FARMACOCINETICA Studia l’evoluzione temporale delle concentrazioni di un farmaco e dei suoi metaboliti nei diversi fluidi e tessuti dell’organismo mediante l’analisi dei processi che ne regolano: ASSORBIMENTO DISTRIBUZIONE METABOLISMO ELIMINAZIONE

METABOLISMO Principio attivo Reazioni di fase I OSSIDAZIONE RIDUZIONE IDROLISI Metaboliti di fase I -OH -COOH -NH 2 -SH Reazioni di fase II CONIUGAZIONE Metaboliti coniugati ELIMINAZIONE

Perché i farmaci vengono metabolizzati? I farmaci a basso MW sono xenobiotici, cioè molecole estranee, il cui destino nell’organismo umano può variare. Alcuni vengono escreti intatti. La maggior parte viene invece modificata strutturalmente per facilitarne l’escrezione. Questi processi di modifiche chimiche vanno sotto il nome di “METABOLISMO” Il metabolismo dei farmaci è una funzione di detossificazione che l’organismo possiede per difendersi dall’esterno.

Un farmaco ideale dovrebbe raggiungere intatto il sito d’azione, curare la malattia e abbandonare l’organismo. Tuttavia i chimici farmaceutici spesso affrontano il problema del metabolismo/escrezione di un farmaco che non ha i requisiti ideali (troppo veloce, troppo lungo il tempo di residenza nell’organismo, insorgenza di effetti collaterali). Lo studio del metabolismo ha principalmente due scopi: 1) Delucidare funzioni e destino di un farmaco; 2) Manipolare il processo metabolico di un farmaco potenziale.

Definizione di Xenobiotico Sostanze chimiche estranee all’organismo; possono essere di produzione o naturali: –Farmaci –Prodotti chimici –Pesticidi –Prodotti della pirolisi nei cibi arrostiti –Metaboliti secondari di piante –Tossine prodotte da muffe, piante e animali

Dipende dalla loro lipofilicità –I composti lipofili possono essere riassorbiti più facilmente e quindi rimanere in circolo più a lungo. Dipende dalla conversione a composti idrofili (biotrasformazione) Eliminazione degli Xenobiotici

Biotrasformazione Definizione : Conversione di uno xenobiotico a composto più idrofilo Biotrasformazione = metabolismo La biotrasformazione è catalizzata da enzimi situati nel fegato e in altri tessuti.

Fonti tissutali di enzimi metabolizzanti: Principale: fegato Ma anche tessuti associati a lunghi tempi di esposizione a enzimi: pelle, polmoni, mucosa nasale, occhio, tratto GI. Ancora: reni, pancreas, milza, cuore, cervello, testicoli, ovaio, placenta, plasma, eritrociti, piastrine, linfociti e tessuto aortico.

La biotrasformazione è dovuta a un “piccolo” numero di enzimi con ampia specificità d’azione. Alcuni enzimi che metabolizzano xenobiotici agiscono anche su composti endogeni. Ad es. sali biliari e bilirubina Gli enzimi metabolizzanti possono essere: –1. Costitutivi –2. Inducibili – la sintesi dell’enzima è indotta da stimoli esterni.

Effetti della Biotrasformazione Maggior solubilità in Acqua e minore tossicità Maggior solubilità in acqua e maggiore tossicità Farmaco più efficace Farmaco meno efficace e meno tossico

Il fegato è il sito primario del metabolismo di farmaci. “ First pass effect ” (o “ first pass metabolism ” ): metabolismo di un farmaco o di altri xenobiotici durante l ’ assorbimento. Avviene di solito nel fegato o nel tratto GI dopo somministrazione orale. Il fegato è una “ macchina ” metabolica e spesso inattiva i farmaci nel tragitto dal tratto GI alla circolazione sistemica. Per questo motivo alcuni farmaci (e.g. nitroglicerina) non possono essere somministrati p.o.

Il metabolismo può modificare un farmaco in vari modi 1. La polarit à generalmente aumenta, aumentando la solubilit à in acqua e dunque l ’ escrezione del metabolita per via renale.

2. L ’ attivit à del farmaco è ridotta. Un ’ eccezione è rappresentata dai prodrugs, farmaci inattivi nella forma di somministrazione ma che vengono metabolizzati nella loro forma attiva.

