Appunti di lezione di Chimica farmaceutica applicata

Farmaceutica applicata

Pharmaceutics in Drug Discovery

Pharmaceutics in Drug Discovery: scienza multidisciplinare che si occupa di trasformare il principio attivo in un medicinale, partendo del Drug Discovery and Development fino al prodotto finito, seguendo un percorso logico prestabilito, tenendo presente che il farmaco, ma anche il medicinale finito, abbia requisiti di: efficienza, sicurezza e qualità.

Il percorso per avere il medicinale finito è lungo e complesso, definito “multi stage decision-making process”, in cui bisogna decidere il da farsi in maniera “go no go”, preparata in modo da evitare una scelta sbagliata di ordine intellettuale, seguire o meno la filosofia dell’azienda, scientifico, adeguarsi continuamente al progresso scientifico, pratico e commerciale. L’azienda non è un sistema di beneficenza, deve far pagare al consumatore la ricerca non solo di base, ma anche applicata sul processo e il lavoro in GMP.

Il processo di Drug Discovery deve essere efficiente e veloce, il brevetto può scadere, c’è competizione fra aziende, c’è un bisogno terapeutico, nonostante sia lungo, complesso, costoso, frustrante, nevrotico e spesso non destinato a successo. C’è bisogno di team eccellenti di persone che dialogano, tempi veloci, dati riproducibili e affidabili, decisioni giuste.

Il composto deve esibire una superiorità in termini di efficacia o di sicurezza o di compliance, in questo punto ci aiuta la formulazione, rispetto a quello presente: deve essere o più selettivo o agente su un diverso meccanismo d’azione o capace di intervenire a placare un medical need contemporaneo.

Il denaro che sorregge il Drug Discovery si basa sul concetto di “cash flow”, cioè dal flusso di denaro che deriva dal precedente successo farmaceutico che deve essere reinvestito in un determinato momento. Il cash flow è negativo durante il Drug Discovery and Development, è positivo quando il farmaco arriva sul mercato, è importante non aspettare che scada il brevetto di un farmaco ma cominciare a reinvestire in un nuovo progetto prima che il brevetto del farmaco scada.

È possibile reinvestire anche in una nuova forma farmaceutica per uno stesso farmaco e guadagnare maggiormente risparmiando sulle prime fasi. Il ruolo del tecnologo farmaceutico è fondamentale per rendere il farmaco fruibile all’organismo e la formulazione del farmaco deve essere scelta quasi all’inizio del processo di Drug Discovery and Development.

Colui che per primo ha intuito le potenzialità del rilascio modificato e il fatto di deciderne a priori del processo è stato il professor Higuki intorno al 1970. L’FDA investiga sia sul farmaco che sulla formulazione proposta dall’azienda farmaceutica che presenta il CTD del farmaco. Se il processo è stato effettuato in maniera giusta, attraverso un grande dialogo tra chimico farmaceutico e tecnologo farmaceutico, non ci dovrebbero essere problemi una volta ottenuto il prodotto finito.

Drug Discovery and Development to Formulation

Drug Discovery and Development to Formulation. Gli approcci per la scoperta di un HIT sono vari, un HIT deve avere un’attività verso un target biologico preferibilmente nano molare, basso peso molecolare, trattabilità chimica e espandibilità, minimo RAS, assenza di gruppi funzionali indesiderati, spazio brevettuale sufficiente, per assicurare una bassa competizione aziendale.

L’Hit to Lead Optimization, H2L, porta a un upgrade delle caratteristiche chimico fisiche e farmacologiche dell’Hit; è un processo in “reiterative Medicinal Chemistry” continuo, secondo un modello basato su disegno, sintesi e saggi di analoghi strutturali.

Si decide non solamente per un composto più attivo, più potente, ma per un composto che abbia un equilibrio tra caratteristiche chimico-fisiche-farmacocinetiche, stabilità, solubilità, lipofilia, permeabilità, e farmacodinamiche, potenza, selettività. Deve avere quindi buone proprietà biofarmaceutiche, assenza di tossicità, deve essere prodotto con una sintesi che abbia un’alta resa.

In alcuni casi la selettività è desiderata, in altri casi è voluta secondo l’idea di polifarmacologia. Le proprietà chimico-fisiche sono il determinante per capire se la molecola può andare avanti nel percorso di Drug Discovery, per cui è importante fare studio in vivo e in vitro preliminari e predittivi per PK e per interazioni farmaco-farmaco, per binding protein plasmatico, per interazione con cellule del sangue.

