9.1. Relación entre dosis, concentración y respuesta
En el tema anterior vimos que un fármaco puede unirse a una diana, activar un receptor y desencadenar una respuesta celular. El siguiente paso es cuantificar esa respuesta, es decir, determinar cuánto efecto aparece, qué concentración hace falta para producirlo y qué ocurre cuando aumenta la exposición al fármaco.
Existe, por tanto, una relación entre la cantidad de fármaco y la magnitud de su efecto. Esta relación no aumenta indefinidamente. A medida que la concentración crece, la respuesta se aproxima a un límite determinado por las características del fármaco y del sistema biológico.
Relación dosis-respuesta: relación entre la cantidad de fármaco administrada, o su concentración en la biofase, y la respuesta farmacológica producida.
En este punto, conviene tener claros los conceptos de dosis y concentración. La dosis es la cantidad administrada al paciente, mientras que la concentración expresa cuánto fármaco existe en un determinado compartimento o en la biofase. Entre ambas intervienen todos los procesos farmacocinéticos LADME.
Por este motivo, en estudios experimentales de farmacodinamia es frecuente representar directamente la concentración frente al efecto, mientras que en estudios clínicos puede relacionarse la dosis administrada con la respuesta.
La dosis administrada no determina directamente la concentración en la biofase. Entre ambas intervienen absorción, distribución y eliminación.
La farmacocinética se desarrolla en los temas 2 a 7.
Afinidad, eficacia intrínseca, agonismo y antagonismo se introdujeron en el tema anterior. Aquí estudiaremos cómo esas propiedades se reflejan cuantitativamente en la respuesta.
Ver Tema 8 · Mecanismos de acción y receptores farmacológicos
9.2. Respuesta gradual y respuesta cuántica
La respuesta farmacológica puede analizarse de dos formas diferentes según la pregunta que queramos responder.
La respuesta gradual estudia cuánto efecto produce el fármaco en un sistema determinado. La respuesta cuántica estudia qué proporción de individuos presenta o no un efecto previamente definido.
9.2.1. Respuesta gradual
Una respuesta gradual puede adoptar cualquier valor comprendido entre ausencia de efecto y efecto máximo.
Son ejemplos la reducción de la presión arterial, la intensidad de una contracción muscular, el grado de broncodilatación o la inhibición de una determinada actividad enzimática.
Respuesta gradual: respuesta farmacológica cuya magnitud puede expresarse de forma continua entre ausencia de efecto y efecto máximo.
Al aumentar progresivamente la concentración de un agonista, el efecto suele aumentar hasta alcanzar un techo. A partir de ese punto, incrementar aún más la concentración apenas aumenta la respuesta. Esta relación permite obtener parámetros fundamentales como Emax y CE50.
9.2.2. Respuesta cuántica
En otros casos interesa definir previamente un acontecimiento y preguntar simplemente si ocurre o no. Por ejemplo:
- Analgesia suficiente / analgesia insuficiente.
- Sueño / ausencia de sueño.
- Aparición de una reacción adversa / ausencia de ella.
- Supervivencia / muerte.
Para cada individuo, la respuesta es por tanto binaria. Sin embargo, los individuos de una población no presentan exactamente el mismo umbral, sino que valoramos qué paciente a respondido y cuál no. A medida que aumenta la dosis, aumenta progresivamente la proporción de sujetos que alcanza el criterio establecido.
Respuesta cuántica: respuesta definida como presente o ausente en cada individuo y expresada, a nivel poblacional, como la proporción de sujetos que presenta el efecto a cada dosis.
Al representar la frecuencia acumulada de respondedores (en la población) frente al logaritmo de la dosis se obtiene habitualmente una curva sigmoidea. La DE50 corresponde a la dosis que produce el efecto definido en el 50 % de la población estudiada.
Respuesta gradual: cuánto efecto aparece. Respuesta cuántica: cuántos individuos presentan un efecto definido.
9.3. Curvas dosis-efecto graduales
La representación gráfica de la concentración de un agonista frente a la respuesta obtenida permite analizar cuantitativamente su comportamiento farmacodinámico.
