Biofarmacie şi farmacocinetică

Prelegerea nr. 1

1. ETAPELE CONCEPTUALE DE FORMULARE A

MEDICAMENTELOR.

2. GENERAŢIILE DE MEDICAMENTE. CLASIFICARE.

3. BIOFARMACIE. DEFINIŢII. FACTORII CARE AU CONTRIBUIT LA DEZVOLTAREA BIOFARMACIEI.

4. FACTORII BIOFARMACEUTICI ŞI INFLUENŢA LOR ASUPRA EFICIENŢEI MEDICAMENTELOR

Cercetarea unui medicament este un lucru la fel cum ai căuta un

ac într-un stog de fân

Etapele vieţii unui

medicament – de la

cercetare la efectul

terapeutic:

I-II- Cercetare şi dezvoltare;

III- Faza pilot;

IV- Producţia industrială-

Condiţionare;

V – Comercializare;

VI- Administrarea la

bolnav;

VII – efectul terapeutic

CERCETAREA ŞI

FABRICAREA

SUBSTANŢELOR ACTIVE

DEZVOLTAREA UNUI

MEDICAMENT

DEZVOLTAREA

CLINICĂ

-faza I

-faza II

-faza III

-faza IV

DEZVOLTAREA

PRECLINICĂ

PREFORMULARE

FORMULARE

AVIZ

DE

FABRICARE

PROTOTIP

FAZA PILOT

PRODUCŢIA

INDUSTRIALĂ

CONDIŢIONARE

AUTORIZAŢIE DE

PUNERE ÎN VÂNZARE

COMERCIALIZARE

Pacient PRESCRIPŢIE

MEDICALĂ ELIBERARE

MEDICAMENT

ADMINISTRARE

EFECT

TERAPEUTIC

I

II

III

IV

V

VI

VII

Medicament

Receptor Ligand Complex

Schema interacţiunii moleculei de substanţă

medicamentoasă (ligand) cu receptorul (proteina, alt

biopolimer)

Molecula

SM

Receptor

Proprietăţile favorabile pentru un medicament:

Afinitate şi selectivitate înaltă pentru receptor;

Accesibil pentru a fi sintetizat;

Lipsa grupărilor reactive chimic;

Biodisponibilitate orală:

Lipinski (Pfizer) „Rule of Five“: MM < 500 D,

log P < 5, H donors < 5, H acceptors < 10

Farmacocinetică favorabilă;

Metabolism neînsemnat (efectul primului pasaj

hepatic);

Eliminare pe cale renală (principală);

Lipsa efectelor secundare şi a toxicităţii.

LigandScout

G. Wolber, T. Langer,

J. Chem. Inf. Model.

45, 160-169 (2005)

Receptor –

enzima

respectivă

Ligand –

medicamentul

respectiv

LigandScout (inteligent)

G. Wolber and T. Langer,

J. Chem. Inf. Model. 45,

160-169 (2005)

G. Wolber and T. Langer,

J. Chem. Inf. Model. 45,

160-169 (2005)

LigandScout (inteligent)

Virusul pandemic A/H1N1

• Virusul pandemic A/H1N1 virus modificat genetic

• 1. Derivă antigenă modificări punctate a proteinei virusale de bază – Hemaglutinina (H) contribuie la npătrunderea virusului în celula umană şi Neuraminidazei (N) – responsabilă de ieşirea virusului nou din celua gazdă.

• 2. Deplasare antigenă – se molipsesc şi animalele, păsările

• Pandemiile: H2N2 – gripa asiată 1957-1958; H3N2 – gripa honcong 1968-1969; H1N1 – 2009; (1918-1920)

Virusul gripal A Virusul gripal A/H1N1

ZANAMIVIR Inhibitor selectiv de neuraminidază, enzimă de

suprafaţă a virusului gripei. Neuraminidaza contribuie la eliberarea

din celule infectate a particulelor virale nou formate şi facilitează

accesul virusului către suprafaţa celulelor epiteliale neafectate

Neuraminidasa

este o enzimă

glicozid-hidrolază

(EC 3.2.1.18)

(6R)-5-Acetamido-2,6-anhydro-3,4,5-trideoxy-4-

[(diaminomethylene)amino]-6-[(1R,2R)-1,2,3-

trihydroxypropyl]-L-threo-hex-2-enonic acid

2D 3D

Producător: GlaxoSmithKline, trade name Relenza, Pulbere inhalatoare micronizată 5 mg.

