Syre/base kemi er vigtig for forståelsen af, hvordan lægemidler absorberes i kroppen. Når et lægemiddel er ioniseret (ladet), kan det ikke passere cellemembraner, da kun uladede molekyler nemt kan diffundere igennem. Dette betyder, at syre/base-egenskaberne for et lægemiddel bestemmer, om det kan optages effektivt i tarmen. Syre/base-reaktioner og pH-værdien i kroppen afgør, om molekylerne er ioniserede eller uioniserede, hvilket påvirker lægemidlets absorption.
Inden et lægemiddel når frem til sit target, er der en række udfordringer på dets vej gennem kroppen, som det er vigtigt at tage højde for, når man designer lægemidlet. Disse udfordringer indebærer bl.a. mavesyren og fordøjelsesenzymerne, den cellemembran der skal krydses i tyndtarmen for at blive optaget i blodet, metaboliske enzymer i leveren samt at undgå at blive ophobet i fedtvæv. Det er vigtigt, at lægemidlet har en passende levetid, som sikrer, at dets optimale virkning. I den farmaceutiske industri benyttes begrebet farmakokinetik til at beskrive, hvordan kroppen påvirker et lægemiddel. Farmakokinetik beskriver absorption, distribution, metabolisme og ekskretion af et lægemiddel, hvilket betegnes som ADME. Et andet begreb er farmakodynamik, som beskriver, hvordan lægemidlet påvirker kroppen. Detaljer om både farmakokinetik og farmakodynamik kan findes i figur 25.
Figur 25. Farmakokinetik og Farmakodynamik.
Anatomi
Når man designer et lægemiddel må man først og fremmest vide noget om, hvilke udfordringer et lægemiddel møder på sin vej gennem kroppen. Når et lægemiddel indtages oralt, kommer det igennem hele fordøjelseskanalen. Fordøjelseskanalen kan inddeles i mund, spiserør, mavesæk og tarm. Se også figur 26.
- I munden bliver lægemidlet udsat for de forskellige enzymer, der findes i vores spyt (primært amylase). Der er dog tale om ret små mængder af enzymer sammenlignet med den mængde af enzymer, som lægemidlet bliver udsat for senere.
- Herefter kommer lægemidlet videre til maven. I maven vil lægemidlet blive udsat for den meget surt miljø (pH = 1 – 3), der meget hurtigt kan nedbryde lægemidlet.
- Overlever lægemidlet dette, sendes det videre til tarmene, hvor det bliver udsat for en stor mængde fordøjelsesenzymer. Disse fordøjelsesenzymer nedbryder normalt den mad, vi indtager.
- Hvis lægemidlet har overlevet disse ”angreb”, er det nu tid til at krydse epitelcellelaget i tarmen for at trænge ind til blodbanen. For at kunne blive optaget i blodbanen, skal lægemidlet have den rette polaritet. Dette inkluderer, at lægemidlet skal være i stand til at kunne krydse cellemembraner, som er hydrofobe, men det skal også kunne befinde sig i blodet, som er hydrofilt.
Figur 26. Fordøjelsessystemet.
Administration af lægemidler
Et lægemiddel kan administreres på flere forskellige måder, heriblandt oralt, ved injektion, inhalation eller gennem huden (figur 27). Oral indtagelse af medicin i pilleform er langt den mest anvendte, idet det er den letteste, billigste og mest behagelige måde for patienten at tage medicin på. Men der er noget medicin, som ikke kan tages oralt. Dette kan skyldes flere ting, men ofte er det fordi medicinen enten bliver nedbrudt i fordøjelsessystemet eller ikke kan krydse epitelcellelaget i tarmen. Desuden er der en langt hurtigere virkning ved injektion, da medicinen kommer direkte ind i blodbanen, og der vil desuden være 100 % biotilgængelighed.
Administration af lægemidler kan også ske ved inhalation. Et kendt eksempel er ved astma, hvor lægemidlet skal virke lokalt i lungerne. Til sidst kan nævnes optagelse af lægemidler gennem huden. Dette kan være i form af nikotinplastre til rygestop, men også forskellige cremer, som fx. bedøvelsesmidler eller mod eksem, optages gennem huden. Optagelse gennem huden er en optagelseform, hvor stoffet skal diffundere over alle hudlagene, og virkningen af stoffet vil derfor indtræde langsomt samt vare i lang tid.
