FARMACODINAMICA STUDIO DEI MECCANISMI D AZIONE DEI FARMACI E DEI LORO EFFETTI SUGLI ORGANISMI VIVENTI

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1 farmacocinetica

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4 FARMACODINAMICA STUDIO DEI MECCANISMI D AZIONE DEI FARMACI E DEI LORO EFFETTI SUGLI ORGANISMI VIVENTI EFFETTO DEL FARMACO = ciò che esso produce AZIONE DEL FARMACO = MODIFICA DI FUNZIONI O PROCESSI BIOCHIMICI PREESISTENTI (come e dove l effetto è prodotto) FARMACI AD AZIONE ASPECIFICA inducono modifiche funzionali in base alle loro proprietà fisiche e/o chimiche, senza particolari affinità per particolari bersagli. Richiedono un dosaggio elevato FARMACI AD AZIONE SPECIFICA inducono modifiche funzionali in base all interazione con siti specifici su cellule e/o altre strutture. Richiedono un dosaggio più basso rispetto ai precedenti. SITO D AZIONE = organo, tessuto, cellula sulla quale il farmaco agisce, dando luogo alla catena di eventi che conducono all effetto

5 CLASSIFICAZIONE DEGLI EFFETTI FARMACOLOGICI LOCALI l effetto si manifesta nel punto di applicazione (lidocaina) SISTEMICI l effetto si manifesta dopo l assorbimento e la distribuzione (aspirina) REVERSIBILI l effetto scompare quando cessa l esposizione (broncodilatatori) IRREVERSIBILI l effetto permane quando cessa l esposizione (esteri organofosforici) IMMEDIATI l effetto è rapido, dopo una singola esposizione (diazepam) RITARDATI l effetto si manifesta dopo un certo periodo dall esposizione iniziale (antidepressivi)

6 MECCANISMI ELEMENTARI D AZIONE DEI FARMACI (I) FARMACI CHE AGISCONO IN VIRTU DELLE LORO PROPRIETA CHIMICO-FISICHE OSMOTICI (diuretici, purganti) ACIDI E BASI (antiacidi) OSSIDANTI-RIDUCENTI (disinfettanti) F. CHE FORMANO BARRIERE FISICHE (emollienti; sucralfato) ADSORBENTI (antidiarroici) SURFACTANTI (antisettici) STABILIZZANTI DI MEMBRANA (antiaritmici, anestetici locali)

7 MECCANISMI ELEMENTARI D AZIONE DEI FARMACI (II) FARMACI CHE INTERAGISCONO CON MACROMOLECOLE COSTITUENTI DELL ORGANISMO TUTTE LE BIOMOLECOLE SONO BERSAGLI POTENZIALI: PROTEINE, LIPIDI, ACIDI NUCLEICI enzimi - INIBITORI (reversibili o irreversibili) es. inibitori delle MAO, inibitori dell acetilcolinaesterasi, FANS - FALSI SUBSTRATI (sulfamidici) - INDUTTORI O REPRESSORI sistema microsomiale sistemi di trasporto es: inibitori dei carriers per gli acidi deboli (probenecid) probenecid + penicillina G ridotta eliminazione della penicillina G probenecid + acido urico ridotto assorbimento dell acido urico canali ionici es: Ca 2+ antagonisti Acidi nucleici es: antitumorali Sali es: bifosfonati-osteoporosi si legano ai Sali di calcio RECETTORI

8 RECETTORE Macromolecola o insieme di macromolecole cellulari (proteine) direttamente e specificatamente deputate alla trasmissione di un segnale chimico fra e all interno delle cellule. L interazione tra sostanze chimiche, quali ormoni, neurotrasmettitori, farmaci o messaggeri intracellulari e i loro recettori e responsabile di un cambiamento delle funzioni cellulari. Puo essere fissa o mobile non provvista di attività enzimatica ma idonea a modulare attività enzimatiche o ionoforiche e provvista di siti specifici. Geneticamente determinato. In grado di interagire specificatamente con opportuni ligandi: R + X RX

9 IPOTESI CLASSICA Teoria dell occupazione di Clark R + X RX R RX* Evento biochimico cellulare EFFETTO FINALE R = Recettore; X = Ligando

10 Il legame ligando-recettore L interazione F-R se è mediata da legami chimici deboli a bassa energia: legami ionici ponti idrogeno attrazioni di van der Waals interazioni idrofobiche è REVERSIBILE F Saturabile: F F F Stereospecifico: R A R A R B

