Η παρουσίαση φορτώνεται. Παρακαλείστε να περιμένετε

Η παρουσίαση φορτώνεται. Παρακαλείστε να περιμένετε

Σχεδιασμός Χημικών Προϊόντων Δημήτρης Χατζηαβραμίδης Σχολή Χημικών Μηχανικών Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο 7/11/20121ΔΧ.

Παρόμοιες παρουσιάσεις


Παρουσίαση με θέμα: "Σχεδιασμός Χημικών Προϊόντων Δημήτρης Χατζηαβραμίδης Σχολή Χημικών Μηχανικών Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο 7/11/20121ΔΧ."— Μεταγράφημα παρουσίασης:

1 Σχεδιασμός Χημικών Προϊόντων Δημήτρης Χατζηαβραμίδης Σχολή Χημικών Μηχανικών Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο 7/11/20121ΔΧ

2 7/11/2012ΔΧ2 Μοριακά Προϊόντα Φάρμακο ≡ Φαρμακευτικό Προϊόν = Φαρμακευτικά Δραστική Ουσία + ΄Εκδοχα (για αύξηση διαλυτότητας, μείωση τριβής, αποσάθρωση, κλπ) Φαρμακευτικά δραστικές ουσίες (Αctive Pharmaceuticsal Ingredients) Αποκτώνται με τρείς τρόπους: (1) Απόσταγμα ή εκχύλισμα φυσικής προέλευσης, π.χ., Taxol από φλοιό ευρωπαϊκού πουρναριού), (2) Με χημική σύνθεση, π.χ., Prozac, και (3) Mε ζύμωση (fermentation), π.χ., πενικιλλίνη

3 7/11/2012ΔΧ3 Φαρμακευτικά δραστικές ουσίες (Α P I ) Η ανακάλυψη δεν είναι στο σκοπό του μαθήματος. Είναι δύσκολο να ανακαλύψει κανείς ποιες χημικές ουσίες (chemical substances) είναι οι καλλίτερες για αντιμετώπιση μιας ασθένειας, γιατί υπάρχουν 30 εκατομύρια γνωστών χημικών ουσιών. Πολύ λίγα είναι γνωστά σαν γενικές κατευθυντήριες οδηγίες (guidelines) για την εύρεση τους Κανόνας του πέντε (C.A.Lipinski, Pfizer) Ισχύει για φάρμακα που χορηγούνται από το στόμα και δεν είναι φυσικά προϊόντα Τα αποτελεσματικά (efficaceous) φάρμακα πληρούν 4 κριτήρια. Το φάρμακο πρέπει να έχει o Πέντε (5) ή λιγότερες ομάδες με υδρογόνο που είναι δότες ηλεκτρονίων, δηλαδή, –ΟΗ και –ΝΗ ομάδες o Λιγότερες από δέκα (10) ομάδες με υδρογόνο που είναι αποδέκτες ηλεκτρονίων, δηλαδή, το άθροισμα των ατόμων αζώτου και οξυγόνου να είναι λιγότερο από 10 o Μοριακό βάρος μικρότερο του 500 (δεν περιλαμβάνονται ουσίες όπως ΗCl και ΝαΟΗ που προστίθενται για αύξηση διαλυτότητας) o Λογάριθμο συντελεστή κατανομής (partition coefficient) Κ οw μικρότερο του 5, δηλαδή, διαλυτότητα στην οκτανόλη όχι περισσότερο από φορές τη διαλυτότητα στο νερό

4 7/11/2012ΔΧ4 Φαρμακευτικά δραστικές ουσίες ( Α P I ) Κανόνας του πέντε (C.A.Lipinski, Pfizer) Ουσία(ΟΗ + ΝΗ2) < 5Ν + Ο < 10ΜW < 500log10Kow < 5 Prozac Penicillin Premarin Χημική Σύνθεση 1.Ορισμός μορίου (target molecule) προς σύνθεση 2.Τεχνική αποσύνδεσης/αποικοδόμησης (Warren and Wyatt, 2009) οδηγεί στην ανεύρεση εναλλακτικών δρόμων σύνθεσης με διάσπαση (το αντίθετο της σύνθεσης) του συγκεκριμένου μορίου (target molecule) σε απλά, δομικά μόρια που χρησιμο- ποιήθηκαν στη σύνθεση Φαινογλυκοδόλη (ηρεμιστικό)

5 7/11/2012ΔΧ5 Φαρμακευτικά δραστικές ουσίες ( Α P I ) Διαχωρισμοί (Separations) Εμπειρικοί/Ευρετικοί Κανόνες (Heuristics) 1.Να αυξάνεται η συγκέντρωση του συστατικού που ενδιαφέρει στο προϊόν πρίν από τον εξευγενισμό του (purification) 2.Nα απομακρύνονται τα συστατικά που δεν ενδιαφέρουν και που είναι σε πολύ μεγάλες ποσότητες 3.Οι δυσκολότεροι διαχωρισμοί να γίνονται στο τέλος 4.Τα επικίνδυνα συστατικά να απομακρύνονται στην αρχή 5.Να αποφεύγεται η προσθήκη επί πλέον συστατικών κατά το διαχωρισμό. Αν απαιτείται να προστεθούν, να από- μακρύνονται το ταχύτερο δυνατό, και 6.Να αποφεύγονται οι πολύ υψηλές θερμοκρασίες και αντί γι αυτές να χρησιμοποιούνται διαφορετικοί διαλύτες Το γράφημα (plot) του Sherwood, που ισχύει για συγκεντρώσεις στην τροφοδοσία του συστατικού που ενδιαφέρει από10 -7 μέχρι 10 3, επαληθεύει τον κανόνα

6 7/11/2012ΔΧ6 Φαρμακευτικά δραστικές ουσίες ( Α P I ) Διαχωρισμοί (Separations) Ζύμωση (Fermentation) Aν το συστατικό που μας ενδιαφέρει παράγεται με ζύμωση, το συστατικό ή συνυπάρχει μαζί με μικροοργανισμούς στο τελικό προϊόν που είναι σε μορφή ζωμού (broth), π.χ., πενικιλλίνη, ή στο εσωτερικό των μικροοργανισμών, π.χ., γενετικά μεταλλαγμένες πρωτείνες Για διαχωρισμούς σε προϊόντα ζώμωσης ισχύουν οι ακόλουθοι Εμπειρικοί/Ευρετικοί Κανόνες (Ηeuristics) 1.Removal of insolubles. Απομάκρυνση αδιαλύτων → Διήθηση 2.Isolation.αΠομόνωση → Εκχύλιση 3.PurificationΕξευγενισμός → Χρωματογραφία 4.PolishingΣτίλβωση → Κρυστάλλωση Παραγωγή Πενικιλλίνης

7 Φαρμακευτικά Προϊόντα Φαρμακευτική Βιομηχανία: αυστηρότερα νομοθετικά ρυθμιζόμενη από κάθε άλλη βιομηχανία (Εθνικός Οργανισμός Φαρμάκων, European Medicine Agency, US Food & Drug Administration). Για το μηχανικό, σπουδαιότερες ρυθμίσεις αυτές που αφορούν την παραγωγή (current Good Manufacturing Practices) Ένα νέο επώνυμο φάρμακο από τη στιγμή της ανακάλυψης της φαρμακευτικής ουσίας μέχρι να φτάσει το φαρμακευτικό προϊόν στην αγορά παίρνει περίπου10 χρόνια ανάπτυξης και κλινικών δοκιμών με κόστος περίπου $800 εκατομμύρια και πιθανότητα εμπορικής επιτυχίας 21%. Αν το φάρμακο φτάσει στην αγορά, για τα επόμενα περίπου15 χρόνια, η εταιρεία που εισήγαγε στην αγορά το νέο φάρμακο, έχει αποκλειστικότητα στις πωλήσεις του. Μετά από 15 χρόνια, τα δικαιώματα πνευματικής ιδιοκτησίας (patents) λήγουν, και μπαίνουν στην αγορά οι εταιρείες παραγωγής γενοσήμων (generic) φαρμάκων. Η Ελληνική Φαρμακευτική Βιομηχανία είναι σχεδόν αμιγώς βιομηχανία παραγωγής γενοσήμων 7/11/2012 ΔΧ 7

8 7/11/2012ΔΧ8 Φαρμακευτικά Προϊόντα Φάρμακο = Ενεργό Φαρμακευτικά Συστατικό, ΑΡΙ +΄Εκδοχα (πληρωτικά, λιπαντικά, συνδετικά, διασταλτικά, συντηρητικά) Τα έκδοχα βοηθούν στις διεργασίες παραγωγής φαρμάκου και τρόπο χορήγησης Τρόποι χορήγησης: από το στόμα, με ένεση, υπογλώσσια, από το αναπνευστικό σύστημα, τοπικά, κλπ. Από το στόμα: δισκία ή κάψουλες ή υγρό (διάλυμα, αιώρημα) Βιοδιαθεσιμότητα = ποσοστό δόσης που εισέρχεται στο αίμα για να μεταφερθεί σε ιστούς και όργανα Για φάρμακα εισαγόμενα με ενδοφλέβια ένεση η βιοδιαθεσιμότητα είναι 1. Για φάρμακα από το στόμα, είναι το ποσοστό του ΑΡΙ που προσροφάται στο επιθήλιο του γαστροεντερικού σωλήνα και από κεί εισέρχεται στο αίμα

9 7/11/2012ΔΧ9 Σχεδιασμός Φαρμακευτικού Προϊόντος(Α P I + έκδοχα) 1.Ερευνα αγοράς (στατιστικές για συγκεκριμένη ασθένεια) 2.Mοντέλο ασθένειας – φαρμακευτική ουσία για την αντιμετώπιση της ασθένειας 3.Tρόπος απόκτησης (εκχύλιση φυσικού προϊόντος, χημική σύνθεση, ζύμωση) 4.Σταθεροποίηση ΑΡΙ (κρυστάλλωση) 5.Τύπος δόσης, π.χ., δισκίο, ένθεμα (implant), ενέσιμο ρευστό -Τρόπος χορήγησης (Drug Delivery), 6.Διαλυτότητα, βιοδιαθεσιμότητα 7.Δοσολογία, προδιαγραφές, παρενέργειες 8.Σχεδιασμός Διεργασιών (Plant Design, περιβαλλοντολογικά και ασφάλεια) - Κοκκώδη υλικά 9.Μελέτη κόστους 10.Προστασία πνευματικής ιδιοκτησίας 11.Πιστοποίηση

10 7/11/2012ΔΧ10

11 7/11/2012ΔΧ11 Φαρμακευτικές ουσίες με συγκεκριμένη δράση - Φάρμακα για μείωση χοληστερόλης Χοληστερόλη αίματος: 80% από σύνθεση χοληστερόλης στο συκώτι και περίπου 20% από τη διατροφή. Σύγχρονος τρόπος ζωήςκαι ανθυγιεινή διατροφή, πλούσια σε θερμίδες και κορεσμένα ζωικά λίπη, συμβάλλουν στην αύξηση χοληστερόλης και τριγλυκεριδίων στο αίμα. Αύξηση χοληστερόλης στο αίμα, ιδιαίτερα κακής χοληστερόλης LDL, είναι βασικός παράγοντας πρόκλησης στένωσης των στεφανιαίων αρτηριών, καρδιακής προσβολής και ξαφνικού θανάτου. Ολική χοληστερόλη LDL-χοληστερόληHDL-χοληστερόλη <200 Επιθυμητή <100 Ιδανική <40 Χαμηλή Οριακά υψηλή Σχεδόν φυσιολογική >60 Υψηλή > 240 Υψηλή Οριακά υψηλή Υψηλή >190 Πολύ υψηλή Οι στατίνες, μια από τις σημαντικότερες επιτεύξεις της σύγχρονης ιατρικής, εμποδίζουν τη σύνθεση χοληστερόλης στο συκώτι Στην οικογένεια αυτή περιλαμβάνονται: Ατορβαστατίνη (atorvastatin, Lipitor), σιμβαστατίνη (simvastatin, Zocor), φλουβαστατίνη (fluvastatin, Lescol), λοβαστατίνη (lovastatin, Mevacor), πραβαστατίνη (pravastatin, Pravachol).

