Metabolismo dei farmaci Farmacologia generale Prof. Rosaria Meli Biotrasformazione dei farmaci Raramente un farmaco viene escreto immodificato A livello renale i farmaci lipofili filtrati dal glomerulo sono ampiamente riassorbiti nelle circolazione sistemica a livello tubulare L’organismo è in grado di eliminare i farmaci, come pure molte altre sostanze (sia xenobiotici sia composti endogeni), grazie ad una serie di reazioni metaboliche che hanno lo scopo di trasformarle i composti più polari e quindi più idrosolubili aumentandone l’escrezione e riducendone il volume di distribuzione Biotrasformazione dei farmaci Spesso i processi di biotrasformazione possono: Inattivare il farmaco Attivare un composto inattivo Modificarne l’attività Bisogna per questa ragione differenziare i processi propriamente catabolici da quelli di attivazione puo’ trasformare il F in metaboliti inattivi (imipramina in desimipramina), potenziare l'azione del F (codeina in morfina), produrre metaboliti tossici (fenacetina in p-fenetidina, provoca metaemoglobinemia). alcuni prodotti della biotrasformazione possono acquisire proprietà tossiche, incluse quelle mutagene, teratogene e cancerogene. È da notarsi che la sintesi di sostanze endogene come gli ormoni steroidei, il colesterolo e gli acidi biliari comprende molte reazioni enzimatiche che sono associate con il metabolismo degli xenobiotici. Lo stesso si può dire per la formazione ed escrezione di prodotti metabolici endogeni come la bilirubina, catabolita finale dell'eme. Gli enzimi metabolizzanti i farmaci sono stati sfruttati allestendo dei profarmaci inattivi che in vivo sono poi trasformati nelle forme farmacologicamente attive. IL METABOLISMO dei FARMACI CONDIZIONA: 1. Intensità e durata dell’azione farmacologica (e latenza dell’azione farmacologica quando i metaboliti sono farmacologicamente attivi). 2. Qualità dell’azione farmacologica o tossica (alcuni metaboliti sono responsabili di effetti collaterali o tossici). 3. Velocità e via di eliminazione. Il processo di biodegradazione si può verificare lungo la via di assorbimento esterno (in questo caso prende il nome di metabolismo presistemico del farmaco) es nel sangue In aggiunta, i farmaci possono essere metabolizzati dal succo gastrico (ad es. la penicillina), dagli enzimi digestivi (es. i polipeptidi, come l'insulina), o da enzimi intestinali che si trovano nella parete intestinale (ad. es., catecolamine simpatomimetiche). Caratteristiche del metabolismo I processi metabolici presentano due caratteristiche peculiari: 1. 2. Bassa specificità di substrato (i siti catalitici degli enzimi di biotrasformazione sono in grado di adattarsi una notevole varietà di forme, grandezze e cariche) Elevata concentrazione e notevole ubiquità Queste caratteristiche rendono questi sistemi ad efficacia catalitica variabile dipendente dalla situazione del momento Es. assenza o presenza di altri substrati catalizzati dalle isoforme interessate al processo Il metabolismo In generale gli xenobiotici lipofili sono trasformati in prodotti più polari e quindi più facilmente eliminabili per escrezione renale. Ad esempio, i barbiturici lipofili come il tiopental e il pentobarbital avrebbero un'emivita estremamente lunga se non fossero metabolizzati in composti più idrosolubili. Sostanze estremamente lipofile come il DDT e altri POP che sono depositate nel tessuto adiposo e protette dai principali organi deputati al metabolismo dei farmaci possono persistere nel grasso corporeo per anni dal termine dell'esposizione. Caratteristiche del metabolismo I processi biotrasformativi possono essere stimolati, indotti o inibiti in determinate circostanze ad es. Farmaci Diete Patologie che variano negli organi responsabili la capacità metabolica (non solo nel fegato, ma anche rene e intestino) DOVE AVVIENE LA BIOTRASFORMAZIONE DEI FARMACI? il fegato è la sede principale del metabolismo ogni tessuto sia dotato di una certa capacità di metabolizzare i farmaci (inclusi il tratto gastrointestinale, i polmoni, la cute ed i reni). Dopo somministrazione orale, molti farmaci (es. isoprenalina, petidina, pentazocina, morfina) sono assorbiti intatti dall'intestino tenue e subito trasportati