Farmakodynamika
Zależność dawka-odpowiedź

Cele nauczania

Zrozumienie

• Cech kluczowych liganda (leku) - interakcji z receptorem: powinowactwo, swoistość, K_D, oraz B_Max

• Parametrów warunkujących odpowiedź na ligand: zdolności wiązania ligandów

• Cech charakterystycznych zależności dawka-odpowiedź

• W jaki sposób transdukcja przekłada interakcję ligand - receptor na odpowiedź na lek w organizmie pacjenta

• Cechy kluczowe odpowiedzi pacjentów na dawkę: siła działania leku, skuteczność, EC_{50 ,} E_MAX, K_D, oraz B_MAX.

• Różnice między agonistami i antagonistai receptorów oraz kluczowe typy agonistów i antagonistów.

Słowa kluczowe

• Stężenia

• Dawka

• ligand

• Receptor

• Powinowactwo

• Swoistość

• Zależność aktywności związku od jego budowy

• zależność dawka-odpowiedź

• Stała równowagi reakcji dysocjacji, K_D

• Zależny od stężenia

• stopniowany

• nasycalny

• siła działania leku

• skuteczność

• EC₅₀, ED₅₀, LD₅₀

• E_{MAX ,} B_MAX

• pełny agonista

• częściowy agonista

• konkurencyjny antagonista

• niekonkurencyjny antagonista

• Wskaźnik terapeutyczny

I. Wstęp

W tej części kursu skoncentrujemy się na mechanizmach leżących u podstaw farmakodynamiki, obejmujących czynność receptorów oraz transdukcję sygnału.

A. Farmakodynamika: w jaki sposób lek/ligand działa na receptor w miejscu docelowym.

B. Ligand: lek, substancja chemiczna, hormon, lub podobny związek, który wchodzi w interakcje z receptorem.

C. Receptor: Leki wchodzą w interakcje z obszarami komórek docelowych w celu inicjacji kaskady reakcji biochemicznych, której efektem jest "odpowiedź" na lek. Receptorem może być dowolna cząstka biologiczna, w tym:

Białka Klasyczne receptory hormonalne, enzymy, białka budulcowe

Węglowodany Toksyna Cholery

Kwasy nukleinowe Chemioterapeutyki stosowane w terapii nowotworów

Tłuszcze Leki znieczulające

D. Interakcja Lek - Receptor

L = Ligand, R = Receptor

L + R LR Mechanizm Efektora Odpowiedź

E. Parametry warunkujące odpowiedź na ligand:

1. Dawka: jaką ilość leku podano

2. Farmakokinetyka jaka część leku dociera do miejsca docelowego

3. Farmakodynamika: w jaki sposób lek/ligand działa na receptor w miejscu docelowym.

F. Właściwości receptorów regulujące działanie liganda: Wiązanie i aktywacja

Wiązanie (liganda/leku)

Cechy charakterystyczne wiązania:

1. Powinowactwo - "Atrakcyjność" liganda dla receptora.

Budowa liganda ma najistotniejszy wpływ na jego aktywność.

Nazywa się to Zależnością aktywności związku od jego budowy (SAR).

Czynniki: siły Van der Waalsa, wiązania jonowe lub kowalentne, wiązania hydrogenowe, oraz hydrofobowość/hydrofilność.

2. Swoistość - interakcja jest wysoce swoista

Jest to analogiczne do interakcji "zamka i klucza" między enzymami a ich substratami. Cecha ta, częściowo, wpływa na swoistą odpowiedź wywołaną przez ligand w całym organizmie.

II. Zależność dawka-odpowiedź - czego możemy dowiedzieć się z tych danych?

A. Przedstawienie graficzne danych dotyczących wiązania leku do receptora:

Interakcja liganda i jego receptora może być wyrażona ilościowo jako prezentacja graficzna rosnącego stężenia liganda (oś X) w stosunku do rosnącego wiązania (oś Y). Ten model logarytmiczno-liniowy, zwany też modelem Michelisa, jest klasyczną prezentacją zależności dawka - odpowiedź (patrz Ryc.)

Model Scatcharda to inny sposób przedstawienia danych nt zależności dawka - odpowiedź. Stosuje się go do określania ilościowego powinowactwa liganda oraz określania liczby receptorów.

