Appunti sul corso di Veicolazione e direzionamento di farmaci (forme farmaceutiche innovative)

Lezione 1: Differenza tra principio attivo e forma farmaceutica

Il principio attivo o farmaco è quella molecola biologicamente attiva che nell’organismo è in grado di svolgere una certa azione. La forma farmaceutica, invece, è l’insieme del principio attivo più eccipiente. Gli eccipienti non danno assolutamente un effetto farmacologico, ma l’utilizzo degli eccipienti cambia in base alla forma farmaceutica che si vuole allestire e in base alla via di somministrazione. Infatti, i requisiti di una forma farmaceutica somministrata per via parenterale non sono gli stessi di una f.f. somministrata per via orale.

Ad esempio, una grande differenza tra un requisito di una f.f per via orale e per via parenterale è che nelle vie parenterali ci deve essere sterilità. Invece, a parità di via di somministrazione e di principio attivo, prendendo in considerazione la via orale, si possono formulare una serie di f.f. (compressa, capsula, granulato ecc.) scegliendo eccipienti diversi.

Prima della somministrazione, c'è la fase farmaceutica dove si decide il principio attivo da utilizzare e la sua concentrazione, in modo da comporre la forma farmaceutica e consentire al principio attivo di arrivare al sito di somministrazione nella dose adeguata.

Schema LADME

Dopo la somministrazione della f.f. si passa allo schema LADME e prendiamo come esempio una compressa somministrata per via orale:

• Liberazione: La compressa arriva nello stomaco e viene liberato il principio attivo dalla f.f. grazie alla disgregazione della compressa stessa. A questo punto il principio attivo si solubilizza (cioè passa in soluzione) nel fluido biologico dove si trova, in questo caso nello stomaco.
• Assorbimento: Il principio attivo viene assorbito in quanto la compressa deve avere un effetto sistemico e quindi arrivare nel sangue.
• Distribuzione: Il principio attivo viene distribuito in tutto il corpo, infatti arriverà sia nei siti bersagli (dove la molecola di p.a. incontra il recettore ed esplica la sua attività farmacologica) che nei siti non bersaglio (effetti collaterali).
• Metabolismo ed eliminazione: La molecola di p.a. viene attaccata dagli enzimi per poter essere eliminata. Queste due fasi iniziano contemporaneamente alla fase di distribuzione.

La fase farmaceutica influenzerà il responso farmacologico della f.f. Infatti, i processi che portano il farmaco al sito di assorbimento in forma solubilizzata dipendono da:

• Le caratteristiche fisico-chimiche del principio attivo;
• Le caratteristiche della forma farmaceutica.

A parità di principio attivo e di via di somministrazione, ciò che influenza LADMET è la f.f. perché tra una compressa ed un farmaco in soluzione cambiano i tempi di latenza: la compressa si deve disgregare mentre il farmaco già in soluzione è già pronto per l’assorbimento.

Assorbimento dei farmaci

Esistono due meccanismi principali grazie ai quali la f.f. può passare nel sangue:

• Trasporto attivo: La molecola riconosce e si lega ad un determinato recettore presente sulla membrana biologica e, grazie ad ATP, viene trasportata al di là della membrana. Questo tipo di trasporto è saturabile perché i recettori presenti sulla membrana sono in numero limitato. Quindi, se si aumenta la concentrazione di principio attivo, non è detto che si favorisca l’assorbimento perché magari i recettori sono tutti saturati.
• Trasporto passivo: Non è un meccanismo recettore-mediato quindi non sfrutta energia. Il principio attivo riesce ad attraversare la membrana semplicemente perché è spinto da un gradiente di concentrazione: monte della membrana c’è una certa quantità di farmaco ed a valle della membrana non c’è. Questa differenza di concentrazione ai due lati della membrana fa sì che si abbia una diffusione passiva perché in natura i sistemi sono portati ad equilibrare la propria concentrazione.

Altri meccanismi di trasporto attraverso membrane biologiche sono il processo di endocitosi (dove il principio attivo non attraversa la membrana come avviene nel caso del trasporto attivo e passivo, ma viene inglobato all’interno) e meccanismi alla base del multidrug resistance (resistenza di alcuni tipi di cellule a farmaci chemioterapici) dove si ha la sovraespressione della glicoproteina P che riconosce il farmaco come non-self e lo porta fuori dalla cellula.

