Tecnologia e legislazione farmaceutiche II - parte 1

Tecnologia e legislazione farmaceutiche II

Introduzione al corso

Prof.ssa Isabella Orienti

Lo scopo di questo corso è quello di andare a vedere quali sono le modifiche che si possono apportare alla formulazione farmaceutica per influenzare l’effetto terapeutico del farmaco. Il farmaco ha un suo effetto terapeutico che è legato al modo con cui interagisce con certi siti recettoriali oppure con cui modifica certi ambienti biologici. Quindi l’azione terapeutica è legata alla molecola stessa, alle caratteristiche chimiche (prevalentemente) e fisiche della molecola. La formulazione può influenzare il modo con cui il farmaco dà questo effetto terapeutico, sia la quantità del farmaco che arriva al sito terapeutico, ovvero al sito d’azione, e la velocità con cui arriva al sito d’azione.

Farmaci convenzionali e biologici

Non abbiamo soltanto i farmaci cosiddetti convenzionali, ma anche i farmaci biologici ottenuti con la tecnica del DNA ricombinante oppure estratti da tessuti biologici.

Formulazione farmaceutica

La formulazione (farmaco più eccipienti) è la struttura che serve per veicolare il farmaco nell’organismo, viene somministrata ed è responsabile di tutti quei meccanismi che seguono alla somministrazione e che vanno dalla somministrazione stessa fino all’effetto terapeutico. Si possono avere formulazioni convenzionali e nano-formulazioni.

Farmacocinetica e farmacodinamica

Questa formulazione, una volta introdotta nell’organismo, influenza la farmacocinetica e cioè lo studio dell’andamento/variazione della concentrazione plasmatica (asse delle ordinate) in funzione del tempo: si nota una curva caratterizzata da un incremento, un picco ed un calo. Di conseguenza si ha anche l’influenza sulla farmacodinamica e quindi lo studio dell’effetto del farmaco nell’organismo, legato alla concentrazione del farmaco nel sangue. Insieme, la farmacocinetica e la farmacodinamica, ci danno un’indicazione sull’effetto nel tempo.

Classificazione dei farmaci convenzionali

I farmaci convenzionali sono delle molecole il cui peso molecolare è al di sotto dei 500 dalton. Questi farmaci vengono suddivisi dall’FDA (agenzia statunitense che regola dei prodotti sanitari e farmaceutici e quindi l’immissione in commercio dei farmaci) in 4 classi. La classificazione si basa su solubilità in acqua e permeabilità attraverso dei doppi strati fosfolipidici (che vanno a mimare le membrane).

• Classe 1: alta solubilità e alta permeabilità = la formulazione ha solo scopo di permettere la veicolazione tramite una certa via di somministrazione e gli eccipienti saranno unicamente dei diluenti.
• Classe 2: bassa solubilità, ma alta permeabilità = la formulazione può avere una funzione di incremento della solubilità acquosa.
• Classe 3: alta solubilità, ma bassa permeabilità = farmaci molto idrofili, ma poco solubili nei doppi strati fosfolipidici. La formulazione può avere la funzione di incremento della permeabilità.
• Classe 4: bassa solubilità e bassa permeabilità = sono lipofili perché insolubili in acqua, ma per loro caratteristiche non riescono a passare attraverso il doppio strato fosfolipidico.

Farmaci biologici

I farmaci biologici sono farmaci che stanno acquisendo un’importanza sempre maggiore e sono prevalentemente delle proteine. Questi farmaci vengono definiti dall’FDA come dei farmaci di elevate dimensioni (> 500 D) e molecole complesse. Questi prodotti sono derivati da sistemi viventi, possono essere prodotti attraverso la biotecnologia (con le tecniche ad esempio del DNA ricombinante, in cellule e quindi in sistemi viventi) o si possono estrarre da sistemi viventi (cellule vegetali o animali).

Misurazione dei sistemi

Quando si va a misurare un sistema, che può essere una molecola o una nano-formulazione, si effettua in ambiente acquoso. Quindi si circonda di molecole d’acqua e si muove con le molecole d’acqua attaccate sulla superficie. Per cui, quando gli strumenti vanno ad analizzare le dimensioni, la vedono come molecola circondata dalle molecole di acqua che rimangono attaccate = dimensione idrodinamica. I farmaci convenzionali hanno dimensioni idrodinamiche da 1 a 4 nm, mentre i farmaci biologici da 4 a 20 nm.