Înregistrat în RM

1nnc

2qwk

LigandScout Superposition: Zanamivir vs. GS 4071

The x-ray structure of a complex of 5-n-acetyl-5-

amino-3-(1- ethylpropoxy)-1-cyclohexene-1-

carboxylic acid (gs4071) and tern n9 influenza

virus neuraminidase

Baza de date WOMBAT versiunea 2007.2

conţine structurile chimice şi activitatea

biologică experimentală a mai bine de

1820 de ţinte biologice (targets): receptori

farmacologici, enzime, canale ale ionilor,

transportori şi proteine) pentru 203 924

înregistrate sau 178 210 structuri unice.

http://chemgps.bmc.uu.se/28.

Preformularea şi formularea medicamentului cere

cunoaşterea unui şir de proprietăţi fizico-chimice,

farmaceutice şi toxicologice

I.Proprietăţi fizico-chimice:

• Caractere organoleptice (aspect, gust şi miros acceptate şi tolerate de către bolnav)

• Proprietăţi fizice: solubilitate; dimensiunea particulelor; starea cristalină sau amorfă; forme polimorfe.

• Proprietăţi chimice: stabilitate; interacţiuni sub influenţa factorilor (temperatură; umiditate; oxigen; lumină; microorganisme; factori diverşi).

II.Soarta în organism:

• Toxicitate: acută, cronică; teratogeneză; mutageneză; cancerogeneză; biocompatibilitate; imunocompatibilitate

• Farmacocinetică: absorbţie; distribuţie; biotransformare; eliminare.

• Activitatea terapeutică: locul de acţiune; mecanismul de acţiune; efecte secundare.

• Biodisponibilitate – profil optimal

ETAPELE CONCEPTUALE DE PEFORMULARE

ŞI FORMULARE A MEDICAMENTELOR

• până în 1950

Empirism şi artă

• 1950-1960

Impactul chimiei fizice asupra tehnologiei medicamentelor

• 1960-1970

Evaluarea biofarmaceutică şi farmacocinetică a medicamentelor

• 1970-1990

Sisteme cu eliberare controlată şi strategii pentru transportul la ţintă

• după 1990

Formulare pentru un tratament la nivel molecular

Insulin Capsules

Insulina = polipeptidă, conţine 65 aminoacizi. Se evită încălzirea şi alcoolul.

(mg/capsulă) Denumirea componentelor (engl.)

140.00 IU Insulin ( 26 IU = 1 mg) Principiu activ

0.047 Dimyristyl Phosphatidyl Choline Fosfolipide

3.39 Aprotinin (7500 KIU = mg) KIU – (kalicrein

unităţi de inactivare) (Contrical, Gordox..)

Inhibitor al enzimelor

proteolitice

3.76 Hydroxypropyl Cellulose-LF Stabilizator

3.76 Polyoxy-40 Stearate Myrj-52® Surfactant

139.80 Polyethylene Glycol 400 Solvent

15.57 Propylene Glycol Solvent

8.75 Water-Citrate Buffer for pH adjustment pH = 2,5

31.20 Cholesterol

17.56 Tween 80 (Polisorbat) Surfactant

63.10 Egg Yolk Lecithin

27.90 Glyceryl Amino Oleate

19.60 d-alpha Tocopherol

249.10 Oleic Acid

Emulsia se condiţionează în capsule operculate Nr. 0;

Capsulele se acoperă cu sol. 10% HPMC (3,5-4,5% de la masa caps.)

