento del farmaco
nell’organismo
Come il farmaco entra
ed esce dall’organismo
Comprende i processi di:
1. ASSORBIMENTO
2. DISTRIBUZIONE
3. BIOTRASFORMAZIONE (METABOLISMO)
4. ESCREZIONE
Acronimo: ADME
ASSORBIMENTO
METABOLISMO
DISTRIBUZIONE
ESCREZIONE
Le linee tratteggiate rappresentano le
membrane che i farmaci devono
attraversare per muoversi nell'organismo
Farmacocinetica
Lo studio della FARMACOCINETICA
si avvale di approcci
SPERIMENTALI
Procedure di raccolta dei
campioni (esempio:sangue,
urina)
Metodi analitici per il
dosaggio del farmaco o dei
suoi metaboliti
TEORICI
Sviluppo di MODELLI in
grado di predire la
distribuzione e
l'eliminazione del farmaco
dopo la sua
somministrazione
Metodi statistici
VARIAZIONE DELLA CONCENTRAZIONE PLASMATICA
DI UN FARMACO DOPO SOMMINISTRAZIONE ORALE
ASSORBIMENTO,
DISTRIBUZIONE e
ELIMINAZIONE assieme
Concentrazione
plasmatica
(ng/ml)
ASSORBIMENTO
prevalentemente nel
tratto GI
ELIMINAZIONE
prevalentemente
renale
Tempo (minuti)
ADME: Assorbimento
Processo tramite cui un
farmaco passa dal sito di
applicazione nel torrente
ematico o nel sistema linfatico
Movimento dei farmaci attraverso le
membrane cellulari
Le membrane cellulari sono costituite da un doppio
foglietto lipidico (idrofobico) con intersperse proteine
(idrofiliche) e pori acquosi
La principale funzione delle
membrane cellulari è di
formare una barriera
selettiva al passaggio di
molecole, permettendo il
passaggio di alcune e
impedendone ad altre
Membrane e Assorbimento
teste
idrofiliche
Molecole piccole,
prive di carica
H2O, urea,
CO2, O2, N2
Bilayer Lipidico
code
idrofobiche
SI!
Composti lipofili
Molecole grandi,
prive di carica
Molecole piccole
cariche, ioni
Glucosio
Saccarosio
NO!
H+, Na+, K+,
Ca2+, Cl-,
HCO3-
NO!
Meccanismi di Assorbimento
1
extracellulare
Diffusione passiva
attraverso
canali acquosi
3
intracellulare
Diffusione
passiva
Trasporto tramite
molecole
trasportatrici
(carriers)
2
1. Diffusione passiva (o semplice)
E’ il meccanismo tramite cui la maggior
parte dei farmaci si muove all'interno
nell’organismo
•
Il farmaco “si muove” seguendo il
proprio gradiente di concentrazione
•
•
Non richiede consumo di energia
Non richiede trasportatori e quindi
non è saturabile
Diffusione passiva
La diffusione passiva di un
farmaco dipende da:
1.
2.
3.
4.
5.
gradiente di concentrazione
grado di liposolubilità
grado di ionizzazione
coefficiente di diffusione
spessore della membrana
1. Gradiente di concentrazione
Tratto GI
Sangue
tempo
Membrana semipermeabile
1. Gradiente di concentrazione
Tratto GI
Sangue
tempo
Membrana semipermeabile
In un sistema dinamico, il gradiente di
concentrazione è mantenuto dallo spostamento
del farmaco da un compartimento verso un altro
compartimento (esempio: dal tratto GI al sangue)
NB: La gittata cardiaca è pari a 5-6 L/minuto
(pari al volume di sangue circolante)
2. Liposolubilità
Coefficiente di ripartizione
lipidi/acqua
3. Grado di ionizzazione
La maggior parte dei farmaci
sono acidi o basi deboli
Acidi
HA
Basi
H+ + B-
Donatori di H+
H+ + AAccettori di H+
HB
La quantità relativa della forma ionizzata rispetto
a quella non-ionizzata dipende da:
1. pH del mezzo
2. pKa della molecola
pH
2
3
4
5
6
7
8
acido
debole
% forma
non
ionizzata
HA
↕
A➖
99,9
99
90
50
10
1
0,1
base debole
% forma
non
ionizzata
BH+
↕
B
0,1
1
10
50
90
99
99,9
pKa
pKa (definizione): valore di pH al
quale il farmaco è presente al 50%
in forma ionizzata e al 50% in
forma non-ionizzata
se pH = pKa
se pH < pKa
se pH > pKa
HA = AHA > AHA < A-
BH+ = B
BH+ > B
BH+ < B
Diffusione passiva
1.
2.
3.
4.
5.