11 I legami chimici che si possono formare in ambiente acquoso possono essere ad alta (covalenti) e bassa energia. I secondi sono i più comuni: 1) Legami ionici 2) Ponti idrogeno 3) Attrazioni di van der Walls 4) Interazioni idrofobiche La formazione di legami deboli è responsabile del processo di riconoscimento fra ligando (farmaco) e recettore

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13 Affinché il contatto tra un ligando ed il suo recettore persista per un tempo significativo e sufficiente a generare l'effetto biologico del farmaco, occorre che il numero di legami a bassa energia sia relativamente elevato. Inoltre, poiché i legami chimici deboli si formano solo se gli atomi coinvolti giungono in stretta vicinanza tra loro, è necessario che la superficie della molecola di farmaco e quella della molecola di recettore siano chimicamente complementari l'una all'altra. Questa complementarietà ligando-recettore è alla base della specificità dell'interazione farmacologica.

14 Complementarietà ligando-recettore Numero di legami - Durata interazione N.B. Il legame ligando-recettore deve essere specifico. L attivazione di un recettore puo essere facilitata aumentando la probabilita di interazione tra ligando e recettore, cioe se si aumenta la concentrazione del ligando.

15 Nella maggior parte dei casi farmaco (ligando) e recettore sono tenuti uniti da legami deboli e l interazione e percio limitata nel tempo: una molecola di farmaco si stacca dal suo recettore, diffonde nel mezzo ed eventualmente si lega ad un altra molecola recettoriale. Tale interazione e percio REVERSIBILE Se il numero di legami deboli che si formano e troppo elevato o il legame farmaco-recettore e di tipo covalente, l energia del sistema puo essere insufficiente a causare il distacco del farmaco. Tale interazione e percio IRREVERSIBILE

16 CARATTERISTICHE DELL INTERAZIONE FARMACO-RECETTORE La formazione del complesso farmaco-recettore è una reazione reversibile R + F k 1 RF k 2 k 1 k 2 = [RF] [R] [F] = K A Costante di associazione [RF] conc. del complesso farmaco recettore all equilibrio [R] conc. del recettore all equilibrio [F] conc. del farmaco all equilibrio

17 R + F k 1 RF k 2 k 1 = [R] [F] [RF] k 2 = K D Costante di dissociazione La costante di dissociazione Definisce Affinità di un farmaco per il suo recettore Misura la capacità del farmaco di legarsi al suo recettore Definisce la concentrazione necessaria a saturare il 50% dei siti di legame presenti Maggiore è l affinità minore è la conc. necessaria per legare il 50% dei recettori presenti.

18 K D = [R] x [F]/[RF] [R] = K D x [RF]/[F] Se R T = [R] + [RF] R T = K D x [RF]/[F] + [RF] [RF] = [F] x [R T ]/K D + [F] oppure B = [F] x [B max ]/K D + [F] dove B = Bound (F legato al recettore) e B max = n totale di recettori Isoterma di legame o di Langmuir e correla la concentrazione di farmaco legata al recettore in funzione della concentrazione di farmaco stesso

19 Isoterma di legame B max = n di recettori K D = conc. che satura il 50% dei R Piu bassa e la K D, maggiore e l affinita (serve meno ligando per saturare il 50% dei recettori)

20 RELAZIONI TRA INTERAZIONE FARMACO-RECETTORE E RISPOSTA TEORIA DELL OCCUPAZIONE (di Clark) L effetto di un farmaco è direttamente proporzionale al grado di occupazione del recettore k 1 F + R FR EFFETTO k 2 Questa relazione vale soltanto se: - la reazione farmaco-recettore è reversibile - è stato raggiunto l equilibrio - i recettori sono tutti omogenei - l interazione è stechiometrica (una molecola di farmaco per una molecola di recettore) Kd misura l AFFINITA del ligando

21 L'ipotesi dell'occupazione non spiega tutti i fenomeni farmacologici Già dalla metà degli anni '50, Ariens ed altri autori si resero conto del fatto che l'ipotesi dell'occupazione nella sua forma più semplice non rende conto di alcuni fenomeni che si verificano frequentemente in farmacologia; fra questi, due sono particolarmente importanti: a) spesso la curva dose-risposta e la curva di interazione farmaco-recettore non coincidono; b) esistono farmaci che, pur occupando un determinato recettore, producono una risposta inferiore ad altri che occupano lo stesso recettore, oppure non producono alcuna risposta. È stato quindi necessario modificare l'ipotesi dell'occupazione, od integrarla con ulteriori ipotesi, per spiegare questi fenomeni. In questi casi, la relazione fra occupazione del recettore e risposta non è lineare, e il valore di EC 50 (o ED 50 ) risulta diverso da quello di K D

