Modulazione dell’attivazione metabolica e della detossificazione. Chemioprevenzione

• L’induzione di enzimi generalmente detossificanti (es. Glutatione-S-transferasi) può diminuire la tossicità di molti composti ma aumentare la tossicità di altri, spesso in modo imprevedibile.

• Data la grande varietà di xenobiotici presenti nell’ambiente, è molto difficile, anche con test nell’animale, prevedere l’effetto globale dell’induzione, anche perché le differenze interspecie nel metabolismo possono essere importanti nel determinare la differente tossicità di alcuni xenobiotici.

• Inoltre, la tossicità di uno xenobiotico può essere influenzata da altri fattori (polimorfismo genetico, interazioni tra xenobiotici ecc.

• Attualmente, non si conoscono induttori enzimatici realmente selettivi.

• Allo stato attuale delle conoscenze, non è ipotizzabile utilizzare l’induzione (o l’inibizione) enzimatica per prevenire, in generale, la tossicità degli xenobiotici.

• La somministrazione di sostanze detossificanti (vitamine antiossidanti e radical scavenger) è, in generale, poco efficiente e può anche essere dannosa (es. ß-carotene, acido ascorbico).

Acido ascorbico e Reazione di Fenton:

H2O2 2 .OH

Questa reazione è catalizzata, tra l’altro, da Fe++:

H2O2 + Fe++ 2 .OH + Fe+++

L’acido ascorbico può ridurre il Fe+++ a Fe++, facilitando così la reazione di Fenton e la

generazione di radicali .OH

In presenza di ferro (o rame), l’acido ascorbico può danneggiare il DNA.

• La conoscenza dell’influenza del genotipo sulla tossicità degli xenobiotici (tossicogenetica) può essere, in prospettiva, di grande importanza. Si possono infatti ipotizzare interventi preventivi (ad es. limitazione dell’esposizione) o farmacologici mirati per gli individui geneticamente più sensibili.

Escrezione degli xenobiotici (e dei loro metaboliti)

• Renale: è la via quantitativamente più importante• Biliare (fecale): per diversi xenobiotici è la via

principale• Polmonare: per sostanze volatili• Latte: quantitativamente poco importante, ma

rilevante dal punto di vista tossicologico• Altre vie: saliva, sudore

Clearance

• Dal punto di vista farmaco-tossicologico, è importante poter definire la capacità dell’organismo (o di un organo in particolare) di eliminare un dato xenobiotico.

• I processi di escrezione seguono cinetiche del I ordine. La velocità di diminuzione della concentrazione plasmatica è proporzionale alla concentrazione stessa:

- Cp/t = kel x Cp (1)

• La quantità assoluta di xenobiotico eliminato nell’unità di tempo varia quindi al variare della Cp. E’ invece costante, indipendente da Cp, il valore della riduzione percentuale della concentrazione nell’unità di tempo (ad. es, ogni ora la concentrazione si riduce del 10%); tale valore frazionario è la costante di eliminazione, kel.

• La quantità di xenobiotico presente nell’organismo alla fine della fase di distribuzione (Q0) è: Q0 = Cp x Vd

(Q = Dose se la biodisponibilità è 100%)

Moltiplicando Cp/t x Vd si ottiene la quantità (massa) di xenobiotico eliminata nell’unità di tempo (Qe), che sarà:

Qe = kel x Cp x Vd (= kel x Q0)

Il prodotto kel x Vd (dimensioni volume/tempo: l/h; ml/min) fornisce il volume di plasma che viene ripulito dallo xenobiotico nell’unità di tempo. Tale parametro, definito clearance, è indipendente dalla concentrazione ed è quindi costante (se sono costanti kel e Vd). Esso dipende infatti da kel, ovvero dall’efficienza dei processi di eliminazione per quello xenobiotico e da Vd, che dipende dalle caratteristiche chimico-fisiche dello xenobiotico (Vd è un parametro di equilibrio).

• La clearance ci fornisce la misura della capacità depuratoria dell’organismo nei confronti di un dato xenobiotico, in una dimensione (l/h) più facilmente comprensibile ed utilizzabile rispetto a kel (h-1).

• La clearance consente di: prevedere, rapidamente e facilmente, il tempo necessario

alla scomparsa dello xenobiotico dal plasma; prevedere la quantità di xenobiotico eliminato dal plasma

nell’unità di tempo (conoscendo Cp); avere informazioni sul meccanismo di eliminazione renale

(se lo xenobiotico viene eliminato solo per via renale).

