Sintesi Bifosfonati: Farmaci Anti-Osteoporosi

Il documento inizia descrivendo la struttura dell'osso, evidenziando il ruolo fondamentale di proteine come l'osteocalcina e l'osteonectina nel processo di deposizione della matrice calcificata. L'osso, lungi dall'essere un tessuto inerte, è caratterizzato da un continuo rimodellamento: ogni anno circa il 10% della massa ossea viene degradata e ricostruita dagli osteoclasti e dagli osteoblasti, con un completo rinnovamento scheletrico ogni 10 anni. Vengono menzionati i vasi sanguigni, che forniscono ossigeno e nutrienti, e il periostio, il rivestimento esterno responsabile della calcificazione in caso di lesioni. Questa dinamica sottolinea l'importanza del metabolismo del calcio, di cui il 99% è contenuto nello scheletro, mentre l'1% restante è coinvolto nei processi metabolici.

La sezione prosegue descrivendo l'osteomalacia, una patologia caratterizzata da una normale attività osteoblastica/osteoclastica e struttura ossea, ma da insufficiente mineralizzazione a causa di carenza di vitamina D e calcio. Se non trattata, può causare rammollimento delle ossa lunghe. Il rachitismo, forma pediatrica dell'osteomalacia, provoca deformità ossee, sia nelle ossa lunghe che nel cranio. La forte correlazione tra osteomalacia e rachitismo è evidenziata, sottolineando l'importanza di un adeguato apporto di vitamina D e calcio per la salute delle ossa, soprattutto durante lo sviluppo.

Il documento si concentra poi sull'osteoporosi, illustrando la molteplicità delle sue cause. Un'osteoporosi acuta può manifestarsi a seguito di immobilizzazione prolungata (es. gesso per frattura, osteotomia, paralisi infantile), ma anche in soggetti non immobilizzati, in presenza di ustioni, meningite, polmonite o malaria. L'importanza di mantenere una corretta densità ossea viene evidenziata, dato che una massa ossea insufficiente compromette la funzione di sostegno dello scheletro. L'ampio spettro di fattori di rischio sottolinea la complessità di questa patologia e la necessità di approcci multifattoriali per la sua prevenzione e cura.

La sezione sui bifosfonati inizia spiegando il loro meccanismo d'azione: dopo l'assunzione, le molecole si legano ai cristalli minerali sulla superficie ossea. Durante il rimodellamento osseo, gli osteoclasti riassorbono l'osso, ingerendo i bifosfonati che agiscono come analoghi dei lipidi isoprenoidi. Questi lipidi sono essenziali nel controllo di enzimi come la farnesildifosfato sintasi (FPPS) e la geranilgeranildifosfato sintasi (GGPPS), coinvolti nella via del mevalonato. L'inibizione di questi enzimi porta all'inibizione dell'attività degli osteoclasti, riducendo il riassorbimento osseo. Si nota anche l'efficacia dei bifosfonati nel trattamento delle metastasi ossee, dove i tumori reclutano osteoclasti per la proliferazione: i bifosfonati limitano questa attività, migliorando la sopravvivenza dei pazienti, senza essere propriamente antitumorali.

Il documento evidenzia i limiti e gli effetti collaterali dei bifosfonati. La tossicità per gli osteoclasti e l'impossibilità di rimuovere in modo sicuro l'accumulo di bifosfonati nell'osso, che aumenta con ogni dose, portano a un effetto tossico dose- e tempo-dipendente, che può causare necrosi ossea, soprattutto a livello del processo alveolare (ossa mascellari). Altri effetti collaterali includono danni alle mucose dell'apparato digerente (gastriti, ulcere, esofagiti). Questi aspetti spingono la ricerca verso lo sviluppo di farmaci più selettivi ed efficienti, con una maggiore biodisponibilità. Vengono menzionate diverse strategie per migliorare la biodisponibilità, come l'utilizzo di tensioattivi, nanoparticelle polimeriche e microemulsioni, e l'adsorbimento del farmaco su particelle di TiO2 nanocristallino.

