Metabolizam lijekova - pmf.unsa.ba za organsku hemiju i biohemiju... · kloramfenikol, izoniazid,...

Metabolizam lijekova

1

• Metabolizam ima tri osnovne namjere – Da snadbije organizam energijom za tjelesne

funkcije i održavanje

– Da razgradi unjete strane spojeve do jednostavnih struktura (katabolizam) i biosintezu kompleksnih molekula za koji je obično potrebna energija (anabolizam)

– Prevođenje ili biotransformaciju stranih spojeva u polarnije, u vodi topive i jonizirane stukture koje se mogu lakše eliminirati

2

• Metabolizam lijeka se odnosi na biohemijsku transformaciju lijeka biološkom okolinom

• LIJEK NE STVARA NOVE FUNKCIJE NEGO MIJENJA POSTOJEĆE

3

• WHO:

• „Lijek je svaka tvar ili proizvod koji se primjenjuje ili se namjerava primijeniti sa svrhom modificiranja ili istraživanja fizioloških sustava ili patoloških stanja.“

4

• Eliminacija je proces ireverzibinog uklanjanja lijeka iz organizma i sastoji se iz dva procesa: metabolizma i izlučivanja (ekskrecije).

• Metabolizam uključuje enzimsku konverziju jednog hemijskog oblika u drugi, dok se izlučivanje sastoji od eliminacije iz organizma hemijski nepromjenjenog lijeka ili njegovih metabolita.

• Glavni putevi kojima lijekovi i njihovi metaboliti napuštaju organizam su: – bubrezi;

– hepatobilijarni sistem;

– pluća (važan put za isparljive/gasovite anestetike)

5

• Mnogi lijekovi urinom napuštaju organizam u nepromijenjenom obliku ili kao polarni metaboliti. Neki lijekovi se putem jetre izlučuju u žuč, ali veći dio se ponovo resorbuje iz crijeva.

• Preko pluća se izlučuju samo visokoisparljiva i gasovita jedinjenja (npr. opšti anestetici). Neznatne količine pojedinih lijekova također se u malom stepenu izlučuju u sekretima, kao što su znoj i mlijeko.

6

• Eliminacija ovim putevima je kvantitativno zanemariva u poređenju sa renalnom ekskrecijom, iako izlučivanje u mlijeku može biti značajno zbog efekata na bebu.

• Lipofilne supstance se ne eliminišu efikasno putem bubrega.

• Prema tome, većina lipofilnih supstanci se metabolizmom prevodi u polarnije metabolite, koji se potom izlučuju u urin.

• Metabolizam lijekova se prvenstveno odvija u jetri, i to naročito posredstvom citohrom P450 (CYP) sistema.

7

Biotransformacije oksidacijom • Oksidacija se vrši pomoću enzima CITOHROM P450

• Za njihovo djelovanje su neophodni koenzimi – Piridinski nukleotidi (NAD i NADP)

– Flavanski nukleotidi (FADi FMN)

– Hinoni (ubikinon ili koenzim Q10)

8

Biotransformacije redukcijom

• Redukciju vrši enzim NADPH-citohrom reduktaza

– Supstrati su spojevi sa; karbonilnom grupom, dvostrukom vezom,

– reduktivna i oksidativna dehalogenacija

9

Biotransformacije hidrolizom

• U reakciji učestvuju hidralaze; esteraze i amidaze

• Supstrati su

– Esteri; esteri karboksilnih kiselina, tioesteri, esteri fosforne kiseline

– Amidi; 1°, 2°, 3° amidi,

– laktami

10

Faza II

11

Metabolizam lijekova

• Životinje su razvile složene sisteme koji detoksikuju egzogene supstance, uključujući i karcinogene i toksine prisutne u otrovnim biljkama.

• Metabolizam lijekova uključuje dvije vrste biohemijskih reakcija, koje su poznate kao reakcije I i reakcije II faze. One se često, iako nije pravilo, odvijaju jedna za drugom.

• Reakcije I faze su kataboličke (npr. oksidacija, redukcija ili hidroliza), a proizvodi često hemijski reaktivniji i zato ponekad toksičniji ili jače kancerogeni od polaznog lijeka.

