Movimento das moléculas de fármacos através das barreiras celulares

peso molecular. Consequentemente, enquanto moléculas grandes se

difundem mais lentamente que as pequenas, a variação com o peso

molecular é pouco significativa. Os fármacos clássicos com “molécula

pequena” apresentam um peso molecular entre 200 e 1.000 Da, sendo que

as variações na velocidade de difusão aquosa apresentam apenas um

pequeno efeito no seu comportamento farmacocinético global. Por outro

lado, os medicamentos biofarmacêuticos são, normalmente, moléculas

muito maiores (ver Capítulo 5). Assim, o peso molecular de um anticorpo

monoclonal é de cerca de 150 kDa e o de um pequeno RNA de

interferência, de 7,5 kDa. Assim, a difusão pode ser uma importante

limitação à velocidade de início de ação dos medicamentos

biofarmacêuticos.

Para fármacos de moléculas pequenas, podemos considerar o corpo

como uma série de compartimentos interligados, bem misturados, dentro

dos quais a concentração dos fármacos é uniforme. É o movimento entre os

compartimentos, geralmente envolvendo a passagem por barreiras não

aquosas, que determina onde e por quanto tempo um fármaco estará

presente no organismo depois de administrado. O Capítulo 11 discute a

análise do movimento de um fármaco com o auxílio de um modelo

compartimental simples.

 

MOVIMENTO DAS MOLÉCULAS DE FÁRMACOS

ATRAVÉS DAS BARREIRAS CELULARES

As membranas celulares formam as barreiras entre os compartimentos

aquosos do organismo. Uma única camada de membrana separa os

compartimentos intracelular e extracelular. Uma barreira epitelial, como a

mucosa gastrintestinal ou o túbulo renal, consiste em uma camada de células estreitamente conectadas, de modo que as moléculas devem

atravessar pelo menos duas membranas celulares (a interna e a externa) para

passar de um lado para o outro. A disposição anatômica e a permeabilidade

do endotélio vascular (a camada celular que separa os compartimentos intra

e extravascular) variam entre tecidos. As fendas entre as células endoteliais

estão preenchidas com matriz proteica frouxa que atua como um filtro,

retendo moléculas grandes e possibilitando a passagem de moléculas

menores. O limite do tamanho molecular não é exato: a água é transferida

rapidamente, enquanto moléculas de 80.000 a 100.000 Da são transferidas

muito lentamente. Em algumas regiões, especialmente na barreira

hematencefálica (p. 129) do sistema nervoso central (SNC) e na placenta,

existem junções oclusivas entre as células, e o endotélio está envolto por

uma camada impermeável de células periendoteliais (pericitos). Essas

características evitam que moléculas potencialmente perigosas penetrem no

cérebro ou no feto, e têm consequências importantes para a distribuição e a

atividade dos fármacos.

Em outros órgãos (p. ex., fígado e baço), o endotélio não é contínuo, o

que torna possível livre passagem entre as células. No fígado, os

hepatócitos formam a barreira entre os compartimentos intra e extravascular

e assumem diversas funções das células endoteliais. As glândulas

endócrinas contêm um endotélio fenestrado que facilita a transferência de

hormônios e outras moléculas para a corrente sanguínea através de poros no

endotélio. A formação do endotélio fenestrado é controlada pelo específico

fator de crescimento endotelial vascular derivado de glândula endócrina

(EG-VEGF; do inglês, endocrine gland-derived vascular endothelial

growth factor). As células endoteliais que revestem as vênulas pós-capilares

apresentam funções especializadas relacionadas com a migração de

leucócitos e inflamação, e a sofisticação da junção intercelular pode ser apreciada pelo fato de que a migração leucocitária pode ocorrer sem

qualquer extravasamento detectável de água ou pequenos íons (ver Capítulo

7).

As moléculas pequenas atravessam as membranas celulares de quatro

maneiras principais (Figura 9.1):

 

• Por difusão direta através dos lipídios

• Combinando-se com um transportador de soluto (SLC; do inglês,

solute carrier) ou outro transportador de membrana

• Por difusão através de poros aquosos formados por glicoproteínas de

membrana especiais (aquaporinas) que atravessam os lipídios

• Por pinocitose.

