Sviluppo di processo dei farmaci

Sviluppo di processo

Lo sviluppo di processo include tutte le attività necessarie per creare un processo chimico, per scalarlo in modo sicuro, riproducibile ed economico seguendo le normative in un impianto prima pilota e poi produttivo. Per un chimico organico il fulcro è creare un processo chimico che sia ad alta resa, efficiente e robusto per ottenere un API (Active Pharmaceutical Ingredient).

Attualmente il mercato dei medicinali è un'attività fortemente regolata dal NDA (New Drug Application) in America e dall'MAA (Marketing Authorization Application) in Europa. Questo si applica non solo ai nuovi farmaci ma anche ai generici o alle riformulazioni dei vecchi medicinali. Inoltre, anche la produzione effettiva dei farmaci risulta essere fortemente regolata.

I test che determinano la sicurezza dei medicinali sono fortemente controllati e si sviluppano in fasi. Sono richiesti migliaia di pazienti per determinarne la funzionalità, quindi spesso l'attività di creazione di farmaci dura anche 10-12 anni per essere completata e il costo di sviluppo di un farmaco può essere anche maggiore di 2.6 milioni di dollari.

Ricerca e sviluppo

Si basa su diversi step:

• Ricerca del target: Identificazione del target biologico che risulta essere associato con il progresso della malattia, di solito sono proteine o enzimi (90%) o geni (10%). L'identificazione avviene tramite discipline diverse come: genomiche (studiano i geni e le loro funzioni), proteomiche (studiano proteoma e le proteine umane, struttura e funzioni) e bioinformatiche (elaborano dati riguardanti proteine per trarne ricerche biologiche).
• Ricerca della molecola in grado di modulare l’attività del target: Consiste in una ricerca volta ad individuare un gran numero di molecole che sono in grado di interagire col target, possono essere composti che derivano da varie fonti come composti interni dell'azienda, prodotti naturali, prodotti di sintesi, prodotti ottenuti con simulazioni computazionali, molecole create per interagire col target.
• Test chimici (SAR): Iniziano con lo scegliere quali molecole studiare da quelle ottenute nello step precedente e identificare quale parte del composto è responsabile dell'attività allo scopo di ottenere la mappa di Relazione Struttura-Attività (SAR) allo scopo di creare delle molecole con una struttura ottimale.
• Studi in vitro: Quando le molecole (o la molecola) attiva sul target viene identificata si procede coi test in vitro per studiarne con delle relazioni l'affinità col target, cost di legame/cost di inibizione/velocità di legame/velocità di dissociazione, la selettività su target simili, quindi quali target simili potrebbero essere colpiti dal medicinale involontariamente, l'interazione con le cellule, penetrazione, trasporto, capacità di raggiungere il target, caratteristiche metaboliche (se viene metabolizzata troppo facilmente la funzione dura poco).
• Test su animali: Per valutare l'efficienza in vivo e per dimostrare la tossicità su animali che presentano assimilazione del medicinale simili a quelle umane (cani o ratti). Si basano sul creare la malattia sull'animale in modo che sia simile a quella umana allo scopo di predire il funzionamento della medicina sull'uomo e cercare di individuare un range per la dose da prescrivere. La somministrazione agli animali non deve mostrare effetti collaterali a dosi molto superiori alla dose efficace stimata. La tossicità può essere studiata anche in ex-vivo o in-silico.
• Test clinici: Hanno tre fasi:
  • Fase 1: Serve a valutare la farmacinetica, sicurezza, stabilità, tollerabilità e il range di dose preliminare, dura un anno e riguarda gruppi di volontari o pazienti clinici che vengono sottoposti a dosi minori rispetto a quelle che hanno creato effetti collaterali negli animali. È divisa in due step:
    • 1A) Dose singola ascendente, per valutare gli effetti collaterali (se ci sono si definisce la Maximum Tolerated Dose (MTD)).
    • 1B) Dose multipla ascendente, per valutare la farmacocinetica (metabolismo) e la farmacodinamica (effetti sulla salute) del medicinale, la dieta del paziente può influenzare questo step.
  • Fase 2: Ha lo scopo di valutare l'efficacia del composto in un gruppo maggiore di pazienti a cui si aggiunge anche un gruppo placebo.
    • 2A) Ha lo scopo di dimostrare l'efficacia sui pazienti.
    • 2B) Usa una dose specifica o più dosi specifiche in cui il composto ha dimostrato benefici con effetti collaterali minimi (PUNTO DI MAGGIOR FALLIMENTO).
  • Fase 3: Ha lo scopo di individuare l'effetto e il valore terapeutico del medicinale (dura 3 anni), solitamente si fanno comparazioni con farmaci già esistenti. Costa ed è un processo lungo.
• Fase 4: Monitoraggio e report nel tempo. Dopo il successo alla fase 3 (500-5000 Kg) si può mandare la richiesta alla NDA/MAA che può richiedere da 6 mesi a 2.5 anni per essere approvata. Circa il 10% dei farmaci ipotizzati inizialmente si approvano, il resto sono soldi buttati. Si mettono in commercio circa 20 farmaci l'anno, ognuno ha uno studio di circa 10 anni dietro con i relativi costi di sviluppo, quelli attuali sono molto alti perché i campi di studio sono difficili e costosi come l'immunologia, neurobiologia o oncologia, infatti ora si sviluppano farmaci con più partner e si cercano di sviluppare processi a basso costo per le fasi 1-2a. Le molecole target stanno diventando sempre più elaborate e soprattutto le sintesi stanno passando da sintesi ad uno step (come quello dell'aspirina) a sintesi che vanno da 25 a 64 step.

