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Lezione del 12/05/2005 e 13/05/05. Anno accademico 2004/05. Farmaci antiinfiammatori non steroidei (COX-inhibitors) . Basi molecolari. Acido arachidonico. Cicloossigenasi. PGH-sintasi. Perossidasi. PGD-sintasi. TX-sintasi. From: Funk CD, Science, 294, 1871, 2001. COX-3.
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Lezione del 12/05/2005e 13/05/05 Anno accademico 2004/05
Basi molecolari Acido arachidonico Cicloossigenasi PGH-sintasi Perossidasi PGD-sintasi TX-sintasi
From: Funk CD, Science, 294, 1871, 2001 COX-3 Mucus production, cytoprotection Gastric epithelial cells
Sintesi delle prostaglandine a partire dall’acido arachidonico Tyr 385 Tyr 385 Tyr 385 A. arachidonico entra nel sito catalitico della COX Acido arachidonico Formazione delle prostaglandine
Struttura degli enzimi cicloossigenasici (PGH2 sintetasi o COX) • La struttura enzimatica è stata chiarita per cristallografia a raggi X dell’enzima (COX-1: Picot D. et al., Nature 1994;367:243-249; COX-2: Luong C et al., Nat Struct Biol 1996;3:927-933). La struttura riportata nelle seguenti diapositive rappresenta il modello della COX-2 (L.J. Marnett et al., J Biol Chem, 274, 22903-22906, 1999).
Struttura degli enzimi cicloossigenasici (PGH2 sintetasi o COX) L.J. Marnett et al., J Biol Chem, 274, 22903-22906, 1999
Per maggiore chiarezza le frecce aggiunte segnalano i siti descritti nella didascalia. La COX-2 è molto simile come struttura (v. altre diapositive esplicative semplificate)
Struttura degli enzimi cicloossigenasici (PGH2 sintetasi o COX) 4eme 3cat 7Tyr385 5iodo 6 Tyr355, Arg120, Glu524 2MBD 1EGF L.J. Marnett et al., J Biol Chem, 274, 22903-22906, 1999
Struttura degli enzimi cicloossigenasici (PGH2 sintetasi o COX) • Fig. 2. Subunit structure of COX-1. Each COX subunit comprises three domains, an epidermal growth factor domain (yellow 1), a membrane-binding domain (lavender 2), and a catalytic domain (blue cyanite 3). The catalytic domain contains the cyclooxygenase active site and the peroxidase active site separated by the heme prosthetic group (red 4). In the present structure, the cyclooxygenase active site is occupied by a molecule of iodosuprofen (lime 5). Arg-120, Tyr-355, and Glu-524 comprise a H-bonding network that introduces a constriction at the base of the cyclooxygenase active site. They are depicted in gold (6). The volume beneath this constriction is termed the lobby and is bordered on three sides by the membrane-binding domain. The catalytically important Tyr-385 residue is depicted in white (7). The peroxidase active site is at the top of the protein in this drawing and is visible as the wide opening to the heme prosthetic group. L.J. Marnett et al., J Biol Chem, 274, 22903-22906, 1999
Struttura degli enzimi cicloossigenasici (PGH2 sintetasi o COX) H. Feng, Nat Struct Biol 2000;7:448
Struttura degli enzimi cicloossigenasici (PGH2 sintetasi o COX) • Gli enzimi (qui visto lateralmente è la PGH2 o COX-2) sono omodimeri ancorati alle membrane degli organuli interni delle cellule (compreso la membrana nucleare); la freccia indica il canale idrofobico attraverso il quale l’ac. arachidonico raggiunge il sito catalitico dell’enzima (eme, Tyr 385)
COX-1 71 kDa, ~600 a.a. Purificato nel 1976, clonato nel 1988 Substrato: acido arachidonico COX-2 71 kDa, ~600 a.a. Identificato e clonato intorno al 1991 Substrato: acido arachidonico ed altri acidi grassi Alcune caratteristiche COX-1 & COX-2 63% di omologia, simile affinità per l’acido arachidonico From J. Vane et al., Ann. Rev: Pharmacol Tox., 1998, 38: 97-120
Goodman & Gilman’s, 2001 (Per le formule di struttura delle molecole si rimanda al libro di testo)
Basi storiche La storia dei farmaci antinfiammatori comincia 3500 anni fa con l’uso antico di decotti di piante (salice, mirto). 1500 a.C. Gli Egiziani usavano decotti di mirto per i dolori. 400 a.C. Ippocrate usava estratti di corteccia di salice per i dolori del parto. 30 d.C.Celso (De re medica) descrive i 4 sintomi dell’infiammazione: rubor, calor, tumor e dolor ed indica l’estratto di salice per risolverli. 100 d.C.Plinio il giovane, Dioscoride riportano l’uso di derivati del salice e 200 d.C. Galeno descrive la functio lesa
Basi storiche I trial clinico: Il 2 Giugno 1763 il Reverendo Edmund Stone Chipping Norton, Oxfordshire illustra i suoi risultati alla Royal Society: “I have no other motives for publishing this valuable specific, than that it may have a fair and full trial in all its variety of circumstances and situations, and that the world may reap the benefits accurring from it.”