9.3.1. Curva en escala aritmética
Cuando la concentración se representa directamente en una escala aritmética, la relación concentración-efecto suele adoptar una forma hiperbólica. A concentraciones bajas, pequeños incrementos pueden producir aumentos importantes de efecto. A medida que el sistema se aproxima a su respuesta máxima, nuevos incrementos de concentración producen cada vez menos aumento de respuesta. Finalmente se alcanza una meseta correspondiente al efecto máximo.
La representación aritmética permite visualizar bien el fenómeno de saturación, pero comprime mucho las concentraciones bajas y resulta poco práctica cuando el rango estudiado abarca varios órdenes de magnitud.
9.3.2. Curva en escala logarítmica y semilogarítmica
Por este motivo suele representarse el logaritmo de la concentración en el eje horizontal. La misma relación adopta entonces una curva sigmoidea. Esta representación tiene varias ventajas:
- Permite mostrar un rango muy amplio de concentraciones.
- Amplía la zona central de la curva.
- Facilita identificar la concentración que produce el 50% del efecto máximo.
- Permite comparar visualmente varios fármacos.
La escala logarítmica modifica la representación gráfica, no la respuesta biológica. Una curva hiperbólica en escala aritmética se transforma en una curva sigmoidea cuando la concentración se representa logarítmicamente.
9.3.3. Emax y EC50
El Emax es la máxima respuesta que el fármaco puede producir en ese sistema. La CE50, o concentración eficaz 50, es la concentración necesaria para producir el 50% del Emax de ese mismo fármaco.
Emax: efecto máximo que puede producir un fármaco en un sistema determinado.
CE50: concentración necesaria para producir el 50% del efecto máximo de ese fármaco.
La CE50 no depende únicamente de cuánto se una el fármaco al receptor. Depende de todo el proceso que conecta la unión con la respuesta final.
- Un fármaco con alta afinidad tenderá a ocupar receptores a concentraciones bajas.
- Para que esa ocupación se traduzca en efecto también importa qué eficacia tiene el acoplamiento entre el receptor y su sistema efector.
- Si una pequeña activación del receptor genera una señal intracelular intensa, hará falta menos concentración de agonista para alcanzar el 50 % del efecto máximo.
- En ello influye la amplificación de la señal. En sistemas con gran amplificación, la activación de pocos receptores puede producir una respuesta importante. En consecuencia, puede alcanzarse la mitad del efecto máximo cuando todavía se ha ocupado una fracción relativamente pequeña de los receptores.
- El número de receptores disponibles también modifica la relación concentración-respuesta.
- Si un tejido expresa muchos receptores y dispone de receptores de reserva, puede alcanzar respuestas elevadas con una ocupación parcial.
- Si el número de receptores disminuye, puede necesitarse una concentración mayor para obtener la misma respuesta y, si la pérdida es suficientemente importante, también puede reducirse el efecto máximo.
Por tanto, la CE50 es un parámetro funcional del sistema completo, no una medida directa de afinidad. La afinidad se estudia mediante parámetros de unión como la Kd, mientras que la CE50 refleja conjuntamente la unión del fármaco, la eficacia de activación del receptor, la eficiencia de transducción y amplificación de la señal y la disponibilidad de receptores.
CE50 no equivale a afinidad. La Kd describe la unión fármaco-receptor. La CE50 describe cuánta concentración necesita ese fármaco para producir el 50 % de su efecto máximo en un sistema concreto. Por eso puede cambiar aunque la afinidad del fármaco por el receptor no cambie.
Esta diferencia se entiende especialmente bien cuando existen receptores de reserva, ya que en esos sistemas puede alcanzarse el 50 % de la respuesta con una ocupación inferior al 50 % de los receptores.
9.4. Potencia, eficacia y afinidad
Estos tres conceptos están relacionados, pero describen propiedades diferentes.
9.4.1. Potencia
La potencia expresa cuánto fármaco se necesita para obtener un determinado efecto. Para comparar agonistas suele utilizarse la CE50. Cuanto menor sea la CE50, menor concentración hace falta para alcanzar el 50% del efecto máximo y, por tanto, mayor es la potencia.
Potencia: cantidad o concentración de fármaco necesaria para producir un efecto determinado.