22 Alcuni ligandi hanno elevata affinita per il recettore ma non portano ad alcun cambiamento delle funzioni cellulari Si definisce agonista un farmaco che si lega ad un recettore in modo tale da generare una risposta biologica di per sé; generalmente, un agonista mima gli effetti di composti endogeni: ad es., il carbacolo è un agonista dei recettori per l'acetilcolina, in quanto mima gli effetti del normale neurotrasmettitore. Per antagonista in senso stretto si intende un antagonista recettoriale, cioè un farmaco che, pur legandosi ad un recettore, è incapace di produrre un effetto di per sé, ma inibisce (parzialmente o completamente, a seconda della concentrazione) l'effetto di un agonista che agisca attraverso lo stesso recettore.

23 Teoria dell'attività intrinseca o di Ariens. L'effetto di un farmaco è proporzionale alla formazione del complesso farmacorecettore moltiplicato per un fattore α detto anche attività intrinseca.

24 FARMACODINAMICA L esistenza di antagonisti, che pur legandosi allo stesso recettore a cui si lega l agonista non producono di per sé alcun effetto, contraddice la teoria dell occupazione. Introduzione di un nuovo concetto: L effetto di un farmaco è proporzionale alla sua ATTIVITA INTRINSECA o EFFICACIA ( α ) - Capacità del farmaco di dare inizio alla risposta biologica dopo essersi legato al recettore - Correlata alla probabilità di indurre un cambiamento conformazionale del recettore EFFETTO = α [FR] -α=0 per un antagonista -α=1 per un agonista - α compreso tra 0 e 1 per un agonista parziale o dualista (con caratteristiche intermedie fra quelle di un agonista e quelle di un antagonista)

25 Antagonista: legame reversibile Perfect Fit (No change in shape) O H H O H H N H M e O 2 C Binding site

26 Antagonista: legame reversibile H O NH 2 H O H H O H H N H M e O 2 C Binding site

27 antagonista OH O 2 C Receptor binding site Extra binding regions

28 Ingombro sterico messenger Binding site for antagonist Binding site for messenger Antagonist Receptor Receptor

29 Antagonista: legame irreversibile Cl Cl 1 Irreversible binding 2 Cl Nu Nu Nu Nu Antagonist binding site Agonist binding site Cl Receptor Receptor

30 RECETTORE -) Macromolecola fissa o mobile non provvista di attività enzimatica ma idonea a modulare attività enzimatiche o ionoforiche e provvista di siti specifici -) Geneticamente determinato -) Idoneo ad essere deformato dalla interazione con un agonista, tale deformazione è trasmessa o ad un enzima o a ionofori vicini. Il legame è reversibile. -) Idoneo ad interagire con un antagonista il quale previene o impedisce la deformazione indotta dall agonista. Il legame può anche essere irreversibile.

31 Il legame farmaco-recettore Il legame farmaco-recettore può essere reversibile (quando il legame chimico farmaco-recettore è dovuto a legami deboli in genere) Ma anche irreversibile (quando il farmaco si lega con legami covalenti al suo recettore.

32 Il legame farmaco-recettore Nel caso che il farmaco formi legami reversibili con il suo recettore, molecole libere di recettore e molecole libere di farmaco sono in equilibrio dinamico: R + F RF Se il legame farmaco-recettore è irreversibile, l effetto della molecola si esaurisce fino a quando sono state ripristinate nuove proteine recettoriali. R + F RF

33 Il legame farmaco-recettore La percentuale di farmaco legato al recettore (e quindi la sua efficacia) dipende dal numero di molecole del farmaco presenti nel sito recettoriale, dal numero dei recettori e dalla affinità del farmaco per il recettore stesso (maggior affinità, maggior legame)

34 Inoltre. L attività di un farmaco non è soltanto funzione del numero di molecole legate al recettore, ma anche del numero di recettori presenti in un sistema, delle loro proprietà biologiche, della regolazione funzionale, della distribuzione tissutale e delle modificazioni fisiopatologiche di questi ultimi. Anche alterazioni genetiche a carico dei recettori o dei loro sistemi di trasduzione possono influenzarne l attività.