Active Pharmaceutical Ingredients (API)

Definizione OMS: "Una sostanza utilizzata in un prodotto farmaceutico destinato a fornire attività farmacologica o ad avere altrimenti un effetto nella diagnosi, cura, mitigazione, trattamento o prevenzione di malattie, o ad avere effetto nel ripristinare, correggere o modificare funzioni fisiologiche negli esseri umani", l’API quindi è il componente biologicamente attivo di un prodotto farmaceutico.

Ci sono tre tipi di produttori di API:

• Innovatori: Apportano novità al mercato, il loro scopo è trovare processi robusti, veloci e di alta qualità per trovare prodotti nuovi.
• Lavoratori a contratto: Lavorano in collaborazione con gli innovatori per creare API in quantitativi commerciali.
• Produttori di generici: I generici sono più economici dei farmaci brandizzati ma ne sono bioequivalenti, il loro scopo è creare farmaci a basso costo, in grande quantità con processi economici.

Linee guida generali

Le autorità forniscono delle linee guida generali per commercializzare un farmaco nel loro paese e di solito sono simili ma non uguali nei diversi paesi. Solitamente gli API devono avere un dossier chiamato Chemistry, Manufacturing and Controls (CMC) che viene creato dai chimici/ingegneri/analitici e formulatori che l'hanno creato, il regolamento che tutela i CMC è valido per il mondo intero e segue le ICH International Conference for Harmonization guidelines of Technical Requirements for the Registration of Pharmaceuticals for Human Use.

Le autorità (NDA, MAA) si aspettano che il dossier finale contenga le dimostrazioni di controllo di:

• Attributo di qualità dell'API
• Qualità dei reagenti e intermedi
• Processo di ottenimento
• Strumentazioni utilizzate
• Metodo analitico
• Materiale del packaging
• Stabilità

Alcuni di questi controlli devono essere fatti tramite un audit (Pre-Approval Inspection).

Attributi di qualità API

• Identificazione dell'API tramite IR o LC, una prova di struttura e di configurazione ai RX.
• Descrizione dell'aspetto dell'API (colore e morfologia).
• Caratterizzazione chimico-fisica: Tf, Teb, indice di rifrazione, pH.
• Relazione sulla purezza dell'API:
  • Impurezze organiche e inorganiche.
  • Impurezze enantiomeriche.
  • Impurezze genotossiche o potenzialmente genotossiche.
  • Residui di solvente o impurezze organiche volatili.
  • Metalli pesanti.
• Proprietà allo stato solido (polimorfi e distribuzioni particellari).
• Contenuto di acqua (con Karl Fischer).
• Purezza microbica.