12

• Reakcije II faze su sintetičke (anaboličke) i uključuju konjugaciju, što često za rezultat ima stvaranje neaktivnih proizvoda.

• U reakcijama I faze, u molekul se često uvode relativno reaktivne grupe, kao što je hidroksilna. Ove grupe služe kao mjesto napada konjugacionih sistema, koji za njih vezuju supstituente kao što je glukuronid.

• Obje faze obično smanjuju liposolubilnost, stimulirajući tako renalnu eliminaciju.

13

• Reakcije I i II faze odvijaju se uglavnom u jetri, iako se neki lijekovi metaboliziraju u plazmi, plućima ili crijevu. Mnogi hepatički enzimi za metabolizam lijekova, uključujući i citohrom P450, smješteni su u glatkom endoplazmatskom retikulumu.

• Oni se često nazivaju “mikrozomnim” enzimima, zato što se pri homogenizaciji i diferencijalnom centrifugiranju endoplazmatski retikulum raspada na vrlo maIe fragmente, koji se talože tek nakon produženog centrifugiranja pri velikoj brzini u “mikrozomnoj” frakciji.

14

• Da bi lijek u organizmu dospio do ovih enzima, mora da prođe kroz ćelijsku membranu. Polarni molekuli prolaze znatno sporije od nepolarnih, izuzev ako ne postoje specifični transportni mehanizmi, tako da je intracelularni metabolizam uopšteno manje važan za polarne nego za liposolubilne lijekove. Tako se polarni lijekovi uglavnom izlučuju nepromjenjeni u urinu.

• Obrnuto, nepolarni lijekovi mogu vrlo brzo da priđu intracelularnim enzimima, ali je njihova eliminacija putem bubrega neefikasna zbog pasivne reapsorpcije u tubulima.

15

Reakcije I faze

• P450 monooksigenazni sistem – Citohrom P450 enzimi su hemoproteini koji čine veliku

familiju srodnih, ali različitih enzima (svaki se označava oznakom “CYP”). Enzimi se međusobno razlikuju u sekvencama aminokiselina, regulaciji indukujućim i inhibirajućim agensima i specifičnosti reakcija koje katalizuju.

– Različiti članovi ove familije mogu djelovati na iste supstrate, ali različitim brzinama.

– Za sada je opisano 74 CYP genske familije, od kojih su tri glavne (CYP1 , CYP2 i CYP3) uključene u metabolizam lijekova u jetri kod ljudi.

16

• Oksidacija lijekova monooksigenaznim P450 sistemom zahtjeva prisustvo lijeka (supstrata, “LH”), P450 enzima, molekulskog kisika, NADPH i flavoproteina (NADPH-P450 reduktaze).

• Mehanizam uključuje složen ciklus, ali je ukupan efekat reakcije prilično jednostavan.

17

• Jedan atom kisika (iz molekula kisika) prima lijek za obrazovanje hidroksilne grupe (proizvod je”LOH”), dok se drugi atom kisika konvertuje u vodu.

• CYP enzimi imaju jedinstvena redukciona svojstva koja su fundamentalna za njihove različite funkcije.

18

• P450 koji sadrži feri jon (Fe3+) stupa u interakciju sa molekulom lijeka (LH), prima elektron od NADPH-P450 reduktaze, koji redukuje gvožđe do Fe2+, udružuje se sa molekulom kiseonika, protonom i drugim elektronom (bilo iz NADPH-P450 reduktaze bilo iz citohroma bs) obrazujući kompleks Fe2+OOH-LH.

• Kompleks se potom udružuje sa drugim protonom dajući vodu i kompleks feri-oksena-(FeO)3+-LH. (FeO)3+ preuzima atom vodika iz LH, uz obrazovanje para kratkoživućih slobodnih radikala, oslobađanje oksidiranog lijeka (LOH) iz kompleksa i regeneraciju P450 enzima.

Fe3+

LH

Fe2+

LH

Fe2+O2

LH

Fe2+OOH

LH

Fe3+

LOH

(FeO)3+

LH

19

Inhibicija P450

• Inhibitori P450 se razlikuju po svojoj selektivnosti prema različitim izoformama enzima i klasifikuju se prema mehanizmu djelovanja.