Oltre ai bifosfonati, il documento menziona altri farmaci utilizzati nel trattamento dell'osteoporosi. Gli estrogeni svolgono un ruolo cruciale nella prevenzione dell'osteoporosi postmenopausale, aumentando l'espressione della proteina TGF-β, che regola l'equilibrio tra osteoclasti e osteoblasti. Tuttavia, l'uso di estrogeni è associato a possibili effetti collaterali, come l'aumento del rischio di tumore al seno e all'utero (anche se quest'ultimo rischio è ridotto dall'assunzione contemporanea di progestinici) e problemi cardiovascolari. La calcitonina, ormone polipeptidico secreto dalla tiroide, è un altro farmaco considerato; insieme al paratormone e alla vitamina D attivata, è essenziale per l'omeostasi di calcio e fosforo. La calcitonina ha proprietà ipocalcemizzanti, ma il suo uso eccessivo può causare squilibri ormonali.

La sintesi del MBP, precursore fondamentale per la produzione di una vasta gamma di strutture bisfosfoniche, è descritta come un processo a due stadi che prevede due successivi attacchi nucleofili. La deprotonazione del fosfito viene ottenuta utilizzando una base di Brønsted forte (etilato di sodio, creato in situ da sodio metallico ed etanolo), che poi reagisce con il diclorometano. La reazione, condotta in etanolo come solvente, richiede tre settimane per completarsi, ottenendo il prodotto puro con una resa del 54%. Questo metodo rappresenta un punto di partenza per la sintesi di molecole più complesse, offrendo una base solida per ulteriori studi.

Il VBP è sintetizzato a partire dal MBP in due fasi. La prima fase, a 60°C, coinvolge la degradazione della paraformaldeide e la deprotonazione del carbonio in α ai fosfoni dell'MBP mediante dietilammina. Il secondo stadio, a 115°C, vede l'attacco nucleofilo del MBP sul prodotto di degradazione, formando il 2-metossietan-1,1-bisfosfonato. L'eliminazione del metanolo con acido p-toluensolfonico porta al VBP con una resa superiore al 90%. Questa sintesi efficiente fornisce un intermedio chiave per la successiva funzionalizzazione e la creazione di nuove molecole bisfosfoniche.

La sezione descrive le reazioni di addizione al VBP, usando sia acidi boronici che indoli come nucleofili. Per gli acidi boronici, inizialmente si è utilizzato un precursore di Rh(I) come catalizzatore, ma la ricerca si è estesa all'utilizzo di metalli meno costosi, come Cu(OTf)2, ottenendo rese soddisfacenti (fino al 94% con toluene come solvente). La reattività è stata studiata su una vasta gamma di acidi boronici, mostrando una maggiore efficacia con sostituenti aromatici e gruppi elettron-donatori. Con gli indoli, Cu(OTf)2 si è dimostrato un catalizzatore efficace, con rese variabili a seconda delle proprietà elettroniche dell'indolo. L'utilizzo di acqua come solvente, in presenza di un tensioattivo come il sodio dodecil solfato (SDS), ha portato a risultati interessanti, ottenendo rese elevate anche in un mezzo di reazione alternativo ai solventi organici clorurati.

I prodotti di reazione sono stati analizzati principalmente tramite spettroscopia NMR, sia 31P-NMR che 1H-NMR. L'analisi NMR ha permesso di identificare e quantificare i prodotti ottenuti, fornendo informazioni sulla loro struttura e purezza. Ad esempio, nello spettro 31P-NMR sono stati osservati segnali a 22 ppm e 19 ppm, indicando la presenza di due specie diverse. Lo spettro 1H-NMR ha confermato la presenza di specifici protoni, fornendo ulteriori dettagli sulla struttura molecolare. Inoltre, la cromatografia liquida ad alta prestazione (HPLC) è stata utilizzata per la separazione e l'analisi degli enantiomeri, sebbene si siano riscontrate difficoltà nella separazione completa a causa della sovrapposizione dei picchi del reagente e del prodotto.