Legge di Fick

Ma la maggior parte dei principi attivi vengono assorbiti attraverso meccanismi di diffusione passiva che può essere modellata matematicamente attraverso la legge di Fick. La legge di Fick dice che la quota di farmaco che passa la membrana è direttamente proporzionale al ΔC (che è la forza spingente) cioè la differenza di concentrazione al sito di somministrazione e la concentrazione nel plasma (al di là della membrana).

Oltre alla differenza di concentrazione, la quantità di farmaco che passa la membrana dipenderà anche da altri parametri legati al p.a. che stiamo utilizzando ed al sito di somministrazione. I parametri che considerano il sito di somministrazione, e quindi la membrana biologica che il p.a. deve attraversare, sono:

• A (area della superficie da attraversare): Maggiore è l’area superficiale a disposizione per il principio attivo da attraversare e tanto più facile sarà la diffusione. Infatti è differente se il principio attivo viene assorbito nello stomaco o nell’intestino in quanto nell’intestino, avendo i villi, risulta esserci un’area superficiale molto elevata.
• h (spessore della membrana da attraversare): Non tutte le membrane biologiche sono uguali e quindi non tutte avranno lo stesso spessore. Maggiore è lo spessore e più difficile sarà da attraversare.

I parametri della legge di Fick legati al principio attivo invece sono:

• D (coefficiente di diffusione): È una caratteristica di ogni molecola diffondente ed è una misura della sua capacità di diffondere e muoversi all’interno della membrana. Questo coefficiente può essere influenzato dalle dimensioni del farmaco (un farmaco di origine biotecnologica, rispetto ad uno tradizionale, è svantaggiato per il suo elevato peso molecolare); dalla mobilità della catena e quindi dal tipo di legami.
• K (coefficiente di ripartizione): Prendiamo in considerazione la compressa, essa si disgrega durante la fase di liberazione e liberando il principio attivo esso passa in soluzione acquosa cioè nel succo gastrico dello stomaco (ph acido). Ogni fluido biologico è a base acquosa ma caratterizzati da pH diversi. Dopo la solubilizzazione, il principio attivo deve attraversare la membrana biologica (è lipofila, si tratta di un doppio strato fosfolipidico) per andare nel sangue e quindi di nuovo in una fase acquosa. Il coefficiente di ripartizione ci indica come il p.a. riesce a ripartirsi tra un ambiente acquoso ed un ambiente lipofilo, quindi un principio attivo troppo idrofilo succede che passerà subito in soluzione nel fluido biologico ma difficilmente attraverserà la membrana. Analogamente, se invece il principio attivo è troppo lipofilo avrà problemi a solubilizzarsi inizialmente e quindi non inizierà proprio l’assorbimento. Per cui è importante che ci sia un giusto coefficiente di ripartizione cioè che la molecola non sia né troppo idrofila né troppo lipofila.

Per calcolare il coefficiente di ripartizione K si va a solubilizzare un principio attivo inizialmente in una fase acquosa, successivamente prendiamo un eguale volume di una fase oleosa e li mettiamo a contatto. Si mettono in agitazione le due fasi (acqua + olio formano un’emulsione) e si aspetta che le due fasi si separino di nuovo, in modo da dosare poi il p.a. nelle due fasi (cioè andiamo a vedere la concentrazione di p.a. che spontaneamente è andata nella fase oleosa e la concentrazione del p.a. che spontaneamente è andata nella fase acquosa). Si fa poi il rapporto tra queste due concentrazioni ed abbiamo così una misura di K. Generalmente ci si riferisce al logP cioè il log in base 10 del rapporto tra la concentrazione nella fase oleosa e la concentrazione nella fase acquosa. Se il p.a. si è ripartito in egual modo nelle due fasi significa che il rapporto è 1 ed il Log di 1 = 0. Mentre se il LogP è negativo, significa che il denominatore è più grande del numeratore (Ca > Co) per cui la molecola è polare perché preferisce la fase acquosa; se il LogP è positivo significa che Co > Ca per cui la molecola è lipofila e preferisce maggiormente la fase oleosa. N.B. Il LogP deve essere poco distante dallo 0, non sono accettati valori molto elevati.

