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Corso di Laurea Magistrale in Chimica e Tecnologia Farmaceutiche

Universita‟ degli Studi di Milano

Prof. Andrea Gazzaniga

PREFORMULAZIONE FARMACEUTICA

slides Dott.ssa Anastasia Foppoli

Tecnologia e Legislazione Farmaceutiche II - 9 CFU

• PHARMACEUTICAL PREFORMULATION

the physicochemical properties of drug substances

James Wells – Ellis Horwood Limited

• PHARMACEUTICS: the science of dosage forms design

cap 8. pharmaceutical preformulation: the physicochemical

properties of drug substances – J. Wells

M.E.Aulton – Churchill Livingston Ed.

Materiale didattico utile

THE THEORY AND PRACTICE OF INDUSTRIAL PHARMACY cap 8. preformulation – E.Fiese

Leon Lachman et al.- Lea & Febiger Ed.

le basi chimico-fisiche della TECNOLOGIA FARMACEUTICA

A.Florence and D.Attwood – EdiSES

PRINCIPI DI TECNOLOGIE FARMACEUTICHE cap 7. sviluppo farmaceutico - G. Bettinetti

P. Colombo et al. - Casa Editrice Ambrosiana

Storicamente l‟interesse risale alla fine degli anni „50, non a caso in contemporanea con la crescita di Farmacocinetica e Biofarmaceutica.

Salto di qualità

1983 Stability of Dosage Forms (FDA-Industry Interface Meeting, Washington D.C., Oct. 7)

1984 Official requirements for INDs (Investigational

New Drug) and NDAs (New Drug Approval) (Stability Guidelines, Congressional Record, May 7)

miglioramento dei metodi analitici

Sviluppo di un nuovo farmaco: approccio multidisciplinare

Preformulation research

Medicinal chemistry and Pharmacolgy

Formulation development

Process research and development

Analytical research and development

Toxicology and drug metabolism

DISCIPLINES

Investigational new drug (IND) application

Drug Discovery

Molecular Optimization - salts and solvates - prodrugs

Evaluation and Selection of drug

Literature Search Preliminary Data

- stability assay - key stability data - key solubility data

Formulation Request

Physical Characterization

- bulk properties - solubility profile - stability profile

Formulation Development

- compatibility and stability - dissolution - bioavailability

Phase I Formulation

- IND stability - bioavailability - scale up

Process Research

- improve yield - alternate route - produce bulk

Process Development

- bulk scale-up

Analytical Research

- assay development

Analytical Development

- bulk clearance

- toxicology potency

- formulation assay

- IND formulation stability

Bioavailability

- in vivo models

Toxicology

- acute

- chronic

conoscere le caratteristiche chimiche e fisiche del principio attivo

definire il profilo/cinetica di degradazione

valutare la compatibilità con possibili eccipienti da impiegare nell‟allestimento della forma farmaceutica

Obiettivi di uno studio di preformulazione:

Jens T. Carstensen, “Preformulation”; Modern pharmaceutics, II Edition; 239-261, G.S. Banker Ed., C.T. Rhodes, Marcel Dekker Inc.

Sintesi possibile attività di guida e scelta della miglior forma chimica e fisica del principio attivo (solubilità, stabilità: sostituenti diversi, sali, polimorfi...)

Formulazione linee guida per i possibili approcci formulativi ---> scaling up ---> produzione industriale

PREFORMULAZIONE

Proprietà

dipendono dalla forma fisica delle particelle del solido (aspetto morfologico)

Fondamentali:

Caratterizzazione di un principio attivo

dipendono dalla struttura molecolare (caratteristiche chimico-fisiche)

parametri assoluti, teoricamente NON dovrebbero variare in seguito ad attività formulative e produttive

Derivate: parametri non assoluti, possono variare in seguito ad attività formulative e produttive.

Programma di preformulazione

Fondamentali

Derivate

ordine di priorità

Spettroscopia UV

La maggior parte delle molecole assorbe la luce nell‟intervallo di lunghezze d‟onda dell‟ultravioletto (190-390 nm)

Sviluppo di un metodo analitico

spettroscopia UV

Spettroscopia UV

Assorbanza (A)= log10 (I0/I)= e•[c]•l

equazione di Lambert – Beer:

cm1E coefficiente di estinzione di una soluzione all‟1% p/v

coefficiente di estinzione di una soluzione 1M ε

“e”

Solubilità

Cs > 10 mg/mL ai diversi pH fisiologici -> OK

Cs < 1 mg/mL potenziali problemi -> sale, veicolo liquido ≠ H2O

forme solide orali

forme iniettabili (già in fase preclinica si somministano soluzioni iniettabili all‟animale da esperimento)

Perchè è importante poter fare una soluzione di principio attivo?

