L interazione avviene ad uno specifico sito di legame In molti casi i farmaci si legano a siti di legame per composti endogeni.

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1 Farmacologia Cos è un farmaco? Secondo la definizione più ampia dell OMS (Organizzazione Mondiale della Sanità, World Health Organisation WHO) un farmaco è una sostanza in grado di influenzare i processi fisiologici o patologici di un organismo vivente. In un interpretazione più ristretta e pratica, un farmaco è una sostanza di cui sia stata dimostrata un attività terapeutica (curativa) nei confronti di determinate condizioni patologiche. Un medicinale (medicina) è costituito da un principio attivo (farmaco) e da eccipienti. Il principio attivo è responsabile dell attività farmaco-terapeutica. Gli eccipienti hanno varie funzioni, ma non hanno attività farmacologica (sono inerti). I farmaci possono avere diversa natura chimica: Molecole organiche semplici : sono la grande maggioranza dei farmaci ed agiscono in genere con meccanismo specifico. Macromolecole biologiche (polimeri): proteine, DNA Composti inorganici: agiscono con meccanismo non specifico (es. NaHCO3, H2O2) I meccanismi con cui i farmaci ed i composti tossici interagiscono con l organismo sono analoghi. In particolare, i processi di assorbimento, distribuzione, metabolismo ed eliminazione dei farmaci (Farmacocinetica) sono uguali a quelli dei composti tossici (Tossicocinetica), anche se le modalità di esposizione possono essere diverse. I meccanismi con cui i farmaci interagiscono con l organismo (Farmacodinamica) sono in parte gli stessi di quelli dei tossici. Tutti i farmaci sono dotati di tossicità. Tuttavia, mentre i farmaci agiscono in genere con un meccanismo specifico e reversibile, molti tossici agiscono con meccanismi poco specifici e spesso irreversibili. I tipi di bersagli molecolari dell azione dei farmaci e dei tossici sono in genere gli stessi. Meccanismo d azione Meccanismo specifico. Interazione selettiva con macromolecole (quasi sempre proteine) che hanno uno specifico ruolo fisiologico ( recettori ). L interazione avviene ad uno specifico sito di legame In molti casi i farmaci si legano a siti di legame per composti endogeni. Le macromolecole ( recettori ) con cui interagiscono i farmaci sono in genere proteine: Recettori di sostanze endogene (es. recettore adrenergico; recettore steroideo) Canali ionici (es., canale del Na+, canale del Cl-) Enzimi (es., colinesterasi, ACE) Trasportatori (es., trasportatore della nor-adrenalina, trasportatori di NaCl) Proteine strutturali Un numero limitato di farmaci (antitumorali, antibiotici) interagisce con gli acidi nucleici (DNA)