Altri esempi di bioattivazione: prontosil/sulfanilamide; alcool metilico/formaldeide, salicina/acido salicilico (aspirina) 3. I metaboliti dei farmaci hanno di solito un V d (volume apparente di distribuzione) pi ù basso rispetto al farmaco da cui derivano V d =

Reazioni di Biotrasformazione: Fase I: ossidazione, riduzione, idrolisi Reazioni che espongono o introducono un gruppo funzionale. Fase II: coniugazione Formazione di legame covalente tra lo xenobiotico, o uno dei suoi metaboliti, con un composto endogeno solubile in acqua, e.g., glutatione.

Reazioni di Biotrasformazione: Fase I: ossidazione, riduzione, idrolisi –Piccoli incrementi in termini di idrofilicità. Fase II: coniugazione –Consistenti incrementi in termini di idrofilicità

Enzimi idrolitici di Fase I: Carbossilesterasi –Idrolizzano esteri, ammidi e tioesteri Organofosfatasi –Idrolizzano gli esteri dell’acido fosforico Importanti per il metabolismo di insetticidi/pesticidi

1. Procaina – anestetico locale 2. Procainamide – idrolizzata più lentamente esterasi

Organofosfatasi (Es. Paraoxonase)

Riduzione: Riduzione di alcheni, nitro o azo composti che avviene nell’intestino ad opera di : –1. Microflora intestinale –2. Citocromo P450 Es. Nitrobenzene NO 2 NH 2 anilina

Azo riduzione:

Ossidazioni Citocromo P450 Alcool deidrogenasi Perossidasi 1. Alcool deidrogenasi (ADH) Ossidazione di alcoli ad aldeidi Presente in: –Fegato –Reni –Polmoni –Mucosa gastrica

Metabolismo dell’alcool etilico

Microsomi Cytosol Mitocondri

2. Perossidasi Catalizzano reazioni di coossidazione: Reazioni che accoppiano la riduzione dell’acqua ossigenata o dell’acido arachidonico all’ossidazione di uno xenobiotico Non richiedono NADPH o NADH E’ una classe che include molti enzimi differenti situati in molti tessuti. Prostaglandin H synthase (cicloossigenasi): –Reni,piastrine, tratto GI, cervello, polmone, vescica Mieloperossidasi –leucociti Lactoperossidasi –Tessuto mammario

Coossidazione di xenobiotici durante la conversione dell’acido arachidonico a PGH 2 (1) Acido arachidonico PGG 2 PGH 2 Prostaglandine, Trombossani

Coossidazione di xenobiotici durante la conversione dell’acido arachidonico a PGH 2 (2) Acido arachidonico PGG 2 PGH 2 Prostaglandine, Trombossani cicloossigenasi perossidasi

Coossidazione di xenobiotici durante la conversione dell’acido arachidonico a PGH 2 (3) Acido arachidonico PGG 2 PGH 2 Prostaglandine, Trombossani perossidasi X or 2XHXO or 2X.

Metabolismo del benzene a intermedi tossici Liver Bone marrow

Citocromo P450 E ’ l ’ enzima pi ù importante per le reazioni di Fase I. E ’ presente in alte concentrazioni nei microsomi epatici. E ’ comunque presente ad apprezzabili concentrazioni in quasi ogni tessuto del corpo. Svolge un ruolo primario nel determinare la durata d ’ azione dei farmaci. Gioca un ruolo fondamentale sia nella detossificazione degli xenobiotici che nella loro attivazione a intermedi tossici o tumorigenici.

Metabolizza un gran numero di xenobiotici. Varie isoforme sono presenti in vari tessuti, ciascuna con diverse specificit à di substrato. Possiede il gruppo “ eme ” che permette di legare l ’ ossigeno (O 2 ). Richiede NADPH per svolgere l ’ attivit à catalitica. E ’ in grado di metabolizzare anche composti endogeni (ormoni steroidei, acidi biliari, vitamine, acidi grassi). Ossidazioni mediate dal Citocromo P450

Ossidrilazione di carboni alifatici o aromatici. Epossidazione di doppi legami. Ossigenazione di eteroatomi (S-, N-) e N- ossidrilazione. Dealchilazione di eteroatomi (Ex. ROR ROH o SR SH) Idrolisi di esteri Deidrogenazione Reazioni catalizzate dal Citocromo P450:

