Azione farmaci/tossici Fasi Tossicologiche

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1 Azione farmaci/tossici Fasi Tossicologiche Gli effetti terapeutici e tossici dei farmaci traggono origine dalle loro interazioni con molecole presenti nell organismo Per lo più i farmaci agiscono combinandosi con macromolecole specifiche in modo tale da alterarne le proprietà biochimiche biofisiche Si definisce RECETTORE il componente di una cellula che interagisce con un farmaco dando inizio alla catena di eventibiochimici che portano agli effetti farmacologici osservati SOSTANZE INSOLUBILI SOSTANZE IDROSOLUBILI NON IONIZZABILI < 4 Å SOSTANZE IDROSOLUBILI NON IONIZZABILI > 4 Å SOSTANZE IDROSOLUBILI IONIZZATE a ph organici SOSTANZE LIPOSOLUBILI ELETTROLITI DEBOLI SOSTANZE LIPOSULUBILI APOLARI fagocitosi-pinocitosi filtrazione trasporto specializzato trasporto specializzato diffusione diffusione TRASPORTO SPECIALIZZATO 1. ATTIVO (mediante carriers) 2. DIFFUSIONE FACILITATA (gradiente di concentrazione) Il TRASPORTO ATTIVO è: SELETTIVO SATURABILE ENERGETICAMENTE DISPENDIOSO 1. SOLUBILITA LIPIDICA 2. IONIZZAZIONE 3. GRANDEZZA E STRUTTURA DELLA MOLECOLA 1. Presenza di gruppi lipofili (idrofobici) o non polari. La proprietà non polare dei gruppi alchilici aumenta con la lunghezza della catena CH 3 < CH 3 CH 2 < CH 3 CH 2 CH 2 < CH 3 (CH 2 ) n 2. Acidi e basi deboli. La ionizzazione dipende dal pk della sostanza e dal ph del mezzo. Le membrane biologiche sono permeabili alla forma NON IONIZZATA 1

2 Per le sostanze che non siano elettroliti deboli vale la LEGGE DI FICK: RT u K r C φ = l φ = flusso di assorbimento (n. di moli che passano per l unità di superficie e di membrana nell unità di tempo) R = costante T = temperatura assoluta u = mobilità della molecola all interno della membrana K r = coefficiente di ripartizione lipidi/acqua C = gradiente di concentrazione l = spessore della membrana Per gli elettroliti deboli (acidi e basi) vale l EQUAZIONE DI HENSERSON-HASSELBACH: [non ionizzato] ph = pk + log [ionizzato] pk = ph quando l elettrolita è dissociato per il 50% ACIDI DEBOLI: pk a > 3 BASI DEBOLI pk b < 11 Sviluppo dell equazione DI HENSERSON-HASSELBACH [base] [H + ] K a = [acido] [base] pk a = - log - log [H + ] [acido] - log [H + ] = ph [base] pk a - ph = log [acido] VIE DI : 1. TRANSCUTANEA 2. POLMONARE 3. ORALE 4. ALTRE (e.v., i.m., s.c., i.p.) [acido] ph = pka [base] 1. TRANSCUTANEA La cute ha una superficie (nell adulto) di cm 2. La distanza tra lo strato esterno e la microcircolazione misura µ. La parte più esterna è formata da uno strato cheratinizzato (STRATO CORNEO) con pori di 1000 Å; sostanze con P.M. < D possono facilmente passare. Ulteriori facilitazioni vengono dai follicoli piliferi e dalle ghiandole sebacee. Sotto lo strato corneo si trova l EPIDERMIDE in doppio strato, una membrana sottoepidermica, la MATRICE DELLA CUTE e, infine la parete dei VASI SANGUIGNI e LINFATICI 1. TRANSCUTANEA Dose e liposolubilità influenzano l assorbimento (per DIFFUSIONE PASSIVA) Fattori che alterino lo strato corneo o la microcircolazione possono modificare le condizioni di assorbimento 2

