ProFarmaci (Prodrugs) La forma “attiva” di un farmaco può essere ottenuta per decomposizione del farmaco somministrato. Farmaci che agiscono in questo modo sono detti “profarmaci” o prodrugs. Definizione: I “prodrugs” sono composti inattivi che si trasformano in composti attivi per metabolismo nell’organismo. Possono essere classificati principalmente in due gruppi: BIOPRECURSORI CARRIERS

ProFarmaci (Prodrugs) Profarmaco: “qualunque composto che deve subire una biotrasformazione prima di poter mostrare i suoi effetti farmacologici” Definizione troppo ampia (include farmaci storici come aspirina/acido salicilico e metaboliti attivi come imipramina/demetilimipramina). Più appropriata la definizione di “drug latentiation” definita come “modifica chimica di un composto biologicamente attivo intesa a formare una nuova molecola che, dopo attacco enzimatico, libererà il composto che l’ha generata”.

ProFarmaci (Prodrugs) Gruppi funzionali sui parent drugs (in verde) adatti per il legame del promoiety

ProFarmaci (Prodrugs) Esteri Sono i derivati più usati Sono ampiamente usati per aumentare la lipofilia del farmaco e quindi permettono il suo passaggio passivo attraverso le membrane. I legami esterei sono idrolizzati da esterasi presenti nel sangue, fegato ed altri organi e tessuti Esempi di tali derivati sono forniti dai doppi esteri dell’ampicillina, dall’enalapril (ACE inibitore), dalle statine (lovastatina, simvastatina)

ProFarmaci (Prodrugs) Esteri

ProFarmaci (Prodrugs) Sono più stabili degli esteri ma più suscettibili all’idrolisi rispetto alle ammidi. I carbonati derivano da acidi carbossilici ed alcoli; i carbammati da acidi carbossilici e ammine. La biotrasformazione di carbonati e carbamati richiede le esterasi per la formazione del parent drug

ProFarmaci (Prodrugs) Le ammidi sono derivati di gruppi funzionali amminici e carbossilici Poco usate a causa della loro elevata instabilità enzimatica in vivo. Un legame ammidico è idrolizzato da carbossilesterasi, proteasi o peptidasi. Sono usate di solito per migliorare l’assorbimento orale

ProFarmaci (Prodrugs) Derivati di chetoni, ammidine e guanidine Utili per molecole che mancano di gruppi idrossilici, amminici o carbossilici Idrolizzati dal CYP450 Usati per migliorare la permeabilità attraverso le membrane e l’assorbimento del parent drug

ProFarmaci (Prodrugs) BIOPRECURSORI: composti che già contengono la specie attiva nella struttura e la liberano mediante un processo metabolico. Esempio 1 Primo prodrug, scoperto nel 1935, dell’antibatterico sulfanilide Scoperta dei sulfamidici, unici farmaci antibiotici efficaci fino all’introduzione della penicillina alla fine degli anni ’40. Esempio 2

ProFarmaci (Prodrugs) Il drug viene liberato mediante: Bioattivazione ossidativa 6-desossi-aciclovir aciclovir 8-idrossi-6-deossi-aciclovir Aciclovir (antierpetico) ha una bassa p.o. orale che rende l’assorbimento < 10-20% della dose (scarsa solubilità in acqua). Il corrispondente desossiderivato è 18 volte più solubile in acqua e viene ossidato in vivo dalla xantinoossidasi a dare aciclovir. La sua biodisponbiblità nel ratto e nell’uomo è 5-6 > di aciclovir.

ProFarmaci (Prodrugs) Bioattivazione riduttiva: Sulindac Sulindac (FANS) è il precursore inattivo che viene attivato in vivo mediante riduzione del solfone a solfuro. Il sulindac è inattivo nei saggi in vitro, ma viene usato per la somministrazione p.o. per evitare l’esposizione della mucosa GI al solfuro (gastrolesivo), fornendo quindi un vantaggio terapeutico.

ProFarmaci (Prodrugs) Meccanismi di bioattivazione mista: Indometacina Gli acidi arilesenoici subiscono una degradazione metabolica dovuta a ripetuti steps di ossidazione e riduzione a dare acidi arilacetici. L’analogo esenoico dell’indometacina è un prodrug in grado di fornire analgesia prolungata nei ratti e nei topi.

ProFarmaci (Prodrugs) 3 ProFarmaci (Prodrugs) CARRIERS: sono formati dalla combinazione del principio attivo con una specie carrier. Si ottiene un composto con caratteristiche chimiche e biologiche diverse dal principio attivo ma necessarie perché il farmaco raggiunga il sito d’azione. Il “link” tra il principio attivo e il carrier deve essere un gruppo (estere, ammide, etc..) in grado di essere facilmente metabolizzato una volta assorbito o quando il principio attivo deve essere rilasciato nel compartimento biologico di destinazione. Sintesi Metabolismo Carrier + drug Carrier prodrug Carrier + drug

ProFarmaci (Prodrugs) Criteri di progettazione di un carrier-prodrug 1- L’unione tra principio attivo e porzione carrier è data da un legame covalente 2- Di regola il profarmaco è inattivo o meno attivo del parent-drug 3- Il legame tra parent-drug e carrier deve essere scindibile in vivo 4- Il profarmaco e il carrier liberato in vivo devono essere privi di tossicità 5- La forma attiva deve essere liberata con una cinetica rapida per assicurare efficienti livelli di farmaco sul sito d’azione e per minimizzare sia il metabolismo diretto del profarmaco che la graduale inattivazione del farmaco.

