Enzimi coinvolti nel metabolismo dei farmaci (Fase I e Fase II) CYP: citocromi DPD: diidropirimidina deidrogenasi GST: glutatione S-transferasi NAT: N-acetiltransferasi ST: sulfotransferasi TPMT: tiopurina metiltransferasi UGT: UDP-glucuronosiltrasferasi

I citocromi P450

Frazione dei farmaci utilizzati in clinica metabolizzati dai piu’ importanti enzimi di fase 1 e fase 2 Goodman and Gilman, 2011

I citocromi (CYP) sono una superfamiglia di enzimi che contengono tutti una molecola di eme legata in maniera non covalente alla catena polipeptidica. L'eme è il gruppo che lega l'ossigeno e si trova anche nell'emoglobina, dove ha un ruolo nel legame e nel trasporto dell'ossigeno molecolare dai polmoni agli altri tessuti. L'eme contiene un atomo di ferro all'interno di una struttura di atomi di carbonio (tetraidropirrolica) che funziona nel legame dell'ossigeno all'interno del sito attivo del citocromo, come una parte del ciclo catalitico di questi enzimi. I CYP utilizzano l'ossigeno molecolare (02) più idrogenioni (H+) derivati dal cofattore NADPH per determinare l'ossidazione dei substrati. La reazione catalizzata dal citocromo può generare però un eccesso di intermedi di ossigeno attivato (02-), che possono essere potenzialmente dannosi e in genere vengono inattivati dall'enzima superossido dismutasi e trasformati in acqua.

Perché il citocromo P450 ha questo nome? Gli enzimi P450 hanno delle proprietà di spettro uniche e le forme ridotte si combinano con il monossido di carbonio per formare un pigmento di colore rosa (in inglese “Pigment” o “Pink” da cui “P”); questo composto ha picchi di assorbimento a 450 nm (da 447 a 452 nm).

Posizione dei citocromi nella cellula Goodman and Gilman, 2011

Meccanismo molecolare d'azione dei citocromi I substrati dell'enzima vengono ossidati attraverso un'unica reazione:

Meccanismo d’azione molecolare dei citocromi

Elenco substrati delle varie isoforme dei citocromi http://medicine.iupui.edu/clinpharm/ddis/table.aspx

Certi farmaci possono indurre l’espressione epatica dei citocromi

Citocromi ed interazione tra farmaci

Citocromi e metabolismo xenobiotici Specificita’ bassa = possono metabolizzare molecole con strutture differenti o reazioni diverse su una stessa molecola Ridotta specificita’ = riconoscono grande quantita’ di substrati = protezione da xenobiotici. Ampia varieta’ di substrati = sito di legame elastico = ridotta velocita’ di catalisi Ridotta velocita’ di catalisi -> emivita lunga dei farmaci (ore) rispetto ai composti endogeni

Citocromi I CYP sono fra gli enzimi piu’ studiati fra quelli coinvolti nel metabolismo degli xenobiotici. Tecniche di clonaggio e sequenziamento hanno evidenziato l'esistenza di almeno 57 geni funzionali e 58 pseudogeni diversi nell'uomo. Questi geni sono raggruppati, sulla base della similarità della sequenza amminoacidica, in una gran numero di famiglie e sottofamiglie. I CYP sono denominati utilizzando la radice comune CYP e quindi un numero identificativo della famiglia, che corrisponde ad una sequenza uguale per il 40 % ed una sottofamiglia, che corrisponde ad una sequenza uguale per il 55 %. Per esempio: Identificativo della famiglia (40 % di omologia strutturale) CYP 3 A 4 Identificativo della sotto-famiglia (55 % di omologia strutturale) Identificativo della proteina specifica

Negli esseri umani 12 CYP sono considerati importanti per il metabolismo degli xenobiotici: CYP1A1, CYP1A2, CYP1B1, CYP2A6, CYP2B6, CYP2C8, CYP2C9, CYP2C19, CYP2D6, CYP2E1, CYP3A4 e CYP3A5. Per i farmaci, i più importanti sono le sottofamiglie: CYP2C, CYP2D e CYP3A. In particolare, CYP3A4 è l'enzima più espresso ed è coinvolto nel metabolismo di circa il 50 % dei farmaci. Le sottofamiglie CYP1A, CYP1B, CYP2A, CYP2B e CYP2E non sono coinvolte nel metabolismo dei farmaci, ma catalizzano la reazione di molte sostanze contenute negli alimenti e di origine ambientale, fra cui molte protossine e molecole procarcinogene. Inoltre, esiste un'ampia variabilità interindividuale nell'attività dei CYP, in parte legata anche alla presenza di polimorfismi genetici. Le isoforme più importanti con dei polimorfismi genetici sono i CYP2A6, CYP2D6, CYP2C9 e CYP2C19.

Contenuto di CYP in campioni di fegato umano da Linder M.W. et al., Clin Chem 43 (2), 1997

I citocromi presentano importanti differenze interindividuali di attivita’ geneticamente determinate Tabella presa da Weinshilboum R. et al., NEJM 348(6), 2006

Profarmaco Sono farmaci di per se inattivi, ma la cui molecola diventa attiva dopo reazione metabolica. Per questi farmaci quindi le prime reazioni del metabolismo hanno una funzione di attivazione.