Clearance totale e clearance d’organo• La clearance misura la capacità depurativa totale

dell’intero organismo.• Nel caso di xenobiotici eliminati tramite diverse

vie (metabolismo epatico, escrezione renale ecc.), ciascun organo contribuisce per una certa percentuale. La clearance totale è quindi pari alla somma delle singole clearance d’organo.

•La clearance di un organo è data da: Cl = Flusso ematico x (Ca – Cv)/Ca

Ca e Cv sono le concentrazioni arteriosa (all’ingresso nell’organo) e venosa (all’uscita). Il rapporto (Ca – Cv)/Ca è definito indice (o rapporto) di estrazione ed è costante (indipendente da Cp, se non intervengono fenomeni di saturazione).

60

30

10

5

1,2 h 1,2 h

Quando la cinetica di eliminazione è di I ordine, il tempo necessario affinché Cp si dimezzi è costante (qualunque sia il valore iniziale di Cp). Tale valore temporale è chiamato emivita o tempo di dimezzamento (t1/2).

Più in generale, è costante il tempo necessario alla riduzione di Cp di una data percentuale

• L’emivita è indipendente dalla Cp• Esprime l’efficienza dei processi di eliminazione

dello xenobiotico• Si può facilmente dimostrare che:

t1/2 = 0,693/kel

Dato che CL = kel x Vd kel = Vd/CL

t1/2 0,693 x Vd/CL

Quest’ultima formula esprime il concetto che l’emivita è inversamente proporzionale a CL e direttamente proporzionale a Vd.

Questa formula fornisce anche un metodo alternativo per il calcolo di Vd.

La velocità di eliminazione renale (Vel) varia con la concentrazione plasmatica, Cp, seguendo una relazione di proporzionalità diretta[1].

 La costante di proporzionalità che lega Vel a Cp è denominato clearance renale (CL):

Vel = CL x Cp.Da questa definizione consegue che:

CL = Vel/CpLa clearance è quindi la velocità di eliminazione normalizzata rispetto alla concentrazione

plasmatica. La Vel può essere espressa come la quantità di farmaco che passa nelle urine nell’unità di tempo

ed è data da: Vel = Vu x Cu

Vu è la velocità di formazione delle urine e Cu la concentrazione urinaria del farmaco. La clearance può essere quindi calcolata in base alla formula: CL = Vu x Cu/Cp.

[1] Questa relazione è in generale valida per tutti i composti, indipendentemente dai meccanismi di eliminazione renale. La velocità di eliminazione di diverse sostanze endogene è costante; ciò, tuttavia, non deriva in genere da un’indipendenza di tale velocità dalla concentrazione plasmatica ma dal fatto che quest’ultima è costante. Infatti, queste sostanze sono immesse nel sangue ad una velocità uguale a quella con cui sono eliminate.

• In genere, la curva concentrazione tempo dei farmaci (dopo somministrazione e.v.) ha un andamento bi-esponenziale (bifasico): una prima fase di diminuzione veloce della Cp (fase di distribuzione, fase ) ed una seconda fase di diminuzione più lenta di Cp (fase di eliminazione, fase ß).

• E’ possibile quindi calcolare un’emivita di distribuzione ed un’emivita di eliminazione .

• In pratica, è difficile (e poco utile) calcolare l’emivita di distribuzione.

• I valori di emivita riportati per farmaci o xenobiotici si riferiscono, a meno che non sia altrimenti specificato, all’emivita di eliminazione (emivita della fase ß)

Escrezione renale

Cardiac Output 6000 mL/minRenal Blood Flow (~18% CO) 1100 mL/minRenal Plasma Flow (60% RBF) 660 mL/minEffective Renal Plasma Flow (90% RPF) 600 mL/minFiltration Fraction (18% ERPF) 110 mL/minUrine Output 1 mL/minReabsorbed Filtrate (FF-UO) 109 mL/min

Key physiological flow values:

Filtrazione glomerulare

• I capillari glomerulari hanno una permeabilità molto elevata, anche perché hanno pori relativamente grandi; il cut-off di peso molecolare è circa 60.000 l’albumina e proteine con PM più elevato non passano nel filtrato. passano invece proteine con PM inferiore.

•Solo il farmaco libero, non legato alle proteina plasmatiche, passa nel filtrato glomerulare, per diffusione. La concentrazione del farmaco è inizialmente uguale a quella plasmatica.

