AGONISTE-ANTAGONISTE: Etude du mécanisme d action d une molécule

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1 PHARMACOLOGIE AGONISTE-ANTAGONISTE: Etude du mécanisme d action d une molécule O. Hennebert Département CASER CNAM, PARIS olivier.hennebert@cnam.fr

2 Les différentes cibles des médicaments sont: -des récepteurs -des enzymes -des protéines de transport -certains médicaments agissent par interaction physicochimique: action osmotiques des laxatifs osmotiques. -des virus, bactéries, parasites: les médicaments agissent également sur des cibles, récepteurs, enzymes. Cas des inhibiteurs de la transcriptase inverse du virus VIH.

3 Représentation schématique de l interaction médicament récepteur PHARMACOCINETIQUE Etudes d absorption, distribution et métabolisme récepteur Ligand Médicament Effecteur Etudes de liaison (quantification interaction) SYSTEME DE TRANSDUCTION Effet pharmacologique (in vitro, ex vivo, in vivo) Effet thérapeutique Etudes fonctionnelles (courbe dose-réponse) PHARMACOMETRIE ESSAIS CLINIQUES PHARMACODYNAMIE PRE CLINIQUE

4 Mots clés à connaître en pharmacodynamie: - activité intrinsèque - affinité -agonisme, agoniste entier, agoniste partiel -antagonisme, antagoniste a activité intrinsèque ou partiel -antagoniste compétitif, non compétitif -Bmax -CE 50 -dépendance -dose-réponse -effet pharmacologique -effet thérapeutique -efficacité -IC 50, k i -k d ou constante de dissociation -ligand -puissance -récepteur -sélectivité -spécificité -tolérance

5 Effet pharmacologique Effet thérapeutique Exemple: les antiagrégants plaquettaires ont, par définition, un effet pharmacologique in vitro correspondant à l inhibition de l agrégation plaquettaire. L effet thérapeutique qui résulte de cet effet pharmacologique et de diminuer le risque de thrombose et d embolie artérielles.

6 IN VITRO IN VIVO Récepteurs purifiés Fragments membranaires Cellules isolées Organe isolé Organisme entier Etude de liaison spécifique Etudes fonctionnelles

7 Méthodes fonctionnelles : Courbe dose-réponse (1) Courbe dose-réponse = donnée de base en pharmacologie Cet effet est mesuré pour des doses croissantes de la substance à étudier : - in vivo - ex vivo - in vitro La courbe dose-réponse forme une courbe asymptotique qui peut être transformée en une sigmoïde en utilisant des coordonnées semilogarithmiques. L effet mesuré peut être exprimé en valeur absolue ou en pourcentage de l effet maximum.

8 Méthodes fonctionnelles : Courbe dose-réponse (2) E max Efficacité de la molécule Effet % EC 50 Log dose Dose seuil Dose à partir de laquelle l Emax est atteint Zone de relation linéaire dose-réponse

9 Méthodes fonctionnelles : Courbe dose-réponse (3) Effet % E max ± bonne maniabilité du médicament 16 EC 50 Log dose Effet % EC 50 E max Log dose Survenue ou aggravation d effets indésirables

10 Méthodes fonctionnelles : Courbe dose-réponse (4) L EC 50 ou DE 50 (concentration efficace 50) : dose d agoniste qui permet d obtenir 50% de l effet maximum: - paramètre qui permet de quantifier l effet d un agoniste. - caractérise la puissance de l agoniste. La valeur de l EC 50 doit varier entre 10-4 et10-9 M Substance endogène EC 50 >10-2 interaction entre ligand et récepteur douteuse et/ou très mauvaise affinité pour le récepteur EC 50 affinité

11 Méthodes fonctionnelles : Courbe dose-réponse (5)

12 Méthodes fonctionnelles : Courbe dose-réponse (6)

13 Méthodes fonctionnelles : Agonistes (1) Définition: Un médicament qui, après sa liaison à un récepteur spécifique, provoque un effet comparable à celui du médiateur naturel est un agoniste (on parle d effet mimétique) La réponse maximale obtenue pour un effet pharmacologique varie d un agoniste à un autre. Elle tient compte d un facteur α propre à chaque agoniste: c est l activité intrinsèque de l agoniste

14 Méthodes fonctionnelles : Agonistes (2) 100 Agoniste entier α=1 Agoniste partiel 0<α<1 Effet (%) 50 Agoniste partiel 0<α<1 0 Log dose agoniste Antagoniste α=0

15 Méthodes fonctionnelles : Agonistes (3) U Na + Efficacité-Puissance mmol/kg/5h Effet (%) Log dose agoniste Log dose agoniste

