Farmacocinetica. Biotrasformazione ed eliminazione

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2 Le benzodiazepine Il termine benzodiazepine si riferisce alla parte della struttura chimica di questi farmaci, rappresentata da un anello benzenico (a) fuso con uno diazepinico (b). Tuttavia le benzodiazepine contengono anche un gruppo arilico (c) in posizione 5 dell anello diazepinico. (fig. 1) R a R b c R Fig. 1 Suddividere le varie benzodiazepine in ansiolitiche, ipnotiche, anticonvulsivanti, e miorilassanti è improprio in quanto tutte le benzodiazepine hanno azione clinica qualitativamente simile; le loro differenze sono solo di tipo quantitativo e riguardano soprattutto l aspetto farmacocinetico, l emivita plasmatica, la rapidità di comparsa dell azione, l intensità e la durata di azione. E in base a quest ultima caratteristica che vengono classificate in: A) Benzodiazepine a lunga durata d azione B) Benzodiazepine a intermedia durata d azione C) Benzodiazepine a breve durata d azione D) Benzodiazepine a brevissima durata d azione 3

3 Farmacocinetica Le benzodiazepine sono generalmente ben assorbite a livello gastroenterico, sono liposolubili ma scarsamente solubili in acqua. Si legano alle proteine plasmatiche ed in quanto liposolubili superano la barriera ematoencefalica. Dopo iniezione endovenosa l effetto compare in un tempo che varia dai 15 secondi fino a qualche minuto a seconda della risposta individuale al farmaco, la durata di azione invece varia a seconda della liposolubilità del composto. Le benzodiazepine più liposolubili hanno una durata di azione più breve in quanto la loro struttura chimica ne favorisce una rapida distribuzione nei tessuti periferici, in particolare nel tessuto adiposo, quindi una più rapida eliminazione. I composti meno liposolubili invece si ridistribuiscono più lentamente restando più a lungo nel sistema nervoso centrale in concentrazioni efficaci. Questo fenomeno spiega l apparente paradosso per cui, dopo somministrazione endovenosa di benzodiazepine, quella con emivita lunga abbia minor durata di azione di quella con emivita breve. Biotrasformazione ed eliminazione Le benzodiazepine vengono metabolizzate principalmente a livello epatico, attraverso processi di ossidazione e di coniugazione con acido glucuronico, dando vita a metaboliti attivi o, come nel caso della coniugazione, a metaboliti inattivi pronti per essere eliminati. L eliminazione delle benzodiazepine avviene attraverso le urine ed in minor misura attraverso le feci. Le benzodiazepine a lunga emivita tendono ad accumularsi lentamente nel caso di trattamento cronico, così come lentamente vengono eliminate una volta sospesa la terapia. Quelle invece a breve emivita, tendono ad accumularsi in minore misura e, all interruzione della terapia, vengono eliminate rapidamente. Queste caratteristiche farmacologhe comportano vantaggi e svantaggi contemporaneamente. Il fenomeno di accumulo che può verificarsi in seguito a trattamenti prolungati, porta ad un graduale aumento della concentrazione del farmaco nel sito di azione con conseguente incremento non solo degli effetti clinici, ma anche di quelli collaterali. Tuttavia questi effetti si manifestano soprattutto nella fase iniziale del trattamento e vengono in seguito compensati dalla tolleranza che si instaura nei confronti del farmaco. Inoltre le benzodiazepine hanno un alto indice terapeutico, che indica il rapporto tra dose efficace e dose letale, e difficilmente raggiungono concentrazioni tali da manifestare effetti tossici. Meccanismo di azione Il meccanismo di azione delle benzodiazepine è rimasto sconosciuto per più di un decennio dopo l introduzione in terapia del capostipite, il Librium. Un 4