“Corpora non agunt nisi soluta”

……………………..

Solubilità

solido solvente

Cs = solubilità all‟equilibrio/in presenza di corpo di fondo

Come si determina sperimentalmente Cs?

T, P costanti

soluzione satura

determinazione della concentrazione con opportuno metodo

Solubilità

Come si esprime la solubilità?

soluzione satura

Come si esprime una concentrazione:

• g/litro

• Moli/litro

• % p/v (grammi di soluto/100 ml soluzione)

• ……..

Secondo Farmacopea

FU XI Ed

Solubilità

Natura del solvente (polare/apolare, protico,…)

Forza ionica (tipo di ioni)

Da che cosa dipende Cs?

• TEMPERATURA, PRESSIONE

• CARATTERISTICHE DEL SOLUTO

• CARATTERISTICHE DEL SOLVENTE

Struttura chimica (gruppi polari, catene lineari/ramificate,..)

Impurezze

Forma fisica (solubilità apparente)

Solubilità

Es.: somministrazione orale

Quali condizioni più significative per misurare Cs?

DIPENDE DALLA FORMA FARMACEUTICA/VIA DI SOMMINISTRAZIONE SCELTI PER IL FARMACO

pH acido (HCl), isotonico al fluido gastrico, 37°C

Non sempre nelle fasi iniziali dello sviluppo farmaceutico sono già state individuate le modalità di somministrazione

solvente, pH, forza ionica, temperatura,….

Solubilità intrinseca

SOLUBILITA‟ INTRINSECA (C0):

solubilità della sostanza “pura” in forma non ionizzata

• in ambiente acido per acidi deboli

• in ambiente basico per basi deboli

• in assenza di impurezze

Solubilità intrinseca

SOLUBILITA‟ INTRINSECA

• in presenza di impurezze, per conoscere la solubilità intrinseca bisogna costruire il diagramma di solubilità di fase

• solubility analysis with non-interacting components

• solubility analysis with interacting components (complexation solubility analysis)

solubility analysis: PURE COMPOUND

quantità crescenti di

solido

EQUILIBRIO

volume costante di

solvente

solubility analysis: PURE COMPOUND

quantità di solido aggiunto/unità di solvente

quantità di soluto /unità di soluzione

solubility analysis: NON INTERACTING COMPONENTS

quantità di solido aggiunto/unità di solvente

quantità di soluti /unità di soluzione

A-B i 2 componenti passano in soluzione

B la soluzione è satura rispetto a 1 dei 2 componenti

B-C il componente non ancora alla saturazione continua a sciogliersi

C-D la soluzione è satura rispetto ad entrambi i componenti

CS1+CS2

solubility analysis: INTERACTING COMPONENTS

quantità di componente interagente aggiunta alla soluzione satura

quantità di soluto /unità di soluzione

sostanza pura

in presenza di impurezze: solubilità (es. agenti solubilizzanti, complessanti)

in presenza di impurezze:

solubilità (es. ione comune, salting out)

ciclodestrine

Natural Cyclodextrins

β-Cyclodextrin:

Seven α-1,4-linked gluco-pyranose units form a cone with a hydrophilic outer surface and a lipophilic cavity in the center.

cavità relativamente più

idrofoba porzione esterna idrofilo

Natural Cyclodextrins

4.7-5.3

6.0-6.5

7.5-8.3

molecular weight

glucose units

H2O solubility g/100mL @ r.t.

cavity Ø (Å)

CD type

HOCH 2

Derivatized Cyclodextrins

NA H α, β, γCD

1.8 CH3 M- β CD

0.9 (CH2)4SO3 SBE- β CD

0.3 CH2CHOHCH3 2-HPβCD

degree of substitution

(per sugar moiety) R Cyclodextrin

Some cyclodextrin-containing products

Cyclodextrin Product Trade name

aCD PEG1 iv infusion Prostavastin (Eur.), Caverject (USA)

bCD Piroxicam tablets Brexin (Eur.)