12 7/11/2012ΔΧ12 Φαρμακευτικές ουσίες με συγκεκριμένη δράση - Φάρμακα για υπέρταση 2,5 εκατομμύρια άτομα στην Ελλάδα πάσχουν από υπέρταση. Συνήθως υπέρβαροι, πάσχουν από μεταβολικό σύνδρομο (διαταραχή στο μεταβολισμό σακχάρου, αυξημένα τριγλυκερίδια, χαμηλή καλή χοληστερόλη) Καθημερινή κατανάλωση 9 γραμμαρίων αλατιού αντί για την συνιστώμενη από τους ειδικούς ποσότητα των 5 γρ. Προσβάλλονται άτομα ηλικίας ετών σε ποσοστό άνω του 50% καθώς επίσης και σε ποσοστό άνω του 75% άτομα άνω των 70 ετών Συστολική (μεγάλη) πίεση >14 (140 mmHg) και διαστολική (μικρή) πίεση < 9 (90 mmHg) υπερδιπλασιάζει νοσηρότητα και θνητότητα από καρδιαγγειακά περιστατικά. Για κάθε 20 mmHg αύξηση της συστολικής και παράλληλα 10 mmHg της διαστολικής πίεσης, διπλασιάζεται ο κίνδυνος καρδιαγγειακών επεισοδίωνΓάγγραινα κάτω άκρων Υπερτροφία αριστεράς κοιλίας Έμφραγμαμυοκαρδίου Στεφανιαίανόσος Εγκεφαλικήαιμορραγία Προεκλαμψία/Εκλαμψία Εγκεφαλικόεπεισόδιο Χρόνια νεφρική ανεπάρκεια Τύφλωση Ρήξηαρτηριακούανευρύσματος ΥΠΕΡΤΑΣΗ Καρδιακήανεπάρκεια Υπερτασικήεγκεφαλοπάθεια

13 ΔΧ7/11/ Φαρμακευτικές ουσίες με συγκεκριμένη δράση - Φάρμακα για υπέρταση Πάντοτε ακολουθείται συνδυαστική θεραπεία από: Νέο φάρμακο με 3 ΑΡΙ, αμιλοδιπίνη, βαλσαρτάνη και υδροχλωροθειαζίδη ανταγωνιστές ασβεστίου α-ΜΕΑ ανταγ.αγγειοτασίνης ΙΙ αμέσως δρώντα αγγειοδιασταλτικά νεότεροι παράγοντες…. β-αποκλειστές α- αποκλειστές κεντρικώς δρώντα διουρητικά συμπαθολυτικά :

14 7/11/2012ΔΧ14 Ένθεμα πολυμερικής μήτρας Ένθεμα πολυμερικού ταμιευτήρα (matrix) (reservoir) Τρόποι χορήγησης – Τύπος δόσης Στατίνες: από το στόμα ως δισκία ή κάψουλες Οφθαλμικά φάρμακα o Με ένεση (στο υαλώδες του εμπρόσθιου τμήματος του ματιού ): φάρμακο για ωχρά κηλίδα (πάθηση του οπισθίου τμήματος του ματιού στην οποία αιμοφόρα αγγεία «σπάζουν» το φράγμα χοριοειδούς και αμφιβληστροειδούς χιτώνα (blood-retina barrier)) o Με ένθεμα (στο όπίσθιο τμήμα του ματιού) – φάρμακο εγκλεισμένο σε βιοσυμβατό πολυμερές Το πολυμερές είναι σταυροσυνδεδεμένο (crosslinked) και έχει μικροπορώδες. Όταν είναι σε επαφή με το νερό των ιστών, γίνεται υδρόλυση και αρχίζει να σχηματίζεται μακροπορώδες από έξω προς τα μέσα. Το φάρμακο ελευθερώνεται με διάχυση από τους μακροπόρους προς τα έξω Μεμβράνη πολυμερούς

15 7/11/2012ΔΧ15 Chemical/ Biological Synthes is Preliminary Purification Crystallization Filtration / drying Oven drying Fl. bed drying Blending Granulation Milling Compression Coating Lubrication Raw materials Finished products

16 7/11/2012ΔΧ16 Φαρμακευτικά Προϊόντα Φάρμακο = Ενεργό Φαρμακευτικά Συστατικό, ΑΡΙ +΄Εκδοχα API – συνήθως μικρά οργανικά μόρια Έκδοχα - βοηθούν στις διεργασίες παραγωγής φαρμάκου και τρόπο χορήγησης Τρόποι χορήγησης: από το στόμα, με ένεση, υπογλώσσια, από το αναπνευστικό σύστημα, τοπικά, κλπ. Από το στόμα: δισκία ή κάψουλες ή υγρό (διάλυμα, αιώρημα) Βιοδιαθεσιμότητα = ποσοστό δόσης που εισέρχεται στο αίμα για να μεταφερθεί σε ιστούς και όργανα Για φάρμακα εισαγόμενα με ενδοφλέβια ένεση η βιοδιαθεσιμότητα είναι 1. Για φάρμακα από το στόμα, είναι το ποσοστό του ΑΡΙ που προσροφάται στο επιθήλιο του γαστροεντερικού σωλήνα και από εκεί εισέρχεται στο αίμα

17 7/11/2012ΔΧ17 Έκδοχα (Excipients) Aραιωτικά (diluents) ή πληρωτικά (fillers) – Αδρανή, μπορούν να αλλάξουν τις φυσικοχημικές ιδιότητες του δισκίου Συγκολητικά (binders) – Αυξάνουν τη συνοχή στα σωματίδια της σκόνης για να δημιουργηθούν κόκκοι (συσσωματώματα σωματιδίων) Αποσαθρωτικά (disintegrants) – Διευκολύνουν τη διάσπαση του δισκίου στο γαστροεντερικό σύστημα (διάσπαση αντίθετη της συσσωμάτωσης) Λιπαντικά - Κυρίως υδρόφοβα, επικαλύπτουν κόκκους, μειώνουν το ρυθμό διαλυτοποίησης Ολισθητικά (glidants) – Διευκολύνουν τη ροή κοκκωδών υλικών Διαλυτικά (solubilizers) Άλλα πρόσθετα – Συντηρητικά, ρυθμιστικά (οσμωτικής) τονικότητας και pH, επικαλυπτικά (για επίστρωση με ζάχαρη ή για προστασία από υγρασία), σταθεροποιητικά (για αιωρήματα και γαλακτώματα) Παραδείγματα εκδόχων Λακτόζη (σε ενυδατωμένη ή άνυδρη ή ξηραμένη με ψεκασμό) – αραιωτικό και συγκολλητικό Στεαρικό μαγνήσιο – λιπαντικό Μαννιτόλη – αραιωτικό, ρυθμιστικό τονικότητας Μικροκρυσταλλική κυτταρίνη – αραιωτικό, αποσαθρωτικό

18 7/11/2012ΔΧ18 Φαρμακευτικά Προϊόντα Για φάρμακα από το στόμα, βιοδιαθεσιμότητα είναι ο λόγος [(ΑUC)/d] m /[(ΑUC)/d] v, όπου ΑUC είναι η επιφάνεια κάτω από την καμπύλη της απελευθέρωσης του ΑΡΙ στο αίμα, δηλαδή, της συγκέντωσης του ΑΡΙ στο πλάσμα του αίματος (έχουν αφαιρεθεί τα αιμοπηκτικά συστατικά) με το χρόνο, μετά τη χορήγηση, d είναι η δόση, m σημαίνει «από το στόμα» και v «ενδοφλέβια» v m

19 7/11/2012ΔΧ19 Βιοφαρμακευτικό Σύστημα Ταξινόμησης (Biopharmaceutical Classification System) Διαλυτότητα ΥψηλήΧαμηλή Διαπερατότητα Χαμηλή Υψηλή Διαλυτοποίηση in vitro Βιοϊσοδυναμία in vivo Ποιότητα φαρμάκου: (1) αποτελεσματικότητα, (2) ασφάλεια, (3) αξιοπιστία (σταθερότητα, είναι αυτό που αναγράφεται στην συσκευασία και ενεργεί σύμφωνα με τις ενδείξεις) Ποιότητα δισκίου: (1) μέσο βάρος, (2) σύσταση, (3) ροή κόκκων (flowability) (4) αντοχή σε σύνθλιψη (crushing strength), (5) ευθρυπτότητα (friability), (6) χρόνος αποσύνθεσης (disintegration time), (7) χρόνος διαλυτοποίησης (dissolution time)

20 7/11/2012ΔΧ20 Φαρμακευτικά Προϊόντα Τι ενδιαφέρει; 1.Βιοδιαθεσιμότητα Για φάρμακα από το στόμα, είναι το ποσοστό του ΑΡΙ που προσροφάται στο επιθήλιο του γαστροεντερικού σωλήνα και από κεί εισέρχεται στο αίμα. Για την προσρόφησή του χρειάζεται να είναι διαλυμένο στα γαστρικά υγρά (σε μεγάλο ποσοστό νερό). Ρυθμός διάλυσης καθορίζεται από μέγεθος κόκκων ΑΡΙ. Αποσύνθεση δισκίου ή κάψουλας προηγείται της διάλυσης. 2.Λόγος διαμερισμού ΑΡΙ, Κ ow, μεταξύ οργανικής και υδατικής φάσης (υδρόφοβο ή υδρόφιλο) 3.Διαπερατότητα μεμβράνης για ΑΡΙ, P P = K D / L, K: λόγος διαμερισμού, D: συντελεστής διάχυσης, L: πάχος μεμβράνης D = k T / f εξίσωση Stokes-Einstein k: συντελεστής Boltzmann, T: θερμοκρασία ο Κ, f : συντελεστής τριβής (σχήματος) για ροή Stokes ( για σφαίρα ακτίνας α, f = 6παμ μ: ιξώδες)

21 Σχεδιασμός νέου φαρμάκου ΑΡΙ σε κρυσταλλική μορφή. Κρυστάλλωση είναι μια μέθοδος απομόνωσης ΑΡΙ σέ υψηλή καθαρότητα. Κρυστάλλωση καθορίζει τις φυσικοχημικές ιδιότητες και θεραπευτικά χαρακτηριστικά του ΑΡΙ. Φυσικοχημικές ιδιότητες έχουν επίδραση στο προϊόν (φαρμακευτικό μίγμα ) και στις διεργασίες που υπόκειται, καθώς επίσης στην καμπύλη απελευθέρωσης του ΑΡΙ (στο αίμα) με το χρόνο. Η δομή (πολυμορφισμός) και μέγεθος των κρυστάλλων του ΑΡΙ εξαρτώνται από τό διαλύτη, τη θερμοκρασία και πίεση και το χρόνο παραμονής στον κρυσταλλωτήρα. ΄Ετσι, προϊόν και διεργασία πρέπει να σχεδιαστούν συγχρόνως Η κινητήρια δύναμη για την κρυστάλλωση είναι ο υπερκορεσμός του διαλύματος, δηλαδή, όταν η συγκέντρωση διαλυτού συστατικού είναι πολύ μεγαλύτερη από τη διαλυτότητα του 7/11/2012ΔΧ21

22 ΔΧ Σχεδιασμός νέου φαρμάκο Κρυστάλλωση μπορεί να επιτευχθεί με: 1. Μείωση της θερμοκρασίας ή 2. Προσθήκη αντιδιαλύτη (είναι πλήρως αναμείξιμος με τον διαλύτη αλλά έχει μικρή διαλυτότητα για το διαλυτό συστατικό) Κρυστάλλωση γίνεται με: 1.Ένα διαλύτη και ψύξη, για λόγους δυνατότητας καλλίτερου ελέγχου, 2.Δύο διαλύτες και ψύξη για την αύξηση της διαλυτότητας, 3.Προσθήκη αντιδιαλύτη στο διαλύμα σε σταθερή θερμοκρασία H κρυσταλλική δομή καθορίζεται με περίθλαση ακτίνων Χ (X-Ray Diffraction) σε κρύσταλλο ή σκόνη 7/11/

23 7/11/2012ΔΧ23 Σχεδιασμός νέου φαρμάκου Διαλυτότητα Καθορίζεται από τη Θερμοδυναμική της ισορροπίας στερεάς-υγράς φάσης (SLE) x 2,s είναι η διαλυτότητα, ΔΗ m η ενθαλπία και T m η θερμοκρασία τήξης και γ 2 ο συντελεστής ενεργότητας του διαλυτού συστατικού 2, που είναι συνάρτηση της σύστασης, x 2, και λιγότερο της θερμοκρασίας ΔΗ m και T m μετρώνται με DSC, x 2,s με συσκευή θολομετρίας (turbidity)

