Metabolismo - Università degli studi di Pavia

METABOLISMO O BIOTRASFORMAZIONE
DEI FARMACI
Le reazioni chimiche con le quali si attua il
metabolismo dei farmaci sono:
OSSIDAZIONE
RIDUZIONE
IDROLISI
FASE I (Citocromo P450)
CONIUGAZIONE
FASE II
Metabolismo
1
Induzione del metabolismo
Un farmaco può aumentare l'attività degli enzimi epatici
coinvolti nel metabolismo di un altro farmaco
(fenomeno dell'induzione enzimatica).
• l fenobarbital aumenta il metabolismo del warfarin,
riducendo la sua azione anticoagulante. Il dosaggio
del warfarin deve essere aumentato per compensare
il fenomeno, ma se il fenobarbital viene sospeso la
dose di warfarin deve essere ridotta per evitare una
tossicità potenzialmente pericolosa.
Induzione del metabolismo
• Il fenobarbital accelera anche il metabolismo di altri
farmaci (p. es., gli ormoni steroidei).
• I barbiturici e farmaci come la carbamazepina, la
fenitoina, la rifabutina e la rifampicina causano
induzione enzimatica.
• Il fumo in grandi quantità può ridurre l'efficacia di
farmaci come la clorpromazina, il diazepam, e la
teofillina, perché gli idrocarburi policiclici presenti nel
fumo di sigaretta aumentano la velocità del loro
metabolismo epatico attraverso il meccanismo
dell'induzione enzimatica.
2
Inibizione del metabolismo
Metabolismo
Fase II
Fase II
Fase III
3
Escrezione biliare e circolo
enteroepatico
•
•
•
•
•
Le cellule epatiche trasferiscono varie sostanze, inclusi i farmaci, dal
plasma alla bile per mezzo di sistemi di trasporto.
Coniugati idrofili dei farmaci (glucuronati) concentrati nella bile sono
immessi nell’intestino.
Tra le attività svolte dalla popolazione batterica a livello gastroenterico:
metabolizzazione di diversi farmaci (biotrasformazione extraepatica).
Reazione di idrolisi e di riduzione (deconiugazione) (Fase III)
Il farmaco può essere riassorbito ed il circolo può ripetersi: circolo
enteroepatico
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Escrezione biliare e circolo
enteroepatico
Esempi importanti dal punto di vista clinico:
MORFINA : i glucuronidi della morfina sia escreti nell’urina sia eliminati
con la bile (vengono idrolizzati e la maggior parte della morfina può
essere riassorbita)
La morfina orale non possiede una spiccata azione analgesica quando
somministrata in dosi singole a causa della sua scarsa biodisponibilità.
L'efficacia della somministrazione cronica a dosi ripetute sembra
risultare dalla presenza del circolo enteroepatico, che permette una
ricircolazione della morfina e dei suoi metaboliti.
Le dosi analgesiche efficaci variano considerevolmente da paziente a
paziente (variazione individuale nel metabolismo del farmaco).
Per questi motivi è necessario somministrare la morfina a dosi
personalizzate e monitorare il suo effetto analgesico di giorno in giorno.
4
Metabolismo di primo passaggio
Metabolismo di primo passaggio
5
Metabolismo di primo passaggio
Farmaci con importante effetto
“first pass effect”
Betabloccanti: Propranololo
Calcio-antagonisti: Diltiazem, Felodipine, Isradipine,
Nicardipine, Nifedipine, Verapamil
Farmaci psichiatrici: Desipramine, Doxepin, Imipramine,
Sedativi/Ipnotici: Midazolam, Triazolam
Oppiacei/Antagonisti: Morfina, Naltrexon, Pentazocin
6
• Individui appartenenti ad una stessa popolazione
omogenea rispondono ai farmaci in maniera
diversa ed altamente imprevedibile.