 

Dessas vias, a difusão através de lipídios e o transporte mediado por

transportadores são particularmente importantes com relação aos

mecanismos farmacocinéticos.

▼ A difusão através das aquaporinas é provavelmente importante na

transferência de gases, como o dióxido de carbono, mas os poros têm

um diâmetro muito pequeno (em torno de 0,4 nm) para possibilitar a

passagem da maioria das moléculas de fármacos (que geralmente

excedem 1 nm de diâmetro). Consequentemente, a distribuição dos

fármacos não é apreciavelmente anormal em pacientes com doenças

genéticas que afetam as aquaporinas. A pinocitose envolve a

invaginação de parte da membrana celular e a captação, dentro da

célula, de uma pequena vesícula contendo constituintes extracelulares.

O conteúdo da vesícula pode, então, ser liberado dentro da célula ou

extruído no outro lado desta. Esse mecanismo parece ser importante

para o transporte de algumas macromoléculas (p. ex., a insulina, que

cruza a barreira hematencefálica por esse processo), mas não para

moléculas pequenas.

 

Difusão lipídica

As moléculas apolares (nas quais os elétrons estão distribuídos

uniformemente) dissolvem-se livremente na camada lipídica da membrana,

difundindo-se prontamente através das membranas celulares. O número de

moléculas que atravessam a membrana por unidade de área na unidade de

tempo é determinado pelo coeficiente de permeabilidade, P, e pela

diferença de concentração nos dois lados da membrana. As moléculas

permeantes devem estar presentes em número suficiente na membrana e ser

móveis dentro dela para que ocorra uma passagem rápida. Assim, dois

fatores físico-químicos contribuem para P, quais sejam, a solubilidade na

membrana (que pode ser expressa como o coeficiente de partição para a

substância distribuída entre a fase da membrana e o ambiente aquoso) e a

difusibilidade, que é a medida da mobilidade das moléculas na camada

lipídica, sendo expressa como um coeficiente de difusão. O coeficiente de

difusão varia muito pouco entre os fármacos convencionais, como referido

anteriormente e, por isso, a variável mais importante de permeabilidade

membranar para fármacos de baixo peso molecular é o coeficiente de

partição (Figura 9.2). Muitas características farmacocinéticas de um

fármaco – como a velocidade de absorção pelo intestino, a penetração em

diferentes tecidos e a extensão da eliminação renal – podem ser previstas

por meio do conhecimento da sua solubilidade lipídica.

Figura 9.1 Vias pelas quais os solutos podem atravessar as membranas celulares.

 

(As moléculas também podem cruzar barreiras celulares por pinocitose.)

 

Captura iônica

A ionização e a permeabilidade membranar afetam não só a velocidade na

qual os fármacos atravessam a membrana, mas também a distribuição em

fase de equilíbrio das moléculas de fármacos entre os compartimentos

aquosos. As moléculas lipossolúveis difundem-se para dentro das células,

onde são metabolizadas (p. ex., por esterases). Estas podem liberar um

importante metabólito funcional carregado (e logo impermeável), que fica,

consequentemente, preso dentro da célula. Isso tem sido explorado de

forma extensa, especialmente para provar a função de mediadores

intracelulares como o Ca2+ utilizando indicadores fluorescentes como fura-

2, que é carregado dentro das células como um éster não carregado e preso

na forma carregada (ver, p. ex., Figura 4.2). A mesma abordagem foi

utilizada recentemente por químicos farmacêuticos que procuram direcionar

os fármacos para alvos intracelulares de ação (vários dos quais em

desenvolvimento), dentro de monócitos e macrófagos, utilizando motivos

químicos sensíveis a esterases, conjugados com um fármaco como um

inibidor de histona deacetilase (ver Capítulo 29). Esta produz um

profármaco (ver, p. 131) que transporta o fármaco para dentro das células

da linhagem macrófago/monócito, que expressam seletivamente a

carboxilesterase-1 humana, ficando o fármaco carregado preso no

citoplasma monocítico, que é o seu local de ação (Needham et al., 2011).

