Tecnologie farmaceutico industriali - completo e prova esame

Tecnologie industriali farmaceutiche

Esame e tesi

Lezione 21/02/22

Esame: scritto a domanda aperta (4 domande-2h) e orale con discussione ed approfondimento dell’esame scritto. Per accedere all’orale bisogna ottenere un punteggio di almeno 18/30 sulla prova scritta. La data dell’esame orale sarà comunicata il giorno dell’esame scritto. Ricevimento su appuntamento. Propedeuticità: metodi fisici in chimica organica Annalisa Aluigi

Tesi:

• 3D printing di hydrogels per lo sviluppo di sistemi a rilascio controllato dei farmaci e per l’ingegneria tissutale.
• Sviluppo di nanoparticelle proteiche per il rilascio controllato di farmaci.
• Sviluppo di nano fibre polimeriche mediante electrospinning (CNR-ISOD-Bologna).
• Formulazioni dermoscopiche a base di cheratina (kerlinesrl- Bologna) → Biofarmaceutica studia le correlazioni tra la formulazione farmaceutica e il rilascio del farmaco.

Biofarmaceutica

Materiali:

• Farmaco, eccipienti, contenitori
• Processo di fabbricazione
• Forma

Il suo scopo è quello di comprendere come i fattori citati possano influenzare la biodisponibilità del farmaco, comprendere la bioequivalenza di medicinali putativamente equivalenti, proporre strategie per migliorare/modulare il rilascio e l’assorbimento dei farmaci.

Assorbimento

Le fasi dell’azione del farmaco prevedono che tutti i trasferimenti che coinvolgono il farmaco, dal sito di somministrazione alla sua eliminazione, superino la membrana biologica (memb bio). La memb bio è formata da un doppio strato (bilayer) di materiale lipidico (fosfolipidi, glicolipidi e steroidi), penetrato da proteine (membrane transporter). La membrana cellulare è inoltre attraversata da pori acquosi di dimensione variabile 4-10 armstrong, che si aprono e si chiudono, per lo più all’interno di proteine globulari e che attraversano il doppio strato lipidico, responsabili del trasporto/traffico di ioni o piccole molecole organiche.

Meccanismi di attraversamento delle membrane biologiche

• Trasporto attivo: il passaggio è regolato dal grado di lipofilia del farmaco.
• Trasporto facilitato: la diffusione del farmaco avviene attraverso un canale.
• Trasporto attivo: la diffusione del farmaco mediante un carrier.
• Trasporto convettivo: il passaggio del farmaco avviene tramite le porosità della membrana, la forza motrice è la pressione idrostatica o osmotica. È il meccanismo di attraversamento di piccole molecole come acqua, urea, zuccheri ed elettroliti organici. Meccanismo di limitata importanza nell’assorbimento di molecole o ioni idrosolubili con peso molecolare > 200 dalton.
• Endocitosi: prevede l’inglobamento di materiale extracellulare intra una invaginazione della membrana cellulare, in modo da formare una vescicola o un vacuolo all’interno della cellula dove il materiale viene rilasciato per esocitosi.

Tipi di endocitosi

1. Pinocitosi: esocitosi in fase fluida. Assunzione di piccole quantità liquide di fluido extracellulare e delle sostanze disciolte al suo interno, tramite la formazione di vescicole dal diametro medio massimo di circa 150 nm. È un processo poco efficiente ma importante per l’assorbimento di alcune sostanze come le vitamine liposolubili A, D, E, K.
2. Endocitosi mediata da recettori: processo di endocitosi innescato dal legame di un certo ligando (di interesse metabolico per la cellula) con un recettore presente sulla superficie della membrana cellulare.
3. Fagocitosi: processo di endocitosi con il quale la cellula ingloba particelle di una certa grandezza. È la via di assorbimento di alcuni vaccini (es. antipolio).

Vie di trasporto

• Via transcellulare (attraverso le cellule): diffusione passiva, diffusione facilitata, trasporto attivo, endocitosi.
• Via paracellulare (tra le cellule): convezione, diffusione passiva. Il farmaco non è in grado di passare attraverso gli spazi che si trovano tra una cellula e l’altra.

Trasporto passivo - prima legge di Fick

Molti farmaci permeano le membrane per trasporto passivo (diffusione-gradiente di concentrazione). Steady state: stato stazionario. Nello strato superficiale esterno della membrana si sviluppa un profilo di concentrazione del farmaco indipendente dal tempo e si ha una velocità di rilascio costante, determinata dalla prima legge di Fick. Non è saturabile, non richiede energia e non va incontro a inibizione competitiva da parte di altre molecole.