3 2. POLMONARE E la via principale attraverso cui vengono assorbiti i tossici industriali (DIFFUSIONE PASIVA) L epitelio alveolare è molto sottile (10 µ) e la superficie assorbente molto ampia ( m 2 ) 2. POLMONARE Viene regolato da alcuni fattori: a. liposolubilità b. gradiente di concentrazione tra aria alveolare e sangue c. coefficiente di diffusione membrana alveolo-capillare d. solubilità nei lipidi plasmatici e. capacità di legarsi alla plasma-proteine f. portata cardiaca VIE DI SOMMINISTRAZIONE ENTERALI 3. ORALE Una delle vie di elezione in farmacologia, rara in tossicologia industriale, frequente negli avvelenamenti anche accidentali. Acidi e basi deboli (equazione di Henderson-Hasselbach) vengono assorbiti per DIFFUSIONE PASSIVA Cavo orale ph 6,2-7,2 Stomaco ph 1,0-3,0 Duodeno ph 4,8-8,2 Digiuno-Ileo ph 7,5-8,0 Colon ph 7,0-7,5 PER OS RETTALE SUBLINGUALE assorbimento variabile, che dipende da molti fattori gli effetti compaiono dopo almeno minuti assorbimento variabile e incompleto assorbimento rapido l effetto compare dopo pochi minuti è la via più economica e più sicura possibilità di utilizzo di PREPARAZIONI RETARD ha una latenza d azione minore rispetto alla via per os utilizzata in emergenza evita l effetto di primo passaggio il pz deve essere sveglio e collaborante l assorbimento incompleto può non permettere il raggiungimento della concentrazione minima efficace effetto di primo passaggio parziale effetto di primo passaggio corretta assunzione del farmaco aumentato rischio di effetti collaterali 3

4 Distribuzione I fase dipendente dal flusso sanguigno cuore, fegato, rene, cervello II fase dipendente da diffusibilità attraverso le membrane Accumulo delle sostanze tossiche nella sede di tossicità in depositi adipe, ossa Equilibrio con livelli plasmatici legame a proteine plasmatiche Raggiungimento dello steady state equilibrio di distribuzione, condizione di equilibrio tra il farmaco libero nei vari distretti COEFFICIENTE DI RIPARTIZIONE E molto importante la solubilità del farmaco nel doppio strato lipidico, dato dal COEFFICIENTE DI RIPARTIZIONE che indica come un farmaco si distribuisce in una soluzione contenente H 2 O e olio: COEFFICIENTE DI [farmaco] nella fase oleosa = RIPARTIZIONE [farmaco] nella fase acquosa Correlazione tra liposolubilità e assorbimento Se > 1 Se < 1 il farmaco è lipofilo e diffonde facilmente il farmaco è idrofilo e non diffonde facilmente Il coefficiente di ripartizione non è un parametro fisso, ma può variare in diverse situazioni, per esempio: per metabolizzazione del farmaco la maggior parte dei farmaci sono acidi o basi deboli, quindi il coefficiente varia a seconda del ph dell ambiente nel quale si trovano (questa variabile può essere sfruttata anche per aumentare la velocità di eliminazione: alcalinizzazione delle urine in caso di avvelenamento da barbiturici) DISTRIBUZIONE DISTRIBUZIONE 1. PROTEINE PLASMATICHE (prevalente) 2. ERITROCITI 3. LEUCOCITI Se la distribuzione avvenisse sempre nello stesso modo, sarebbe possibile calcolare, mediante la determinazione nel plasma, la distribuzione negli organi: VOLUME DI DISTRIBUZIONE APPARENTE: quel volume nel quale la quota totale di una sostanza dovrebbe essere uniformemente distribuita per dare la concentrazione plasmatica osservata 4

5 Sintetizzate nel fegato Proteine Plasmatiche 6-8 g per 100 ml di plasma (6-8 %) Albumine 4,5 % Globuline 2,5 % α β da sintesi epatica γ secrete da linfociti B e plasmacellule (IgG IgM IgE) Fibrinogeno 0,3 % ionico, reversibile Legame farmaco-proteico proteine plasmatiche (accettori, trasportatori) albumina farmaci acidi (warfarin, fenilbutazone, penicillina, sulfamidici) distinti siti di legame diazepam warfarin digitossina α 1 glicoproteina-acida farmaci basici lipoproteine farmaci molto lipofili DISTRIBUZIONE VOLUME DI DISTRIBUZIONE APPARENTE Vd = Q/c ove Vd = volume di distribuzione Q = quota nell organismo in mg c = concentrazione plasmatica in mg/l Il Vd è inversamente proporzionale alla distribuzione plasmatica e può essere di ordini di grandezza superiore a quello reale DISTRIBUZIONE DISTRIBUZIONE L organismo è composto da: 58% di acqua (41 L) di cui 4% plasma (3 L), 13% extracellulare (9 L), 41% intracellulare (29 L) 20% di proteine 15% di grassi 7% di minerali LEGAME CON I TESSUTI 1. Generico 2. Specifico (organo-tropismo) 1. Tessuto adiposo 2. Tessuto osseo 3. Tessuto connettivale TESSUTI DI DEPOSITO 5