En una curva concentración-respuesta semilogarítmica, el fármaco más potente aparece desplazado hacia la izquierda. Por ejemplo:
CE50 fármaco A = 10⁻⁶ M
CE50 fármaco B = 10⁻⁸ M
B es más potente porque necesita una concentración cien veces menor (10⁻⁸ vs 10⁻⁶) para producir el 50% de su respuesta máxima. También puede expresarse la potencia mediante:
pD₂ = −log CE50
siempre que la CE50 se exprese en mol/L. Por tanto, cuanto menor es la CE50, mayor es la pD₂ y mayor es la potencia.
mayor pD₂ → menor CE50 → mayor potencia
Aunque esta nomenclatura sigue siendo útil en farmacología experimental, en clínica y en textos actuales suele resultar más intuitivo comparar directamente las CE50.
pD₂: logaritmo decimal negativo de la CE50 expresada en mol/L. Se utiliza como medida de potencia de un agonista: cuanto mayor es la pD₂, menor es la CE50 y mayor es la potencia.
9.4.2. Eficacia
La eficacia describe la capacidad de un fármaco para producir una respuesta. En una curva concentración-respuesta, se refleja fundamentalmente en el Emax alcanzado.
Eficacia farmacológica: capacidad de un fármaco para producir una respuesta en un sistema determinado; experimentalmente se compara habitualmente mediante el efecto máximo alcanzado.
Un agonista completo puede alcanzar el máximo funcional del sistema. Un agonista parcial produce una respuesta máxima inferior aunque llegue a ocupar una elevada proporción de receptores.
9.4.3. Comparación entre potencia y eficacia
Un fármaco puede ser:
- Más potente y tener la misma eficacia que otro.
- Menos potente y tener la misma eficacia.
- Más potente pero menos eficaz.
- Menos potente pero más eficaz.
Por tanto, que una curva esté situada más a la izquierda no significa que alcance una respuesta mayor.
En una curva concentración-respuesta:
(1) desplazamiento horizontal → potencia (CE50; pD₂)
(2) altura máxima → eficacia (Emax).
Desde el punto de vista terapéutico, una mayor potencia no significa necesariamente una mayor utilidad. Muchas veces basta con ajustar la dosis.
Un fármaco más potente no es necesariamente más eficaz, ni necesariamente mejor desde el punto de vista clínico.
9.4.4. Afinidad
La afinidad describe la tendencia de un ligando a unirse a su receptor. Se estudia mediante parámetros de unión, entre ellos la Kd.
Kd o constante de disociación: concentración de ligando que, en un sistema simple de equilibrio fármaco-receptor, se asocia aproximadamente con una ocupación del 50 % de los receptores. Cuanto menor es la Kd, mayor es la afinidad del ligando por el receptor.
Kd y CE50 no son equivalentes.
La Kd informa sobre unión fármaco-receptor.
La CE50 informa sobre respuesta funcional.
Pueden aproximarse en algunos sistemas, pero no son el mismo parámetro.
9.5. Teoría ocupacional y receptores de reserva
Una forma clásica de relacionar unión y respuesta es la teoría ocupacional. En su forma más sencilla considera que la respuesta depende de la fracción de receptores ocupados por el agonista. Para una interacción reversible simple entre un ligando A y un receptor R:
A + R ⇌ AR
la fracción de receptores ocupados puede expresarse aproximadamente como:
ocupación = [A] / ([A] + Kd)
Cuando:
[A] = Kd
aproximadamente el 50% de los receptores está ocupado.
9.5.1. Ocupación y efecto
El modelo más sencillo supondría:
50% ocupación → 50% respuesta
100% ocupación → Emax
Sin embargo, esto no ocurre en muchos sistemas biológicos. Entre la ocupación del receptor y el efecto existe una maquinaria de transducción que puede amplificar la señal. Por ello, una pequeña proporción de receptores ocupados puede producir una respuesta considerable.
La curva de ocupación y la curva de respuesta pueden, por tanto, estar desplazadas una respecto a otra.
9.5.2. Receptores de reserva
Ya sabemos que en algunos sistemas se alcanza Emax sin necesidad de ocupar todos los receptores disponibles. Los receptores cuya ocupación no es necesaria para conseguir la respuesta máxima reciben el nombre de receptores de reserva.
Receptores de reserva: fracción de receptores cuya ocupación no es necesaria para alcanzar la respuesta máxima del sistema.
