Melhores práticas para pré-formulação no desenvolvimento de medicamentos

Por Andrei Blasko, em nome da AAPS

Os testes de pré-formulação abrangem todos os estudos realizados em um novo composto medicamentoso, a fim de produzir informações úteis para a formulação subsequente de uma forma farmacêutica estável e biofarmaceuticamente adequada. 1 A pré-formulação é a conexão entre a descoberta e a entrega de medicamentos. Devido à rivalidade científica entre a descoberta e o desenvolvimento de medicamentos, o grupo de pré-formulação desempenha o papel de negociador de paz. Em algumas empresas, a linha entre a pré-formulação e a formulação é uma zona cinzenta; mantê-los separados leva a grandes recompensas.

Existem vários estágios para estudos de pré-formulação durante o desenvolvimento: pré-formulação para seleção de medicamentos candidatos em química medicinal (MedChem) ou estágio de descoberta de medicamentos, pré-formulação em desenvolvimento inicial e pré-formulação em desenvolvimento tardio (principalmente para caracterização extensa, como todos os polimorfos possíveis).

A via de administração determina o que é importante na pré-formulação. Idealmente, para uma forma de dosagem sólida oral, prefere-se para desenvolvimento um composto polimorfo estável, solúvel em água, não higroscópico e facilmente processável. Para compostos sólidos para inalação, o API precisa ser micronizado ou seco por pulverização. A micronização é um processo que consome muita energia que pode alterar a cristalinidade e gerar conteúdo amorfo e, assim, a interação subsequente com a umidade pode ser importante para a estabilidade. Para uma formulação de solução, incluindo produtos para inalação parentérica e nebulizada, a estabilidade do composto em solução será primordial.

Por que fazer estudos de pré-formulação para seleção de medicamentos?

É útil realizar estudos de pré-formulação e estudos biofarmacêuticos na fase de seleção de medicamentos candidatos para determinar as propriedades físico-químicas e biofarmacêuticas mais relevantes de potenciais medicamentos candidatos para auxiliar na seleção de candidatos. O objectivo é conseguir uma transição perfeita da investigação para o desenvolvimento, em oposição à abordagem tradicional “over-the-wall” que muitas empresas farmacêuticas experimentam, o que aumenta os seus custos. A seleção do candidato começa na identificação do líder da química medicinal (somente polimorfo), na otimização e pré-nomeação do líder (três principais líderes), seguida pela decisão sobre o API, o sal e o polimorfo (para sólidos), muitas vezes referido como perfil farmacêutico. É importante observar as responsabilidades estruturais do medicamento candidato, pois elas podem prever a estabilidade a longo prazo do API no medicamento. Um físico-químico orgânico pode prever se o candidato terá problemas de estabilidade e, portanto, terá menos probabilidade de chegar ao mercado. O processo de seleção de candidatos precisa de dados sobre constante(s) de acidez (pK a ), coeficientes de partição e distribuição (logP, logD), solubilidade, estabilidade da solução e caracterização do estado sólido: cristalinidade, higroscopicidade, estabilidade do estado sólido, seleção de sal, e triagem precoce de polimorfos.

Pré-formulação no desenvolvimento inicial

Da fase MedChem já existem dados disponíveis sobre o API: 1 H/ 13 C/2D-NMR, espectro de massa de alta resolução/alta precisão, análise elementar, HPLC, IR/UV-vis, algumas informações de solubilidade/estabilidade, e higroscopicidade que precisa ser compartilhada com o grupo de desenvolvimento.

1. Solubilidade

Solubilidade aparente e solubilidade de equilíbrio. O estado físico do soluto em equilíbrio com a solução é um fator chave na determinação de sua solubilidade. Como o soluto pode deixar de existir no seu estado físico original uma vez equilibrado, o estado físico não pode ter qualquer efeito na sua solubilidade de equilíbrio. As modificações no cristal podem produzir um aumento na taxa de dissolução e um aumento temporário ou aparente na solubilidade (solubilidade cinética). O efeito da estrutura cristalina na solubilidade dura apenas se o sólido modificado estiver em equilíbrio com a solução. Com tempo suficiente, ele reverterá para a forma cristalina mais estável (solubilidade termodinâmica).

