Universita’ degli Studi di Milano Corso di Laurea Magistrale in Chimica e Tecnologia Farmaceutiche Chimica Farmaceutica Applicata - 8 CFU slides Dott.ssa Daniela Traini FARMACI PER VIA POLMONARE Prof. Andrea Gazzaniga Farmaci per via polmonare Daniela Traini University of Sidney - Australia Obbiettivi Il sistema respiratorio Meccanismi di deposizione Formulazioni: pressurizzati Strategie di formulazione Formulazioni: polveri- dry powder inhaler Conclusioni Farmaci per via inalatoria I fumatori odierni e i tossicodipendenti sanno che I farmaci per via inalatoria: • Agiscono rapidamente • Riducono la dose necessaria • Sono ‘non invasivi’ http://www.truthtree.com/images/Gide.jpg Piu’ recentemente medici e scienziati hanno scoperto che i farmaci inalatori: • Vanno direttamente nei polmoni • Riducono gli effetti collaterali • Evitano il metabolismo epatico • Possono essere assorbiti per via sistemica Qual e’ la funzione dei polmoni? • I polmoni consistono di 5 lobi, 3 a destra e due a sinistra • La maggior parte delle cellule nei polmoni sono epiteliari e producono il muco che lubrifica e protegge i polmoni • La principale funzione dei polmoni è di consentire all'ossigeno presente nell'aria di entrare nel flusso sanguigno per essere poi distribuito al resto del corpo Vie inalatorie superiori www.radiation-scott.org/deposition/respfig2.gif L’albero tracheo-bronchiale www.ivy-rose.co.uk/.../Tracheo_580w_cIvyRose.jpg www.sallyosburne.com Obiettivi anatomici Tratto respiratorio superiore: Tratto respiratorio inferiore: • Azione locale: • Broncodilatatori • Farmaci Steroidei • Anti-infettivi • Azione Locale & sistemica • Inibitori dell’elastasi • Tensioattivi- surfactanti Dove depositano le particelle ?? Fattori che influenzano la deposizione: Particella: • Dimensioni • Forma • Igroscopicita’ • Densita’ e carica elettrica Paziente: • Anatomia dei polmoni • Stato terapeutico Da cima a fondo: • Tipo di respiro Di diametro e lunghezza del • Tecnica segmento Sezione trasversale www.sallyosburne.com La velocità dell'aria e la resistenza Aerosol deposition in the lungs content.nejm.org/cgi/reprint/358/3/304.pdf Impatto Inerziale > 6 microns Bocca e trachea Sedimentazione 2-6 microns Bronchi & bronchioli Diffusione < 2 microns Bronchioli terminali & alveoli Deposizione delle particelle www.kem.edu/.../Session%209/Dr%20Pierre%20Maheux%20-The%20evolving%20story%20of%20Insulin%20delivery.pdf - 2.7 μm 3.6 μm 5.4 μm Trasporto mucocilliare Compromissione del sistema di trasporto mucocilliare: Problemi clinici • Il fumo: puo’ compromettere il movimento cigliare e la produzione del muco •Microbi patogeni (pseudonomas): le sostanze di rilascio che paralizzano il movimento ciliare • La fibrosi cistica, malattia ereditaria La Clearance delle vie respiratorie Le particelle che sono di dimensioni < 1 microns: Vengono fagocitate dai macorofagi che migrano o fagocitano le particlelle sulla superfice alveolare e le degradano Caratteristiche ideali di un aerosol terapeutico www.nextbreath.net/docs/DeliveryofLargeMoculies(TIDES).pdf Il mercato di oggi: Farmaci inalatori attivi localmente Beta agonists Corticosteroids Antiinflammatory Formoterol Budesonide (Pulmicort) Cromolyn sodium (Intal) Salmeterol (Serevent) Flunisolide (Aerobid) Nediocromil sodium (Tilade) Salbutamol (Ventonil) Beclomethasone Diproprionate (Beclovent Anticholinergics Terbutaline (Brethaire) Triamiciolone acetonide Ipratrompium bromide (Atrovent) Guardando al futuro: Gli sviluppi •Proteine e peptidi •Antiinfettivi ed antibiotici (Tobramycin, gentamicin) • Management del dolore (Morphine, fentanyl) •Vaccini • Ormoni • Gene Therapy