B. Cechy zależności dawka - odpowiedź (NAUCZYĆ SIĘ TYCH TRZECH)

1. Wiązanie jest zależne od stężenia (zależy wprost proporcjonalnie od stężenia liganda).

Wraz ze wzrostem stężenia liganda (leku), rośnie wiązanie liganda do receptorów.

Stężenie liganda generujące połowicze maksymalne zajęcie receptorów ( Stała równowagi reakcji dysocjacji,, K_D) jest miarą powinowactwa ligand-receptor .

2. Odpowiedzi są stopniowane (termin przeciwny do zero-jedynkowy, tzw. kwantalny).

Więcej liganda (leku) = silniejsza odpowiedź.

3. Wiązanie jest nasycalne. W pewnym momencie zajęciu ulegną wszystkie receptory

Kiedy zajęte już są (B_MAX) wszystkie dostępne receptory, dalsze wzrosty stężenia liganda nie wygenerują dalszego wzrostu zajęcia receptorów ani zdarzeń następczych zależnych od receptorów.

C. Ilościowa Teoria Receptorów

Asocjacja k₁

L + R LR

Dysocjacja k_-1

W stanie równowagi, obie reakcje (postępowa i wsteczna)zachodzą z jednakową szybkością.

Stała równowagi reakcji dysocjacji, (K_D) to:

[L][R]

k-₁ = K_D =

[LR]

K_D jest miarą powinowactwa liganda do receptora W stanie równowagi jest to stężenie ligandozależnego połowiczego maksymalnego zajęcia receptorów. Należy zauważyć że wraz ze spadkiem K_D, zwiększa się powinowactwo między ligandem a receptorem.

**Niższa K_D = wyższe powinowactwo

**Wyższa K_D = niższe powinowactwo

III. Transdukcja sygnału

A. Skuteczne mechanizmy: Transdukcja sygnału

L + R LR Mechanizmu Efektora Odpowiedź

Po związaniu, ligand indukuje zmiany w obrębie receptora inicjując tym samym kaskadę reakcji efektorowych, których skutkiem jest odpowiedź biologiczna na lek.

Mechanizmy efektora pozwalają na przełożenie informacji zawartych w wewnątrzpochodnym ligandzie lub samego liganda na odpowiedź komórkową.

Ten przepływ informacji nazywa się Transdukcją Sygnału i w obrębie komórki może on mieć wiele postaci.

Oto niektóre przykłady:

1. Ligandy ulegają wiązaniu do receptorów które rozpoznają i wiążą się do swoistych elementów regulacyjnych w genomie.

2. Ligandy wiąża się z enzymami, zmieniając ich czynność co ma bezpośredni wpływ na fizjologię komórki.

3. Ligandy wiążą się z białkami powierzchniowymi komórek, które są kanałami jonowymi i zmieniają ich przewodnictwo, co z kolei zmienia czynność komórki.

4. Ligandy wiążą się z białkami powierzchniowymi komórek i stymulują wytwarzanie kolejnej cząsteczki sygnałowej w komórce, która zmienia fizjologiczną odpowiedź komórki Druga cząsteczka sygnałowa to inaczej przekaźnik II stopnia. Mechanizm ten leży u podstaw wielu odpowiedzi fizjologicznych zmienionych przez ligandy wewnątrzpochodne i jest na chwilę obecną najlepiej poznanym/opisanym mechanizmem.

Wiązanie L-R aktywuje przekaźnikiem^II stopnia jest…

cyklaza adenylanowa cykliczny AMP

cyklaza guanylanowa cykliczny GMP

fosfolipaza C fosfoinozytol, diacyloglicerol

kinazy pozostałości tyrozyny fosforylowanej

Mechanizmy efektora/przezbłonowe przesyłanie sygnału zwykle wymaga inicjacji, amplifikacji, propagacji, i terminacji.

B. Cech receptorów i zależność dawka-odpowiedź

L + R LR Mechanizm Efektora Odpowiedź

Dzizałanie liganda lub leku zależy od jego zdolności wiązania do receptora i aktywacji mechanizmów efektora.

