Farmaci: curve dose-risposta e potenza, una presentazione di Biologia

FARMACI

· L'effetto di un farmaco o di un tossico è funzione della dose somministrata (almeno in un certo intervallo di dosi) · E' fondamentale, quindi, ai fini della valutazione della efficacia terapeutica e della tossicità, la quantificazione degli effetti in vitro ed in vivo, cioè l'individuazione delle curve

• concentrazione-risposta (vitro)
• dose-risposta (vivo)

DEFINIZIONI

La tossicità di una sostanza viene espressa in base alle dosi che sono in grado di determinare un effetto indesiderato nell'animale

Dose Massima Tollerata (DMT)

DMT (Dose Massima Tollerata): è definita anche "dose soglia" ed è la più alta dose che non induce alcun effetto, diretto o indiretto

Minima Dose Tossica (MDT)

MDT (Minima Dose Tossica): è la più bassa dose in grado di determinare un effetto tossico, ma non letale

Dose Letale (DL)

DL (Dose Letale): è la dose in grado di determinare la morte dell'animale, per convenzione, entro 24 ore dall'esposizione

PROBABILE DL50 PER OS NELL'UOMO

SOSTANZA	DL50 (mg/kg)	DEFINIZIONE
Alcool etilico	10000	Praticamente non tossiche (>15 g/kg)
Cloruro di sodio	4000	Leggermente tossiche (5-15 g/kg)
Fenobarbital	150	Moderatamente tossiche (0.5-5 g/kg)
Parathion	7	Altamente tossiche (50-500 mg/kg)
Stricnina	2	Estremamente tossiche (5-50 mg/kg)
Nicotina	1	Super tossiche (‹ 5 mg/kg)
D-tubocurarina	0.05
Tetrodotossina	0.01
TCDD	0.001
Tossina botulinica	0.00001

DL50 (Dose Letale 50)

DL50 (Dose Letale 50): è la dose in grado di provocare la morte nel 50% degli animali trattati una sola volta

Nell'indicare la DL50 deve essere specificata anche la via di somministrazione, la specie animale ed eventualmente anche la razza e il sesso

La DL50 è indicativa della sola tossicità acuta e riferita all'effetto letale. Non dà indicazioni sugli effetti a lungo termine, per esposizioni ripetute, né su eventuali effetti mutageni, cancerogeni o teratogeni

E la DE50? .....Efficaci a massima

Costruzione di una curva dose risposta

Come si costruisce una curva dose risposta?

Risposta misurata

Pendenza

Potenza

Dose (scala log 10)

La curva dose-risposta è tipicamente rappresentata come dose o funzione della dose (p. es., log10 della dose) sull'asse delle X e come misura dell'effetto (risposta) sull'asse delle Y. Poiché un effetto farmacologico è funzione sia della dose sia del tempo, un grafico di questo tipo descrive la relazione dose-risposta indipendentemente dal tempo.

CURVE DOSE RISPOSTA

L'effetto di un farmaco è proporzionale al numero di recettori occupati, quindi aumenta all'aumentare della dose. E max si ha con tutti i recettori occupati

Dose-Response Relationship

"The Dose Makes the Poison" Effective Dose Lethal Dose 100 Animals Sleeping (%) 100 80 80 60 ED 40 50 40 20 1 2 3 5 7 10 10 20 30 50 100 Phenobarbital (mg/kg) Log Scale Animals Killed (%) 60 LD 50 20

INDICE TERAPEUTICO

L'indice terapeutico è un indice della sicurezza di un farmaco. I farmaci che hanno un alto indice terapeutico sono sicuri I farmaci che hanno un basso indice terapeutico sono poco maneggevoli

Alto e Basso Indice Terapeutico

Alto indice terapeutico Basso indice terapeutico Therapeutic Window 100 Percent of patients Desired therapeutic effect 50 Unwanted adverse effect Log concentration of drug in plasma [arbitrary units) Log concentration of drug in plasma {arbitrary units) Therapeutic Window 100 Desired therapeutic effect Unwanted effect ICH

