Coefficiente di diffusione

1. Coefficiente di diffusione • A parità di gradiente di concentrazione, la velocità di diffusione di farmaci diversi è determinata dal loro coefficiente di diffusione. • Il coefficiente di diffusione attraverso una membrana è determinato dal coefficiente di ripartizione soluzione/membrana e, quindi, dalle caratteristiche chimico-fisiche della molecola e della membrana

2. Lipofilia • Essendo le membrane biologiche composte principalmente da lipidi, esse sono attraversate tanto più velocemente tanto più elevato è il coefficiente di ripartizione lipidi/acqua, ovvero tanto più elevata è la ‘lipofilia’. • Dato che non è sperimentalmente attuabile determinare il coefficiente di ripartizione membrana/acqua, si è cercato di utilizzare, per predire la velocità relativa di passaggio attraverso le membrane, i coefficienti di ripartizione ottanolo/acqua o olio di oliva/acqua. • In pratica, è possibile solo descrivere in modo qualitativo, e approssimativo, la dipendenza della velocità di passaggio dalla ‘lipofilia’ del composto.

3. Molecole ‘molto poco lipofile’ (con coefficiente di ripartizione ‘molto’ basso) hanno una capacità ‘trascurabile’ di attraversare le membrane. Questi composti possono essere ‘altamente’ idrofili (es. sali, polioli) oppure essere ‘praticamente’ insolubili sia nei lipidi che in soluzioni acquose (es. molti peptidi e proteine). • Per molecole estremamente lipofile il fattore limitante è la solubilità nelle soluzioni acquose; queste molecole possono accumularsi nello strato lipidico delle membrane. • In definitiva, la maggiore velocità di passaggio attraverso le membrane si ha con molecole con lipofile ma con un certo grado di idrofilia (es. paracetamolo).

4. pH e coefficiente di ripartizione • Acidi e basi deboli ed i loro sali possono esistere sia in forma dissociata (più idrofila) che indissociata (più lipofila). Il rapporto tra le due forme è determinato dai valori di Ka e di pH (equazione di Henderson-Hasselbach): pH = pKa + log [A-]/[AH] • Nell’organismo, il pH del sangue e della maggior parte dei fluidi biologici è normalmente vicino a 7,4. Può spostarsi verso valori acidi o basici in diverse condizioni fisiologiche, patologiche o indotte da farmaci o tossici (acidosi metabolica, alcalosi respiratoria ecc.). • Per farmaci con valori di pKa o pKb vicini al pH del sangue, variazioni anche lievi del pH possono far variare cnsiderevolmente il rapporto tra specie dissociata e specie indissociata e, quindi, la capacità di attraversare le membrane.

5. Acidic Drugs:HA  +H2O <==> H3O+ + A- ka kb* pka pkb* Penicillin V 2.0x10-3 5.4x10-12 2.7 11.3 Acetylsalicylic Acid (Aspirin) 3.3x10-4 3.1x10-11 3.5 10.5 Ascorbic Acid (vitamin C) 5.0x10-5 2.0x10-10 4.3 9.7 Phenobarbital 3.9x10-8 2.6x10-7 7.4 6.6 Phenytoin (Dilantin®) 7.9x10-9 1.3x10-6 8.1 5.9 Boric Acid 5.8x10-10 1.7x10-5 9.2 4.8 Zidovudine (AZT, Retrovir®) 2.0x10-10 5.0x10-5 9.7 4.3

6. Il fenobarbital ha un pKa = 7,4. A valori normali di pH ematico (pH=7,4)  [A-] = [AH] • Se il pH si abbassa a 7,2  [A-] = 0,63 [AH], cioè [AH] = 1,58 [A-]. Si ha quindi un aumento della forma indissociata e quindi un aumento della permeabilità attraverso le membrane. Nel liquido gastrico, e in misura minore nell’urina, il pH è nettamente diverso da quello del sangue