2 I farmaci si legano ad un sito specifico (sito di legame) della proteina, provocando una modifica della conformazione della proteina. La modifica conformazionale determina un alterazione dell attività, fisiologica o patologica, della macromolecola. Questa alterazione determina una modificazione della funzionalità cellulare e, di conseguenza, della funzionalità del tessuto bersaglio. Esempio: Gli agonisti ß-adrenergici (farmaci che provocano il rilassamento della muscolatura liscia) attivano il recettore ß-adrenergico, legandosi al sito di legame per i mediatori endogeni adrenalina e noradrenalina. L attivazione del recettore determina un aumento dell attività di un enzima cellulare, l adenilato ciclasi, con conseguente aumento del camp (AMP ciclico, mediatore cellulare). Il camp stimola l attività di diversi enzimi, tra cui la PKA (Proteina Kinasi A). L attivazione della PKA porta, tra l altro, al rilasciamento della muscolatura liscia. Le Kinasi sono enzimi che fosforilano un substrato). Molti farmaci agiscono antagonizzando le azioni di composti endogeni (neurotrasmettitori, ormoni, fattori di crescita). Gli antagonisti si legano ai recettori ma non provocano una risposta cellulare. Gli agonisti endogeni non possono legarsi al proprio recettore perché occupato dall antagonista. Il risultato è un interruzione della trasmissione mediata dall agonista endogeno. Meccanismi non specifici. Non sono mediati da interazioni selettive con macromolecole: Alterazioni delle proprietà chimico-fisiche dei fluidi biologici (es., antiacidi, lassativi osmotici) Alterazione chimica non-specifica (es., disinfettanti) I farmaci che agiscono con meccanismo specifico si legano in genere anche a proteine strutturali che non sono i loro recettori ; questo legame influenza la farmacocinetica del farmaco e quindi il decorso temporale del suo effetto. I farmaci tendono ad alterare l equilibrio omeostatico dell organismo. Spesso, l organismo risponde nel senso di ripristinare l equilibrio iniziale. La risposta complessiva alla somministrazione del farmaco (specie se cronica) è quindi la risultante dell effetto del farmaco e della risposta dell organismo. Un meccanismo di risposta dell organismo è l attivazione di sistemi che si oppongono all effetto del farmaco. Questo fenomeno è particolarmente evidente per i farmaci che agiscono a livello cardiovascolare. La desensitizzazione avviene tramite diversi meccanismi: Riduzione del numero di recettori (nel caso di farmaci agonisti). Modificazioni del recettore che causano una diminuzione dell affinità del recettore per l agonista Disaccoppiamento del meccanismo di trasduzione del segnale Tutti questi meccanismi sono responsabili della tolleranza ai farmaci. Con questo termine si indica la perdita di effetto del farmaco nel corso di somministrazioni croniche. Se la tolleranza si instaura molto rapidamente si definisce tachifilassi. I meccanismi descritti fin qui sono responsabili della tolleranza farmacodinamica. I farmaci sono in genere sostanze estranee all organismo. L esposizione ripetuta a sostanze estranee può portare ad un aumento dell inattivazione metabolica da parte degli enzimi detossificanti. Questo fenomeno è responsabile della tolleranza farmacocinetica.

3 I farmaci si legano agli stessi siti dei regolatori endogeni. La loro specificità è variabile. Alcuni farmaci si legano ad uno solo recettore, altri a più recettori. La specificità è correlata alla potenza, che è la dose (concentrazione) di farmaco necessaria per ottenere l effetto. Un farmaco poco potente ha bassa affinità per il suo recettore; per ottenere l effetto occorre quindi raggiungere concentrazioni alle quali il farmaco ha affinità anche per altri recettori. I farmaci poco specifici provocano, oltre all effetto ricercato, anche effetti indesiderati (effetti collaterali), dovuti all interazioni con altri recettori. Per ottenere farmaci ad elevata specificità, si studia la struttura del sito di legame e si progettano quindi farmaci in grado di legarsi ad esso con alta affinità (drug design). Farmaci che agiscono con lo stesso meccanismo producono gli stessi effetti (classe di farmaci). Tuttavia, all interno di una stessa classe, vi possono essere variazioni notevoli delle dosi necessarie a produrre lo stesso effetto. Antibiogramma L'antibiogramma è un test che permette la valutazione del profilo di sensibilità batterica in vitro a vari antibiotici che si esegue esponendo concentrazioni standard del microrganismo in esame ad una serie di ben definite concentrazioni di farmaci. Le metodiche più largamente utilizzate dai Laboratori di microbiologia clinica sono la diffusione in agar secondo Kirby-Bauer (manuale) e la microdiluizione in brodo (automatizzabile). La prima metodica prevede la valutazione, su terreno agarizzato, dei diametri degli Aloni di Inibizione che circondano il punto di deposizione di dischetti antibiotati, mentre la seconda permette ottenere, per le varie molecole testate, la Minima Concentrazione Inibente (MIC), intesa come la più bassa concentrazione del farmaco in grado di inibire la crescita "in vitro" del microrganismo saggiato. I diametri degli aloni di inibizione o le MIC vengono poi rapportati a valori soglia (breakpoint) fissati da alcune Istituzioni scientifiche per le diverse combinazioni microrganismo-antibiotico. Attraverso il confronto con i breakpoint, i risultati ottenuti possono essere tradotti nelle cosiddette Categorie di Interpretazione : S (sensibile) I (intermedio) R (resistente).