35 RELAZIONE DOSE- EFFETTO L intensità dell effetto prodotto da un farmaco è proporzionale alla dose somministrata

36 Le risposte farmacologiche possono essere divise in: 1) Risposte graduali: misurabili in continuo tendendo asintotticamente ad un valore massimo; es. pressione sanguigna 2) Risposte non misurabili in continuo ma che si possono classificare con un voto (score); es. dolore, grado di demenza. 3) Risposte quantali (tutto o nulla): risposta o no (es. vita o morte, sonno) Curve dose-risposta

37 RISPOSTE GRADUALI max Risposta 50% logec50 [Farmaco] log 10 [Farmaco]

38 SOGLIA DI OCCUPAZIONE Alcuni farmaci devono occupare una considerevole frazione di recettori prima di vedere un effetto (es. alcuni bloccanti neuromuscolari)

39 Risposte graduali potenza Secondo la teoria dell occupazione K D = ED 50

40 .e per gli antagonisti

41 Antagonista competitivo o sormontabile (Il legame antagonista-recettore può avvenire sullo stesso sito recettoriale dell agonista e quindi le due molecole competono per un sito comune) Antagonista Recettore NESSUNA RISPOSTA! Complesso antagonista-recettore

42 Antagonista competitivo o sormontabile (Il legame antagonista-recettore può avvenire sullo stesso sito recettoriale dell agonista e quindi le due molecole competono per un sito comune) Antagonista Recettore Complesso antagonista-recettore

43 Risposte graduali Antagonismo sormontabile Antagonista sormontabile o competitivo: Sposta a destra, parallelamente, la curva dose-risposta. Aumentando a sufficienza la concentrazione di agonista si puo raggiungere l effetto massimo. Percio, aumenta la EC 50 apparente dell agonista. Il meccanismo molecolare e generalmente quello della competizione per uno stesso sito.

44 Antagonista non competitivo o non sormontabile (Il legame antagonistarecettore è irreversibile e perciò una volta legato il recettore è occupato permanentemente) Antagonista Recettore NESSUNA RISPOSTA! Complesso antagonista-recettore

45 Risposte graduali Antagonismo non sormontabile Antagonista non sormontabile o non competitivo: Sposta a destra, in modo non parallelo, la curva dose-risposta, deprimendo l effetto massimo ottenibile anche a concentrazioni elevate di agonista. Se la relazione tra occupazione del recettore e effetto e lineare la EC 50 dell agonista non varia. Il meccanismo molecolare e generalmente quello della competizione irreversibile per uno stesso sito dell agonista o per un altro sito (antagonista allosterico non competitivo).

46 Risposte graduali Antagonismo competitivo La distanza fra due curve non dipende dalla dose di agonista ma dalla potenza e dalla dose di antagonista Agonista da solo Agonista + concentrazioni multiple di antagonista B [B] [2B] [3B] Risposta DR = dose ratio D 1 D 2 D 3 D 4 log 10 [agonista]

47 La potenza di un antagonista si esprime con il pa 2 di un antagonista E il logaritmo negativo della concentrazione di antagonista necessaria per raddoppiare la concentrazione di agonista che produce una certa risposta

48 Modulatore Allosterico

49 Antagonismo Allosterico

50 Risposte graduali-agonisti parziali efficacia Effetto = Effetto max x α Agonisti pieni α = 1 Agonisti parziali α compreso tra 0 e 1 = Antagonisti α = 0 esempio

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57 Attivita costitutiva e agonisti inversi SECONDO L IPOTESI CLASSICA R + X RX R RX* Evento biochimico cellulare Secondo questa teoria RX* e l unica entita in grado di generare una risposta Oggi questa teoria e superata: molti recettori (GPCRs) sono in grado di generare risposta anche in assenza di ligando, hanno cioe attivita costitutiva

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61 At a first glance, it may seem there is no theoretical or practical reasons to believe that inverse agonists should have an intrinsic benefit over an antagonist in many situations where drugs are clinically used. In general, drugs are simply used to regulate the release of an endogenous agonist or to compete with it and limit its actions. Therefore potency, bioavailability and selectivity seem the key issues to consider. However, in a range of circumstances, specific benefits of using an inverse agonist can be envisaged. A first requirement to conceive an advantage in using an inverse agonist over an antagonist is that the receptor displays constitutive activity in vivo. In this sense, the constitutive activity of GPCRs in native in vivo systems has been proved only for few receptors. On the other hand, there are clinical instances where the pathological entity is a constitutively active GPCR, which produces physiological response in the absence of endogenous agonists. In these circumstances, the underlying condition may be only effectively treated with inverse agonists. Most of these diseases are associated with the endocrine system, although visual alterations due to rhodopsin mutations and some viral infections were also related to constitutively active forms of GPCRs. There are also many examples where inverse agonists may be useful for cancer treatment. For instance, high levels of specific GPCR expression have been described in tumor cells, where it has been shown that their endogenous ligands, present at high levels in the tumor cells.