La diffusione passiva dipende
da:
liposolubilità del farmaco
gradiente di concentrazione
grado di ionizzazione
coefficiente di diffusione
spessore della membrana
4. Coefficiente di diffusione
Il coefficiente di diffusione (D) dipende dal peso
molecolare del farmaco
D si riduce con l'aumentare del peso molecolare
(MW) del farmaco ma in maniera non lineare ed
è dato dalla radice quadrata del MW
Esempio:
MW 200 Da, D = 14,1
MW 2000 Da, D = 44,7
5. Spessore della membrana
Legge di Fick
dQ = DPA (Cp-Ct)
dt
h
dQ/dt = velocità di diffusione
D = coefficiente di diffusione
P (o K) = coefficiente di ripartizione lipidi/acqua
A = area della membrana
h = altezza (spessore) della membrana
Cp - Ct = differenza tra concentrazione plasmatica (Cp)
e concentrazione tissutale (Ct) o GRADIENTE DI
CONCENTRAZIONE
Applicazione della legge di Fick:
Variazione dei livelli plasmatici di un farmaco
somministrato per via orale rispetto al tempo
Cp (ng/ml)
Tempo (minuti)
GLI
INDIMENTICABILI
Definizione di pKa: valore di pH al quale un
acido o una base debole è presente al 50% in
forma ionizzata e al 50% in forma non-ionizzata
La gittata cardiaca è pari a 5-6 L/minuto (pari al
volume di sangue circolante)
La legge di Fick: dQ = DPA (Cp-Ct)
dt
h
Meccanismi di Attraversamento
delle membrane
1
extracellulare
Diffusione passiva
attraverso
canali acquosi
3
intracellulare
Diffusione
passiva
Trasporto tramite
molecole
trasportatrici
(carriers)
2
PROTEINE TRASPORTARICI
Proteine
transmembrana che
legano in maniera
stereo-specifica un
substrato, andando
incontro ad un
cambiamento
conformazionale per
rilasciare il substrato
dall’altro lato della
membrana
Proteine trasportatrici
v
Orientamento
subcellulare:
apicale (luminale) o
basolaterale
(abluminale)
Direzione del flusso del
substrato:
Uptake (dentro la cellula)
o efflusso (fuori dalla
cellula)
Cellula endoteliale
Cellula epiteliale
(intestino, rene,
polmone)
interstizio
PROTEINE TRASPORTATRICI
TRASPORTATORI
Canali/pori
Diffusione facilitata
Carriers
Trasporto attivo
3. Diffusione passiva di
molecole idrosolubili
attraverso canali acquosi
PROTEINE TRASPORTATRICI
TRASPORTATORI
Canali/pori
Diffusione
facilitata
Trasportatori guidati da
potenziale elettrochimico
Carriers
Trasportatori
primari attivi
Trasporto
attivo
Trasporto Attivo vs Facilitato
gradiente
elettrochimico
Bilayer
Lipidico
Diffusione
Semplice
Diffusione
tramite
Pori acquosi
Diffusione
facilitata
Trasporto Facilitato
Energia
Trasporto Attivo
Diffusione Facilitata Carrier-Mediata
• Richiede un carrier (proteina trasportatrice)
• Non richiede una fonte diretta di energia
• Avviene secondo gradiente di
concentrazione / elettrochimico
• E’ mediato da un numero limitato di proteine
ed è quindi saturabile
• Riconosce solo determinati substrati ed è
quindi selettivo
DIFFUSIONE FACILITATA
La diffusione facilitata permette l’entrata o l’uscita di molecole
polari o cariche come zuccheri e amminoacidi,
neurotrasmettitori e metalli, secondo gradiente elettrochimico
PROTEINE TRASPORTARICI
TRASPORTATORI
Canali/pori
Diffusione
facilitata
Carriers
Trasportatori guidati da
gradiente elettrochimico
MFS: Major Facilitator
Superfamily
Uniporto, sinporto,
antiporto
NSS: Neurotransmitter
sodium symporter
Trasporto attivo
TRASPORTO FACILITATO
ORGANIC CATION TRANSPORTER - OCT
ORGANIC ANION TRANSPORTERS – OAT
Trasportano cationi e anioni organici di diversa struttura
chimica (scarsa selettività)
Il trasporto è elettrogenico e dipende da Na+, Cl- e H+
Il trasporto avviene in ambedue le direzioni
Localizzazione: fegato (OCT1, OAT2), rene (OCT2;
OAT1, 3 e 4), endotelio neuronale, plesso corioideo
TRASPORTO FACILITATO
ORGANIC ANION TRANSPORTING POLYPETIDES
– OATP
Trasportatori Na+-indipendenti
Promuovono l’accesso di farmaci dal sangue ai tessuti
influenzandone la biodisponibilità