16 agoniste ser ser asp S G s S cyclase récepteur S H Agoniste partiel ser ser asp S G s cyclase récepteur H S S

17 Méthodes fonctionnelles : Antagonistes (1) Définition: Substance qui se lie à un récepteur spécifique sans provoquer d effet propre mais qui peut ainsi bloquer l action du médiateur endogène en s opposant à la liaison du médiateur à son récepteur Les antagonistes s opposent à la réponse de la cellule ou du tissu à l agoniste considéré. Sur le plan fonctionnel, plusieurs types d antagonismes peuvent être distingués :

18 Méthodes fonctionnelles : Antagonistes (2) - l antagonisme chimique correspondant à une interaction chimique de l antagoniste avec l agoniste - l antagonisme compétitif correspondant à la fixation de l antagoniste au site de liaison de l agoniste - l antagonisme non compétitif correspondant à la fixation de l antagoniste sur un site de liaison distinct du site de liaison de l agoniste (effet de type allostérique) - l antagonisme fonctionnel correspondant à une interaction résultant de processus biochimiques cellulaires distincts

19 Méthodes fonctionnelles : Antagonistes (3) Dans les trois premiers cas, les antagonistes ne présentent pas d effet propre. On ne peut donc les étudier qu en observant la modification de l effet de l agoniste correspondant. En pratique, il s agit de comparer deux courbes effetconcentration d un agoniste en absence et en présence d une concentration donnée d antagoniste. Schématiquement, deux cas peuvent se présenter : - Antagonisme «surmontable» ou compétitif - Antagonisme «insurmontable» ou non compétitif

20 Antagoniste réversible ou compétitif agoniste antagoniste ser ser asp S H S G s cyclase récepteur S

21 Méthodes fonctionnelles : Antagonistes (4) Antagoniste réversible ou compétitif croissante dose antagoniste 100 Toujours la même efficacité dose agoniste Effet (%) 50 0 Log dose agoniste Même effet : dose agoniste

22 100 Effet (%) à 10-5 Log dose agoniste doses d agoniste doses d agoniste doses d agoniste doses d agoniste

23 Méthodes fonctionnelles : Antagonistes (6) Antagonisme réversible ou compétitif Paramètre permettant de quantifier l effet d un antagoniste compétitif: Le pa 2 - le pa 2 est le colog de la concentration molaire d antagoniste pour laquelle il faut doubler la concentration d agoniste pour avoir le même effet. - plus le pa 2 est élevé, plus l affinité de l antagoniste pour le récepteur est grande.

24 Méthodes fonctionnelles : Antagonistes (7) Antagonisme réversible ou compétitif En pratique: Méthode de Schild log (dose ratio 1) = log [B] - log k B Dose ratio = rapport des doses d agoniste donnant le même effet après (A1) et avant l addition de l antagoniste (A). log k B est dénommé pa 2 quand log (dose ratio 1) = 0 [B] = concentration d antagoniste correspondant aux différentes valeurs de dose ratio Dose ratio 1 = A 1 A Dose ratio 2 = A 2 A

25 Méthodes fonctionnelles : Antagonistes (8) Antagonisme réversible ou compétitif 3 Log (dose ratio 1) 2 1 Droite de Schild 0 - Log [B] pa 2

26 Méthodes fonctionnelles : Antagonistes (9) Antagonisme réversible ou compétitif Conditions pour que l antagonisme soit compétitif : - droite de Schild avec une pente égale à 1, - pa 2 pa 10 = 0,95

27 Exercice: Déterminer le pa 2 du propanolol (antagoniste β adrénergique) à partir des résultats suivants:

28 Corrections: - en absence de propanolol: concentration d isoprénaline pour avoir 50% d effet maximal 10-9 M - pour une concentration de 10-8 M de propanolol: concentration d isoprénaline pour avoir 50% d effet maximal 10-8 M - pour une concentration de 10-7 M de propanolol: concentration d isoprénaline pour avoir 50% d effet maximal 10-7 M Donc: [propanolol] = 10-8 M, log (dose ratio 1)= log ( ) = log 9 = 0, Point X sur la droite [propanolol] = 10-7 M, log (dose ratio 1)= log ( ) = log 99 = 1,99 Point Y sur la droite [propanolol] = 10-6 M, log (dose ratio 1)= log ( ) = log 999 = 2, Point Z sur la droite

29 Corrections: Construction de la droite de Schild Log (dose ratio 1) pa2 = 8,9 -log [antagoniste]

30 Méthodes fonctionnelles : Antagonistes (10) Antagonisme réversible ou compétitif Le pa 2 est caractéristique de l antagoniste considéré et du récepteur considéré : il est théoriquement indépendant de l agoniste utilisé. L observation de pa 2 différents pour un même antagoniste au niveau de différents tissus permet de suggérer la présence de sous types de récepteurs différents. La comparaison des pa 2 de plusieurs antagonistes pour un même récepteur permet la comparaison de leur affinité.