Domeny strukturalne liganda i receptora które uczestniczą w indukcji mechanizmów efektora mogą być odrębne i różne od tych, które wpływają na wiązanie. Zatem, możliwe jest posiadanie liganda który dobrze wiąże się z receproem ale słabo lub wcale nie aktywuje mechanizmów efektora.

Rola budowy liganda i receptora w następczej odpowiedzi organizmu na lek — i to, w jaki sposób poszczególne podgrupy lub cechy budowy mogą nasilać lub osłabiać odpowiedź nazywa się zależnością aktywności liganda od jego budowy (SAR).

Koncepty te sugerują, iż zależność między stężeniem liganda i odpowiedzią biologiczną, jaką ono wywołuje, nie jest prostym odzwierciedleniem wiązania liganda do receptora.

C. Zależność dawka-odpowiedź stężenia liganda i efekt biologiczny

Zależność dawka-odpowiedź można przedstawić graficznie i przypomina ona zależność dawka-odpowiedź między stężeniem liganda i wiązaniem do receptorów. (Jest ona również: zależna od stężenia, stopniowana, nasycalna).

Niemniej jednak grafy te często nie nakładają się na siebie. Zależność dawka-odpowiedź stężenia liganda i efektu biologicznego ma dodatkowe istotne cechy:

1. Siła działania - stężenie liganda wymagane aby wygenerować odpowiedź.

Ligandy silniejsze wymagają niższych stężeń do generacji odpowiedzi takiej jak generowana przez ligandy słabsze. Cecha ta wiąże się z powinowactwem liganda i jego wiązaniem do receptora Stężenie leku dające 50% maksymalnej odpowiedzi to parametr EC₅₀, analogiczny do K_D.

2. Skuteczność - Zdolność leku do generowania odpowiedzi biologicznej. Ligandy o wyższej skuteczności generują wyższą maksymalną odpowiedź biologiczną (E_MAX) niż te o niższej skuteczności. Cecha ta wiąże się ze zdolnością aktywacji mechanizów efektora po związaniu z receptorem.

D. Agoniści i Antagoniści. Określenia te odnoszą się do ligandów które wchodzą w interakcje z receptorami, ale generują różne odpowiedzi.

1. Agonista - Ulega wiązaniu do receptora i aktywuje mechanizmy efektora.

a. Pełny agonista - Generuje 100% maksymalnej odpowiedzi biologicznej. Niezależne od siły działania

b. Częściowy agonista - Generuje mniej niż 100% maksymalnej odpowiedzi biologicznej, niezależnie od wysokości stężenia Raz jeszcze, niezależne od siły działania.

2. Antagonista- Ulega wiązaniu do receptora ale nie aktywuje mechanizmów efektora.

Nie generuje odpowiedzi biologicznej regulowanej przez receptory swoiste. (W rzeczywistości, antagoniści blokują odpowiedź, która wystąpiłaby, gdyby do receptora związał się agonista.)

a. Antagonista Konkurencyjny - Ulega wiązaniu do receptorów w swoistym miejscu wiązania liganda i konkurencyjnie blokuje wiązanie natywnych ligandów w tym miejscu. Blokowanie wiązania natywnych ligandów powoduje blokadę odpowiedzi receptorów. Co charakterystyczne, ci antagoniści mogą przegrać konkurencyjną walkę o wiązanie do receptora z wyższym stężeniem natywnego ligandu [zmniejsza się siła działania (zwiększa EC₅₀)]) który po związaniu ma pełną skuteczność (niezmieniona wartość E_MAX).

b. Niekonkurencyjny Antagonista - Ulega wiązaniu do receptorów albo nieodwracalnie w swoistym miejscu wiązania liganda, co uniemożliwia konkurencję, lub w innym miejscu o roli regulacyjnej (inhibicja), które nie pozwala na konkurencję ze strony liganda natywnego. Wiązanie tych antagonistów blokuje odpowiedź na ligand natywny, a zwiększenie jego stężenia nie powoduje działania konkurencyjnego. Receptory są skutecznie wyłączone z układu i niedostępne do aktywacji mechanizmów efektora. Niekonkurencyjni antagoniści zmniejszają skuteczność (E_MAX) leków nie zmieniając ich siły działania (EC₅₀).