vectors & oliglonucleiptide •Immonuglobuline Come possiamo misurare tutto questo in vitro? Diametro aerodinamico: il diametro di una sfera di densità unitaria che ha la stessa velocità di sedimentazione della particella di interesse. Meccanismi di deposizione: di impatto, sedimentazione, diffusione, ecc Massa di particelle fini (e frazione di particelle fini = FPF) WT% Di particelle con meno di una certa dimensione (ad es > 5 μm) Il diametro aerodinamico equivalente è il diametro di una sfera di densità unitaria (1 g / cm ³), che ha la stessa velocità nel risolvere lo stesso gas. Particelle con lo stesso diametro aerodinamico si comportano in modo dinamico identico Modelli esistenti: in vitro Modelli fisisci Twin Impinger Multi stage liquid impinger Cascade Impactor Next generation impactor Misurano la distribuzione aerodinamica delle dimensioni e i livelli di concentrazione di massa di particelle solide e liquide degli aerosol TSI MSLI Marple Miller http://priory.com/pharmacy/images/clip_image005.jpg Campionatori inerziali Caratterizza la massa delle particelle in funzione delle dimenzioni IMPACTORS: MSLI, ACI, Marple Miller, TSI Twin Impinger Apparatus ww.copleyscientific.co.uk/ - MSLI ANDERSON CASCADE IMPACTOR -ACI Next generation impactor-NGI Next Generation Impactor (NGI) Is a pharmacopoeia method Designed for use at varying flow rates Relatively easier to sample and clean USP throat Pre-separator Micro-orifice Collector (MOC) >11.72 µm >2.30 >6.4 >0.83 >1.35 >3.99 µm µm µm >0.54 µm µm µm Drug Delivery Devices pMDI Standard Inhalers Nebuliser DPI Spacers Breath Activated Inhalers Active Inhaler Passive Inhalers Pneumatic Ultrasonic Piattaforme esistenti per l’amministrazione polmonare • Pressurizzati inalatori: gold standard • Dry powders: molto popolari • Nebulizzatori: uso specializzato www.smasupport.com www.prescribingreference.com/.../symbicort.gif www.sk.lung.ca http://www.rddonline.org/education/index.php # I pressurizati e la loro formulazione (pMDIs) Introduzione • pMDIs hanno oltre il 75% della quota di mercato – i DPI hanno il 10% • Oltre 500 milioni di euro all'anno in uso, rispetto a 50 milioni di inalatori a polvere secca. • pMDIs sono aerosol portabili, compatti e pressurizzati • Progettati per somministrare diverse centinaia di dosi con precisione. • Principio attivo da 50μg di 5mg. Prospettiva storica • Date fondamentali nello sviluppo dei pMDI Approx Year Event 1931 First true aerosol development (Rothelm) 1933 CFC 12 Patented 1941 CFC insecticide aerosol developed and produced 1947 Aerosol valves for mass production development 1955 Patent for Metered dose valves (Meshberg) 1956 First solution based pMDI - Medihaler IsoTM and Epi (3M) 1957 First suspension based pMDI - Medihaler EpiTM (3M) 1968 Ventolin™ launched (Allen and Hanbury) 1988 Autohaler™ launched (3M) - Breath Actuated Inhaler 1995 Airomir™ launched (3M) - First HFA formulated Inhaler 1996 Spacehaler™ launched (Medeva) - Propellant velocity reduction 1998 3M HFA patent overturned in the UK Cosa costituisce un pressurizzato Aerosol Canister Aerosol Droplet Drug / Propellant Formulation Metering Valve Atomising Nozzle Aerosol Cloud Attivazione dell’apparato Back of throat D0 = 30µm D10cm = 12µm D = 1-7µm High Velocity Low Velocity V0 - 10cm = 30-50m/s La maggior parte dello spray colpisce l’area orofaringea 6m/s Propellente liquido • A differenza di propellenti a gas compresso, i propellenti liquefatti mantentengono la stessa pressione di equilibrio anche dopo che un po ’di propellente liquido è stato espulso. Equilibrio tra liquido e vapore Activation Pressure Restored (3 - 4 atm) Vapour