Le valutazioni di solubilità e permeabilità sono cruciali nella fase di Preformulazione, è importante non solo per la dissoluzione, assorbimento, distribuzione, eliminazione e formulazione: la formulazione può risolvere problemi di solubilità. I test non devono essere fatti in ambiente organico ma in ambiente acquoso perché devono essere predittivi per la solubilità e quindi per la concentrazione del farmaco da utilizzare nel medicinale. Fare riferimento alla Legge di Fick. Ci sono modelli diversi per predire la permeabilità non solo tra membrane intestinale e nervosa, ma anche intracompartimentali.

Drug like properties

Drug like properties: proprietà possedute dalla maggior parte dei farmaci in commercio e che pertanto sono ritenute necessarie per un nuovo farmaco: idrofobicità, distribuzione elettronica, peso molecolare, caratteristiche di legami idrogeno, presenza di gruppi farmacoforici, Regole dei 5 di Lipinsky e vari aggiornamenti, non sono regole vere e propri ma una sorta di filtro per la selezione degli hit.

Lipinsky ha preso in considerazione i farmaci ad uso orale perché sono quelli meglio tollerati dai pazienti e che danno maggiore standardizzazione: è caratterizzata da un numero di variabili minore della via nasale o cutanea. La via parenterale è quella con minore variabilità interindividuale. Il farmaco deve essere solubile, stabile, a pH, enzimi, assorbibile dal GIT. La formulazione aiuta nell’avere la migliore biodisponibilità.

L’H2L è un processo importante che porta ad avere dall’hit dei lead con struttura più complessa, i quali saranno ulteriormente ottimizzati per essere sottoposti alle prove precliniche. Vengono investite molte risorse economiche perché è importante non far cadere il farmaco.

I Lead devono rispettare le Regole di Lipinsky o “Drug Like Properties”, ogni azienda si muove in modo autonomo secondo le loro abilità e anche le loro conoscenze e fondi: alcune saltano la fase di H2L per fare direttamente la Lead Optimization se l’Hit è stato studiato già ampiamente. La solubilità e la permeabilità sono le caratteristiche più importanti per sapere la Biodisponibilità.

Il 90% dei farmaci per via orale hanno come Hit: PM inferiore a 500 in maniera da poter essere arricchito, cLogP <5, incide su assorbimento e distribuzione, numero di donatore di legami H <5, numero di accettori di legami H <10.

• I gruppi accettori e donatori di legami H sono necessari per avere un’idrofilia adeguata alla solubilità ma non devono essere troppi per evitare la formazione di legami con tante molecole di H20 che impediscono la penetrazione nelle membrane: se le molecole d’acqua sono fortemente legate, la molecola non riesce a de solvatarsi ed essere assorbita.
• CLogP < 5: se la molecola è troppo lipofila, non abbiamo la solubilità adeguata, non c’è assorbimento, non c’è biodisponibilità; inoltre ci sarà troppa interazione con CYP 450 e quindi veloce eliminazione.
• PM < 500: il PM è legato alle dimensioni e alla facilità di assorbimento. Un PM eccessivo diminuisce la possibilità di attraversamento delle membrane.
• PKa: influenzerà LogD, potenza, assorbimento; è importante sapere l’equilibrio tra forma ionizzata e non. Ci sono finestre di assorbimento: gastrica, 1-2, duodeno, 6-7, digiuno-ileo, 7-8, intestino crasso, 8-9.

Le “Regole dei Cinque” riguardano esclusivamente i farmaci somministrati per via orale, cioè il 90% dei farmaci in commercio, ci sono regole studiate per la via polmonare, via oculare, via trans dermica; costituiscono un filtro da non seguire alla lettera, sono indicazioni predittive ma non danno garanzia: la violazione di almeno due regole determina un alto rischio di non sviluppabilità: sono da considerare come Linee Guida e non come regole. La solubilità deve essere considerata insieme alla velocità di dissoluzione.

Lead e Lead Optimization

Il Lead ha una struttura confermata ma ulteriormente modificabile, affinità elevata per il target, <1 micro molare, attività biologica buona, solubilità in H20, >100 micromolare. RAS molto delineato, meccanismo d’azione noto, buona stabilità, privo di vincoli di proprietà intellettuale, potenzialità brevettuale: ci si deve assicurare di poter fare tutti i derivati possibili amidici, esterei.

