SYNTHESIS
IL FARMACO E LA SUA CHIMICA
Direttore
Antonio C
Università di Sassari
Comitato scientifico
Daniela B
Università degli studi di Milano
Elisabetta G
Università degli studi di Sassari
Sabrina P
Università degli studi di Trieste
Gabriele M
Università degli studi di Sassari
Alessandra P
Università degli studi di Sassari
SYNTHESIS
IL FARMACO E LA SUA CHIMICA
La morfina è stata inventata per permettere ai medici di dormire tranquilli.
Sacha G
La collana nasce con una vocazione interdisciplinare: pur essendo il
farmaco il suo fulcro e la Chimica Farmaceutica la disciplina principale
di riferimento, gli argomenti trattati spaziano trasversalmente, coinvolgendo altre fondamentali materie quali la Tecnica Farmaceutica, la
Farmacologia, la Bioinformatica e la Biochimica che contribuiscono
attivamente al raggiungimento dell’obiettivo. Nell’intento di coadiuvare i tre principali aspetti di una disciplina scientifica: divulgazione,
didattica e approfondimento scientifico, la collana accoglie volumi che
documentano tali aspetti. In particolare, ospita sia monografie che
raccolte di argomenti indirizzati a studenti, colleghi e a un più vasto
pubblico, sino ad arrivare a testi rivolti a dottorandi e specializzandi.
Antonio Carta
Irene Briguglio
La nascita dei farmaci
Scoperta, progettazione e sviluppo
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I edizione: marzo
Indice
Premessa
Introduzione
Capitolo I
Individuazione di nuovi principi attivi
.. Uso di prodotti naturali come risorsa, – .. Miglioramento di
farmaci esistenti (farmaci me too), – .. Ottimizzazione di effetti collaterali di farmaci esistenti (SOSA, o selective optimization of side activities
approach), – .. Modifiche del ligando naturale, – .. Screening sistematico, – .. Serendipity, – .. Biotecnologie farmaceutiche,
– .. Modellistica molecolare, .
Capitolo II
Il processo Hit to Lead
.. Sperimentazione preclinica, – .. Studi di tossicità, – ... Tossicità generale g, – ... Tossicità acuta g, – ... Valutazione dei risultati, – .. Studi di tossicità ripetuta, – .. Studi di tossicità a medio
termine, – .. Studi di tossicità a lungo termine, – .. Mutagenesi, – .. Test di mutazione genetica, – ... Test su microrganismi in
vitro, – ... Test su microrganismi in vitro, – ... Test su insetti, –
... Test su su cellule di mammifero in cultura, – ... Test di mutazione
genetica nel topo, – ... Test per gli effetti cromosomici, – ... Test
del letale dominante sui roditori, – ... Test delle traslocazioni ereditarie
nel topo, – .. Test per evidenziare i processi di riparazione del DNA
e ricombinazione, – .. Trasformazione in vitro di cellule di topo,
– .. Test dell’ingrandimento nucleare, .
Capitolo III
Studi di tossicità specifica. Cancerogenesi
.. Cancerogeni genotossici, – .. Cancerogeni epigenetici, –
.. Altri cancerogeni, – .. Studi di cancerogenicità, – .. Test di
Indice
screening rapido, .
Capitolo IV
Teratogenicità
.. Test di teratogenicità in vivo, .
Capitolo V
Tossicodipendenza
.. Tolleranza, – .. Dipendenza fisica e crisi d’astinenza, – .. Modelli animali di tossidipendenza, – .. Il ruolo della dopamina nel
meccanismo di gratificazione, .
Capitolo VI
Relazioni Struttura Attività (SAR) e Lead optimization
.. Semplificazione Molecolare, – .. Complicazione Molecolare, – .. Isosteria, – ... Isosteria Chimica, – .. Isosteri o
Bioisosteri, – .. Introduzione/rimozione di centri chirali, –
... Attività ottica, – ... Isomeria geometrica, .
Capitolo VII
Conclusione degli studi preclinici
Capitolo VIII
Sperimentazione clinica
.. Fase della sperimentazione clinica, – .. Fase della sperimentazione clinica, – .. Fase della sperimentazione clinica, – .. Fase
della sperimentazione clinica o Fase di Farmacovigilanza, .