loss Tipi di propellenti liquidi Hydrocarbons Chlorofluorocarbons (CFCs) Hydrofluoroalkanes (HFAs) Hydrofluorocarbons (HFCs) Liquid vapourisation Pressure Drop v. flammable Phased out (Montreal Protocol) CFC replacement CFC replacement CFCs Vs HFAs • Basso punto di ebollizione (alta pressione di vapore) CFC11, HFA134A Una rapida evaporazione, lasciando particelle solide Ideale per l'inalazione di aerosol • Alto Boiling Point (bassa pressione di vapore) - CFC12, HFA22 Non volatile - non evapora rapidamente. Incoraggia la formazione di goccioline grandi • Variando le proporzioni dei vari propellenti punto di ebollizione qualsiasi pressione di vapore puo’ essere ottenuta (Legge di Dalton e Raoults sulla pressione parziale). • Sensibili alla temperatura 1996 Trattato di Montreal • CFC banditi e HFA introdotti • Phase-out (zero by 2010) Caratteristiche degli HFAs Problemi con la ri-formulazione in HFA • • • • • • Polarità dei HFAS inferiore ai CFC. Surfactants convenzionali insolubili in HFA's. HFA hanno un effetto sugli elastomeri delle valvole Il Design dell’attuatore e’ più critico con HFA's. Processo di fabbricazione necessita di una modifica. Proprieta’Fisico chimiche diverse HFA’s: Più igroscopici (HFA134A = 2,3 g / kg, CFC11 = 0,2 g / kg) Diversa densità Maggiore pressione di vapore Bassa solubilità Diversa volatilità HFA’s Formulazione di pMDIs Actuation of pMDI Aerosol Droplet Drug crystal + Propellant Suspension Technology Solution Technology Distribution of milled drug Solubility of Drug Non-Volatile Solution Technology Non Volatile Additive Formulazione in sospensione • Per la maggior parte dei farmaci, le sospensioni sono preferite, in quanto in genere mostrano una maggiore stabilità chimica. • In grado di offrire elevati carichi di polvere. • Richiede un farmaco micronizzato (DAE circa 5μm). • Richiede un farmaco praticamente insolubile in propellente - meno di 1 ppm (parti per milione). • Il farmaco deve essere disperso liberamente nel propellente. • Richiedono agitazione al fine di garantire la dispersione e l’omogeneita’ della formulazione Il problema principale e’ associato alla stabilita’ fisica Instabilità fisica • Dipende dall'interazione tra il propellente, il farmaco ed i coadiuvanti e le loro rispettive concentrazioni. • Rapida Flocculazione – Agglomerati ‘soffici’ (Forze interparticellari) • Separazione - scrematura o Sedimentazione (Densità, dimensione delle particelle) • Aggregazione irreversibile- Ostwald ripening, Crystal Growth e agglomeranti (Solubilità) • Struttura cristallina ed Instabilità - interconversione polimorfiche • Generalmente richiede la presenza di un tensioattivo Ruolo dell’adiuvante o surfactant • Ruolo primario è quello di garantire la stabilità fisica della formulazione di sospensione. • Deve essere in grado di disperdere e di ri-disperdere il farmaco in sospensione. • Deve dare una distribuzione omogenea del farmaco all'interno della sospensione, in uno stato de-aggregato. • Deve produrre una segregazione minima durante il periodo prima della somministrazione, riducendo le variazioni di uniformità ED. • Tensioattivi (surfactants) comunemente utilizzati comprendono sorbitano (SPAN 85), l'acido oleico, PVP, PEG e lecitine di soia. (0,1-2,0% w/w) Il test finale e’ quello dell’uniformita’ e FPD dell’aerosol Creaming Tipica formulazione in sospensione Micronised Drug (2 - 3µm) 20-100µg Surfactant (Oleic Acid) 0.1 - 2.0 %w/w Propellant (HFA 134a) 10ml Can size 100-400 Actuations Metering Chamber 20-200µl Formulazioni in soluzione • Logica scelta se solubilità e stabilità del farmaco in propellente + cosolvente sono adeguati. • Necessita