Ibuprofen Sustained-Release Capsules

Cantităţile componentelor

mg/capsulă ordinea Denumirea componentelor

800.00 1 Ibuprofen Principiu activ

8.00 2 Aerosil R972 (siliciu dioxid

colloidal)

Ajustarea

cedării

8.00 3 Beeswax (ceară de albini) Excipient

hidrofob

Antiinflamator / antireumatic nesteroidian

Ibuprof 400 retard von CT

Ibuprof 800 retard von CT

(Arzneimittel Chemische Tempelhof, Germania)

Ibuprofen Excipient T50%

(% w/w) (% w/w) (hours)

None 100 __ 2.9

Arachis oil 90 10 4.1

Beeswax 90 10 >24.0

Colloidal silicon dioxide (Aerosil

200)

99 1 4.7

97 3 6.6

95 5 10.0

Colloidal silicon dioxide (Aerosil

R972)

99 1 5.9

95 5 20.5'

Croscarmellose sodium

(AcDiSol®) -superdezagregant

99 1 0.4

97.5 2.5 0.13 (7,8 min)

Glycerides 95 5 3.0

(Gelucire 50/13) 90 10 7.4

(Gelucire 50/13) 90" 10 2.9

Liquid paraffin 90 10 4.8

Cornstarch 99 1 3.5

95 5 1.6

90 10 0.16

Copolymer (Pluronic F68) 95 5 3.0

PEG 400 90 10 3.5

PEG 4000 90 10 3.3

PEG 6000 90 10 4.2

Polyvinylpyrrolidone

(Crospovidone)

90 10 4.0

Sodium starch glycolate

(Explotab®)

99 1 1.8

GENERAŢIILE DE MEDICAMENTE

1. SOLUŢII, UNGUENTE, CAPSULE COMPRIMATE, SUPOZITOARE şi a. cu cedare obişnuită.

2. MEDICAMENTE CU ELIBERARE MODIFICATĂ (RAPIDĂ, PRELUNGITĂ SAU SUSŢINUTĂ)

3. SISTEME FARMACEUTICE CU ELIBERARE CONTROLATĂ

4. SISTEME DE TRANSPORT LA ŢINTĂ (VECTORIZATE)

OBIECTIVELE MAJORE ALE

TEHNOLOGIEI MEDICAMENTELOR

• SĂ ASIGURE TRANSPORTUL

SUBSTANŢEI MEDICAMENTOASE

NEMODIFICATE LA LOCUL ACŢIUNII

SALE FARMACOLOGICE

• SĂ ASIGURE UN PROFIL OPTIM AL

ELIBERĂRII SUBSTANŢEI

MEDICAMENTOASE PENTRU

ACŢIUNEA SA

DEFINIŢII

• Farmacologia – studiază mecanismele de acţiune ale diferitor substanţe medicamentoase sub toate aspectele;

• Farmacocinetica – studiază procesele cinetice ale absorbţiei, distribuţiei, metabolizării (biotransformării) şi eliminării substanţei medicamentoase (metaboliţilor) în funcţie de doză şi timp;

• Farmacodinamia – studiază natura şi efectele acţiunilor farmacologice.

DEFINIŢII

• Biofarmacie

• „Studiul factorilor care influenţează

biodisponibilitatea medicamentului la om sau

animale şi utilizarea acestei informaţii pentru

optimizarea acţiunii farmacologice sau

efectului terapeutic în aplicaţii clinice.” (J Pk

Bioph 1:3, 1973).

• Studiul relaţiilor între proprietăţile fizico-

chimice ale substanţelor medicamentoase, a

formelor lor farmaceutice şi efectele

observate după administrarea lor.

“Interacţiunea între medicament ca sistem

fizico-chimic şi organism ca sistem biologic”

FACTORII CARE AU CONTRIBUIT LA APARIŢIA

BIOFARMACIEI

• PROGRESUL TEHNICO-ŞTIINŢIFIC;

• NORMAREA INSUFICIENTĂ A CALITĂŢII MEDICAMENTELOR DE CĂTRE DTN;

• STAGNAREA TEORETICĂ ÎN FARMACEUTICĂ (neechivalenţa terapeutică);

• ASPECTUL MERCEOLOGIC DE EVALUARE A CALITĂŢII MEDICAMENTELOR

FACTORII FARMACEUTICI

• STAREA FIZICĂ A SUBSTANŢEI MEDICAMENTOASE (CRISTALINĂ, AMORFĂ, MĂRIMEA PARTICULELOR, HIDRATATĂ ETC.)

