Фармакодинамические понятия.

ФАРМАКОДИНАМИКА.

От малых причин бывают великие последствия; так, отгрызение заусенца причинило моему знакомому рак.

К. Прутков «Мысли и афоризмы», №79а.

Цели.

Вы должны уметь:

■ Указать, является антагонист конкурентным или необратимым, основываясь на его влиянии на кривую зависимости «доза-эффект» для агониста;

■ сравнивать эффективность и активность лекарств на основании их кривых «доза-эффект»;

■ предсказывать влияние парциального агониста на систему в присутствии и в отсутствии полного агониста;

■ назвать два белка крови, которые имеют значительные участки для инертного связывания лекарств;

■ предсказать эффект добавления вещества В, когда присутствует субтоксическая доза вещества А, если оба вещества А и В связываются с одними и теми же участками инертного связывания белков;

■ дать примеры парциальных агонистов, конкурентных и необратимых фармакологических антагонистов; физиологических и химических антагонистов;

■ назвать сопрягающий и эффекторный белки, которые активируются b-адренорецепторами;

■ назвать четыре способа, посредством которых лекарство, связавшись с рецептором вызывает свои биологические эффекты.

Выучите приведенные ниже определения.

Таблица 2-1.Фармакодинамические определения.

Фармакодинамические понятия.

А. Рецепторы. Рецепторы - это специфические молекулярные компоненты биологической системы, с которыми взаимодействуют лекарства, чтобы вызвать изменения функции системы. Рецепторы должны быть селективными по своим лиганд-связывающим характеристикам (так чтобы реагировать только на специальный химический сигнал, а не на сигнал, не имеющий биологического смысла). Рецепторы также должны быть способны к конформационным или другим изменениям после связывания с молекулой агониста (чтобы вызвать функциональные изменения в системе). В настоящее время идентифицированы, очищены, химически охарактеризованы и клонированы многие рецепторы. Большинство рецепторов, описанных к настоящему времени являются белками, некоторые - иными макромолекулами, такими как нуклеиновые кислоты. Рецепторный участок или участок узнавания для лекарства - это специфический участок макромолекул, который обладает высоким и избирательным сродством (аффинностью) для молекул этого лекарства. Взаимодействие лекарства со своим рецептором - это главное (основное) событие, которое иницирует действие лекарства.

В. Эффекторы. Эффекторы - это молекулы, которые трансформируют взаимодействие лекарственного вещества с рецептором в изменение активности клетки. Типичным примером таких эффекторов являются ферменты, подобные аденилатциклазе. Некоторые рецепторы одновременно являются и эффекторами, то есть в одной молекуле могут быть объединены как участок связывания для лекарства, так и эффекторный механизм (например: тирозинкиназный эффекторный участок инсулинового рецептора).

Рис 2-1. Градуальные (интегральные) графики «доза-эффект» и «доза-связывание».

А. Соотношение между дозой или концентрацией вещества и его эффектом. Если шкала доз линейная обычно получается гиперболическая кривая.

В. Те же данные, логарифмическая шкала доз. Доза или концентрация, при которой эффект составляет половину максимального, обозначены как ЕС₅₀.

С. Если расположить процент рецепторов, которые связаны с лекарством в зависимости от концентрации этого лекарства, получается аналогичная кривая. Концентрация, при которой 50% рецепторов являются связанными с лекарственным средством, обозначена К_d.

C. Градуальные (интегральные) соотношения «доза-эффект». Если ответ на введение лекарственного средства в отдельно взятой системе рецептор-эффектор (которая может быть системой in vitro, лабораторным животным или пациентом) измеряют относительно повышающихся концентраций данного лекарства то, получающийся при этом график зависимости величины ответов системы по отношению к концентрации или дозе лекарства называют градуальной (интегральной) кривой «доза-эффект» (см. рис.2-1 А). При нанесении данных на полулогарифмическую шкалу обычно получают сигмовидную (S-образную) кривую, что позволяет упростить математические рассчеты для такой кривой (см. рис.2-1 В). Подобный график может быть получен и для фракции рецепторов, которые связаны с лекарством в зависимости от величины концентрации этого лекарства (см. рис.2-1 С). На основании этих данных (см. ниже) могут быть рассчитаны показатели максимальной эффективности, ЕС₅₀ и К_d лекарственного средства