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65 sinergismo azione combinata di due farmaci dotati di attività qualitativamente simile, quando vengono somministrati contemporaneamente, per cui l effetto globale dell associazione è superiore o inferiore a quello singolo del più attivo dei due. SOMMA POTENZIAMENTO DECREMENTO

66 SINERGISMO DI SOMMA effetto farmaco A = 1 effetto farmaco B = 1 effetto finale = 2 I due farmaci possono agire con lo stesso meccanismo d azione o con meccanismi diversi (es. streptomicina-penicillina) SINERGISMO DI POTENZIAMENTO effetto farmaco A = 1 effetto farmaco B = 1 effetto finale = 3 La risposta che si ottiene è superiore rispetto alla somma delle azioni dei due farmaci (es. trimetoprim/sulfametossazolo) SINERGISMO DI DECREMENTO effetto farmaco A = 1 effetto farmaco B = 1 effetto finale = 1.5 La risposta ottenuta è inferiore alla somma delle azioni dei due farmaci, ma comunque maggiore a quella ottenuta somministrando un solo farmaco. Può anche essere definito come un antagonismo competitivo tra un agonista e un agonista parziale (morfina/nalorfina)

67 Espressione controllata dei recettori L espressione controllata dei recettori assicura la selettivita tissutale e cellulare delle risposte ai ligandi endogeni. Esistono meccanismi complessi che controllano l espressione e la localizzazione dei recettori. Diverse proteine molto vicine tra loro, immerse in microambiente favorevole. Questo complesso recettore-proteine adattatrici-trasduttori del segnale viene spesso definito come recettosoma

68 DESENSIBILIZZAZIONE MECCANISMI DI DESENSIBILIZZAZIONE RECETTORIALE A) VARIAZIONI DI AFFINITA B) DISALLINEAMENTO TRA RECETTORE E SISTEMA DI TRASDUZIONE C) INTERNALIZZAZIONE DEL RECETTORE (DOWN-REGULATION)

69 MODULAZIONE DELLE RISPOSTE RECETTORIALI Le risposte recettoriali sono controllate in termini quantitativi e temporali per permettere alle cellule di rispondere adeguatamente a stimoli esterni diversi CONTROLLO DEL NUMERO Regolazione di sintesi, trasporto e rimozione dei recettori Regolazione della capacità del recettore e degli effettori di rispondere al mediatore

70 Significato finalistico dei fenomeni di adattamento delle risposte recettoriali Assenza di stimolazione induce la cellula ad aumentare il n di recettori in modo da aumentare la probabilità di interazione con il ligando up-regulation Eccesso di stimolazione induce la cellula a ridurre il n di recettori in modo da ridurre l interazione con il ligando down-regulation

71 REFRATTARIETA O DESENSITIZZAZIONE Riduzione della capacità di un sistema recettoriale di generare una risposta al farmaco in seguito a esposizione persistente ad un agonista MECCANISMI DI DESENSITIZZAZIONE RECETTORIALE VARIAZIONI DI AFFINITA DISALLINEAMENTO TRA RECETTORE E SISTEMA DI TRASDUZIONE INTERNALIZZAZIONE DEL RECETTORE (DOWN-REGULATION)

72 RECETTORE -) Macromolecola fissa o mobile non provvista di attività enzimatica ma idonea a modulare attività enzimatiche o ionoforiche e provvista di siti specifici -) Geneticamente determinato -) Idoneo ad essere deformato dalla interazione con un agonista, tale deformazione è trasmessa o ad un enzima o a ionofori vicini. Il legame è reversibile. -) Idoneo ad interagire con un antagonista il quale previene o impedisce la deformazione indotta dall agonista. Il legame può anche essere irreversibile. -) Suscettibile di assumere tre conformazioni diverse tra loro: stato di riposo, stato di attivazione, stato di desensibilizzazione.