Biofarmacins roll i
läkemedelsutveckling
Christel Bergström
Institutionen för farmaci, Uppsala Universitet
Vad är biofarmaci?
Fys kem
egenskaper
substans
Formulering
Administrerings-väg
Fysiologi
Absorption
Exponering
Concentration vid
target
Klinisk
effekt
Definition av biofarmaci
Biopharmaceutics
– the study of how the physicochemical properties of drugs,
dosage forms and routes of administration affect the rate
and extent of absorption
(Aulton, 2002)
- the study of the relationships between the physical and
chemical properties, dosage, and form of administration of a
drug and its activity in the living body
(Medical definition, Merriam-Webster Dictionary)
Varför är biofarmaci viktigt?
I tidig utvecklingsfas (från “lead optimisation” t.o.m. Fas 1)
• Förstå hur fys kem egenskaper hos substans, formulering
och administreringsväg påverkar absorptionen
• Bidra i valet av aktiv subtans
– Göra biofarmaceutiska riskbedömningar av substanser
innan de går in i klinisk utveckling
• Bedöma absorptionen vid predikterad terapeutisk dos
• Medverka i materialvalet dvs salt/fri form, kristallin /
amorf form etc.
• Bidra i formuleringsutvecklingen så att eftersträvad
exponering nås i prekliniska och tidiga kliniska studier som
görs för att visa säkerhet
Varför är biofarmaci viktigt?
I sen utvecklingsfas (Fas 2 och framåt)
• Förstå hur fys kem egenskaper hos substans, formulering
och administreringsväg påverkar absorptionen
• Bidra i utvecklingen av kommersiell beredning
– Val av formuleringsprincip
– Initiera / utvärdera in vitro och in vivo expriment
• Tex design av in vivo relevanta test för
upplösningshastighet
• Bidra i formuleringsutvecklingen så att eftersträvad
exponering nås i kliniska säkerhets- och effektstudier
– Ta fram strategier för “bryggning” mellan olika kliniska
beredningar under utveckling och den kommersiella
produkten
Exponering versus klinisk effekt
Fys kem
egenskaper
substans
Formulering
Administrerings- Absorption
väg
Fysiologi
Biofarmaci
Farmakokinetik
Exponering
= konc i blod/plasma
Koncentration vid
target
Klinisk
effekt
Farmakodynamik
•
•
Mätning av koncentration läkemedel i kroppen är oftast begränsad till blod
eller plasma
Antagande: konc i plasma relaterar till konc vid target som är relaterad till
farmakologisk effekt
Biotillgänglighet
Absolut biotillgänglighet (F): Fraktion av (oralt) administrerad dos som
dyker upp i systemcirkulationen, jämfört med en referensdos som givits
intravenöst.
Relativ biotillgänglighet (Frel): Referensen är tex en oral lösning,
suspension eller “standardtablett”
AUC, oral
Dose, iv
F
AUC, iv
Dose, oral
Plasma conc. (µg/mL)
0.50
0.40
0.30
IV (bolus dose)
0.20
IR tablet
0.10
0.00
0
10
20
Time (hours)
30
Biotillgänglighet vs fraktion dos absorberad
Fraktion dos absorberad (Fabs): Fraktion av oralt administrerad dos som
absorberas in i enterocyterna
Absolut F = Fabs x F(undgår tarmväggsmetabolism) x F(undgår hepatisk extraktion)
Oral administrering
To feces
Biotillgängligheten beror av Fabs och first pass metabolism!
