Tecniche farmaceutiche

Tecnologie farmaceutiche

Il farmaco o principio attivo è una sostanza che presenta proprietà bioattive ad azione terapeutica, diagnostica o preventiva sull’individuo che viene sottoposta a trasformazioni chimico-fisiche al fine di assumere le caratteristiche adatte alla somministrazione del paziente.

Caratteristiche e domande chiave

Un medicinale è determinato da tre sostantivi: efficacia, sicurezza e qualità (da biotecnologo la qualità influenza notevolmente la ricerca). Il compito del tecnologo è quello di rispondere a queste tre domande:

• Il farmaco viene rilasciato in quantità ottimale? Al momento opportuno? E nel “posto” giusto? Bisogna assicurarsi che il farmaco possieda un adeguato targeting, ovvero che abbia la capacità di raggiungere il sito d’azione: maggiore è la specificità del sito di rilascio, tanto più sicuro sarà il farmaco.
• È possibile eliminare o almeno ridurre gli effetti secondari indesiderati?
• Il paziente può facilmente seguire tutte le indicazioni e le posologie prescritte? La facilitazione della somministrazione del farmaco è un punto chiave poiché migliorerà la compliance del paziente e lo porta a seguire la posologia nella maniera adeguata.

Tale sostanza viene assunta dal paziente nella cosiddetta forma farmaceutica, ovvero arricchita di elementi ausiliari, detti eccipienti, privi di attività farmacologica che possono modificare le caratteristiche e la disponibilità del farmaco, alterandone la durata del rilascio, il sito d’azione o l’efficacia della sostanza stessa.

Tipi di forme farmaceutiche

Possiamo elencare diversi tipi di forme farmaceutiche che differiscono dalla temporalità di fuoriuscita del farmaco tra i quali:

• A rilascio convenzionale: preparazioni che mostrano un rilascio scaturito dalle proprietà intrinseche del materiale con cui è fatto il medicinale e quindi vi sarà un rilascio immediato;
• A rilascio modificato: forme particolari ottenute con metodi di formulazione in grado di alterare il suo rilascio convenzionale. Tra queste possiamo distinguere tre classi principali:
  • A rilascio prolungato: forme di dosaggio che presentano un rilascio dei principi attivi più lento;
  • A rilascio ritardato: a questo tipo di formulazione appartengono le preparazioni gastroresistenti solide per uso orale;
  • A rilascio ripetuto: preparazioni a rilascio sequenziale del principio attivo.

Ciclo del farmaco

Il ciclo di un farmaco è dato dalla sua composizione e si contraddistinguono diverse fasi: nella prima fase si avrà un periodo di disaggregazione della forma farmaceutica che ritarda il rilascio del principio attivo e una volta rilasciato questo si dissolve nell’ambiente extracellulare; in soluzione è in grado di passare le membrane biologiche e viene distribuito nel sangue in cui una parte viene eliminata e un’altra trasportata verso il sito d’azione. Vi è sempre un equilibrio tra eliminazione e distribuzione che varia a seconda della sua concentrazione plasmatica e la sua velocità d’assorbimento.

Biodisponibilità

Uno dei parametri che caratterizza la qualità di una forma farmaceutica risulta essere la biodisponibilità che consiste nella velocità e l’entità con cui viene assorbito e reso disponibile al sito d’azione. Nel caso in cui il principio svolga un’azione sistemica allora possiamo studiare l’andamento della sua concentrazione plasmatica e in questo modo analizzarne l’assorbimento.

Un tipico andamento della concentrazione plasmatica nel tempo è definito nella curva riportata sulla sinistra: in una prima porzione la concentrazione cresce nel tempo poiché il fenomeno dell’assorbimento prevale su quello dell’escrezione e si assiste a un periodo di latenza che precede la comparsa degli effetti fino al raggiungimento della soglia; nella seconda parte l’eliminazione prevale. Si avrà pertanto un punto di massimo di coordinate (Cmax; Tmax) in cui si avrà la concentrazione massima sanguigna del farmaco che determina l’intensità dell’effetto dopo il raggiungimento della soglia e un tempo di picco che rappresenta un importante parametro per la descrizione della velocità d’assorbimento: tanto più è piccolo Tmax, tanto più l’assorbimento sarà rapido.