Coumarin Coumarin-3,4-epoxide Epossidazione CYP3A4 Lauric acidHydroxylauric acid Ossidrilazione

Esempi di reazioni di fase 1 N-dealchilazioneRNHCH 2 RNH 2 +CHO 2 codeine theophylline Idrossilazione alifaticaRCH 2 CH 2 RCHCH 2 cyclosporine tolbutamide OH Aromatic hydroxylation OH O R R R phenytoin

D. Le reazioni di Fase 2 sono reazioni di coniugazione (sintetiche). 1. La Glucuronidazione avviene nel reticolo endoplasmatico. Il glucosio viene usato per formare uridina difosfato acido glucuronico (UDPGA) che trasferisce un ’ unit à di glucuronide al farmaco in presenza di una transferasi.

Le reazioni di Fase 2 sono coniugazioni con: Acido glucuronico solfato acetato amino acidi glutatione ridotto Il risultato è l’ottenimento di molecole più solubili in acqua, inattive e facilmente escrete.

Enzimi coinvolti nelle reazioni di Fase 2 Glucuronidazione: uridine 5’-diphosphate glucuronyltransferase Metilazione: catechol O-methyltransferase histamine N-methyltransferase thiopurine methyltransferase Solfatazione: sulfotransferasi Glutatione: glutatione S-transferasi

E. Fattori che influenzano il metabolismo di farmaci. 1. Induzione enzimatica. Alcuni farmaci (barbiturati, fenitoina, rifampin, warfarina, alcool) e inquinanti (fumo di sigaretta) aumentano l ’ attivit à degli enzimi metabolizzanti, tra i quali: glucuronyl transferase, il sistema metabolizzante gli steroidi. Questa induzione velocizza il metabolismo del farmaco.

2. Inibizione enzimatica. Può avvenire per diminuita sintesi degli enzimi, per aumentata degradazione, o per competizione di due o pi ù farmaci per lo stesso sito di binding. Esempi: 1) la cimetidina inibisce il metabolismo di alcuni farmaci potenzialmente tossici tra cui fenitoina, warfarina e teofillina (broncodilatatore). 2) Cirrosi epatica, epatotossici (CCl 4, toluene). 3) Infezioni virali, influenza A o adenovirus, influenzano il metabolismo della teofillina

3. Polimorfismi genetici. La risposta dei farmaci varia tra individui. Di solito la variazione segue una distribuzione gaussiana tuttavia alcune risposte di farmaci possono essere discontinue. Ad esempio, la N-acetilasi epatica mostra polimorfismo genetico. Circa il 50% della popolazione è in grado di acetilare l ’ isoniazide (farmaco antitubercolare) rapidamente, mentre il restante 50% molto pi ù lentamente.

4. Et à. Bambini e anziani hanno un metabolismo dei farmaci epatico ridotto, cos ì come un ridotto metabolismo renale.

ESCREZIONE DEI FARMACI il processo per mezzo del quale un farmaco viene eliminato dall’organismo

L’escrezione può avvenire attraverso i reni con l’urina attraverso il dotto biliare e l’intestino con le feci. Meno importanti sono l’eliminazione per via polmonare (anestetici generali volatili) e quella attraverso la pelle. Etere etilico e stricnina sono esempi di farmaci rapidamente eliminati attraverso l’urina senza andare incontro a fenomeni di accumulo o a trasformazioni metaboliche. ESCREZIONE DEI FARMACI: COME AVVIENE

VIE DI ELIMINAZIONE DEI FARMACI RENALE EPATICA POLMONARE INTESTINALE CUTANEA SALIVARE LACRIMALE MAMMARIA PRINCIPALI SECONDARIE

Il Nefrone Tubulo contorto prossimale Ansa discendente o di Henle (segmento sottile) Ansa ascendente o di Henle (segmento sottile e spesso) Capsula glomerulare o di Bowman Dotto collettore midollare Dotto collettore corticale Tubulo contorto distale

Effetti della funzione renale sulla eliminazione urinaria dei farmaci

Escrezione/metabolismo renale

Riassorbimento (i farmaci diffondono dal fluido tubulare al plasma secondo il gradiente di concentrazione, il grado di ionizzazione e il MW) Attivo Composti endogeni (vitamine, zuccheri, aminoacidi) PassivoFarmaci Secrezione (meccanismo attivo) (i farmaci vengono trasportati contro un gradiente di concentrazionedai capillari al fluido tubulare. Nei tubuli prossimali renali ci sono due principali sistemi responsabili della secrezione di farmaci, uno per anioni organici (penicilline, glucoronidi, etc..) e uno per i cationi organici morfina, Sali di ammonio quaternari, etc..) Farmaci anionici (penicillina/probenecid) Farmaci coniugati