Capitolo IX
Farmacodinamica
.. Interazione farmaco–recettore: natura dei legami chimici , –
.. Legame covalente, – .. Legame non covalente, – .. Interazioni di van der Waals, – .. Interazioni dipolo permanente–dipolo
permanente, – .. Interazioni dipolo indotto–dipolo indotto (o
Forze di dispersione di London), – .. Interazioni dipolo permanente–dipolo indotto (o Forze di Debye), – .. Interazione ione–dipolo,
– .. Legame ionico, – .. Complessi a trasferimento di carica,
– .. Interazione catione–π, – .. Interazioni idrofobiche, –
Indice
.. Interazione farmaco–recettore: riassunto , – .. Interazione
farmaco–recettore: Parametri Cinetici , – ... Le costanti di associazione e dissociazione, – ... La densità dei siti, – ... Le
costanti cinetiche, – .. Aspetti quantitativi delle risposte ai farmaci: analisi delle curve dose–risposta, – .. Teorie sull’Interazione
Farmaco–Recettore, – .. Teorie di Ariens e Stephenson, .
Capitolo X
Come progettare un agonista e un antagonista
.. Il farmaco deve avere i gruppi di legame appropriati, – .. Il
farmaco deve avere i gruppi di legame posizionati correttamente, –
.. Il farmaco deve avere una dimensione adeguata al sito recettoriale, – .. Come progettare un antagonista, .
Capitolo XI
Fasi dell’azione farmacologica
.. Fase farmaceutica, – .. Vie di somministrazione, – .. Vie
di somministrazione enterali, – .. Vie di somministrazione parenterali, – ... Endovena, – ... Intramuscolo, – ... Sottocutanea, .
Capitolo XII
Fase farmacocinetica
.. Assorbimento, – .. Diffusione, – ... Diffusione attraverso i pori, – ... Diffusione passiva, – ... Processi di
eso–endocitosi, – ... Trasporto ad opera di apposite proteine,
– ... Diffusione facilitata, – ... Trasporto attivo, – .. Distribuzione, .
Capitolo XIII
Metabolismo
.. Metabolizzazione di un principio attivo a metabolita inattivo, –
.. Attivazione metabolica di un profarmaco, – .. Metabolizzazione di un principio attivo a metabolita attivo, – .. Metabolizzazione
di un principio attivo a metabolita tossico, – .. Fattori che influenzano il metabolismo, – ... Fattori Genetici, – ... Fattori Fisiologici, – ... Fattori Ambientali, – .. Le reazioni metaboliche dei
farmaci, – .. Reazioni di Fase I, – ... Ossidazioni microsomiali, – .. Ossidazioni microsomiali, – ... Ossidazione dell’anello
aromatico, – ... Ossidazione di olefine, – ... Ossidazione di ca-
Indice
tene alifatiche, – ... Barbiturici, – ... Ossidazione che coinvolge
eteroaromatici (C–N, C–O, C–S e C–alogeno), – .. Ossidazioni non
microsomiali, – .. Reazioni di Riduzione, – .. Reazioni di
Idrolisi, – .. Reazioni di Fase II, – ... Eliminazione,
Premessa
Lo scopo di questo libro è quello di fornire un testo introduttivo allo studio della Chimica Farmaceutica e Tossicologica agli studenti
che frequentano i corsi di studio in Farmacia, Chimica e Tecnologie
Farmaceutiche e Biotecnologie. Nell’affrontare questa materia, infatti,
è necessario comprendere in maniera approfondita tutti gli aspetti
relativi alla progettazione e sviluppo dei farmaci, prima di poter passare alla descrizione sistematica delle diverse classi di farmaci oggi
a nostra disposizione. Nel particolare, gli argomenti trattati in questo testo riguardano la scoperta (o la progettazione) e lo sviluppo di
un farmaco. Per quanto riguarda il primo argomento vengono illustrati concetti come: i prodotti naturali come fonte di nuovi farmaci;
l’ottimizzazione dell’attività, degli effetti collaterali e della tossicità
di farmaci già esistenti; la modificazioni di un “ligando” naturale di
un recettore biologico; lo screening sistematico di molecole note o
nuove; le applicazioni biotecnologiche farmaceutiche; la modellistica
molecolare, ecc. Sono stati inoltre illustrati i concetti di: processo “Hits
to Lead”; interazione farmaco–recettore; caratteristiche dei vari tipi
di legami chimici. Per quanto riguarda lo sviluppo di un farmaco,
invece, sono stati illustrati gli aspetti più importanti della fase di sperimentazione preclinica e clinica, con particolare attenzione agli studi
di tossicità, mutagenesi, teratogenicità, cancerogenicità (in vitro e in
vivo) e tossicodipendenza. Una particolare attenzione è stata anche
dedicata agli aspetti farmacocinetici e, soprattutto del metabolismo.