6 I capillari sanguiferi hanno un organizzazione morfofunzionale diversa a seconda della sede in cui si trovano La permeabilità del letto vascolare ad un certo farmaco è diversa a seconda del distretto irrorato LA BARRIERA EMATOENCEFALICA Nel SNC possono quindi penetrare solamente: farmaci con un adeguato coefficiente di distribuzione (direttamente dipendente dal coefficiente di ripartizione) farmaci capaci di utilizzare i sistemi di trasporto presenti a livello della barriera ematoencefalica L endotelio dei vasi cerebrali ha caratteristiche morfologiche e funzionali che permettono la realizzazione della barriera ematoencefalica che impedisce l ingresso nel liquido interstiziale di qualunque sostanza incapace di diffondere liberamente attraverso le membrane Lo stato di impermeabilità è ridotto a livello dei plessi coroidei e di altre regioni periventricolari, dove hanno normalmente luogo i processi di filtrazione e secrezione. Inoltre, l impermeabilità della barriera è ridotta in corso di infiammazione e infezione (meningite). 1. reticolo endoplasmico liscio (microsomi) 2. citoplasma (frazione solubile) 3. mitocondri 4. lisosomi 5. nucleo 1. REAZIONI 1a FASE (metabolica propriamente detta) 2. REAZIONI 2a FASE (coniugazione) 6

7 Reazioni di fase I 1. REAZIONI 1a FASE (metabolica propriamente detta) microsomiali extramicrosomiali Ossidasi a funzione mista a. MICROSOMIALI: a. idrolisi esteri, amidi, idrazidi, nitrili b. ossidazione idrossilazione di composti aromatici idrossilazione di composti alifatici N-dealchilazioni O- e S-dealchilazioni Epossidazioni N- e S-ossidazioni c. riduzione composti nitrosi e azoici Cytochrome P450 7

8 Induttori Fenobarbital Rifampicina Carbamazepina Desametasone Fenitoina Lindano, DDT Xenobiotici interferenti con i CYP450 Benzo(a)pirene, diossina Alcool etilico, additivi alimentari Inibitori Cimetidina Isoniazide Desimipramina Metadone Omeprazolo Proportion of drugs metabolized by Phase I enzymes Ep Hydrol CYP3A4/5 DPYD CYP2E1 Esterases Others CYP2D6 CYP1A1/2 CYP1B1 CYP2A6 CYP2C8/9 CYP2B6 CYP2C19 Conversione di xenobiotici a sostanze tossiche Bioattivazione del Benzopirene b. EXTRAMICROSOMIALI: a. idrolisi desterificazione, deaminazione, dealogenazione b. ossidazione alcoli, aldeidi, amine c. riduzione chetoni 2. REAZIONI 2a FASE: Reazioni di coniugazione tra un metabolita della sostanza xenobiotica ed un coniugante endogeno. Il risultato è un metabolita più idrosolubile al fine di essere escreto con le urine. Le reazioni di coniugazione riducono generalmente il pk del composto rendendolo più dissociato ai ph organici, aumentandone l idrosolubilità. 8

9 Effetto protettivo del Glutatione 1. GLUCURONO CONIUGAZIONE (microsomi) 2. SOLFO CONIUGAZIONE (frazione solubile) 3. SINTESI DI AMIDI (mitocondri; tra amine endogene e acidi esogeni; tra acidi endogeni e amine esogene acetilazione) 4. SINTESI DI ACIDI MERCAPTURICI (frazione solubile, microsomi, mitocondri) 5. METILAZIONE 6. CONIUGAZIONE DI SUBSTRATI ANALOGHI (frazione solubile) 7. FORMAZIONE DI TIOCIANATI (mitocondri) FATTORI CHE INFLUENZANO IL 7. FORMAZIONE DI TIOCIANATI (mitocondri) rodanasi CN - + S 2 O = 3 SCN - + SO = 3 cianato tiosolfato tiocianato solfito 1. Dose e frequenza di somministrazione (il pool coniugante è facilmente saturabile) 2. Specie e razza (differenze metaboliche e farmacogenetiche) 3. Dieta e stato di nutrizione (enzimi e pool coniugante, in particolare il GSH) 4. Età, sesso e peso (sviluppo e cambiamenti costituenti organici) 5. Via di somministrazione (distribuzione) FATTORI CHE INFLUENZANO IL 6. Interazione con altri tossici e contaminanti ambientali (induttori e inibitori enzimatici, competitori, modificatori, fattori ormonali) 7. Conseguenze di interazioni con altri enzimi (glucuronasi, sulfatasi, deacetilasi) 8. Gravidanza e anormalità fisiologiche (ridistribuzione, alterazioni funzionali in organi quali il fegato) Induzione enzimatica aumentata attività cit. P450 autoinduzione induzione da altri farmaci aumentata inattivazione escrezione formazione metaboliti attivi o tossici riduzione efficacia durata d'azione 9