Impurezze organiche

La legge (ICH) impone per una dose giornaliera inferiore a 2g un Threshold di 0.05% e per una dose giornaliera superiore a 2g un Threshold di 0.03%. Viene anche imposto un Threshold per l'identificazione delle impurezze/prodotti di degradazione che identifica un Threshold per ogni dose giornaliera del farmaco. La legge impone la caratterizzazione delle impurezze/prodotti di degradazione delle sostanze contenute in un farmaco per una dose giornaliera inferiore a 2g un Threshold di 0.15% e per una dose giornaliera superiore a 2g un Threshold di 0.05%. Le impurezze maggiori del Threshold devono essere caratterizzate con uno studio tossicologico.

Impurezze genotossiche

Non dovrebbero essere presenti nei medicinali ma nulla può essere ridotto a zero e sono i singoli organi regolatori che andranno a definire qual è il livello di accettabilità dei composti. L’ICH accetta un rischio di 1 su 100.000 di sviluppare cancro. Devono essere caratterizzate tutte le sostanze sopra il Threshold e tutte le impurezze potenziali di processo. Sono presenti dei test in silico per stimare il potenziale genotossico delle sostanze e devono venire negativi, un altro metodo è una valutazione che si basa sulla solubilità e stabilità di alcune sostanze PGIs (sost genotossica) che può essere eliminata o distrutta nel processo di isolamento.

Per gli agenti cancerogeni noti, un rischio di cancro per un'esposizione di 1.5 microg/giorno per tutta la vita è stato calcolato dover essere inferiore a 1: 100.000, 1.5 microg/giorno è quindi la soglia general Threshold of Toxicological Concern (TTC). In alcuni casi è possibile rimuovere alcuni PGIs dalla caratterizzazione utilizzando dei "purge factor" sulla base di considerazioni chimiche e fisiche che determinano quanto ogni PGIs viene eliminato per estrazione, ionizzazione, reazione e volatilità.

Eccezioni alle regole TTC (Threshold of Toxicological Concern)

Per Less-than-Lifetime exposure (per studi clinici e brevi esposizioni a dosi limitate) sono permessi alti livelli rispetto ai valori di soglia, per Compound-specific TTC e per Class-specific TTC.

Impurezze organiche volatili

Alcune regolamentazioni richiedono un'analisi dei solventi residui in API e farmaci e si fa per GC, lo scopo è avere una prova che non diano problemi di tossicità al paziente, le linee guida sono sempre dettate dal ICH (sono riferite agli API commerciali ma in realtà si usano de facto per tutto) per dosi <2g/giorno.

• Classe 1: Solventi che non devono essere utilizzati come benzene, tetracloruro di carbonio, dicloroetano, tricloro etano.
• Classe 2: Solventi da controllare come acetonitrile, clorobenzene, cloroformio, cicloesano, dicloroetene, formammide, THF ecc ecc.
• Classe 3: Solventi a bassa tossicità come acido acetico, acetone, anisolo, 1-butanolo, 2-butanolo, etanolo, etil etere, etil acetato ecc ecc.

Metalli pesanti

Sono divisi anche loro in tre classi tossicologiche e c'è un Permitted Daily Exposure (PDE) che definisce per ogni metallo il livello massimo che può essere contenuto in un API. Questo è valido se non ci sono catalizzatori metallici nel processo, altrimenti c'è un altro tipo di analisi di rischio.

Pastiglie

Le pastiglie sono un metodo di dosaggio farmaceutico di farmaci, sono delle miscele compresse di API (sostanza attiva) e ECCIPIENTE (diluenti, binders, agenti granulanti, lubrificanti, disgreganti, dolcificanti e aromatizzanti o pigmenti) solitamente in forma di polvere e vengono compressi per formare un solido. Il tutto viene solitamente coperto con uno strato di polimero per rendere la pastiglia più deglutibile e per mantenere l'API stabile per più tempo.

Assorbimento del farmaco

Le pastiglie devono essere fisicamente e chimicamente stabili allo stockaggio per 2 anni, devono essere assorbite in modo riproducibile dal corpo (stesso livello nel sangue nel tempo in persone diverse per un certo range), la dissoluzione della pastiglia deve essere riproducibile. La velocità di solubilizzazione determina il tempo necessario per l'API per dissolversi nel fluido vicino al sito di assorbimento, dato che solitamente i farmaci sono lipofili, questa velocità è il punto limitante del processo di assorbimento perché poi passa facile nelle membrane.