7. Summary

8. Altre modalità di attraversamento delle membrane cellulari • Trasporto attivo o facilitato.

9. 2) Endocitosi, libera o mediata da recettori di membrana

10. Barriere cellulari • Tutti i tessuti sono estesamente irrorati dai capillari sanguigni. Vi è quindi un’ampia superficie di scambio tra sangue e tessuti. • In genere, tra le cellule dell’endotelio capillare sono presenti dei pori, che permettono il passaggio dal sangue al tessuto anche di molecole non lipofile. I pori hanno un diametro di circa 10 nm, che limita o impedisce il passaggio di molte proteine.

11. In alcuni organi (SNC, occhio, placenta), l’endotelio capillare è praticamente privo di pori. Inoltre, vi è scarsissima attività di endocitosi. Nel cervello, inoltre, i capillari sono rivestiti da cellule gliali. • A questo livello vi è quindi una barriera al passaggio di sostanze che non diffondono attraverso la membrana cellulare. • Farmaci non lipofili non penetrano significativamente nel SNC e non hanno quindi effetti centrali (farmaco-terapeutici). Es. antimuscarinici di sintesi.

12. Antimuscarinici naturali Gli antimuscarinici sintetici hanno un gruppo ammonico quaternario, carico positivamente. Sono quindi poco lipofili e non attraversano al barriera emato-encefalica Antimuscarinici di sintesi

13. Il liquido interstiziale nel SNC ha una composizione nettamente diversa da quella di alti tessuti; in particolare sono praticamente assenti le proteine plasmatiche. • A livello della barriera emato-encefalica (e di altre barriere) vi sono numerosi sistemi di trasporto, che consentono il passaggio di sostanze non lipofile necessarie per il metabolismo del SNC (es. glucosio, aminoacidi).

14. Nell’encefalo circola il liquido cefalo-rachidiano (LCR, liquor), che origina dal sangue a livello dei plessi coroidei, dove l’endotelio capillare è più fenestrato ed è molto più permeabile che in altre regioni del SNC. Farmaci idrofili possono quindi passare nel LCR. Tuttavia, data la bassa estensione del circolo del LCR, il passaggio nel liquido interstiziale è limitato. Esistono inoltre sistemi di trasporto LCR  sangue.

15. Le zone del SNC vicine ai plessi coroidei e alcune regioni periventricolari sono meno protette dalla barriera emato-encefalica e più sensibili ai farmaci presenti nel sangue (es. CTZ, Chemoreceptor Trigger Zone, l’area di ‘innesco’ del riflesso del vomito) • In condizioni patologiche (infezioni con infiammazione delle meningi, febbre elevata, aterosclerosi) si ha una compromissione anatomico-funzionale della barriera emato-encefalica, con aumento della permeabilità.

16. Figure 8. 4 weeks implantation site. The basic structure of the placenta has been formed with maternal blood being delivered to the forming placenta via spiral arteries while being drained away via uterine veins. Like the roots of a tree, the developing chorionic villi remain immersed in a space filled with the nutrient rich maternal blood. Figure 9. Maternal and fetal circulations within the placenta. Maternal blood is fountained into the placenta through the uterine spiral arteries where it circulates around the chorionic villi–much like ocean water circulating around sea anemone. The fetus pumps blood into the placenta via two umbilical arteries that branch over the fetal surface of the placenta. The fetal arteries then dive into the placental mass, continuously branching until the blood reaches the capillary loops of the chorionic villi–much like a branching tree with leaves. The maternal blood enters the placenta via the spiral arteries of the uterus. At the point were the spiral arteries make contact with the placenta, they end in open channels, fountaining maternal blood into the intervillous space La barriera placentare

17. Il sangue fetale è separato da quello materno dal sincizio placentare, dall’interstizio villare e dalle cellule endoteliali dei capillari villari. • A livello del sincizio placentare sono presenti molti sistemi di trasporto e di endocitosi mediata da recettore (es. transferrina, IgG, peptidi, proteine) • La barriera placentare è meno selettiva di quella emato-encefalica. Inoltre, il sangue materno circola molto lentamente  aumenta il tempo di scambio. • Quasi tutti i farmaci (tranne farmaci idrofili di grosse dimensioni molecolari) possono raggiungere il feto, anche se lentamente e a concentrazioni più basse rispetto a quelle materne.