attraverso il sistema portale al fegato, ove subiscono una notevole metabolizzazione (effetto di primo passaggio) . Alcuni farmaci, somministrati per via orale (es. clonazepam, clorpromazina), sono metabolizzati in maggior misura nell'intestino rispetto al fegato. Pertanto il metabolismo intestinale può contribuire all'effetto di primo passaggio nella sua totalità. E’ da notare che il tratto inferiore dell'intestino ospita numerosi microrganismi capaci di molte reazioni di biotrasformazione. Le fasi della biotrasformazione Farmaci e xenobiotici sono eliminati con un processo in più fasi coinvolgenti molti siti enzimatici Le biotrasformazioni sono appunto reazioni di tipo enzimatico che possono essere classificate in diverse fasi: FASE I o FASE di FUNZIONALIZZAZIONE FASE II o FASE di CONIUGAZIONE O SINTESI FASE III di grande importanza tossicologica Sequenza delle reazioni FASE I o FASE di FUNZIONALIZZAZIONE trasformano il composto iniziale in un metabolita più polare introducendo o smascherando un gruppo funzionale (-OH, -NH2, -SH). Appartengono a questa fase reazioni di: 1. 2. 3. 4. 5. 6. Ossidazione Riduzione Idrolisi Idratazione Detioacetilazione Isomerizzazione Gli enzimi di fase I più importanti sono i Citocromi: CYP/Numero= famiglia/Lettera= sottofamiglia/Numero= forma o gene ad esempio: CYP3A4, CYP3A5, CYP3A7 Le fasi della biotrasformazione FASE II o FASE di CONIUGAZIONE O SINTESI portano alla formazione di un legame covalente tra un gruppo funzionale del composto progenitore (o di un metabolita di fase I) con una sostanza endogena (come l'acido glucuronico, l'acido solforico, l'acido acetico, glutatione o un aminoacido). Sono composti altamente polari, in genere inattivi, escreti rapidamente. E’ attraverso la fase II che la molecola assume le caratteristiche di idrosolubilità e di possibile ionizzazione al pH fisiologico dell’organismo utili per accelerarne l’eliminazione Appartengono a questa fase reazioni di: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. glucuronazione solfatazione metilazione acetilazione coniugazione con AA coniugazione con glutatione coniugazione con ac. Grassi condensazione UGT = UDP-Glicuronosil Transferasi GST = Glutatione-S-Transferasi NAT = N-Acetil Transferasi TPMT = TioPurina S-MetilTransferasi Reazioni di FASE III Appartengono a questa fase reazioni meno note che possono avere importanza tossicologica, avvengono nell’intesino: Idrolisi di glucuronidi Idrolisi di acidi mercapturici (coniugati con glutatione) Riduzione di composti precedentemente ossidati dal fegato Aromatizzazioni Queste reazioni consentono a volte l’instaurarsi di un ricircolo enteroepatico di composti: metabolizzati dal fegato, escreti tramite la bile nell’intestino e in questa sede ripristinati e riassorbiti. a volte producono metaboliti od intermedi farmacologicamente attivi o tossici (talora cancerogeni) Sequenza delle reazioni Non è raro che la biotrasformazione porti alla formazione di composti privi di attività farmacologica ma dotati di attività tossica Formazione di metaboliti epatotossici Per N-idrossilazione si ottiene N-idrossiacetaminofene IL SISTEMA DELLE OSSIDASI MICROSOMIALI A FUNZIONE MISTA Molti degli enzimi metabolizzanti i farmaci sono situati nelle membrane lipofile del reticolo endoplasmatico del fegato e di altri tessuti. Quando queste membrane lamellari sono isolate mediante omogeneizzazione dei tessuti e successivo frazionamento dei costituenti cellulari, esse tendono ad assumere la forma di vescicole dette microsomi. I microsomi conservano la maggior parte delle caratteristiche morfologiche e funzionali delle membrane intatte, ivi compreso l'aspetto rugoso o liscio che caratterizzano, rispettivamente, il reticolo endoplasmatico ricoperto di ribosomi o quello privo di tali particelle. I microsomi rugosi sono coinvolti principalmente nella sintesi proteica, quelli lisci sono ricchi di enzimi che partecipano al metabolismo ossidativo dei farmaci. I microsomi epatici contengono un'importante classe di enzimi noti come ossidasi a funzione mista (MFO) o monossigenasi. due enzimi microsomiali svolgono un ruolo chiave. Il primo è una flavoproteina, la NADPH-citocromo P450 riduttasi, che