24 7/11/2012ΔΧ24 Σχεδιασμός νέου φαρμάκου Διαλυτότητα Ο συντελεστής ενεργότητας υπολογίζεται από: 1.Παραμέτρους διαλυτότητας (solubility parameters) Ηildebrand (1970) για μικρά μόρια, Ηansen (1999) για μακρομόρια μ 2 χημικό δυναμικό του διαλυτού συστατικού, μ 2 0 χημικό δυναμικό του διαλυτού συστατικού σε κατάσταση αναφοράς (καθαρό συστατικό 2 σε καθορισμένα p και Τ ), x i, i = 1,2, μοριακό κλάσμα συστατικού i, Ṽ 2 ο μοριακός όγκος του διαλυτού συστατικού, και δ i, i = 1,2, οι παράμετροι διαλυτότητας. Όσο περισσότερο διαφέρουν οι παράμετροι διαλυτότητας διαλύτη, 1, και διαλυτού συστατικού, 2, τόσο περισσότερο μη αναμείξιμα είναι διαλύτης και διαλυτό συστατικό. Για ιδανικό διάλυμα, ω = 0

25 7/11/2012ΔΧ25 Σχεδιασμός νέου φαρμάκου Διαλυτότητα Ο συντελεστής ενεργότητας υπολογίζεται από: 1.Παραμέτρους διαλυτότητας (solubility parameters) 2.NRTL-SAC μέθοδο To μόριο χωρίζεται σε τμήματα, υδρόφοβο (δεν σχηματίζει δεσμούς υδρογόνου), Χ, πολικό (δέκτης ή αποδέκτης ζεύγους ηλεκτρονίων), Υ, και υδρόφιλο (σχηματίζει δεσμούς υδρογόνου), Ζ, που σχετίζονται μόνο μέσω δυαδικών αλληλοεπιδράσεων 3.΄Αλλες μεθόδους συνεισφοράς ομάδων (Group Contribution Methods), π.χ., UNIFAC Το μόριο χωρίζεται σε ενεργές ομάδες (functional greoups), π.χ., CH 3 -, που σχετίζονται μόνο μέσω δυαδικών αλληλοεπιδράσεων

26 7/11/2012ΔΧ26 Σχεδιασμός νέου φαρμάκου Πυρηνοποίηση (nucleation) Πρωτογενής - Τοπικές διακυμάνσεις στη συγκέντρωση του διαλυτού συστατικού οδηγούν στη δημιουργία συσσωρευμάτων (clusters) μορίων που αλλιώς ονομάζονται επίσης πυρήνες. ΄Οσα συσσωρεύματα ξεπερνούν το ενεργειακό φράγμα, φθάνουν στο κρίσιμο μέγεθος, όπου η ελεύθερη ενέργεια, G = H – TS, παίρνει τη μεγίστη τιμή της, και εξακολουθούν να μεγαλώνουν σε μέγεθος με αντίστοιχη μείωση της ελεύθερης ενέργειας του συστήματος Αντίθετα, τα συσσωρεύματα που δεν το κατορθώνουν, διαλύονται και η ελεύθερη ενέργεια ελαττώνεται στο ελάχιστο Ο ρυθμός της πυρηνοποίησης είναι ίσος με το ρυθμό που τα συσ- σωρεύματα μεγαλώνουν πέρα από το κρίσιμο μέγεθος

27 7/11/2012ΔΧ27 Σχεδιασμός νέου φαρμάκου Πυρηνοποίηση (nucleation) Πρωτογενής – Κρύσταλλοι δημιουργούνται και αυξάνουν σε μέγεθος μετά τη δημιουργία πυρήνων κρισίμου μεγέθους Η πιθανότητα ενός πυρήνα να φτάσει το κρίσιμο μέγεθος εξαρτάται από το ύψος του ενεργειακού φράγματος από την ενέργεια κατανομής Boltzman To ύψος του ενεργειακού φράγματος και το κρίσιμο μέγεθος εξαρτώνται από το βαθμό υπερκορεσμού. Όταν αυτός ξεπεράσει μιά ωρισμένη τιμή, το ενεργειακό φράγμα και το κρίσιμο μέγεθος είναι αρκετά μικρά ώστε να έχουμε αυθόρμητη πυρηνοποίηση. Στην πράξη, η πυρηνοποίηση επισπεύδεται από ξένα σωματίδια στο διάλυμα, ανωμαλίες στην εσωτερική επιφάνεια του κρυσταλλωτήρα ή με προσθήκη ψυγμάτων κρυστάλλων από το διαλυτό συστατικό (seeding)

28 7/11/2012ΔΧ28 Σχεδιασμός νέου φαρμάκου Πολυμορφισμός α - ευνοείται από την κινητική β – ασταθές γ – θερμοδυναμικά σταθερό

29 7/11/2012ΔΧ29 Σχεδιασμός νέου φαρμάκου Πολυμορφισμός - Τα περισσότερα ΑΡΙ είναι οργανικές ενώσεις με μικρά μόρια. Τα μικρά οργανικά μόρια στην κρυσταλλική στερεά κατάσταση έχουν συνήθως πολλαπλές διατάξεις στο χώρο. Κατ’ακολουθία, η ίδια οργανική ένωση έχει πολλαπλές κρυσταλλικές δομές, ανάλογα με τις συνθήκες κρυστάλλωσης (θερμοκρασία, πίεση, διαλύτης, περιβάλλον). Ο πολυμορφικός τύπος επιρρεάζει την απόδοση των διεργασιών που ακολουθούν την κρυστάλλωση (διήθηση, ξήρανση), την σταθερότητα του φαρμάκου, την βιοδιαθεσιμότητα και απελευθέρωση του φαρμάκου στο σώμα (πολύμορφα έχουν διαφορετική διαλυτότητα και ρυθμό διάλυσης) Ψευδοπολύμορφα, δηλαδή, κρύσταλλοι στούς οποίους έχουν ενσωματωθεί μόρια του διαλύτη (solvates, hydrates) και είναι συνήθως ασταθείς έξω από το διάλυμα, όπως και η άμορφη στερεά κατάσταση, δεν είναι επιθυμητές μορφές για παραγωγή φαρμάκων Καταγραφή όλων των πολυμόρφων και της βιομηχανικής παραγωγής τους σε διπλώματα ευρεσιτεχνίας εξασφαλίζει την πνευματική ιδοκτησία της εταιρείας που τα βρήκε και τα διαχώρησε

30 7/11/2012ΔΧ30 Σχεδιασμός νέου φαρμάκου Πολυμορφισμός Η σχετική διαλυτότητα δύο πολυμόρφων μπορεί να είναι μονοτροπική ή εναντιοτροπική Πολύμορφο με υψηλότερο Τ m έχει:Το σύστημα είναι: χαμηλότερη ΔΗ m εναντιοτροπικό υψηλότερη ΔΗ m μονοτροπικό

31 7/11/2012ΔΧ31 Σχεδιασμός νέου φαρμάκου Επιλογή Διαλύτη Όταν αποφασισθεί ποιό πολύμορφο είναι επιθυμητό, διαλέγεται διαλύτης που οδηγεί στη δημιουργία του. ΄Αλλα κριτήρια για την επιλογή του διαλύτη: 1.Χημική συμβατότητα 2.Επίδραση στο περιβάλλον, την ασφάλεια και την υγεία 3.Μέγιστη θερμοκρασία λειτουργίας καθορίζεται από τη θερμοκρασία ζέσης του διαλύτη και τη σταθερότητα του ΑΡΙ 4.Ελάχιστη θερμοκρασία λειτουργίας καθορίζεται με βάση το σημείο ψύξης του διαλύτη 5.Διαλυτότητα στη μέγιστη θερμοκρασία αρκετή ώστε να εξασφαλίζει αντίστοιχους ρυθμούς παραγωγής 6.Μεγάλη απόδοση κρυστάλλωσης σημαίνει συγκρυστάλλωση προσμείξεων (impurities) 7.Διαλύτης απομακρύνεται μετά την κρυστάλλωση είτε με ξήρανση ή με πλύση με άλλο διαλύτη Πρόβλημα επιλογής του διαλύτη μπορεί να λυθεί με Computer Aided Molecular Design με το ανάλογο λογισμικό

32 7/11/2012ΔΧ32 Σχεδιασμός νέου φαρμάκου Πληροφορίες για την κινητική της κρυστάλλωσης Ισοζύγιο πληθυσμού για Κρυσταλωτήρα Μικτού Αιωρήματος και Απομάκρυνσης Μικτού Προϊόντος (MSMPR) Q – ογκομετρική παροχή c – συγκέντρωση διαλυτού συστατικού n - αριθμός σωματιδίων ανά μονάδα όγκου ανά μονάδα μεγέθους (πυκνότητα αριθμού σωματιδίων ) Ν - αριθμός σωματιδίων μεγέθους 0 – L ανά μονάδα όγκου N T – αριθμός σωματιδίων όλων των μεγεθών ανά μονάδα όγκου Με απλοποιήσεις το ισοζύγιο πληθυσμού (σωματιδίων) δίνει: όπου G είναι ο ρυθμός ανάπτυξης του κρυστάλλου και τ ο χρόνος παραμονής του κρυσταλλωτήρα, V/Q Άν υποτεθεί ότι ο ρυθμός G δεν είναι συνάρτηση του μεγέθους του κρυστάλλου, η παραπάνω εξίσωση δίνει  G n dL dn 

33 7/11/2012ΔΧ33 Σχεδιασμός νέου φαρμάκου Πληροφορίες για την κινητική της κρυστάλλωσης Ισοζύγιο πληθυσμού για Κρυσταλωτήρα Μικτού Αιωρήματος και Απομάκρυνσης Μικτού Προϊόντος (MSMPR) Άν υποτεθεί ότι ο ρυθμός G δεν είναι συνάρτηση του μεγέθους του κρυστάλλου, η παραπάνω εξίσωση δίνει Ο ρυθμός πυρηνοποίησης είναι L 

34 7/11/2012ΔΧ34 Σχεδιασμός νέου φαρμάκου Πληροφορίες για την κινητική της κρυστάλλωσης Ισοζύγιο πληθυσμού για Κρυσταλωτήρα Μικτού Αιωρήματος και Απομάκρυνσης Μικτού Προϊόντος (MSMPR n = Δm / (α v ρL 3 ΔL) Δm είναι η μάζα που κρατιέται σε κόσκινο ενός συγκεκριμένου μεγέθους, α v ο παράγοντας σχήματος όγκου, ΔL η διαφορά μεγέθους ανάμεσα στο συγκεκριμένο κόσκινο και στο αμέσως πιο πάνω (το μέγεθος κοσκίνου ελαττώνεται από πάνω προς τα κάτω) και L το μέσο μέγεθος σωματιδίων που παρακρατούνται στο συγκεκριμένο κόσκινο

35 7/11/2012ΔΧ35 Κοκκώδη Υλικά Συμπεριφορά πολύ διαφορετική από υγρά, αέρια και στερεά υλικά o Αλληλεπίδρασεις συματιδίων (συγκρούσεις, τριβή, δυνάμεις συνοχής) και αλληλεπίδραση τοιχώματος δοχείου ροής και σωματιδίων o Αλληλεπίδραση αερίου και σωματιδίων (α) υδροδυναμική (β) φυσικο- χημική σε υψηλές πιέσεις Κοκκώδη υλικά ρέουν όταν η διατμητική τάση υπερβεί μια κρίσιμη τάση (critical yield stress) Πρίν τη ροή, το κοκκώδες υλικό αυξάνει σε όγκο (dilatation) Κοκκώδες υλικό ρέει πιο εύκολα από αιώρημα κόκκων σε υγρό Υψηλός λόγος επιφάνειας-προς-όγκο βοηθάει σε αλληλεπίδραση με περιβάλλον ρευστό Τα περισσότερα κοκκώδη υλικά ρευστοποιούνται με αέριο που διοχετεύται υπό πίεση πρός τα άνω μέσω αυτών και αυξάνουν σε όγκο Σε πολλές περιπτώσεις τα σωματίδια έχουν την τάση να συσσωματώνονται σε πυκνό σμήνος που πολύ δύσκολα αραιώνεται Συνοχή σμήνους=> ετερογενής ρευστοποίηση (gas bubbles) Στις περισσότερες περιπτώσεις, με κοκκώδη υλικά σε δοχεία ροής παρατηρούνται στάσιμες ροές (blocked flow) Ανάδευση κοκκωδών υλικών δεν οδηγεί σε ανάμειξη (mixing) αλλά διαχωρισμό κατά μέγεθος ή βάρος (seggregation)