18. Assorbimento, vie di somministrazione e di esposizione • Effetti locali e assorbimento sistemico. Un farmaco che viene a contatto con una certa area del corpo (cute, intestino, polmoni, tessuto sottocutaneo ecc.) può: • esercitare effetti locali e/o • essere assorbito nel sangue, a livello dei capillari, dopo avere attraversato uno o più strati di cellule (assorbimento sistemico), ed esercitare quindi effetti su organi distanti dal sito di assorbimento.

19. La via di assorbimento (o via di esposizione) influenza: • il tipo di molecole assorbite (in base alle loro caratteristiche chimico-fisiche); ad esempio, molecole idrofile non vengono assorbite per via gastroenterica (via enterale) ma devono essere iniettate (via parenterale) • la ‘forma farmaceutica’ utilizzata (compresse, soluzioni iniettabili, aerosol ecc.) • la velocità di assorbimento • l’entità dell’assorbimento • Entità e velocità di assorbimento sono parametri differenti; la relazione tra i due parametri è variabile.

20. L’entità dell’assorbimento è la quantità di farmaco somministrato che viene effettivamente assorbita; tale quantità non può essere misurata direttamente. Un indice dell’entità è l’area sotto la curva (AUC, Area Under the Curve) del grafico concentrazione-tempo. L’AUC, tuttavia, dipende anche da altri parametri (velocità di eliminazione, volume di distribuzione).

21. Area sotto la curva (AUC) dopo somministrazione endovenosa Curva concentrazione-tempo dopo somministrazione non endovenosa

22. La velocità dell’assorbimento è la variazione nel tempo della concentrazione del farmaco al sito di assorbimento (es. fluido intestinale): vass = -  c/  t. Più facilmente, e più praticamente, può essere definita come la variazione nel tempo della concentrazione nel sangue: vass =  csangue/  t. La velocità di assorbimento è un processo di I ordine; è quindi proporzionale alla concentrazione cass del farmaco al sito di assorbimento: vass =  csangue/ t = ka x cass La costante di proporzionalità ka è chiamata costante di assorbimento

23. Velocità di assorbimento

24. Come detto, l’AUC, che è un indice dell’entità dell’assorbimento, dipende anche dagli altri processi (distribuzione, eliminazione) che determinano la curva concentrazione-tempo del farmaco. Il valore dell’AUC è quindi determinato, oltre che dalla velocità di assorbimento, anche dal volume di distribuzione e dalla velocità di eliminazione. • La relazione tra velocità di assorbimento ed AUC è quindi variabile, in dipendenza dei valori di kel (costante di eliminazione) e Vd (volume di distribuzione).

25. Se 2 farmaci hanno uguale velocità di eliminazione ed uguale volume di distribuzione, il farmaco con maggiore ka ha anche maggiore AUC ka = 3 h-1 kel = 0,2 h-1 Vd = 20 l ka = 1 h-1

26. Tuttavia se i 2 farmaci hanno diversi valori di Kel o di Vd, una maggiore velocità di assorbimento può non corrispondere ad una maggiore AUC ka = 3; kel = 0,2 h-1 ka =1; kel = 0,1 h-1

27. La frazione (o percentuale) della dose che viene assorbita è definita biodisponibilità (F). • La biodisponibilità dopo somministrazione per una data via (es. orale), può essere valutata dal rapporto tra l’AUC dopo somministrazione per quella via e l’AUC dopo somministrazione endovenosa. Nella somministrazione endovenosa non vi è infatti una fase di assorbimento; l’AUC dopo somministrazione endovenosa corrisponde quindi ad un assorbimento completo (biodisponibilità = 1, o 100%).