lo studio accurato della stabilità chimica del farmaco in soluzione: Individuare il pH per una stabilità ottimale. Effetto della temperatura. Farmaci che sono solubili hanno il potenziale per cristallizzare nel corso della shelf-life, specialmente con cambiamenti di temperatura. • Di solito richiede un co-solvente (etanolo) - poiché I propellenti di solito non sono solventi. Esempio Brevetto 3M Problemi con la formulazione in soluzione • La presenza di un co-solvente può causare la corrosione di un contenitore di alluminio (plastica, flaconi in vetro rivestito) • I Farmaci possono essere relativamente instabili. • La presenza di un co-solvente non volatile abbassa la pressione interna del propellente, quindi, l'atomizzazione è meno efficace. • Idealmente, e’ opportuno modificare il farmaco per renderlo solubile nel propellente Formulazione tipica Farmaco (non micronizato) Etanolo Saccarina Sapore Antiossidante Propellente La quantita’ dipende dalla solubilita’ Aumenta la solubilita’ Gusto Mentolo Acido ascorbico Pressione interna Problemi con pMDIs • • • • • Coordinazione del paziente Effeto: Cold Freon ‘Tail off’ alla fine del prodotto Forza dello spray Deposizione variabile Questi problemi possono essere affrontati attraverso una modifica del dispositivo e / o durante lo sviluppo di prodotti HFA pMDI: Istruzioni sull’uso del prodotto • Deve essere agitata prima dell'uso • Il Paziente deve inspirare lentamente (<30L/min) e contemporaneamente durante l’attivazionerichiede un certo livello di coordinazione • Durante l’attuazione la respirazione dovrebbe essere sospesa per 5 - 10s. • Solo il 20-25% dei pazienti eseguono queste istruzioni essenziali. • Circa il 96% segue le istruzioni dei DPI pMDI: I problemi dei pazienti n = 100 % Incorrect Use Remove Cap 7 Shake Inhaler 43 Breathe out during actuation 29 Position in Mouth (between lips and teeth) 29 Slow inhalation (~ 30L/min) 64 Actuate at Start of Inhalation 57 Forgot to continue to Inhale 46 Hold Breath (~ 5s) 43 Exhale Slowly 54 Bisogna cercare di eliminare il problema dei pazienti! Possibili soluzioni? Spacers Breath Actuated inhalers Esempio di riformulazione Caso studioCFC vs HFA Beclomethasone dipropionate (BDP) inhaler CFC-Inalatori steroidei • 70-95% del farmaco depositato nella bocca • Produce effetti collaterali – dysphonia (hoarse voice) – infezione da candida (oral thrush) – "cold freon" effect • Bassa probabilita’ che arrivi a livello polmonare Riformulato in HFA? Confronto: CFC to HFA transition (BDP 50µg pMDIs) Materials CFC Suspension Becotide 50 HFA Solution QVAR 50 In-vitro Methods Andersen Cascade Impactor In vivo Methods Gamma Scintigraphy Data Cloud Size Distribution, MMAD Fine Particle Dose ( 5µm) Stages 3 to filter(8) Respirable Dose (1.1 - 5µm) Stages 3 to 5 Ultra Fine Particle Dose ( 1.1µm) Stages 6 to filter(8) QVAR vs. Becotide 60 QVAR 50 (HFA) BDP Deposition (%) 50 Becotide 50 (CFC) 40 30 20 10 0 AM TH S0 S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 Filter pMDI FPD (µg) Resp. Dose (µg) UFPD (µg) MMAD (µm) Becotide 50 12 2 10 2 21 3.4 0.3 QVAR 50 21 1 10 1 11 1 1.0 0.1 Caratterizzazione in vivo Becotide 50 (CFC) QVAR 50 (HFA) 94% Oral 31% 4% Lungs 51% Exhaled 18% 1% Leach, 1998 Miglioramenti relativi al propellente Qvar 50 Becotide 50 Product Impact Force (mN) Spray Temperature (°C) Becotide 50 106.1 -32.2 Qvar 50 33.1 2.4 Il nuovo HFA BDP Aerosol • Più farmaco nei polmoni e nelle piccole vie aeree • Meno farmaco depositato in area orofaringea a causa della diminuzione della velocita’ dello spray. • PK e studi clinici dimostrano che i pazienti ricevono 2-2,5 volte la dose terapeutica