Effetto della ionizzazione del farmaco

Esistono dei principi attivi che sono degli acidi deboli o basi deboli. In questo caso, noi sappiamo che un acido debole (o una base debole) si trova in equilibrio con la sua forma indissociata e la sua forma dissociata. La forma indissociata (HA) è favorevole all’assorbimento perché è lipofila, mentre la forma dissociata è meno lipofila quindi l’assorbimento sarà più difficile.

Il grado di dissociazione di un acido/base debole dipende dal pH del mezzo in cui andrà a solubilizzare. Quindi per farmaci che sono acidi/basi deboli non basta parlare solo del LogP ma bisogna specificare il calcolo del LogP a che valore di pH è stato effettuato: per cui parliamo di LogD (è la stessa cosa del LogP solo che viene effettuato ad un determinato valore di pH).

Preso un determinato acido debole, questo si dissocia in ioni H⁺ e A^-. In soluzione ci sarà una quota indissociata ed una quota dissociata, per cui esiste una costante di dissociazione acida Ka data dal rapporto della forma dissociata sulla forma indissociata. Per cui Ka è tanto maggiore, quanto più si trova in fase dissociata (cioè aumenta il numeratore). Esiste però un altro parametro cioè il pKa che è -log in base 10 di Ka. N.B. Il logaritmo di un prodotto è dato dalla somma dei logaritmi. Mentre il logaritmo di un rapporto è la differenza.

Quindi il rapporto tra la fase dissociata e la fase indissociata, non dipende solo dal pKa dell’acido ma dipende anche dal pH del mezzo in cui si trova: infatti se il pH > pKa significa che l’esponente è positivo e quindi che prevale la forma dissociata; se pH < pKa allora l’esponente sarà negativo (es. 10^-2) per cui prevale la forma indissociata. Ovviamente a noi interessa quale delle due forme prevale perché abbiamo detto che cambierà la solubilità nell’ambiente acquoso.

Facciamo degli esempi. L’aspirina ha un pKa = 3,5 per cui se siamo nello stomaco (pH 1,5) il rapporto tra la fase dissociata ed indissociata è 10^-2 (perché 1,5 - 3,5 = -2) quindi 0,01 e prevale la forma indissociata. Nel plasma invece (pH 7,4) prevale la forma dissociata. La codeina invece è una base debole ed ha un pKa = 7,9. In questo caso sarà il contrario, quindi nello stomaco dove il pH è acido, prevarrà la forma dissociata mentre nel sangue prevarrà la forma indissociata.

Ricapitolando

L’assorbimento di un PA dipende dalla FF (che ci dà i tempi di liberazione e passaggio in soluzione del PA). Da quel momento in poi, l’assorbimento dipende dalle caratteristiche chimico-fisiche del PA (coefficiente di diffusione e LogP o LogD nel caso di specie ionizzabili), dall’area assorbente (quindi dal sito di somministrazione) ma dipenderà anche dal tempo di residenza (che non compare nella legge di Fick ma vedremo ad esempio per i sistemi muco-adesivi).

Quasi tutte le membrane biologiche hanno uno strato così detto mucoso cioè uno strato di muco che ricopre i tessuti biologici. Il muco che cosa è? Sempre acqua più glicoproteine che sono delle macromolecole quindi possiamo sfruttare l'interazione delle glicoproteine nel nucleo con il polimero che va a veicolare questo P.A e si parla di forme farmaceutiche muco-adesive cioè il polimero che veicola il P.A interagisce con le glicoproteine del muco, forma dei legami chimici che possono essere deboli o no, e questo fa sì che la forma farmaceutica resti più tempo al sito di somministrazione.

Liberazione del farmaco dalla FF

Come per l’assorbimento dato da una diffusione passiva può essere modellato con la I legge di Fick, così anche la dissoluzione cioè il passaggio di un solido (il PA) in un liquido può essere modellato da un’equazione matematica cioè dalla legge di Noyes-Whitney. Per modellare matematicamente un processo lo dobbiamo schematizzare. Abbiamo detto che nel caso di una compressa, questa si deve disgregare in granuli e poi in particelle più fini. A questo punto si ha un passaggio in soluzione del PA. Immaginiamo di prendere una particella fine e zoomare.

