Cours de Pharmacologie et Toxicologie Haute Ecole André VESALE 4 ème année de diététique sportive Cours de Pharmacologie et Toxicologie Damien PAUQUET Diététicien – Nutritionniste du sport Licencié en Sciences Biomédicales Année 2010-2011 pharmacocinétique / octobre 2003 / JDH

PHARMACOLOGIE TOXICOLOGIE Etude scientifique des médicaments et de leur emploi TOXICOLOGIE Etude scientifique des effets, des composants chimiques et du traitement des substances toxiques

PLAN DU COURS PHARMACOLOGIE a) PHARMACOCINETIQUE b) PHARMACODYNAMIE c) ENDOCRINOLOGIE PHARMACOLOGIQUE 2. TOXICOLOGIE d) LE DOPAGE

Pharmacologie générale: pharmacocinétique pharmacodynamie Absorption Distribution [ ] effets Métabolisme Elimination pharmacocinétique / octobre 2003 / JDH

pharmacologie générale: pharmacocinétique Etude des phénomènes qui concernent le devenir de la substance médicamenteuse (ou toxique) dans l’organisme et qui vont déterminer la concentration de la substance dans le compartiment où elle est active et l’évolution de cette concentration dans le temps pharmacocinétique / octobre 2003 / JDH

pharmacocinétique: mouvements entre les compartiments Ext. Système Nerveux Central volume extra- cellulaire compartiment central : volume qui est en équilibre d’échange rapide avec le plasma = essentiellement le liquide extracellulaire pharmacocinétique / octobre 2003 / JDH

pharmacocinétique: passage à travers les membranes Passage des petites molécules entre les cellules (voie intercellulaire) possible pour les épithéliums « lâches » (intestin grèle) et pour les endothéliums en général. Passage à travers les cellules (= passages successif à travers 2 membranes en série) dans les autres cas Passage obligatoire par les membranes des capillaires cérébraux pour entrer dans le système nerveux central (barrière hémato-encéphalique). Placenta : barrière en général peu efficace pharmacocinétique / octobre 2003 / JDH

pharmacocinétique: principes de base Diffusion à travers les membranes la vitesse de diffusion dépend de la surface d’absorption S du coefficient de perméabilité (Kp) du gradient des concentrations de part et d’autre de la membrane C1 C2 flux net = Kp.S.(C2-C1) Kp dépend de la taille de la molécule et de sa liposolubilité seules les petites molécules non chargées et peu polaires passent facilement à travers les membranes pharmacocinétique / octobre 2003 / JDH

Les principaux paramètres cinétiques Distribution et élimination Vd [C] élimination C = Q / Vd Vd = Q / C Vd : Volume de distribution C : concentration dans le compartiment central Q : quantité dans l’organisme pharmacocinétique / octobre 2003 / JDH

cinétique d’élimination: cinétique d’ordre 0 élimination d’une quantité constante de la quantité contenue dans l’organisme, EX : 1.2 mg sont éliminés chaque heure (quelque soit la concentration) 5 10 2 4 6 8 Q [mg] (ou [C]) temps [h] situation plutôt rare, rencontrée lorsqu’un système d’élimination travaille en condition de saturation pharmacocinétique / octobre 2003 / JDH

cinétique d’élimination: cinétique d’ordre 1 élimination d’une fraction constante de la quantité contenue dans l’organisme, par exemple 1% est éliminé chaque minute = élimination proportionnelle à la concentration 1 10 2 4 6 8 C = 16 * e^(-0.34.t) temps [h] log [C] (ou log[Q]) règle des 7 demi-vies : il reste env. 1 % après 7 t1/2 pharmacocinétique / octobre 2003 / JDH

constante d’élimination, demi-vie et clairance constante d’élimination = fraction de la quantité de la substance qui est éliminée par unité de temps demi-vie (t1/2) [s] : temps nécessaire à l’élimination de la moitié de la substance Clairance (Cl) totale (ou métabolique) [ml/min] = volume épuré par minute pharmacocinétique / octobre 2003 / JDH