Рис. 2-2. График квантовой зависимости «доза-эффект», полученный при изучении терапевтического и летального эффекта нового лекарственного средства у мышей. Темные столбики (и соответствующая им кривая) показывает частоту распределения доз данного вещества, необходимых для получения желаемого терапевтического эффекта. Т.е. тот процент животных от общего их количества в популяции, который требует введения определенной дозы для получения эффекта. Светлые столбцы (и соответствующая кривая), показывают суммарную накопительную частоту получения эффекта лекарства в популяции при увеличении его дозы. Эта частота подчиняется закону log-нормального распределения.

D. Квантовые (дискретные) соотношения «доза-эффект». Квантовые соотношения «доза-ответ» устанавливают в том случае, если определяют минимальную дозу лекарственного средства, которая необходима, чтобы вызвать специфический ответ, у каждого члена популяции (см. рис.2-2). Если расположить долю популяции, у которой был получен ответ на каждое повышение дозы лекарственного средства, против логарифма введенной дозы, получается кумулятивная (квантовая) кривая «доза-эффект», обычно сигмовидной формы. В результате экспериментов, выполненных таким образом, могут быть получены значения средней эффективной (ЕD₅₀), средней токсической (ТD₅₀) и средней летальной (DL₅₀) доз.

Е. Молчащие рецепторы. Говорят, что имеются молчащие рецепторы, если максимальный ответ лекарства может быть получен при меньшей его концентрации, чем это требуется для насыщения (полной оккупации) рецепторов. На практике это определяются, сравнивая ЕС₅₀ и К_d лекарственного средства. Если ЕС₅₀ меньше, чем К_d, то говорят что существуют молчащие рецепторы (см. рис. 2-3). Это может происходить в результате одного или нескольких механизмов. Первый: эффект взаимодействия лекарство-рецептор может сохраняться много дольше, чем взаимодействие само по себе («time»-механизм). Второй: реальное количество рецепторов может превышать число доступных эффекторных молекул. Наличие молчащих рецепторов повышает чувствительность к агонисту.

Рис 2-3. В системе с молчащими рецепторами ЕС₅₀ ниже, чем К_d. Это указывает на то, что для достижения 50% эффекта от максимального должно быть оккупировано меньше чем 50% рецепторов. Объяснение этого феномена обсуждается в тексте.

F. Инертные участки связывания. Инертные места связывания – это компоненты эндогенных молекул, способные связывать лекарство без инициации событий, которые ведут к любому из эффектов этого лекарства. В некоторых компартментах тела (например, плазме) инертные места связывания играют важную роль в поддержании постоянства концентрации активной формы лекарства. (Только несвязанное вещество вносит вклад в создание концентрационного градиента, регулирующего диффузию, и принимает участие во взаимодействии лекарственного средства с рецептором.) Два наиболее важных белка плазмы, обладающие выраженной связывающей способностью – это альбумин и орозомукоид (кислый a₁-гликопротеин)

G. Агонисты и парциальные агонисты. Агонисты – это вещества, способные полностью активировать эффекторную систему при связывании с ее рецепторами. Парциальный агонист, даже если он занял все рецепторы, вызывает меньший эффект, чем максимально возможный (см. рис 2-4). В присутствии полного агониста, парциальный агонист действует подобно конкурентному ингибитору.

Рис 2-4. Сравнение кривых доза-эффект для полного и парциального агониста. Парциальный агонист действует на рецепторную систему также, как и полный агонист, но не может вызвать ответ такой же максимальной величины, даже не взирая на дальнейшее повышение дозы. Парциальный агонист может быть более активным (как показано на рисунке), менее активным или иметь одинаковую активность с полным агонистом. Активность является независимым фактором.