4 fondamentale passo avanti nella comprensione di tale meccanismo è stato fatto negli anni , quando due gruppi di ricercatori, Costa e Haefely, offrirono evidenze biochimiche ed elettrofisiologiche che le benzodiazepine potenziavano l azione dell acido gamma amino butirrico,(gaba) il più importante neurotrasmettitore di tipo inibitorio del sistema nervoso centrale (S..C.). Il GABA è sintetizzato, contenuto e liberato dai neuroni gabaergici che sono interneuroni contenuti in tutto il S..C. Il GABA origina dall acido glutammico ad opera di una glutammico decarbossilasi ed è immagazzinato all interno di vescicole sinaptiche da cui viene liberato a seguito dell ingresso di ioni cloro all interno della terminazione nervosa in risposta al potenziale di azione. Il GABA agisce su specifici recettori suddivisi in due principali sottotipi: GABA-A e GABA-B. Queste due classi di recettori non sono due subunità della stessa proteina ma costituiscono due distinte proteine. I recettori correlati al canale del cloro e al recettore delle benzodiazepine, sono i GABA-A. L attivazione di questo recettore da parte del GABA o di farmaci Gabamimetici, determina l apertura del canale del cloro favorendo il passaggio del cloro, secondo il gradiente elettrochimico, dall esterno all interno della cellula o viceversa. In molti neuroni la concentrazione degli ioni cloro è maggiore nello spazio extacellulare per cui l apertura del canale determina un flusso di ioni verso l interno con conseguente iperpolarizzazione della membrana. Al contrario a livello delle terminazioni nervose di diversi sistemi neuronali la concentrazione intracellulare del cloro è più alta che all esterno, per cui l apertura dei canali si traduce in un flusso verso l esterno con conseguente depolarizzazione della membrana plasmatica. In questo caso, quando il potenziale di azione arriverà alla membrana depolarizzata, esso subirà una riduzione o una abolizione, il cui correlato funzionale sarà una ridotta liberazione di neurotrasmettitore. La conseguenza funzionale del GABA sui recettori localizzati sulle terminazioni nervose è inibitoria nonostante si attui attraverso una depolarizzazione. Le benzodiazepine si legano a siti specifici localizzati sulla membrana plasmatica di determinati neuroni e denominati recettori delle benzodiazepine. L interazione delle benzodiazepine con il recettore si traduce in una modificazione allosterica del sito che comporta un aumento dell affinità del GABA, in questo modo le benzodiazepine facilitano il legame del GABA con il suo recettore. L interazione del GABA con il suo recettore produce l apertura dei canali del cloro della membrana plasmatica e il passaggio degli ioni attraverso la stessa. Il recettore del GABA, quello delle benzodiazepine ed il canale del cloro costituiscono tre subunità, collegate funzionalmente, di un unico complesso sopramolecolare e cioè di una grossa proteina. 5