Figur 27. Forskellige ruter et lægemiddel kan administreres.
ADME
Absorption
Når et lægemiddel administreres oralt, skal det igennem en stor del af fordøjelsessystemet. Nogle lægemidler bliver optaget i mavesækken, men langt de fleste bliver optaget i tyndtarmen. Måden dette sker på, er, at lægemidlet skal bevæge sig hen over epitelcellelaget, altså krydse en cellemembran, og derved trænge ud i blodbanen, hvor det kan blive transporteret rundt i kroppen og nå dets target. Dette kaldes absorption af lægemidlet, og for at et lægemiddel kan tages oralt, er det nødvendigt, at det kan gennemgå dette trin.
Lipinskis regel af 5
Der er en række faktorer, der har indflydelse på, om et lægemiddel er i stand til at blive absorberet. Men overordnet set kan man benytte Lipinskis regel af 5 til at vurdere, om et lægemiddel kan absorberes, og dermed om det kan administreres oralt. Denne tommelfingerregel har fået sit navn, fordi alle punkterne går op i 5:
Molekylvægt (MW) <500 Da
At et lægemiddel har en høj molekylvægt betyder ikke nødvendigvis, at det har en lav oral biotilgængelighed. Jo større et molekyle er, desto flere funktionelle grupper vil der dog også være, som muligvis kan danne hydrogenbindinger. Derfor vil en høj molekylvægt oftest medføre lav oral biotilgængelighed.
Antal hydrogenbindingsacceptorer (HBA) <10
Lægemidler, som har mange grupper, der virker som HBA eller HBD, er gode til at danne hydrogenbindinger med vand. For at et molekyle kan krydse en cellemembran, skal det ikke være bundet til vand, og derfor skal der brydes en masse hydrogenbindinger mellem vand og molekylet. At bryde disse hydrogenbindinger kræver energi, og derfor skal antallet af HBA og HBD i lægemidlet være lavt, så mindst mulig energi bruges i transporten af molekylet over cellemembranen.
Antal hydrogenbindingsdonorer (HBD) <5
Lægemidler, som har mange grupper, der virker som HBA eller HBD, er gode til at danne hydrogenbindinger med vand. For at et molekyle kan krydse en cellemembran, skal det ikke være bundet til vand, og derfor skal der brydes en masse hydrogenbindinger mellem vand og molekylet. At bryde disse hydrogenbindinger kræver energi, og derfor skal antallet af HBA og HBD i lægemidlet være lavt, så mindst mulig energi bruges i transporten af molekylet over cellemembranen.
Beregnet logP <5
Hvis et molekyle har logP >5, vil molekylet være for hydrofobt til at kunne opløses i vand. Molekylet vil derfor ikke kunne opløses i blodet, hvilket medfører, at det bliver tilbageholdt i cellemembranerne. Hvis logP derimod er meget lavt for et molekyle (<1), vil molekylet være for hydrofilt til at kunne krydse cellemembraner. Molekylet vil derfor ikke blive optaget i kroppen og vil blive udskilt uden at have udført sin virkning.
Det er ikke et krav, at et godt lægemiddel opfylder alle Lipinski’s regler. Reglerne blev udviklet ved at sammenligne de lægemidler, der findes på markedet, for at finde ligheder mellem dem. Der findes derfor også lægemidler, der falder uden for Lipinski’s regler. Eksempelvis har ciclosporin, et lægemiddel, der sænker immunforsvarets aktivitet, en molekylvægt på 1203 Da, hvilket ligger langt over de 500 Da, som Lipinski’s regel angiver. Molekylet har desuden ekstremt mange hydrogenbindingsacceptorer (HBA).
Syre/base kemi
Der findes flere forskellige definitioner af syrer og baser, fx Brønsted-Lowry- og Lewis-definitionerne. Brønsted-Lowry-definitionen er den mest anvendte og den generelle opfattelse af, hvad syrer og baser er. Ifølge Brønsted-Lowry er en syre et molekyle, der kan afgive en hydron (ioniseret hydrogen, H+), mens en base er et molekyle, der kan optage en hydron. Et molekyle kan også være både en syre og en base på samme tid. Vand er et eksempel, da det både kan afgive en hydron (og fungere som en syre):
$$H_2O rightarrow H^+ + OH^-$$
Reaktion 1. Vands reaktion som en syre.