Figura 9.2 A importância da lipossolubilidade na permeação de membranas. A e B. As figuras mostram o perfil de concentração em uma membrana lipídica que separa dois compartimentos aquosos. Um fármaco lipossolúvel (A) está sujeito a um gradiente de concentração transmembrana ( △ C ) muito maior que um fármaco que não é lipossolúvel m

(B). Consequentemente, ele se difunde mais rapidamente, apesar de o gradiente de concentração aquoso (C – C ) ser o mesmo em ambos os casos. 1 2

 

■ pH e ionização

Um fator complicador importante com relação à permeação da membrana é

o fato de que muitos fármacos são ácidos ou bases fracas, existindo,

portanto, tanto na forma não ionizada quanto na ionizada; a razão entre as

duas formas varia com o pH. Para uma base fraca, B, a reação de ionização

é:

 

e a constante de dissociação pK é dada pela equação de Henderson-a Hasselbalch

 

Para um ácido fraco, AH:

 

Em ambos os casos, a espécie ionizada, BH+ ou A−, apresenta solubilidade

lipídica muito baixa, sendo virtualmente incapaz de difundir-se através de

membranas, exceto onde exista um mecanismo específico de transporte. A lipossolubilidade de uma espécie sem carga, B ou AH, depende da natureza

química do fármaco; para muitos fármacos, a espécie sem carga é

suficientemente lipossolúvel para permitir uma rápida difusão através da

membrana, mas existem exceções (p. ex., antibióticos aminoglicosídios; ver

Capítulo 52) em que mesmo a molécula sem carga é insuficientemente

lipossolúvel, não apresentando difusão de monta. Em geral, isso se deve aos

grupos ligantes de hidrogênio (como as hidroxilas do componente açúcar

dos aminoglicosídios) que fazem com que a molécula sem carga fique

hidrofílica.

 

■ Partição pelo pH e aprisionamento iônico

Se existir uma diferença de pH entre os compartimentos corporais, tal pode

alterar a distribuição, em fase de equilíbrio, dos fármacos que são ácidos ou

tenham bases fracas, mediante na sua ionização. A Figura 9.3 mostra como

um ácido fraco (p. ex., ácido acetilsalicílico, pKa de 3,5) e uma base fraca

(p. ex., petidina, pKa de 8,6) estariam distribuídos, no equilíbrio, entre três compartimentos do organismo, quais sejam: plasma (pH de 7,4), urina

alcalina (pH de 8) e suco gástrico (pH de 3). Em cada compartimento, a

razão entre as formas ionizada e não ionizada de um fármaco é determinada

pelo seu pKa e o pH do compartimento. Presume-se que a forma não ionizada possa atravessar a membrana e, consequentemente, alcançar

concentrações iguais em cada compartimento, e que a forma ionizada não

consiga atravessá-la. O resultado é que, no equilíbrio, a concentração total

(ionizada + não ionizada) do fármaco será diferente em cada

compartimento, com um fármaco ácido sendo concentrado no

compartimento com um pH alto (“aprisionamento iônico”) e vice-versa. Os

gradientes de concentração produzidos pelo aprisionamento iônico podem,

em teoria, ser muito grandes se houver significativa diferença de pH entre os compartimentos. Assim, o ácido acetilsalicílico apresentaria

concentração quatro vezes maior no túbulo renal alcalino que no plasma, e

cerca de 6.000 vezes maior no plasma em relação ao meio ácido do

estômago. No entanto, é improvável que, na realidade, gradientes tão

grandes sejam alcançados, sendo duas as razões: em primeiro lugar, a

presunção de impermeabilidade total das formas polares não é realista, e até

mesmo uma pequena permeabilidade atenuaria consideravelmente a

diferença de concentração que pode ser alcançada; em segundo lugar, os

compartimentos do organismo raramente chegam ao equilíbrio. Nem o

conteúdo gástrico nem o líquido tubular renal ficam estáticos, e o fluxo de

moléculas de fármacos resultante reduz os gradientes de concentração bem

abaixo das condições teóricas de equilíbrio. Contudo, o mecanismo de

partição pelo pH explica corretamente alguns dos efeitos qualitativos das

alterações de pH em diferentes compartimentos do organismo sobre a

farmacocinética de fármacos que são ácidos fracos ou bases fracas,

especialmente com relação à eliminação renal e à penetração pela barreira

hematencefálica.