ELIMINAZIONE PER VIA RENALE 1)I farmaci liposolubili tendono ad essere escreti a concentrazioni simili a quelle presenti nel plasma. La loro concentrazione dipende soprattutto dal volume delle urine 2) I farmaci polari tendono ad essere escreti nelle urine a concentrazioni superiori a quelle presenti nel plasma, quindi la loro escrezione dipende più dal volume del filtrato glomerulare che dal volume delle urine 3) I farmaci coniugati si comportano in maniera simile alle sostanze polari, ma possono essere escreti in misura maggiore perché soggetti a meccanismi di secrezione attiva 4) I farmaci che si ionizzano facilmente, cioè acidi e basi, vengono escreti in maniera pH dipendente

CLEARANCE (ml/min) = U x V P U = Concentrazione del farmaco nell’urina V = Volume urina in 1 min. P = Concentrazione del farmaco nel plasma Quantità di plasma che in un minuto viene depurata dalla sostanza Cl = 0 - Viene completamente riassorbito (glucosio) Cl = flusso plasmatico renale (PAI) Per filtrazione glomerulare e per secrezione attiva tutto il plasma che attraversa i capillari, sia glomerulari che tubulari, viene depurato Cl = volume di plasma ultrafiltrato Non si lega alle proteine, non subisce riassorbimento né secrezione Cl < volume di plasma ultrafiltrato - Viene in parte riassorbito Cl > volume di plasma ultrafiltrato - Viene in parte secreto

La Filtrazione di molecole non legate a proteine rappresenta il modo di escrezione della maggior parte dei farmaci I farmaci legati alle proteine non vengono filtrati dal glomerulo. 2. La filtrazione glomerulare permette l ’ escrezione nelle urine di farmaci con MW <250 K. 3. Le sostanze idrofile o lipofobiche sono eliminate in maniera pi ù efficiente dai reni, in quanto non vengono riassorbite dal tubulo del nefrone dopo la filtrazione.

Il trasporto attivo di pochi farmaci avviene nel tubulo prossimale. 1. Generalmente coinvolge la secrezione di acidi e basi forti. 2. Caratteristiche del trasporto attivo: a. competizione tra substrati per il carrier b. saturazione del carrier c. mancanza del legame alle proteine 3. Può avvenire anche il riassorbimento. 4. Solo poche sostanze possono essere sia attivamente secrete che riassorbite (e.g. acido urico e aspirina).

Blood vessel

Secrezione tubulare –Trasporto attivo dal circolo sanguigno verso il tubulo, dipendente dall’energia a disposizione –E’ dipendente dalla concentrazione plasmatica del farmaco –E’ soggetta a competizione per il carrier (es. la secrezione di penicillina può essere ostacolata dalla somministrazione di probenecid (analgesico, anti-gotta)

Riassorbimento –Processo passivo dal tubulo al circolo dansgugno, dipendente dalla solubilità lipidica, pKa, pH, velocità di escrezione delle urine. –Effetto del pH urinario : in caso di overdose di phenobarbital (acido debole) le urine vengono alcalinizzate con sodio bicarbonato; –All’opposto, ammonio cloruro è usato per acidificare le urine per aumentare l’escrezione di farmaci basici

L ’ escrezione biliare avviene nel fegato 1. Composti polari e ad alto MW, e metaboliti coniugati, sono attivamente escreti nella bile. E ’ importante per l ’ eliminazione di composti ad alto MW (>500). fegato intestino tenue

2. Il circolo enteroepatico avviene con pochi farmaci che vengono eliminati nella bile, riassorbiti dall ’ intestino, rimandati al fegato e di nuovo eliminati nella bile. a. Una glucuronidasi intestinale può rompere il glucuronide, in modo che il farmaco libero possa essere riassorbito b. La digitossina, un glicoside cardiaco, è sottoposto a riciclo enteroepatico. c. Normalmente il circolo enteroepatico causa un aumento del tempo di emivita del farmaco.