Cours de Pharmacologie et Toxicologie

Damien PAUQUETDiététicien – Nutritionniste du sportLicencié en Sciences Biomédicales

Année 2010-2011

Haute Ecole André VESALE

4 ème année de diététique sportive

PHARMACOLOGIE

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

1. PHARMACOLOGIE

a) PHARMACOCINETIQUE

b) PHARMACODYNAMIE

c) ENDOCRINOLOGIE PHARMACOLOGIQUE

2. TOXICOLOGIE

d) LE DOPAGE

Pharmacologie générale:

pharmacocinétique pharmacodynamie

[ ]

Absorption

Elimination

Métabolisme

Distributioneffets

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:mouvements entre les compartiments

Ext. Système Nerveux

Central

volumeextra-cellulaire

compartiment central : volume qui est en équilibre d’échange rapide avec le plasma = essentiellement le liquide extracellulaire

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: 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

flux net = Kp.S.(C2-C1)

Kp dépend de la taille de la molécule et de sa liposolubilité

C1 C2

seules les petites molécules non chargées et peu polaires passent facilement à travers les membranes

Les principaux paramètres cinétiques

• Vd : Volume de distribution• C : concentration dans le compartiment central

• Q : quantité dans l’organisme

C = Q / Vd

Vd = Q / C

Vd

[C]

élimination

Distribution et élimination

cinétique d’élimination: cinétique d’ordre 0élimination d’une quantité constante de la quantité contenue dans l’organisme,

EX : 1.2 mg sont éliminés chaque heure (quelque soit la concentration)

situation plutôt rare, rencontrée lorsqu’un système d’élimination travaille en condition de saturation

0

5

10

0 2 4 6 8 10

Q [mg]

(ou [C])

temps [h]

cinétique d’élimination: cinétique d’ordre 1élimination d’une fraction constante de la quantité contenue dans l’organisme,

par exemple 1% est éliminé chaque minute = élimination proportionnelle à la concentration

0

2

4

6

8

10

0 2 4 6 8

C = 16 * e^(-0.34.t)

temps [h]

[C](ou [Q])

1

10

0 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

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

Administration continue

Équilibre lorsqueapports = élimination

0

20

40

60

80

0 2 4 6 8 10 12

C[M]

temps [h]

C eq

Dose de charge : quantité suffisante pour « remplir » le volume de distribution à une concentration voulue

Début de la perfusion continue

Cinétique lors d’une administration unique non IV (per os par exemple)

0

10

20

0 4 8 12 16temps [h]

lC](ou [Q])

Administrations multiples, répétées à intervalle régulier

oscillations de la concentration plasmatique(l'amplitude des oscillations dépends de la dose unitaire et

du volume de distribution).

I.V. per os

hh

Rowland & Tozer

Pharmacologie générale:

pharmacocinétique pharmacodynamie

[ ]

Absorption

Elimination

Métabolisme

Distributioneffets

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 !)

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 solubilitéet 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

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)

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.

0

2

4

6

8

10

12

14

0 2 4 6 8 10 12

I..V.per os

con

cent

ratio

n p

lasm

atiq

ue

temps [h]

AUC per osBiodisponibilité =

AUC IV

AUC : aire sous la courbe

Élimination = C * ClÉlimination totale = intégrale de C * Cl

Phénomènes limitant la biodisponibilité pour l’administration par voie orale

MétabolismeIntra-intestinal

Métabolismehépatique

paroi intestinale

foieveineporte

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 !)

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)

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).

Pharmacologie générale:

pharmacocinétique pharmacodynamie

[ ]

Absorption

Elimination

Métabolisme

Distributioneffets

Distribution

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 plasmatique5 % 4 l.

Volume de distribution apparent (Vd) C = Q / Vd Vd = Q / C

DistributionVd = Q / C

Le Volume de distribution apparent peut êtreconsidérablement plus grand que les volumesphysiques à cause de la distribution de la substance en dehors du compartiment central

C.C. 1%tissus réservoirs

99%

élimination

apports

exemple

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.

cinétique de distributionexemple 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 M subst. basiques

• transcortine ~1 M cortisol

liaisons ioniques : dépendent du pH sanguin 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

liaison aux protéines plasmatiques

Attention aux interactions possibles par compétition entre les substances qui se lient aux mêmes sites : déplacement 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

+

Pharmacologie générale:

pharmacocinétique pharmacodynamie

[ ]

Absorption

Elimination

Métabolisme

Distributioneffets

Métabolisme des médicamentsprincipaux 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)

Réactions de phase I

= réactions de « fonctionnalisation »

• oxydation par un cytochrome P450

• autres réactions d’oxydation

• réduction

• hydrolyse d’ester, d’amide, de liaison peptidique

exemples:

oxydation aliphatique

oxydation aromatique

N-oxydation

S-oxydation

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 

1. Induction(médicaments, composants

alimentaires,contaminants de l’environnement)

2. Inhibition3. Polymorphisme génétique4. Âge5. 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).

exemple : induction du CYP3A6par la rifampicine (R) (microsomes hépatiques de lapin)

C R

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 lecompartiment central

forme éliminée

exemples

S S S pénicilline G, lithium

S S M M barbituriques

S S M M benzodiazépines

S S M M aspirine (« pro-drug »)

S M M M salazopyrine

S S M1 tox M2 M2 paracétamol

forme active forme toxique

Pharmacologie générale:

pharmacocinétique pharmacodynamie

[ ]

Absorption

Elimination

Métabolisme

Distributioneffets

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• 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

Schéma rein

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 tubulairesécrétion 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 !

1X

X

Na+

Na+

X

Cell. tubulaire proximale

22

Réabsorption tubulaire active

• 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

XX

Na+

X

Cell. tubulaire proximale

2Na+ 1

Réabsorption tubulaire passive

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

G

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’éliminationde 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)

X

X

Na+

Na+

hépatocyte

canalicule biliaire

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 médicamentsou 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 liaisonligand-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