HPbCD Intraconazole oral

solution and iv soln.

Sporanox (Eur. and USA)

SBEbCD Ziprasidone

maleate im solution

Zeldox (Eur.), Geodon (USA)

RMbCD Estradiol nasal

Aerodiol (Eur.)

gCD OP-1206 tablets Opalmon (Japan)

HPgCD Diclofenac sodium

eye drop solution

Voltaren (EUR.)

World-wide there are close to 30 cyclodextrin containing pharmaceutical products on the market and most of them are marketed in more than one country. Almost half of them contain the natural bCD.

Doxorubicin-βCD complex

Aspirin-βCD complex

Composti di interazione farmaco-ciclodestrina

ciclodestrina farmaco composto di interazione

K c = [D-CD]

[D] [CD]

diagrammi di tipo A (complessi solubili)

AL diagramma di complessi del primo ordine rispetto a L (SL, S2L, S3L, … SLm)

AP diagramma di complessi di ordine >1 ( SL2, SL3,.. SLn)

AN • alterazione delle caratteristiche del solvente in presenza di elevate concentrazioni di L -> cambiamento della costante di formazione del complesso

• self-associazione di L

diagrammi di tipo B (complessi insolubili)

Bs S0-a: formazione del complesso

a: è raggiunta la solubilità del complesso

a-b : si forma il complesso e precipita; il corpo di fondo di S si solubilizza

b : tutto il farnaco solido in eccesso è stato trasformato in complesso

b-c: il farmaco libero in soluzione viene rimosso dalla soluzione per formazione del complesso

Bi complesso altamente insolubile -> la solubilità non aumenta mai

stechiometria del complesso

costante di associazione del complesso

AL mol

moli L

mS + nL SmLn m, n ?

( : ) ( )a

slopeK

S slope

Solubilità: effetto del pH

-dalla pK dei propri gruppi ionizzabili (-COOH, -NH2, ecc.)

- dalla solubilità intrinseca delle forme ionizzata e non ionizata

PER QUESTI FARMACI LA SOLUBILITA‟ DIPENDE DA:

è necessario conoscere la pK della sostanza per poter prevedere/interpretare l‟effetto del pH sulla solubilità

~ 75% farmaci sono basi deboli B + H2O BH+ + OH- Kb

~ 20% farmaci sono acidi deboli AH + H2O A- + H3O+ Ka

~ 5% farmaci non ionici, anfoteri, alcoli

AlogpkpH a

AH + H2O A- + H3O+ Ka

B + H2O BH+ + OH- Kb

ACIDO DEBOLE

Ka = [A-] • [ H3O+]

BASE DEBOLE

Kb = [BH+] • [OH-]

in forma logaritmica (pKa= -log Ka)

AHlogOHppK

Eq. di Henderson-Hasselbalch

BlogOHppK

pKa + pKb = pKw

pH + pOH = pKw

BH+ + H2O B + H3O+ Ka

BlogpkpH a

AlogpkpH a

BlogpkpH a

•relazione pH/grado di ionizzazione

•relazione pH/solubilità

•pH di una soluzione della sostanza

•determinazione sperimentale della pKa

• formazione di sali

ACIDO DEBOLE

BASE DEBOLE

relazione pH/grado di ionizzazione

Il grado di ionizzazione di farmaci acidi o basi deboli a un determinato pH può essere calcolato dalla Henderson - Hasselbalck

Figura 3.1 aulton pg 37

AlogpkpH a

pk pH a

Es. ASPIRINA pKA= 3,5

in ambiente gastrico (pH= 2) 2 = 3,5 + log [AH]

[AH] : [A-] = 31,62: 1

a livello plasmatico (pH= 7,4) 7,4 = 3,5 + log

AlogpkpH a

[AH] : [A-] = 1,259 x 10-4 : 1

Es. ASPIRINA pKA= 3,5

in ambiente gastrico (pH= 2)

a livello plasmatico (pH= 7,4)

AlogpkpH a

(a) farmaco di natura acida (indometacina)

(b) farmaco di natura basica (clorpromazina)