29. Biodisponibilità dell’estradiolo dopo somministrazione nasale.

30. Concentrazione di picco (Cmax), tempo di picco (tmax) • Il valore della concentrazione plasmatica massima o concentrazione di picco è importante in quanto indica se il farmaco raggiunge o meno effetti terapeutici o tossici. Farmaci con uguale AUC ma diversi valori di Cmax e tmax finestra terapeutica

31. Il valore di tmax è importante per farmaci che devono avere azione rapida (es. analgesici). Quando la concentrazione è massima,  c/  t = 0. Ciò si verifica quando la velocità di assorbimento è uguale alla velocità di eliminazione.

32. Caratteristiche del sito di assorbimento che influenzano velocità ed entità dell’assorbimento • Estensione della superficie assorbente • Permeabilità della superficie assorbente: spessore e natura dello strato cellulare che separa la superficie esterna dai capillari: epitelio monostratificato (es., intestino, polmoni), epitelio stratificato (es. faringe), epitelio stratificato cheratinizzato (cute). La permeabilità può essere alterata in condizioni patologiche (es. lesioni cutanee) • Vascolarizzazione: es. sottocutanea vs. intramuscolare

33. Epitelio intestinale monostratificato

34. Caratteristiche del farmaco che influenzano velocità ed entità dell’assorbimento • Lipofilia. • Dissoluzione. L’assorbimento di farmaci somministrati come formulazioni solide (compresse, capsule, polveri ecc.) è costituito da 3 fasi: disgregazione, dissoluzione, assorbimento attraverso la mucosa (per le polveri non vi è la fase di disgregazione).

35. Disgregazione-dissoluzione Se il processo di dissoluzione è il passaggio ‘lento’ , limitante la velocità complessiva di assorbimento, i fattori che influenzano il processo di disgregazione-dissoluzione controllano la velocità dell’intero processo. In caso di somministrazione orale, farmaci che si dissolvono molto lentamente hanno una bassa biodisponibilità, in quanto vengono evacuati prima di essere assorbiti. Ka Assorbimento

36. La velocità di dissoluzione dipende, per un dato farmaco, dalla superficie totale delle particelle (cristalli) di farmaco. Minori sono le dimensioni delle particelle, maggiore è la superficie, maggiore è l’assorbimento (biodisponibilità).

37. Anche gli eccipienti ed il processo produttivo possono influenzare la velocità di dissoluzione e quindi l’entità dell’assorbimento. Curve concentrazione tempo, dopo somministrazione orale, di 3 formulazioni di metoprololo con diversa biodisponibilità (F)

38. Assorbimento gastrointestinale • Estesa superficie assorbente; l’assorbimento avviene prevalentemente nel piccolo intestino, che ha la superficie maggiore (circa 200 m2) ed il maggior flusso ematico (~ 1 l/min) (stomaco: superficie 1 m2; flusso ematico 0,15 l/min)

40. Influenza delle caratteristiche chimico-fisiche della sostanza: • Le sostanze amfifiliche (lipofile e idrofile) sono assorbite più estesamente e rapidamente (diffusione). Per queste sostanze il fattore limitante è il flusso ematico intestinale. • Sostanze che hanno struttura simile a quella di nutrienti possono essere assorbite mediante trasporto attivo (levodopa, tallio, piombo) ; sostanze idrofile possono essere trasportate anche mediante trasporto passivo paracellulare (es. PAM). • Sostanze molto lipofile (DDT) possono essere assorbite tramite la ‘via dei lipidi’

