Diapositiva 1 - Biotecnologie

ProFarmaci (Prodrugs)
La forma “attiva” di un farmaco può essere ottenuta per decomposizione
del farmaco somministrato.
Farmaci che agiscono in questo modo sono detti “profarmaci” o prodrugs.
Definizione:
I “prodrugs” sono composti inattivi che si trasformano in composti
attivi per metabolismo nell’organismo.
Possono essere classificati principalmente in due gruppi:
 BIOPRECURSORI
 CARRIERS
ProFarmaci (Prodrugs)
Profarmaco: “qualunque composto che deve subire una
biotrasformazione prima di poter mostrare i suoi effetti farmacologici”
Definizione troppo ampia (include farmaci storici come aspirina/acido
salicilico e metaboliti attivi come imipramina/demetilimipramina).
Più appropriata la definizione di “drug latentiation” definita come
“modifica chimica di un composto biologicamente attivo intesa a formare
una nuova molecola che, dopo attacco enzimatico, libererà il
composto che l’ha generata”.
ProFarmaci (Prodrugs)
Gruppi funzionali sui parent
drugs (in verde) adatti per il
legame del promoiety
ProFarmaci (Prodrugs)
Esteri
• Sono i derivati più usati
• Sono ampiamente usati per aumentare la lipofilia del farmaco e
quindi permettono il suo passaggio passivo attraverso le
membrane.
• I legami esterei sono idrolizzati da esterasi presenti nel sangue,
fegato ed altri organi e tessuti
• Esempi di tali derivati sono forniti dai doppi esteri
dell’ampicillina, dall’enalapril (ACE inibitore), dalle statine
(lovastatina, simvastatina)
ProFarmaci (Prodrugs)
Esteri
ProFarmaci (Prodrugs)
• Sono più stabili degli esteri ma
più suscettibili all’idrolisi rispetto
alle ammidi.
• I carbonati derivano da acidi
carbossilici ed alcoli;
• i carbammati da acidi carbossilici
e ammine.
• La
biotrasformazione
di
carbonati e carbamati richiede le
esterasi per la formazione del
parent drug
ProFarmaci (Prodrugs)
• Le ammidi sono derivati di gruppi
funzionali amminici e carbossilici
•Poco usate a causa della loro elevata
instabilità enzimatica in vivo.
• Un legame ammidico è idrolizzato
da carbossilesterasi, proteasi o
peptidasi.
•Sono usate di solito per migliorare
l’assorbimento orale
ProFarmaci (Prodrugs)
• Derivati di chetoni, ammidine e
guanidine
• Utili per molecole che mancano di
gruppi idrossilici, amminici o carbossilici
• Idrolizzati dal CYP450
• Usati per migliorare la permeabilità
attraverso le membrane e
l’assorbimento del parent drug
ProFarmaci (Prodrugs)
BIOPRECURSORI: composti che già contengono la specie attiva
nella struttura e la liberano mediante un processo metabolico.
Esempio 1
Primo prodrug,
scoperto nel 1935,
dell’antibatterico
sulfanilide
Riduzione
metabolica
H2NSO2
N N
SO2NH2
H2N
SO2NH2
Sulfanilide
Prontosil (inattivo)
Scoperta dei sulfamidici, unici farmaci antibiotici efficaci
fino all’introduzione della penicillina alla fine degli anni ’40.
Esempio 2
N
P
N
Fegato
O
H2N
Cl
N
CYP-450
Cl
Ciclofosfamide (inattiva)
O
P
HO
Cl
N
Cl
Mostarda fosforoamidata (antineoplastico)
ProFarmaci (Prodrugs)
Il drug viene liberato mediante:
Bioattivazione ossidativa
N
N
H2N
in vivo
N
N
OH
N
H2N
HO
6-desossi-aciclovir
+
N
N
HO
aciclovir
N
N
N
H2N
OH
N
N
HO
8-idrossi-6-deossi-aciclovir
Aciclovir (antierpetico) ha una bassa p.o. orale che rende l’assorbimento < 10-20%
della dose (scarsa solubilità in acqua).
Il corrispondente desossiderivato è 18 volte più solubile in acqua e viene ossidato
in vivo dalla xantinoossidasi a dare aciclovir. La sua biodisponbiblità nel ratto
e nell’uomo è 5-6 > di aciclovir.