Basi storiche • Felix Hoffmann first made acetylsalicylic acid, better known today as aspirin, to ease his father’s arthritis. However, aspirin’s history begins long before Hoffmann’s work with it while he was a chemist at Bayer. • Hoffmann rediscovered an old formula from a French chemist, and he spent time on developing and testing aspirin to promote its use. Felix Hoffman
Basi storiche In 1971, Dr. John Vane, published in Nature is studies on the action mechanism of Aspirin. 1982Dr. Vane would win the Nobel Prize in Medicine for his work in this respect. 1927-2004
100 80 60 40 20 1.0 0.1 10 100 1000 Inibizione della sintesi delle prostaglandine da parte di farmaci aspirino-simili Indomethacin Aspirin Inhibition (%) Salicyclic acid Log concentration (mg/ml) Vane JR. Nature New Biol. 1971; 231, 232-5
FANS non selettivi Inibizione delle COX da parte dei FANS COX-2 COX-1 Tyr 385 Tyr 385 Side pocket Arg 120 Arg 120 Isoleu 523 Acido arachidonico non riesce ad entrare nel sito catalitico delle COX
1a generazione dei FANS C5H6 COOH N CH3 O OOCCH3 N NaSO3CH2N CH3 Aspirina F. Hoffman CH3 Dipirone Knorr, 1883 CH3CONH OH Paracetamolo J.Hopkins University 1877 Von Mehring 1893
Marra D.E & Liao JK- Trends Cardiovasc Med. 2001;11:339-44 Activation of NF-kB. Pro-inflammatory and proliferative stimuli activate NF-kB via activation of IkB kinase (IKK). IKK phosphorylates IkB, leading to its degradation and subsequent translocation of NF-kB into the nucleus.
Il paracetamolo • E’ un analgesico, un ottimo antipiretico, ma non è un antiinfiammatorio • Sembra inibire l’enzima COX-3, presente soprattutto a livello centrale
Inibitori selettivi COX-3 COX-2 COX-1 COX-3 COX-2 COX-1 COX-3 Chandrasekharan et al., PNAS, 99, 13926-13931,2002
Chandrasekharan NV, ….& Simmons DL. - COX-3, a cyclooxygenase-1 variant inhibited by acetaminophen and other analgesic/antipyretic drugs: cloning, structure, and expression. Proc Natl Acad Sci U S A. 2002 99:13926-31.