Curva di concentrazione plasmatica

Un confronto diretto tra i due valori fin’ora definiti si ha nel grafico seguente nel quale viene rappresentata una stessa quantità di farmaco assorbita con diverse velocità. Nella curva A la concentrazione di picco è stata raggiunta in un tempo brevissimo e ha raggiunto la concentrazione tossica causando la comparsa degli effetti indesiderati e il valore del punto di massimo è tanto più alto quanto più piccolo è il tempo per raggiungerlo. Nella curva C, invece, osserviamo un comportamento diverso che è dato dal mancato raggiungimento della concentrazione minima efficace (MEC) e quindi la sostanza farmacologica non è stata assunta secondo le dosi consigliate e le sue concentrazioni plasmatiche non saranno sufficienti per espletare la sua azione terapeutica. Al contrario la curva B rappresenta un tipico andamento dei livelli plasmatici di farmaco la cui concentrazione ha superato la MEC.

Si definisce indice terapeutico il rapporto tra la concentrazione minima tossica e la concentrazione minima efficace ed è un parametro di tossicità del farmaco: quanto più piccolo è questo intervallo tanto più pericoloso sarà il principio attivo. La distanza che intercorre tra la MEC e la concentrazione minima tossica viene definita intervallo terapeutico ed è limitante nei riguardi dell’efficacia e della durata d’azione del principio attivo.

Area sotto la curva (AUC)

Un’altra grandezza importante è quella definita area sotto la curva (AUC) e rappresenta una misura della quantità totale di farmaco che compare inalterato nella circolazione sistemica: se a parità di farmaco somministrato la curva è più bassa l’area sarà minore. Nel grafico riportato si ha un esempio di diversa AUC per le due formulazioni: un farmaco orale verrà assorbito in un tempo più lungo rispetto a uno endovena che presenta un picco più elevato e anche una AUC più grande poiché tutto il contenuto passa attraverso il sangue al contrario della preparazione orale.

Il farmaco somministrato endovena, che ha una AUC maggiore, avrà un’elevata biodisponibilità che indica la quantità di farmaco che entra nell’organismo e la facilità con cui viene assorbito; pertanto potrà essere definita come la concentrazione di farmaco disponibile per esercitare la sua attività terapeutica.

Somministrazioni multiple e steady state

Un ulteriore esempio prevede un confronto tra due formulazioni differenti con aree sotto la curva identiche, però in una si raggiunge il picco di concentrazione massima in un tempo molto breve e in una più tardi: l’efficacia dei farmaci in questione non è stata compromessa ma saranno utilizzati per scopi diversi. In alcuni casi viene ritenuta utile la somministrazione di dosi ripetute in intervalli di tempo simili: in questo caso la velocità di eliminazione aumenta con l’accumulo del farmaco fino a raggiungere un valore per cui la quantità di farmaco eliminata tra due successive somministrazioni uguaglia la dose. In questo momento si raggiunge uno stato stazionario (steady state) in cui si assiste ad un andamento plasmatico fluttuante tra un valore massimo Cmax e uno minimo Cmin che può essere evitato mediante una formulazione che permetta il rilascio del farmaco il più velocemente possibile in modo da rimanere in circolo il maggior tempo possibile.

Tuttavia, dal punto di vista sperimentale, la valutazione della biodisponibilità con dosi multiple è utile per la costruzione precisa della curva CT di un farmaco a basse concentrazioni plasmatiche a singola dose in quanto vengono iniettate dosi molto elevate di farmaco (questo tipo di studio è suggerito in caso di elevata variabilità interindividuale e forme farmaceutiche a rilascio controllato). I medicinali a rilascio controllato sono progettati in modo che il principio attivo fuoriesca in seguito ad una fonte di energia specifica e l’eiezione può essere: controllata (schema I), modulata e controllata (schema II), controllata da un sensore che ne permette la modulazione in seguito al rilevamento di specifici cambiamenti esterni (schema III).