H. Конкурентные и неконкурентные (необратимые) фармакологические антагонисты. Конкурентные антагонисты – это вещества, которые обратимо связываются с рецепторами без активации эффекторной системы этого рецептора. Фактически, конкурентный антагонист взаимодействует с рецепторами в том же самом месте, что и агонист и, следовательно, он конкурирует с агонистом за места связывания. В присутствии конкурентного антагониста, логарифмическая кривая «доза-эффект» смещается в сторону более высоких доз (то есть по оси доз горизонтально вправо), но при этом достигается прежний максимальный эффект (см. рис. 2-5 А). Напротив, неконкурентный (необратимый) антагонист вызывает смещение вниз максимума кривой, без ее смещения по горизонтальной оси доз (см рис. 2-5 В). Неконкурентный антагонист связывается с рецептором в участке, который функционально и морфологически отличается от связывающего агонист рецепторного сайта. Тем самым, неконкурентные антагонисты либо предотвращают взаимодействие агонистов с их специфическими связывающими сайтами, либо препятствуют процессу активации рецептора его агонистом. Эффекты конкурентных антагонистов могут быть преодолены путем добавления агонистов в больших концентрациях. Эффекты необратимых антагонистов не могут быть преодолены добавлением агониста.

Рис. 2-5. Кривые доза-эффект агониста в присутствии конкурентного и неконкурентного (необратимого) антагонистов. Обратите внимание, что используется логарифмическая шкала доз.

А. Конкурентный антагонист оказывает влияние, которое отражается смещением кривой агониста вправо.

В. Неконкурентный антагонист смещает кривую агониста вниз.

I. Физиологические антагонисты. Физиологический антагонист – это вещество, которое связывается не с теми рецепторами на которые действует данный агонист, а с иным типом рецепторов, вызывая при этом эффект, противоположный тому, который создает агонист. Таким образом, различие физиологических антагонистов с фармакологическими антагонистами состоит в том, что они взаимодействуют с абсолютно различными рецепторами. Типичным примером является антагонизм бронхоконстрикторного действия гистамина (опосредован через Н₁-гистаминовые рецепторы) по отношению к бронхорасширяющему действию эпинефрина (опосредован b₂-адренорецепторами).

J. Химические антагонисты. Химический антагонист – это вещество, которое прямо взаимодействует с веществом-агонистом, и тем самым либо удаляет его, либо предупреждает его взаимодействие с мишенью. Химический антагонизм не зависит от взаимодействия агониста с рецептором (хотя такое взаимодействие и может иметь место). Прекрасный пример химического антагониста – димеркапрол, хелатирующий агент, который связывает свинец и некоторые другие токсичные металлы, предупреждая тем самым их влияние на мишени. Дипироксим, который прочно связывается с фосфором в фосфорорганических ингибиторах холинэстеразы - другой подобный пример химического антагониста.

K. Эффективность. Эффективность (часто ее называют максимальная эффективность) – это максимальный эффект агониста, который он может вызвать при применении в максимальной дозе. Эффективность определяется главным образом природой рецептора и связанной с ним эффекторной системы. Она может быть определена с помощью кривой «доза-эффект» (см. рис. 2-1, 2-4), но не с помощью квантовой кривой «доза-эффект». Исходя из этого определения, парциальные агонисты имеют более низкую максимальную эффективность, чем полные агонисты.

L. Активность. Активность - обозначает количество вещества, которое необходимо для того, чтобы вызвать данный эффект. При градуальной (интегральной) записи зависимости «доза-эффект», обычно выбирают эффект, который составляет 50% от максимального и доза (концентрация), которая вызывает такой эффект, называется ED₅₀ или ЕС₅₀ (от англ. «efficacy concentration/dose/ 50%»). Активность зависит, главным образом, от аффинитета рецептора к веществу. При квантовой записи зависимости «доза-эффект» типичными характеристиками активности также являются ЕD₅₀, ТD₅₀ и LD₅₀ (соответственно эффективная, токсическая и летальная доза у 50% популяции, от англ. «toxic dose 50%» и «letal dose 50%»). Таким образом, активность может быть определена либо по градуальной, или из квантовой кривой зависимости «доза-эффект» (например, см. рис. 2-1, 2-2), однако, полученные численные значения в этих случаях не всегда идентичны.