ProFarmaci (Prodrugs) 4 ProFarmaci (Prodrugs) Bipartate prodrugs DRUG CARRIER Link: gruppo chimico DRUG CARRIER Prodrug Tolmetin-Glicina

ProFarmaci (Prodrugs) 5 ProFarmaci (Prodrugs) Tripartate prodrugs: il carrier è legato al principio attivo mediante un link costituito da una struttura separata. Il carrier viene rimosso mediante un processo enzimatico, mentre il link viene rimosso o per reazione chimica o mediante un sistema enzimatico. Drug Link Carrier Bacampicillina, prodrug dell’ampicillina

ProFarmaci (Prodrugs) Un prodrug “carrier” ideale: 1- dovrebbe essere meno tossico del principio attivo; 2- inattivo o significativamente meno attivo del “parent drug”; 3- la velocità di formazione del principio attivo dal prodrug dovrebbe essere abbastanza rapida da mantenere la concentrazione del principio attivo entro la finestra terapeutica; 4- i metaboliti del carrier non dovrebbero essere tossici; 5- migliore biodisponibilità rispetto al principio attivo, dopo somministrazione per via orale; 6- dovrebbe essere sito-specifico.

ProFarmaci (Prodrugs) 7 ProFarmaci (Prodrugs) Esempio: L’ampicillina è assorbita p.o. solo per il 40%; necessità di somministrazioni ripetute; elevata tossicità nel tratto GI. La Bacampicillina, prodrug dell’ampicillina, viene assorbita al 98-99%; ridotto numero di somministrazioni; estremamente ridotti gli effetti tossici. I metaboliti di bacampicillina, CO2, acetaldeide ed etanolo, sono già metaboliti naturali nell’organismo umano.

ProFarmaci (Prodrugs) Progettazione di carrier-prodrugs specifici per: Migliorare l’assorbimento del principio attivo; Migliorare la compliance del paziente; Prolungare la durata d’azione (lento rilascio); Migliorare la specificità sul sito d’azione; Minimizzare gli effetti collaterali tossici del principio attivo. Miglioramento dell’assorbimento del principio attivo: Il trasporto di un farmaco attraverso la membrana dipende dalle solubilità relative in acqua e lipidi. Un farmaco troppo solubile in acqua non attraversa la membrana, ma se è troppo lipofilo non riuscirà più ad uscire dalla membrana. Un carrier adatto può essere usato per il “fine-tuning” di questo equilibrio.

ProFarmaci (Prodrugs) Carrier lipofilo: Incrementa la natura lipofila del principio attivo e dunque l’assorbimento del farmaco. L’adrenalina viene assorbita attraverso la cornea (trattamento del glaucoma) sotto forma di pivaloil derivato, più lipofilo e meglio assorbito. Il principio attivo viene quindi rilasciato per azione enzimatica. Gruppo Funzionale Derivato Acidi Esteri Alcooli e fenoli Aldeidi e chetoni Acetali Ammine Sali di ammonio quaternari, amminoacidi e immine Esempi di derivati usati per aumentare la natura lipofila dei farmaci

ProFarmaci (Prodrugs) Carrier lipofilo: Nel progettare un profarmaco bisogna tenere presente l’esigenza di bilanciare l’aumento della lipofilia, necessario per un ottimale assorbimento passivo, con una sufficiente solubilità in acqua, altrimenti la biodisponibilità orale sarà limitata dalla scarsa dissoluzione. Biofarmaceutical Classification System (BCS) basata su misure di solubilità e permeabilità

ProFarmaci (Prodrugs) 10 ProFarmaci (Prodrugs) Water-solubilising carrier: Incrementa la natura idrofila di un principio attivo lipofilo per permetterne il passaggio attraverso la membrana per diffusione passiva. Tipico esempio di carriers solubili in acqua sono gli AMMINOACIDI. Hanno gruppi ionizzabili in grado di formare sali e/o gruppi in grado di formare legami idrogeno. Metilprednisolone succinato di sodio Prodrug del glucorticoide Metilprednisolone Prodrugs di Benzocaina (R = glicina, alanina, valina e leucina)

ProFarmaci (Prodrugs) Water-solubilising carrier: Le promoieties possono essere rappresentate da gruppi neutri come il polietilen glicole (PEG) a vario peso molecolare (fig1), oppure da gruppi elettricamente carichi come fosfati, emisuccinati, acilsolfonammidi, aminoacil coniugati (fig 2).