• STAREA CHIMICĂ A SUBSTANŢEI MEDICAMENTOASE (ACID, SARE, ESTER…)

• ORIGINEA ŞI CANTITATEA SUBSTANŢELOR AUXILIARE

• TIPUL FORMEI FARMACEUTICE ŞI MODUL DE ADMINISTRARE

• PROCEDEELE TEHNOLOGICE APLICATE

Satrea fizică a SM

Condiţia principală pentru absorbţia SM este prezenţa lor în stare dizolvată în fluidul de la

locul de absorbţie

• Coeficientul de solubilitate şi viteza de dizolvare a SM din forma farmaceutică influenţează în principal absorbţia şi respectiv biodisponibilitatea

• La administrarea extravasculară (orală, rectală, transdermală, transmucozală, intramusculară etc) pentru acţiune sistemică procesul de dizolvare poate fi factorul de limitare a absorbţiei.

• Substanţele uşor solubile în apă, fiind

adminstrate sub formă de soluţii sau

dizolvate după eliberarea din forma

farmaceutică (suspensie, pulbere,

comprimate, capsule etc) biodisponibilitatea

este influenţată în special de viteza, gradul

de absorbţie prin mucoasa biologică şi

gradul de biotransformare (hepatică şi

gastro-intestinală).

• La substanţele greu solubile în apă

biodisponibilitatea este influenţată în special

de viteza de dizolvare.

• SM greu solubile administrate pe cale orală a căror solubilitate în apă revine la mai puţin de 0,5% sau a căror, doza nu se dizolvă în maximum 100 ml suc gastric artificial, pot crea probeleme de

biodisponibilitate. Factorii care influenţează viteza de dizolvare sunt relevaţi de ecuaţia Noyes – Whitney;

dC/dt = Kd x S (Cs – Ct), în care: Kd – constanta vitezei de dizolvare (D/hV)

D – coeficientul de difuziune;

h – grosimea stratului de difuziune din jurul particulelor;

Cs – concentraţia la saturare a SM în stratul de difuziune (solubilitatea)

Ct – concentraţia SM la un anumit timp t, în tot volumul de fluid (V)(suc gastric sau intestinal)

Cs – Ct – gradientul de concentraţie.

S – suprafaţa totală a particulelor.

• In vivo, concentraţia Ct în lichidele biologice (plasmă) este inferioară Cs în stratul de lichid biologic care înconjoară substanţa nedizolvată şi expresia Cs – Ct devine, Cs , deoarece Ct este neglijabil în raport cu Cs. Ecuaţia Noyes- Whitney devine:

dC/dt = Kd x S x Cs din această relaţie, viteza de dizolvare in vivo va depinde de:

• Suprafaţa de schimb (S) între substanţa nedizolvată (mărimea particulelor);

• Solubilitatea (Cs) SM

Determinarea vitezei de dizolvare este unul din parametrii importanţi în cadrul controlului de calitate a unui medicament (Testul de dizolvare este oficializat în toate farmacopeile).

SOLUBILITATE (volumul de solvent (apă,ml) necesar

pentru a dizova 1 g de SM)

(conform F.R., ed. X., p. 984)

• Gradul solubilităţii

• Foarte uşor solubil

• Uşor solubil

• Solubil

• Puţin solubil

• Foarte puţin solubil

• Greu solubil

• Foarte greu solubil

• Practic insolubil

• cel mult 1 ml

• de la 1 ml până la 10 ml

• ..10 ml pânăla 30 ml

• ..30 ml până la 100 ml

• ..100 ml pânăla 500 ml

• ..500 ml până la 1 000 ml

• ..1 000 ml pla 10 000 ml

• mai mult de 10 000 ml

Influenţa mărimii particulelor

• Creşterea suprafeţei efective a particulelor solide de SM (micşorarea dimensiunilor) va mări viteza de dizolvare şi deci absorbţia.

• Micronizarea în mori coloidale (15-20 μm).

• Nanotehnologii (100-200 nm)

• Prin micşorarea mărimii particulelor biodisponibilitatea creşte la:

• Grizeofulvină; sufadiazină, fenotiazină, spironolactonă, digoxină, indometacin, acid acetilsalicilic, danazol etc.

Digoxina – mărimea medie a particulelor de 10 μm determină o biodisponibilitate de 79% faţă de 39 % cu o mărime medie de 100 μm.