La purificazione dei prodotti è stata effettuata principalmente tramite cromatografia su strato sottile preparativa (TLC preparativa), utilizzando una miscela di n-esano e acetone come eluente. Questa tecnica ha permesso di separare il prodotto desiderato dalle impurezze. Tuttavia, si è osservato che il supporto di silice utilizzato nella TLC preparativa ha causato una degradazione significativa del prodotto in molti casi, riducendo la resa complessiva. La purificazione del prodotto recuperato dalla TLC preparativa è stata completata estraendolo dalla silice con metanolo, sotto agitazione e leggero riscaldamento, seguito da concentrazione sotto vuoto. Le difficoltà incontrate nella purificazione sottolineano la necessità di ottimizzare ulteriormente le procedure.

La determinazione dell'eccesso enantiomerico (ee) è stata una sfida significativa nello studio. Le prime prove HPLC hanno permesso la separazione degli enantiomeri solo nel racemo, mentre la presenza del reagente prochirale nelle altre prove ha impedito la determinazione dell'ee precisa. Sono stati testati diversi tipi di colonne chirali per l'HPLC, con la colonna OD-H che si è dimostrata la più efficace. Anche l'utilizzo della TLC preparativa per la purificazione ha avuto limitazioni, a causa della degradazione del prodotto sulla silice. Si sono effettuati tentativi di epossidazione del reagente per migliorare la separazione HPLC, ma senza successo. Solo aumentando la quantità di reagenti e catalizzatori, e successivamente la temperatura (con la conseguente perdita di enantioselettività), è stato possibile ottenere una resa sufficiente per l'analisi HPLC e la determinazione dell'ee.

L'analisi dei prodotti di reazione si è avvalsa principalmente della spettroscopia NMR, sia 1H-NMR che 31P-NMR. Queste tecniche hanno permesso di determinare la presenza e la quantità di diverse specie chimiche nei campioni. Ad esempio, la presenza di due segnali distinti nello spettro 31P-NMR ha indicato la formazione di due isomeri. L'analisi 1H-NMR ha fornito informazioni aggiuntive sulla struttura dei prodotti, permettendo di distinguere tra diverse possibilità strutturali in base ai chemical shift e ai pattern di accoppiamento dei protoni. Questi dati sono stati fondamentali per la conferma della sintesi e per la determinazione della purezza dei composti ottenuti.

La separazione e la quantificazione degli enantiomeri è stata condotta tramite HPLC utilizzando colonne chirali. Inizialmente, la separazione degli enantiomeri è stata ottenuta solo per il racemo, mentre la presenza del reagente prochirale ha ostacolato l'analisi per le altre reazioni. Si è proceduto quindi ad uno screening di diverse colonne chirali, con la colonna OD-H che ha mostrato i risultati migliori. La difficoltà di separare completamente i prodotti dal reagente prochirale ha richiesto l'ottimizzazione delle condizioni analitiche. L'utilizzo di tecniche preparative come la TLC è stato tentato, ma si è rivelato inefficace a causa della degradazione del prodotto sulla silice.

La purificazione dei prodotti ha rappresentato una sfida significativa. La TLC preparativa, pur essendo una tecnica utile, ha causato in diversi casi una degradazione del prodotto sulla silice, compromettendo la resa. L'estrazione del prodotto dalla silice con metanolo ha permesso di recuperare una parte del materiale, ma la bassa resa ha reso difficile la caratterizzazione completa di alcuni composti. Per superare questi problemi, si è tentato di raddoppiare le quantità di reagenti e catalizzatori, ottenendo risultati migliori solo in alcuni casi. L'aumento della temperatura ha migliorato le rese, ma ha compromesso l'enantioselettività, ottenendo miscele racemiche. Questi risultati evidenziano la necessità di future ottimizzazioni delle procedure di sintesi e purificazione per migliorare le rese e l'efficienza della separazione degli enantiomeri.