• Diversità sia quantitativa che qualitativa
IDIOSINCRASIA:
Il termine viene dal greco idiosynkrasia, composto
da idios (proprio, particolare) e sykhrasis
(costituzione, temperamento).
IERI:
Anormale reazione dell’organismo a determinate
sostanze
OGGI:
abnorme
risposta
geneticamente determinata
individuale
al
Farmaco
Farmacogenetica: branca della farmacologia che studia le
modificazioni della risposta al farmaco su base genetica
7
• Variazioni genetiche della risposta ai farmaci.
• Fra i soggetti normali, i parametri cinetici spesso
variano notevolmente: l’attività degli enzimi che
metabolizzano i farmaci; le velocità di
eliminazione dei farmaci variano da quattro a più
di quaranta volte
• Numerosi studi condotti su gemelli e gruppi
familiari hanno dimostrato che i fattori genetici
sono i principali responsabili di queste ampie
variazioni osservabili tra un individuo e l'altro.
8
Geni coinvolti nell’attivazione (prima torta) e nella
coniugazione ed escrezione dei farmaci (seconda torta)
•NUMEROSI sono
i
geni
coinvolti
nel
metabolismo dei farmaci
(geni per l’attivazione e
per la coniugazione ed
escrezione).
•Individuare, prima della
somministrazione di un
farmaco, quali soggetti
avranno una reazione
favorevole e quali invece
sono a rischio di effetti
collaterali più o meno
gravi.
9
La capacità intrinseca di eliminare un farmaco può
essere differente fra un paziente e l'altro.
• Un paziente con un metabolismo rapido può
richiedere dosi più elevate e più frequenti per
raggiungere le concentrazioni terapeutiche;
• Un paziente con un metabolismo lento può avere
bisogno di dosi più basse e meno frequenti per
evitare la tossicità, specialmente nel caso di
farmaci con un ristretto margine di sicurezza.
• Variabilità farmacocinetica
• Acetilazione: in circa il 50% della popolazione degli USA,
l'inattivazione dei farmaci da parte della N-acetiltransferasi epatica
avviene lentamente. Tali individui (acetilatori lenti) richiedono un tempo
più lungo per metabolizzare i farmaci eliminati per acetilazione e sono
quindi più suscettibili agli effetti indesiderati di questi farmaci (p. es.,
neuriti periferiche da isoniazide, antitubercolare).
• Nel resto della popolazione, l'acetilazione avviene rapidamente.
Rispetto agli acetilatori lenti, tali individui richiedono dosi più elevate o
più frequenti dei farmaci che vengono acetilati (es., l'isoniazide) per
ottenere la risposta terapeutica desiderata.
10
Variabilità farmacocinetica
• Ossidazione: in circa il 5-10% della popolazione bianca
nordamericana ed europea, la biotrasformazione ossidativa della
debrisochina è ridotta; se queste persone assumono debrisochina per
l'ipertensione, vanno soggette a un aumento del rischio di tossicità
.
• Circa il 50% dei giapponesi, dei cinesi e degli individui di altre
popolazioni asiatiche ha un deficit di aldeide deidrogenasi 2, un
enzima coinvolto nel metabolismo dell'etanolo. In queste persone,
l'ingestione di alcol provoca un aumento notevole dell'acetaldeide
ematica e la comparsa di effetti indesiderati (p. es., arrossamento del
volto, aumento della frequenza cardiaca).
• Variabilità farmacocinetica
• Deficit di glucoso-6-fosfato deidrogenasi (G6PD): la G6PD è
fondamentale per le reazioni di riduzione che avvengono all'interno dei
globuli rossi, destinate al mantenimento dell'integrità del citoscheletro. I
pazienti con deficit di G6PD, che si osserva nel 10% circa dei maschi
di razza nera, presentano un aumento del rischio di sviluppare anemia
emolitica quando vengono trattati con farmaci ossidanti, come gli
antimalarici (p. es., la clorochina), l'aspirina.