Cuando existen receptores de reserva CE50 puede ser menor que Kd porque puede alcanzarse el 50% de la respuesta ocupando menos del 50% de los receptores.
Esto tiene varias consecuencias.
- El sistema puede mantener una respuesta elevada incluso si disminuye parcialmente el número de receptores.
- La sensibilidad aparente al agonista depende también de la eficiencia con la que la ocupación se transforma en señal.
La existencia de receptores de reserva demuestra que ocupación de receptores y respuesta farmacológica no tienen por qué ser proporcionales.
9.6. Regulación de receptores y cambios de respuesta
Los receptores y sus sistemas de señalización son estructuras dinámicas. Una estimulación mantenida o una reducción prolongada de la estimulación pueden modificar el número de receptores, su localización o la eficacia con la que transmiten la señal. Estas adaptaciones permiten a la célula limitar estímulos excesivos o aumentar su sensibilidad cuando la señal disminuye.
9.6.1. Desensibilización
La desensibilización consiste en una disminución de la respuesta pese a que el agonista siga presente o vuelva a administrarse. Puede aparecer mediante varios mecanismos:
- Modificación o fosforilación del receptor.
- Desacoplamiento entre receptor y sistema efector.
- Internalización del receptor.
- Reducción del número de receptores en membrana.
- Modificaciones de componentes situados aguas abajo en la vía de señalización.
Desensibilización: reducción de la capacidad de respuesta de un receptor o de su sistema de señalización tras una estimulación mantenida o repetida.
Cuando la regulación afecta específicamente al receptor estimulado hablamos de desensibilización homóloga. Si afecta a componentes compartidos por varias vías y disminuye la respuesta de diferentes receptores, puede producirse desensibilización heteróloga.
9.6.2. Down-regulation
Si la exposición al agonista se mantiene, la célula puede reducir de forma más duradera el número total de receptores disponibles. Este fenómeno recibe el nombre de down-regulation. Puede implicar internalización, menor síntesis o mayor degradación de receptores. No toda desensibilización implica necesariamente pérdida de receptores. Puede disminuir la señal antes de que cambie su número.
9.6.3. Sensibilización y up-regulation
El fenómeno contrario puede aparecer cuando disminuye durante tiempo prolongado la estimulación de un sistema. La célula puede aumentar el número de receptores o incrementar la eficiencia de la señalización.
Up-regulation: aumento del número o disponibilidad funcional de receptores, generalmente como adaptación a una estimulación reducida o a un bloqueo mantenido.
El resultado puede ser una supersensibilidad frente al agonista cuando la señal vuelve a aparecer. Por este motivo, la retirada brusca de determinados antagonistas tras tratamientos prolongados puede desencadenar fenómenos de rebote.
9.6.4. Tolerancia
La tolerancia es un concepto clínico más amplio. Se produce cuando una misma dosis genera progresivamente un efecto menor y se necesita aumentar la dosis para recuperar la respuesta inicial.
Tolerancia: disminución de la respuesta a un fármaco tras su administración repetida, de forma que se requieren dosis mayores para producir un efecto equivalente.
No conlleva necesariamente fenómenos de desensibilización o de down-regulation. Puede tener origen:
- Farmacodinámico.
- Desensibilización.
- Desacoplamiento.
- Regulación de receptores.
- Farmacocinético, por ejemplo si aumenta la eliminación del fármaco.
Por ello, tolerancia y desensibilización no son sinónimos.
9.6.5. Taquifilaxia
Cuando la pérdida de respuesta aparece de forma muy rápida tras administraciones repetidas en un intervalo corto hablamos de taquifilaxia.
Taquifilaxia: disminución rápida de la respuesta tras exposiciones repetidas al fármaco en un periodo corto.
Puede deberse a desensibilización rápida del receptor, agotamiento de mediadores u otros mecanismos dependiendo del sistema farmacológico.
Desensibilización, tolerancia y taquifilaxia están relacionadas, pero no son términos intercambiables.
La desensibilización describe un cambio en la capacidad de respuesta del sistema.
La tolerancia es el fenómeno farmacológico global.
La taquifilaxia es una pérdida de efecto especialmente rápida.