ProFarmaci (Prodrugs) Miglioramento della compliance del paziente Importanza di fattori quali odore e sapore sgradevoli o dolorabilità del principio attivo. Es. l’antibiotico Clindamicina (molto amaro e doloroso per via iniettiva) L’estere palmitico rende palatabile l’antibiotico Il gruppo fosfato diminuisce la dolorabilità L’uso di un carrier può alleviare questi problemi: Acidi grassi (acido palmitico) per ottenere sapori più “blandi” Gruppi come il fosfato possono ridurre la dolorabilità

ProFarmaci (Prodrugs) Prolungamento della durata d’azione (lento rilascio) I prodrugs possono essere usati per prolungare la durata d’azione fornendo un meccanismo di lento rilascio per il principio attivo. Lo scopo viene raggiunto mediante lenta idrolisi di un legame ammidico o estereo con il carrier. Il rilascio può avvenire in un periodo compreso tra alcune ore e settimane. carrier Tolmetin-glicina prodrug Il picco di concentrazione passa da 1h a 9h.

ProFarmaci (Prodrugs) Miglioramento della specificità sul sito d’azione E’ possibile progettare un carrier che rilasci il principio attivo in prossimità del sito d’azione. Vantaggi: Una volta rilasciato, il principio attivo rimane confinato nel sito d’azione e migra solo lentamente verso gli altri compartimenti. 2) Riduzione degli effetti collaterali. 3) Il carrier dovrebbe essere metabolizzato a metaboliti non tossici. Svantaggi: E’ molto difficile ottenere prodrugs con queste caratteristiche.

ProFarmaci (Prodrugs) Il sulfametossazolo è un sulfamidico delle vie urinarie con una significativa attività sistemica, indesiderata nei casi in cui si voglia combattere un’infezione localizzata a livello dei reni. Per aumentarne la specificità è stato progettato un suo profarmaco che viene attivato con l’intervento a cascata di 2 sistemi enzimatici presenti entrambi in alta concentrazione nel rene, dove avviene la trasformazione del prodrug in drug

ProFarmaci (Prodrugs) Un esempio in cui l’approccio ha avuto successo è stata la sintesi di diidropiridine come prodrugs per il trasporto di principi attivi attraverso la barriera ematoencefalica. ematoencefalica Membrana I prodrugs specifici per il sito d’azione sono di solito attivati da uno specifico sistema enzimatico

ProFarmaci (Prodrugs) 15 ProFarmaci (Prodrugs) Minimizzazione degli effetti collaterali La formazione di prodrugs viene usata per minimizzare gli effetti tossici. Esempio: L’acido salicilico è uno dei più antichi analgesici. Effetti tossici principali: irritazione della mucosa intestinale e sanguinamento. Il suo prodrug, acido acetilsalicilico (Aspirina), riduce l’irritazione della mucosa dello stomaco perché la conversione enzimatica al principio attivo avviene dopo l’assorbimento nel tratto GI: Acido salicilico Acido acetilsalicilico

ProFarmaci (Prodrugs) Confronto tra bioprecursori e carrier-prodrugs Profarmaci Carrier-prodrug Bioprecursori Costituzione Principio attivo + carrier Nessun carrier Lipofilicità Fortemente modificata Debolmente modificata Bioattivazione Idrolitica Ossidativa o riduttiva Catalisi Chimica o enzimatica Solo enzimatica

ProFarmaci (Prodrugs) Bilancio comparativo tra i due approcci: Modulazione della biodisponibilità dei carrier attraverso l’uso di una porzione transitoria di trasporto: ciò non avviene nei bioprecursori che risultano da una modifica molecolare del principio attivo stesso. La lipofilicità porta a una modifica profonda della molecola di partenza nel caso dei carriers, mentre rimane immodificata nei bioprecursori. La bioattivazione è esclusivamente idrolitica per i carriers; per i bioprecursori coinvolge molti sistemi redox. La catalisi che porta al parent-drug per i carrier è idrolitica (catalisi generica o mediata da enzimi extraepatici). Per i bioprecursori la catalisi è legata essenzialmente agli enzimi metabolici di Fase I.

ProFarmaci (Prodrugs) Complicazioni e limitazioni Successo dei profarmaci nel miglioramento di problemi quali: - scarso assorbimento - troppo rapida degradazione - difficoltà di formulazione Problematiche legate a: - valutazione farmacologiche - valutazione farmacocinetiche - valutazione tossicologiche - valutazione cliniche Ad es. a livello farmacologico, difficoltà nello screening in vitro preliminare per i profarmaci sottoposti a bioattivazione; impossibilità di misurazioni enzimatiche, studi di binding e di reuptake.

ProFarmaci (Prodrugs) A livello tossicologico possono comparire effetti collaterali dovuti alla bioattivazione, attribuibili al profarmaco o solo al carrier Potenziali pericoli provenienti dall approccio prodrug: 1- formazione di un metabolita tossico del prodrug, non proveniente dal parent-drug 2- consumo eccessivo di costituenti indispensabili (ad es. glutatione) durante il processo di attivazione del prodrug 3- prodotti tossici dalla porzione carrier, di solito inerte 4- rilascio di un prodotto in grado di modificare la PK.