Progettazione e sviluppo del farmaco

Capitolo 1: Anomalie del mercato farmaceutico

Una caratteristica del mercato farmaceutico è che manca un rapporto diretto tra produttore e consumatore ed esiste una legislazione che controlla la ricerca, sviluppo, produzione, marketing e distribuzione del farmaco fissando anche i prezzi. Non esiste quindi una relazione tra la domanda e l’offerta. I messaggi informativi sono solo ai medici.

Non si può ricorrere a politiche commerciali basate sui prezzi poiché questi sono fissati da autorità e non si possono diffondere iniziative concorrenziali sulla qualità dei prodotti perché anche queste sono stabiliti per legge. L'unica competizione è la capacità di realizzare con continuità nuovi farmaci che superano quelli della concorrenza.

Problematiche legate alla ricerca e sviluppo di un farmaco

• Grado di incertezza = nonostante la scienza e le conoscenze fondate su di essa, ci sono in campo farmaceutico aspetti ignoti che sono poco chiari, dove porta l’incertezza dei risultati. Inoltre, l’incertezza e i rischi possono anche derivare dalla concorrenza attiva sugli stessi argomenti.
• Orizzonte temporale = un farmaco viene realizzato attraverso delle fasi che non possono essere fatte contemporaneamente. Ciò comporta un aumento di tempo che va dalla scoperta della molecola fino alla trasformazione in farmaco.

I procedimenti di ricerca e sviluppo farmaceutico sono molto complessi e si è quindi creato un modello di schematizzazione delle fasi sperimentali che caratterizzano la ricerca e sviluppo farmaceutico formata da due fasi:

• Fase di ricerca (fase R)
• Fase di sviluppo (fase S o D)
• Fase non clinica
• Di base
• Applicata
• Fase clinica:
  • Fase pre-clinica 6 anni.
  • Fase clinica I 1 anno
  • Fase clinica II 2 anni
  • Fase clinica III 3 anni
  • Fase clinica IV.

Fase non-clinica e clinica

La fase non-clinica comprende le azioni sperimentali di carattere biologico in vitro o su animali e le azioni di carattere non biologico (chimica analitica, farmaceutica). Questa fase è completata dopo l’inizio della fase clinica. Le azioni sperimentali dove i risultati rispondono ai minimi requisiti necessari vengono chiamate fase pre-clinica.

La fase clinica comprende tutte le azioni sperimentali sull’uomo e si conclude con la domanda di registrazione. Lo sviluppo del farmaco non finisce quando esso è immesso in commercio perché c’è bisogno di conoscere il nuovo farmaco durante la terapia di pazienti e bisogna vedere lo sviluppo di indicazioni terapeutiche/somministrazione rispetto a quelle della registrazione. Nell’ultima fase IV vengono quantificati gli effetti collaterali che i pazienti riscontrano e vengono anche esplorate le possibilità di usare il farmaco per indicazioni terapeutiche diverse da quelle autorizzate quando è stato registrato; in questi casi si riparte dalla fase clinica I e II.

In riassunto, prima che un farmaco venga approvato, ci vogliono 14-15 anni.

Fasi di ricerca

Si cerca di elaborare idee su come possono essere ipotizzati approcci per scoprire nuovi farmaci per risolvere determinati problemi terapeutici. Inizialmente si valutano le idee per le applicazioni terapeutiche, poi attraverso azioni sperimentali si cerca la struttura chimica per esercitare quella azione terapeutica, si realizza la loro sintesi e si valuta farmacologicamente.

La biologia molecolare ci ha permesso di scoprire i meccanismi di regolazione naturale di molte funzioni fisiologiche e individuare le funzioni biologiche e farmacologiche delle sostanze endogene. Individuazione di nuove molecole endogene in un processo patologico ha fornito spunti per concepire e sperimentare nuovi approcci per modulare gli effetti. Si è evoluta la medicinal chemistry con progettazione di nuovi farmaci sulla base di concetti biologici e non più esclusivamente chimici. Si sono scoperti innumerevoli classi di farmaci agenti secondo meccanismi farmacologici nuovi.

Inoltre, con la biologia molecolare si è potuto scoprire la struttura chimica del DNA e messa a punto delle tecniche dell’ingegneria genetica, conoscenze sulle interazioni esistenti tra l’attività dei geni più i meccanismi biochimici e fisiologici e sulle cause genetiche delle malattie. Possibilità di produrre molecole endogene o analoghi di valore farmacologico, farmaci biotecnologici, introdotti meno di 10 anni dopo la prima enunciazione dei principi su cui si fonda la tecnologia del DNA ricombinante. E la possibilità di indurre o modulare direttamente nell’organismo l’espressione di proteine in processi patologici grazie alla terapia genica.