La Lead Optimization è un’azione di bilanciamento, la molecola deve essere né troppo lipofila né troppo idrofila, sufficiente stabile a livello metabolico, legata in maniera adeguata alle proteine plasmatiche, che porta ad avere dei Candidati preclinici, composti analoghi adatti per gli studi preclinici sugli animali che vengono effettuati su un numero ridotto di molecole; dagli studi preclinici passeremo ai Candidati clinici che saranno testati nelle prove cliniche sull’uomo.

Nella Lead Optimization si lavora su lipofilicità, solubilità, permeabilità, perché il viaggio del farmaco nel tratto GI è condizionato da ambienti diversi in cui ci sono fasi lipofilia e l’idrofilia sono contemplate ugualmente. Un’emulsione non può essere assorbita come tale, la parte lipofila viene digerita da lipasi, rilascia il farmaco che si ripartisce …

Un buon Lead e un buon farmaco non è la molecola più potente o più stabile, più assorbibile, più attiva ma una molecola che possiede un bilanciamento di tutte le sue caratteristiche in maniera tale da poter essere formulata con successo. Agendo in questa maniera, la percentuale di fallimento fra Lead Optimization e prove precliniche è divenuta solo del 10%. Se ci sono problemi durante le prove precliniche, si lavora sul pool di molecole di riserva lasciate nelle librerie, salvando il progetto farmaceutico.

Candidate Selection e prove precliniche

La Candidate Selection viene effettuata primariamente in base al concetto “primum non nocere”, scegliendo innanzitutto un farmaco sicuro. Sugli animali vanno indagati i parametri tossicologici, LD50, e farmacocinetici, t1/2, Cmax, Tmax, AUC, Clearance, prima sui topi, e poi su animali più complessi: cane, scimmia, maiale, ci sono anche modelli computerizzati per predire i risultati che si avranno sull’uomo.

Le prove precliniche si effettuano sulla base delle ICH, linee guida adeguate per tutte le fasi di studio del farmaco: Drug Development, prove precliniche, cliniche. Si deve studiare farmacocinetica, tossicologia, a breve e lungo termine, per molecole potenzialmente cancerogene si fanno studi di cancerogenesi, mutagenesi, immunotossicità, fototossicità, tossicità sui bambini, studio comparativo fra animali giovani e animali vecchi; per molecole biotech, grandi, le regole dei 5 non hanno senso e devono essere fatti studi previsti nelle Linee Guida ICH, articolo S6, per farmaci modulanti patologie gravi o mortali oppure farmaci con meccanismo d’azione nuovo devono essere fatti studi aggiuntivi.

L’aspetto farmacologico e tossicologico negli animali viene studiato in 2-3 anni, impiega il 30% delle risorse economiche dell’intero processo di studio del farmaco. Negli animali vanno somministrate le formulazioni più semplici possibili quali soluzioni e sospensioni, le sospensioni sono sistemi dispersi dove la fase dispersa è un solido, fase disperdente un liquido, con un numero minore e studiato di eccipienti, gli eccipienti possono essere problematici per gli animali e per le loro diverse specie, si prendono sempre eccipienti già studiati come sicuri, la via di somministrazione più utilizzata è quella soggetta a meno interferenza e quella più vicina a quella utilizzata per l’uomo, la via parenterale, l’endovenosa o la via orale mediante capsule.

Gli studi di tossicità acuta durano dai 7 ai 14 giorni e raccolgono sufficienti dati sulla relazione dose/effetto, dose/mortalità, LD50, e sugli organi colpiti attraverso esame anatomo-istologico degli organi in seguito al sacrificio dell’animale.

Gli studi di tossicità con somministrazioni ripetute prevedono valutazione effetti sul SNC, attività locomotoria e coordinazione motoria, SNA, muscoli scheletrici, tratto GI, sangue, funzionalità renale, sistema cardiovascolare, capacità riproduttiva.

Sviluppo formulativo

Sviluppo formulativo. Deve essere effettuato sulla base della conoscenza delle proprietà chimico fisiche della molecola, delle conoscenze di farmacocinetica, tossicologia, e delle tecniche analitiche del formulatore preclinico.