• Nekompetitivni inhibitori uključuju lijekove kao što je ketokonazol, koji obrazuje čvrst kompleks sa Fe3+ oblikom gvožđa hema enzima CYP3A4, prouzrokujući reverzibilnu nekompetitivnu inhibiciju.

• Mnoge klinički značajne interakcije između lijekova rezultat su inhibicije P450 enzima.

20

Ostale reakcije i faze

• Ne odvijaju se sve reakcije oksidacije isključivo posredstvom P450 sistema. Na primjer, u metabolizmu etanola pored CYP2E1, učestvuje i citoplazmatski enzim, alkoholna dehidrogenaza.

• Reakcije redukcije mnogo su manje uobičajene od oksidacije, ali neke od njih su značajne. Na primer, varfarin se inaktivira posredstvom CYP2A6, prevođenjem keto u hidroksilnu grupu.

• Reakcije hidrolize ne uključuju hepatičke mikrozomne enzime, već se odvijaju u plazmi i brojnim tkivima. Hidrolizi podliježu estarske i (nešto sporije) amidske veze.

21

Reakcije II faze

• Ukoliko molekul polaznog lijeka ili metabolički proizvod iz I faze posjeduju odgovarajuću strukturu (npr. hidroksilnu, tiolnu ili amino grupu), za koju može da se vezuje supstituent, oni će biti podložni konjugaciji.

• Ove reakcije sinteze označavaju se reakcijama II faze metabolizma.

• Nastali konjugat je gotovo uvijek farmakološki neaktivan i manje liposolubilan od svog prekursora, a izlučuje se u urinu ili žuči.

• Grupe koje su najčešće uključene u formiranje konjugata su: glukuronil, sulfatna, metil, acetil, glicil i glutationska.

22

• Stvaranje glukuronida uključuje sintezu visokoenergetskog fosfatnog jedinjenja, uridin difosfata (UDP) glukuronske kiseline (UDPGA), sa kojeg se glukuronska kiselina prenosi na atom supstrata bogat elektronima (N, O ili S), uz formiranje amidske, estarske ili tiolne veze. UDP glukuronil transferaza, koja katalizuje ovu reakciju, ima veoma široku supstratnu specifičnost, koja uključuje mnoge lijekove i druge egzogene molekule. Neke važne endogene supstance, kao što su bilirubin i kortikosteroidi nadbubrežne žlezde, također se konjuguju posredstvom ovog sistema.

• U reakcijama acetiliranja i metiliranja, donorska jedinjenja su acetil-CoA i S-adenozil metionin. Mnoge od navedenih reakcija konjugacije odvijaju se u jetri, ali su uključena i druga tkiva, kao što su pluća i bubrezi.

23

Faktori koji utiču na metabolizam lijeka

• Vrsta – Laboratorijske životinje (naročito glodari) brže metabolišu Iijekove nego čovjek. Kod nekih vrsta životinja metabolizam je kvalitativno drugačiji nego kod čovjeka. Poznavanje ovih razlika je važno prilikom ispitivanja novih lijekova i prenošenja podataka od životinja na čovjeka.

• Individualne razlike - U jedinici iste vrste postoje velike individualne varijacije u brzini biotransformacije lijekova. Usljed toga je koncentracija određenog lijeka u krvi i tkivima (u stanju raspodjelne ravnoteže) vrlo različita u bolesnika koji su dobili istu dozu nekog lijeka (u mg/kg).

24

• Genetski faktori – Neke od individualnih razlika u metabolizovanju lijekova mogu se objasniti genetskim faktorima. Na primjer, osobe sa genetskim defektom pseudoholinesteraze dvostruko sporije metabolizuju sukcinilholin nego što je to normalno. Slično se događa pri acetiliranju izoniazida te hidroksiliranju varfarina. Defekt kod sporih acetilatora izoniazida (i sličnih amina) nastaje zbog nedovoljne sinteze enzima, a ne zbog nekih njihovih defekata. Fenotip sporog acetilatora je nasljedna autosomalna recesivna karakteristika, u nekim zemljama prisutna u oko 50% stanovništva (češća je u zemljama sjeverne Evrope, a rijeđe u Aziji). Defekt se može očekivati u bilo kojoj od metaboličkih reakcija. Bolesnici koji sporo metabolizuju lijek izloženi su opasnosti od toksičnih pojava.