М. Терапевтический индекс и терапевтическое окно. Терапевтический индекс – это отношение определенных с помощью градуальной кривой «доза-эффект»ТD₅₀ (или LD₅₀) к ЕD₅₀. Терапевтический индекс служит для оценки безопасности лекарства, поскольку можно ожидать, что более безопасное вещество будет иметь очень большую токсическую дозу и малую эффективную дозу. Например, на рисунке 2-2 ЕD₅₀ равна приблизительно 6 мг. А LD₅₀ – приблизительно 210 мг. Терапевтический индекс составляет в данном случае 35 (210/6). К сожалению, вариации наклона кривой «доза-эффект» делают оценку терапевтического индекса таким способом небезопасной. Терапевтическое окно - клинически более значимый показатель безопасности лекарства, который представляет собой диапазон доз между минимальной эффективной терапевтической концентрацией (дозой) и минимальной токсической концентрацией (дозой). Например, если средняя минимальная терапевтическая концентрация теофиллина в плазме составляет 8 мг/л, а его токсические эффекты наблюдаются при концентрации 18 мг/л, то терапевтическое окно будет составлять 8-18 мг/л.

N. Сигнальные механизмы. В случае если лекарство-агонист связывается со своим рецептором, происходит активация каких-либо эффекторных механизмов. Для большинства используемых веществ эффекторные механизмы располагаются внутри клеток или связаны с модификацией некоторых внутриклеточных процессов. В настоящее время определены четыре основных трансмембранных сигнальных механизма для рецептор-эффекторных систем (см. рис. 2-6).

1. Внутриклеточные рецепторы. Некоторые вещества, особенно более липофильные или способные к диффузии (например, стероидные гормоны, оксид азота) могут проникать через мембрану и связываться с внутриклеточными рецепторами, что влияет на активность внутриклеточных эффекторных молекул.

Рисунок 2-6. Сигнальные механизмы для реализации эффектов лекарств. В настоящее время установлено четыре главных сигнальных механизма:

1) трансмембранная диффузия вещества и последующее его связывание с внутриклеточным рецептором;

2) рецепторы трансмембранных энзимов наружный домен которых выполняет рецепторные функции, а внутренний – обеспечивает эффекторный механизм;

3) трансмембранные каналы, которые открываются или закрываются при связывании вещества рецепторным участком;

4) рецепторы, связанные с G белком, которые используют этот особый связующий белок для того, чтобы активировать пространственно разделенные с ним эффекторные молекулы.

2. Рецепторы, локализованные на ферментах, связанных с мембранами. Вещества, которые воздействуют на мембраносвязанные рецепторы, связываются с рецепторным участком на экстрацеллюлярной части фермента и изменяют активность его внутриклеточной (собственно энзиматической) части. Например, инсулин действует на тирозинкиназу, которая локализована в мембране инсулин-чувствительных клеток. Инсулиновый рецепторный участок обращен к экстрацеллюлярное пространство, а каталитический участок тирозинкиназы находится на цитоплазматической стороне мембраны.

3. Рецепторы, локализованные на мембранах ионных каналах. Рецепторы, которые регулируют активность ионных каналов в мембране, могут либо прямо вызывать открытие ионных каналов (например, никотиновый рецептор для ацетилхолина), либо модифицировать ответ ионного канала на другие биологически активные вещества (например, бензодиазепиновые рецепторы на ГАМК-Cl-каналах изменяют ответ Cl-канала на поступление ГАМК).

4. Рецепторы, связанные с эффекторами через G белки. Подавляющее большинство веществ взаимодействует с рецепторами, которые связаны с особыми белками, связывающими рецептор с внутриклеточными или мембранными эффекторами. Наиболее характерными примерами такой группы веществ являются адреномиметические вещества, которые активируют или ингибируют аденилилциклазу (ранее ее не совсем корректно называли аденилатциклаза) путем многостадийного процесса: активация рецептора веществом вызывает активацию G белка, который, в свою очередь, либо стимулирует либо ингибирует циклазу. Идентифицировано много типов G белков, некоторые, наиболее важные из них, перечислены в таблице 2-2.

Таблица 2-2. Примеры рецепторов, которые связаны со