Administration continue 20 40 60 80 2 4 6 8 10 12 C [ m M] temps [h] C eq Équilibre lorsque apports = élimination Début de la perfusion continue Dose de charge : quantité suffisante pour « remplir » le volume de distribution à une concentration voulue pharmacocinétique / octobre 2003 / JDH

Cinétique lors d’une administration unique non IV (per os par exemple) 10 20 4 8 12 16 temps [h] lC] (ou [Q]) pharmacocinétique / octobre 2003 / JDH

Administrations multiples, répétées à intervalle régulier h h I.V. Rowland & Tozer per os oscillations de la concentration plasmatique (l'amplitude des oscillations dépends de la dose unitaire et du volume de distribution). pharmacocinétique / octobre 2003 / JDH

Pharmacologie générale: pharmacocinétique pharmacodynamie Absorption Distribution [ ] effets Métabolisme Elimination pharmacocinétique / octobre 2003 / JDH

Absorption Voies d’administration administration topique : effet local visé (mais attention à l’effet général !) administration systémique : effet général par l’intermédiaire d’une distribution dans le compartiment central (mais attention à l’effet local !) pharmacocinétique / octobre 2003 / JDH

Voies d’administration parentérales i.v. = intraveineuse = directement dans le compartiment central i.m. = intramusculaire ou s.c. = sous-cutanée : injection d’un petit volume de solution concentrée la vitesse d’absorption dépend de la solubilité et du débit sanguin dans le tissu concerné (muscle > tissus sous-cutané) voie intra-artérielle : concentration plus élevée dans un territoire pendant la durée de la perfusion voie intrarachidienne : directement dans le LCR par ponction lombaire voie intrapéritonéale : absorption par une surface de 1-2 m2 de surface épithéliale pharmacocinétique / octobre 2003 / JDH

Voies d’administration entérales voie orale : résorption sublinguale: pour les substances à haut coefficient de perméabilité (ex. : nitroglycérine) résorption faible dans l’estomac (env. 1 m2 de surface muqueuse), épithélium « serré ». résorption surtout dans le grêle (env. 200 m2), épithélium « lâche ». vu le passage obligé par le système porte et le foie, effet de premier passage : métabolisme hépatique avant que la substance parvienne dans le compartiment central. voie rectale : passage partiel (env. 30 %) par le système porte. voie nasale : topique pour la muqueuse nasale systémique pour peptides (mais problème d’immunisation) pharmacocinétique / octobre 2003 / JDH

Biodisponibilité Pour une voie autre que intraveineuse; la biodisponibilité est la part de la quantité administrée qui parvient au compartiment central (par voie I.V. la biodisponibilité est 1 par définition) Deux substances ou préparations sont dites « bioéquivalentes » si elles ont la même disponibilité. AUC per os Biodisponibilité = AUC IV AUC : aire sous la courbe Élimination = C * Cl Élimination totale = intégrale de C * Cl

Phénomènes limitant la biodisponibilité pour l’administration par voie orale Métabolisme Intra-intestinal hépatique paroi intestinale foie veine porte non réabsorbé: élimination fécale parvient dans le compartiment central

Administration par inhalation voie bronchique : aérosols ou micro-particules qui se déposent sur les muqueuses bronchiques topique pour bronchodilatateurs et vasoconstricteurs systémique : nicotine ! voie pulmonaire (alvéolaire) : très grande surface et perfusion sanguine très importante ==> absorption potentiellement très rapide des gaz ou substances volatiles (utilisation clinique : surtout gaz anesthésiques, mais aussi important pour toxiques gazeux !) pharmacocinétique / octobre 2003 / JDH

Administration par voie cutanée:structure de la peau La couche cornée normale est hautement imperméable aux substances hydrosolubles, polaires ou chargées (faible passage possible par les annexes) pharmacocinétique / octobre 2003 / JDH