Riassorbimento tubulare

Nei tubuli, circa il 90% dell’acqua filtrata dai glomeruli viene riassorbita creazione di un gradiente liquido tubulare plasma riassorbimento dello xenobiotico.

scala logaritmica

L’entità del riassorbimento dipende dalla lipofilia dello xenobiotico.

• Per composti acidi e basi deboli, il riassorbimento varia in funzione del pH urinario. Alcalinizzazione delle urine (somministrazione di NaHCO3) aumento della velocità di escrezione di acidi deboli (es., salicilati, barbiturici); acidificazione delle urine (somministrazione di NH4Cl) aumento della velocità di escrezione di basi deboli (es. amfetamine).

Per farmaci che non vengono secreti attivamente dai sistemi di trasporto (v. dopo), i valori di clearance renale dipendono quindi da:

legame alle proteine plasmatiche;

lipofilia (eventualmente dipendente dal pH).

• Farmaci non legati alle proteine plasmatiche e fortemente idrofili (non riassorbiti) hanno valori di clearance (renale) vicini a 130 ml/min (clearance dell’inulina)

• La clearance renale di farmaci legati alle proteine plasmatiche e lipofili è compresa tra 0 e 130 ml/min

• Proteine a basso PM, passate nel filtrato glomerulare, sono riassorbite nel tubulo prossimale.

• In alcuni casi queste proteine legano xenobiotici esposizione delle cellule tubulari a concentrazioni ‘elevate’ di questi xenobiotici tossicità.

• Es.: Cd legato alla metallotioneina (piccola proteina legante i metalli) danno renale.

Secrezione: sistemi di trasporto tubulare

• Sistema di trasporto (attivo) per gli anioni: aspecifico; importante per alcune classi di farmaci (penicilline, cefalosporine, FANS)

• Sistema di trasporto per i cationi: importante per neurotrasmettitori amminici e diversi farmaci

• I sistemi di trasporto eliminano anche la quota di farmaco legata alle proteine:

P-F P+ F F

plasma lume tubulare

• clearance molto elevata (fino al valore massimo di 650 ml/min, clearance dell’acido para-amminoippurico, pari al flusso plasmatico renale)

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 alfa-chetoglutarato ed anione (antiporto); 3) secrezione dell’anione nel lume secondo il suo gradiente di concentrazione

1

23

• La funzione del sistema di trasporto degli anioni è probabilmente quella di eliminare i metaboliti coniugati (glucuronidi, coniugati con aminoacidi, solfati).

• Il sistema di trasporto per gli anioni è saturabile, come tutti i sistemi di trasporto.

• Può essere inibito competitivamente; es., probenecid (inibitore) e penicillina diminuzione della velocità di eliminazione della penicillina

il

saturazione

• Esiste anche un sistema di trasporto tubulare che riassorbe gli anioni (dal lume tubulare al plasma). Questo sistema è però più selettivo di quello che opera dal plasma al lume la maggior parte degli anioni secreti non viene riassorbita.

• Anche questo sistema è saturabile ed è inibito dal probenecid.

Sistemi di trasporto per gli anioni simili a quelli renali (sensibili al probenecid) sono presenti anche in altri tessuti ed organi (es. barriera emato-encefalica, emato-oculare ecc.)

• Variabilità dell’escrezione renale Neonati. Molte funzioni renali sono non

completamente sviluppate nei neonati alcuni xenobiotici sono eliminati più lentamente maggiore tossicità rispetto agli adulti (es. penicillina). Minore tossicità per composti nefrotossici secreti dai sistemi di trasporto (es. cefaloridina).

Insufficienza renale. Nell’IR cronica si ha una progressiva riduzione del numero dei nefroni funzionanti riduzione della clearance renale possibile tossicità di farmaci se non si riduce la dose o la frequenza di somministrazione.

• Escrezione biliare (fecale).• Quantitativamente molto importante per molti

xenobiotici.• L’importanza relativa dell’escrezione biliare e

renale di un dato xenobiotico dipende dal PM della sostanza o dei suoi metaboliti: l’escrezione biliare è trascurabile per composti con basso PM (<325 Da) e aumenta all’aumentare del PM.

• I coniugati con ac. glucoronico e con glutatione sono preferenzialmente escreti nella bile

• I composti escreti con la bile sono raggruppabili in 3 classi, in dipendenza del rapporto conc. biliare/conc. plasmatica:

Classe [bile]/[plasma] Meccanismi

A (Na+, K+, Hg++, glucosio ecc.)

~1 ?

B (ac. biliari, bilirubina, Pb, As ecc.)

>1

(10-10.000)

trasporti attivi

C (Zn, Fe, Cr ecc.) < 1 ?