42. Fattori che diminuiscono l’assorbimento GI. 1. Suscettibilità al pH acido, agli enzimi GI e alla flora intestinale • pH. Sostanze acido-labili possono essere inattivate nello stomaco (es. catecolamine). • Enzimi e flora intestinale. Gli enzimi digestivi ed i batteri della flora intestinale possono metabolizzare farmaci e tossici; il risultato è in genere la perdita di attività (es. proteine, veleno di serpenti)

43. 2. Eliminazione pre-sistemica (metabolismo di primo passaggio) • Trasformazione metabolica nelle cellule GI • Trasformazione metabolica negli epatociti: quasi tutti i vasi provenienti dall’intestino confluiscono nella vena porta, che finisce nel fegato. Le sostanze assorbite possono essere quindi metabolizzate dal fegato prima di raggiungere il circolo sistemico fegato

44. Circolo entero-epatico: le sostanze che sono state trasportate al fegato dalla circolazione portale possono essere escrete nella bile (metabolizzate o immodificate) e ritornare quindi nell’intestino, dove possono essere riassorbite.

45. Altri fattori che influenzano l’assorbimento GI • Interazioni. Sostanze presenti nel tratto GI possono modificare la solubilità/permeabilità del farmaco. Esempi: • fibre vegetali idrofile, resine scambiatrici, carbone attivato adsorbono molti farmaci, riducendone l’assorbimento; • EDTA (e altri chelanti) chelano i metalli pesanti, aumentandone la permeabilità e quindi l’assorbimento; • ioni Ca++ e Al+++ formano complessi insolubili con le tetracicline; • interazioni tra ioni diversi (Cd aumenta assorbimento di Zn e Cu).

46. Dimensioni delle particelle (area superficiale). Hg metallico poco tossico per os; As più tossico se finemente polverizzato • Velocità di transito intestinale. Importanti soprattutto per molecole poco assorbite (idrofile): variazioni della peristalsi possono ridurre o aumentare enormemente il tempo di transito  alterazioni della quota assorbita. Farmaci e preparati erboristici con effetto lassativo diminuiscono il tempo di transito, diminuendo l’assorbimento. • Il cibo diminuisce il tempo di svuotamento gastrico  rallentamento dell’assorbimento intestinale.

47. ASSORBIMENTO POLMONARE • Molto importante dal punto di vista tossicologico (gas nervini, CO, amianto, silicosi) • Alta superficie di scambio alveolare: 100-200 m2 nell’uomo (come intestino tenue) • Epitelio alveolare monostratificato e sottile • Ampia superficie capillare (80 m2) ed elevata perfusione ematica (2,5 l/min; intestino tenue 1 l/min)   Assorbimento molto efficiente

48. Es. rapidità di effetto di anestetici volatili, gas nervini, HCN, (secondi-minuti). •  La velocità di assorbimento è in genere più alta della velocità di assorbimento GI. Sono assorbiti GAS e VAPORI, AEROSOL. Le caratteristiche di assorbimento sono molto diverse.

49. GAS E VAPORI • La lipofilia è meno discriminante rispetto all’assorbimento GI perché la velocità di diffusione non è il passaggio limitante la velocità di assorbimento polmonare dei gas: • gas e vapori sono in genere sufficientemente lipofili • l’epitelio alveolare è molto sottile • l’elevato flusso ematico assicura una rapida rimozione del gas passato nel sangue  mantenimento di un gradiente di concentrazione tra aria alveolare e sangue

50. Fattori protettivi. La mucosa naso-tracheale è coperta da un film fluido  vengono trattenute molecole altamente idrosolubili o altamente reattive (es. formaldeide) Molti gas e vapori non vengono metabolizzati in quantità significative e vengono escreti per via polmonare. Assorbimento ed eliminazione avvengono perciò nella stessa sede. In presenza di adeguate concentrazioni nell’aria inspirata si può raggiungere quindi dopo un certo periodo di tempo un vero equilibrio, durante il quale la velocità di assorbimento è uguale alla velocità di eliminazione.