Infine riteniamo che questo libro possa essere anche di un certo interesse per tutti quegli studiosi che, pur non occupandosi direttamente
della progettazione e sviluppo dei farmaci, possano avere un interesse
culturale per l’argomento, quali: medici, veterinari, biologi, ecc.
Introduzione
Il processo che porta alla nascita di un nuovo farmaco è complesso e
articolato, e richiede molto tempo e notevoli investimenti economici.
Oggi la ricerca è volta all’individuazione di composti che siano sempre
più selettivi nei confronti di un determinato bersaglio biologico (target
o più specificatamente recettore), che siano attivi alla più bassa dose
possibile, che presentino minori effetti collaterali possibili e, possibilmente, costino sempre meno. Dunque è lecito porsi una domanda:
come nasce un farmaco? Prima del ventesimo secolo le medicine
erano rappresentate principalmente da erbe e pozioni e solo intorno
alla metà del secolo diciannovesimo furono fatti i primi seri tentativi
di isolare e purificare (e possibilmente identificare) i principi attivi di
questi rimedi. Da allora sono stati isolati molti principi attivi di origine
naturale di cui è stata identificata la struttura molecolare.
Questi prodotti di origine naturale hanno innescato un eccezionale lavoro di sintesi, grazie al quale, nel tentativo di migliorarne le
Figura . Morfina: componente principale dell’oppio (lattice essiccato
del frutto immaturo del
Papaver somniferum)
Figura . Chinina: alcaloide estratto dalla corteccia dell’albero di China (genere Cinchona)
Figura . Cocaina: l’alcaloide più abbondante
nelle foglie della coca
(Erythroxylum coca)
Introduzione
caratteristiche farmaceutiche, i chimici hanno preparato migliaia di
analoghi. Gran parte del lavoro è stato fatto in modo empirico, secondo il principio del “prova e sbaglia” ma i risultati ottenuti hanno
permesso di individuare molti principi generali che possono essere
usati nella progettazione dei farmaci. s In anni più recenti la chimica
farmaceutica ha subito una vera rivoluzione, provocata principalmente dal rapido progredire delle scienze biologiche, che ha determinato
una migliore conoscenza del funzionamento degli organismi viventi
a livello cellulare e molecolare. Di conseguenza, la maggior parte dei
progetti dell’industria farmaceutica iniziano ora con l’identificazione
di un appropriato bersaglio, cui segue la progettazione di una molecola adatta ad interagire con esso. In questa strategia, la conoscenza
della struttura chimica (compresi gli aspetti conformazionali e configurazionali) e del meccanismo di azione biologica del bersaglio sono
fondamentali; per cui si può dire che al momento attuale la ricerca di
nuovi farmaci è fondata sulla struttura del bersaglio da colpire. Ricordando che il motivo principale legato all’impiego dei farmaci è quello
di eliminare uno stato patologico più o meno doloroso (la cui diagnosi
spetta al medico), o di ripristinare e/o agevolare la normale fisiologia
dell’organismo, le cose principali da fare nel processo che conduce
alla scoperta e allo sviluppo di un farmaco sono le seguenti.
Scoperta
a)
b)
c)
d)
e)
Scegliere la malattia da trattare;
scegliere il bersaglio del farmaco (target);
identificare il saggio biologico opportuno;
identificare il farmaco prototipo (Lead);
determinare la struttura del prototipo (se non nota).
Progettazione
a)
b)
c)
d)
Identificare le relazioni struttura–attività (SAR);
identificare il farmacoforo;
ottimizzare le interazioni con il bersaglio (farmacodinamica);
ottimizzare le proprietà farmacocinetiche.