Esistono almeno 4 sistemi di trasporto negli epatociti: 2 per gli anioni, 1 per i cationi ed 1 per i composti neutri.

• I composti escreti con la bile possono essere riassorbiti nell’intestino circolo entero-epatico aumento dell’emivita.

• Glucuronidi e solfati, poco assorbiti, possono essere idrolizzati dalla flora batterica intestinale, liberando il composto non coniugato, che può essere riassorbito.

• In alcuni rari casi, la secrezione intestinale può causare tossicità intestinale (es. indometacina).

• La capacità secretoria epatica è non completamente sviluppata nei neonati possibile maggiore tossicità (es.ouabaina)

• Escrezione nel latte. • Quasi tutti i farmaci passano nel latte.• Il passaggio dal plasma al latte avviene

principalmente per diffusione passiva, ed è quindi influenzato da:

legame alle proteine plasmatiche liposolubilità pH: il pH del latte (6,5-7,2) è leggermente più

acido di quello del plasma (7,4) favorita l’escrezione di basi deboli.

                                                   

         

Figure 1. Mean (± SD) milk and serum concentrations in four lactating women after 100-mg dose of nitrofurantoin macrocrystals.

•Composti fortemente lipofili (es. DDT, PCB ecc.)passano dal plasma al latte insieme con i lipidi; per questi composti il latte può essere una via importante di eliminazione.

•Alcuni composti sono secreti attivamente nel latte, raggiungendo concentrazioni più elevate di quelle plasmatiche

• La dose ingerita dal lattante può esser calcolata in base al volume di latte ingerito giornalmente, la concentrazione plasmatica materna ed il rapporto AUClatte/AUCplasma.

• Per stabilire l’eventuale pericolosità, occorre tenere conto della biodisponibilità orale dello xenobiotico e della clearance dello xenobiotico nel neonato, che è in genere minore rispetto all’adulto.

• In genere, i farmaci possono ritenersi sicuri se la dose/kg nel lattante è inferiore al 10% della dose/kg materna, tranne nel caso di farmaci molto tossici (es. citotossici, isotretinoina, immunosoppressori ed altri), per i quali è necessaria l’interruzione dell’allattamento.

• Farmaci nel latte di animali d’allevamento• Per legge, il latte non deve contenere farmaci• Tuttavia, tracce di alcuni farmaci, soprattutto

antibiotici, sono state trovate nel latte per uso alimentare.

• Anche in tracce, gli antibiotici possono essere dannosi per:

possibili allergie sviluppo di resistenza agli antibiotici

5

T he figure below illustra tes the variability in response to one drop ofphenylephrine 30 m g/m l instilled in to the conjunctival sac of 39 subjects.

D ata from B ertler and Sm ith , C lin Sci 40:403. 1971.

0 5 10 15

1.0-1.5

2.0-2.5

3.0-3.5

4.0-4.5

Increase in pupil diameter,

mm

Number of Subjects

Variabilità della risposta ai farmaci

6

The figure above illustrates the variability in response to intramuscular atropine 0.02 mg/kg in a group of 27 subjects. Data from Smith and

Rawlins, Variability in Human Drug Response, 1973, p. 1-2.

0 5 10 15

-10 to 0

10 to 20

30 to 40

50 to 60

Change in Heart Rate

Number of Subjects

• Meccanismi della variabilità:• Variabilità farmacocinetica. Principalmente

nella fase di eliminazione. Metabolismo: differenze genetiche (es. polimorfismo genetico) e ambientali (induzione enzimatica, altre interazioni farmacocinetiche); età; patologie (insufficienza epatica). Escrezione renale: età, patologie (insufficienza renale)

• Variabilità farmacodinamica. Densità recettoriale e meccanismi di trasduzione. Funzionalità e risposta d’organo. Meccanismi omeostatici. Patologie. Interazioni farmacodinamiche ecc.

• Sia la variabilità farmacocinetica che quella farmacodinamica sono dovute a:

fattori genetici fattori individuali non genetici (età, patologie) fattori ambientali (interazioni)

Questi fattori influenzano quindi l’efficacia e la sicurezza (tossicità) di un farmaco

• L’influenza dei fattori individuali non genetici (età patologie) e dei fattori ambientali (interazioni) è abbastanza ben conosciuta scelta di particolari farmaci o aggiustamenti di dosaggio per evitare insufficienze terapeutica o tossicità.

• L’influenza dei fattori genetici è meno conosciuta, soprattutto per quanto riguarda la variabilità farmacodinamica.