richiede un agente riducente (NADPH) e l'ossigeno molecolare; Il secondo enzima microsomiale è una emoproteina chiamata citocromo P450 e funziona come ossidasi terminale Infatti, la membrana microsomiale presenta più forme di questa emoproteina, e tale molteplicità è incrementata dalla somministrazione di xenobiotici La famiglia dei citocromi P450 Il sistema del citocromo P450 è una famiglia di emoproteine (pigmenti come l’emoglobina) il cui nome deriva dalla caratteristica dello spettro (nella forma ridotta ferrosa presenta picco di assorbimento a 450nm) Hanno peso molecolare tra 50000 e 60000 D proteine trans-membrana situata a livello del reticolo endoplasmatico liscio e che avvolge una struttura a tipo canale Gli enzimi del citocromo P-450 sono raggruppati in 14 famiglie di geni, caratteristiche dei mammiferi, che hanno in comune l'identità della sequenza del DNA e la presenza di 17 sottofamiglie. Gli enzimi delle sottofamiglie 1A, 2B, 2C, 2D e 3A sono fondamentali per il metabolismo dei mammiferi; il CYP1A2, il CYP2C9, il CYP2C19, il CYP2D6 e il CYP3A4 sono importanti per il metabolismo dell'uomo Il CYP450 è in grado di metabolizzare moltissime sostanze, di diversa natura e non necessariamente correlate chimicamente tra di loro. Il differente range di risposta nel metabolizzare gli xenobiotici può derivare, oltre che da fattori fisiologici come l’età, il sesso e lo stato di salute dell’individuo, da una differente velocità di metabolizzazione del principio attivo, derivante a sua volta da un polimorfismo genetico nel citocromo P450. La famiglia dei citocromi P450 Il corredo dei citocromi è sottoposto a controllo genetico e possono esistere consistenti differenze nella capacità metabolica in relazione alla razza ed allo stato di metabolizzatore lento (poor metabolizer, scarso corredo enzimatico) o di metabolizzatore rapido (extensive metabolizer, consistente corredo enzimatico) e utrarapidi INTERAZIONE TRA FARMACI SUL METABOLISMO INDUTTORI ENZIMZTICI INIBITORI ENZIMATICI Induzione enzimatica Alcuni substrati o farmaci sono in grado, se somministrati ripetutamente, di indurre il CYP450 • aumentando la sua velocità di formazione • riducendone quella di degradazione Tale induzione si traduce in una accelerazione del metabolismo e, normalmente, in una riduzione dell’azione farmacologica non solo dell’induttore ma anche di farmaci cosomministrati. Tale induzione può accrescere anche la tossicità Es rifampicina induttore specifico del CYP1A2, CYP2C9 e 2C19, CYP3A4 ne aumenta la capacità metabolica Sono stati studiati in modo più approfondito il citocromo P450 2B1 indotto da un trattamento con fenobarbital; (2) il citocromo P450 1A1 che è indotto dagli idrocarburi aromatici policiclici, di cui un prototipo è il 3metilcolantrene (1) Causano induzione del citocromo P450 1 A 1 una esposizione al benzo(a)pirene, ed altri idrocarburi aromatici policiclici, presenti nel fumo di tabacco, nella carne alla griglia e in altri prodotti della pirolisi organica, questi alterano la velocità del metabolismo dei farmaci sia nell'animale da esperimento che nell'uomo. Altri inquinanti chimici ambientali capaci di indurre specifici isoenzimi del citocromo P450 includono bifenili policlorurati (PCB), ampiamente usati nell'industria come materiali isolanti e plasticizzanti, e 2,3, 7, 8-tetracloro-dibenzo-pdiossina (diossina, TCDD), che si forma in quantità minima come sottoprodotto della sintesi del 2, 4, 5triclorofenolo, usato come defoliante L'incremento della sintesi di P450 richiede aumentata trascrizione e traduzione. È stato identificato un recettore citoplasmatico (denominato AhR) per gli idrocarburi aromatici policiclici (ad esempio benzo[a]-pirene, diossina), • Si legano a recettori specifici degli idrocarburi aromatici anche chiamato “recettore della diossina e di idrocarburi arilici” AhR • Ahr si trova normalmente complessato con Hsp-90, il legame provoca il distacco delle proteine e le sua fosforilazione • Ahr fosforilato entra nel nucleo • Attiva geni che codificano x il CYP1A1 ma anche x GST Sono induttori… glucocorticoidi, anticonvulsivanti ed alcuni steroidi inducono specifiche isoforme definite citocromi P450 3A, le più abbondanti