36 Φαρμακευτικά Προϊόντα Φαρμακευτική Βιομηχανία: αυστηρότερα νομοθετικά ρυθμιζόμενη από κάθε άλλη βιομηχανία (Εθνικός Οργανισμός Φαρμάκων, European MEdicine Agency, US Food & Drug Administration). Για το μηχανικό, σπουδαιότερες ρυθμίσεις αυτές που αφορούν την παραγωγή (current Good Manufacturing Practices) Ένα νέο επώνυμο φάρμακο από τη στιγμή της ανακάλυψης της φαρμακευτικής ουσίας μέχρι να φτάσει το φαρμακευτικό προϊόν στην αγορά παίρνει περίπου10 χρόνια ανάπτυξης και κλινικών δοκιμών με κόστος περίπου $800 εκατομμύρια και πιθανότητα εμπορικής επιτυχίας 21%. Αν το φάρμακο φτάσει στην αγορά, για τα επόμενα περίπου15 χρόνια, η εταιρεία που εισήγαγε στην αγορά το νέο φάρμακο, έχει αποκλειστικότητα στις πωλήσεις του. Μετά από 15 χρόνια, τα δικαιώματα πνευματικής ιδιοκτησίας (patents) λήγουν, και μπαίνουν στην αγορά οι εταιρείες παραγωγής γενοσήμων (generic) φαρμάκων. Η Ελληνική Φαρμακευτική Βιομηχανία είναι σχεδόν αμιγώς βιομηχανία παραγωγής γενοσήμων 7/11/2012 ΔΧ 36

37 7/11/2012ΔΧ37/56 Τροποποίηση φαρμάκων: φαρμακευτικά ενεργές ουσίες (ΑΡΙs) μετατρέπονται σε άλλες που είναι χημικά διακριτές από τις αρχικές αλλά παράγουν το ίδιο βιολογικό αποτέλεσμα Μέθοδοι τροποποίησης 1.Αύξηση διαλυτότητας ΑΡΙ 2.Αύξηση σταθερότητας ΑΡΙ 3.Ρύθμιση διαπερατότητας μεμβράνης (ιστών)

38 7/11/2012ΔΧ38/56 Αύξηση διαλυτότητας ΑΡΙ I.Ετεροπολική Τροποποίηση Απομονώνεται μια ασταθής ουσία με δεσμό σε 1.Πλάσμα, π.χ., δεσμός με προτεϊνη, όπως η αλμπουμίνη, περιορίζει τα όρια του ΑΡΙ στο πλάσμα 2.Εξωτερική μεμβράνη κυττάρου, π.χ. δεσμός του βασικού παράγοντα ανάπτυξης ινοβλαστών (basic fibroblast growth factor - bFGF) δημιουργεί δεσμό με την ηπαρίνη που σταθεροποιεί το bFGF όταν εισάγεται με ένεση bFGF μόνο του έχει t 1/2 = 1.5 min bFGF με ηπαρίνη έχει t 1/2 = 4.5 min Λιποφιλικά ΑΡΙ συσσωρεύονται σε λίπη από τα οποία ελευθερώνονται βραδέως

39 7/11/2012ΔΧ39/56

40 7/11/2012ΔΧ40/56 Αύξηση διαλυτότητας ΑΡΙ II.Χημική τροποποίηση 1.Δημιουργία άλατος, π.χ., ασπιρίνη (ακετυλοσαλυκυλικό οξύ) που είναι ελάχιστα διαλυτή στο νερό, διαλύεται εύκολα όταν δημιουργηθεί το σαλικυλικό νάτριοsoluble 2.Σύζευγη με πολύ(αιθυλενο γλυκόλη) (PEG) για σταθεροποίηση πρωτεϊνών,π.χ., βοοειδής κατα- λάση (bovine catalase), μη διαλυτή σε ουδέτερες συνθήκες, όταν συζευχθεί με PEG, διαλύεται σε pH = 1 Επίσης για αύξηση διαλυτότητας, π.χ., για να αυξη- θή η διαλυτότητα στο νερό του paclitaxel και των παραγώγων του

41 7/11/2012ΔΧ41/56 Αύξηση διαλυτότητας ΑΡΙ ΙΙΙ. Mε εγκλεισμό σε λιποσώματα Τα φωσφολιπίδια, που είναι αμφιφιλικά μόρια, χρησιμοποιούνται για να δημιουργήσουν υδροφιλικά και υδροφοβικά διαμερίσματα σε υδατικό περιβάλλον. Παίρνουν τις ακόλουθες μορφές 1.Μυκήλια (micelles): μικρά σφαιρίδια με τις υδροφοβικές κεφαλές των μορίων στην επιφάνεια και τις υδροφιλικές ουρές διευθυνόμενες στο κέντρο, 2.Διπλά στρώματα (Lipid Bilayers): στρώματα φωσφολιπιδίων με πάχος 2 μόρια και υδροφοβικές κεφαλές στο κέντρο, 3.Λιποσώματα (Liposomes,1965), σφαιρικά στρώματα λιπιδίων πάχους 2 μορίωνspherical lipid bilayers Σχηματίζονται αυθόρμητα σε υδατικά μέσα. Νερό μπορεί να εγκλειστεί στη μήτρα κατά τη δημιουργία τους. Το μέγεθος και το σχήμα τους μπορεί να αλλάξει με αλλαγή του (a) μίγματος φωσφολιπιδίων, (b) βαθμό κορεσμού των λιπαρών όξινων αλυσίδων, και (c) συνθήκες σχηματισμού

42 7/11/2012ΔΧ42/56 Large polar headgroup => large curvature vesicles Small polar headgroup => invertd structure bilayer

43 7/11/2012ΔΧ43/56 Αύξηση διαλυτότητας ΑΡΙ ΙΙΙ.Με εγκλεισμό σε λιποσώματα Υδροφοβικά ΑΡΙ, αδιάλυτα στο νερό, μπορούν να φορτωθούν στη μεμβράνη λιποσωμάτων πριν τη χορήγηση Υδροφιλικά φάρμακα, διαλυτά στο νερό, μπορούν να φορτωθούν στον πυρήνα του λιποσώματος πριν την χορήγηση Λιποσώματα εξαφανίζονται γρήγορα στο αίμα, λόγω φαγοκυττάρωσης (phagocytosis) από τα κύτταρα του δικτυοενδοθηλιακού (reticuloendothelial) συστήματος Ο χρόνος ημιζωής, t 1/2, μπορεί να αυξηθεί αν συζευχθούν τα φωσφολιπίδια με υδατοδιαλυτά πολυμερή, π.χ., PEG «Λαθραία» (Stealth) λιποσώματα έχουν μακρότερους χρόνους κυκλοφορίας πιθανόν επειδή η σύζευξη με τα πολυμερή μειώνει το ρυθμό της φαγοκυττάρωσης

44 7/11/2012ΔΧ44/56 Αύξηση της σταθερότητας της δραστικής ουσίας (ΑΡΙ) Αποβολή/εξάλειψη φαρμάκου Διεργασία με ρυθμό που ακολουθεί κινητική 1 ου βαθμού σε: 1.Διάχυση μορίων φαρμάκου σε τοπική περιοχή ιστών 2.΄Αδειασμα φαρμάκου από διαμέρισμα ιστών Μικροσκοπική κλίμακα: αποβολή/εξάλειψη με οποιαδήποτε διεργασία που απομακρύνει δραστικά μόρια από το ρεύμα μεταφοράς Μακροσκοπική κλίμακα: αποβολή/εξάλειψη συμβαίνει σε στάδια Στο ανθρώπινο σώμα αποβολή/εξάλειψη από όργανα ( νεφρά, συκώτι, πνευμόνια) Τα πλευμόνια αποβάλλουν CO 2 και αέρια για αναισθησία (πτητικές ουσίες που διαπερνούν μεμβράνες με ταχύ ρυθμό) στον εκπνεόμενο αέρα Τα νεφρά αποβάλλουν υδατοδιαλυτά μόρια στα ούρα. Ούρα προκύπτουν από τη διήθηση στο σπείραμα (glomerulus). Το υγρό από τη διήθηση μεταφέρει μικρά μόρια μέσω της μεμβράνης του σπειράματος στο χώρο του Bowman. Όταν το υπερδιήθημα φθάνει στα σωληνάρια (tubules) των νεφρών, μερικά μόρια πηγαίνουν στο νεφρό και μερικά, π.χ., νερό, νάτριο και γλυκόζη, επαναπορροφώνται στο αίμα, ενώ άλλα, π.χ., πενικιλλίνη εκκρίνονται στο υγρό των σωληναρίων

45 7/11/2012ΔΧ45/56 Αύξηση σταθερότητας δραστικής ουσίας Αποβολή/εξάλειψη φαρμάκου Τα νεφρά αποβάλλουν υδατοδιαλυτά μόρια στα ούρα με μια διεργασία που συνδυάζει διήθηση και απέκκριση

46 7/11/2012ΔΧ46/56 Αύξηση σταθερότητας δραστικής ουσίας (ΑΡΙ) Το ήπαρ (συκώτι) είναι η πρωταρχική εστία του μεταβολισμού και της απέκκρισης φαρμάκων, δηλαδή βιομετατροπής και απέκκρισης της χολής Οργανικά ανιόντα, π.χ., γλυκουρονίδια (glucuronides), οργανικά κατιόντα, και στεροειδή (steroids) μεταφέρονται από ηπατοκύτταρα (hepatocytes) στο χολικό σύστημα του ήπατος, ένα διακλαδωμένο δίκτυο δοχείων και αποθηκευτήρων που συλλέγει χολή και την εκκενώνει στο λεπτό έντερο. Εκεί τα μόρια από τη χολή επαναπορροφώνται στο αίμα, εξέρχονται με τα κόπρανα η μετατρέπονται με εντερικά ένζυμα Αυτό το όργανο επίσης προετοιμάζει ουσίες για απέκκριση από τους νεφρούς. Πολλές λιποδιαλυτές ουσίες, συμπεριλαμβανομένων των φαρμακευτικών και τοξικών ουσιών, διαπερνούν το δέρμα και τις βλενογόνους επιφάνειες. Το ήπαρ τις μετατρέπει σε περισσόττερο πολικές ενώσεις που μπορεί να απεκκριθούν από τους νεφρούς

47 7/11/2012ΔΧ47/56 Αύξηση σταθερότητας δραστικών ουσιών Το εύρος των χημικών μετατροπών είναι απίστευτο. Η ποικιλία των βιοχημικών μετα- τροπών είναι υθεύθυνη για την ποικιλία των συμπτωμάτων και την υψηλή ευαιισθησία που αποκτούν ασθενείς με ηπατική ασθένεια σε προχωρημλενο στάδιο. Χημικές μετατροπές στο ήπαρ διευκολύνονται τα μέγιστα με έν- ζυμαμέσα στο λείο ενδοπλασματικό δίικτυο (endoplasmic reticulum) των ηπατοοκυττάρων (συχνά ανφέρονται σαν μικροσωματικό κλάσμα). Οι αντιδράσεις της φάσης Ι (οξείδωση, αναγωγή, υδρόλυση) μετατρέπουν μόρια σε περισσότερο πολικές μορφές. Το ένζυμο P 450 διευκολύνει κυρίως την οξείδωση. Μη ειδικές εστεράσες ενεργούν σαν καταλύτες για την υδρόλυση εστέρων και αμιδίων. Τα πρωτεϊνικά φάρμακα αποδομούνται από πρωτεάσες (proteases) και πεπτιδάσες (peptidases) στο ήπαρ, στον εντερικό σωλήνα και το πλάσμα Οι αντιδράσεις της φάσης II είναι αντιδράσεις σύζευξης (conjugation)