4 ANTIBIOTICI Prodotti del "metabolismo secondario" di microrganismi

5 FARMACI ANTIBATTERICI CONCETTO DI TOSSICITÀ SELETTIVA: introdotto da Paul Ehrlich ( ), fondatore della moderna chemioterapia: capacità di interferire con processi metabolici o sintetici presenti solo nel microrganismo infettivo e non riscontrabili nelle cellule dell'ospite. Si deve ad Alexander Fleming ( ) nel 1929 la scoperta del primo antibiotico, la penicillina, ad opera della muffa Penicillium notatum.

6 CLASSIFICAZIONE DEI FARMACI ANTIBATTERICI ANTIBIOTICI: particolare classe di agenti antimicrobici, caratterizzati dalla loro origine biologica; sono prodotti da microrganismi e sono in grado di antagonizzare la crescita o la vita di altri microrganismi. CHEMIOTERAPICI: agenti antimicrobici sintetizzati in laboratorio. CHEMIOANTIBIOTICI: agenti semisintetici: modificati chimicamente per migliorare le proprietà antibatteriche o farmacologiche.

7 FARMACI ANTIBATTERICI BATTERIOSTATICO BATTERIOCIDA BATTERIOLITICO

8 MECCANISMI DI AZIONE 1. Inibizione della sintesi della parete cellulare 2. Alterazione della membrana cellulare 3. Inibizione della sintesi degli acidi nucleici 4. Inibizione della sintesi proteica

9 Siti bersaglio dell attività antibiotica Alterazione delle membrane cellulari polimixine

10 SINTESI DEL PEPTIDOGLICANO Citoplasma Membrana cellulare Parete zuccheri undecaprenolo amino acidi

11 SINTESI DEL PEPTIDOGLICANO

12 ANTIBIOTICI CHE INIBISCONO LA SINTESI DELLA PARETE CELLULARE PENICILLINE e CEFALOSPORINE (antibiotici β-lattamici) Bloccano il legame di transpeptidazione tra le catene peptidiche laterali di molecole adiacenti di peptidoglicano. Il nucleo della molecola penicillinica funziona come analogo strutturale del dimero di D-ala, che forma la porzione terminale del pentapeptide dell unità basale del peptidoglicano

13 Struttura generale di antibiotici beta-lattamici Beta-lattamasi

14 Antibiotici beta-lattamici Penicilline Cefalosporine Cefamicine Carbapenemici Monobattamici Inibitori della Beta lattamasi (acido clavulanico)

15 ANTIBIOTICI CHE INIBISCONO LA SINTESI DELLA PARETE CELLULARE VANCOMICINA (glicopeptide) Agisce legandosi alla porzione peptidica del monomero di peptidoglicano impedendone l inserimento alla zona di accrescimento della parete cellulare. Inefficace contro i Gram-negativi.

16 ANTIBIOTICI CHE INIBISCONO LA SINTESI DELLA PARETE CELLULARE CICLOSERINA Agisce come un analogo strutturale della D-alanina. Impedisce la reazione di isomerizzazione da L-alanina a D- alanina e la formazione del dimero di D-alanina necessario al completamento del pentapeptide nell unità di peptidoglicano FOSFOMICINA Interferisce nelle fasi precoci della sintesi del peptidoglicano che riguardano la sintesi dell acido N-acetilmuramico.