Schema I: Capsule

Esistono diversi tipi di forme farmaceutiche disponibili tra le quali possiamo annoverare le capsule: sono preparazioni solide con involucri duri o molli di varie forme e capacità, contenenti di solito una dose unica di principio attivo, destinate alla somministrazione orale. La componente principale dell’involucro è di origine polimerica e all’interno risiede il farmaco che può essere in forma solida (polveri, granulati…), liquida o semisolida secondo una distribuzione: disordinata, quando viene disperso all’interno dell’involucro, od ordinata, quando presenta a sua volta una copertura polimerica. Queste forme sono in grado di rilasciare il farmaco una volta che viene solubilizzata la copertura polimerica ed esso si diffonde seguendo la legge di Fick; tuttavia, esistono anche le capsule osmotiche o push and pull che sfruttano il gradiente osmotico per la fuoriuscita del principio attivo. Sono caratterizzate da un foro che permette l’uscita del principio e una membrana flessibile che le divide in due compartimenti e sono costituite dal principio attivo e da un agente osmotico (es. NaCl) che ne modula il rilascio: in presenza di ambienti ipotonici l’acqua entra attraverso la membrana semipermeabile che ricopre la capsula e la pressione osmotica che si crea provoca un rigonfiamento della membrana flessibile (swelling) che porta all’uscita lenta del farmaco dal foro.

Possiamo anche citare esempi di forme più complesse: alcuni farmaci vengono immessi all’interno di uno spazio ricoperto da una membrana impermeabile definito reservoir in intercomunicazione con un canale che sfocia nel foro d’uscita; questo compartimento è in contatto con uno circostante più esterno in cui è presente l’agente osmotico protetto a sua volta da una membrana semipermeabile che permette l’ingresso dell’acqua.

Un esempio sono le pendant drugs caratterizzate da involucri polimerici a cui vengono adesi chimicamente le molecole di farmaco mediante uno spaziatore: il farmaco viene rilasciato in seguito alla scissione del legame farmaco-spaziatore da parte di enzimi specifici localizzati in un particolare distretto corporeo.

Schema II: Insulina endovena

A questo modello appartengono, ad esempio, i medicinali somministrati endovena (ev), come l’insulina, la cui velocità di emissione viene modulata mediante una pompa di infusione che rilascia gocce di sostanza ad intervalli controllati da un computer, che monitora i livelli ematici di glucosio, grazie ad una cintura elettronica installata sul paziente.

Schema III: Forme a rilascio controllato

Appartengono a questo terzo modello alcune forme che sono soggette a costrizione della loro copertura polimerica, con conseguente uscita del farmaco, in seguito ad un innalzamento di temperatura. Un approccio del tutto innovativo consiste in una realizzazione di un medicinale le cui proprietà si avvicinano ad uno smart system che rappresenta un modello ideale che presuppone la formulazione di una forma farmaceutica in grado di rilasciare il principio attivo solo nel sito specifico solo se necessario. Una possibile idealizzazione di questo sistema consiste nella realizzazione di forme farmaceutiche atte alla somministrazione di insulina con membrane hydrogel contenenti ammine: queste forme sono costituite da una struttura reticolare polimerica amminica, alla quale sono legati degli enzimi appartenenti alla classe della glucosio ossidasi, contengono insulina che non può fuoriuscire normalmente dalle fessure date dalla maglia. In condizioni di iperglicemia il Glc si lega alla glucosio ossidasi e viene convertito in acido gluconico che a sua volta porta ad un abbassamento del pH facilitando la protonazione dei gruppi amminici: questo fenomeno si esplica sotto forma di un rigonfiamento del medicinale che permette la fuoriuscita dell’insulina dalle maglie del reticolo.

Innovazioni e sperimentazioni

Nonostante gli esempi sopra citati che costituiscono la nuova frontiera delle tecnologie farmaceutiche, purtroppo al giorno d’oggi il modello farmacologico di smart system risulta ancora un'utopia poiché i farmaci hanno per lo più un’azione sistemica e non vengono rilasciati solo nel sito specifico. Tuttavia, il problema del targeting può essere risolto in parte mediante la progettazione di un sistema in grado di essere riconosciuto da parte di specifici tipi cellulari che provocheranno la fuoriuscita del farmaco. La formulazione di liposomi contenenti il principio attivo riconosciuti come estranei dall’organismo, potranno essere inglobati dai macrofagi e degradato al loro interno portando al rilascio del contenuto nei distretti adiacenti (targeting passivo). Un altro approccio sperimentale ancor più risolutivo vedrà, invece, l’uso di immunoliposomi che riconoscono specifici Ag cellulari che causeranno l’endocitosi vescicolare con conseguente liberazione del contenuto all’interno della cellula (targeting attivo).