(c) farmaco di natura anfotera (ossitetraciclina)

se consideriamo un acido debole

AH + H2O A- + H3O+ Ka

ad un qualsiasi valore di pH la solublità (Cs) sarà data da:

Cs= [AH] + [A-]

ma: [AH] = C0

[A-] = Ka [AH]/[H3O+]

= Ka C0/[H3O+]

Sostituendo:

Cs = C0+ Ka C0/[H3O+] = Co (1 + Ka/[H3O

Ka = [A-] • [ H3O+]

Sostituendo:

Cs = C0+ Ka C0/[H3O+] = Co (1 + Ka/[H3O+])

in forma logaritmica:

Log Cs = Log C0 + Log (1+ Ka/[H3O+])

Per valori pH ≤ pKa

Ka/[H3O+] ≤ 1

Log Cs ~ Log C0

Per valori pH = pKa + 1, 2, 3, 4, ....

Ka/[H3O+] = 10, 100, 100, ..

Log Cs ~ Log C0+ 1, 2, 3,..

Come si determina sperimentalmente pKa?

• metodo potenziometrico

• misure di solubilità a diversi pH

• metodo spettroscopico

Metodo potenziometrico* *per sostanze adeguatamente solubili

acidi con pKa <11; basi con pKa >3

Determinazione della pKa da misure di solubilità*

AlogpkpH a

BlogpkpH a

Si basa su 3 misure di solubilità:

in NaOH 0.1 M (per basi deboli)

in HCl 0.1 M (per acidi deboli)

pH 4 e pH 6 (per basi deboli)

pH 6 e pH8 (per acidi deboli)

C0 [B], [AH]

Cs = [B] + [BH+]

Cs = [AH] + [A-]

*per acidi con pKa <11

e basi con pKa >3

in NaOH 0.1 M → Co= [B]

a pH 4 e 6 → Cs = [B] + [BH+]

log pH pKa Cs - Co

[BH+] = Cs - [B] = Cs – Co

Sostituendo nella HH:

Sostituendo:

Per esempio per una base debole:

Per esempio clordiazepossido (base debole):

Co= 2 mg ml-1

Cs a pH 4= 14,6 mg ml-1

Cs a pH 6= 2,13 mg ml-1

log pH pKa Cs - C0

sostituendo

log 4 pKa 14,6 - 2 = 4,799

log 6 pKa 2,13 - 2 = 4,813

Valore di letteratura 4,6

sperimentale

log pH pKa Cs - Co

log Cs-Co

Determinazione della pKa da misure spettroscopiche*

*per sostanze a bassa solubilità

per acidi con pKa <2 e basi con pKa >11

l‟assorbanza (a una certa l) di una soluzione (a concentrazione C) in cui sono presenti specie dissociata (d) e indissociata (i) sarà data da:

Al= Ad + Ai dove: Ad= ed l Cd

Ai= ei l Ci

≠ pH ≠ Cd e Ci ≠ Al

Al= Ad + Ai

Cd = Fd C

Ci = Fi C

Fd e Fi frazione della sostanza in forma dissociata e indissociata, rispettivamente

Fd =[A-]/([A-]+[AH])

Ka Fd = [AH]

[H3O+] /

Ka [AH]

[H3O+] +[AH]

Per un acido debole

[A-] =Ka[HA]/[H30+]

Ad= ed l Cd = ed l Fd C

Ai= ei l Ci =ei l Fi C

analogamente per la forma indissociata:

ricordando che:

sostituendo:

acido debole

base debole

Al= Ad + Ai

Al= (ed Fd + ei Fi ) l C

Essendo C uguale in tutti i campioni

d a i a

3 a 3 a

A K AKA = +

H O + K H O + K

3 a 3 a

AK A KA = +

H O + K H O + Ki d

Riarrangiando l‟equazione

3 a d a i 3A H O + A K = A K + A H O

3 i aH O A A = K A Adl l

acido debole

base debole

che in forma log diventa:

+3 i a

H O A A =K A Ad

A Alog

pKa pH

A Alog

pKa pH

Si misura l‟assorbanza (A) di una soluzione della sostanza in

esame a 7 diversi pH (pH = pKa; pH =pKa ± 1, 0.5, 0.25).

pKa= pH + log (Ad - A)

(A - Ai) acido debole

= pH + log (Ai - A)

(A - Ad) base debole

Le letture sono condotte alla l alla quale si ha la maggior differenza di

assorbimento tra le specie dissociata e quella indissociata

Si misura l‟assorbanza della soluzione a valori di pH in cui il

farmaco è completamente in forma indissociata (A=Ai) e

dissociata (A=Ad)

Programma di preformulazione

Fondamentali

Derivate

ordine di priorità

approccio generalmente seguito per aumentare la

solubilità di farmaci scarsamente solubili……

…… ma non solo….