17 ANTIBIOTICI CHE ALTERANO LA MEMBRANA BATTERICA POLIMIXINE Sono attive solo nei confronti dei batteri Gram- alla cui membrana esterna si legano, soprattutto in corrispondenza dei fosfolipidi, distruggendone le proprietà osmotiche e provocando la fuoriuscita di metaboliti dall interno della cellula. Le polimixine sono piuttosto tossiche anche per le cellule eucariotiche

18 ANTIBIOTICI CHE INIBISCONO LA SINTESI DEGLI ACIDI NUCLEICI Inibizione della sintesi di DNA CHINOLONI Sono composti di sintesi. La loro azione antibatterica è dovuta alla interazione con la girasi (topoisomerasi II), enzima essenziale alla replicazione del batterio. topoisomerasi

19 ANTIBIOTICI CHE INIBISCONO LA SINTESI DEGLI ACIDI NUCLEICI Inibizione della sintesi di RNA RIFAMICINE Es.: rifampicina. Agiscono legandosi alla subunità β della RNA-polimerasi batterica rendendola non funzionante. Poiché la polimerasi batterica è diversa dall enzima corrispondente della cellula eucariotica, l azione delle rifamicine risulta selettiva.

20 ANTIBIOTICI CHE INIBISCONO LA SINTESI PROTEICA Inibizione della subunità 30S TETRACICLINE Determinano un blocco della sintesi proteica in fase molto iniziale. Si legano alla subunità 30S, subito dopo il legame all mrna, impedendovi l attacco dell aminoacil-trna a livello del codone iniziatore. Si legano reversibilmente: batteriostatici

21 ANTIBIOTICI CHE INIBISCONO LA SINTESI PROTEICA Inibizione della subunità 50S MACROLIDI Eritromicina, claritromicina. Si legano reversibilmente al ribosoma 50S e bloccano l allungamento del polipeptide Batteriostatici

22 Chemioterapici: I SULFAMIDICI I sulfamidici sono analoghi strutturali dell acido p- aminobenzoico e sono quindi in grado di contrastare efficacemente la sintesi degli acidi folici, competendo con l acido p-aminobenzoico nei confronti dell enzima. La tossicità selettiva dei sulfamidici dipende dal fatto che le cellule animali sono in grado di utilizzare solo gli acidi folici presenti nella dieta; i batteri non riescono ad assumere gli acidid folici dall ambiente, e di conseguenza devono sintetizzarli intracellularmente.

23 FARMACORESISTENZA La resistenza ai farmaci viene acquisita ex novo come risultato di una modificazione genetica dello stipite batterico. I meccanismi mediante i quali tale modificazione si realizza sono fondamentalmente due: Mutazione (resistenza cromosomica) Acquisizione di determinanti genetici di resistenza a localizzazione plasmidica, che vengono trasferiti mediante scambio genetico di tipo coniugativo

24 LA RESISTENZA AI FARMACI ANTIBATTERICI I principali meccanismi di resistenza ai farmaci antibatterici sono: 1. Alterazione ed interferenza nel trasporto del farmaco 2. Attivazione di pompe di efflusso 3. Modificazione del sito bersaglio dell antibiotico 4. Distruzione o inattivazione del farmaco

25 RESISTENZA AGLI ANTIBIOTICI BETALATTAMICI Il meccanismo centrale nella resistenza agli antibiotici betalattamici consiste nella produzione di betalattamasi, enzimi che sono in grado di idrolizzare il legame amidico dell anello beta-lattamico delle penicilline e delle cefalosporine, con produzione di un derivato inattivo Altro meccanismo: mutazioni cromosomiche che portano ad una alterata sintesi delle PBP (penicillin binding protein), con perdita o diminuzione della loro affinità per i betalattamici

26 ANTIBIOGRAMMA 1. Metodo della diffusione in agar (Kirby-Bauer) Str Tet Ery Chl Amp

27 ANTIBIOGRAMMA 2. Metodo delle diluizioni MIC: Minima Concentrazione Inibente