Vantaggi delle dosi a rilascio controllato

Alcune forme di dosaggio a rilascio controllato aumentano il valore economico di un prodotto farmaceutico semplificando i regimi di somministrazione, che implica un miglioramento della compliance, e un controllo dell’assunzione, che previene concentrazioni plasmatiche super- o sub-terapeutiche. I susseguenti avanzamenti nell’efficacia, effetti collaterali e qualità di vita possono diminuire i costi associati alla diagnosi e al trattamento degli effetti tossici. Il bisogno di costose rivalutazioni per il controllo della dose, cambiamenti nelle medicazioni o di terapie prioritarie è minimizzato. Tuttavia, portare sul mercato le nuove forme a rilascio controllato è molto costoso e poco vantaggioso ed è preferibile un miglioramento delle prestazioni di farmaci preesistenti, ad esempio la progettazione di farmaci bivalenti oppure l’abbassamento dei costi.

Andamento dei livelli ematici

Un farmaco che ha raggiunto il torrente circolatorio è in grado di arrivare al suo sito d’azione ma può anche essere rilasciato in siti alternativi in seguito al passaggio in diversi compartimenti biologici. I possibili legami che si instaurano con le proteine plasmatiche, come l’albumina (la componente proteica più abbondante nel plasma – 50/60%) in grado di legarsi a piccoli tratti alifatici, possono inficiare sull’intensità e la durata degli effetti di una sostanza farmacologicamente attiva: con questa interazione, quindi, viene ostacolato il suo percorso verso il sito d’azione. Nel caso in cui si avrà un legame stabile con il farmaco, quest’ultimo non sarà più in grado di perseguire il suo destino; in presenza di legami deboli, invece, potremmo considerare una costante d’associazione (Ka) che sarà uguale al rapporto tra il complesso farmaco-proteina e il prodotto tra la concentrazione di proteina e farmaco:

PD[ ]Ka = [PD] / [D][P]

Per definire invece il valore della proteina legata viene utilizzato il seguente rapporto:

r = [PD] / ([D][P] + [P])

Possiamo riscriverla come:

r = Ka[D] / (1 + Ka[D])

Svolgendo l’equazione possiamo perciò constatare che la concentrazione di farmaco legato dipende solamente dalla sua concentrazione plasmatica. Tuttavia, una singola proteina può contenere più siti di legame per il farmaco e quindi l’equazione sarà dipendente anche dal numero n di molecole di farmaco legate:

nKa[D] / (1 + Ka[D])

Per una semplificazione matematica di questa equazione possiamo graficare il reciproco ottenendo una linearizzazione della curva (grafico di Klotz):

1 / r = 1 / nKa[D] + 1 / n

Un ulteriore metodo per l’analisi dell’equazione è dato dalla curva di Scatchard nella quale viene graficata l’equazione svolta di seguito:

r = nKa[D] - rKa / [D]

In entrambi i casi se alcuni punti derivanti dai dati sperimentali non fittano con le funzioni lineari sopra riportate, si è davanti ad una proteina con differenti tipi di siti di legame. Nell’ultimo caso i calcoli possono portare ad una curva data dalla presenza di due o più siti di legame: nel grafico riportato accanto la curva è stata generata dalla somma di due rette di Scatchard.

Dal momento che le trattazioni precedentemente considerate risultano prettamente teoriche e derivate da studi in vitro, in vivo è molto più difficile comprendere la concentrazione reale di farmaco legato e la natura dei legami che si instaurano e perciò non sono possibili questi tipi di approcci sperimentali. Possiamo determinare la frazione di farmaco legato mediante il seguente rapporto:

β = [D]/[B] = nKa[D]/(1 + Ka[D])

Disegnando il grafico risultante, otterremo una retta attraverso la quale possiamo calcolare direttamente la Ka senza considerare la concentrazione di proteina presente e il numero di legami poiché nel sangue coesiste una grande varietà di proteine. È possibile concludere che la concentrazione di proteine nel sangue è un parametro fondamentale per la valutazione degli effetti di un farmaco e una sua alterazione può essere limitante ai fini della sua efficacia e può condurre, inoltre, alla comparsa degli effetti collaterali. Il grafico dimostra la diminuzione della capacità di legame del farmaco all’aumentare della concentrazione proteica.