48 7/11/2012ΔΧ48/56 Αύξηση σταθερότητας δραστικής ουσίας Αποβολή φαρμάκου Στο ήπαρ η βιομετατροπή μορίων δραστικής ουσίας παράγει μεταβολίτες (metabolites) που είναι λιγότερο δραστικοί από τη μμητρική ουσία. Μερικές φορές μη δραστικά μόρια, μετά τη χορήγησή τους, μετατρέπονται σε δραστικά με τη δράση ενζύμων του ήπατος, π.χ., το αντικαρκινικό φάρμακο κυκλοφωσφαμίδη (cyclophosphamide) δεν είναι κυτταροτοξικό, μετατρέπεται όμως σε ισχυρούς παράγοντες αλκυλίωσης με οξείδωση της κυκλοφωσφαμίδης από το ένζυμο P450 σε 4-υδρο κυκλοφωσφαμίδη (hydrocyclophosphamide)

49 Αύξηση σταθερότητας δραστικής ουσίας (ΑΡΙ) I.Χημική Τροποποίηση Επειδή η δραστικότητα των ενζύμων είναι πολύ επιλεκτική, μικρές αλλαγές στη χημική δομή μπορούν να οδηγήσουν σε ριζικές μειώσεις στην αποδόμηση με τη μεσολάβηση ενζύμων π.χ., ακετυλοχολίνη (acetylcholine) και ολιγονουκλεοτίδια (oligonucleotides) Ένζυμα που συμβάλλουν στην αποδόμηση μπορούν να μειώσουν το μέσο χρόνο ζωής πολλών ουσιών που υπάρχουν στη φύση και πρέπει να απομακρυνθούν Nευροδιαβιβαστές (neurotransmitters) που απελευθερώνονται από προ- συναπτικό νευρώνα (presynaptic neuron) για μετάδοση σήματος δια μέσου της σύναψης, πρέπει να απομακρυνθούν ταχέως από το συναπτικό χώρο. Η ακετυλοχολίνη, ένας νευροδιαβιβαστής που μετατρέπεται σε αδρανή τύπο από την ακετυλοχολινεστεράση (acetylcholinesterase) που είναι άφθονη στο νευρικό ιστό και το αίμα, δεν είναι χρήσιμη ως θεραπευτικός παράγοντας διότι αποδομείται από ένζυμα πριν φθάσει στον προορισμό της. Χολινεργικοί (cholinergic) παράγοντες, π.χ., χλωριούχα μπεθανοχόλη (bethanecol chloride) με παρατεταμένη δραστηριότητα, μπορεί να παραχθεί με χημικές τροποποιήσεις που μειώνουν την ευαισθησία σε χολινεστεράσες (cholinesterases) 7/11/2012ΔΧ49/56

50 7/11/2012ΔΧ50/56 Αύξηση σταθερότητας δραστικής ουσίας (ΑΡΙ) I.Χημική Τροποποίηση Η χημική τροποποίηση είναι μια ευέλικτη μέθοδος για την ενίσχυση των ολιγονουκλεοτιδίων χωρίς να διακινδυνεύεται η δραστικότητα τους, δηλαδή, η εξειδίκευση (specificity) και η συνάφεια (affinity) δημιουργίας δεσμού Τα ολιγονουκλεοτίδια (οligonucleotides) αναδεικνύονται σε σπουδαία ομάδα θεραπευτικών παραγόντων. Τα αντιπληροφοριακά (antisense) ολιγονουκλεοτίδια συνδέονται με τον αγγελιοφόρο RNA στο κυτταρόπλασμα (cytoplasm) και, παρεμβαίνοντας στη μετάφραση, μειώνουν την έκφραση ορισμένων πρωτεϊνών Τόσο ο φωσφοδιεστέρας (phosphodiester) όσο και τα φωσφοροθειοϊκά ολιγονουκλεοτίδια (phosphorothioate oligonucleotides) απομακρύνονται ταχέως από το αίμα έπειτα από ενδοφλέβια ένεση Τα ολιγονουκλεοτίδια του φωσφοδιεστέρα υπόκεινται σε εκτενή μεταβολισμό, κατά πάσα πιθανότητα από τις εξωνουκλεάσες σε ορό Τα φωσφοροθειοϊκά ολιγονουκλεοτίδια, αν και απομακρύνονται γρήγορα από το αίμα, παραμένουν ανέπαφα σε ιστούς για εκτεταμένες περιόδους. Σχετικά απλή αλλαγή στο σκελετό (backbone) τους μειώνει την ευαισθησία των ολιγονουκλεοτιδίων σε αποδόμηση στο πλάσμα και τους ιστούς και έτσι επαυξάνει την θεραπευτική τους αξία. Άλλες τροποποιήσεις επαυξάνουν την διαπερατότητα μέσω της μεμβράνης του πλάσματος Τα Νουκλεϊνικά Οξέα Πεπτιδίων (Peptide Nucleic Acids) είναι η πιο πρόσφατη καινοτομία στο σχεδιασμό αναλόγων που αναγνωρίζουν συμπληρωματικές νουκλεϊκές. Τα οξέα αυτά είναι ανθεκτικά σε πρωτεάση (protease) και αποδόμηση που προκαλείται από νουκλεάση (nuclease)

51 7/11/2012ΔΧ51/56 Aύξηση σταθερότητας δραστικής ουσίας (ΑΡΙ) I.Χημική Τροποποίηση Ολιγονουκλεοτίδια

52 7/11/2012ΔΧ52/56 Αύξηση σταθερότητας δραστικήςουσίας (ΑΡΙ) II. Σύζευξη με πολυμερή Διαλυτά συνθετικά πολυμερή χρησιμοποιούνται ως μεταφορείς για βιοδραστικούς παράγοντες Δημιουργούν σύζευξη με φάρμακα και πρωτείνες για να σταθεροποιήσουν παράγοντες με (1) Την επέκταση του χρόνου ημιζωής (half-life) παραγόντων αλλάζοντας την συγκεντρωση τους στο πλάσμα, και (2) Την μεταβολή της βιοκατανομής (biodistribution) των παραγόντων Πολυμερικοί μεταφορείς: PEG, συμπολυμερή N-(2-υδροξυ-προπυλική) μεθακρυλαμιδίου (methacrylamide), δεξτράνη (dextran) και άλλοι πολυσακχαρίτες, πολυλυσίνη(polylysine), πολυ(ιμινο-αιθυλένιο) (poly(imino-ethylene)), πολύ(βινυλική αλκοόλη) (poly(vinyl alcohol)), πολυ (διβινυλο αιθέρα-συν-μηλεϊκού ανυδρίτης) (poly(divinyl ether-co-maleic anhydrite)), και πολυουρεθάνες

53 7/11/2012ΔΧ53/56 Αύξηση σταθερότητας δραστικής ουσίας (ΑΡΙ) II. Σύζευξη σε πολυμερή

54 7/11/2012ΔΧ54/56 Αύξηση σταθερότητας δραστικής ουσίας(ΑΡΙ) II. Σύζευξη σε πολυμερή Θεραπεία καρκίνου: σύζευξη αντικαρκινικών παραγόντων σε υδατοδιαλυτά πολυμερή Η σύζευξη μειώνει τις παρενέργειες σταθεροποιόντας τον παράγοντα στο αίμα και κατευθύνοντας μεγαλύτερο κλάσμα της κυτταροτοξικής δόσης στον καρκινικό όγκο Παράδειγμα 1. Αντικαρκινικό φάρμακο 5-fluorouracil (5-FU) που είναι άκρως από- τελεσματικό για ποικιλία όγκων αλλά προκαλεί σοβαρές παρενέργειες, πιθανόν σχετίζεται με τη μεγάλη διαπερατότητα του 5-FU σε μεμβράνες. Ένα παράγωγο του 5-FU δημιουργεί συζεύξεις με μεταφορέα PEG που διασπώνται με υδρόλυση για να απελευθερώσουν 5-FU. Ο ρυθμός υδρόλυσης μειώνεται όταν το μοριακό βάρος (ΜW) του PEG αυξάνεται, αλλά η αντικαρκινική δράση αυξάνεται καθώς αυξάνει το MW του PEG Παράδειγμα 2. Διακλισμένοι φορείς με σπονδυλική στήλη (backbones) από πολύ(L- λυσίνη) και προσαρμοζόμενες πλευρικές αλυσίδες που χρησιμοποιούνται ως μεταφορείς για μεθοτρεξάτη (ΜeΤhotreΧate). Ο βαθμός ενσωμάτωσης MTX, η κυτταροτοξικότητα (cytotoxicity) in vitro, ο χρόνος ημιζωής στο πλάσμα, και η βιοκατανομή εξαρτώνται από (1) MW του φορέα και (2) Το ακραίο αμινοξύ στην πλευρική αλυσίδα Παράδειγμα 3. Η δοξορουβικίνη (doxorubicin) είναι συζευγμένη με συμπολυμερές της N-(2 υδροξυπροπυλική)μεθακριλαμίδης (methacrylamide) μέσω συνδέτη που αποδομείται σε λυσοσώματα, και έτσι απελευθερώνει το φάρμακο Distr Half-Life, hrElimin Half-Life, hr Ελεύθερη Συζευγμένη

55 7/11/2012ΔΧ55/56 Αύξηση σταθερότητας δραστικής ουσίας (ΑΡΙ) II. Σύζευξη σε πολυμερή Σύζευξη πεπτιδίων με PEG Συνθετικά πεπτίδια (1) μπορούν να μιμηθούν τη λειτουργία πρωτεϊνών, (2) χορηγούνται ευκολότερα από πρωτεϊνες, (3) έχουν σύντομο χρόνο ημιζωής σε πλάσμα Παράδειγμα 1. Arg-Gly-Asp (RGD), αρχικά από συστοιχία φιμπρονεκτίνης, κοινά σε πολλές πρωτεϊνες, προφυλάσσουν από μετάσταση καρκίνου, όπου τα κυκλοφορούντα καρκινικά κύτταρα προσκολλώνται σε σημεία απομεμακρυσμένα. Τα RGD πεπτίδια εμποδίζουν τα καρκινικά κύτταρα να προσκολλώνται στο ECM (Εξωκυτταρική Μήτρα). Μη συζευγμένα πεπτίδια έχουν μικρό χρόνο κυκλοφορίας που εμποδίζει την θεραπευτική τους ικανότητα. PEG-RGD σύμποκα έχουν αποδειχθεί να μειώνουν τον αριθμό μεταστάσεων στους πνεύμονες σε πειραματικό μοντέλο. Παράδειγμα 2. Πεπτίδια που δεσμεύουν κύτταρα, συζευγμένα με πολυουρεθάνη, που σχηματίζονται με αδρανοποίηση πολυαιθεροαλκοόλη με διισοκυανικό. Ο χρόνος ημι- κυκλοφορίας του πενταπεπτιδίου Tyr-Arg-Gly-Asp-Ser (YRGDS) αυξάνεται με σύζευξη από 2.7 σε 11 ώρες

56 7/11/2012ΔΧ56/56 Αύξηση σταθερότητας δραστικής ουσίας (ΑΡΙ) II. Σύζευξη σε πολυμερή Σύζευξη πρωτεϊνών με PEG Σύντομος χρόνος ημιζωής για τις πρωτεϊνες, όπως και για τα πεπτίδια, είναι μειονέκτημα για χορήγηση φαρμάκου Ο χρόνος ημιζωής μπορεί να αυξηθεί με σύζευξη με φυσικά, π.χ., αλμπουμίνη, ζελατίνη και δεξτράνη, ή συνθετικά, π.χ., PEG, πολυμερή. Ο μηχανισμός αύξησης του χρόνου ημιζωής δεν έχει κατανοηθεί πλήρως. Φαίνεται ότι η σύζευξη μειώνει το ρυθμό αποικοδόμησης με ένζυμα, εξασθενεί την αντίδραση του ανοσιοποιητικού συστήματος, και ελαττώνει το ρυθμό νεφρικής αποπομπής (renal clearance) Σύζευξη πρωτεινών με PEG αρχικά γίνονταν με αντίδραση με μονομεθυλοξυ- PEG, όμως τώρα μια ευρεία κλάση παραγόντων σύζευξης επιτρέπει τον έλεγχο της θέσης και τον αριθμό των αλυσίδων PEG που προστίθενται με αποτέλεσμα την παραγωγή συμπλόκων με αυξημένη σταθερότητα και σχεδόν πλήρη διατήρηση της βιολογικής δραστικότητας Η αύξηση του χρόνου ημιζωής λόγω σύζευξης είναι θετική για τη χορήγηση πρωτεϊνικών φαρμάκων, αλλά η σύζευυξη μπορεί να φέρει και μείωση της βιολογικής δραστηριότητας της πρωτεϊνης Παράδειγμα 1. Σύζευξη του PEG με L-γλουταμινάση(glutaminase)-L- ασπαριγανάση(asparaginase) αυξάνει το χρόνο ημιζωής του ενζύμου από 2 σε 24 ώρες Παράδειγμα 2. Σύζευξη του PEG με ουρική οξιδάση συντελεί στην σημαντική αύξηση του χρόνου κυκλοφορίας του αίματος, αλλά μπορεί να ελαττώσει την δραστικότητα της ουρικής οξιδάσης όταν η σύζευξη με PEG αυξάνει στο διάστημα mol PEG/mol πρωτεϊνικών αμινοομάδων