Il processo di dissoluzione può essere visto come un processo dinamico. Abbiamo una particella molto piccola di solido immersa tutta intorno in un liquido, tutto intorno alla particella si formerà uno strato saturo perché qui abbiamo la concentrazione massima di solido che può passare nel liquido (sarebbe la concentrazione di saturazione). Poi man mano che le particelle di solido abbandonano lo strato saturo e si spostano verso il solvente (quindi nelle zone in cui la concentrazione è minore) altre particelle di solido potranno andare nello strato saturo (per questo motivo è definito processo dinamico).

Definiamo come h lo spessore dello strato saturo (detto anche strato di diffusione), Cs la concentrazione massima di solido presente nello stato saturo e C è la concentrazione del solido lontano dalla particella. Per cui la quantità di farmaco che passa in soluzione nel tempo è descritto dalla legge di N-W:

(dC su dt è una velocità) D è il coefficiente di diffusione, per cui il processo sarà favorito se abbiamo delle molecole piccole e mobili. S è la superficie di contatto tra solido e liquido: maggiore è S e più velocemente avverrà la solubilizzazione (questo è il motivo per il quale il sale fino si scioglie prima del sale grosso perché, a parità di massa e di solvente, il sale fino ha una superficie di contatto maggiore). h abbiamo già detto essere lo spessore dello strato saturo. ΔC in questo caso non è la differenza di concentrazione ai lati della membrana ma è la differenza di concentrazione del PA tra lo strato saturo ed il punto lontano nel fluido in cui la particella sta solubilizzando.

Lezione 2: La biodisponibilità

Quando parliamo di biodisponibilità ci riferiamo alle forme farmaceutiche che hanno un effetto sistemico (il principio attivo arriva al circolo sanguigno e da qui si distribuisce). Ricordiamo che nel caso della via endovenosa c’è un passaggio del farmaco direttamente nel sangue. Solo a parità di principio attivo se, ad esempio, facciamo un’iniezione intramuscolare, a differenza della via orale, avremo un effetto più veloce ed il percorso che il farmaco farà per arrivare al circolo sanguigno sarà diverso (perché deve attraversare membrane diverse). Infatti, nella via di somministrazione orale avremo da attraversare il tratto GI e l’effetto di 1° passaggio quindi ci sarà sicuramente una parziale degradazione del farmaco. Come si quantifica tutto ciò? Con la biodisponibilità.

La biodisponibilità rappresenta la quantità e la velocità con cui un principio attivo arriva intatto (cioè farmacologicamente attivo) al circolo sanguigno. Per quantificare la biodisponibilità andiamo a vedere come varia la concentrazione di p.a. nel sangue in funzione del tempo costruendo una curva x y. Immaginiamo di prendere una compressa, dove al tempo 0 abbiamo il momento della somministrazione, dopodiché partirà lo schema LADME:

• Iniziamo con la liberazione. La compressa arriva nello stomaco e si disgrega in particelle più piccole fino a quando il principio attivo si solubilizza nel fluido biologico, quindi facendo un prelievo in questa fase vediamo che la concentrazione di principio attivo nel sangue è pari a 0. Questa è definita fase di latenza. Tale fase dipende dalla forma farmaceutica e dalle proprietà chimico-fisiche del farmaco: in questo caso abbiamo preso come esempio una compressa quindi la liberazione durerà più tempo rispetto ad una capsula molle che ha un contenuto liquido.
• Inizia la fase di assorbimento per cui avremo che aumenta la concentrazione del principio attivo nel sangue. Contemporaneamente all’assorbimento però avremo anche la distribuzione, il metabolismo e l’eliminazione, questo significa che avremo una quota di farmaco in entrata ed una quota in uscita cioè che viene escreta. In questa fase particolare è maggiore la quota di farmaco che entra rispetto a quella che esce infatti la curva è crescente, quindi la costante di assorbimento è maggiore della costante di eliminazione (K_a > K_e).
• Arriviamo ad un punto in cui K_a = K_e cioè la stessa quota di farmaco che entra è uguale a quella che esce. È proprio in questo punto che raggiungiamo la concentrazione di picco (C_p), cioè la concentrazione massima di principio attivo nel sangue. È durante questo picco di massima concentrazione che il principio attivo inizia ad avere un effetto farmacologico, definendo così il tempo di insorgenza (t_i).