Atenţionare! Pot apărea şi efecte toxice deoarece digoxina are un indice terapeutic îngust

Influenţa mărimii particulelor

Biodisponibilitatea (%)

1. Suspensie apoasă cu mărimea medie a

microparticulelor de 10 μm - 5,1%;

2. Suspensie apoasă cu mărimea medie a

nanoparticulelor de 200 nm - 82,3%;

DANAZOL – derivat de etisteron;

endometrioză şi sterilitate asociată.

Insolubil în apă – (10 μg/ml);

M.m. = 337.5 g/mol;

pKa = 13,1

Forme polimorfe, stare amorfă, solvaţi

• Polimorfism – existenţa unei substanţe în mai multe forme cristaline, cu un aranjament diferit în reţeaua cristalină, având energii interfaciale diferite. Fiecare formă cristalină este un polimorf.

• Polimorfii se obţin prin modificarea condiţiilor de preparae (solvent, temperatură, viteză de răcire).

• Polimorfii aceleaşi substanţe prezintă o structură chimică identică, dar proprietăţi fizice diferite:

• solubilitate;

• viteză de dizovare;

• stabilitate în stare solidă etc.

Dintre polimorfii aceleaşi substanţe unul este stabil şi unul sau mai mulţi metastabili. De regulă, polimorfii metastabili au o biodisponibilitate crescută faţă de cei stabili.

Forme polimorfe, stare amorfă, solvaţi

• Dintre SM cu mai multe forme polimorfe prezintă interes biofarmaceutic :

Palmitatul de cloramfenicol (ester);

Steroizii (acetatul de cortizon);

Tetraciclinele;

Sulfonamidele (sulfatiazolul);

Barbituricele.

Palmitatul de cloramfenicol prezintă la temperatură şi presiune normală, 3 polimorfi:

• Forma I (sau A) – polimorf stabil;

• Forma II (sau B) – polimorf metastabil;

• Forma III (sau C) – polimorf instabil.

O suspensie apoasă de Forma B cu un conţinut mare de energie asigură o concenraţie plasmatică terapeutică în timp ce forma A este aproape inactivă.

SUBSTANŢE NECRISTALIZATE (AMORFE)

• Sunt instabile din punct de vedere terapeutic şi posedă adesea solubilităţi mai mari decât forma cristalină. La dizolvare nu este nevoie să se “învingă” energia reţelei.

• Unele tipuri de insulină “depot” conţin amestecuri de insulină amorfă 30% şi insulină cristalizată 70%. Porţiunea amorfă serveşte ca doză iniţială cu acţiune rapidă.

• O solubilitate bună se observă la SM preparate prin criodesicare (nebulizare sau congelare) datorită existenţei unei stări amorfe (produse liofilizate)

• Starea hidratată. Unele SM cristaline se pot prezenta sub formă de solvaţi (hidraţi) sau în stare anhidră. Cu creşterea hidratării se micşorează şi viteza de dizolvare în apă la rândul său este limitată şi biodisponibilitatea.

• Forma anhidră a ampicilinei, mai solubilă în apă, este absorbită din capsulele operculate şi din suspensiile orale într-un grad mai mare decît forma trihidrat, care prezită o viteză de dizovare mai lentă.

• La aceste diferenţe, în biodisponibilitate, pot contribui, pe lângă starea de solvatare a ampicilinei, şi variaţiile de formulare a produselor testate.

SĂRURI.

Sărurile care se dizolvă în apă prezintă o comportare ameliorată la dizolvare şi –deci biodisponibilităţi mai mari, datorită concentraţiei mai mari la saturare şi în cea mai mare parte depinde de pH.

Fenobarbitalul sodic produce valori ale vitezei de dizolvare care sunt de 1 000 ori mai mari în suc gastric artificial decât acidul liber.