9.7. Métodos de estudio de receptores
Los receptores pueden estudiarse desde perspectivas complementarias. Ningún método aislado permite conocer todas sus propiedades. Clásicamente se distinguen estudios funcionales, técnicas de unión y métodos moleculares.
9.7.1. Estudios funcionales
El método más directo consiste en medir una respuesta biológica después de administrar un agonista. Puede utilizarse una preparación celular, un tejido aislado o un sistema experimental completo. Al construir curvas concentración-respuesta pueden estimarse parámetros como:
- Emax.
- CE50.
- Potencia relativa.
- Comportamiento como agonista completo o parcial.
La administración de antagonistas permite además analizar cómo cambia la respuesta al agonista.
Los estudios funcionales indican qué hace el ligando, pero no miden directamente cuántos receptores existen ni cuánto ligando está unido.
9.7.2. Estudios de unión a receptores
Los estudios de unión utilizan ligandos marcados capaces de detectarse después de unirse al receptor. Tradicionalmente se han utilizado radioligandos, aunque también pueden emplearse técnicas fluorescentes u otros sistemas de marcaje. Los experimentos de saturación permiten estudiar cómo aumenta la unión al incrementar la concentración del ligando.
A partir de ellos pueden estimarse dos parámetros especialmente importantes:
- Kd, relacionada con la afinidad;
- Bmax, que representa la cantidad máxima de sitios de unión detectables en la preparación.
Bmax: cantidad máxima de sitios de unión disponibles en una preparación experimental; se utiliza como estimación de la densidad de receptores.
En los experimentos de competición, un ligando no marcado desplaza a otro ligando marcado de su receptor. Esto permite comparar la capacidad de distintos compuestos para unirse al mismo sitio. Sin embargo, demostrar unión no permite saber por sí solo si el ligando es agonista, antagonista o agonista inverso.
Un estudio de unión informa fundamentalmente de afinidad y densidad de sitios. Para conocer la eficacia del ligando se necesita además una medida funcional.
9.7.3. Métodos bioquímicos y moleculares
También puede estudiarse la activación del receptor midiendo acontecimientos situados «aguas abajo» (es decir, procesos celulares que ocurren después de que el receptor se active):
- Producción de AMPc.
- Cambios de Ca²⁺ intracelular.
- Fosforilación de proteínas.
- Activación de quinasas.
- Expresión de genes.
- Síntesis de proteínas.
La clonación, secuenciación y expresión heteróloga de receptores permiten estudiar subtipos concretos en sistemas controlados y analizar cómo determinadas mutaciones modifican su función.
9.7.4. Localización de receptores
Los receptores pueden localizarse mediante técnicas de marcaje, autoradiografía, inmunodetección o sondas fluorescentes. Estas aproximaciones permiten determinar en qué tejidos, regiones o tipos celulares se expresa un receptor y estudiar cambios en su distribución.
9.7.5. Estudios estructurales
Las técnicas estructurales modernas permiten conocer con gran detalle la conformación de receptores y otros blancos farmacológicos.
La cristalografía de rayos X y, actualmente, técnicas como la criomicroscopía electrónica han permitido estudiar complejos receptor-ligando y comprender cómo determinadas moléculas estabilizan diferentes conformaciones de la proteína.
Esta información puede utilizarse para el diseño racional de fármacos, buscando moléculas con determinadas propiedades de unión y selectividad.
9.8. Integración farmacodinámica de la respuesta
La respuesta observada en un paciente surge de la integración de varios niveles:
- Concentración del fármaco en la biofase.
- Afinidad por el receptor.
- Actividad intrínseca.
- Número de receptores.
- Estado funcional de la célula.
- Mecanismos de adaptación del organismo.
Por eso dos pacientes expuestos a dosis parecidas pueden responder de forma distinta, y por eso también un mismo paciente puede responder de manera diferente al inicio del tratamiento y tras varios días o semanas de exposición.
La concentración que llega a la biofase depende de la farmacocinética estudiada en los temas de farmacocinética. La respuesta que esa concentración produce depende ya de los principios farmacodinámicos desarrollados en este tema y en el tema 8.
La farmacodinámica conecta la presencia del fármaco con su efecto. Las curvas dosis-respuesta y la regulación de receptores explican buena parte de la variabilidad de la respuesta farmacológica.