Administration par voie cutanée topique : traitements dermatologiques systémique : quelques substances à haut Kp (petit poids moléculaire, liposoluble) par ex: nitroglycérine, oestrogènes, nicotine et autres toxiques : organophosphorés, DDT absorption très dépendante de l’état normal ou pathologique de la peau ! (attention par exemple aux effets systémiques des corticostéroïdes topiques par exemple). pharmacocinétique / octobre 2003 / JDH

Pharmacologie générale: pharmacocinétique pharmacodynamie Absorption Distribution [ ] effets Métabolisme Elimination pharmacocinétique / octobre 2003 / JDH

Distribution Volume de distribution apparent (Vd) C = Q / Vd Vd = Q / C rappel des volumes liquidiens de l’organisme : (pour un homme de 70 Kg) eau totale 65 % 46 l. volume intracellulaire 40 % 28 l. volume extracellulaire 20 % 14 l. volume plasmatique 5 % 4 l. pharmacocinétique / octobre 2003 / JDH

Distribution Vd = Q / C Le Volume de distribution apparent peut être considérablement plus grand que les volumes physiques à cause de la distribution de la substance en dehors du compartiment central exemple tissus réservoirs 99% C.C. 1% apports élimination pharmacocinétique / octobre 2003 / JDH

Tissus réservoirs tissus adipeux : toutes les substances liposolubles os : plomb, fluor, aluminium, tétracyclines diverses protéines tissulaires : amiodarone, cadmium acides nucléiques : chloroquine Effets des tissus réservoirs sur la cinétique d’élimination : pour une clairance constante, l’élimination est d’autant plus lente que le volume de distribution est grand. pharmacocinétique / octobre 2003 / JDH

cinétique de distribution exemple du gaz anesthésique N2O Goodman & Gilman’s

Liaison aux protéines plasmatiques Exemples de protéines plasmatiques qui lient les médicaments: albumine 0.5 - 0.7 mM très nombreuses substances glycoprotéine acide 10 mM subst. basiques transcortine ~1 mM cortisol liaisons ioniques : dépendent du pH sanguin è attention aux modifications de fraction libre en cas d’acidose ou d’alcalose taux de liaison très variables : la fraction libre peut varier entre 0.1 % et 100 % (tableau) Rowland & Tozer pharmacocinétique / octobre 2003 / JDH

liaison aux protéines plasmatiques Attention aux interactions possibles par compétition entre les substances qui se lient aux mêmes sites : èdéplacement d’une première substance par une autre qui se lie au même site p. ex. dicoumarol (anticoagulant oral) et plusieurs anti-inflammatoires, anti-diabétiques oraux, etc. aussi liaison aux éléments figurés du sang + pharmacocinétique / octobre 2003 / JDH

Pharmacologie générale: pharmacocinétique pharmacodynamie Absorption Distribution [ ] effets Métabolisme Elimination pharmacocinétique / octobre 2003 / JDH

Métabolisme des médicaments principaux tissus responsables du métabolisme des xénobiotiques : surtout le foie mais aussi rein, tube digestif, poumon, peau, enzymes plasmatiques, etc. Phase I Introduction ou exposition d’un groupe réactif Phase II Réactions de conjugaison hydrosolubilité Résultat du passage par les deux phases : production d’un dérivé conjugué hautement soluble qui rend l’élimination rénale possible (en particulier par sécrétion tubulaire active pour certains conjugués anioniques) pharmacocinétique / octobre 2003 / JDH

Réactions de phase I = réactions de « fonctionnalisation » exemples: oxydation aliphatique oxydation aromatique N-oxydation S-oxydation = réactions de « fonctionnalisation » oxydation par un cytochrome P450 autres réactions d’oxydation réduction hydrolyse d’ester, d’amide, de liaison peptidique

Les cytochromes P450 ou monooxygénases microsomiales famille complexes de protéines membranaires, généralement associées au réticulum endoplasmique, qui contiennent un groupe prosthétique hème. 12 grandes familles de cytochrome P450 : CYP1 ...CYP12 Les familles CYP1, CYP2 et CYP3 sont les principales concernées par le métabolisme des médicaments (les autres sont impliquées dans la synthèse ou le métabolisme des stéroïdes ou des acides gras et dérivés).