nel fegato umano Altri ESEMPI DI INDUTTORI ENZIMATICI Ipertrofia da sovraccarico cronico, si sviluppa entro pochi giorni e scompare nuovamente al termine del periodo di sovraccarico Barbiturici Glutetimide Meprobamato Clorpromazina Fenilbutazone Aminopirina Nicotina Testosterone 3,4 benzopirene Diossina Inibizione enzimatica Alcuni substrati o farmaci sono in grado di inibire il CYP450 • legandosi con alta affinità al citocromo e inibendo competitivamente il metabolismo dei potenziali substrati • legandosi fortemente al ferro eme del citocromo ed inibendo il metabolismo di substrati endogeni o farmaci (es derivati imidazolici come la cimetidina e il ketoconazolo riducono il metabolismo del testosterone) o complessandolo e rendendolo cataliticamente inattivo (come macrolidi e caf) Macrolidi inibiscono il CYP3A4, alcuni chinolonici il CYP1A2 • Inibizione enzimatica Alcuni farmaci che possono inibire l'attività enzimatica del citocromo P450 includono: gli steroidi etinil estradiolo, noretindrone e spironolattone; l'anestetico fluroxene; il barbiturico allobarbitale; i sedativi analgesici alliliso-propilacetilurea, dietilpentenamide ed etilclorvinolo; il solvente carbonio disolfuro; il propiltiouracile. Inoltre, il barbiturico secobarbitale inattiva il citocromo P450 2B1 per alchilazione sia della componente eme che proteica. Interazioni del cibo con il metabolismo E’ interessante osservare che il succo di pompelmo contiene una serie di sostanze (derivati cumarinici come la diidrossibergamottina) e bioflavonoidi (naringina, naringerina, quercitina) a marcata attività inibitoria a livello intestinale sul CYP3A4 per cui l’assunzione per via orale di farmaci che siano substrato di questa isoforma può essere causa di sovraesposizione I flavonoidi del succo di pompelmo sono in grado di inibire il CYP3 Aumentano la biodisponibilità e/o inibiscono il metabolismo di tutti i farmaci metabolizzati dal CYP3A4 (ad es. antivirali, BDZ, calcio-antagonisti, statine) Caso clinico n 5: Il pompelmo induce effetti tossici da atorvastatina (Torvast®) Un paziente cardiopatico ed obeso fu messo dal medico in trattamento con atorvastatina fino ad una dose massima di 60mg/kg po. Dopo 4 mesi di trattamento il paziente era in buona salute con valori di colesterolo LDL bassi (104 mg/dl). Due mesi dopo il suo trasferimento in Florida nella casa di vacanza il paziente accusò dolori muscolari, febbre e senso di stanchezza. Il medico diagnosticò rabdomiolisi e l’atorvastatina fu sospesa. La funzione renale, dapprima alterata, si normalizzò. Conclusioni Il paziente coglieva ogni mattina tre pompelmi nel suo giardino e li consumava sotto forma di spremuta. Il pompelmo aveva inibito il metabolismo (CYP 3A4) dell’atorvastatina fino a produrre concentrazioni tossiche. Il paziente riprese la terapia con pravastatina (Selectin®) che non interagisce con il pompelmo. Il succo d’arancia diminuisce la biodisponibilità del beta-bloccante celiprololo (Cordiax®) In uno studio randomizzato cross over è stato rilevato che 200 ml di succo di arancia assunti 1 ora prima di 100mg di celiprololo hanno prodotto una riduzione del picco plasmatico di celiprololo del 89% (P<.01), una riduzione della AUC del 83% (P<.01). L’emivita del farmaco è risultata prolungata del 4.6 a 10.8 ore (P=.05) dopo l’assunzione di succo d’arancia. Inoltre il succo d’arancia ha ridotto l’escrezone urinaria di celiprololo del 77% (P<0.01). Conclusioni Il succo d’arancia ha ridotto la biodisponibilità del celiprololo, anche se il reale meccanismo d’azione è ancora oscuro. La variazione del pH intestinale e l’attività dei trasportatori coinvolti nell’assorbimento del celiprololo potrebbero essere responsabili di questa variata biodisponibilità del beta-bloccante PROFARMACO Vi è infine la possibilità che il farmaco non sia di per sé attivo e che lo diventi solo dopo la biotrasformazione Il composto iniziale viene definito profarmaco Es. Prednisone Cortisone prednisolone idrocortisone Differenze di capacità metaboliche individuali ETA’ nel neonato e nell’anziano SESSO capacità metabolica correlata agli ormoni sessuali PATOLOGIE epatite virale, alcolismo, patologie neoplastiche AMBIENTE Igiene