31 Méthodes fonctionnelles : Antagonistes (11) Antagonisme non réversible ou non compétitif antagoniste ser ser asp S H S G s cyclase agoniste récepteur S antagoniste ser ser asp S S H S G s cyclase récepteur

32 Méthodes fonctionnelles : Antagonistes (12) Antagonisme non réversible ou non compétitif 100 agoniste efficacité Effet (%) 50 + antagoniste 0 Log dose agoniste

33 Méthodes fonctionnelles : Antagonistes (13) Antagonisme non réversible ou non compétitif

34 Méthodes fonctionnelles : Antagonistes (14) Notion d agoniste partiel antagoniste à activité intrinsèque agoniste partiel pour un récepteur a un effet max< agoniste entier 100 Agoniste entier α=1 Effet (%) 50 Agoniste partiel 0<α<1 Agoniste partiel 0<α<1 0 Log dose

35 Méthodes fonctionnelles : Antagonistes (15) Notion d agoniste partiel antagoniste à activité intrinsèque double potentialité d agoniste et d antagoniste. Médiateur endogène absent ou [C] très faible au niveau du récepteur : l agoniste partiel se lie au récepteur et exerce une activité d agoniste partiel Médiateur endogène (qualité d un agoniste entier) présent avec une concentration ou agoniste entier présent : la substance a une affinité suffisante pour déplacer le médiateur ou l agoniste entier la substance va agir en tant qu antagoniste

36 Méthodes fonctionnelles : Antagonistes (16) Notion d agoniste partiel antagoniste à activité intrinsèque Exemple : la pentazocine, agoniste partiel des R opioïdes µ seule, elle est analgésique morphinique (agoniste) + morphine, elle est antagoniste et provoque des symptômes de type syndrome de sevrage de la morphine

37 Méthodes fonctionnelles : Antagonistes (17) Notion d agoniste inverse antagoniste négatif Liaison de l agoniste inverse au récepteur s oppose aux effets de l agoniste provoque réponse cellulaire propre du récepteur stabilisation du récepteur dans une conformation

38 Exemple 1 : Récepteurs H 3 de l histamine : Ce sont des autorécepteurs qui exercent un rétrocontrôle sur la libération d histamine au niveau neuronal. L activation des récepteurs entraîne une de la libération d histamine. - RH 3 peut avoir une activation spontanée. Dans certaines pathologies psychiatriques (Alzheimer), la de la libération d histamine a un effet sur la mémoire et l attention. - agoniste inverse : RH 3 devient inactif donc de la libération d histamine effet bénéfique et thérapeutique

39 Exemple 2 : - β-carbolines sont des agonistes inverses du site de liaison des benzodiazépines des récepteurs GABA-A. - liaison et diminution de la probabilité d ouverture du canal Cl - induit par le GABA. - β-carbolines sont anxiogènes, convulsivantes, le tonus musculaire aucun intérêt thérapeutique

40 La réponse et la théorie d occupation des récepteurs (1) [A] + [R] [AR] effet La conséquence de LR est exprimée par différents termes : v pour le ligand, on parle d activité ou d effet v pour le récepteur, on parle de réponse La réponse du récepteur Flux ionique (récepteur canal) Mesure de 2nds messagers Réponse contractile Réponse sécrétoire de la cellule Réponse intégrée de l organisme Cette réponse du R est associée à sa dynamique conformationnelle induite par le ligand EFFICACITE

41 La réponse et la théorie d occupation des récepteurs (2) La modélisation de la liaison de l agoniste avec son récepteur est utilisée pour essayer de prévoir l intensité de l effet en fonction de la concentration en agoniste. Les différentes théories des récepteurs : Théorie d occupation des récepteurs [A] + [R] [AR] loi d action de masse effet Théorie de la vitesse d association («rate theory», Paton, 1961) Réponse biologique proportionnelle à la vitesse d association du ligand avec son récepteur Vf = k1([a] x [R]) / [Rt]

42 La réponse et la théorie d occupation des récepteurs (3) Théorie d inactivation des récepteurs Réponse biologique proportionnelle à la vitesse d association + formation du complexe agoniste / récepteur k 1 [A] + [R] [AR] k 4 k 2 k 3 [AR] inactif effet k 4 : constante de réactivité Théorie d activation constitutive «two-state model» Inactif R + L k R R * actif + L Isomérisation spontanée k LR k LR* inactif LR LR * actif