I farmaci biologici sono farmaci che provengono da sorgenti biologiche: cellule animali, cellule vegetali, tessuti animali, tessuti vegetali, tecnica del DNA ricombinante (si prendono dei vettori, plasmidi, in cui si mettono pezzi di DNA che contengono il gene di interesse che possono dare origine in una replicazione dei vettori e possono dare l’espressione di questi geni e quindi della proteina di interesse. Tipica l’insulina ricombinante).

Componenti dei farmaci biologici

• Ormoni: proteine che vanno a legarsi a proteine recettoriali espresse, generalmente, su cellule tumorali; le quali vanno a regolare una serie di eventi che consistono nell’attivazione di una serie di proteine che hanno come fase finale la trascrizione di uno o più geni per la produzione di certe proteine che ad esempio sostengono l’attività di cellule tumorali = attivazione pathway fattori di crescita intracellulare mirato alla replicazione della cellula stessa.
• Fattori di crescita: possono essere semplici fattori di crescita che servono al nostro organismo e che magari funzionano legandosi a recettori o che attivino la via per il normale funzionamento delle cellule.
• Vaccini peptidici: vengono iniettati, generalmente per via intradermica o sottocutanea, che vengono riconosciuti dalle cellule del sistema immunitario, si vanno a legare alle cellule dendritiche andando ad attivare una serie di risposte immunitarie: linfociti T e cellule B che andranno a produrre gli anticorpi.
• Anticorpi monoclonali: molti anticorpi vengono somministrati come farmaci per legarsi a recettori specifici e a bloccare fattori di crescita, ad esempio cellule tumorale o le proteine che danno la crescita dei vasi/capillari sanguigni per le cellule tumorali = farmaci per la terapia antitumorale quando si somministrano da soli come farmaci in soluzione iniettabile. Se vengono somministrati come dei residui direzionanti, oltre a bloccare il recettore e quindi comportarsi da farmaci, sono legati ad altre molecole o nanoparticelle come i liposomi che vengono portate sulla cellula di interesse, come sistemi caricati di un certo numero di molecole di altri farmaci.

Struttura delle proteine

Le proteine hanno una struttura primaria determinata dalla sequenza degli amminoacidi con legami peptidici (CO-NH). Ogni amminoacido presenta specifici gruppi laterali e quindi varia la carica della proteina. Poi si ha la struttura secondaria che determina il ripiegamento della catena che può essere alfa-elica o beta-foglietto (lineare). Poi si ha la struttura terziaria che determina il ripiegamento della proteina su sé stessa.

Quindi, a seconda degli eccipienti utilizzati nella preparazione, bisogna fare attenzione alla destabilizzazione della proteina, all’idrolisi dei legami peptidici e quindi a tutto quello che può alterare la struttura chimico-fisica della proteina. Questo può avvenire in caso di variazioni di pH, di temperatura, in caso di aggregazione (viene fuori la proteina aggregata che non interagisce più con il suo sito recettoriale) e formazione di Sali.

Oligonucleotidi

• Farmaci antisenso: corte catene di RNA che vengono progettate e sintetizzate in modo da essere complementari con determinate e specifiche sequenza di un RNA messaggero = si va a localizzare l’oncogene e si costruisce una sequenza che sia complementare all’RNA messaggero trascritto da questo gene = si blocca la traduzione dell’RNA messaggero con blocco produzione proteina e blocco della trascrizione. Generalmente sono formulazioni per soluzioni iniettabili, ma si stanno producendo anche delle nano-formulazioni.
• Farmaci che danno interferenza sull’RNA messaggero: corte sequenze di RNA a doppia catena. Si va a selezionare il gene di interesse sul DNA e si costruisce un siRNA (small interfiring RNA). Questa doppia catena viene assorbita dalla cellula, incontra una proteina RISC (già presente nella cellula) che divide le due catene. La catena principale viene portata sull’RNA messaggero specifico e poi viene degradato = modo per silenziare l’espressione di un gene. Questo processo avviene poiché esistono già dei siRNA funzionali all’interno del DNA che vengono prodotti quando la cellula vuole bloccare l’espressione di un determinato gene.