Solubilidade aparente e tamanho de partícula. A relação entre o raio de uma partícula esférica e sua solubilidade é dada pela equação de Kelvin. A equação de Kelvin prevê que as partículas crescem com o tempo. A moagem de bolas produz um aumento na solubilidade aparente. A secagem por pulverização e a liofilização podem ser usadas para produzir pequenas partículas e podem aumentar a solubilidade aparente.

Perfil de solubilidade de pH de ácidos e bases fracas (Figura 1). Os ácidos fracos solubilizados (AH) são imagens espelhadas de bases fracas (B) e são a soma das espécies ionizadas e não sindicalizadas. A expressão da constante de dissociação K a leva às equações de Henderson-Hasselbalch e de solubilidade.

que fornecem a equação de solubilidade para um ácido fraco,

e uma base fraca,

onde S 0 é a solubilidade intrínseca (solubilidade das espécies sindicalizadas).

Você pode determinar a solubilidade dos sais a partir do pH max , sem primeiro criar os sais. 2

Figura 1 : Perfil de solubilidade de pH de uma base fraca

Efeito de íon comum. Se um íon em comum com o eletrólito fraco for adicionado à solução, o equilíbrio é alterado (momentaneamente). Para restabelecer o equilíbrio, parte do sal da solução precipitará. A adição de um íon comum reduz a solubilidade de um eletrólito pouco solúvel (importante para a estabilidade de suspensões sólidas); a exceção é quando o íon comum forma um complexo com o sal. Os sais que não têm nenhum íon em comum com o eletrólito ligeiramente solúvel produzem um efeito oposto ao de um íon comum: em concentrações moderadas, eles aumentam em vez de diminuir a solubilidade porque diminuem o coeficiente de atividade, mas não dramaticamente.

2. Cinética de reação

A cinética da reação (química) é o estudo das taxas de processos químicos e inclui investigações de como diferentes condições experimentais podem influenciar a velocidade de uma reação química e fornecer informações sobre a forma como o composto se degrada. Existem algumas questões que precisam ser abordadas. Por exemplo, como a cinética da reação é útil no desenvolvimento de medicamentos; isso é muito acadêmico? Se você for muito fundo, isso pode se tornar acadêmico; no entanto, você precisa obter as respostas necessárias para o seu objetivo, ou seja , a estabilização do seu medicamento. Para estabilizar um medicamento, precisamos saber como o API se degrada e o que é necessário para que uma reação ocorra: colisão (requer mobilidade; solução vs. estado sólido), orientação/proximidade e energia de ativação (por exemplo, calor) . Para obter as respostas, os cientistas farmacêuticos realizam degradação forçada. A primeira utilização dos estudos de degradação forçada é para o desenvolvimento de métodos analíticos. Há um ditado que diz que a descoberta começa com medições. Quanto melhores forem as medições, mais confiáveis ​​serão os dados e o processo de decisão. Portanto, não economize na degradação forçada.

Outra questão é por que precisamos conhecer o perfil da taxa de pH e por que precisamos de pHs extremos como pH 1 e pH 13? Uma das principais vias de degradação de um composto farmacêutico é a hidrólise, e você encontrará diferentes barreiras de embalagem para proteção contra umidade para os medicamentos comercializados. Portanto, precisamos conhecer o pH de estabilidade máxima. Mas por que valores de pH cada vez mais baixos? A resposta é que seus dados ajudam no desenvolvimento analítico e podem fornecer feedback aos químicos de processos, onde pHs extremos são usados ​​na preparação de amostras ou em operações unitárias. Além disso, um perfil de taxa de pH que cubra toda a faixa de pH pode definir melhor a estabilidade máxima ( ou seja , degradação mínima) e há vários casos em que o perfil é mais complexo (por exemplo, curva em forma de sino, Figura 2).