Calcolo dell'Indice Terapeutico

Indice terapeutico LD50 IT = ED50

Esempi di Indice Terapeutico

Penicillina (antibiotico) Alto indice terapeutico Basso indice terapeutico Therapeutic Window Therapeutic Window 100 100 Percent of patients Desired therapeutic effect 50 Unwanted adverse effect Percent of patients Desired therapeutic effect 50 Unwanted adverse effect 0 0 Log concentration of drug in plasma (arbitrary units) Log concentration of drug in plasma (arbitrary units) Warfarin (farmaco anticoagulante)

Oggi più comunemente con Indice Terapeutico si intende il rapporto fra la dose massima tollerata e la dose minima efficace, o semplificando ulteriormente, fra dose tossica e dose efficace. Se una dose doppia di quella efficace e' gia' tossica (IT = 2, basso indice terapeutico) il farmaco sara' poco maneggevole. Se gli effetti tossici si hanno a dosi dieci o venti superiori dose efficace (IT = 10 - 20, alto indice terapeutico), allora il farmaco sara' più maneggevole, cioè piccoli sovradosaggi occasionali non avranno effetti nocivi. Un alto indice terapeutico implica un ampio margine di sicurezza nel dosaggio del farmaco. Un farmaco con basso indice terapeutico è un farmaco difficile da usare, che richiederà maggior attenzione nella somministrazione.

Meccanismo di azione dei farmaci

Farmacodinamica

La farmacodinamica studia gli effetti biochimici e il meccanismo d'azione dei farmaci delineare le interazioni fisiche o chimiche tra farmaco e cellula caratterizzare la sequenza completa farmaco-effetto

Gli effetti terapeutici e tossici dei farmaci traggono origine dalle loro interazioni con molecole presenti nell'organismo Per lo più i farmaci agiscono combinandosi con macromolecole specifiche in modo tale da alterarne le proprietà biochimiche biofisiche

farmaci producono effetti chimici e fisiologici molto specifici: non esiste un farmaco universale, capace di intervenire su qualsiasi sintomo. Questa evidenza ha portato a teorizzare l'esistenza dei recettori. Si definisce RECETTORE il componente di una cellula che interagisce con un farmaco dando inizio alla catena di eventi biochimici che portano agli effetti farmacologici osservati

I RECETTORI

Sono recettori per i farmaci:

• recettori per i neurotrasmettitori e gli ormoni
• enzimi
• canali ionici
• acidi nucleici

I recettori sono responsabili della selettività dell'azione farmacologica

• i recettori sono responsabili della selettività dell'azione dei farmaci;
• i recettori mediano l'azione farmacologica fra agonisti (sostanze in grado di produrre un determinato effetto) e antagonisti (sostanze in grado di impedire l'azione dell'agonista);
• il farmaco interagisce con un recettore e l'effetto risultante è proporzionale al numero dei recettori occupati.

Teoria classica dell'occupazione recettoriale

· A + R AR stimulus response

Lo stimolo indotto alla cellula è funzione di: 1. Frazione di recettori occupati (data dalla concentrazione del farmaco x l'affinità (KD) 2. attività intrinseca (a) 3. numero di recettori (densità recettoriale) Questo stimolo è trasformato in risposta biologica mediante effettori biochimici Questo processo di amplificazione varia a seconda della cellula e può cambiare il profilo di un agonista

INTERAZIONE FARMACO-RECETTORE

L'interazione tra farmaco e recettore è mediata da legami chimici deboli come :

• ponti idrogeno,
• forze di vander Waals,
• interazioni idrofobiche

I farmaci influenzano in modo quantitativo le funzioni fisiologiche delle cellule bersaglio, ma non impartiscono nuove funzioni

I farmaci influenzano in modo quantitativo le funzioni fisiologiche delle cellule bersaglio, ma non impartiscono nuove funzioni

CONTRACTION muscle cell :5000 secretory cell SECRETION

Esempi di recettori e meccanismo di traduzione

Esempi di recettori e relativo meccanismo di traduzione

1 2 3 4 Effettore XXXX Nucleo G Y Y P X Y

1. Recettori ionotropici: variazioni del flusso ionico
2. Recettori metabotropici: proteine G (secondi messaggeri)
3. Recettori tirosin-chinasici: fosforilazione biomolecole
4. Recettori nucleari: regolazione trascrizione

BERSAGLI DEI FARMACI

ALTRI BERSAGLI DI FARMACI

• Enzimi - aspirina, paracetamolo
• Canali ionici - anestetici locali
• Acidi nucleici - cisplatino

CURVE DOSE-RISPOSTA

L'effetto di un farmaco è proporzionale al numero di recettorioccupati, quindi aumenta all'aumentare della dose. L'effetto massimo si verifica quando tutti i recettori sono occupati.