cycle catalytique du cytochrome P-450 autres réactions : C > A réduction RH > RH.- D > B production de superoxide O2.- E > B production de H2O2 formation potentielle de toxiques !

cytochromes P450 : exemples CYP1A1/2 : chez l’homme CYP1A2 dans le foie, CYP1A1 dans d’autre tissus, époxydation des hydrocarbures aromatiques polycycliques induit par hydrocarbures aromatiques polycycliques CYP2D6 : responsable de la biotransformation du propranolol et de nombreux antiarythmiques. Inhibé par la quinidine. CYP2E1 : oxydation de l’éthanol (à côté de l’alcool déshydrogénase), induit par l’éthanol, activation toxique du paracétamol, chloroforme, etc. CYP3A4 : le CYP le plus abondant dans le foie humain, métabolise de très nombreux médicaments et des stéroïdes endogènes p. ex. : ciclosporine, érythromycine, ... . Nombreuses substances inhibitrices : ciméthidine, kétoconazole, .... CYP4A9/11 : métabolisme des acides gras et dérivés (prostaglandines, leukotriènes, thromboxanes)

Réactions de phase II Utilisation d’un groupe fonctionnel pour former une liaison covalente avec une molécule fortement hydrosoluble. En général, enzymes cytoplasmiques conjugaison avec l’acide glucuronique conjugaison avec un sulfate acétylation (à partir d’acétyl-Co-A) conjugaison avec une cystéine ou un glutathion (tripeptide avec une cystéine) ou autre acides aminé, glycine, glutamine, taurine méthylation (à partir du donneur S-adénosylmethionine (par ex. réaction d’inactivation des catécholamines par la COMT)

Causes de variation du métabolisme des xénobiotiques Induction (médicaments, composants alimentaires, contaminants de l’environnement) Inhibition Polymorphisme génétique Âge Pathologie }

Induction Augmentation potentiellement très impor-tante de l’activité de systèmes métaboliques (P-450 surtout, mais aussi enzymes de phase II) par de nombreux médicaments, hydrocarbures aromatiques polycycliques, insecticides, stéroïdes, etc. L’induction apparaît en un ou quelques jours et nécessite la synthèse de nouvelle protéines par stimulation de la transcription. Cette induction est commandée par l’occupation d’un récepteur intracellulaire; par ex. récepteur à la dioxine ou aux hydro-carbures aromatiques (Ah receptor). C R exemple : induction du CYP3A6 par la rifampicine (R) (microsomes hépatiques de lapin)

Induction: exemples phénobarbital : induction du CYP3A mais aussi nombreux autres enzymes hépatiques, amplification du RE. Activation peu spécifique du métabolisme hépatique de nombreuses substances. benzpyrène : stimulation très rapide et très importante du CYP1A2 (epoxydation du benzpyrène et d’autres hydrocarbures aromatiques polycycliques). PCB (polychlorinated biphenyl) : induction du métabolisme des stéroïdes Conséquences de l’induction : Accélération considérable de la vitesse d’élimination de toutes les substances métabolisées par le système induit (demi-vie diminuée), médicaments mais aussi hormones endogènes mais aussi formation accélérée de métabolites toxiques ou carcinogènes

Autres causes de variabilité du métabolisme des médicaments âge immaturité chez le nouveau-né ou prématuré, activité diminuée chez les personnes âgées. Ex. toxicité du chloramphénicol chez le nouveau né dûe à l’immaturité d’une estérase hépatique. état physiologique ou pathologique du foie polymorphisme génétique

métabolites actifs ou toxiques : exemples Forme administrée Forme dans le compartiment central forme éliminée exemples S pénicilline G, lithium S  M M barbituriques benzodiazépines S  M  aspirine (« pro-drug ») S  M salazopyrine S  M1 tox  M2 M2 paracétamol forme active forme toxique

Pharmacologie générale: pharmacocinétique pharmacodynamie Absorption Distribution [ ] effets Métabolisme Elimination pharmacocinétique / octobre 2003 / JDH