5 Caratteristiche del recettore benzodiazepinico el 1977, studi fatti usando [ 3 H] diazepam portarono all identificazione del recettore centrale delle benzodiazepine (CBR) nel cervello di topo (1) e, simili recettori, furono poi identificati nel cervello umano utilizzando [ 3 H] flunitrazepam (2). Ulteriori caratterizzazioni farmacologiche basate sulla affinità per la triazolopiridazina, CL 218,872, portarono alla descrizione di due distinti recettori centrali (3). Il CBR1 ha un affinità per il CL218,872 che è 5-10 volte più alta del CBR2; entrambi i recettori hanno localizzazione neurale, sono legati allostericamente con il recettore dell acido γ ammino butirrico (GABA) che regola il canale del cloro e modulano l affinità dello stesso recettore (4). Attraverso clonazioni molecolari è stato dimostrato che il recettore del GABA appartiene a una famiglia di ligandi racchiusi nel canale del cloro di cui fanno parte i recettori nicotino acetilcolinici, i recettori del glutammato, e i recettori della glicina stricnino sensibili (5). Le diverse subunità che compongono il recettore del GABA sono responsabili della eterogeneità del CBR (6). Si riteneva che gli effetti clinicamente rilevanti, ansiolitico e anticonvulsivante, delle benzodiazepine fossero mediati esclusivamente da recettori localizzati nel sistema nervoso centrale. Inaspettatamente tessuti periferici di ratto usati come controllo negativo di esperimenti di binding mostrarono un alta affinità per il legame del [ 3 H]diazepam. Questi siti periferici erano farmacologicamente distinti dai recettori centrali (1,3) e furono chiamati recettori delle benzodiazepine di tipo periferico (PBR). Fin dalle prime descrizioni, l accumulo di prove dalla farmacologia, dalla biochimica, dalla biologia molecolare, indicava che il PBR era solo lontanamente collegabile al CBR. Infatti il PBR in molte specie ha solo bassa affinità per le benzodiazepine e l uso di tessuti periferici di ratto, dove invece è stata riscontrata un alta affinità, fu casuale. Studi successivi dimostrarono la presenza del PBR anche nel sistema nervoso centrale (7). Ligandi del PBR Diversi composti sintetici, inclusi chinoline, imidazoline, benzodiazepine, interagiscono reversibilmente con il PBR, alcuni di questi composti sono riportati in fig.2. Tutte e tre classi di ligandi sono inibitori competitivi reversibili, l uno del legame dell altro. Le benzodiazepine hanno bassa affinità per il PBR (ordine del micromolare) nella maggior parte delle specie ad eccezione dei roditori. 1,4 Benzodiazepine come il flunitrazepam, diazepam, Ro5-4864, e clonazepam, furono utilizzate per caratterizzare il PBR nel ratto che ha un ordine di affinità paragonabile a quella del CBR (1,7). 6

6 7 CS 11a F 2 Flunitrazepam CS AH 086 Alpidem 2 F PK PK Ro Fig.2

7 L affinità delle benzodiazepine per il PBR di ratto è aumentata dall alchilazione dell azoto in posizione 1 degli 1,4 benzodiazepin 2-oni e, al contrario dell interazione con il CBR, che discriminava tra gli enantiomeri in C3, l interazione con il PBR non ha preferenze stereochimiche (8). L ordine caratteristico della forza di legame delle benzodiazepine per il recettore periferico del ratto è, Ro > diazepam > flunitrazepam >>> clonazepam, le costanti di dissociazione stimate vanno da 6 nm per il Ro a più di 10 µm per il clonazepam. el ratto Il CBR è stereoselettivo ed ha l ordine di legame inverso, con il clonazepam che mostra la maggiore affinità. Inoltre mentre il GABA aumenta l affinità del CBR per le benzodiazepine, l interazione con il PBR non è GABA dipendente. Il PBR nella maggior parte delle specie di non roditori, presenta verso le benzodiazepine un affinità da moderata a molto bassa, per esempio il Ro ed il diazepam hanno un affinità nell ordine del micromolare per i recettori periferici bovini (9), ed una simile si ritrova anche nei tessuti umani (10). AH 086 ed il flunitrazepam, benzodiazepine alchilate e fotoreattive che si legano al PBR del ratto, marcano diverse proteine con peso molecolare tra kda. [ 3 H]AH 086 un isocianato simile al R , diminuisce l affinità delle benzodiazepine e modifica una proteina 30 kda nel ratto ma non nelle ghiandole pineali di bovino (11). Il flunitrazepam marca delle proteine identificate nei mitocondri di ratto come una porina mitocondriale e un carrier dell adenin nucleotide. Le isochinoline sono risultate utili in ulteriori caratterizzazioni del PBR. Diversamente dalle benzodiazepine che mostravano notevoli differenze nelle varie specie, il PK 11195, un isochinolina, ha un alta affinità per il recettore periferico di tutte le specie ed è diagnostico per il PBR (12). Mentre alcuni ligandi che interagiscono con il PBR reagiscono anche con il CBR, diverse chinoline come il PK11195, il PK ed il PK 14067/8 sono specifiche per il PBR. Il legame delle chinoline è stereospecifico infatti il PK14067 l enantiomero levogiro della coppia di stereoisomeri, ha un affinità molto maggiore dell enantiomero destrogiro, PK (13). Dopo fotolisi il PK14105 un p-fluoronitro fenile simile al PK 11195, inattiva irreversibilmente il PBR e in particolare si lega ad una proteina di kda denominata la proteina di legame dell isochinolina (IBP) (14). La IBP è un componente recettoriale presente in tutte le specie e non legato alla affinità per le benzodiazepine (9). 11a, un isocianato racemico simile al PK11195, inibisce competitivamente il PBR ma la proteina alchilata non è stata ancora identificata (15). Termodinamicamente il PK11195 è stato classificato come un antagonista o un agonista parziale mentre il Ro come agonista basandosi rispettivamente sull entropia e sull entalpia prodotta dall interazione ligando-recettore. Il significato funzionale della classificazione termodinamica è ambiguo poiché il PK11195 ed il Ro hanno simili effetti in diversi paradigmi fisiologici (13). ei roditori il legame delle isochinoline e delle benzodiazepine al PBR può subire influenze diverse, indicando che questi siti 8