IV. Odpowiedzi populacji na leki/ligandy

Omówiona dotychczas zależność dawka - odpowiedź, odnosi się do zdarzeń związanych z wiązaniem receptorów w pojedynczych komórkach i całych organizmach (choć jest to proces znacznie bardziej złożony). Pamiętajmy, odpowiedzi te są zależne od stężenia, stopniowane, nasycalne.

Czy zależność dawka-odpowiedź na lek w populacji organizmów żywych (czy ludzi) wykazuje te same cechy? Nie.

Jednostkom w populacji podano rosnące stężenia tych leków. Ustalono wartość stężeń generujących ustaloną wcześniej, określoną odpowiedź.

Ta odpowiedź zero-jedynkowa (wszystko-albo-nic) jest przeciwieństwem stopniowanej zależności dawka-odpowiedź omówionej w przypadku receptorów/pojedynczych komórek/ całych organizmów.

Stopniowana = większa dawka leku nasila odpowiedź (do pełnej odpowiedzi)

Zero-jedynkowa (kwantalna) = lek generuje odpowiedź lub jej nie generuje—nic pomiędzy

Przykład: Egzamin jest oceniany i mamy wynik punktowy 76, 83, 92 itp.

Wynik zaliczony/ niezaliczony jest zero-jedynkowy (kwantalny). Wynik jest zaliczający albo niezaliczający, na podstawie minimalnej zaliczającej liczby punktów — nie ma wyników pośrednich.

Generowanie odpowiedzi na lek podlega rozkładowi zgodnie z logarytmem stężeń ligandu jako rozkład częstości. Jeśli zsumujemy te częstości dla każdego ze stężeń stworzy się krzywa rozkładu częstości skumulowanej, tzw. dystrybuanta. Krzywa ta ma podobny profil jak zależność dawka - odpowiedź omówiona powyżej.

Dystrybuanta (czyli rozkład częstości skumulowanej) wyraża zróżnicowanie farmakodynamiczne w populacjinie zaś odpowiedź na ligand zależną od stężenia. Z danych dot. częstości skumulowanej, możemy uzyskać następujące parametry:

A. ED₅₀ - Średnia dawka skuteczna ligandu w populacji.

B. LD₅₀ - Średnia dawka śmiertelna ligandu w populacji.

Dokonuje się zwykle ekstrapolacji wartości LD50.

C. Wskaźnik Terapeutyczny-Stosunek LD₅₀ do ED₅₀. Jest miernikiem bezpieczeństwa danego środka leczniczego.

Leki o wysokim wskaźniku terapeutycznym mają wysoki margines bezpieczeństwa (penicylina). Stężenie niezbędne do działania terapeutycznego leku jest ZNACZNIE ZNACZNIE niższe niż stężenie śmiertelne..

Leki o niskim wskaźniku terapeutycznym mają niski margines bezpieczeństwa, ponieważ wartości stężenia terapeutycznego i śmiertelnego są do siebie zbliżone (digoksyna).

V. Streszczenie

A. Odpowiedzi generowane przez ligand są procesem wieloetapowym obejmującym:

1. Wiązanie do receptora: Swoistość, Powinowactwo

2. Odpowiedź: Skuteczność, siła działania.

3. Aktywacja efektora i transdukcja sygnału

1. Zależności dawka - odpowiedź - zależne od stężenia, stopniowane, nasycalne

2. Odpowiedzi populacji-Zero-jedynkowe, ED₅₀, LD₅₀, Wskaźnik terapeutyczny.

Pytania testowe

1. Jakie czynniki decydują o odpowiedzi na lek?

2. Czym są receptory? Jakie właściwości receptorów wyróżniają je od innych białek?

3. Czym jest zależność dawka-odpowiedź? Podaj szczególne cechy zależności dawka - odpowiedź.

4. Jakie informacje można wydobyć z danych graficznych prezentujących zależność dawka -odpowiedź?

5. Jakie są różnice między agonistą a antagonistą?

Strona 10 z 10 Farmakodynamika

Carol L. Beck, Pharm.D., Ph.D.

Farmakodynamika Strona 9 z 10

Carol L. Beck, Pharm.D., Ph.D.

---