• Cosa favorisce l'assorbimento: Elevata solubilità intrinseca dell'API.
• Ionizzazione / formazione di sali (se la conc nel liquido biologico è bassa(ass rapido) alzare la concentrazione del sale aumenta la velocità di dissoluzione e quindi l'assorbimento).
• Piccole dimensioni delle particelle.
• pH del mezzo di dissoluzione.
• Maggiore agitazione ad assorbimento sito (ad esempio, effervescenza).

Polimorfismo

Sostanza con uguale composizione chimica ma diversa forma cristallografica, i diversi cristalli prendono il nome di polimorfi, hanno diversa solubilità, Tf, densità, durezza, pressione di vapore e hanno diversi diagrammi di fase, quindi la formazione di diversi polimorfi deve essere controllata perché avranno diverse proprietà farmaceutiche. A T0 l'API è in soluzione, a T1 inizia la cristallizzazione in cui predomina la termodinamica, a T2 avviene cristallizzazione con innesco controllata e a T3 la cristallizzazione è veloce e incontrollata e prevalgono gli effetti cinetici. I polimorfi monotropici non variano al riscaldamento, quelli enantiotropici sì.

Idrati e solvatati

I cristalli includono nella loro struttura delle molecole di solvente (sovati), se il solvente è acqua si chiamano idrati, è possibile avere più forme idrate per una API (mono/bi/tri..). Solvati diversi possono dare caratteristiche farmaceutiche diverse e possono dare polimorfi diversi, se sono instabili all'asciugatura possono anche variare forma cristallografica. Il polimorfo meno stabile tende a cristallizzarsi per primo, e spesso questo è il primo a essere trovato. Le conformazioni cristallografiche possono dipendere dai solventi, e quindi viene eseguito un grande screening studiando una certa forma di cristallo in un certo numero di solventi o sistemi di solventi a diverse temperature per cercare variazioni. Solitamente si sceglie di commercializzare il polimorfo più stabile, ottimizzandone l'assorbimento tramite la formulazione. Farmaci amorfi possono essere ottenuti per Spray-Drying, una tecnica che aiuta l'assorbimento ma bisogna riuscire a garantire la stabilità del composto. I polimorfi si studiano per microscopia ad alta temperatura, per diffrazione di raggi X di polveri (XRPD) tramite Differential Scanning Calorimetry (DSC) e per MAS, NMR e IR.

Granulometria

Per fixarla si macina e si ottiene una distribuzione gaussiana da cui si traggono d10, d50, d90.

Metodi analitici

Devono essere fatti dei test ai materiali di partenza, reagenti, intermedi e API finale, i metodi per lo svolgimento di queste analisi sono metodi accreditati (di solito HPLC e UPLC) che devono essere accurati, precisi, specifici di cui trovare limiti di detenzione, quantificazione, linearità e range sperimentale.

Packaging

Il materiale del packaging è considerato come un componente del processo e quindi è soggetto agli stessi requisiti GMP (Good Manufacturing Practices), la sua qualità influisce (oppure può alterare) sulla qualità del prodotto farmaceutico. Il tipo di imballaggio ed i materiali utilizzati devono essere scelti in modo tale che l'imballaggio non influenzi la qualità del prodotto (es. Attraverso reazioni chimiche, lisciviazione dei materiali di imballaggio o assorbimento); l'API non deve avere un effetto negativo sull'imballaggio, modificarne le proprietà o comprometterne la funzione protettiva, questi requisiti devono valere per tutta la vita commerciale del prodotto (spesso si usa il PE).

La scadenza di un prodotto è di circa 2 anni o oltre, i limiti per i prodotti di degradazione sono uguali a quelli per le impurezze e la stabilità deve essere documentata su un minimo di tre batch di scala industriale. Per un NDA, FDA o ICH Q1A richiedono:

• 12 mesi a 25 ± 2 °C / 60 ± 5% di umidità relativa.
• 6 mesi a 40 ± 2 °C / 75 ± 5% di umidità relativa.

In sintesi, gli API e i farmaci devono essere stabili nelle condizioni di stoccaggio specificate.