• Maggiori conoscenze nel campo della farmacogenetica potrebbero consentire di scegliere un particolare farmaco e/o dosaggio in base al genotipo.

Fattori farmaceutici (eccipienti, processo produttivo) possono influenzare la farmacocinetica (assorbimento) di un principio attivo (farmaco) in un medicinale.

Es.: influenza delle dimensioni delle particelle di principio attivo sulla biodisponibilità

•La tossicità di un farmaco è influenzata anche dalle impurezze presenti.

Reazioni avverse ai farmaci

A (dose-dipendenti)(dose-dipendenti) - Relativamente frequenti- Relativamente frequenti

- Correlate al meccanismo d‘azione del farmaco- Correlate al meccanismo d‘azione del farmaco

- Prevedibili- Prevedibili

- Bassa mortalità- Bassa mortalità

Es: ipoglicemia da insulina; ipotensione da antiipertensivi; Es: ipoglicemia da insulina; ipotensione da antiipertensivi; ulcere da FANS; attacchi asmatici da ß-bloccanti ecc.ulcere da FANS; attacchi asmatici da ß-bloccanti ecc.

BB (non dose-dipendenti) (non dose-dipendenti) -- RareRare

- Non correlate al meccanismo d’azione- Non correlate al meccanismo d’azione

- Imprevedibili (non sempre; es. epatotossictà da - Imprevedibili (non sempre; es. epatotossictà da paracetamolo)paracetamolo)

- Elevata mortalità- Elevata mortalità

Es: ipersensibilità alla penicillina; ototossicità da Es: ipersensibilità alla penicillina; ototossicità da aminoglicosidici; epatotossicità da isoniazide ecc.aminoglicosidici; epatotossicità da isoniazide ecc.

CC (dose- e tempo-dipendenti) (dose- e tempo-dipendenti) -- RareRare

- Legate al trattamento ripetuto- Legate al trattamento ripetuto

Es: soppresione dell’asse ipotalamo-ipofisi-surrene da Es: soppresione dell’asse ipotalamo-ipofisi-surrene da corticosteroidicorticosteroidi

DD (tempo-dipendenti)(tempo-dipendenti) -- RareRare- Generalmente dose-dipendenti- Generalmente dose-dipendenti- Si manifestano - Si manifestano diverso tempodiverso tempo dopo l’uso dopo l’uso

Es: discinesia tardiva da neurolettici, teratogenicità, carcinogenicitàEs: discinesia tardiva da neurolettici, teratogenicità, carcinogenicità

EE (da sospensione) (da sospensione) -- RareRare-Si manifestano subito dopo la sospensioneSi manifestano subito dopo la sospensioneEs.: sindrome astinenziale da oppioidiEs.: sindrome astinenziale da oppioidi

FF (da inefficacia terapeutica) (da inefficacia terapeutica) -- Relativamente frequentiRelativamente frequenti- Dose-dipendenti- Dose-dipendenti- Spesso causate da - Spesso causate da interazioniinterazioni tra farmaci tra farmaci

Es: ridotta efficacia di contraccettivi orali usati in associazione ad Es: ridotta efficacia di contraccettivi orali usati in associazione ad induttori enzimaticiinduttori enzimatici

• Le reazioni avverse di tipo B (tipo II, non dose-correlate) sono spesso (non sempre) dovute alla formazione di un metabolita reattivo che determina:

• tossicità cellulare (necrosi o apoptosi)• tossicità immuno-mediata (allergie, reazioni

citotossiche ecc.)• cancerogenesi

• Reazioni idiosincrasiche: si verificano in una bassa percentuale di soggetti (prevalenza a volte dipendente da razza), a causa di difetti enzimatici geneticamente determinati. Il farmaco o i suoi metaboliti non provocano direttamente l’effetto tossico ma aggravano gli effetti del difetto enzimatico.

• Es.: diversi farmaci e alimenti (es. fave) provocano anemia emolitica (soprattutto negli afro-caraibici); questa reazione è dovuta alla carenza dell’enzima glucosio-6-fosfato-deidrogenzasi (G6PD) nei globuli rossi dei soggetti sensibili.

I farmaci che provocano anemia emolitica “smascherano” il difetto enzimatico congenito perché, essendo o producendo degli ossidanti, consumano glutatione e/o NADPH.

G6PD è essenziale per mantenere adeguati livelli di glutatione nei globuli rossi; il glutatione è essenziale per mantenere l’integrità anatomico-funzionale dell’eritrocita