Biodisponibilità

Biodisponibilità: entità e velocità con cui una formulazione farmaceutica rende disponibile il principio attivo sul sito d’azione e per adeguato periodo di tempo. Difficoltà della determinazione diretta del dosaggio di un farmaco misure indirette.

Assunti:

• Nel caso in cui il principio attivo eserciti un’azione sistemica, la concentrazione al sito d’azione è in equilibrio con la sua concentrazione plasmatica; in uno stesso soggetto, andamenti delle concentrazioni plasmatiche simili daranno luogo a concentrazioni al sito d’azione essenzialmente simili.

Definizione pratica operativa: entità e velocità con cui il principio attivo viene assorbito nel circolo sistemico. Dipende da:

• Quantità totale di farmaco ceduto dalla formulazione farmaceutica che raggiunge inalterato il circolo sistemico
• Velocità con cui la quota di farmaco disponibile arriva al sito d’azione
• Dal tipo di forma farmaceutica e dalla relativa formulazione (eccipienti)
• Modalità di somministrazione

Curva di concentrazione plasmatica

Fattore di biodisponibilità F rappresenta la frazione del farmaco disponibile e può essere usato per calcolare la biodisponibilità. 0<F<1. Quando F=0 assorbimento nullo del farmaco, F=1 assorbimento massimo del farmaco.

La biodisponibilità assoluta è la più comunemente usata e si riferisce al confronto tra la quantità di principio attivo assorbita da una forma farmaceutica e la quantità (dose) somministrata per via endovenosa. La biodisponibilità relativa si riferisce al confronto tra:

• Le quantità di principio attivo assorbite a partire da due forme farmaceutiche differenti (es. una compressa orale o un cerotto transdermico).
• Le quantità di principio attivo assorbite attraverso due vie di somministrazione diverse (es. la via orale e intramuscolare).

Esercizio

Se una dose di 100 mg di un farmaco somministrato per via endovenosa fornisce un'area sotto la curva livello ematico-tempo di 8 microgrammi h/ml e una dose orale di 300 mg dello stesso farmaco dà un AUC di 9 microgrammi h/ml, quale sarà la frazione di farmaco biodisponibile?

La biodisponibilità, che non è altro che la quantità di farmaco che raggiunge il sangue quando esso viene somministrato per via diversa da quella endovenosa, è un parametro di particolare rilievo in caso di trattamento per via orale. Se si considera una dose per via endovenosa e il tipo di esposizione, cioè l'area sotto la curva delle concentrazioni nel tempo AUC, per capire se il farmaco per via orale sarà altrettanto efficace rispetto alla via endovenosa, si possono confrontare le AUC dopo che la stessa dose viene somministrata per via orale o endovenosa. Il rapporto tra le AUC consente di misurare la biodisponibilità.

Bioequivalenza

• Equivalenti farmaceutici: prodotti che contengono le stesse quantità di principio attivo (stesso sale o stesso estere) in forma farmaceutica identica (non necessariamente gli eccipienti).
• Alternativi farmaceutici: prodotti che contengono la stessa porzione terapeuticamente attiva di un principio attivo (non necessariamente stesso sale o stesso estere) non necessariamente nella stessa quantità o nella stessa forma farmaceutica.

Due o più medicinali sono bioequivalenti se sono equivalenti farmaceutici o alternativi farmaceutici e se le loro biodisponibilità dopo somministrazione allo stesso dosaggio molare sono così simili che il loro effetto, in termini di sicurezza ed efficacia, sarà essenzialmente lo stesso. Il termine bioequivalenza indica quindi due o più medicinali con certe caratteristiche (gli equivalenti e gli alternativi farmaceutici) con la stessa biodisponibilità (e quindi una biodisponibilità relativa di circa il 100%), ossia che presentano velocità ed entità di assorbimento dell'attivo simili.

• Equivalenti terapeutici: prodotti equivalenti o alternativi farmaceutici che hanno la stessa sicurezza ed efficacia.

Dimostrazioni di bioequivalenza sono riconosciute come il metodo più appropriato per provare l'equivalenza terapeutica tra due prodotti che siano equivalenti o alternativi farmaceutici, purché contengano eccipienti generalmente riconosciuti per non influenzare efficacia e sicurezza. La bioequivalenza tra due prodotti viene dimostrata confrontando i seguenti parametri delle relative curve di concentrazione plasmatica: C_max, AUC.