rispetto alle formulazioni in CFC. • Consente un trattamento equivalente, con una minore quantità di farmaco somministrata al paziente. • Quindi, la riduzione complessiva degli effetti collaterali sistemici Il futuro del PMDI Soft mist nebulizzatori Video No propellente Energia data dalla molla interna Rilascio del farmaco molto piu’ lungo (1.2) sec Indipendente dal respiro del paziente www.nextbreath.net/docs/DeliveryofLargeMoculies(TIDES).pdf Dry Powder Inhalers (DPIs) La scienza della formulazione delle polveri Inalatorie Poleveri inalatorie (DPIs) • Inalatori a polvere secca sono attivati dal flusso inalatorio • Automaticamente azionati dall’inalazione del paziente • Relativamente facili da usare. • Accettati dai pazienti e dall’ambiente: considerati ‘green’ • Possibili sostituti per i pMDIs Tuttavia, il problema e la sfida principale per gli Inalatori a polvere secca è che l'ispirazione è una fonte di energia altamente variabile! DPIs – Massimizzare l’ energia • L’aerolizzazione di particelle richiede energia fornita da: • Capacita’ Inspirazionale (dV / dT) • Resistenza al flusso d'aria del dispositivo (Rdevice) P = dV Rdevice dt • I dispositivi sono progettati per utilizzare l'energia da generare un flusso d'aria turbolento. • Varie formulazioni differiscono per il fabbisogno energetico per l’aerolizzazione DPIs sul mercato Dose respirabile Dipende da 3 fattori intercorelati: • • • Formulazione della polvere. L’apparato inalatorio. Il flusso inspiratorio del paziente. La Complessa interazione tra questi fattori regolano la dose respirabile e l'efficacia terapeutica. Dry Powder Inhalers (DPIs) Problemi chiave • La particelle devono raggiungere I polmoni a livello profondo • Le particelle devono essere di dimensioni minori di 5µm (aerodinamic diameter). • Le polveri devono esere micronizzate e consequentemente sono molto coesive e difficili da manipolare Formulazione delle polveri • Lo sviluppo di formulazioni per inalazione richiedono l'ottimizzazione del flusso e della dispersione delle particelle respirabili. • Le Interazioni fisiche che governano queste proprietà sono dominanti in particelle di dimensioni respirabili (0.5 - 5.0μm). • La Formulazione dei farmaci DPI richiede una manipolazione efficiente. Dimenzione particellare ed interazione della polvere Interactive Force (N) 10-5 10-10 1 10 100 Particle Diameter (µm) Quali sono I fattori fisici che determinano l’adesione? Le forze interparticellari sono costituite da: • Van der Waals • Forze Elettrostatiche • Forze capillari Il contributo relativo di questi componenti sulla adesione / coesione totale dipende dai materiali che interagiscono e dall’umidità Forze van der Waals +- • Omni presenti • Forza di attrazione finita tra tutti gli atomi • Forza che agisce a piccole distanze. • Forza dominante a bassa umidita’ ed in assenza di forze elettrostatiche • Per una particella di 10µm, Fadhesion ~ 10-8 N A dipole Particle +-+ +-+ Substrate Forza capillare • Dovuta dalla condensazione del vapore tra due superfici contigue • Forma un ponte liquido • La grandezza di questa forza e’ direttamente correlata con l’umidita’ relativa e l’idrofobicita’ delle particelle • 10µm, Fadhesion ~ 10-6 - 10-7N Particle Adsorbed water Substrate Forze elettrostatiche • Causata dalla frizione che si forma dal contatto tra materiali dissimili (triboelectrificazione) • Forza che agisce a lunghe distanze. • Puo’ essere attrattiva o repulsiva. • La grandezza aumenta a bassa RH%. • 10µm, Fadhesion ~ 0 - 10-5N Particle + + + - - - - Substrate - - - L’effetto dell’umidita’ relativa sull’adesione delle particelle Effetti elettrostatici Vs