Localizzazione: fegato (OATP1A2, 1B1 e 1B3), rene (OAPT1A2),
polmoni, intestino tenue, sistema nervoso centrale
Trasporto Attivo
• Richiede un carrier
• Accoppiato direttamente ad una
fonte di energia (ATPasi)
• Avviene contro gradiente di
concentrazione
• Selettivo
• Saturabile
Per riassumere……
TRASPORTO MEDIATO DA PROTEINE CARRIER
TRASPORTO FACILITATO
TRASPORTO ATTIVO
Secondo gradiente di
concentrazione
Contro gradiente di
concentrazione
Energia-indipendente
Energia-dipendente
Saturabile
Saturabile
Selettivo
Selettivo
PROTEINE TRASPORTARICI
TRASPORTATORI
Canali/pori
Diffusione
facilitata
Trasportatori guidati da
gradiente elettrochimico
Carriers
Trasportatori
primari attivi
Trasporto
attivo
Superfamiglia
Proteine ABC
Proteine ABC
(ATP Binding Cassette)
• Grande famiglia di geni (circa 1000 proteine ABC
identificate fino ad oggi, 49 nell’uomo)
• Definita sulla base dell’omologia della sequenza
aminoacidica e divisa in 7 sottofamiglie, ognuna
con diverse isoforme
• Importante per il trasporto di nutrienti, aminoacidi,
zuccheri, metaboliti e farmaci
• Malattie genetiche correlate all'alterata
espressione comprendono la sindrome di DubinJohnson (difetto nella secrezione della bilirubina
coniugata) e la fibrosi cistica (difetto nella
regolazione del canale del cloro)
Breast
Cancer
Resistance
Protein
Multiple-drug
Resistance
Protein
Multi
Drug
Resistance-1
Glicoproteina P o MDR1
• Membro della famiglia delle proteine ABC, inizialmente
identificata come responsabile della resistenza a farmaci
chemioterapici
• Proteina integrale di membrana N-Glicosilata
• 12 Domini transmembrana
• 2 siti di legame per l’ATP
• Struttura altamente conservata all'interno della famiglia
• Localizzazione: intestino, fegato, rene, placenta, cervello
MINORE ASSORBIMENTO A LIVELLO ENTERICO
ELIMINAZIONE ATTIVA DA RENE E FEGATO
L’espressione
delle MDR e
MRP influisce
sull’ADME
LIMITATA DISTRIBUZIONE AL SNC,
TESTICOLO E PLACENTA
....e di conseguenza
sull'attività
farmacologica......
Qualche esempio.....
Loperamide (oppioide antidiarroico): substrato di MRP1
L'associazione con chinidina (inibitore dell'efflusso) può causare depressione
respiratoria
Bilirubina glicuronata (composti endogeno): substrato di MRP2
Farmaci inibitori del trasporto causano colestasi o iperbilirubinemia
Ivermectina (antiparassitario): substrato di MDR1
Neurotossicità nei Border collie con alterata espressione della proteina
...lo stesso vale per il trasporto facilitato
Statine (trattamento dell'ipercolesterolemia): substrato di OATP1B1
Espressione a livello epatico massimizza gli effetti terapeutici, l'espressione a
livello del muscolo striato responsabile degli effetti tossici (miopatia)
Biguanidi (ipoglicemizzanti orali): substrati di OCT1
Espressione a livello epatico responsabile dell'acidosi lattica
Trasporto attivo e trasporto facilitato
sono co-espressi nei diversi tessuti
EPATOCITI
MEMBRANA BASOLATERALE
(sinusoidale)
MEMBRANA CANALICOLARE
OAT2 e OCT1: captazione di anioni organici (farmaci,
bilirubina), cationi e sali biliari
MRP2 e BCRP: secrezione nella bile di farmaci e metaboliti,
sali biliari e fosfolipidi
MRP4: efflusso di farmaci dal fegato al sangue circolante
TUBULO PROSSIMALE RENALE
Per essere secreto,
un composto
deve attraversare
in modo
sequenziale due
membrane: la
membrana
basolaterale e la
membrana
apicale (flusso
transepiteliale)
MEMBRANA BASOLATERALE
(SANGUE)
MEMBRANA
APICALE
(URINE)
OAT1-3 e OCT2-3: anioni (captopril, penicilline) e cationi
organici (cimetidina, metformina, nicotina)
MDR1 e MRP2-4: secrezione nell'urina di cationi e anioni
coniugati (es. con acido glicuronico), rispettivamente
OCTN1-2 e OAT4 bidirezionali (riassorbimento)
URAT1 per riassorbimento di acido urico
EPITELIO INTESTINALE
BARRIERA EMATOCEFALICA
Trasporto vescicolo-mediato
Trasporto vescicolo-mediato