(Adapted from Rowland and Tozer, Clinical Pharmacokinetics, 1995)
Absorptionsprocessen är komplex
Inneboende fysikalkemiska egenskaper och formuleringen kan
påverka både hastighet och grad av absorption
Depend on physiological properties
and drug properties as well as formulation
Depend on formulation
properties
GI tract
Depend on drug characteristics
and physiological factors
Solid
Drug
Drug
Formulation
Drug release
Drug in
Solution
Dissolution
Systemic circulation
Entry into the body
Absorbed Drug
9
Regionala skillnader i magtarmkanalen
• Colon:
• Mage:
pH 5-7 gradient nedåt
Mindre vätska nedåt
Liten yta (stort bord)
Mycket bakterier
Lite trp, dock efflux
Lite enzymer i väggen
pH 1-2 fasta, 4-6 föda
”Mycket” vätska
Liten yta (bord)
”Ingen” absorption
• Tunntarm:
pH 6-7.5 gradient nedåt
Vätska med gallsalter
Stor yta (tennisbana)
Bra absorption
Mycket transportörer
Mycket enzymer i vägg
10
Oral absorption och fysiologi
• Mag/tarmkanalens rörelsemönster är oregelbundet
•
•
Med föda / I fastande tillstånd
Över dygnet
• Vätska finns i ”fickor” i mag/tarmkanalen
Membrantransport, passiv diffusion
Fritt läkemedel i lösning
Konc = Cu1
*
*
*
*
*
*
*
Lipofilt cellmembran
*
*
*
*
*
*
*
Fritt läkemedel i lösning
Konc = Cu2
*
*
*
Bundet LM
LM i fast form
Bundet LM
Arean, A
Masstransport per tidsenhet = Arean x Permeabiliteten x Konc gradient
dm/dt = A x P x (Cu1 – Cu2)
12
Permeabilitet
Den passiva permeabiliteten P är en ”konstant”:
P = (Km x Dm) / m
dm/dt
A
Påverkas av:
P
Konc.
• Fördelning till membranet, Km
• Diffusion i membranet, Dm
• Diffusionssträcka i membranet, m
Lipofilicitet
Intestinalt pH
Molekylstorlek
Laddning
• Utöver passiv diffusion kan processer som aktiv transport och
metabolism påverka permeabilitetsvärdet.
13
Transportvägar över tarmepitelet
TARMLUMEN
EFFLUX
MEKANISM
Apikalt
membran
CARRIER-MEDIERAD
TRANSPORT
BLOD
PARACELLULÄR
DIFFUSION
TRANSCELLULÄR
DIFFUSION
14
Basolateralt
membran
Tekniker för att mäta permeabilitet
Cellmodeller
- tex monolager av Caco-2 cellinjen
15
Tekniker för att mäta permeabilitet
Ussing-kammare
• Permeabilitetsstudier
över tarmsegment
monterade mellan två
kamrar
Motor
Rotor
• Vävnad från människa,
råtta, gris, mus
Water jacket
Tissue-segment
• Permeabilitet i olika
tarmregioner
O2/CO2
16
Loc-I-Gut - perfusion i människa (human permeabilitet, Peff)
• Peff x A x Clumen = dm/dt
Stomach drainage
• Peff x A x Clumen = Q (Cin- Cut)
Tungsten weight
Inflated balloons
Jejunal perfusion
• Clumen antas = Cut (well stirred)
• Arean antas = 2rl (cylinder)
Proximal drainage
• Icke-absorberbar markör (PEG 4000) korrigerar för sekretion
/ absorption av vatten
17
Fraktion absorberad i människa kan uppskattas från
permeabiliteten in vitro
Fraction absorbed in man
100
75
50
25
0
0.1
1
10
Papp ( x 10 cm s-1)
18
100
Absorptionsmodellering
• Prediktera fraktion dos absorberad i människa baserat på löslighet,
permeabilitet och dos
• Förstå vilka faktorer som kan begränsa absorptionen tex löslighet,
permeabilitet, effekt av partikelstorlek
• Prediktera plasmaprofiler om predikterade eller prekliniska/kliniska
PK parametrar finna tillgängliga
• Användbart verktyg i alla faser av utvecklingsprocessen!
Solubility
Permeability
Dose
Gastro
Plus™
Fabs=50%
Absorptionsmodellering
Vilken är den optimala frisättningsprofilen in vivo ?
GastroPlus™
Frisättningsprofiler ER
Simulerade plasmaprofiler
ER = Extended
Release
20
MAD = Maximal absorberbar dos
• Teoretiskt koncept som illustrerar den maximala mängden
läkemedelssubstans som kan absorberas
• MAD i sin enklaste form:
MAD Ka Cs V t
• Mer sofistikerad approach – använd GastroPlus och utvärdera
mängd absorberad vid extrema doser
Relatera MAD till den predikterade terapeutiska
dosen till människa (PDtM)
Idealiskt om MAD >> PDtM
Johnson KC, Swindell AC (1996) Pharm. Res. 13, 1795-1798, Curatolo W (1998) PSTT 1, 387-393
Biopharmaceutics Classification System (BCS)
II
Klass I = Hög Perm, Hög Lösl Klass II =
Hög Perm, Låg Lösl
I
Klass III = Låg Perm, Hög Lösl
IV
III
Klass IV = Låg Perm, Låg Lösl
Löslighet
Tre huvudfaktorer som påbeverkar graden av och hastigheten
för absorptionen från en immediate release (IR), fast oral
beredning:
II
I
1. Löslighet
• Upplösnings• Magtömning
hastighet viktig
styr abs. hastighet
2. Permeabilitet
IV
III
3. Upplösning
• Problem
• Permeabilitet
begränsar abs.