• Deficit di glutatione sintetasi: nei pazienti con deficit di glutatione
sintetasi eritrocitaria (un difetto simile al deficit di G6PD, ma più raro), i
farmaci ossidanti causano anemia emolitica. Maggior tossicità al
paracetamolo.
11
Variabilità farmacodinamica
• Riduzione dell'attività del warfarin: in determinati
soggetti, l'attività anticoagulante dopo la somministrazione
di dosi terapeutiche abituali di warfarin è marcatamente
ridotta; per ottenere l'effetto desiderato può essere
necessaria una dose fino a 20 volte superiore rispetto al
consueto. La biotrasformazione del warfarin in tali soggetti
Allele CCR5delta32
che determina la
resistenza all’AIDS
Variante protettiva forse
insorta circa 700 anni fa
dopo la peste tra 13461353 causando la morte
di circa il 30-35 % della
popolazione europea. Il
gene che codifica con un
antigene superficiale dei
linfociti T e macrofagi,
sarebbe stato
selezionato perché
conferiva resistenza alla
peste ed ora
determinerebbe una
diversa risposta all’AIDS.
12
Variazione genetica tra gli abitanti delle varie regioni
(Human Genome Diversity Project).
Farmaci Biotecnologici
13
Tecnica del DNA ricombinante
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Il gene dell’insulina
Cos’è un“farmaco biotecnologico”?
Farmaco progettato
mediante la tecnologia
del DNA ricombinante.
Farmaco di sintesi
per cui sono usate
pratiche biotech nella
fase di progettazione
o di valutazione
15
Farmaci biotecnologici
• Il primo farmaco ottenuto ingegnerizzando un sistema vivente
(batterico) è stato l'insulina, approvato dalla FDA nel 1982.
• Anche l'ormone
ingegnerizzato.
della
crescita
umano
fu
rapidamente
• Nel 1986 la FDA approvò il primo vaccino umano, contro l'epatite
B.
La produzione industriale di farmaci utilizzando i sistemi viventi come
bioreattori si è da allora largamente diffusa, diventando attualmente la
via preferita di sintesi di numerosi farmaci.
I medicinali biotecnologici sono più
grandi e complessi di quelli chimici
Chimici
Biotecnologici
Aspirina:
Peso molecolare 180
Interferone beta: peso molecolare
19.000
16
Farmaci biotecnologici
1) Scelta della sequenza genica
2) Scelta del vettore
3) Scelta dell’organismo di produzione
Farmaci biotecnologici
4) Scelta delle condizioni di fermentazione
5) Scelta del processo di purificazione (separazione
del prodotto efficiente): ottenere grosse quantità
usando meno risorse possibili).
Prodotto finale è il risultato di NUMEROSE SCELTE
17
Farmaci biotecnologici
• Mentre i farmaci tradizionali sono sotto controllo del
ricercatori, i biofarmaci sono prodotti sintetizzati dalle
cellule e sono il risultato di complesse attività cellulari.
• Microeterogeneità di proteine terapeutiche: a volte
desiderate a volte indesiderate.
• Il prodotto finale può contenere diverse isoforme del
prodotto che può inficiare o meno l’attività biologica.
• Es.: Eritropietina generata da diversi laboratori: diverse
isoforme.
Farmaci biotecnologici
I generazione:
Semplici copie dirette di ormoni o proteine umane preparate tramite
transfezione del gene umano in un appropriato sistema di espressione
(una linea cellulare che produce la proteina in un ambiente
appropriato).
Dopo la transfezione la proteina ricombinante prodotta viene raccolta e
purificata e utilizzata come farmaco
Es. Insulina (1982)
Per trasfezione si intende il processo di introduzione di materiale
biologico esogeno in cellule eucariotiche e nella gran parte dei casi di
mammifero.
18
Farmaci biotecnologici
II generazione:
Sono proteine umane modificate
Le modifiche migliorano alcuni aspetti dell’attività di una
determinata proteina.