Due preparati sono definiti bioequivalenti quando su base statistica è possibile stimare che esistano non meno di 90 probabilità su 100 che i valori di AUC e C_max di uno [test] ricadano nell'intervallo di ±20 dei corrispondenti valori presentati dall'altro [riferimento].

Studio di bioequivalenza

• Arruolamento di volontari sani (n=18, 24, 32) obbligatorio il consenso informato.
• I soggetti vengono suddivisi in due gruppi in modo casuale.
• Nel periodo 1 si somministra ai soggetti del gruppo 1 il preparato da testare, mentre a quelli del gruppo 2 il preparato di riferimento.
• Nel periodo 2 ad ognuno verrà somministrata a ciascun gruppo la preparazione non ricevuta precedentemente.
• Valutazione sperimentale delle concentrazioni plasmatiche raggiunte in seguito a somministrazione dei due preparati.
• Calcolo delle medie e delle relative dispersioni dei dati per quanto riguarda i parametri farmacocinetici: AUC, C_max ed eventualmente T_max.

Rilascio controllato del farmaco

Quando si somministra una singola dose di un farmaco veicolato in una forma farmaceutica tradizionale o convenzionale, si ottengono livelli ematici di quel farmaco che rientrano nel range terapeutico per tempi relativamente brevi, azione terapeutica di breve durata del farmaco. A questo inconveniente si può ovviare ricorrendo alla terapia multi-dose, ovvero la somministrazione ripetuta di dosi di farmaco ad intervallo di tempo costanti. Tuttavia, la terapia multi-dose può comportare diversi problemi: scarsa compliance del paziente, profili ematici di farmaco non idonei. Per ovviare a questi inconvenienti sono stati e/o vengono sviluppati vari sistemi per il rilascio controllato di farmaci.

Un sistema rilascio controllato di farmaco deve regolare la cessione del farmaco in modo tale da rispondere a tre scopi fondamentali:

• Controllare la velocità di cessione del principio attivo (aumentandola o diminuendola).
• Controllare la cessione del farmaco nel tempo.
• Controllare la cessione del farmaco nello spazio (targeting), ovvero far arrivare il farmaco nel sito d'azione.

Le modalità di rilascio del farmaco dipendono dalle caratteristiche tecnologiche della formulazione. Per quanto riguarda il ‘targeting o spazial delivery’ il farmaco viene veicolato esclusivamente nel sito in cui deve esercitare la sua azione (un organo, le cellule specifiche di un particolare organo, siti specifici all'interno delle cellule).

Nomenclatura

Le forme farmaceutiche a rilascio controllato vengono indicate con termini diversi:

• Rilascio lento o accelerato
• Rilascio graduale
• Rilascio pulsante
• Rilascio sostenuto

Potenziali vantaggi delle forme farmaceutiche a rilascio controllato

• Mantenimento dei livelli plasmatici di farmaco nell'intervallo terapeuticamente utile
• Drastica riduzione degli effetti collaterali
• Efficacia della terapia
• Riduzione della quantità di farmaco somministrata
• Riduzione del numero di somministrazioni giornaliere, maggiore compliance del paziente
• Vantaggi nella riformulazione e riproposizione di farmaci noti

Cinetiche di rilascio del farmaco

Le forme farmaceutiche a rilascio controllato possono liberare il principio attivo a diverse velocità. Si possono identificare tre tipi principali di cinetica di rilascio:

• Velocità di rilascio costante nel tempo
• Velocità di cessione direttamente proporzionale alla quantità di farmaco presente
• Velocità di rilascio inversamente proporzionale alla radice quadrata del tempo

Classificazione dei sistemi a rilascio controllato del farmaco

• Sistemi per il rilascio di farmaci a velocità pre-programmata: la liberazione del farmaco dipende dalla diffusione del farmaco attraverso una membrana o matrice in cui è inglobato
• Sistemi in cui il rilascio del farmaco dipende da un processo di attivazione: la liberazione del farmaco dipende da una variazione del pH o dal rigonfiamento della matrice
• Sistemi per il rilascio di farmaci controllati da una sostanza chimica dell'organismo mediante un meccanismo di feedback
• Sistemi per il rilascio controllato in un sito target: sono in grado di autoregolarsi

Polimeri

I polimeri sono macromolecole ovvero ad elevato peso molecolare.