Amidon et al (1995), Pharm res, 12, 413-420, FDA Guidance for industry: Waiver of in vivo BA/BE studies for IR solid oral dosage forms based on BCS (2000)
Predikterad human PK
• Predikterade humana PK parametrar baseras på data från
djur- och in vitro modeller som skalas till humana värden mha
tex allometrisk skalning (vikt, längd, BMI etc)
• Halveringstiden i människa har ofta betydelse i valet mellan
att utveckla en “Immediate” eller en “Extended Release”
formulering
• Den koncentration som krävs för farmakologisk effekt
bestäms mha sjukdomsmodeller i djur eller in vitro
23
Predikterad dos till människa
Maximum safe concentration
Plasma concentration
6
200mg single dose
70 mg uid
35 mg bid
5
4
Cmax at steady-state
3
Cmin at steady-state
MEC
2
1
0
0
100
200
300
400
Time
• Predikterad dos beräknas baserat på biotillgänglighet
(F), minsta effektiva koncentration (MEC) och
predikterade PK parametrar.
Löslighet och Upplösningshastighet
dXd
dt
=
A . D . Cs – Ct
h
25
Läkemedel har olika fastfasegenskaper
amorphous
• Amorf vs kristallin
• Polymorfa material
crystalline
26
Fysiologiska aspekter på löslighet – pH
Gastric pH
Solubility (mg/mL)
140
Intestinal pH
120
• Syror kan lösas upp långsamt
i magsäcken men snabbt i
tunntarmen
100
80
60
40
20
0
0
2
4
6
8
10
pH
1000
S0 = 0.32 mM
pKa = 4
Solubility (mM)
100
• Baser kan ha hög löslighet
och snabb upplösning i
magsäcken, men kan falla ut
i tunntarmen
pH vs S (mg/ml)
10
1
1
2
3
4
5
6
pH
7
8
9
10
Fysiologiska aspekter på löslighet – gallsalter och lipider
• Löslighet av svårlösliga substanser kan öka i närvaro av
gallsalter och lipider som finns i tarmsaften
• Koncentration lipider och gallsalter kan variera med tidpunkt
och med/utan föda
AZD6140
0.6
Solubility (mg/ml)
0.5
0.4
~60 x skillnad!
0.3
0.2
Buffer pH 6.5
Human intestinal fluid
0.1
0.0
Upplösning av läkemedel in vivo
Lösning
Suspension
IR fasta
beredningsformer
Fina partiklar
dispergerad i
mag/tarm
vätskor
sönderfall
Blod
upplösning
Aggregat
eller
granuler
29
Läkemedeli
lösning i
mag/tarm
vätskor
Dekonvulering
In vivo frisättning
0.04
100.00
0.03
75.00
0.02
Dekonvulering
0.01
% Absorbed
Plasma concentrations
Plasmakoncentrationsprofil
50.00
25.00
0.00
0.00
0
10
20
30
40
50
0
60
2
4
Time (h)
Time (h)
Flera formuleringar med olika in vitro frisättningsprofiler testas i en klinisk
studie parallellt med en referensformulering (IV bolus eller oral lösning).
30
6
8
Användning av IVIVC vid utveckling av formulering
In vitro release (%)
100
75
Designa formuleringar baserat på IVIVC
Prediktera absorptionsprofiler från in vitro
frisättningsdata
50
25
In vitro frisättningsprofil
0
0
2
4
6
8
Time (h)
IVIVC
% Absorbed
100.00
75.00
Konvulering
50.00
25.00
In vivo frisättningsprofil
0.00
Plasma concentrations
Predikterad absorptionsprofil
0.04
0.03
0.02
0.01
0.00
0
0
2
4
Time (h)
6
8
10
20
30
Time (h)
31
40
50
60