ProFarmaci (Prodrugs)
Bioattivazione riduttiva:
O
S
S
H
H
Red in vivo
COOH
F
COOH
F
Sulindac
Sulindac (FANS) è il precursore inattivo che viene attivato in vivo mediante
riduzione del solfone a solfuro.
Il sulindac è inattivo nei saggi in vitro, ma viene usato per la somministrazione p.o.
per evitare l’esposizione della mucosa GI al solfuro (gastrolesivo), fornendo
quindi un vantaggio terapeutico.
ProFarmaci (Prodrugs)
Meccanismi di bioattivazione mista:
O
O
OH
OH
O
O
red (2 steps)
N
ox (2 steps)
O
N
O
Cl
Indometacina
Cl
Gli acidi arilesenoici subiscono una degradazione metabolica dovuta a ripetuti steps di
ossidazione e riduzione a dare acidi arilacetici.
L’analogo esenoico dell’indometacina è un prodrug in grado di fornire analgesia
prolungata nei ratti e nei topi.
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ProFarmaci (Prodrugs)
CARRIERS: sono formati dalla combinazione del principio attivo con
una specie carrier. Si ottiene un composto con caratteristiche chimiche e
biologiche diverse dal principio attivo ma necessarie perché il farmaco
raggiunga il sito d’azione.
Il “link” tra il principio attivo e il carrier deve essere un gruppo (estere,
ammide, etc..) in grado di essere facilmente metabolizzato una volta assorbito
o quando il principio attivo deve essere rilasciato nel compartimento biologico
di destinazione.
Carrier + drug
Sintesi
Carrier prodrug
Metabolismo
Carrier + drug
ProFarmaci (Prodrugs)
Criteri di progettazione di un carrier-prodrug
1- L’unione tra principio attivo e porzione carrier è data da un legame
covalente
2- Di regola il profarmaco è inattivo o meno attivo del parent-drug
3- Il legame tra parent-drug e carrier deve essere scindibile in vivo
4- Il profarmaco e il carrier liberato in vivo devono essere privi di
tossicità
5- La forma attiva deve essere liberata con una cinetica rapida per
assicurare efficienti livelli di farmaco sul sito d’azione e per minimizzare
sia il metabolismo diretto del profarmaco che la graduale inattivazione
del farmaco.
ProFarmaci (Prodrugs)
Bipartate prodrugs
DRUG
CARRIER
Link: gruppo chimico
DRUG
O
CH3
N
H
N
H3C
COOH
O
Prodrug Tolmetin-Glicina
CARRIER
4
5
ProFarmaci (Prodrugs)
Tripartate prodrugs: il carrier è legato al principio attivo mediante un
link costituito da una struttura separata.
Il carrier viene rimosso mediante un processo enzimatico, mentre il link
viene rimosso o per reazione chimica o mediante un sistema enzimatico.
NH2
S
O
Drug
N
O
O
O
O
Link
O
Carrier
Bacampicillina, prodrug dell’ampicillina
ProFarmaci (Prodrugs)
Un prodrug “carrier” ideale:
1- dovrebbe essere meno tossico del principio attivo;
2- inattivo o significativamente meno attivo del “parent drug”;
3- la velocità di formazione del principio attivo dal prodrug dovrebbe essere
abbastanza rapida da mantenere la concentrazione del principio attivo entro
la finestra terapeutica;
4- i metaboliti del carrier non dovrebbero essere tossici;
5- migliore biodisponibilità rispetto al principio attivo, dopo somministrazione
per via orale;
6- dovrebbe essere sito-specifico.
Esempio:
ProFarmaci (Prodrugs)
L’ampicillina è assorbita p.o. solo per il 40%;
necessità di somministrazioni ripetute;
elevata tossicità nel tratto GI.
La Bacampicillina, prodrug dell’ampicillina, viene assorbita al 98-99%;
ridotto numero di somministrazioni;
estremamente ridotti gli effetti tossici.
I metaboliti di bacampicillina, CO2, acetaldeide ed etanolo, sono già
metaboliti naturali nell’organismo umano.
NH2
S
O
N
O
O
O
O
O
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ProFarmaci (Prodrugs)
Progettazione di carrier-prodrugs specifici per:
 Migliorare l’assorbimento del principio attivo;




Migliorare la compliance del paziente;
Prolungare la durata d’azione (lento rilascio);
Migliorare la specificità sul sito d’azione;
Minimizzare gli effetti collaterali tossici del principio attivo.