Introduzione
Sviluppo del farmaco
a) Effettuare gli studi preclinici (metabolismo del farmaco, tossicità,
saggi di formulazione e stabilità, studi farmacologici. . . );
b) brevettare la molecola;
c) mettere a punto un processo di produzione (sviluppo chimico
di processo);
d) effettuare i saggi clinici (trials clinici);
e) registrare il farmaco ed immetterlo sul mercato e fare il possibile per guadagnare.
Molte di queste fasi devono avvenire contemporaneamente e sono
dipendenti l’una dall’altra.
In particolare, in passato gli studi ADMET (riguardanti le fasi di
Assorbimento, Distribuzione, Metabolismo, Eliminazione e Tossicità
della molecola) non venivano effettuati fino a che non veniva identificato uno specifico candidato a farmaco. Tuttavia, molti composti
falliscono proprio in questi studi, e di conseguenza si perdono anni
di lavoro sintetico e una enorme fetta dell’investimento economico.
Oggi questi studi vengono effettuati in fasi del processo di scoperta
sempre più precoci, in modo da saggiare, identificare ed eventualmente eliminare prodotti problematici o fallimentari il più presto possibile.
Per questo motivo la scoperta e lo sviluppo di un nuovo farmaco può
durare anni e più, richiedere la sintesi di più di diecimila molecole
e comportare un costo di molti milioni di dollari.
L’insieme delle diverse fasi di scoperta, progettazione e sviluppo
del farmaco vengono modernamente indicate con i termini inglesi di
“Drug discovery and development”. Più precisamente la fase di Drug
discovery include tutte le attività pre–cliniche fino all’identificazione
di una nuova molecola che possieda un livello desiderabile di attività
biologica e termina con la decisione di iniziare ulteriori studi sugli
animali al fine di accertarne la sicurezza.
Anche se la progettazione di un nuovo farmaco deve derivare da
una necessità terapeutica (disease selection), bisogna fare molta attenzione su questo punto. Se infatti agli inizi del all’industria farmaceutica si offrivano molte opportunità terapeutiche, a causa della
quasi totale mancanza di farmaci realmente attivi, che portarono allo
studio e scoperta dei farmaci (p. es. antibiotici e sostanze psicotrope)
Introduzione
su cui la medicina moderna risulta fondata; tuttavia oggi, pur restando la cura di varie patologie una vera e propria sfida per la chimica
farmaceutica, dobbiamo riconoscere che esistono un gran numero
di accettabili terapie per molte patologie. Di conseguenza, prima di
intraprendere il viaggio che può portare alla scoperta di un nuovo
farmaco, è necessario fare alcune considerazioni.
Va in primis considerata la reale necessità terapeutica: individuata
la patologia di cui ci si vuole interessare ne va considerata la severità.
Se infatti si cerca il rimedio per patologie molto lievi, che hanno una
bassa incidenza o che richiedono un unico trattamento, è probabile
che la scoperta non varrà lo sforzo economico sostenuto per farla!
Vanno poi valutate le terapie disponibili, magari valutandone il livello di soddisfazione nei pazienti. Per esempio, se la terapia disponibile
per il trattamento della patologia prevede l’impiego solo di formulazioni iniettabili, l’eventuale identificazione di un composto che possa
essere somministrato per via orale sarebbe probabilmente più accettabile. Ancora, aumentare l’efficacia di un composto nei confronti di
un target specifico porterebbe anche ad una riduzione della dose, ed
eventualmente ad una riduzione della durata del trattamento. Oltre
che a diminuirne la tossicità e gli effetti collaterali.
Inoltre è sempre importante conoscere ciò che fanno le altre aziende o gli altri ricercatori prima di sprecare il proprio tempo in una
ricerca che potrebbe essere rapidamente surclassata. Va sempre considerato il mercato potenziale cioè: il numero di potenziali pazienti, la
durata della terapia, la possibilità che il costo del farmaco venga rimborsato dal SSN, ecc. Le selezione della patologia è dunque cruciale,
ma non è la sola.
Individuata la malattia, bisogna infatti individuare la funzione fisiologica compromessa, eventualmente individuare il gene responsabile
della disfunzione (gene to function) e quindi risalire alla proteina coinvolta, che sarà il bersaglio del nuovo farmaco (function to target e target
identification). Nota la macromolecola bersaglio, bisogna procedere
ad individuare nuovi composti, definiti Hit compounds, virtualmente
capaci di interagire con questo target (target to Hit).