25

• Fizioložki faktori – Jedan od ovih faktora je uzrast. U prvim nedjeljama života mnogi enzimski sistemi još uvijek su nedovoljno razvijeni i stoga organizam novorođenčeta i malog djeteta nije u stanju da inaktivira neke lijekove. Tako se, na primjer, toksično djelovanje kloramfenikola, koje se zapaža u novorođenčadi, pripisuje usporenom konjugovanju ovog antibiotika sa glukuronskom kiselinom. U dubokoj starosti je takode smanjena sposobnost razlaganja nekih lijekova.

26

• Patološka stanja – Teška pothranjenost organizma produžava djelovanje hipnotika, neuroleptika i drugih lijekova uslijed oslabljene metaboličke funkcije jetre. Oboljenje jetre (ciroza, opstruktivna žutica) i poremećaji krvotoka u jetri također usporavaju metabolizam nekih lijekova i produžavaju njihovo poluvrijeme eliminacije. Takvi lijekovi su, na primjer, fenil-butazon, diazepam, kloramfenikol, izoniazid, rifampicin, lidokain, tolbutamid i dr. Smanjeni metabolizam Iijeka može dovesti do pojave neželjenih efekata, a u nekim slučajevima i do oštećenja same jetre (hepatotoksični efekti). Zbog toga u oboljenjima jetrenog parenhima treba izbjegavati sve lijekove čiji je primarni način eliminacije biotransformacija u jetri

27

• Faktori iz čovjekove okoline.

– Faktori iz čovjekove okoline mogu doprinjeti individualnim varijacijama u metaboliziranju lijekova. Pušači metaboliziraju neke lijekove brže nego nepušači zbog indukcije enzima jetre. Industrijski radnici, izloženi djelovanju pesticida, neke lijekove brže metaboliziraju nego osobe koje nisu izložene. Ovo može znatno otežati precizno doziranje lijekova sa malom terapijskom širinom.

28

Farmakološki aktivni metaboliti lijeka

• Oni se ponekad namjenjeno razvijaju sa ciljem da se prevaziđe problem kontrolisanog oslobađanja lijeka. Metabolizam može kvalitativno promjeniti farmakološku aktivnost lijeka. Aspirin inhibira neke funkcije trombocita i ima antiinflamatomu aktivnost. Lijek se hidrolizuje do salicilne kiseline, koja ima antiinflamatornu, ali ne i antitrombocitnu aktivnost. U drugim slučajevima, metaboliti imaju farmakološku aktivnost sličnu polaznom lijeku.

• Postoje također i slučajevi gdje su metaboliti odgovorni za toksičnost. Primjeri su hepatotoksičnost paracetamola i toksični efekt ciklofoslamida na mokraćnu bešiku. I metanol i etilen-glikol ispoljavaju svoje toksične efekte preko metabolita nastalih djelovanjem alkohol dehidrogenaze. Trovanje ovim agensima liječi se etanolom (ili snažnijim inhibitorom), koji se takmiči za aktivno mjesto enzima.

29

Eliminacija lijekova

• Izlučivanje putem bubrega (renalna ekskrecija) lijekova i metabolita

– Lijekovi se značajno razlikuju po brzini izlučivanja putem bubrega, počevši od penicilina, koji se skoro potpuno ukloni iz krvi pri jednom prolasku kroz bubrege, do diazepama, koji se izuzetno sporo uklanja. Brzina izlučivanja većine lijekova je negdje između ova dva slučaja, a metaboliti se skoro uvijek brže uklanjaju od polaznog lijeka.

30

• Glomerularna filtracija • Filtracija se odvija kroz veoma porozne zidove

glomerularnih kapilara. – Kapilari glomerula omogućavaju da lijekovi molekulske

mase manje od 20.000 difunduju u glomerularni filtrat. Albumini plazme (68.000) skoro uopće ne difundiraju, ali većina lijekova sa izuzetkom makromolekula kao što je heparin slobodno prolaze barijeru. Ako se lijek u značajnom stepenu vezuje za albumin plazme, njegova koncentracija u filtratu će biti manja od ukupne koncentracije u plazmi. Ako je, kao kod npr. varfarina 98% lijeka vezano za albumin, koncentracija u filtratu je samo 2% ukupne koncentracije u plazmi i klirens filtracijom je proporcionalno smanjen.