Miglioramento dell’assorbimento del principio attivo:
Il trasporto di un farmaco attraverso la membrana dipende dalle solubilità
relative in acqua e lipidi.
Un farmaco troppo solubile in acqua non attraversa la membrana, ma se è
troppo lipofilo non riuscirà più ad uscire dalla membrana.
Un carrier adatto può essere usato per il “fine-tuning” di questo equilibrio.
ProFarmaci (Prodrugs)
Carrier lipofilo:
Incrementa la natura lipofila del principio attivo e dunque l’assorbimento del
farmaco.
(CH3)3CCOO
HO
Esterasi
OH
(CH3)3CCOO
OH
HO
NHCH3
NHCH3
Adrenalina
Dipivaloiladrenalina
L’adrenalina viene assorbita attraverso la cornea (trattamento del glaucoma) sotto
forma di pivaloil derivato, più lipofilo e meglio assorbito.
Il principio attivo viene quindi rilasciato per azione enzimatica.
Esempi di derivati usati
per aumentare la natura
lipofila dei farmaci
Gruppo Funzionale
Derivato
Acidi
Esteri
Alcooli e fenoli
Esteri
Aldeidi e chetoni
Acetali
Ammine
Sali di ammonio
quaternari, amminoacidi
e immine
ProFarmaci (Prodrugs)
Carrier lipofilo:
Nel progettare un profarmaco bisogna tenere presente l’esigenza di
bilanciare l’aumento della lipofilia, necessario per un ottimale assorbimento
passivo, con una sufficiente solubilità in acqua, altrimenti la
biodisponibilità orale sarà limitata dalla scarsa dissoluzione.
Biofarmaceutical Classification System (BCS) basata su misure di solubilità e permeabilità
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ProFarmaci (Prodrugs)
Water-solubilising carrier:
Incrementa la natura idrofila di un principio attivo lipofilo per permetterne
il passaggio attraverso la membrana per diffusione passiva.
Tipico esempio di carriers solubili in acqua sono gli AMMINOACIDI.
Hanno gruppi ionizzabili in grado di formare sali e/o gruppi in grado di
formare legami idrogeno.
OH
HO
COOC2H5
COCH2OCOCH2CH2COO-Na+
O
NHCOR
Prodrugs di Benzocaina
(R = glicina, alanina, valina e leucina)
Metilprednisolone succinato di sodio
Prodrug del glucorticoide
Metilprednisolone
ProFarmaci (Prodrugs)
Water-solubilising carrier:
Le promoieties possono essere rappresentate da gruppi neutri come il
polietilen glicole (PEG) a vario peso molecolare (fig1), oppure da gruppi
elettricamente carichi come fosfati, emisuccinati, acilsolfonammidi,
aminoacil coniugati (fig 2).
ProFarmaci (Prodrugs)
Miglioramento della compliance del paziente
Importanza di fattori quali odore e sapore sgradevoli o dolorabilità del
principio attivo.
Es. l’antibiotico Clindamicina (molto amaro e doloroso per via iniettiva)
CH2CH2CH3
N
CH3
CH3
CH2CH2CH3
CHCl
L’estere palmitico rende
palatabile l’antibiotico
CH3
CH3
CHCl
CONH CH
HO
N
CONH CH
O
OH
HO
SCH3
OCO(CH2)14CH3
Il gruppo fosfato
diminuisce la dolorabilità
O
OH
O
SCH3
P
HO O
L’uso di un carrier può alleviare questi problemi:
 Acidi grassi (acido palmitico) per ottenere sapori più “blandi”
 Gruppi come il fosfato possono ridurre la dolorabilità
OH
ProFarmaci (Prodrugs)
Prolungamento della durata d’azione (lento rilascio)
I prodrugs possono essere usati per prolungare la durata d’azione fornendo
un meccanismo di lento rilascio per il principio attivo.
Lo scopo viene raggiunto mediante lenta idrolisi di un legame ammidico o estereo
con il carrier. Il rilascio può avvenire in un periodo compreso tra alcune ore e
settimane.
carrier
O
H3C
CH3
N
CH2CONHCH2COOH
Tolmetin-glicina prodrug
Il picco di concentrazione passa
da 1h a 9h.
ProFarmaci (Prodrugs)
Miglioramento della specificità sul sito d’azione
E’ possibile progettare un carrier che rilasci il principio attivo in prossimità
del sito d’azione.