Effetti superficiali di tensione % C.V. 15 10 5 0 20 30 40 50 60 70 80 90 % R.H. Forze elettrostatiche Forze capillari Altri fattori che influenzano l’adesione delle particelle Energia di superfice - Intrinsic "free" energy Rugosita’ superficiale - area di contatto Proprieta’ meccaniche - Durezza Condizioni ambientali- Temp. & %RH Grande area di contatto: Piccola area di contatto: Forte interazione Interazione debole Le interazioni possono essere controllate e modificate • Interazione Farmaco-Farmaco (Coesione) • Interazione Farmaco – eccipiente (Adesione) • Interazione farmaco-apparato (Segregazione) La somma di queste interazioni governa l’efficenza del sistema Quali strategie di formulazione possono essere utilizzate per modificare e controllare queste interazioni? Dry Powder Aerosols: Strategie di formulazione Carrier - Based Systems Adhesive bond formation Inspirational Force (Patient) Agglomerated Systems Cohesive bond formation Inspirational Force (Patient) Carrier Based Exipients a-Lactose Monohydrate (63 - 90µm) Carrier-based Formulazioni La Miscelazione di particelle con un ‘vettore’ ha una serie di vantaggi: • Consente misurazioni precise di piccoli quantitativi di farmaci potenti (<100μg). • Migliora la manipolazione e l’uso della formulazione. • Le seguenti proprietà del carrier sono utilizzate per migliorare la frazione di particolato fine (FPF), praticamente per aumentare la quantita’ di farmaco che raggiunge I polmoni: Distribuzione granulometrica (di solito 63-90μm) Particella Habit / forma Morfologia superficiale Dry Powder Inhaler Caratteristiche della polvere inalatoria Oro-Pharynx Throat Inhaler Mouthpiece Key Carrier Particle Drug Particle Capsule Bronchial Tree Meccanismo (c) Separation of drug/carrier in airway due to different entrainment and deposition characteristics (a) High free surface area and energy drug particles Miscelazione (b) Preferential adhesion to carrier surface Attivazione Carrier lattosio miscelato con una farmaco micronizato Teoria dei siti attivi: L’effetto della struttura superficiale sull’adesione particellare +100nm 0 -100nm ‘Passive’ Sites ‘Active’ Sites Passivazione dei siti attivi: Miscelazione con Fine Particle Lactose (FPL) Coarse Lactose Secondary Blend with Fine lactose FPL %FPF = 17.0% Tertiary Blend with Drug DRUG Fine Lactose Particles located in active sites Drug Particles located in low energy sites %FPF = 36.4 % Aumento di 2 volte della dose terapeutica del salbutamolo solfato P.M. Young et al. / International Journal of Pharmaceutics 296 (2005) 26–33 Morfologia delle particelle Farmaco micronizzato Cristallizzazione controllata Il futuro? Formulazione:Sistema agglomerato Sistema agglomerato • Per i farmaci ad alte dosi, la formulazione con carrier non e’ possibile • "Free flowing" agglomerati possono essere prodotti via coesione. • La Disaggregazione efficiente degli agglomerati è necessaria in modo che il farmaco arrivi ai polmoni in forma di particelle discrete. Meccanismo (c) Separation of drug-containing particles in airway due to different turbulent airstream. (a) High free surface area and energy drug - containing particles (b) Cohesive agglomerate formed Sistema agglomerato Prodotti innovattivi….ma ora fuori mercato! Insulina via inalatoria: Exubera by Nektar ora Pfizer Conclusioni • Le prestazioni di un sistema di DPI dipendono da: formulazione della polvere, dispositivo e forza di inspirazione del paziente. • L’ Aerosolizzazione delle particelle è governata dalle forze interparticellari • L'adesione delle particelle è un processo dinamico. • Le Strategie di formulazione sono carrier-based o agglomerati