Vand kan også optage en hydron og fungere som en base:
$$H_2O + H^+ rightarrow H_3O^+$$
Reaktion 2. Vands reaktion som en base.
Når en kemisk reaktion forløber, vil der indstille sig en ligevægt. Dette gælder også for vands reaktion med sig selv. Når en ligevægt har indfundet sig, vil det sige, at reaktionen har nået et bestemt punkt, hvor der er lige meget omdannelse fra reaktant til produkt, som der er omdannelse fra produkt til reaktant. Reaktionshastigheden er derfor lige hurtig frem og tilbage, men der er ikke nødvendigvis lige meget produkt og reaktant.
Som beskrevet ovenfor består vand ikke kun af H2O-molekyler, men også af H+ og OH–. En ligevægt for H2O kan derfor skrives op på følgende måde:
$$H_2O rightleftarrows H^+ + OH^-$$
Reaktion 3. Ligevægt for H2O
pH er et mål for surheden i en opløsning og defineres som den negative logaritme af koncentrationen af hydroner (H₃O⁺):
$$pH = -log_{10}(H_3O^+)$$
Ligning 1. Formel for udregning af pH
Når vand blandes med en syre, opstår der en ligevægt, hvor vand enten afgiver eller optager hydroner. I tilfælde af en stærk syre vil ligevægten skubbe til højre, og al syren vil omdannes til sin konjugerende base. Hvis pH-værdien i en opløsning er kendt, kan man beregne koncentrationen af hydroner og dermed bestemme, hvor sur opløsningen er. En konjugeret base er den del af syren, der er tilbage, når syren afgiver en hydron (H⁺). På samme måde er den konjugerede syre den form, en base tager, når den optager en hydron.
Styrken af en syre kan beskrives ved syrestyrkekonstanten, Ks, som bestemmes ud fra ligevægten mellem syren og dens konjugerende base i opløsning. Syrestyrken angives ofte som pKs, hvilket er den negative logaritme til Ks:
$$pK_s = -log_{10}(K_s)$$
Ligning 2. Formel til beregning af pKS.
Stærke syrer har en lav pKs-værdi, mens svage syrer har en høj pKs-værdi. For baser kan styrken beskrives ved pKb, som bestemmes ud fra den korresponderende syres pKs-værdi ved følgende formel:
$$pK_b = 14 – pK_s$$
Ligning 3. Formel til beregning af pKb
Den konjugerede syre til en base er den form, basen optager, når den optager en hydron (H⁺). Omvendt er den konjugerede base den form, en syre tager, når den afgiver en hydron. Når pKs og pKb kendes, kan man forudsige, om et lægemiddel vil være ioniseret eller uioniseret i forskellige pH-områder i kroppen. Hvis pH-værdien i tarmen er passende i forhold til pKs, vil lægemidlet være uioniseret og kunne passere cellemembranerne. For svage baser vil det være muligt for dem at krydse tarmens celler, hvis pH er højere end pKb, mens svage syrer kræver en lavere pH for at forblive uioniserede og blive optaget i kroppen, disse kan derfor i nogle tilfælde blive optaget i mavesækken.
Nogle lægemidler er så hydrofobe, at de bliver fanget i cellemembraner og ophobes i fedtvæv. Andre lægemidler er så hydrofile, at de ikke kan krydse cellemembraner og derfor ikke kan optages oralt. En måde at vurdere, hvor hydrofobt eller hydrofilt et lægemiddel er (dvs. hvor opløseligt lægemidlet er i enten fedt eller vand), er ved at bestemme partitionskoefficienten P.
Partitionskoefficienten beregnes ved at placere molekylet i en blanding af 50 % octanol og 50 % vand. I et sådant system vil hydrofobe molekyler opholde sig i octanollaget, mens hydrofile molekyler vil befinde sig i vandlaget:
$$P = frac{text{Molekyle}_{text{octanol}}}{text{Molekyle}_{text{vand}}}$$
Ligning 4. Formel til beregning af partitionskoefficienten P. Firkantede parenteser bruges til at angive koncentrationer i de to faser, octanol og vand.
Som med de fleste andre fordelingskoefficienter angiver man ofte P som logP-værdien. Hydrofobe molekyler vil have en høj logP-værdi, mens hydrofile molekyler vil have en lav logP-værdi.