Gli oligonucleotidi sono dei polianioni poiché la loro struttura è base, ribosio e fosfato. Questi gruppi fosfato, a pH biologico, sono ionizzati e si hanno repulsioni delle cariche negative che impediscono l’assorbimento. In caso di variazioni di pH o di temperatura si può avere la scissione dei legami fosfato e quindi idrolisi dei legami fosfo-esterei. Questi aspetti sono importanti sia nella preparazione che nel rilascio e quindi evitare l’alterazione delle strutture.

Differenze fondamentali tra farmaci convenzionali e farmaci biologici

Instabilità chimica e fisica

Per i farmaci convenzionali si hanno instabilità chimiche come: idrolisi, ossidazione, racemizzazione, beta-ossidazione, isomerizzazione e de-amidazione.

Per quanto riguarda l’instabilità fisica di questi farmaci biologici si hanno: aggregazione, precipitazione, denaturazione (perdita struttura secondaria e terziaria), adsorbimento e auto-associazione. È importante non solo nella preparazione ma anche nella conservazione.

• Precipitazione: si aggrega dando origine ad una forma non più solubile in acqua. L'aggregazione controllata dalla nucleazione è un meccanismo comune per la formazione di particolati o precipitativi visibili. Se un aggregato di dimensioni sufficienti riesce a formarsi, quindi la crescita di questo cosiddetto “nucleo critico” per aggiunta di monomeri è fortemente favorita e la formazione di specie molto più grandi è rapida.
• Aggregazione: dopo che il monomero subisce transitoriamente un cambiamento conformazionale o un parziale dispiegamento, la risultante conformazione alterata si associa fortemente. Il cambiamento in la conformazione proteica che precede l'aggregazione può essere causata anche da una differenza nella struttura covalente.
• Auto-associazione: ogni molecola si ripiega su sé stessa e perde/altera la sua conformazione terziaria. Bisogna valutare se questa instabilità è reversibile. La tendenza ad associarsi in modo reversibile è intrinseca alla forma nativa della proteina. La superficie del monomero proteico nativo è auto-complementare quindi si auto-assocerà prontamente per formare piccoli oligomeri reversibili.
• Adsorbimento: è importante per quanto riguarda la conservazione dei sistemi liquidi acquosi. Se le molecole si attaccano alle pareti del contenitore, quando si va ad estrarre il prodotto buona parte del farmaco biologico rimane nel contenitore stesso. Questo processo di aggregazione inizia con il legame del monomero nativo a una superficie. Dopo questo evento di legame reversibile iniziale, il monomero subisce un cambiamento di conformazione. È allora quel monomero conformazionalmente alterato che si aggrega.

Formulazione farmaceutica

Il farmacista deve sapere il tipo di terapia ed il tipo di somministrazione. La forma farmaceutica può aumentare l’effetto terapeutico e cioè la risposta rispetto alla dose somministrata. Dal punto di vista della forma fisica le formulazioni possono essere: solide, semisolide, liquide e gassose.

• Solide: compresse, capsule (rigide e molli), supposte e cerotti transdermici
• Semisolide: creme (emulsioni O/A o A/O) e gel (forme a fase unica dove si ha un liquido acquoso o oleoso ed un gelificante che crea un reticolo all’interno del quale si posiziona il liquido = idrofili o idrofobi/lipofili)
• Liquide: soluzioni (dispersione del farmaco in forma molecolare), sospensioni (forme liquide dove il farmaco non è completamente solubilizzato, ma si trova disperso nella forma liquida) ed emulsioni (sistema bifasico)
• Gassose: forme farmaceutiche che vengono somministrate tramite inalatori o nebulizzatori = liquidi che vengono nebulizzati (il liquido viene trasformato in una serie di piccole e fini particelle liquide disperse nell’aria). Le particelle possono essere liquide (dispersioni, sospensioni ed emulsioni) o solide (solido con dimensioni micrometriche = polvere micronizzata).

Vie di somministrazione

• Parenterale: intravenosa (IV), intramuscolare (IM), intradermica (ID) o sottocutanea (SC), intraperitoneale (IP), intraossea (IO)
• Enterale: (riguardano il tratto gastrointestinale): orale, sublinguale e rettale
• Altre: inalatoria, nasale, transdermica (via di somministrazione che prevede l’applicazione di forme farmaceutiche sulla superficie cutanea e ha la funzione di permettere l’assorbimento del farmaco attraverso l’epidermide fino al derma dove si trovano i capillari e quindi permettere l’assorbimento del farmaco nel circolo sistemico), topica (forma farmaceutica che si applica sulla superficie cutanea e che ha lo scopo di agire localmente), otica (orecchio esterno) e oftalmica (applicazione sulla cornea).