185 Effetto mossimo Effetto Dose efficace media DE- 0001 Dose (Log)

POTENZA

100 potenza crescente 80 60 effetto % 40 20 10:10 10-0 10-8 10:7 106 10-5 [X]. M EC50 ECKO ECAD

LA POTENZA DI UN FARMACO

Come si pu ò vedere dal grafico si è in presenza di una sigmoide (scala logaritmica) sia per il farmaco A, sia per il farmaco B, sia per il farmaco C. Ora si va ad osservare qual è la concentrazione di farmaco che ci dà il 50% dell'effetto. Il 50% dell'effetto corrisponde ad una determinata concentrazione del farmaco chiamata EC50. Cosa possiamo notare da questo grafico? Da questo grafico si può dedurre che il farmaco A, il farmaco B ed il farmaco C hanno lo stesso effetto ma potenza diversa. Perché il farmaco A è più potente? Il farmaco A è più potente perché raggiunge il 50% dell'effetto a una concentrazione più bassa rispetto al farmaco B e al farmaco C. Il farmaco con l'EC50 più bassa è il più potente, quindi più ci si sposta a sinistra più la potenza aumenta. Di norma quando si confrontano delle molecole diverse che hanno uno stesso effetto si opta per la molecola che presenta un effetto maggiore a una concentrazione minore. Utilizzare un farmaco che ha un effetto a bassa concentrazione significa ridurre i possibili effetti collaterali.

A B C 1.00- 00 Potenza crescente 0.75 E/Emax 0.50 0.25- 0.00- -10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 log [F] EC_ EC.

EFFICACIA

Si definisce EFFICACIA di un farmaco l'entità massima dell'effetto che esso può indurre. L'altezza della curva dose-risposta rispecchia l'efficacia. L'efficacia non dipende dalla dose, ma è indice dell'attività intrinseca del farmaco nell'indurre un determinato effetto.

EFFICACIA

100 · _ = 0,6 80 & # = 0,3 % dell'effetto 60 40 efficacia crescente 20 0 10-10 10-0 10-8 107 10 6 agonista, M

L'EFFICACIA

Con il termine efficacia s'intende il potere di che una molecola ha nel raggiungere l'effetto massimo. Anche in questo grafico abbiamo tre sigmoidi che rappresentano tre farmaci con lo stesso effetto farmacologico, ma con diverse caratteristiche. Il farmaco A è più potente rispetto a B e a C, perché ha un EC50 più basso. I farmaci A e B hanno la stessa efficacia perché raggiungono entrambi il 100% .; invece il farmaco C è il meno efficace e meno potente dei farmaci A e B.

A B 100- 75- effetto % C 50- 25- 6 0- -10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 log [F]

L'efficacia di un farmaco corrisponde ad una modificazione conformazionale dei recettori, quindi ad un'induzione di una risposta biologica nella cellula. Questa efficacia può essere chiamata anche ATTIVITÀ INTRINSECA, perché solo la molecola che ha la capacità di modificare il recettore ha una certa efficacia. L'efficacia viene indicata con a ed è direttamente proporzionale al legame che si crea tra farmaco - recettore. In termini matematici possiamo dire che l'agonista ha un a = 1 in quanto il suo effetto farmacologico è direttamente proporzionale al legame farmaco - recettore. Un antagonista ha un a = 0 e vuol dire che il suo effetto è nullo perché si può legare al recettore ma non provoca modificazioni conformazionali del recettore, quindi manca dell'attività intrinseca. Invece si definisce agonista parziale quella molecola che ha un a compreso tra 0 e 1 in quanto la molecola non riesce a modificare il recettore sufficientemente per ottenere una massima efficacia.