Capiamo quindi che nella maggior parte dei casi il target di un
virtuale Hit è una proteina, sia essa un enzima, un recettore o un
canale ionico (meno frequentemente lo sono gli acidi nucleici), ovvero componenti biologiche fondamentali nella grande catena che
Introduzione
rappresentano i processi biochimici in un organismo vivente. Quando
una di queste componenti risulta mal funzionante, magari perché
non è attivata nella giusta maniera, o lavora in maniera eccessiva o
non lavora affatto, ecco che può apparire uno stato patologico. Queste
biomacromolecole possono dunque rappresentare un drug target, ma
per esserlo davvero devono essere validate, ovvero dimostrarsi critiche
nello sviluppo della patologia. Il target risulta quindi validato quando,
modulato farmacologicamente, dimostra un’efficacia significativa ed
un profilo di sicurezza accettabile per una specifica malattia umana in
un uso clinico prolungato.
Gli Hit Compounds, utilizzati ad elevata purezza, devono presentare un’attività riproducibile in un determinato saggio biologico in vitro,
ed elevata specificità per il target che si sta studiando. La loro struttura chimica deve essere confermata e originale (cioè non presente
in letteratura o, in caso contrario nota per altri impieghi). I risultati
delle analisi in vitro serviranno quindi per selezionare i composti più
promettenti, caratterizzati dalla maggiore potenza e minore tossicità
cellulare (citotossicità). Normalmente in questa fase della ricerca il
numero di composti candidabili si riduce drasticamente e dall’insieme
iniziale di derivati solo pochi emergono. Questi composti saranno
quindi sottoposti ad ulteriore valutazione biologica non solo in vitro,
ma anche in vivo su un modello animale.
I composti migliori verranno quindi selezionati come Lead compounds, ovvero composti attivi in vitro ed in vivo, che non presentano
tossicità, mutagenicità, cancerogenicità, e per i quali sono definite
chiare relazioni struttura attività (SAR). Questi composti vengono candidati come futuri farmaci in quanto possiedono buone opportunità
da un punto di vista brevettuale.
Sui Lead compounds, di cui è stato fatto uno studio in vitro delle
proprietà farmacodinamiche (IC , EC ), vengono di conseguenza
effettuati studi di ottimizzazione (Lead optimization), effettuando:
a) studi farmacocinetici in vivo (ADMET, nonché studi di stabilità,
solubilità, legame alle proteine plasmatiche. . . );
b) studi farmacologici e tossicologici preliminari in vivo (efficacia,
tossicità);
c) ottimizzazione in vivo (modello di malattia, studi farmacocinetici in vivo, biodisponibilità).
Introduzione
Il farmaco, dunque, all’inizio della sua sperimentazione deve superare una serie di prove condotte in laboratorio e sugli animali, obbligatorie per legge e fondamentali per avere una conoscenza adeguata
della sicurezza e delle proprietà del composto in studio
I test di sicurezza sugli animali includono test tossicologici e farmacologici, il cui numero dipende dalle necessità di ricerca per determinare quale composto guida, o Lead compound, è, tra quelli considerati,
adatto a passare alla fase successiva. Per questi composti selezionati
vengono condotti studi di formulazione farmaceutica (compresse,
soluzioni iniettabili, pomate, ecc.) per valutarne le migliori condizioni
di somministrazione. Ottenute queste informazioni si può passare
alla formulazione del dossier necessario per avere l’autorizzazione
di inizio della sperimentazione clinica. Non sempre però si può individuare quando termina la fase di Discovery e quando inizia quella
di Drug Development.In genere quest’ultima inizia quando le attività
passano dalla ricerca di un agente con il profilo biologico desiderato
alla valutazione focalizzata su una specifica molecola.
La fase di Drug Development include la valutazione clinica delle molecole candidate su esseri umani, condotta all’interno delle università,
degli ospedali, di istituti di Ricerca pubblici e/o privati accreditati ed
autorizzati, e vincolata al “consenso informato” e alla volontarietà, in
ogni fase, di tutti coloro che vi si sottopongono. Generalmente viene
suddivisa in quattro fasi o categorie progressive (Fase ,,, vendita)
indicanti il livello di sviluppo della molecola, i cui confini anche in
questo caso non sono ben definiti e spesso si sovrappongono.
Figura . Schema dei processi di drug discovery e development