Figura 2: Perfil de taxa de pH do derivado de adrenalina CpQ 5

3. Mecanismo de reação

A sequência das reações elementares individuais é conhecida como mecanismo de reação. Uma reação elementar envolve algumas moléculas, geralmente uma ou duas. Mas por que precisamos conhecer o mecanismo de reação? Compreender como o API se degrada ajuda a projetar a formulação, auxilia na identificação de produtos de degradação e auxilia no desenvolvimento de métodos analíticos para alertas estruturais, onde é necessário ir para a quantificação em nível de ppm. Freqüentemente, a degradação de um composto não para na primeira etapa da reação, como no caso da oxidação. Contudo, a primeira etapa da reação é importante para a estabilidade de um medicamento. O mecanismo de reação pode ajudá-lo a determinar esta etapa; a cinética lhe dá uma resposta sobre o tempo.

A pré-formulação para produtos biológicos é diferente daquela para moléculas pequenas

Os produtos biológicos precisam ser fabricados, enviados, armazenados e entregues ao paciente, minimizando ao mesmo tempo sua degradação. Uma das vias de degradação mais preocupantes é a agregação, levando à imunogenicidade que pode ser desencadeada com potencial para causar efeitos adversos nos pacientes. Os métodos analíticos devem ser desenvolvidos e validados. Uma vez que haja confiança nos dados analíticos, você pode iniciar o desenvolvimento da formulação. Também é importante compreender como vários excipientes conseguem ou não estabilizar o API durante a fabricação e armazenamento.

As condições de estresse geralmente são mais amenas para produtos biológicos do que para moléculas pequenas. O primeiro uso da degradação forçada do API é para a estabilidade, indicando o desenvolvimento de métodos analíticos, uma ferramenta indispensável para a avaliação de diferentes formulações.

Existem três modos comuns de desnaturação e degradação: agregação, oxidação e desamidação. Dependendo da complexidade da biomolécula, outros tipos de degradação podem ocorrer: isomerização, fragmentação, mistura de dissulfeto, N- e O-glicosilação, clipagem (truncamento de lisina C-terminal) e formação de piroglutamato. Nota : A preparação da amostra pode levar à degradação.

O perfil da taxa de pH determina o pH de estabilidade máxima. As proteínas são mais estáveis ​​em seu ponto isoelétrico (pI), mas o pK a dos aminoácidos e, portanto, o pI, muda com a força iônica; uma formulação carregada com espécies iônicas deve ser evitada e a concentração do tampão deve ser minimizada.

Degradação forçada. Na degradação forçada procuramos as principais vias de degradação: agregação, oxidação, desamidação e fotólise. A agregação é um dos tipos de degradação mais examinados para produtos biológicos porque os agregados podem induzir uma resposta imunogênica com consequências de segurança.

Compatibilidade medicamento-excipiente

O desempenho da forma farmacêutica final (biodisponibilidade e estabilidade) ou a capacidade de fabricação dependem dos excipientes, de sua concentração e de sua interação com o API e entre si. Os excipientes não podem mais ser considerados simplesmente ingredientes inertes ou inativos, conforme descrito no ICH Q8(R2) Pharmaceutical Development. É importante conhecer suas propriedades, requisitos de segurança e manuseio e aspectos regulatórios. Foi relatada uma lista de excipientes comumente usados ​​na formulação de proteínas. 3 Só porque alguns destes excipientes foram aprovados pela FDA, não significa que possam ser usados ​​indiscriminadamente (por exemplo, a glicose é um açúcar redutor). Além disso, a maioria das surpresas durante a estabilidade do medicamento vem dos excipientes, particularmente das impurezas nos excipientes.