• antibiotici salificati con macromolecole per la distribuzione preferenziale nel sistema linfatico

• preparazione di sospensioni • taste masking • rilascio prolungato (forme i.m. depot, forme farm. per uso oftalmico, ..)

SOLUBILITA‟

Requirements for the selection of a range of potential salts

Chemical process group

Formulation and analytical groups

Drug metabolism group

yield, rate and quality of the crystallization

costs and availability of “reagents”

hygroscopicity stability solubility processability profile

pharmacokinetic aspects

Safety evaluation group toxicological effects of chronic and acute dosing of the drug and the salt former

Sali di potenziale uso farmaceutico

Criteri per la scelta del sale

• non tossicità

• possibilità di formazione del sale

• solubilità

• stabilità chimica e fisica (igroscopicità)

• tollerabilità

• processabilità

•possibilità di formazione del sale

pKa 2 pKa 6 pKa 9

forza della base

possibilità di formazione di sali

•possibilità di formazione del sale

per salificare basi/acidi deboli, possono essere necessari acidi/basi forti

generalmente sali liberamente solubili

spesso i corrispondenti sali sono igroscopici

le soluzioni di questi sali possono raggiungere valori di pH non compatibili con quelli previsti dalla via di somministrazione scelta o tali da compromettere la stabilità chimica della molecola (autocatalisi del sale)

•pH di una soluzione del sale

si può conoscere se sono note le pKa dei

componenti del sale

Per sali costituiti da:

pH= ½ (pKa(base) – log Ca) base debole (pKa<12) acido forte (pKa<2)

il pH della soluzione è dato da:

acido debole (pKa>2) base forte (pKa>12)

pH =½ (pKa(acido) + pKw + log Cb)

acido debole (pKa>2) base debole (pKa<12) pH =½ (pKa(acido) + pKa(base))

Effetto della salificazione sul pH e sulla solubilità di clordiazepossido

•solubilità del sale

Può dipendere da:

•pH della soluzione

•temperatura di fusione del sale

•natura dell‟agente salificante

•temperatura di fusione

Influenza:

• solubilità

• processabilità

• stabilità chimica

Relazione tra temperatura di fusione e solubilità

solubilità

Relazione tra temperatura di fusione e solubilità

solubilità

Salt selection for basic drugs P.L. Gould, Int. J. Pharm. 33, 201-217 (1986)

UK 47880

mp 74°C

UK 47880 free base

pamoate (embonate)

4-hydroxynaphthalene-1-sulphonate

salicylate

3-hydroxynaphthalene-2-carboxylate

2-hydroxynaphthalene-1-carboxylate

anthraquinone-3-sulphonate

dodecylbenzene sulphonate

mesylate

citrate

235 280

170 190

156 158

223 220

145 120

234 225

113 20

20 153

Melting point (°C)

salt conjugate acid

Salt selection for basic drugs P.L. Gould, Int. J. Pharm. 33, 201-217 (1986)

clorexidina

•velocità di dissoluzione FARMACI NON SALIFICATI

acido debole scarsa velocità di dissoluzione nello stomaco

buona velocità di dissoluzione nell‟intestino

base debole buona velocità di dissoluzione nello stomaco

scarsa velocità di dissoluzione nell‟intestino

Diffusion layer

Diffusion layer Membrane

Microprecipitate of drug (HD)