Codeina Indicazione terapeutica: antidolorifico, antitussivo. Meccansimo d’azione: profarmaco della morfina, agisce sui recettori per gli oppioidi. Attivazione a morfina catalizzata da CYP2D6: ~10% della popolazione non risponde bene e ~2% e’ a rischio di sovradosaggio.

Farmacocinetica Codeina e Morfina… uno farmaco può essere biotrasformato da diversi enzimi Thorn et al., Pharmacogenetics & Genomics 2009

Ancora un esempio sul ruolo di più citocromi nell’attivazione di un farmaco…

Farmacocinetica tamossifene

Eliminazione dei farmaci

Eliminazione dei farmaci MAGGIORI RENE Filtrazione Secrezione (Riassorbimento) FEGATO Metabolismo Secrezione MINORI POLMONE ALTRE Sudore Saliva Latte

Escrezione Renale Meccanismo principale con cui i farmaci vengono allontanati dall’organismo. Richiede che i farmaci o i loro metaboliti abbiamo delle caratteristiche idrofiliche.

Velocita’ di Escrezione Renale Dipende dalla velocita’ di: - filtrazione; - secrezione; - riassorbimento.

Escrezione = Filtrazione + Secrezione - Riassorbimento Eliminazione renale Escrezione = Filtrazione + Secrezione - Riassorbimento

Filtrazione glomerulare Fenomeno influenzato da: - pressione netta di filtrazione; - diametro dei pori (20.000 dalton); - polarita’ di membrana. La maggior parte dei farmaci (tranne macromolecole come l’eparina) sono in grado di passare il filtro renale.

Secrezione tubulare Avviene nel tubulo prossimale. E’ il meccanismo maggiormente responsabile dell’eliminazione dei farmaci: almeno l’80% dei farmaci che arrivano al rene viene presentato a questi sistemi di trasporto. Mediata da trasportatori, esistono due tipi di trasportatori e quindi di secrezione tubulare: quella per i farmaci acidi (anioni) e quella per i farmaci basici (cationi).

Secrezione tubulare: trasportatori coinvolti Cationi organici Anioni organici

Secrezione tubulare: competizione di composti fra loro Inibitori dei trasportatori coinvolti nella secrezione tubulare possono ridurre l’eliminazione di certi farmaci. Per esempio: Probenecid inibisce la secrezione tubulare delle penicilline e può essere utilizzato per aumentarne i livelli ematici.

Riassorbimento tubulare Processo che riduce la velocita’ con cui i farmaci vengono eliminati. Riassorbimento passivo, influenzato da: gradiente di concentrazione in funzione del grado di liposolubilita’ e del pKa del farmaco.

Riassorbimento e’ funzione della liposolubilita’ Nota: quasi tutta l’acqua viene riassorbita dal rene; in questo modo, il volume delle urine e’ solo l’1% di quello del filtrato glomerulare. Se il tubulo fosse liberamente permeabile ai farmaci, il 99% sarebbe riassorbito. Farmaci altamente liposolubili, sono eliminati piu’ lentamente. Farmaci (o metaboliti) idrosolubili sono eliminati velocemente dal rene.

Riassorbimento tubulare e’ influenzato dal pH delle urine (per i farmaci acidi/basici)

L’eliminazione renale dei farmaci dipende dall’età Nei neonati (soprattutto quelli pre-termine) i sistemi di secrezione dei farmaci (anche metabolismo) sono poco attivi, però maturano nei primi mesi di vita. Negli adulti, con l’aumentare dell’età, la capacità di eliminazione dei farmaci tende a diminuire, circa dell’1% ogni anno e negli anziani può essere ridotta di molto.

Espressione farmacocinetica di metabolismo/eliminazione dei farmaci Emivita Tempo necessario per ridurre del 50% la concentrazione di farmaco. L’espressione matematica dell’emivita dipende dalla cinetica di eliminazione, ovvero se è di primo ordine (maggior parte dei farmaci) oppure di ordine zero (cinetica satura, farmaci utilizzati a dosi molto elevate).

Cinetica di eliminazione e dosaggio farmaci

Cinetica di eliminazione dei farmaci Primo ordine Ct = C0 e-kt t ½= -ln (0,5)/k = 0,693 / k Ordine zero Ct = C0 – kt t ½= 0,5 C0 / k

Curve concentrazione tempo ed emivita

Rappresentazione semilogartimica concentrazione tempo per verificare la linearità

Cinetiche di saturazione dell’eliminazione dell’alcool

Clearance Volume di plasma contenente la quantità di sostanza che viene rimossa dall’organismo nell’unità di tempo. E’ determinata da una componente epatica (ClH) ed una renale (ClR)

Clearance renale La clerance di un farmaco può essere da molto bassa (1 mL/min) al massimo teorico, che corrisponde al flusso renale plasmatico (700 mL/min, clearance dell’acido p-amminoippurico).

Clearance: espressioni matematiche Esistono varie espressioni matematiche della clearance. La costante di eliminazione (Ke) è direttamente proporzionale alla clearance ed inversamente proporzionale al volume di distribuzione (Vd). Per cui la Clearance = Ke * Vd

Concentrazione di equilibrio Concentrazione alla quale la velocita’ di ingress e di uscita del farmaco dall’organismo si equivalgono, si crea cioe’ uno stato stazionario.

Infusione continua