57 7/11/2012ΔΧ57/56 Αύξηση σταθερότητας δραστικής ουσίας (ΑΡΙ) II. Σύζευξη σε πολυμερή Σύζευξη πρωτεϊνών με PEG Παράδειγμα 3. Σύζευξη βόειας δεαμινάσης της αδενοσίνης (bovine adenosine deaminase) (ADA) με PEG ελαττώνει την ανοσογονικότητα της πρωτεϊνης και αυξάνει το χρόνο ημιζωής από μερικά λεπτά σε 24 ώρες. Επαναλαμβανόμενη ένεση πρωτεϊνης άλλου είδους που δεν υπέστη σύζευξη συχνά προκαλεί ανοσιοποιητική αντίδραση που εξουδετερώνει την επίδραση της πρωτεϊνης. Όμως, με ADA συζευγμένο με PEG, μετά από επαναληψη 13 φορές ένεσης σε ποντίκια, ο αυξημένος χρόνος ημιζωής παραμένει αμετάβλητος. Ασθενώς ενδομυϊκή ένεση αυτού του παρασκευάσματος σε παιδιά έδειξε αυξημένη δραστηριότητα του ADA στο αίμα τους Με το διαθέσιμο εμπορικό σκεύασμα (Adagen from Enzol, Inc.), μέγιστα επίπεδα στο πλάσμα επιτεύχθηκαν 2-3 μέρες μετά την ενδομυϊκή ένεση Ο χρόνος ημιζωής δεν είναι σταθερός 3 με 6 μέρες ακόμη κι όταν μετράται στο ίδιο παιδί

58 7/11/2012ΔΧ58/56 Αύξηση σταθερότητας δραστικής ουσίας (ΑΡΙ) II. Σύζευξη σε πολυμερή Σύζευξη πρωτεϊνών με PEG Παράδειγμα 4. Ο χρόνος ημιζωής στο πλάσμα του PEG- rIL-2 σε ποντίκια είναι 1-4 h, πολύ μεγαλύτερος από αυτόν του μη συζευγμένου rIL-2, ~30 min. Η αύξηση του χρόνου ημιζωής εξαρτάται από την πυκνότητα του PEG για σύζευξη. Το συζευγμένο-με PEG -rIL-2 έχει δοκιμαστεί σε άτομα με HIV λοίμωξη (infection) Παράδειγμα 5. Ενέσεις κολλαγόνου γίνονται για θεραπεία ακράτειας ούρων (urinary incontinence) και κυστεοουρητηρική παλινδρόμηση (vesicoureteral reflux). Το κολλαγόνο τροποποιείται με ομοιοπολική (covalent) προσκόλληση του PEG, με την πεποίθηση ότι το εμφυτευμένο κολλαγόνο είναι λιγότερο ανοσογόνο (immunogeneic) και θα παραμείνει στη θέση που εμφυτεύθηκε για παρατεταμένο χρόνο II. Σύζευξη σε πολυμερή Παράδειγμα 6. Ο παράγοντας ανάπτυξης νεύρων (Nerve Growth Factor) έχει μικρό χρόνο ημιζωής μετά από χορήγηση απέυθείας στον εγκέφαλο (30 min). Στο σύντομο αυτό χρονικό διάστημα, τα μόρια του NGF διεισδύουν σε μικρή απόσταση από το σημείο εισαγωγής, ~ 1 mm. NGF ομοιοπολικά συζευγμένα με δεξτράνη (dextran) MW 70,000, όμως, διεισδύουν σε απόσταση 8 φορές μεγαλύτερη από το διάμεσο (interstitium) του εγκεφάλου απά αυτήν που διεισδύει ασύζευκτο NGF.

59 7/11/2012ΔΧ59/56 Αύξηση σταθερότητας δραστικής ουσίας (ΑΡΙ) II. Σύζευξη σε πολυμερή Ακινητοποίηση πρωτεϊνών σε στερεά υποστρώματα Μερικά φάρμακα δεν χρειάζεται να διαλυθούν για να έχουν αναπτύξουν βιολογική δραστικότητα, π.χ., η ινσουλίνη και ο παράγοντας ανάπτυξης νεύρων (Nerve Growth Factor) δραστικά όταν ακινητοποιηθούν σε μια επιφάνεια. Μερικές φορές οι ακινητοποιημένες πρωτεϊνες έχουν μεγαλύτερη δραστικότητα και σταθερότητα από τις ίδιες πρωτεϊνες σε διάλυμα ή προσροφημένες με φυσικό μηχανισμό, π.χ., ινσουλίνη και τρανσφερίνη (transferrin) σε λεπτό στρώμα πολυ (μεθακρυλικού μεθυλίου) (poly(methyl methacrylate)) για εκκίνηση ανάπτυξης ινοβλαστών (fibroblast) Άλλες πρωτεϊνες χορηγούνται τοπικά για να δημιουργήσουν μεγάλες συγκεντρώσεις για διάχυση. Η σύζευξη ελαττώνει το ρυθμός αποδόμησης στον εξωκυτταρικό χώρο, το ρυθμό διείσδυσης από τον εξωκυτταρικό χώρο στο κυκλοφορικό σύστημα, και το ρυθμό ανάληψης (uptake) διεργασίας που καθορίζεται από μοριακό υποδοχέα (receptor) Aκινητοποίηση οδηγεί σε ειδικούς σχηματισμούς της πρωτεϊνης, π.χ., ετερογενής στο χώρο ακινητοποίηση της ινσουλίνης σε πολυ (τερεφθαλικό αιθυλένιο) (poly(ethylene terephthalate)) αύξησε την κυτταρική πυκνότητα της ωοθήκης κινεζικού χάμστερ (CHO) σε περιοχές που υποβλήθηκαν σε θεραπεία. Η επίδραση της δέσμευσης του παράγοντα ανάπτυξης μπορεί να εξασθενήσει με ενδοκύτωση (endocytosis) και την αποδόμηση του συμπλόκου υποδοχέα-υποκαταστάτη (receptor-ligand) Ακινητοποιημένοι υποδοχείς σε διάρθρωση (conformation) που διατηρεί τη βιολογική δραστικότητα αλλά αναστέλλει την εσωτερίκευση του υποδοχέα, υποστηρίζει την ενδοκυτταρική ακολουθία σηματοδότησης (intracellular signaling cascade) για παρατεταμένη χρονική περίοδο

60 7/11/2012ΔΧ60/56 Αύξηση σταθερότητας δραστικής ουσίας (ΑΡΙ) II. Σύζευξη σε πολυμερή Ακινητοποίηση πρωτεϊνών σε στερεά υποστρώματα H διαμόρφωση του ακινητοποιημένου παράγοντα είναι σημαντικός παράγοντας για την επαγωγή κυτταρικών μηχανισμών. Σε μια από τις μεθόδους, πολυ(αιθυλενικό οξείδιο) μόρια (ΡΕΟ) χρησιμοποιούνται για να παρεμβάλλονται (spacers) μεταξύ επιφάνειας και παράγοντα. Τα μόρια που παρεμβάλλονται μεταξύ επιφανείας και παράγοντα, ομοιοπολικά συνδεδεμένα με μόρια της επιφάνειας και του παράγοντα ανάπτυξης δίνουν φυσικό χώρο στην πρωτεϊνη να λάβει κάθετη διαμόρφωση, συντελώντας έτσι στη βελτίωση της λειτουργίας της πρωτεϊνης Παράδειγμα 1. Ανάπτυξη του κυττάρου ως απόκριση σε ακινητοποιημένη ινσουλίνη, επαυξάνεται από την παρεμβολή μικρών μορίων μεταξύ της επιφάνειας και της πρωτεϊνης Παράδειγμα 2. Ακινητοποιημένος παράγοντας ανάπτυξης επιδερμίδας (EGF), συνδεδεμένος με την επιφάνεια μέσω μορίων PEO, παρουσιάζει ουσιαστικά μεγαλύτερη βιολογική δραστικότητα, δηλαδή, υψηλότερη διέγερση είτε της σύνθεσης του DNA ή της στρογγυλοποίησης του κυττάρου (ένδειξη κυττάρων σε φάση ανάπτυξης), από τον φυσικά προσροφημένο παράγοντα EGF Κύτταρα στα οποία εκφράζονται υποδοχείς του παράγοντα ανάπτυξης με ανεπάρκεια εσωτερίκευσης (internalization-deficient) παρουσιάζουν παρόμοια επαύξηση, όταν συγκρίνονται με κύτταρα στα οποία εκφράζονται ασυνήθεις υποδοχείς. Σύμφωνα με αυτήν υπόθεση, υποδοχέας με ανεπάρκεια εσωτερίκευσης, που μπορεί να δημιουργηθεί είτε από μεταλλαγή (mutation) ή φυσικό εμπόδιο του υποκαταστάτη (ligand), οδηγεί σε επαυξημένη σηματοδότηση

61 7/11/2012ΔΧ61/56 Ρύθμιση διαπερατότητας παράγοντα Μηχανισμοί μεταφοράς Οι κυτταρικές μεμβράνες ενεργούν σαν φραγμοί (barriers) που διαχωρίζουν λειτουργικά συστατικά κυττάρων και ιστών. Μόρια μπορούν να διαπερνούν τους φραγμούς των μεμβρανών με (1) διάλυση και διάχυση, π.χ., διπλοστοιβάδα φωσφολιπιδίων (phospholipid bilayer), (2) διευκολυμένη (facilitated) ή ενεργό (active) μεταφορά, (3) μεταφορά μέσω ανοιγμάτων (gaps) ή πόρων που σχηματίζονται από ατελή ένωση προσκείμενων κυτταρικών μεμβρανών Η δράση των φαρμάκων μπορεί να τροποποιηθεί με (1) αλλαγή της σχετικής διαλυτότητας των μορίων σε μεμβράνες, (2) δημιουργία μορφωμάτων που συμμετέχουν σε διευκολυμένη ή ενεργό μεταφορά, και (3) αλλαγή μεγέθους του μορίου της δραστικής ουσίας που συνεπάγεται αλλαγή στη διείσδυση του μέσω φραγμών Οι φραγμοί από μεμβράνες διαφέρουν από κύτταρο σε κύτταρο και από όργανο σε όργανο Παράδειγμα. Ο φραγμός εγκεφάλου-αίματος (Blood-Brain Barrier) ρυθμίζει την διαπερατότητα των τριχοειδών (αιμοφόρων αγγείων) στον εγκέφαλο και εμποδίζει μεγαλύτερο αριθμό μορίων από αυτά που διεισδύουν σε τριχοειδή του κυκλοφορικού συστήματος. Ο εγκέφαλος έχει υψηλές μεταβολικές απαιτήσεις που, με τη σειρά τους, απαιτούν υψηλό ογκομετρικό ρυθμό ροής αίματος και αμετάβλητη σύσταση του εξωκυτταρικού υγρού