10 Inibizione enzimatica inibizione competitiva concentrazione dei farmaci affinità per l enzima chinidina: warfarin, benzodiazaepine, fenitoina, morfina cimetidina chetoconazolo macrolidi inibizione non competitiva inattivazione permanente dell enzima inibitori suicidi secobarbital, noretindrone, etinilestradiolo ESCREZIONE RENALE 1. Filtrazione glomerulare 2. Secrezione tubulare (trasporto attivo) BILIARE 1. Secrezione di anioni e cationi con P.M. < 300 D 2. Secrezione di sostanze anfifile ad elevato P.M. 3. Sistema di secrezione per metalli pesanti Escrezione renale FILTRAZIONE GLOMERULARE diffusione passiva diffusione acquosa attraverso i pori acquosi dipendente da velocità di filtrazione glomerulare peso molecolare < 5000 legame farmaco-proteico Macula Densa Glomerulus Escrezione renale Glomerular Capillaries SECREZIONE TUBULARE trasporto attivo diffusione facilitata dipendente da energia con bassa specificità carrier acidi organici acido urico, penicilline, glicurono-coniugati carrier basi organiche colina, istamina, cimetidina competizione per il carrier (probenicid inibitore secrezione acidi: aumenta i livelli di penicillina) escrezione ridotta nell'insufficienza renale meno del 50% dei nefroni funzionanti 10

11 Escrezione renale 3 La secrezione degli anioni avviene con un meccanismo che precede 3 fasi: 1) co-trasporto (sinporto) di alfa-chetoglutarato e Na+; 2) co-trasporto di alfachetoglutarato ed anione (antiporto); 3) secrezione dell anione nel lume secondo il suo gradiente di concentrazione 2 1 RI TUBULARE farmaci non-ionizzati riassorbimento acqua e Na + gradiente di concentrazione tubulo-interstizio ph-dipendente alcalinizzazione o acidificazione delle urine negli avvelenamenti (per aumento della ionizzazione, intrappolamento) Riassorbimento tubulare Riassorbimento Na + e acqua gradiente di concentrazione farmaci non-ionizzati diffusione passiva ph-dipendente alcalinizzazione o acidificazione delle urine negli avvelenamenti proteine di basso peso molecolare endocitosi glucosio, aminoacidi carrier Esami urine Valutazione della nefrotossicità volume, osmolalità, ph glicosuria proteinuria glomerulare albumina tubulare β 2 -microglobulina Esami sangue creatininemia azotemia (BUN) Escrezione epatica L escrezione dei farmaci nella bile è influenzata principalmente da due caratteristiche fisiche: la polarità e il peso molecolare. La presenza di un gruppo polare aumenta l escrezione Solo composti con peso molecolare > vengono escreti nella bile. Nella secrezione biliare sono coinvolti 4 sistemi di trasporto attivo: anioni, cationi, acidi biliari e sostanze neutre. L escrezione biliare ha particolare importanza per i farmaci somministrati per via orale (effetto di primo passaggio o eliminazione presistemica). Il circolo entero-epatico I farmaci escreti nella bile possono essere riassorbiti nell intestino. Questo è particolarmente frequente per i farmaci coniugati con l acido glucuronico. Questi coniugati vengono scissi dalla b-glucuronidasi intestinale e il farmaco libero viene riassorbito. In questi casi si verifica un continuo circolo entero-epatico che può mantenere il composto nell organismo finché esso non viene ulteriormente metabolizzato o escreto per via renale. Questo meccanismo di ricircolo è essenziale per evitare la deplezione continua di sostanze endogene come gli acidi biliari, gli estrogeni e le vitamine D e B

12 Segni clinici Valutazione della epatotossicità Ittero, fatigabilità, prurito, sanguinamento intestinale, dolore addominale Esami clinici Marker di attività epatica Bilirubina coniugata, albumina, tempo protrombina, ammoniemia Marker di necrosi epatocitaria Aminotransferasi (AST, ALT) Marker di colestasi Fosfatasi alcalina, γ-gt, 5 -nucleotidasi Ecografia, biopsia ESCREZIONE POLMONARE Dipende da: 1. Quota totale assorbita 2. Solubilità nei tessuti 3. Velocità del metabolismo e dell escrezione Ampia superficie capillare (80 m2) ed elevata perfusione ematica (2,5 l/min; intestino tenue 1 l/min) 4. Intervallo dall esposizione Concentrazione aria espirata (Ca) velocità metabolismo= Concentrazione nell ambiente (Ci) < 0,5 composti altamente solubili (toluene, stirene) > 0,5 composti poco solubili (esano, cicloesano) ESCREZIONE ALTRE LATTE (ph 6,5) diffusione basi SUDORE diffusione SALIVA (ph 6,5) ultrafiltrazione quota libera LIQUOR diffusione trasporto attivo anioni e cationi 12