Tampões/Sais . A primeira informação que você precisa saber sobre a degradação do API é o pH de máxima estabilidade, o que leva à seleção do tampão da formulação. A água não tem capacidade de resistir às mudanças de pH; O CO 2 do ar equilibrado com água altera o pH de 7 para 5,7. É importante saber que alguns buffers podem criar problemas. Os fosfatos são dependentes de Ca e os sais de Ca precipitam. Os citratos são quelantes, enquanto o Tris é um tampão reativo. Tampões como Histidina ou Bis-Tris precisam ser avaliados no pH de estabilidade máxima dentro de ±1 unidade de pH em incrementos de 0,5 pH. Escolha a concentração mais baixa possível (agregados formam-se em µ elevado).

Foi estabelecido nos últimos anos que o tampão não só mantém o pH apropriado da solução à qual a proteína é estável na sua estrutura nativa, como também pode influenciar a estabilidade da própria proteína. 4 Os tampões reconhecidos como estabilizadores de proteínas foram Tris, acetato, HEPES e cacodilato; entretanto, o Tris é um tampão reativo e deve ser evitado, a menos que haja dados suficientes que justifiquem seu uso.

Açúcares . Os açúcares são estabilizadores excepcionalmente bons de proteínas e são considerados co-solventes. A melhor escolha na formulação de proteínas são os açúcares não redutores, como sacarose e trealose. Contudo, a trealose cristaliza durante a liofilização; a sacarose permanece amorfa, mas a trealose tem uma temperatura de transição vítrea mais alta (T g ≈ 80 °C). O excepcional efeito de estabilização da trealose na estabilidade térmica das proteínas é atribuído ao efeito da tensão superficial.

Surfactantes . Quase todas as proteínas são adsorvidas até certo ponto em superfícies (vidro, plástico, metal) e tanto a fabricação quanto a análise laboratorial tiveram que lidar com esta propriedade. Além disso, as soluções proteicas na interface água/ar levam à agregação. Surfactantes não iônicos são comumente usados ​​para evitar contribuição extra para as espécies iônicas (por exemplo, tampões) que podem induzir agregação ou precipitação.

Antioxidantes . Os antioxidantes ajudam a proteger contra a oxidação, eliminando o oxigênio para si próprios. O ácido ascórbico é comumente usado, mas o ácido cítrico é o preferido, pois também é um ajustador de pH. No entanto, alguns citratos (Fe 3+ ) causam descoloração. Considere como antioxidante uma molécula sacrificante como a metionina. A escolha do antioxidante é ditada pela probabilidade de oxidação do API.

Referências

1. Akers, MJ Can. J. Farmacêutica. Ciência. 1976, 11, 1-10
2. Mole, J., Box, K., Comer, J. AAPS 2010, https://assets-global.website-files.com/644d2ffb3f7ec1eca95b44dd/64f1891ca1681bab1fe5344c_Sirius-AAPS2010-Measuring-the-solubility-of-salts.pdf
3. Capelle, MAH e outros. EUR. J. Parm. Biofarmacêutica. 2007, 65, 131
4. Brudar, S.; Hribar-Lee, B. Biomoléculas 2019, 9, 65
5. Blasko, A. e outros, Bioquímica 2018, 57 (30), 4536-4546, DOI:10.1021/acs.biochem.8b00462

Este artigo é baseado na gravação do prólogo AAPS PharmSci 360 do autor .

Sobre o autor:

Andrei Blasko é especialista na descoberta e desenvolvimento de novos medicamentos (moléculas pequenas e produtos biológicos: mAbs/Fabs, proteínas) com 25 anos de experiência na indústria farmacêutica. Depois de concluir dois pós-doutorado na Universidade da Califórnia em Santa Bárbara, Blasko trabalhou na Roche, Sugen/Pharmacia/Pfizer, Celera, Pain Therapeutics (Cassava Sciences Inc.) e Novartis.
Ele é membro da Royal Society of Chemistry (FRSC), editor-chefe do Journal of Applied Pharmacy , membro do conselho editorial do American Journal of Advanced Drug Delivery e foi consultor do FAST no California Life Sciences Institute. Após oito anos na Novartis, Blasko trabalhou como consultor independente de CMC e em 2021 fundou a Clearview Pharma Solutions, LLC. Ele detém sete patentes concedidas.