L’analitica è importante perché al tecnologo serve sapere l’esatta quantità di farmaco da formulare. Il chimico analitico utilizza l’HPLC, nel cui cromatogramma ci deve essere un solo picco cromatografico; se con il raddoppio della dose si ha precipitazione vuol dire che c’è problema di solubilità o di presenza di impurezza.

La Formulazione necessita di tante informazioni: studi di tossicologia, permeabilità, solubilità, lipofilia, logP, pkA della molecola: il tecnologo deve interfacciarsi con il chimico farmaceutico, con l’analitico e con il tossicologo, sia per la molecola sia per gli eccipienti.

Il formulatore deve lavorare con il “fit to purpose”, cioè regolarsi in base alla circostanza contingente, in “short term”, cioè fare uno studio preformulativo che consenta di prevedere la farmacocinetica. Si arriva nella fase clinica con informazioni molto chiare sulla formulazione anche se le fasi di drug development si sovrappongono. Un composto con proprietà biofarmaceutiche misere andrà difficilmente in formulazione, non basta un’elevata potenza.

Preformulazione

Preformulazione sono tutti gli studi che servono per capire le proprietà biofarmaceutiche dei Lead e dei Clinical Candidate; si effettuano su fase solida sia sul principio attivo, sia sugli eccipienti sia sul packaging.

Il packaging primario è a contatto con la forma farmaceutica pertanto non ci deve essere interazione con il medicinale: soprattutto per la via inalatoria dove il packaging primario, l’erogatore, va di pari passo con la formulazione; in base al tipo di vaporizzazione che si desidera si scelgono erogatori con ugello di dimensioni diverse, per le emulsioni si usano tensioattivi diversi se parliamo di uso topico, uso orale o uso nasale, anche la dimensione delle emulsioni è in funzione della via di somministrazione: per la via endovenosa si utilizzano nano emulsioni.

Gli eccipienti, a maggior ragione i tensioattivi che sono molto aggressivi per l’organismo, sono diversi in base alle vie di somministrazione. Per gli alimenti, i tensioattivi usati sono le lecitine.

Ogni step formulativo che si effettua deve rispettare l’integrità del principio attivo e degli eccipienti e la stabilità del prodotto finito, anche con il confezionamento, deve essere garantita per 5 anni. Il blister, la boccetta, la fiala non devono interferire con il principio attivo e devono conservarlo stabile per tutta la durata.

Biofarmaceutica

Biofarmaceutica: studio di come le proprietà biofarmaceutiche influiscono sull’assorbimento, pertanto sulla biodisponibilità del farmaco; le proprietà biofarmaceutiche devono essere studiate non solo in solvente acquoso ma in soluzioni che ripropongono tutti gli environments dell’organismo, stomaco “fluido gastrico simulato o SGF”, intestino, plasma.

Per testare farmaci per via inalatoria, si scelgono i conigli la cui sacca congiuntivale è adeguata, per farmaci antitubercolari si scelgono animali che hanno tubercoli simili a quelli umani, maiali. La risposta sull’animale è sempre diversa da quella dell’uomo, la risposta più adeguata si ha con la scimmia.

La scelta dell’animale è strettamente legata alla via di somministrazione che esso tollera perché la risposta al farmaco è influenzata dal modo in cui esso viene anche trattato.

Il farmaco deve essere somministrato nelle prove cliniche in vivo e nell’uomo tenendo conto del ritmo circadiano degli organismi: es l’ipertensione ha un picco fisiologico alle 5-6 del mattini, i picchi asmatici si hanno alle 4-5 del pomeriggio, la febbre ha un picco alle 6-7 del pomeriggio, l’antitumorale si somministra quando le cellule sono più replicanti.

Vie di somministrazione

La via di somministrazione parenterale, tutte le vie di somministrazioni che prevedono l’uso di ago cannula, prevede controllo del volume della dose, della stabilità della formulazione, pH 7.4 ma non sempre: si può leggermente modificare il pH per aumentare la stabilità, la viscosità, la resistenza allo scorrimento, l’osmolarità e la capacità tampone della soluzione, il tipo e la quantità di eccipienti, i tensioattivi possono dare anemia emolitica, scompaginare tessuti.

La via di somministrazione sottocutanea consente la somministrazione di piccoli volumi, ha rapido assorbimento.

La via intraperitoneale è quella maggiormente utilizzata negli animali, il peritoneo è riccamente irrorato, si possono avere problemi di precipitazione.

La via intravenosa è que