62 7/11/2012ΔΧ62/56 Ρύθμιση διαπερατότητας παράγοντα με παθητική διάχυση Χημική Τροποποίηση Ο ρυθμός της παθητικής διάχυσης παράγοντα μέσω διπλοστοιβάδας λιπιδίων (lipid bilayer) συσχετίζεται με την σχετική διαλυτότητα του παράγοντα σε έλαιο και το μοριακό μέγεθος του. Αλλαγές στη χημική δομή που αυξάνει τη διαλυτότητα λιπιδίου χωρίς να αυξάνει σημαντικά το μέγεθος του συνεπάγεται αυξημένη διαπερατότητα της μεμβράνης. Η χημική τροποποίηση μπορεί να αλλάξει τη διαλυτότητα και τη διαπερατότητα των λιπιδίων Παράδειγμα 1. Βαρβιτουρικά φάρμακα. Τροποποίηση των παράπλευρων ομάδων R 1, R 2 και X έχει επίδραση στη διαλυτότητα όπως δείχνεται με το συντελεστή επιμερισμού σε επτάνιο/νερό σε pH = 1 Παράδειγμα 2. Διάφορα πεπτίδια από from την οικογένεια της εγκεφαλίνης (enkephalin) ή παρόμοια μόρια, διεισδύουν μέσω του BBB με διαφορετικούς ρυθμούς και μηχανισμούς. Το κυκλικό πεπτίδιο D-Phe-Cys-Tyr-D-Trp-ArgThr-Pen-Thr-NH 2, όπου Pen είναι η πενικιλλαμίνη (penicillamine), το οποίο δένεται με μ-οπιοειδείς υποδοχείς, διεισδύει με διάχυση. Το πεπτίδιο Tyr-D-Pen-Gly-Phe-D-Pen ([D-Pen]-εγκεφαλίνη, κυκλικό ανάλογο της Met-εγκεφαλίνης που δένεται με δ-οπιοειδείς υποδοχείς) διεισδύει με διάχυση και ένα κορεσμένο μηχανισμό μεταφοράς

63 7/11/2012ΔΧ63 Ρύθμιση διαπερατότητας παράγοντα με παθητική διάχυση Χημική Τροποποίηση Παράδειγμα 3. Το πεπτίδιο (Tyr-D-Ala-Gly-Phe-NH) 2,διφαλίνη (biphalin) με μ- and δ- οπιοειδείς υποδοχείς, διεισδύει με διάχυση και με μεταφορά από ένα μεγάλο ουδέτερο αμινοοξύ Παράδειγμα 4. Η Leu-εγκεφαλίνη, το πενταπεπτίδιο Tyr-Gly-Gly-Phe-Leu-OH με MW = 627, έχει συντελεστή επιμερισμού σε οκτάνιο/νερό 0.6. Προσθήκη of 1-αδαμαντάνης (adamantane) αυξάνει το συντελεστή επιμερισμού σε 132 και επαυξάνει διείσδυση στον εγκέφαλο Παράδειγμα 5. [D-Ala 2 ]-Leu 5 -εγκεφαλίνη ανθίσταται στην αποδόμηση με πρωτεάσες (proteases) που βρίσκοντα στο έντερο. O χρόνος ημιζωής της για αποδόμηση με ένζυμα στη νηστίδα του λεπτού εντέρου είναι ~2h Διείσδυση της Met-εγκεφαλίνης (πανομοιότυπη με Leu 5 -εγκεφαλίνη εκτός από την αντικατάσταση της μεθιονίνης (methionine) για λευκίνη (leucine) επαυξημένη με προσθήκη ουσιών που αναστέλλουν είτε την αμινοπεπτιδάση (aminopeptidase), που διασπά την Met-εγκεφαλίνη στον Tyr 1 -Gly 2 δεσμό, είτε την ουδέτερη ενδοπεπτιδάση/αγγειοτενσίνη (endopeptidase/angiotensin), που και οι δυο διασπούν στον Gly 3 -Phe 4 δεσμό. Άλλος στόχος για την επαύξηση της διαπερατότητας του νευροπεπτιδίου μέσω επιθηλιακών ή ενδοθηλιακών φραγμών είναι η ελάττωση της ενζυματικής αποδόμησης, που μπορεί να επιτευχθεί με άνάλογα μόρια ανθεκτικά στα ένζυμα ή ενζυμικούς αναστολείς

64 7/11/2012ΔΧ64/56 Ρύθμιση διαπερατότητας παράγοντα με παθητική διάχυση Κατιονικά λιπίδια για μεταφορά γονιδίων (gene transfer) H γονιδιακή θεραπεία απαιτεί αποτελεσματική εισαγωγή του DNA σε κύτταρα Τα μόρια του DNA που είναι μεγάλα και διαλυτά στο νερό δεν διαπερνούν διπλοστοιβάδες λιπιδίων (lipid bilayers) Ιδανικοί παράγοντες για να διευκολύνουν την διείσδυση του DNA στο κύτταρο είναι εκείνοι που μπορούν να σχηματίζουν αυθόρμητα σύμπλοκα με DNA hoshatidylethanolamine, DOPE, και διελαοϋλο phoshatidylcholine, DOPC, για να παραχθούν λιποσώματα (liposomes) με επιθυμητές ιδιότητες Λιποσώματα που περιέχουν DOTMA αντιδρούν αυθόρμητα με DNA για να παράγουν σύμπλοκα λιπιδίου-DNA στα οποία περίπου100% του DNA παγιδεύεται. Αυτός ο παράγοντας που λέγεται Lipofectin ® προάγει τη χορήγηση και έκφραση γονιδίων Κατιονικά λιπίδια πιθανόν σχηματίζουν σταθερά σύμπλοκα με ανιονικά μόρια DNA για να διευκολύνουν είσοδο στο κύτταρο. Μελέτες συμπλόκων του DNA/DOTAP (διολεοϋλ trimethylammoniumpropane/DOPE) υποδεικνύουν ότι τα μόρια του DNA παρατάσσονται σε κανονικούς σχηματισμούς μεταξύ στρωμάτων διπλοστοιβάδων λιπιδίων (lipid bilayers). Αυτός ο σχηματισμός επιτρέπει φορτισμένες ομάδες σε κεφαλές λιπιδίων να αντιδρούν με φορτισμένα μόρια DNA. Όταν χρησιμοποιούνται μίγματα κατιονικών και ουδετέρων λιπιδίων, τα κατιονικά λιπίδια συγκεντρώνονται σε περιοχές κοντά στο DNA Η απόκτηση πρόσβασης στο κυτόπλασμα (cytoplasm) είναι το πρώτο βήμα στη χορήγηση DNA. Τα μόρια του DNA πρέπει επίσης να διαπεράσουν το κυτόπλασμα και να αποκτήσουν πρόσβαση στον πυρήνα (nucleus) του κυττάρου. Οι επιμολυντικοί (transfection) παράγοντες διευκολύνουν διάβαση του DNA από το φραγμό αλλά εμποδίζουν την διάβαση του από άλλον φραγμό.

65 7/11/2012ΔΧ65/56 Ρύθμιση διαπερατότητας παράγοντα με παθητική διάχυση Κατιονικά λιπίδια για μεταφορά γονιδίων (gene transfer) Παράδειγμα 1. Κατιονικά λιπίδια σχηματίζουν σύμπλοκα με DNA που διευκολύνουν μεταφορά μέσω μεμβράνη πλάσματος. Τα λιπίδια παρεμβαίνουν στην είσοδο του DNA Μέσω του κυτοπλάσματος στον πυρήνα

66 7/11/2012ΔΧ66/56 Ρύθμιση διαπερατότητας παράγοντα με ενεργή ή διευκολυμένη (facilitated) μεταφορά Tριχοειδή ενδοθηλιακά κύτταρα έχουν εξειδικευμένες πρωτεϊνες μεταφοράς που επιτρέπουν τη διέλευση συγκεκριμένων μορίων, π.χ., ενδοθηλιακά κύτταρα του BBB φραγμού έχουν διάφορα συστήματα μεταφοράς, ουσιαστικής σημασίας για τη λειτουργία του εγκεφάλου. Συστήματα μεταφοράς μπορεί να εξαπατηθούν με τη δημιουργία ή ανακάλυψη παραγόντων που μοιάζουν με φυσικό υπόστρωμα για μεταφορά πρωτεϊνης, αλλά τροποποιήθηκαν για να έχουν επιθυμητή βιολογική δραστικότητα. Παράδειγμα 1. Η Levodopa, L-3,4-διυδροξυφενυλαλανίνη (dihydroxyphenylalanine) για θεραπευτική αγωγή της ασθένειας του Parkinson, που χαρακτηρίζεται από σημαντική μείωση της ντοπαμίνης, ένα σπουδαίο νευροδιαβιβαστή στα βασικά γάγγλια. Άμεση αντικατάσταση της δοπαμίνης δεν είναι δυνατή, γιατί η ντοπαμίνη δεν διεισδύει στον BBB φραγμό. Ο μεταβολικός πρόδρομος της ντοπαμίνης, η levodopa, διέρχεται από τα τριχοειδή του εγκεφάλου βοηθούμενη από μεταφορέα που είναι ουδέτερο αμινοοξύ. Η περιφερειακή χορήγηση της levodopa αυξάνει την συγκέντρωση της στο κεντρικό νευρικό σύστημα (CNS). Μερικά από τα μόρια της μετατρέπονται σε ντοπαμίνη με τη βοήθεια των αποκαρβοξυλωμένα (decarboxylate) ένζυμα στον εγκεφαλικό ιστό. Αποκαρβοξυλωμένα ένζυμα είναι επίσης ενεργά στα έντερα και το αίμα Για να αποφευχθεί η μετατροπή της levodopa σε ντοπαμίνη πρίν την είσοδο της στον εγκέφαλο, η levodopa χορηγείται μαζί με αναστολείς (inhibitors) της αποκαρβοξυλάσης (decarboxylase)

67 7/11/2012ΔΧ67/56 Ρύθμιση διαπερατότητας παράγοντα με ενεργή ή διευκολυμένη (facilitated) μεταφορά Παράδειγμα 2. Ενισχυμένη (enhanced) μεταφορά παρατηρείται για παράγοντες σε συνδυασμό με αντισώματα που δεσμεύουν υποδοχείς τρανσφερίνης (transferrin) και άλλα διανύσματα (vectors). Αυξημένη πρόσληψη πρωτεϊνών μετά τον κατιοντισμό (cationization), που φαίνεται να ενισχύει την ενδοκύτωση (endocytosis), οφείλεται ίσως στις βελτιωμένες αλληλεπιδράσεις μεταξύ κατιονικών πρωτεϊνών και της αρνητικά φορτισμένης επιφάνειας του κυττάρου

68 7/11/2012ΔΧ68/56 Ρύθμιση διαπερατότητας παράγοντα με ενεργή ή διευκολυμένη (facilitated) μεταφορά Πεπτίδια από πρωτεϊνες ομοπεδίου Πρωτεϊνες ομοπεδίου : παράγοντες μεταγραφής (transcription factors) που εκφράζονται στη διάρκεια της ανάπτυξης και, σε μερικούς ιστούς, καθ΄όλη τη διάρκεια της ενήλικης ζωής. Οι παράγοντες αυτοί δημιουργούν δεσμό με το DNA μέσα στον πυρήνα και πρέπει να μετακινηθούν μέσω μεμβρανών για να λειτουργήσουν Παράδειγμα 1. Πεπτίδια από την Τρίτη έλικα της ομοιοακολουθίας Drosophila Antennapedia, Antp-HD, που καθίστανται ικανά να διαπεράσουν μεμβράνες σε σημεία που υπάρχουν πεδία με αφθονία σε κύρια αμινοοξέα Παράδειγμα 2. Άλλες πρωτεϊνες, όπως η πρωτείνη HIV-1 Tat n, transportan και πρωτεϊνες με αφθονία σε κύρια αμινοοξέα έχουν πεδία που παρουσιάζουν αυξημένη διαπερατότητα Ο μηχανισμός μεταφοράς πεπτιδίων στο κύτταρο σχετίζεται είναι άγνωστος. Πεπτίδια από την Antp-HD φαίνεται να εσωτερικεύονται με μηχανισμό ανεξάρτητο από τον υποδοχέα, που προκύπτει από άμεση αλληλεπίδραση με τα λιπίδια της μεμβράνης. Έχει προταθεί σαν μηχανισμός σύνδεση των πεπτιδίων με τα λιπίδια και εσωτερίκευση μέσω ανεστραμμένου μυκηλίου (inverted micelle) που διαπερνά τη μεμβράνη Στην περίπτωση του transportan, σύνδεση με την επιφάνεια του κυττάρου και εσωτερίκευση λαμβάνουν χώρα πολύ γρήγορα, ~1 min, με μέγιστη συγκέντρωση σε ~20 min και αποδοτικότητα 10-16% πρόσληψη. Όπως στην Antp-HD, πρόσληψη δεν φαίνεται να χρειάζεται υποδοχείς επειδή η εσωτερίκευση είναι κορεστή