Man kan også bruge et computerprogram til at beregne en estimeret værdi, kaldet ClogP (calculated logP). Ligesom enkelte funktionelle grupper, såsom aminer, kan være både ioniserede og uioniserede, kan hele lægemidlet (inklusive dets funktionelle grupper) også være delvist ioniseret eller uioniseret. LogP-værdien angiver kun hydrofobiciteten af de uioniserede molekyler. Hvis man ønsker at måle de ioniserede molekyler, anvender man i stedet logD. I dette projekt benytter vi dog kun logP.
Distribution
Efter at et lægemiddel er optaget i blodet, skal det fordeles til de områder i kroppen, hvor det skal have sin virkning, det vil sige til de væv eller organer, hvor dets target er lokaliseret. Først passerer lægemidlet gennem leveren (se afsnittet om metabolisme), og derefter cirkulerer det i blodbanen. Fra blodet optages lægemidlet i de relevante celler i kroppen. Distributionen afhænger af lægemidlets kemiske struktur. Hvis lægemidlet binder sig stærkt til røde blodlegemer, kan det blive forhindret i at nå væv, hvilket kan være uønsket.
For at sikre, at et lægemiddel distribueres korrekt, er det vigtigt at balancere dets hydrofobicitet og hydrofilicitet. En for høj hydrofobicitet kan føre til, at lægemidlet ophober sig i fedtvæv, hvilket kan give uønskede bivirkninger. På den anden side, hvis et lægemiddel er for hydrofilt, kan det have svært ved at krydse cellemembraner. I sådanne tilfælde kan lægemidlet forblive i blodbanen i stedet for at blive distribueret til de steder, hvor det skal virke.
Metabolisme
Metabolisme foregår primært i leveren. Her findes en masse enzymer, som har til opgave at ændre strukturen af lægemidlet, så det kan blive udskilt fra kroppen. Lægemidler, der er meget polære, vil med det samme blive udskilt fra blodet gennem nyrerne og føres ud i urinen. Upolære molekyler er derimod vanskeligere for kroppen at udskille, men via metabolske processer, kan molekylet gøres mere polært, så det kan blive udskilt. Et metaboliseret molekyle kaldes for en metabolit. Når et lægemiddel bliver metaboliseret, vil det ofte miste sin oprindelige effekt. I nogle tilfælde kan metabolitten stadig have en smule aktivitet tilbage, men ændringen kan ogsåt føre til dannelsen af toksiske biprodukter, som kan forårsage uønskede bivirkninger. Det er derfor vigtigt at have kendskab til, hvilke metabolitter der kan dannes for at mindske toksiske bivirkninger. Der findes to primære former for metabolisme i leveren. Disse er kendt som fase I og fase II metabolisme, det er dog vigtigt at nævne at der foregår andre former for metabolisme forskellige steder i kroppen.
First pass effekt
Når et lægemiddel indtages oralt, transporteres det efter absorption gennem tarmbarairren, til den portale cirkulation, som leder blod fra tarmene til leveren. I leveren metaboliseres lægemidlet, hvilket resulterer i en lavere koncentration af det aktive stof i den systemiske cirkulation, som transporterer det videre til lægemidlets target. Ved intravenøs (i.v.) indsprøjtning går lægemidlet direkte i den systemiske cirkulation, hvilket betyder, at en større andel af det aktive stof, som når sit target, før det nedbrydes i leveren. Oralt administrerede lægemidler udsættes desuden for fordøjelsessystemets hårde miljø før absorption. Lægemidler administreret ved i.v. injektion vil have 100% Biotilgængelighed (andel af stoffet som når frem til systemisk cirkulation), mens både first pass effekt, miljøet i fordøjelsessystemet samt tarmbarairren medføre til at biotilgængeligheden for oralt administrerede lægemidler er væsentligt lavere.