PRECURSORI MEDICAMENTOŞI (PRODRUGS)

• Sunt derivaţi ai SM la care substanţa este eliberată în

organism prin acţiunea enzimelor numai după

administrare (este monitorizată lipofilia sau

solubilitatea)

• Exemplu: din tractul gastro-intestinal se absorb doar

40-60% de ampicilină. Folosirea esterilor de

ampicilină cu un grad mai mare de lipofilie

(Pivampicilina) duce la o absorbţie mai mare. După

admin. pivampicilinei concentraţia maximă se

stabileşte peste 56 min şi constituie 6,8 μg/ml, iar la

ampicilină _ peste 1 oră şi 24 min şi este de 1,96

μg/ml

Influenţa formei farmaceutice

Comprimate

acoperite

Comprimate

Capsule

gelatinoase

Pulberi

Suspensii

Soluţii

Granule sau

granulate

Particule fine

de substanţă

medicamentoa-

să în suc

digestiv

Soluţie de SM

în suc digestiv

Nucleu

SM în plasma

sanguină

Scade

viteza de

eliberare a

SM

Creşte

bio-

dispo-

nibilita-

tea

INFLUENŢA SUBSTANŢELOR AUXILIARE

• Substanţele auxiliare folosite la fomularea medicamentelor pot influenţa activ solubilitatea şi eliberarea SM din forma farmaceutică, la rândul său şi biodisponibilitatea.

• Din punct de vedere biofarmaceutic la formularea medicamentelor este strict necesar de argumentat rolul fiecărei substanţe auxiliare atât sub aspect calitativ cât şi cantitativ (aspect terapeutic şi economic).

Agenţi tensioactivi. Acţionând ca umectanţi permit o ameliorare a procesului de umectare a substanţelor lipofile. Dacă aceştea măresc şi capacitatea de penetrare prin membranele biologice, atunci ei devin promotori de absorbţie. În aşa cazuri pot apărea şi unele efecte secundare.

Acţiunea de umectare a polisorbatului -80 a produs creşterea absorbţiei gastro-intestinale a fenacetinei din suspensii apoase, prin prevenirea aglomerării particulelor.

Agenţi de viscozitate. Pentru formele lichide, pot avea următoarele efecte:

• Micşorarea vitezei de golire a stomacului;

• Descreşterea motilităţii intestinale;

• Scăderea vitezei de dizolvare a SM.

INFLUENŢA SUBSTANŢELOR AUXILIARE

• Agenţi hidrofili. Formarea de complecşi spaţiali cu

ciclodextrina. SM este inclusă molecular în spaţiul

gol al moleculei de ciclodextrină formată din unităţi

de alfa –glucoză şi poate fi eliberată molecular în

stomac. Prostaglandinele greu solubile incluse sunt

mai stabile şi au o biodisponibilitate mai mare.

Se obţine prin conversie enzimatică din amidon. β -

cyclodextrin conţine 7 glucopiranozide

INFLUENŢA SUBSTANŢELOR AUXILIARE

Excipienţi polimerici.

• Polietilenglicolii (macrogolii)

• Polividona

Au grupări reactive care pot produce interacţiuni cu

SM.

Fenobarbitalul cu PEG 4000 formează un complex greu

solubil care prezintă o absorbţie întârziată.

Polividona poate forma cu SM greu solubile dispersii

solide care măresc cu mult biodisponibilitatea.

Crospovidona şi Croscarmeloza sodică servesc în

calitate de superdezagregant.

INFLUENŢA SUBSTANŢELOR AUXILIARE

Excipienţi hidrofobi.

Adaosul excipienţilor hidrofobi poate influenţa în mod nefavorabil comportarea la dizolvare a SM uşor solubile.

Eliberarea salicilatului de sodiu uşor solubil din capsulele de gelatină este întârziată de către cantităţile prea mari de stearat de magneziu hidrofob, folosit ca agent de reglare a curgerii.

Formularea în capsule gelatinoase cu conţinut de gliceride semisintetice, ceară permit de a monitoriza eliberarea SM, absorbţia şi t 50%

INFLUENŢA TEHNOLOGIEI DE FABRICARE

• Granularea sau comprimarea pot determina

modificări în structura cristalină a SM.

• Presiunea aplicată la comprimarea SM greu

solubile poate influenţa direct timpul de

dezagregare şi dizolvare. Cu creşterea valorii

presiunii timpul se micşorează.

• Procedeul de granulare poate influenţa

eliberarea SM din comprimate datorită

cantităţii de lichid de granulare, metodei de

granulare şi mărimii granulatelor.