A partição pelo pH não é o principal determinante do local de absorção

de fármacos no trato gastrintestinal. Isso ocorre em virtude da enorme área

de absorção das vilosidades e microvilosidades do íleo, comparada com a

área de absorção do estômago, que é muito menor, diminuindo, assim, sua

importância. Desse modo, a absorção de um fármaco ácido, como o ácido

acetilsalicílico, é aumentada por fármacos que aceleram o esvaziamento

gástrico (p. ex., metoclopramida) e retardada por fármacos que o reduzem

(p. ex., a propantelina), apesar de o pH ácido do estômago favorecer a

absorção de ácidos fracos. A Figura 9.4 mostra valores de pKa de alguns fármacos comuns.

A partição pelo pH tem várias consequências importantes:

• O aprisionamento da base livre de alguns fármacos antimaláricos (p.

ex., cloroquina, ver Capítulo 55) no ambiente ácido do vacúolo

alimentar do parasito da malária contribui para a interrupção da via de

digestão da hemoglobina que é a base do seu efeito tóxico sobre o

parasito

• A acidificação da urina acelera a eliminação de bases fracas e retarda a

de ácidos fracos (ver Capítulo 10)

• A alcalinização da urina tem o efeito oposto: reduz a eliminação de

bases fracas e aumenta a de ácidos fracos

• O aumento do pH do plasma (p. ex., pela administração de bicarbonato

de sódio) faz com que ácidos fracos sejam extraídos do SNC para o

plasma. O oposto é verdadeiro, ou seja, a redução do pH do plasma (p.

ex., pela administração de um inibidor da anidrase carbônica, como a

acetazolamida, ver Capítulo 30) faz com que ácidos fracos sejam

concentrados no SNC, potencialmente aumentando sua neurotoxicidade.

Esse conhecimento tem consequências práticas na escolha do método de

alcalinização da urina para o tratamento de uma superdosagem de ácido

acetilsalicílico: o bicarbonato e a acetazolamida aumentam o pH

urinário e, portanto, facilitam a eliminação dos salicilatos. Por outro

lado, o bicarbonato reduz a distribuição de salicilatos no SNC, enquanto

a acetazolamida a aumenta.

Figura 9.3 Partição teórica de um ácido fraco (ácido acetilsalicílico) e uma base

fraca (petidina) entre compartimentos aquosos (urina, plasma e suco gástrico) de acordo com a diferença de pH entre eles. Os números representam concentrações relativas (concentração plasmática total = 100). Presume-se que a forma não carregada em cada caso possa atravessar a barreira celular que separa os compartimentos, atingindo, assim, a mesma concentração em todos os três. Variações na ionização fracional em função do pH dão origem a grandes diferenças na concentração total em relação ao plasma.

Transporte mediado por transportadores

Muitas membranas celulares apresentam mecanismos especializados de

transporte que regulam a entrada e a saída de moléculas fisiologicamente

importantes, tais como açúcares, aminoácidos, neurotransmissores e íons

metálicos. São divididos de modo amplo em transportadores SLC e

transportadores cassetes de ligação ao ATP (ABC; do inglês, ATP-binding

cassette). Os primeiros facilitam a movimentação passiva de solutos a favor

de seu gradiente eletroquímico, enquanto os últimos são bombas ativas

movidas por ATP. Acredita-se que mais de 300 genes humanos codifiquem

esses transportadores, a maioria atuando principalmente em substratos

endógenos, mas alguns também transportam substâncias exógenas

(“xenobióticos”), inclusive fármacos. O papel de tais transportadores nas

funções neurotransmissoras é discutido nos Capítulos 14, 15 e 38.