31

• Tubularna sekrecija

– Odvija se kroz lipidnu barijeru koju čini epitel bubrežnih kanalića.

– Kroz ovu membranu difunduju iz lumena kanalića u krv samo liposolubilni lijekovi.

32

• To je aktivni proces kojim se jonizovane organske kiseline i baze izlučuju iz krvi u lumen bubrežnih kanalića. Ovaj proces je veoma efikasan, tako da se mnogi lijekovi za vrijeme prolaska kroz bubrege odvajaju od plazme i celularnih elemenata, uključujući i one lijekove koji su vezani za proteine plazme. Izlučivanje ovih lijekova zavisi od brzine krvotoka u bubregu.

• Do 20% renalnog protoka plazme filtrira se kroz glomerule, a najmanje 80% izlučenog lijeka dospjeva do peritubularnih kapilara proksimalnog tubula. Ovdje se molekuli lijeka prenose u lumen bubrežnih tubula uz pomoć dva nezavisna i relativno neselektivna transportna sistema. Jedan od njih transportuje kisele lijekove (kao i različite endogene kiseline, kao što je mokraćna kiselina), a drugi organske baze. Nosači mogu da prenose molekule lijeka nasuprot elektrohemijskom gradijentu i zbog toga mogu da smanje njihovu koncentraciju u plazmi skoro do nule.

33

• Pošto je najmanje 80% lijeka koji je dospio do bubrega dostupno nosačima, tubularna sekrecija je potencijalno najefikasniji mehanizam renalne eliminacije lijekova.

• Za razliku od glomerularne filtracije, transport posredovan nosačima može dostići maksimalni klirens lijeka, čak i kad je najveći dio lijeka vezan za proteine plazme.

• Na primjer, iako je oko 80% penicilina vezano za proteine plazme, zbog čega se sporo uklanja filtracijom, lijek se skoro u potpunosti uklanja sekrecijom u proksimalnim tubulima, pa je njegova ukupna brzina eliminacije veoma velika.

34

• Difuzija kroz renalne tubule

– Kako se pri prolasku glomerulamog filtrata kroz tubule reapsorbuje voda, zapremina izlučenog urina je samo oko 1% zapremine filtrata. Ako molekuli lijeka slobodno prolaze kroz tubule, koncentracija lijeka u filtratu će ostati približno jednaka koncentraciji u plazmi, a oko 99% filtriranog lijeka će se pasivno reapsorbovati.

– Lijekovi sa visokom liposolubilnošću, a samim tim i visokom tubularnom permeabilnošću, sporo se izlučuju. Ako je lijek visokopolaran, pa ima nisku tubularnu permeabilnost, filtrirani lijek ostaje u tubulima i njegova koncentracija raste sve dok ne postane oko 100 puta veća u urinu nego u plazmi. Lijekovi koji se ovako ponašaju uključuju digoksin, kao i aminoglikozidne antibiotike.

35

– Mnogi lijekovi, koji su slabe kiseline ili slabe baze, mijenjaju stepen jonizacije u zavisnosti od pH, što značajno utiče na renalnu ekskreciju. Efekt “zadržavanja jona” (ion trapping) označava da se bazni lijek znatno brže izlučuje kiselim urinom, zato što nizak pH u tubulima favorizuje jonizaciju i tako inhibira reapsorpciju. Obrnuto, kiseli lijekovi se brže izlučuju ako je urin alkalan. U nekim slučajevima predoziranja aspirinom, alkaliranje urina se koristi za ubrzavanje njegove ekskrecije.

36

Izlučivanje putem žuči (bilijarna ekskrecija) i enterohepatička cirkulacija

• Ćelije jetre prenose različite supstance, uključujući i lijekove, iz plazme do žuči pomoću transportnih sistema sličnih onima u renalnim tubulima, koji uključuju P-glikoprotein. Različiti hidrofilni konjugati lijekova (glukuronidi) koncentriraju se u žuči i transportiraju do tankog crijeva gdje se obično glukuronid hidrolizira, oslobađajući još jednom aktivan oblik lijeka; slobodan lijek se zatim može resorbirati i ciklus se ponavlja (enterohepatalno kruženje).