43 L évolution de la théorie d occupation des récepteurs (1) ü Traitement de Clark (1926) Interaction A / R décrite par la loi d action de masse Donc k D = [A] + [R] [A] x [R] [RA] [AR] [A] Amplitude de la réponse proportionnelle au nombre de récepteurs occupés par l agoniste E M E A % effet E A E M = [RA] [RT] = [A] [A] k D + Conséquences - EC 50 = k D - Occupation de 100% des récepteurs à la réponse maximale

44 L évolution de la théorie d occupation des récepteurs (2) ü Traitement de Ariens (1954) Interaction A / R définie par 2 paramètres indépendants - affinité loi d action de masse - activité intrinsèque - α = 1, agoniste entier A - 0 < α < 1, agoniste partiel - α = 0, antagoniste B C Effet (%) A B C Log dose Expression de la relation E A / E M E A E M = [RA] [RT] = α [A] k D + [A] Conséquences - EC 50 = k D - Occupation de 100% des récepteurs à la réponse maximale

45 L évolution de la théorie d occupation des récepteurs (3) ü Traitement de Stephenson (1956) Efficacité E A E M = [RA] [RT] % occupation des R pas toujours vérifiée L effet maximum peut être obtenu malgré un pourcentage d occupation des récepteurs de 100% Utilisation d agents alkylants : - antagonistes non compétitifs - molécules pouvant faire une liaison covalente avec le R liaison irréversible du pourcentage de R fonctionnels dans l organe

46 % of initial control L évolution de la théorie d occupation des récepteurs (4) GD-121 (ng/ml) Log [histamine] Données historiques de l article de Mark Nickerson Receptor occupancy and tissue response. Nature, 1956 Sep 29;178(4535):697-8.

47 L évolution de la théorie d occupation des récepteurs (5) Relation E = [RA] pas toujours vérifiée Postulats : v La réponse provoquée par l agoniste est une fonction positive inconnue de l occupation des récepteurs EC 50 k D v L effet max peut être obtenu lors de l occupation d une faible proportion de récepteurs concept de réserve de R, EC 50 < k D v Des réponse biologiques égales peuvent être provoquées par des occupations de R E A E M = F (S) avec S = stimulus = efficacité de l agoniste x % de R occupés E A E M = f e [A] ( k D + [A] ) Remarque : efficacité e activité intrinsèque α

48 L évolution de la théorie d occupation des récepteurs (6) STIMULUS BIOLOGIQUE SEUIL REPONSE BIOLOGIQUE RECEPTEURS DE RESERVE % % OCCUPATION DES RECEPTEURS

49 L évolution de la théorie d occupation des récepteurs (7) ü Traitement de Furchgott (1956) Extension de la théorie de Stephenson e = ε x [RT] avec ε = efficacité intrinsèque de l agoniste [RT] = concentration totale de récepteurs dans tissu E A E M = f ε [RT] [A] ( k D + [A] ) Dans l interaction E / A Composantes agonistes dépendantes Composantes tissu-dépendantes - K D, affinité - ε, efficacité intrinsèque - concentration de récepteurs [RT] - relation effet/stimulus

50 q L évolution de la théorie d occupation des récepteurs (8) amplification amplification amplification amplification Agoniste RECEPTEUR + PROTEINE G Adénylyl -cyclases activées AMPc Protéines kinases A Enzymes phosphorylés Produits EFFET

51 L évolution de la théorie d occupation des récepteurs (9) Réponse ou occupation (%) Réponse ou occupation (%) Clark réponse occupation Log [A] Stephenson Log [A] Réponse ou occupation (%) Réponse ou occupation (%) Ariens Log [A] Furchgott Log [A]

52 L évolution de la théorie d occupation des récepteurs (10) ü Modèle de Del Castillo-Katz (1957) occupé k A [A] + [R] [AR] [AR * ] E inactif actif 2 états : - R inactif - R * actif EC 50 = «kd» = k A 1 + E 1er modèle suggérant que le R possède 2 états conformationnels

53 q L évolution de la théorie d occupation des récepteurs (11) Récepteurs spontanément actifs Ø récepteur sauvage R agoniste L A antagoniste R R EFFET PAS D EFFET Ø récepteur muté R * A Agoniste inverse R* R* EFFET PAS D EFFET

54 METHODES FONCTIONNELLES D ETUDE DES RECEPTEURS effet Antagonistes non compétitifs EC 50 Log [A] Antagonistes compétitifs contre agoniste A contre agoniste A effet effet Log [A] Traitement de Furchgott Log [A] Droite de Schild Constante de dissociation de l agoniste % d occupation des récepteurs pa2 Affinité de l antagoniste compétitif Efficacité intrinsèque relative Couplage récepteur-effecteur Evaluation du comportement de l agoniste Classification des récepteurs Classification de substances