 

■ Transportadores de cátions e ânions orgânicos

Dois SLC estruturalmente relacionados que são importantes na distribuição

de fármacos são os transportadores de cátions orgânicos (OCT; do inglês,

organic cation transporters) e de ânions orgânicos (OAT; do inglês, organic

anion transporters). A molécula transportadora consiste em uma proteína

transmembrana que liga uma ou mais moléculas ou íons, muda de

conformação e os libera do outro lado da membrana. Tais sistemas podem

operar de maneira puramente passiva, sem qualquer fonte de energia; nesse

caso, eles apenas facilitam os processos de equilíbrio transmembranar das

espécies transportadas, na direção do seu gradiente eletroquímico. Os OTC

translocam dopamina, colina e diferentes fármacos, incluindo vecurônio,

quinina e procainamida. São “uniportadores” (i. e., cada molécula

transportadora se liga a uma molécula de soluto de cada vez e a transporta a

favor do seu gradiente). O OCT2 (presente nas células do túbulo proximal do rim) concentra fármacos como a cisplatina nessas células (um

importante fármaco antineoplásico; ver Capítulo 57), resultando na sua

nefrotoxicidade seletiva; fármacos relacionados (p. ex., carboplatina,

oxaliplatina) não são transportados pelo OCT2 e são menos nefrotóxicos; a

competição pelo OCT2 com a cimetidina oferece uma possível proteção

contra a nefrotoxicidade da cisplatina (Figura 9.5). Outros SLC estão

acoplados ao gradiente eletroquímico de Na+ ou de outros íons através da

membrana, gerado pelas bombas de íons dependentes de ATP (ver Capítulo

4); nesse caso, o transporte pode ocorrer contra o gradiente eletroquímico.

Pode haver transporte de uma molécula em troca de outra (“antiporte”) ou o

transporte de duas moléculas juntas na mesma direção (“simporte”). Os

OAT são responsáveis pela secreção renal de uratos, prostaglandinas,

algumas vitaminas e p-amino hipurato, e de fármacos como a probenecida,

muitos antibióticos, antivirais, anti-inflamatórios não esteroides e

antineoplásicos. A captação é alimentada pela troca com ácidos

dicarboxílicos intracelulares (principalmente α-cetoglutarato, em parte

derivado do metabolismo celular e em parte devido a cotransporte com o

Na+, que entra nas células a favor de seu gradiente de concentração). A

energia metabólica é fornecida pelo ATP pela troca Na+/K+. Como o

transporte mediado por transportadores envolve uma etapa de ligação, ele

apresenta características de saturação.

Figura 9.4 Valores de pKa para alguns fármacos ácidos e básicos.

 

Transportadores desse tipo estão amplamente distribuídos, e muitos

efeitos farmacológicos resultam de interferências em sua atuação. Assim,

alguns terminais nervosos apresentam mecanismos de transporte que

acumulam neurotransmissores específicos ou os seus precursores, existindo

muitos exemplos de fármacos que atuam por inibição desses mecanismos

de transporte (ver Capítulos 14, 15, 38, 48 e 49). Contudo, de um ponto de

vista farmacocinético geral, os principais locais em que os SLC (incluindo OCT e OAT) são expressos, e o transporte de fármacos mediado por

transportadores é importante, são:

 

• Barreira hematencefálica

• Trato gastrintestinal

• Túbulo renal

• Trato biliar

• Placenta.

 

■ Transportadores P-glicoproteína

As P-glicoproteínas (P-gp; P significando “permeabilidade”), que

pertencem à superfamília de transportadores ABC, são a segunda classe

mais importante de transportadores e são responsáveis pela resistência a

múltiplos fármacos em células cancerosas, muitos dos quais expressam uma

bomba dependente de ATP com ampla especificidade, designados proteína

1 resistente a múltiplos fármacos (mdr1; do inglês, multidrug resistance

protein 1) (ver Capítulo 57). Esta é expressa em animais, fungos e bactérias

e pode ter evoluído como mecanismo de defesa contra toxinas. As P-gp

estão presentes nas membranas ciliadas dos túbulos renais, no canalículo

biliar, nos processos basais de astrócitos nos microvasos cerebrais1 e no

trato gastrintestinal. Desempenham papel importante em absorção,

distribuição e eliminação de muitos fármacos, e frequentemente

colocalizam-se junto com os transportadores SLC de fármacos, de modo

que um fármaco que tenha sido concentrado, por exemplo, por um

transportador OAT na membrana basolateral de uma célula tubular renal

possa então ser bombeado para fora da célula por uma P-gp na membrana

luminal (ver Capítulo 30).

A variação polimórfica nos genes que codificam SLC e P-gp contribui

para a variação genética individual na resposta a diferentes fármacos. Por outro lado, a competição entre fármacos para o mesmo transportador