Terapia genica

La terapia genica induce grazie a delle cellule modificate nel loro genoma, l’espressione nell’organismo per produrre effetti terapeutici. Inizialmente per malattie ereditarie, non solo usata per rimpiazzare geni difettosi, ma anche per incrementare la funzione di geni critici o inibire geni mutanti (curare tumori o malattie virali).

Le strategie terapeutiche hanno come obiettivo comune la modificazione di meccanismi biochimici regolati da proteine endogene:

• I farmaci sintetici = interferiscono, inibiscono, potenziano o modificano una proteina endogena
• Farmaci biotecnologici = sono delle copie di proteine endogene che mimano le proteine endogene
• Terapia genica = inducono l’espressione direttamente nell’organismo poiché introduce in delle cellule alterazioni geniche per correggere o potenziare l’espressione di geni.
• Oligonucleotidi bloccano uno specifico step nei processi di sintesi proteica.

Rational drug design process

Il rational drug design process può essere sintetizzato: si ha un problema terapeutico quindi si vede il ruolo della sostanza endogena andando a vedere la sequenza degli aa. Si individua il sito attivo della struttura proteica e si vede quali molecole sintetiche sono capaci di legarsi a questo. Si sintetizza le molecole progettate e il loro studio farmacologico.

Le informazioni della conformazione della proteina sono ottenute con cristallografia a raggi X dove si irradia la struttura con un fascio di raggi X ottenendo la distribuzione spaziale degli e- e la posizione di ciascun atomo nella molecola. Poi abbiamo NMR che ci permette di calcolare la distanza tra gli atomi della molecola e di stimare le posizioni. La tecnica microscopica con una microsonda segue il contorno di ogni atomo e costruisce una mappa tridimensionale della molecola. Attraverso queste tecniche otteniamo molti dati che vengono interpretati da dei software in grafici.

Oltre però a conoscere la disposizione geometrica degli atomi è importante conoscere di ciascun atomo le caratteristiche chimiche e fisiche che rivelano poi l’interazione con altre molecole. Attraverso poi il calcolo delle interazioni chimiche possiamo evidenziare gli atomi del sito attivo che possono legarsi con una determinata struttura.

Attività studio dei drug delivery system

Attività studio dei drug delivery system ha i seguenti obiettivi:

• Rilascio in tempi già determinati di quantità di principio attivo ottenendo prestazioni terapeutiche ottimali e facilitare il controllo degli effetti collaterali.
• Protezione del PA quando è degradabile ad opera di sistemi enzimatici
• Superamento barriere anatomiche che non consentono al PA di raggiungere dei compartimenti
• Trasporto PA verso specifici tessuti per aumentare la [] nel sito di azione e diminuire gli effetti tossici.

Principali obiettivi della ricerca attuale nel campo della tecnologia farmaceutica

Le vie di somministrazione sono:

• Parenterale dove gli obiettivi dei delivery systems sono diminuire le reazioni immunologiche, stabilità dei PA nel sangue e targeting intracellulare.
• Orale gli obiettivi sono protezione dagli attacchi enzimatici e transito attribuito alla barriera intestinale.
• Dermica, Nasale, Polmonare obiettivi sono somministrazione di grosse molecole.

Ci sono due tecnologie: rilascio controllato con polimeri degradabili in tempo prefissati e non immunogenici e targeting al sito d’azione con transito membrane con carriers efficienti e non immunogenici.

Valutare e selezionare i nuovi progetti di sviluppo è abbastanza delicato e bisogna prendere in considerazione aspetti tecnico-scientifici ed anche economici creandosi un progetto di sviluppo.

La differenza tra il programma di ricerca e il progetto di sviluppo è nel fatto che il primo ha obiettivi strategici indipendenti dal tempo, il secondo ha un processo di pianificazione dove bisogna ipotizzare la durata delle fasi e azioni sperimentali.

La fase di sviluppo non-clinico

Sviluppo chimico = affidato il compito di stimare sulla base di uno schema preliminare di sintesi il costo industriale della sostanza attiva e di valutare e sperimentare le giuste modifiche per ridurlo alle giuste esigenze economiche. (metodo di produzione industriale della sostanza attiva)

Sviluppo analitico = caratterizzazione chimico-fisica e si va a vedere i processi analitici

Sviluppo farmaceutico = formulazione con metodo di produzione industriale della forma farmaceutica.