8 possono essere sovrapponibili ma non sono identici. Il dietilpirocarbonato (DEPC),che modifica selettivamente residui di istidina, inibisce il 70% dei siti del [ 3 H]PK11195 mentre non ha effetto sul numero o sull affinità dei siti del Ro o sui rimanenti siti del PK11195 che risultano refrattari al DEPC indicando una eterogeneità del PBR a livello del dominio di legame dell isochinolina. L eterogeneità nella sensibilità dell istidina alla modificazione chimica può essere una manifestazione di differenti conformazioni recettoriale. Tuttavia il PBR dei non roditori sembra essere insensibile al dietilpirocarbonato come quello della trota e quello bovino (12). L interazione delle benzodiazepine è più facilmente influenzata da agenti chimici ed enzimi. La fosfolipasi A2 inibisce competitivamente il legame delle benzodiazepine e il suo effetto può essere mimato dalla mellitina, uno stimolatore l isozima endogeno. I detergenti, i lipidi e gli acidi grassi, gli anioni e molti inibitori dei canali ionici (16),distruggono preferibilmente il legame con le benzodiazepine, ulteriore dimostrazione che i recettori delle benzodiazepine e delle isochinoline hanno differenti interazioni per i ligandi. Alpidem un imidazopiridina, ha un alta affinità,nel ratto e nell uomo, sia per i recettori periferici che per i recettori centrali. Un altra imidazopiridina, lo zolpidem, mostra una differenza di affinità tra il PBR dove è nell ordine del micromolare, ed il CBR dove invece è nell ordine del nanomolare. Alpidem sembra essere simile alle benzodiazepine in quanto l affinità di legame è specie dipendente ed il composto si lega anche al CBR. La selettività recettoriale di imidazopiridine strutturalmente simili, può essere utile in futuro per dimostrare una relazione strutturale o funzionale tra recettore periferico e recettore centrale. Diversi composti endogeni strutturalmente diversi interagiscono con il PBR. I più noti sono gli acidi porfirino dicarbossilici, il DIAZEPAM BIDIG IIBITR (DBI) e diversi prodotti del suo processo, e la fosfolipasi A2. Di questi, le porfirine hanno la più alta affinità, in particolare la protoporfirina IX che si lega ai recettori in concentrazione nanomolare (17). Per inibire il legame del [3H] Ro con il PBR, sono necessarie concentrazioni micromolari di DBI, un peptide di 9 kda che inibisce il legame del diazepam con il CBR, e di triacontatertapeptide (TT), un prodotto del processo del DBI (18). La densità di distribuzione del mra del DBI, è approssimativamente parallela alla distribuzione del PBR in diversi tessuti. Le concentrazioni delle porfirine e del DBI, compatibilmente con le loro rispettive affinità per il recettore periferico, hanno parte attiva nella analisi funzionale del PBR. Una proteina presente nello stomaco del ratto, purificata in base alla sua capacità di inibire il legame del [3H]Ro , ha caratteristiche fisiche e attività strutturale identica ad una autentica fosfolipasi A2. Il significato fisiologico di questi ligandi endogeni è sconosciuto. 9