IC50, µM IC50, µM
2a generazione dei FANS 1960-1970 CH3 (CH3)2CHCH2 CHCOOH Acido arilpropionicoIbuprofene Acido arilaceticoDiclofenac Acido antranilicoFenamati Derivati indoliciIndometacina
3a generazione dei FANS 1980 Piroxicam Lornoxicam Tenoxicam
4a generazione dei FANS 1995-2000 Rofecoxib Celecoxib 1980-1990 Meloxicam Nimesulide
Struttura della COX-2 Tyr 385 Val 523 Side pocket Arg 120 Hawkey C.J. Lancet 353; 307-314, 1999
Basi molecolari Struttura molecolare delle COX COX-1 COX-2
A view of the "side pocket" found at the side of the COX-2 active site. The COX-2–selective inhibitor SC-558 Celecoxib SC-558 Celecoxib FitzGerald and Loll, JCI, 2001, Volume 107, 1335-1338
4-[5-(4-methylphenyl)-3-(trifluoromethyl)-1H-pyrazol-1-yl]benzenesulfonamide, 4-[4-(methylsulfonyl)phenyl]-3-phenylfuran-2(5H)-one
IC50 di FANS per COX-1 e COX-2 COX-1COX-2Ratio mMCOX2/1 Non selettivi Piroxicam 0.0005 0.3 600 ASA 1.67 278 166 Indometacina 0.028 1.68 60 Diclofenac 1.57 1.1 0.7 Meloxicam 48 0.43 0.09 Selettivi Nimesulide 9.2 0.52 0.06 Celecoxib 15 0.04 0.003 Rofecoxib >1000 0.08 0.0001
La IC50 per la COX-1 è valutata come inibizione della produzione di TXB2 in piastrine isolate dal sangue umano e per la COX-2 come produzione di PGE2 dopo induzione dell’enzima con LPSnelle cellule bianche ottenute dallo stesso campione biologico
Posologia e parametri farmacocinetici di alcuni FANS Dose Assorbimento legame volume % t/2 Elimin (mg/die) p.os % proteine distr. Metabol (h) ASA 2000/4000 90 50 0.15 100 1 rene(80) Indmetacina 50/150 98 90 0.30 85 3 rene(70) Diclofenac 75/150 99 99 0.17 85 2 rene(75) Naproxene 250/750 98 99 0.16 90 10 rene(94) Piroxicam 20 70 99 0.15 90 45 rene(90) Nabumetone 2000/4000 90 99 0.11 100 23 rene(80) Nimesulide 200/400 90 90 0.33 95 4 rene(75) Meloxicam 7.5/15 98 95 -- 99 20 rene(50) Rofecoxib 12.5/25 93 87 -- 99 17 bile(99) Celecoxib 50/400 91 97 -- 99 11 bile(60)
Indicazioni terapeutiche dei FANS • Stati infiammatori delle articolazioni, dei tessuti molli, ect. • Artriti, osteoartriti, artrosi (trattamento sintomatico) • Dolore postoperatorio e terminale in associazione agli oppioidi • Mal di testa • Dismenorrea • Antipiretici negli stati febbrili • Chiusura del dotto arterioso di Botallo • Attacco gottoso acuto • L’ASA è usato come antiaggregante e nella prevenzione primaria e secondaria dell’IMA
Recenti indicazioni terapeutiche dei FANS • Poliposi familiare del colon, carcinoma del colon retto, tumori testa-collo in associazione alla radioterapia (Coxib); queste molecole sono anche in studio per altre neoplasie • Prevenzione e progressione del morbo di Alzheimer (?)
Effetti collaterali dei FANS • Dispepsia, gastrite, ulcere gastriche e sanguinamento gastrointestinale • Ritenzione idrosalina, edema e diminuzione della funzionalità renale fino ad insufficienza renale e nefrotossicità • Angioedema, orticaria e rinite • Asma • Epatotossicità (rara)
U.S. Mortality Data for Seven Selected Disorders in 1997. M. M. Wolfe, et al.,N.E.J.M., 340, 1888-1899, 1999
Annualized Incidence of Upper Gastrointestinal Tract Ulcer Complications Alone and With Symptomatic Gastroduodenal Ulcers • Numbers above bars indicate events per patient-years of exposure. NSAIDs indicates nonsteroidal anti-inflammatory drugs E. Silverstein, et al., CLASS Celecoxib Long-term Arthritis Safety Study. JAMA284 (2000), pp. 1247–1255
E. Silverstein, et al., CLASS Celecoxib Long-term Arthritis Safety Study. JAMA284 (2000), pp. 1247–1255
Cumulative incidence of discontinuation due to gastrointestinal adverse events. • Top. The incidence among the overall study sample. Bottom. The incidence among patients who used low-dose aspirin. For both parts, Kaplan-Meier curves display the time course of cumulative incidence of discontinuations due to gastrointestinal adverse events by treatment group. Lisse et al., Ann Intern Med. 139, 539-546, 2003