ambientale, inquinanti o contaminanti STILE DI VITA Abitudini alimentari (carenze di minerali, vitamine, obesità) Fattori voluttuari (fumo, alcool, droghe) Variazioni legate all'età • i neonati possiedono sistemi enzimatici microsomiali epatici ancora non completamente sviluppati, essi hanno difficoltà a metabolizzare molti farmaci (p. es., l'esobarbitale, la fenacetina, l'amfetamina, la clorpromazina). Nei neonati, la maggiore lentezza della conversione in glucuronidi può avere effetti gravi. • Per esempio, dosi equivalenti in mg/kg di cloramfenicolo che vengono ben tollerate dai pazienti più grandi possono portare alla sindrome del neonato grigio e a concentrazioni ematiche di cloramfenicolo persistentemente elevate. • I pazienti anziani hanno spesso una ridotta capacità di metabolizzazione dei farmaci. La riduzione varia a seconda del farmaco e non è mai grave come quella che si osserva nei neonati Interazioni tra farmaci e sostanze endogene L'inattivazione di molti farmaci richiede una coniugazione con substrati endogeni come glutatione, acido glucuronico ed acido solforico. Diversi farmaci possono competere per gli stessi substrati endogeni, ed un farmaco che reagisce rapidamente potrebbe effettivamente depauperare i livelli di substrato endogeno danneggiando il metabolismo di un farmaco che reagisce lentamente. Se quest'ultimo possiede una curva dose-risposta ripida od un ristretto margine di sicurezza, si può verificare un potenziamento dei suoi effetti farmacologici e tossici. Patologie e metabolismo Malattie acute o croniche che alterano la struttura e la funzione del fegato influenzano notevolmente il metabolismo epatico di alcuni farmaci. Si tratta di condizioni che comprendono 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. la steatosi (accumulo di grassi), l'epatite alcolica, le cirrosi alcoliche attive o inattive, l'emocromatosi, l'epatite cronica attiva, la cirrosi biliare, le epatiti acute virali Epatiti iatrogene o da farmaci. LE ALTERAZIONI EPATICHE A seconda della loro gravità, queste condizioni alterano particolarmente le ossidasi microsomiali e influenzano l'eliminazione dei farmaci. l’emivita del clordiazepossido e del diazepam è molto prolungata in pazienti affetti da cirrosi epatica o da epatite virale acuta e i loro effetti sono proporzionalmente accresciuti. Ne consegue che questi farmaci possono indurre coma se somministrati in dosi ordinarie a pazienti affetti da epatopatie. Il carcinoma epatico altera il metabolismo dei farmaci nell'uomo. Ad esempio, il metabolismo dell'aminopirina è più lento nei pazienti portatori di neoplasie epatiche maligne. Questi pazienti mostrano anche una notevole riduzione della velocità di clearance dell'aminopirina. Aminopirina: antiinfiammatorio non steroideo, rapidamente assorbito dopo somministrazione orale. La concentrazione picco si raggiunge dopo circa 2h dalla somministrazione e ha un T/2 di 12h. Il 60% del farmaco viene metabolizzato dalle ossidasi epatiche cit.P450 dipendenti. L'aminopirina Bresth test (ABT) valuta la CL del farmaco, consiste nella somministrazione per os di aminopirina marcata con C13 e nella successiva rilevazione del diossido di C (13 CO2) eliminato nell'aria espirata. Quando l’escrezione della 13CO2 nel respiro dei pazienti con cirrosi o epatite cronica peggiora nel corso del tempo, il test predice l’evoluzione al coma epatico ed all’exitus. Altre patologie Le affezioni cardiache attraverso una limitazione del flusso ematico al fegato, possono, alterare la cinetica di quei farmaci il cui metabolismo è flusso-dipendente. Le malattie polmonari possono influenzare il metabolismo dei farmaci come si può dedurre considerando che l'idrolisi di procainamide e procaina è ridotta in pazienti con insufficienza respiratoria cronica e la vita media dell'antipirina è aumentata nei pazienti portatori di carcinoma polmonare. Anche le alterazioni nell'attività o nella sintesi degli enzimi che accompagnano le intossicazioni da metalli pesanti o la porfiria si traducono in una riduzione del metabolismo dei farmaci a livello epatico. Ad esempio, è stato dimostrato che, nell'uomo, l'emivita dell'antipirina è aumentata nel corso delle intossicazioni da piombo.