Bloodstream

Redissolution

(Gastric fluid)

pH 1-3

Na+D- D-

Solid phase

pH 7-8

Velocità di dissoluzione

Stabilità chimica

STABILITA‟ ALLO STATO SOLIDO

STABILITA‟ IN SOLUZIONE

Stabilità chimica

• nel caso di sali ottenuti con acidi forti

si possono avere problemi di stabilità

(idrolisi) in soluzione del farmaco per

effetto del pH prodotto dall‟acido

stesso

• bisogna valutare il pH di massima

stabilità del farmaco

STABILITA‟ IN SOLUZIONE

Stabilità fisica

generalmente si intende la tendenza del sale a mantenere le sue caratteristiche fisiche al variare di:

temperatura

umidità

Stabilità fisica

generalmente si intende la tendenza del sale a mantenere le sue caratteristiche fisiche al variare di:

si definiscono IGROSCOPICHE le sostanze che instaurano un equilibrio dinamico con l‟acqua presente

nell‟atmosfera

UMIDITA’

DELIQUESCENZA

EFFLORESCENZA manifestazioni “limite”

• sali preparati con acidi o basi forti sono generalmente più igroscopici

Stabilità fisica – IGROSCOPICITA‟

variazione ponderale di sali diversi conservati a t.a., 93% RH

camere climatiche

Campione di polvere

Soluzione satura sale

variazione ponderale di 3 materiali conservati a t.a., a diversa RH%

UR 84%

0 15 30 45 60 75 90 105 120

giorni

UR 97%

0 15 30 45 60 75 90 105 120

giorni

variazione ponderale di un materiale conservato a t.a., a diversa RH%

0 15 30 45 60 75 90 105 120

giorni

variazion

ondera

forma A

forma E

95% RH

20% RH

bentonite

starch

methyl cellulose 15 cps

ethylcellulose 15 cps

20 40 60 80 100

Relative Humidity - per cent

TOLLERABILITA‟

• bisogna prendere in considerazione sali

che determinano pH “compatibili” con quelli

considerati accettabili per una determinata

via di somministrazione

Es: - 3 < pH < 9 per soluzioni iniettabili

- pH non troppo acido per la “palatabilità” delle forme liquide orali

Solventi

alternativi all’ H2O

Soluzioni iniettabili

(farmaci insolubili in acqua)

Co-solventi miscibili con acqua

Soluzioni micellari di tensioattivi

Agenti complessanti

Emulsioni, Sospensioni iniettabili Caspule molli …….

Olii naturali e sintetici

Farmaci instabili in ambiente acquoso

Co-solventi di possibile impiego farmaceutico

• etanolo

• glicole etilenico (PEG400)

• glicole propilenico

• glicerina

Olii di possibile impiego farmaceutico

• paraffina liquida

• isopropilmiristato

• olio di cocco

• olio di arachidi

• etil oleato

• …….

Solubilità in miscele binarie di solventi

Coefficiente di ripartizione

P = [C]olio

[C]acqua

Parametro che esprime il grado di lipofilia/idrofilia di una sostanza

Coefficiente di ripartizione

(C1-C2)

Coeff. di ripartizione olio/acqua

generalmente indicato in forma

loaritmica: Log P

• scelta delle condizioni cromatografiche (HPLC, TLC)

• formulazione di emulsioni (ripartizione dei preservanti)

• rilascio da preparati semisolidi (dermatologici e rettali, vaginali,….)

• solubilità

• assorbimento del farmaco in vivo

• efficienza di estrazione del farmaco da campioni biologici

Il coefficiente di ripartizione può influenzare:

per molecole ionizabili Coeff. di distribuzione olio/acqua

D = [Cnon ionizz]olio

[Cionizz]acq [Cnon ionizz]acq +

P = [C]olio

[C]acqua

Coeff. di ripartizione olio/acqua

per molecole neutre

(C1-C2)

Coefficiente di ripartizione Come si determina Log P?

Flask-shaKe method

solvente immiscibile con H2O

uguali volumi delle due fasi

Shake per 30 min, standing 5 min

Tradizionalmente OTTANOLO (d=0,8258 g/ml)

KOW = P =

[C]olio

[C]acqua

(C1 – C2)

= per volumi uguali delle 2 fasi

per volumi in rapporto 1:9 olio: H2O (10C1 – C2)

pKa=10 pKa=3.1

Come si determina Log P:

Flask-shaKe method

Metodi computazionali (Fujita-Hansch π , Rekker method, Hansch-Leo, metodi combinati,…): si basano sul calcolo dei contributi dei vari frammenti della molecola

Metodo cromatografico: si basa sulla correlazione tra tempo di ritenzione e log P; si valutano i tempi di ritenzione della molecola di interesse e di una serie di sostanze di riferimento

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