Tipi di terapie

• Locale o topica: terapia in cui il farmaco deve agire localmente e non raggiunge la circolazione sanguigna (ad esempio farmaci che vengono applicati sulla pelle o su altre mucose dell’organismo)
• Sistemica: terapia in cui il farmaco deve raggiungere la circolazione sistemica

Categorie di formulazioni farmaceutiche

• Convenzionali o a rilascio immediato: formulazioni che contengono una quantità nota di farmaco in cui gli eccipienti non controllano il rilascio del farmaco, ossia gli eccipienti servono per dare corpo ad una formulazione.
• Non convenzionali o a rilascio modificato: gli eccipienti hanno un ruolo ben definito per controllare il rilascio del farmaco. Il rilascio viene modificato nei termini di tempo, dose e sito. Queste formulazioni sono accomunate dal fatto che quando si trovano nell’ambiente di somministrazione avviene il rilascio.

Nano-formulazioni

Le nano-formulazioni rappresentano l’evoluzione più recente e sono nate per proteggere i farmaci di natura biotecnologica dall’ambiente di somministrazione, ma efficaci anche per tutti gli altri farmaci = sistemi farmaceutici con dimensioni nanometriche (10⁹, quelli ideali dai 10 ai 100 nanometri). Possono attraversare i tessuti dell’ambiente di somministrazione per trasportare il farmaco fino al sito d’azione o penetrare localmente attraverso gli epiteli, ad esempio per via paracellulare, posizionandosi in un ambiente diverso da quello di somministrazione dove non c’è più pericolo di degradazione. Possono portare ad una grande quantità di farmaco. Possono rilasciare a livello del sito terapeutico (che può essere in prossimità del sito di somministrazione) o a livello sanguigno.

Secondo l'EMA (Agenzia europea per i medicinali) le nanoparticelle farmaceutiche sono nanodispositivi caratterizzati da forma e dimensione controllate, su scala nanometrica, contenenti farmaci, da utilizzare per trattare o prevenire le malattie. La caratteristica principale delle nanoparticelle farmaceutiche è la loro capacità di controllare la distribuzione dei farmaci in tutto il corpo in contrasto con le formulazioni convenzionali dove avviene la distribuzione incontrollata del farmaco. Solitamente contengono farmaci biologici o convenzionali a basso indice terapeutico.

Somministrazione endovenosa

Rilascio nel sito terapeutico target dopo accumulo = rilascio di farmaci dopo accumulo di nanoparticelle, per stravaso, in organi e tessuti con discontinuità capillari come tumori solidi, tessuti infiammati, fegato, milza, midollo osseo.

Vie alternative: orale, intramuscolare, intradermico/sottocutaneo, intraperitoneale, intraosseo, inalatorio, transdermico possono entrare nella circolazione sistemica e liberarsi dopo l'accumulo o penetrare nei tessuti epiteliali e rilasciare il farmaco localmente nel connettivo. Rilascio di farmaci in prossimità delle cellule epiteliali dei tessuti epiteliali o della membrana basale dei capillari dei tessuti connettivi al fine di proteggere il farmaco da fattori ambientali che potrebbero danneggiarlo come: enzimi proteolitici, endonucleasi, acidi o pH basico, anticorpi contro farmaci proteici ecc.

Sistemi nanoparticellari

Le nano-formulazioni sono dei sistemi, prevalentemente sferici (meno problemi in circolazione poiché scorrono più facilmente nei vasi di piccole dimensioni). Si suddividono in due categorie: sistemi nanoparticellari e sistemi macromolecolari.

I sistemi nanoparticellari hanno una forma regolarmente sferica e comprendono:

• Liposomi: costituiti da doppi strati fosfolipidici curvati per formare delle sfere di dimensioni nanometriche (diametro < micron). Le code lipofile si aggregano a formare un doppio strato lipofilo con una zona interna polare poiché le code lipofile si dispongono verso l'interno formando una barriera per le sostanze polari.