Es.: insulina modificata con attività più veloce e
durata d’azione più lunga.
Applicazione delle
Biotecnologie in
Farmacologia e Medicina
19
Tecnica del DNA ricombinante in
Medicina
Ormoni polipetidici
Prodotti del sangue (coagulanti e trombolitici)
Farmaci antinfettivi e antitumorali
Immunomodulatori e vaccini
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INSULINA
L’insulina è prodotta dalle cellule β
delle isole pancreatiche sotto forma
di un precursore di 110 aminoacidi
detto preproinsulina
La conversione della proinsulina in
insulina avviene nel complesso di
Golgi ad opera di endopeptidasi.
21
Effetto e durata d’azione di tipi
diversi di insuline
Prodotti Terapeutici (Farmaci)
e di Prevenzione (Vaccini)
La maggior parte di farmaci proteici era disponibile in
quantità limitate
Prodotti ottenuti per estrazione dal sangue o tessuti e
organi dell’uomo o di animali con rischio di
trasmissione di malattie infettive
Es. insulina ottenuta da animali: possibilità di causare
attivazione della risposta immunitaria.
22
Prodotti Terapeutici (Farmaci) e
di Prevenzione (Vaccini)
Attualmente oltre 300 proteine diverse, con potenziale
o già validata attività terapeutica per l’uomo vengono
prodotte da microrganismi (o da cellule animali) nei quali è
stato clonato lo specifico gene codificante.
Altre categorie di farmaci prodotti mediante la
tecnologia del DNA ricombinante
Ormoni Polipeptidici
Proteine del sangue
Immunomodulatori e Antitumorali
23
Ormoni Polipeptidici
Peptidi o piccole proteine che svolgono funzioni essenziali nel controllo del
metabolismo nei mammiferi:
Ormone della crescita
Eritropoietina: regola la produzione di globuli rossi da parte del midollo
osseo.
Proteine del sangue
Proteine o fattori coinvolti nei processi della coagulazione del sangue
(fattori VII, VIII, IX) sia nei processi che degradano i coaguli (TPA)
Si sono eliminati i rischi associati alla potenziale contaminazione da
parte di agenti virali (HIV, HBV, HCV)
Immunomodulatori e Antitumorali
I più noti sono gli interferoni che a seconda del tipo possono esplicare
attività antivirale (α e β), immunomodulatrice (γ) o antitumorale (α).
Interferone α: usato nel trattamento di cancro al rene, melanoma, alcune
forme di linfoma e leucemie.
Interferone β: usato nel trattamento della sclerosi multipla, agisce sui
linfociti T inibendone la migrazione e riduce la produzione di citochine.
Interferone γ : usato per ridurre l’incidenza di infezioni in pazienti con
ridotte difese immunitarie. Imukin®
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Immunomodulatori e Antitumorali
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Vaccini
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Vaccini di nuova generazione
La tecnica per ottenere questi nuovi vaccini si basa
sull’identificazione della proteina o delle proteine di un agente
infettivo che siano in grado di indurre una risposta
immunitaria protettiva simile a quella stimolata dall’agente
infettivo completo.
Tramite tecniche di ingegneria genetica, si possono selezionare i
geni corrispondenti, clonarli e farli esprimere in vettori
diversi, oppure eliminarli mediante una delezione selettiva.
Una variante di questo sistema sarebbe, una volta identificata la
proteina di interesse immunologico, ottenere la o le proteine per
sintesi proteica.
Vaccini di nuova generazione
32
Vaccini Ricombinanti
Mediante la tecnica del DNA ricombinante sono stati
prodotti diversi vaccini la maggior parte dei quali è stata
allestita clonando in una cellula procariota o eucariota il
gene del microrganismo che codifica per la principale
proteina immunogena, cioè quella proteina che nell’ospite
porta alla produzione di anticorpi in grande quantità.