• Polimeri sintetici derivati dal petrolio: polietilene, polipropilene, poliesteri, poliammidi.
• Polimeri naturali: polisaccaridi (cellulosa e derivati, chitosano, amido, destrani) – Proteine (collagene, albumina, caseina, zeina, cheratina e fibroina).

Un polimero è costituito da gruppi molecolari uguali o diversi detti unità ripetitive che si ripetono nello spazio e uniti a catena mediante la ripetizione dello stesso tipo di legame covalente. Si ottengono a partire da monomeri attraverso reazioni di poli addizione o policondensazione.

Caratteristiche chimico-fisiche

• Identità dei monomeri: informazioni sulla composizione chimica, ovvero su atomi e legami che caratterizzano il polimero.
• Conformazione macromolecolare: informazioni su lunghezza della catena, peso molecolare e conformazione della catena (flessibilità, rigidità etc.).
• Struttura super molecolare: informazioni sulla disposizione tridimensionale della catena.

Classificazione

Un polimero può essere classificato in base alla composizione chimica in:

• Ompolimero: costituito dall'unione di monomeri di un solo tipo -A-A-A-A-A-A
• Copolimero: nella catena polimerica sono presenti diversi tipi di monomeri:
  • Alternato -A-B-B-B
  • A blocchi -B-B-B-B-A-A-A-A
  • Aggraffato o innesto A-A-A-A-A-A-A-A-A
  • Statistico o random A-B-B-B-A-B-A-B B-B-B B-B-B

Un polimero può essere classificato in base alla conformazione macromolecolare in:

Peso molecolare

Il peso molecolare viene espresso in modo diverso a seconda della tecnica di determinazione. Per NaOH riesco a calcolare bene il PM perché conosco il peso dei singoli elementi che lo compongono. Nel caso dei polimeri, sono in una situazione eterogenea perché ho un insieme di macromolecole con un numero di unità ripetitive che può non essere lo stesso per ogni molecola. Si parla di Peso Molecolare Medio che si esprime in due modi: sia il Numerale/Molare medio (numero di molecole che hanno un determinato peso molecolare Mi per il numero totale di tutte le molecole. È riferito al numero di molecole o alle moli di macromolecole) e Ponderale (considero la frazione ponderale: il peso di una catena polimerica Ni riferita al peso totale di tutte le catene polimeriche. Anziché il numero considero il peso. Tecniche di sperimentazione: diffusione della luce. Questi due diversi modi di esprimere il PM medio mi permettono di determinare l’Indice di Polidispersione Ip. Il PM medio ponderale è sempre > del PM medio numerale. L’Ip è dato dal rapporto tra il Pm ponderato e numerale, sempre >1 e dà info su quanto omogeneo sia il PM del polimero. Tanto più si avvicina ad 1 tanto più il polimero è omogeneo ed è costituito da catene con PM simile. Se invece è molto più grande di 1, significa che il polimero è abbastanza eterogeneo: catene grandi e catene piccole.

Distribuzione dei pesi molecolari

Tatticità dei polimeri: proprietà di presentare una configurazione regolare nella disposizione degli aggruppamenti atomici legati allo scheletro di un polimero. Si possono classificare in base a questa proprietà.

Conformation

The geometrical arrangement in polymers arising from rotation about adjacent carbon-carbon single bond.

Configuration

The geometrical arrangement in polymer arising from the order of atoms determined by chemical bonds.

Cristallinità

Esempi di cristalli polimerici: macro cristalli lamellari impilati di polietilene, sferuliti di polietilen-ossido. Con la microscopia a luce polarizzata si evince la regione cristallina e amorfa. I polimeri allo stato solido possiedono una struttura semicristallina ovvero sono costituiti da una frazione cristallina (nella quale le molecole sono organizzate in modo regolare, ordinato) ed una frazione amorfa (disorganizzate) che circonda la cristallina. È difficile trovare un polimero quasi totalmente cristallino, tutti i polimeri hanno regioni amorfe, ma esistono polimeri totalmente amorfi senza alcuna regione ordinata.

Grado di cristallinità

Parametro che caratterizza il polimero dà indicazione di quanto il polimero sia ordinato e strutturato. Frazione di materiale polimerico che si trova allo stato cristallino rispetto alla quantità totale.

• Valutazione del grado di cristallinità P= proprietà del polimero che dipende dalla frazione cristallina

Assunzioni:

• Il campione può essere suddiviso in fase cristallina e fase amorfa
• Entrambe le fasi hanno proprietà identiche a quelle dei loro stati ideali (nessuna influenza delle interfacce)