Vantaggi:
1) Una volta rilasciato, il principio attivo rimane confinato nel sito d’azione e
migra solo lentamente verso gli altri compartimenti.
2) Riduzione degli effetti collaterali.
3) Il carrier dovrebbe essere metabolizzato a metaboliti non tossici.
Svantaggi:
E’ molto difficile ottenere prodrugs con queste caratteristiche.
ProFarmaci (Prodrugs)
•
Il sulfametossazolo è un sulfamidico delle vie urinarie con una significativa
attività sistemica, indesiderata nei casi in cui si voglia combattere
un’infezione localizzata a livello dei reni. Per aumentarne la specificità è
stato progettato un suo profarmaco che viene attivato con l’intervento a
cascata di 2 sistemi enzimatici presenti entrambi in alta concentrazione
nel rene, dove avviene la trasformazione del prodrug in drug
ProFarmaci (Prodrugs)
H
H
COX
N
CH3
R
Membrana
ematoencefalica
Un esempio in cui l’approccio ha avuto successo è stata la sintesi di
diidropiridine come prodrugs per il trasporto di principi attivi attraverso la
barriera ematoencefalica.
H
H
COX
R
N
CH3
Ossidazione
enzimatica
COOH
+
+
HX
COX
Rilascio
R
R
+
N
N
CH3
CH3
I prodrugs specifici per il sito d’azione sono di solito attivati da uno specifico
sistema enzimatico
ProFarmaci (Prodrugs)
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Minimizzazione degli effetti collaterali
La formazione di prodrugs viene usata per minimizzare gli effetti tossici.
Esempio:
L’acido salicilico è uno dei più antichi analgesici.
Effetti tossici principali: irritazione della mucosa intestinale e sanguinamento.
Il suo prodrug, acido acetilsalicilico (Aspirina), riduce l’irritazione della mucosa
dello stomaco perché la conversione enzimatica al principio attivo avviene dopo
l’assorbimento nel tratto GI:
COOH
COOH
OH
OCOCH3
Acido salicilico
Acido acetilsalicilico
ProFarmaci (Prodrugs)
Confronto tra bioprecursori e carrier-prodrugs
Profarmaci
Carrier-prodrug
Bioprecursori
Costituzione
Principio attivo + carrier
Nessun carrier
Lipofilicità
Fortemente modificata
Debolmente modificata
Bioattivazione
Idrolitica
Ossidativa o riduttiva
Catalisi
Chimica o enzimatica
Solo enzimatica
ProFarmaci (Prodrugs)
Bilancio comparativo tra i due approcci:
 Modulazione della biodisponibilità dei carrier attraverso l’uso di una
porzione transitoria di trasporto: ciò non avviene nei bioprecursori che
risultano da una modifica molecolare del principio attivo stesso.
 La lipofilicità porta a una modifica profonda della molecola di partenza
nel caso dei carriers, mentre rimane immodificata nei bioprecursori.
 La bioattivazione è esclusivamente idrolitica per i carriers; per i
bioprecursori coinvolge molti sistemi redox.
 La catalisi che porta al parent-drug per i carrier è idrolitica (catalisi
generica o mediata da enzimi extraepatici). Per i bioprecursori la catalisi
è legata essenzialmente agli enzimi metabolici di Fase I.
ProFarmaci (Prodrugs)
Complicazioni e limitazioni
Successo dei profarmaci nel miglioramento di problemi quali:
- scarso assorbimento
- troppo rapida degradazione
- difficoltà di formulazione
Problematiche legate a:
- valutazione farmacologiche
- valutazione farmacocinetiche
- valutazione tossicologiche
- valutazione cliniche
Ad es. a livello farmacologico, difficoltà nello screening in vitro preliminare per i
profarmaci sottoposti a bioattivazione; impossibilità di misurazioni enzimatiche,
studi di binding e di reuptake.
ProFarmaci (Prodrugs)
A livello tossicologico possono comparire effetti collaterali dovuti alla
bioattivazione, attribuibili al profarmaco o solo al carrier
Potenziali pericoli provenienti dall approccio prodrug:
1- formazione di un metabolita tossico del prodrug, non proveniente dal
parent-drug
2- consumo eccessivo di costituenti indispensabili (ad es. glutatione)
durante il processo di attivazione del prodrug
3- prodotti tossici dalla porzione carrier, di solito inerte
4- rilascio di un prodotto in grado di modificare la PK.