Vaccini a sub-unità
Vaccini virali: una proteina del
capside o della membrana
esterna (envelope)
Vaccini batterici: proteine di
adesione (antigeni delle fimbrie)
o specifiche tossine modificate
(anatossine)
Vaccino contro l’Epatite B:
• Virus a DNA con envelope
• Il virione contiene due antigeni
associati al guscio proteico
interno (core): Hbc e Hbe e un
antigene
di
superficie
(sull’envelope) HBsAg (Hepatitis
B surface Antigen)
HBsAg rappresenta quindi la
molecola di scelta per allestire il
vaccino.
33
Vaccino contro l’Epatite B:
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Vaccino contro la Meningite
Batterica
• Il maggior responsabile di questa patologia è il batterio
Haemophilus Influenzae di tipo b (Hib).
• Prima della diffusione del vaccino la Meningite Batterica colpiva
negli Stati Uniti 1 bambino su 200
• 1/4 dei bambini che sopravvivevano all’infezione presentavano
lesioni cerebrali o perdita dell’udito
L’incidenza di infezione si è ridotta del 90% ed
in alcuni paesi è addirittura scomparsa
34
Produzione di tossine batteriche modificate, da
parte dello stesso ceppo patogeno, dopo
mutazione genetica
Vaccino Antipertosse
•
Mediante la tecnica del DNA ricombinante è
stato ottenuto un ceppo di Bordetella
Pertussis capace di produrre una tossina
della pertosse del tutto identica,
antigenicamente, a quella del ceppo
patogeno, ma assolutamente priva di
tossicità.
•
La tossina mutata, prodotta in laboratorio su
larga scala, viene purificata e impiegata
come vaccino
Vaccini vivi
ricombinanti
Batteri o virus modificati
geneticamente in modo da poter
essere impiegati come vaccini
vivi ricombinanti
35
Vaccini vivi ricombinanti
Ceppi di microrganismi patogeni omologhi
• In questi microrganismi sono stati modificati o deleti i
geni che ne condizionano la virulenza
• Il microrganismo potrà moltiplicarsi nel soggetto
vaccinato, stimolando attivamente la risposta
immunitaria specifica senza però causare la malattia
• Virus Erpetico allo studio quale vaccino dopo
delezione del gene TK che causa la virulenza
• Batterio Vibrio Cholerae allo studio quale vaccino
dopo averlo privato della capacità di produrre
l’enterotossina attiva, ma ancora in grado di indurre
immunità
Vaccini vivi ricombinanti
Microrganismi eterologhi naturalmente non patogeni o resi tali
• Alcuni virus e batteri del genere Salmonella ed
Escherichia
• Dopo ingegnerizzazione fungono da vettori di geni
esogeni, esprimono cioè le proteine immunogene
dell’agente patogeno verso cui si vuole proteggere
l’individuo
• Nuovi vaccini: si sono incorporati i geni di alcuni virus (Epatite B, H.
Simplex, Influenza Virus) nel genoma del Vaccinia Virus
• Nel coniglio, esperimenti preliminari di vaccinazione hanno dimostrato
che si ottiene protezione valida verso questi virus
• La scelta di questo virus “vettore” sta nella sua resistenza: un vaccino
così allestito non deve essere refrigerato e può venire liofilizzato.
36
Vaccini a DNA
Si utilizza direttamente una frazione purificata di
DNA che contiene il gene della proteina capace
di indurre una risposta immunitaria protettiva.
La frazione di DNA viene inserita in un plasmide che funge
da vettore.
Le cellule animali captano questi plasmidi e li incorporano
nel nucleo cellulare, permettendo l’espressione del gene
estraneo e la produzione della proteina corrispondente.
Questa proteina deve essere espressa sulla superficie cellulare o liberata
nel tessuto, per far si che il sistema immunitario la possa riconoscere nella
sua forma nativa, come avviene durante un’infezione naturale con
l’agente completo, ottenendo così un’ottima risposta immunitaria
37