Elimination Principaux organes d’élimination : Reins : élimination urinaire des substances hydrosolubles (ou rendues hydrosolubles par le métabolisme hépatique) Foie : élimination biliaire, puis fécale d’autres substances Poumon : élimination de substances gazeuses ou volatiles Peau, phanéres…

Elimination rénale Principe : Filtration glomérulaire Schéma rein Principe : Filtration glomérulaire Sécrétion tubulaire Réabsorption tubulaire Globalement l’élimination est proportionnelle à la filtration glomérulaire, même pour les substances qui sont non seulement filtrées mais aussi sécrétées et/ou réabsorbées Anse de Henle Rowland & Tozer

Filtration glomérulaire Filtration glomérulaire mesurée par la clairance à la créatinine Pour une substance seulement filtrée (ni sécrétée, ni réabsorbée) : clairance = environ 100 ml/min (adulte de 70 kg)

Sécrétion tubulaire X X Na+ sécrétion tubulaire active, surtout dans le tube proximal, pour de nombreuses substances. La substance est d’abord accumulée dans la cellule tubulaire par un système de transport basolatéral (1) puis sécrétée dans la lumière tubulaire par un autre transporteur apical (2) systèmes de transport (échangeurs, cotransporteus, protéines ABC) saturables Possibilités d’inhibition ou de compétition = interactions ! Cell. tubulaire proximale X X 1 2 2 Na+ X Na+

Réabsorption tubulaire active Cell. tubulaire proximale système de transport actif à la membrane apicale (1, surtout co-transport avec le sodium) accumulation dans la cellule tubulaire Élimination basolatérale par un deuxième système de transport (2) Système saturable, sujet à compétition ou inibition X 1 X 2 X Na+ Na+

Réabsorption tubulaire passive G Diffusion due à la haute concentration tubulaire suite à la réabsorption d’eau le long du tubule. dépend de la perméabilité membranaire de la substance réabsorption passive très importante pour les substances liposolubles de faible poids moléculaire Dépend du débit urinaire (réabsorption d’eau plus ou moins importante) Pour les acides et les bases faibles la réabsorption dépend de la fraction non-ionique acide faible fortement ionisé (= peu réabsorbé) dans une urine alcaline alcalinisation des urines ==> élimination plus rapide L’inverse pour une base faible : acidification ==> élimination plus rapide d’où modification du pH urinaire pour élimination plus rapide d’un toxique ex : acidification urinaire lors d’une intoxication aux amphétamines

élimination hépatique et digestive élimination par sécrétion biliaire de substances plus ou moins lipophiles ex : stéroïdes, divers produits du métabolisme hépatique calcul de la clairance hépatique : Clhep = débit sanguin hep. * fraction d’excrétion fraction d’excretion : (Cart-Cvein)/Cart réabsorption intestinale possible : cycle entéro-hépatique ce qui ralentit considérablement l’élimination de la substance ou de ses métabolites

élimination hépatique et digestive élimination par sécrétion biliaire Accumulation dans la cellules hépatique (souvent par un système de cotransport avec le Na+ ou une protéine) Éventuellement métabolisme Puis élimination par sécrétion dans le canalicule biliaire (souvent par une protéine) canalicule biliaire Na+ Na+ X X hépatocyte

Adaptation des doses en cas de capacité d’élimination diminuée Insuffisance hépatique : adaptation difficile (pas de mesures faciles de la capacité métabolique hépatique) : >> En cas d’insuffisance hépatique, on cherche à limiter l’utilisation de médicaments éliminés totalement ou principalement par le foie. Insuffisance rénale : adaptation possible et nécessaire,  grâce à la disponibilité d’une bonne mesure de la fonction rénale par la clairance à la créatinine. Adaptation nécessaire si Clcréat < 60 ml/min et élimination principalement par voir rénale

Adaptation des doses à une fonction rénale diminuée Mesure de la clearance à la créatinine ou estimation à partir du taux de créatinine au moyen de l’équation suivante : (150 - âge) . poids (kg) (H : x 1.1) Clcr = ——————————— [créatinine]plasmatique] (F : x 0.9) Si élimination rénale uniquement, la diminution de l’élimination est proportionnelle à la diminution de la clearance à la créatinine