Fase I
Fase I metabolisme omfatter primært oxidationsreaktioner, men kan også inkludere reduktion eller hydrolyse. Fælles for alle disse reaktioner er, at de katalyseres af cytochrom P450 (CYP) enzymer. CYP-enzymerne har til opgave at gøre molekylet mere polært, hvilket letter udskillelsen fra kroppen. CYP-enzymer er hæmproteiner, der indeholder en hæmgruppe og jern. De tilhører gruppen af monooxygenaser og benytter O2 fra leveren til at overføre et oxygenatom til lægemidlet, hvilket resulterer i oxidation. Det andet oxygenatom binder to hydrogenatomer og danner vand. For at oxidation kan finde sted, kræver CYP-enzymerne tilstedeværelsen af coenzymet NADPH, som bliver reduceret til NADP i processen. Fase I metabolisme er illustreret i figur 28.
Figur 28. Fase I metabolisme.
Der findes mindst 33 forskellige CYP-enzymer, der hver varetager specifikke reaktioner. I de fleste fase I metaboliseringsreaktioner er det første trin tilføjelsen af en alkoholgruppe. Denne alkoholgruppe kan tilføjes på forskellige steder i et molekyle. Afhængigt af, hvor alkoholgruppen tilføjes, bliver OH-gruppen ofte oxideret til enten en keton eller en aldehyd. Hvis aldehyden dannes, vil den blive oxideret videre til en carboxylsyre. En funktionel gruppe, der kræver særlig opmærksomhed, er methylgrupper (CH3), da disse nemt oxideres til carboxylsyrer via sekundære alkoholer.
Fase II
Fase II metabolisme består af konjugationsreaktioner, hvor en gruppe tilføjes molekylet for at øge dets polaritet, hvilket gør det lettere at udskille fra kroppen. Denne proces finder typisk sted efter fase I, men kan også ske uafhængigt.
Enzymerne, der er involveret i fase II metabolisme, tilhører transferase-enzymgruppen. Transferaser overfører grupper, som øger molekylets polaritet og gør det lettere at udskille via nyrerne eller galden. Eksempler på sådanne grupper inkluderer glukuronsyre, sulfatgrupper og methylgrupper. Et eksempel er dannelsen af O-glucuronider, hvor glukuronsyre tilføjes til et molekyle, ofte efter dannelsen af en hydroxylgruppe (OH) i fase I. Hvis lægemidlet indeholder en carboxylsyre, eller hvis en carboxylsyre dannes under fase I, kan en aminosyre, som ofte er glutamin, konjugeres til lægemidlet. På figur 29 er fase II metabolisme illustreret.
Figur 29. Fase II metabolisme.
Andre former for metabolisme
Der findes også andre former for metabolisme, som ikke foregår i leveren. Forskellige oxidative enzymer, er fordelt rundt om i kroppens væv og deltager i fase I metabolisme af forskellige lægemidler. Desuden foregår der i blodet kemisk nedbrydning af funktionelle grupper uden enzymer. En af de mest markante kemiske nedbrydninger er omdannelsen af estre til carboxylsyrer og alkoholer. Denne mekanisme anvendes ofte i nedbrydningen af prodrugs til deres aktive form, se “Optimering af lægemidlet”.
Ekskretion
Ekskretion er processen, hvorved et lægemiddel fjernes fra kroppen. De fleste lægemidler udskilles via nyrerne gennem urinen, men op til 15% af et lægemiddel kan udskilles gennem sved. Nogle lægemidler kan også udskilles gennem lungerne, hvis de er i gasform, og den del af lægemidlet, der nedbrydes i fordøjelsessystemet, kan udskilles som afføring. I det følgende vil fokus være på udskillelse af lægemidler via nyrerne, da dette er den primære vej for lægemidler.
Hvorfor udskilles polære stoffer lettere end upolære stoffer i urinen?
Blodet, der kommer fra leveren, samles i nyrerne og filtreres. Blodlegemer og blodplader forbliver i kroppen, mens affaldsstofferne adskilles. Denne filtrering gør det muligt for både polære og upolære stoffer at passere ind i nyrerne, hvor de kan blive tilbageholdt i kroppen. Derefter koncentreres urinen, da små porer kaldet aquaporiner i nyrerne genoptager vandet fra urinen tilbage til kroppen. Udover vandet, som optages gennem aquaporiner, genoptages visse stoffer gennem cellerne i nyrerne. For at kunne trænge igennem cellernes membraner, skal stofferne være upolære/hydrofobe. Polære stoffer kan ikke passere membranerne og vil derfor hurtigt blive udskilt, mens upolære stoffer genoptages og kan cirkulere rundt i kroppen igen.