Sviluppo analitico

Lo sviluppo analitico è mutato nel corso degli anni e in questo cambiamento ha contribuito sia l’esigenza di aderire alle prescrizioni della buona qualità farmaceutica, sia la rapida evoluzione dei metodi e della tecnologia dei sistemi analitici e le possibilità di attuarli in settori più differenti delle scienze chimiche, biologiche e farmaceutiche. Il controllo di qualità parte dalle materie prime utilizzate per produrre una sostanza attiva fino ai componenti che servono per il confezionamento.

Cosa comporta lo sviluppo analitico per la sostanza attiva?

• Saper la definizione dei reagenti, dei solventi, degli adiuvanti chimici nel processo di produzione.
• Convalida dei metodi analitici per controllare il processo di produzione.
• Definizione della struttura del principio attivo, impurezze e prodotti di degradazione.
• Convalida dei metodi analitici per determinare PA, impurezze e prodotti di degradazione.
• Definizione e stabilità del principio attivo e del PA a diverse condizioni di conservazione.

Che cosa comporta lo sviluppo analitico per la forma farmaceutico?

• Definire analiticamente gli eccipienti e materiali di confezionamento e convalidarli con metodi analitici per il controllo del processo farmaceutico.
• Definizione a condizioni diverse di conservazione della forma farmaceutica per uso umano, e del periodo di validità nel confezionamento per il commercio.
• Convalida dei metodi analitici per determinare l’efficacia dei processi di decontaminazione di impianti e macchinari.

Nello sviluppo analitico dobbiamo identificare le caratteristiche chimico-fisiche della sostanza come solubilità, coeff. Di ripartizione, pH, stabilità. Riconoscere e determinare la sostanza attiva, definire i materiali che si usano per fare le sostanze, determinare metodi di riconoscimento per impurezze reali e potenziali, importanti anche perché nella produzione di una sostanza oltre a formarsi la sostanza si può formare altro prodotto in % minima e infine avere metodi di riconoscimento per determinare i metaboliti.

Sviluppo farmaceutico

L’obiettivo dello sviluppo farmaceutico è quello di prevenire all’identificazione di una forma farmaceutica che sia appropriata per assicurare l’efficacia del farmaco in relazione ai fini terapeutici attesi e controllare gli effetti collaterali.

I parametri da prendere in considerazione per scegliere una via di somministrazione e forma farmaceutica: caratteristiche chimico-fisiche, compatibilità con gli eccipienti, biodisponibilità, meccanismo d’azione, obiettivi terapeutici.

Questi studi avvengono in coerenza alla Development Pharmaceutics ossia il complesso di attività sperimentali che portano ad attribuire quantità e specifiche proprietà biofarmaceutiche ad una forma farmaceutica.

Scopi della development pharmaceutics

• Identificazione della forma farmaceutica
• Identificazione della formulazione e composizione
• Identificazione del processo di produzione
• Identificazione del confezionamento
• Individuazione dei controlli in corso di lavorazione
• Individuazione dei controlli sul prodotto finito.

I parametri chimico-fisici, fisici e tecnologici della sostanza attiva per produrre una forma farmaceutica sono parametri biofarmaceutici come la solubilità determinata a diversi pH, coefficiente di ripartizione anche esso a diversi pH, stabilità a 37 gradi. Poi si hanno parametri per gli studi di formulazione come particle size, area superficiale, stato di idratazione e solvatazione, forma cristallina, densità, scorrevolezza, comprimibilità.

Scopo farmacologico = dimostrare quantitativamente l’attività del farmaco in funzione alla dose e la via di somministrazione, studiare le reazioni avverse del farmaco dovute a un esagerato effetto farmacologico mentre determinare quale via di somm. scegliere e l’effetto in funzione della dose è compito della farmacodinamica. Gli obiettivi della farmacologia generale sono anche ricercare eventuali attività farmacologiche che rispetto all’attività principale possono essere considerate avverse.

Lo scopo della farmacocinetica è quello di studiare gli aspetti quantitativi dei processi di assorbimento, distribuzione, metabolismo ed escrezione con riguardo alle specie animali utilizzate negli studi tossicologici. I fattori che influiscono sull’assorbimento sono le proprietà chimico-fisiche intrinseche come la solubilità che fa superare le membrane biologiche, il tipo di formulazione, via di somministrazione, coefficiente di ripartizione tra fase lipidica e fase acquosa, grado di dissociazione e capacità di legame.