PHARMACODYNAMIE

Pharmacodynamie • Interaction substance – récepteur – nature du récepteur – cinétique de liaison • Relation dose – réponse – courbe log-dose / réponse – relation log-dose / fréquence de la réponse • Agonistes, antagonistes ou inhibiteurs • Toxicité médicamenteuses

Que sont les récepteurs aux médicaments ou aux toxiques ? N’importe quel composant fonctionnellement important de la cellule ou de l’organisme protéines acides nucléiques : mutagènes (cf. toxicologie) lipides (surtout membranaires) (cf. toxicologie) certains médicaments = « toxiques spécifiques » : chimiothérapie anti-bactériens anti-fongiques anti-parasitaires anti-viraux anti-tumoraux

Récepteurs protéiques Dans la grandes majorité des cas les récepteurs aux médicaments sont des protéines : Récepteurs à des hormones ou neuro-transmetteurs Systèmes de transport membranaires : canaux, pompes, Enzymes : (ex : aspirine) Cytosquelette : (ex : colchicine) Fusion de vésicules : (ex : toxine botulinique) Toutes ces protéines existent souvent sous plusieurs Isoformes: - substance plus ou moins sélective pour diverses isoformes - manque de sélectivité souvent sources d’effets indésirables

4 grandes familles de récepteurs aux hormones ou neurotransmetteurs Récepteurs membranaires 1. canaux ioniques 2. couplés aux protéines G : 3. récepteurs - enzymes – protéine-kinases – guanylate cyclase 4. intracellulaires = facteurs de transcription

Sites de liaison Site récepteur ≠ Site « accepteur » Accepteur : le site fixe seulement le ligand mais sans entraîner d’effet : ex : site de transport ex : de fixation sur les protéines plasmatiques Récepteur : la formation du complexe ligand récepteur entraîne un effet Principe : L + R <=====> LR ==> effet

Forces impliquées dans la liaison ligand-récepteur Tous les types de forces intermoléculaires peuvent être impliquées dans la liaison entre une substance médicamenteuse et son récepteur, par exemple : Forces de van der Waals Forces ioniques Liaisons hydrogènes R – C=O....H – NH – X Liaisons covalentes R – S=O . . . H – S – X R – S=S – X (en général irréversibles)

Antagonismes antagonisme pharmacologique antagonisme chimique : • interaction de type chimique entre deux substances (avant même l’absorption, ou dans le compartiment central) antagonisme physiologique : effet opposé à celui de l’agoniste, mais par action sur un récepteur différend

Agonistes et antagonistes Définitions : L’agoniste a un effet propre par activation d’un récepteur L’antagoniste bloque l’effet d’un agoniste, il n’a pas d’effet en l’absence complète d’agoniste.

Interactions positives : synergie • Interaction additive : les 2 effets semblent s’ajouter l’un à l’autre • Interaction hyper-additive = synergie : effet plus grand que la somme des deux effets • Potentialisation : déplacement de la courbe dose/réponse vers la gauche Très nombreuses possibilités d’interaction entre 2 substances ! ! !

Modulation de la réponse consécutive à l’occupation d’un récepteur Désensibilisation Diminution de la réponse lors d’occupation prolongée du récepteur par un agoniste. Ce phénomène peut être dû à divers processus homéostatiques qui adaptent la réponse au niveau de stimulation agoniste hypersensibilisation (phénomène inverse suite à l’absence d’agoniste ou présence d’un antagoniste)

Toxicité médicamenteuse Effet primaire - effets secondaires ( ?) p. ex.morphine : antalgique mais inhibition de la motricité intestinale Effet recherché - Effets indésirables ou toxiques Effets dépendant de la dose : qui sont observés dans le domaine de dose thérapeutique et au dessus Effets dits « non-dose-dépendants » : qui sont observés chez une petite partie de la population exposée même à des doses en général bien inférieures aux doses thérapeutiques