• Poslijedica ovog je stvaranje ”rezervoara” reciklirajućeg lijeka koji može iznositi oko 20% ukupne količine lijeka u organizmu i produžiti djelovanje lijeka. Ovo je važno za pojedine lijekove uključujući morfin.

37

• Nekoliko lijekova se u značajnoj mjeri izlučuje putem žuči. Vekuronij se uglavnom izlučuje nepromijenjen putem žuči, dok rifampicin se reasorbira iz crijeva i sporo deacetilira, zadržavajući svoju biološku aktivnost. Oba oblika se sekretiraju u žuč, ali se deacetiliran oblik ne reasorbira, tako da na kraju veći dio ovog lijeka u ovom obliku napušta organizam putem fecesa.

38

Izlučivanje putem pluća

• Pluća su glavni organ za izlučivanje anestetičkih gasova i para. Ovim putem se dijelom izlučuju isparljive liposolubilne supstancije (alkohol, neki rasrvarači i dr). Značajno je da sadržaj alkohola u izdahnutom vazduhu vijerno odražava nivo alkohola u krvi. To omogućuje kvantitativno određivanje stepena pijanstva („alko-test”).

39

Kinetika eliminacije

• Brzina eliminacije lijeka ovisi, od aktivnosti metaboličkih enzima i brzine izlučivanja. Kinetika ovih procesa može se utvrditi ako se prati opadanje koncentracije Iijeka u krvi poslije intravenske injekcije (kada kinetika resorpcije nema uticaja na eliminaciju).

• U većini slučajeva lijekovi se eliminišu brzinom koja je u svakom trenutku proporcionalna koncentraciji Iijeka u krvi. Ukoliko je veća koncentracija, utoliko je veća i brzina eliminacije. Neposredno poslije intravenske injekcije koncentracija Iijeka u krvi je najveća, pa je i brzina eliminacije najveća. Sa smanjenjem koncentracije Iijeka u krvi smanjuje se i brzina eliminacije.

40

• Količina lijeka koja se eliminiše u jedinici vremena predstavlja konstantan procent količine koja je prisutna u organizmu. Ako se, na primjer, u prvom satu eliminiše 50% Iijeka prisutnog u organizmu, tada će se u drugom satu eliminirati također 50% od količine koja je na kraju prvog sata zaostala u organizmu, tj. 25%, u trećem satu 12,5% itd.

• Koncentracija Iijeka u krvi opada s vremenom sve sporije i asimptotski se približava nuli. Kriva koja prikazuje tok opadanja koncentracije Iijeka u krvi ima stoga eksponencijalan karakter.

41

• Brzina eliminacije se obično izražava vremenom u kome se početna koncentracija Iijeka u plazmi smanji za 50%. Vrijeme potrebno za 50% eliminacije znatno varira za pojedine lijekove.

• Penicilini se, naprimjer, brzo izlučuju iz organizma i njihovo poluvrijeme eliminacije je oko pola sata. Međutim, u većini slučajeva poluvrijeme eliminacije Iijeka je obično 4 do 24 sata, iako za neke supstance ono iznosi više dana (digitoksin) ili čak više godina (radioaktivni stroncijum). Poluvrijeme eliminacije je važan parametar za procjenjivanje trajanja djelovanja pojedinih lijekova. Lijekovi sa veoma dugim poluvremenom se dugo zadržavaju u organizmu uslijed deponovanja i vezivanja za sastojke tkiva, odakle se sporo oslobađaju.

42

• Koncentracija slobodnih molekula lijeka u krvi stoga često dostiže neaktivni nivo prije nego što se lijek eliminira iz organizma.

• Najveća praktična vrijednost ovog parametra je u tome što se na osnovu njega može utvrditi najpovoljniji vremenski razmak između unošenja pojedinačnih doza Iijeka u toku dana. Ovaj interval je od značaja za održavanje terapijske koncentracije Iijeka u toku liječenja.

• Ukoliko se lijek aplicira učestalo, tj. brže nego što se izlučuje, nastaje kumulacija lijeka u organizmu. Ukoliko se lijek unosi u intervalima dužim od vremena eliminacije, terapijska koncentracija Iijeka brzo opada ispod minimalne aktivne koncentracije, pa efekt Iijeka prestaje.

43