I fenomeni di distribuzione possono diminuire l’effetto farmacologico perché il PA si può insediare in dei tessuti diversi da quelli bersaglio. Oppure una rapida distribuzione nei tessuti può provocare una redistribuzione ad altri livelli nei tessuti dove la molecola rimane sequestrata per effetti di legame o per via delle caratteristiche.

Fenomeni di metabolismo possono avvenire prima o dopo l’assorbimento, possiamo avere delle reazioni sintetiche come ox, rid e idrolisi oppure reazioni non sintetiche come legame del farmaco con un substrato endogeno, abbiamo poi il legame del farmaco con proteine plasmatiche.

Infine le vie dell’escrezione renale biliare e intestinale. L’obiettivo della farmacodinamica è quello di dimostrare quantitativamente l’attività (ossia la risposta in funzione della dose e del tempo) in confronto con farmaci di riferimento e studiare il meccanismo d’azione.

Sviluppo tossicologico

L’obiettivo dello sviluppo tossicologico è quello di determinare il quadro delle reazioni avverse nell’animale di laboratorio in modo da poter valutare il margine di sicurezza, ossia la differenza tra la dose tossica e la dose prospettata per l’impiego terapeutico nell’uomo. Per identificare questo potenziale tossico si intende: vedere la giusta relazione tra dose/effetto tossico e trovare la minima dose per effetti tossici, individuare la natura dell’effetto tossico e identificare gli organi, sistemi che sono il target dell’effetto tossico.

I test di tossicità per rilevare il potenziale tossico di una molecola sono suddivisi in base alla dose, durata di esposizione e meccanismo bersaglio. Possiamo avere gli studi di tossicità acuta = dove si fornisce una valutazione quantitativa della dose minima letale e quali-quantitativa dei fenomeni tossici, del loro tempo di insorgenza e della relazione dose-effetto. Vengono date indicazioni su possibili effetti da sovradosaggio acuto nell’uomo e informazioni per la scelta delle dosi per gli studi successivi.

Tossicità subacuta = dove si va ad evidenziare le alterazioni funzionali ed anatomopatologiche conseguenti a somministrazioni ripetute e le relazioni dose-effetto inoltre si costruisce la base per la selezione delle dosi per lo studio di tossicità cronica.

Tossicità cronica = va ad evidenziare le alterazioni funzionali ed anatomopatologiche conseguenti a somministrazioni ripetute per periodi prolungati e le relazioni dose-effetto.

Obiettivi specifici degli studi di tossicità speciale

• Studi di riproduzione dove si evidenziano gli effetti sull’accoppiamento e sulla fertilità, gli effetti tossici sull’embrione e sul feto, gli effetti teratogeni, gli effetti sul parto, sull’allattamento e sullo sviluppo post/natale fino alla maturità dei figli, sulla loro fertilità e sulla loro progenie.
• Mutagenesi dove si identificano i danni ai singoli geni, i danni alla struttura dei cromosomi e le modificazioni del numero dei cromosomi.
• Cancerogenesi si va ad evidenziare statisticamente che non si verifichi una maggiore incidenza di tumori nei gruppi trattati rispetto ai controlli.

Scale up

Lo scale up di un processo consiste in tutte le considerazioni e le azioni necessarie per riprodurre i dati di laboratorio in industrie. I motivi per cui non è automatico replicare i dati di lab sono:

• I reagenti hanno purezze diverse
• Le apparecchiature sono diverse
• I fenomeni dipendono dalle dimensioni

Fasi dello scale up:

1. Prove in laboratorio
2. Prove impianto pilota
3. Prove impianto mock up (no reazioni)
4. Prove in un impianto 1/10 di quello industriale
5. Impianto industriale

Non si riescono a riprodurre i dati di resa del lab a livello pilota e industriale, ci sono fenomeni fisici (dipendenti dalle apparecchiature) che interferiscono con fenomeni chimici. Gli incidenti avvenuti in industria chimica sono attribuiti ad errori nello scale up, quindi si va a vedere i problemi di sicurezza partendo dal lab e si risolvono per l’impianto pilota.

Con lo scale up quindi si effettuano controlli molto rigorosi anche online attraverso banche dati, si ha una bassa probabilità di fallimento, si va a testare la robustezza del processo in laboratorio anche attraverso procedure di automazione, si minimizzano le operazioni costose, si ricercano passaggi sintetici che riducono al minimo le difficoltà. Si ricercano delle vie sintetiche alternative, più brevi con maggiori rese e riproducibili anche utilizzando tecnologie alternative. Si analizza la quantità di sostanza da utilizzare e quella da smaltire anche utilizzando la green chemistry (si progettano prodotti e processi che limitano l’uso e produzione di sostanze pericolose per la salute).