69 7/11/2012ΔΧ69/56 Ρύθμιση διαπερατότητας παράγοντα με ενεργή ή διευκολυμένη (facilitated) μεταφορά Πεπτίδια από πρωτεϊνες ομοπεδίου Πεπτίδια με την ιδιότητα να σχηματίζουν δεσμό με λιπίδια και να εσωτερικεύονται χρησιμοποιούνται ως μεταφορείς (vectors) μορίων σε κύτταρα ή διαμερίσματα κυττάρων. Η σύζευξη (με λιπίδια) διευκολύνει την εισαγωγή παραγόντων στο κυτόπλασμα και, μερικές φορές στον πυρήνα Παράδειγμα 3. Δαντελωτά (tat) πεπτίδια συζευγμένα στην επιφάνεια νανοσωματιδίων μεγέθους 40nm όπου επιτρέπεται πρόσληψη από τα σωματίδια στα κύτταρα και τους πυρήνες τους Παράδειγμα 4. PNA, συμπληρωματικό του mRNA του ανθρώπινου υποδοχέα, συνδεδεμένο με transportan και πεπτίδιο Antp και εσωτερικευμένο με καλλιεργημένα κύτταρα. Το PNA αναστέλλει τη μεταφορά συγκεκριμένης ακολουθίας RNA, προκαλεί μείωση της έκφρασης και αναστολή της λειτουργίας του υποδοχέα

70 7/11/2012ΔΧ70/56 Ρύθμιση διαπερατότητας παράγοντα και βιοκατανομή με βάση το μέγεθος Συστημική χορήγηση Τα λιποσώματα (liposomes) είναι μια ευέλικτη μέθοδος για αλλαγή της διαλυτότητας παραγόντων «Μεταμφιεσμένα» (“stealth”) liposomes παρατείνουν το χρόνο ημιζωής φαρμάκων με μείωση του ρυθμού φαγοκυττάρωσης (phagocytosis). Ενσωμάτωση του φαρμάκου σε λιποσώματα αλλάζει τη βιοκατανομή του, καθότι το φάρμακο συνδέεται με οντότητες (λιποσώματα) περιορισμένες στο χώρο του πλάσματος. Στο χώρο αυτό η συγκέντρωση του φαρμάκου είναι υψηλή Παράδειγμα. Ενσωμάτωση της δαουνορουβικίνης (daunorubicin) σε τον όγκο κατανομής, (2) αυξάνει τη μέγιστη συγκεντρωση, και (3) επιμηκύνει το αρχικό στάδιο της αποβολής (elimination) από το πλάσμα. Ενσωμάτωση της δαουνορουβικίνης σε «μεταμφιεσμένα» (“stealth”) λιποσώματα δίνει τα ίδια οφέλη, αλλά επιπλέον αυξάνει το χρόνο ημιζωής του παράγοντα Η σταθεροποίηση του ισοζυγίου στο πλάσμα είναι θετικό στοιχείο για τοπική χορήγηση του φαρμάκου (στη θέση που χρειάζεται)

71 7/11/2012ΔΧ71/56 Ρύθμιση διαπερατότητας παράγοντα και βιοκατανομή με βάση το μέγεθος Συστημική χορήγηση Τα λιποσώματα (liposomes) ή οποιοσδήποτε άλλος τροποποιητής φαρμάκου που αυξάνει το μέγεθος του χορηγούμενου μορίου, μπορεί να έχει σαν αποτέλεσμα μια άλλη ιδιότητα της διαπερατότητας. Όταν το μέγεθος του μορίου αυξάνει, γίνεται δυσκολότερο για το μόριο να διαπεράσει τα διάφορα τριχοειδή αγγεία. Αυτό εξηγεί τη μείωση του όγκου κατανομής για φάρμακα ενσωματωμένα σε λιποσώματα. Η μείωση της διαπερατότητας είναι περισσότερο αισθητή σε ιστούς με τους περισσότερο περιοριστικούς φραγμούς Αν το μέγεθος του μορίου αύξανε κλιμακωτά, θα εμποδίζονταν να διέλθει μέσω τριχοειδών με το χαμηλότερο όριο εξαίρεσης (cut-off limit) MW (MW είναι ανάλογο του μεγέθους του μορίου). Τριχοειδή με μεγάλη διαρροή (very “leaky” capillaries), δηλαδή, τριχοειδή με υψηλό όριο εξαίρεσης μεγέθους που επιτρέπουν τη διέλευση μεγάλων παραγόντων, θα επιρρεαστούν τελευταία Παράδειγμα 1. Αγγεία προσβεβλημένα από καρκίνο έχουν συχνά μεγάλη διαρροή και αυτό χρησιμοποιείται για τη χορήγηση καρκινικών φαρμάκων. Χορήγηση μεγάλων μορίων με μεγάλους χρόνους ημιζωής ενθαρρύνει τη συσσώρευση φαρμάκου σε περιοχές μεγάλης διαπερατότητας (φαινόμενο επαυξημένης διαπερατότητας και κατακράτησης, EPR). Ο μηχανισμός του φαινομένου EPR δεν είναι γνωστός και διαφέρει από καρκινικό όγκο σε όγκο. Παράδειγμα 2. Χορήγηση νευροδραστικών ουσιών στον εγκέφαλο. Ανεξάρτητα από τη μέθοδο χορήγησης, η επέκταση της διείσδυσης του φαρμάκου στον εγκέφαλο είναι περιορισμένη. Για την πρόβλεψη της διείσδυσης του φαρμάκου χρησιμοποιούνται μοντέλλα διάχυσης με αποβολή από τον ιστό

72 7/11/2012ΔΧ72/56 Ρύθμιση διαπερατότητας παράγοντα και βιοκατανομή με βάση το μέγεθος Συστημική χορήγηση

73 7/11/2012ΔΧ73/56 Φάρμακα που στοχεύουν σε συγκεκριμένα κύτταρα και ιστούς Η στόχευση συγκεκριμένων κυττάρων και ιστών προσθέτει χημική ειδικότητα (chemical specificity) στο φάρμακο, με την έννοια ότι μπορεί να διακρίνει κύτταρα ή ανατομικές τοποθεσίες που είναι κατάλληλοι για θεραπεία από άλλα που δεν είναι. Η χημική ειδικότητα επιτυγχάνεται συχνά με την απομόνωση πρωτεϊνικών υποδοχέων που διακρίνουν ένα συγκεκριμένο κύτταρο από άλλα, π.χ., αντιγόνα (antigens) καρκινικών κυττάρων που βρίσκονται σε υγιή κύτταρα είναι ελκυστικοί στόχοι για παράγοντες χημειοθεραπείας (chemotherapy) To στοχευτικό μόρφωμα (targeting moiety) επισυν- άπτεται στη φαρμακευτική δραστική ουσία (ΑΡΙ) Μεταφορείς (carriers) και πληρωτικά (spacers) μπορεί να προστεθούν για να διευκολύνουν τη στόχευση Οι ιδέες μας για τη στόχευση (targeting) έχουν επιρ- ρεαστεί τα μέγιστα από την εξειδίκευση που επι- δεικνύεται στο ανοσιοποιητικό σύστημα Τα αντισώματα (antibodies) που δημιουργούνται για να σχηματίζουν σύνδεσμο με σχεδόν οποιοδήποτε αντι- γόνο (antigen) είναι λογικά στοχευτικά μορφώματα Η έννοια μπορεί να αναχθεί στον Ehrlich (1900), που πρόβλεψε ότι η διαθεσιμότητα των αντιορών (antisera) μπορεί να προστατέψει επιλεκτικά από τοξικές ουσίες Τα αντισώματα έχουν διάφορα πλεονεκτήματα σαν στοχευτικοί παράγοντες: (1) Μπορεί να παραχθούν με σχεδόν οποιαδήποτε επιθυμητή εξειδίκευση, (2) Είναι μεγάλα μόρια και έτσι τα φάρμακα δημιουργούν συνδέσμους χωρίς να αλλάζει η ικανότητα σύνδεσης τους, και (3) Μπορεί να παραχθούν με διάφορους μηχανισμούς από ανοσιοποιημένα (immunized) ζώα, κύτταρα θηλαστικών (mammalian cells), βακτήρια και φυτά

74 7/11/2012ΔΧ74/56 Φάρμακα που στοχεύουν σε συγκεκριμένα κύτταρα και ιστούς Τεχνολογία ανασυνδυασμένου (recombinant) DNA to create combinatorial libraries of antibody binding sites assist in improving antibody properties. Παράδειγμα 1. Στη θεραπεία καρκίνου, στοχευτικοί παράγοντες χρησιμοποιούνται για να κατευθύνουν κυτταροτοχικές (cytotoxic) ουσίες σε καρκινικά κύτταρα (tumor cells) Φάρμακα, τοξίνες (toxins) και ραδιενεργά (radioactive) ισότοπα κατευθύνονται σε καρκινικά κύτταρα. Μεγαλύτερη επιτυχία παρατηρείται στη θεραπεία λυμφωμάτων (lymphomas) και λευχαιμιών (leukemias), περιπτώσεις στις οποίες τα καρκινικά κύτταρα κυκλοφορούν στο αίμα. Η θεραπεία στερεών καρκινικών όγκων είναι δύσκολη, λόγω της περιορισμένης διείσδυσης μεγάλων μορίων σε αυτούς Παράδειγμα 2. Καρκινικός όγκος διαβρεγμένος στην εξωτερική του επιφάνεια με κυτταροτοχικό παράγοντα που σχηματίζει δεσμό με το καρκινικό αντίγονο (antigen) Για να εξαλειφθούν κύτταρα στο κέντρο του όγκου, ο παράγοντας πρέπει να διεισδύσει μέσω των εξωτερικών στρωμάτων του κυττάρου. Σε μικρούς καρκινικούς όζους (nodules) ακτίνας~150  m, χωρίς δίκτυο αγγείων, η διείσδυση γίνεται με διάχυση μέσω του κενού χώρου (interstitial space) του καρκινικού κυττάρου και είναι αργή Ο στοχευτικός παράγοντας δημιουργεί σύνδεση με τα καρκινικά κύτταρα που επαυξάνει την κατακράτηση (retention, χρόνο παραμονής) αλλά καθυστερεί τη διείσδυση (φραγμός στη θέση σύνδεσης ή Binding-Site Barrier)

75 7/11/2012ΔΧ75/56 Φάρμακα που στοχεύουν σε συγκεκριμένα κύτταρα και ιστούς Επαύξηση αλληλεπιδράσεων με αύξηση του σθένους (valence) Συσσωμάτωση υποδοχέων μετά τη σύνδεση με πολυσθενείς (multivalent) υπο- καταστατών (ligands) συμβαίνει συχνά σε κυτταροκαλλιέργειες και είναι πιθανόν ένας σημαντικός μηχανισμός για ενεργοποίηση κυττάρων και σηματοδότηση, ειδικά στο ανοσιοποιητικό σύστημα Πολυσθενείς υποκαταστάτες (multivalent ligands) επαυξάνουν την απληστία για σύνδεση, λόγω της παρουσίας πολλαπλών συνδετικών presence of multiple δεσμευτικών εταίρων (binding partners), και μειώνουν την πιθανότητα αποδέσμευσης του υποκαταστάτη. Ο λόγος αυτός δικαιολογεί τις προσπάθειες για δημιουργία πολυσθενών φαρμάκων με αυξημένη αποτελεσματικότητα Παράδειγμα 1. Η δεξτράνη (dextran) χρησιμοποιείται σαν πολυσθενής μεταφορέας (carrier) με την ομοιοπολική σύνδεση της με φάρμακα και πρωτεϊνες Σύζευξη of ασθενώς ανοσιοποιητικών (immunogenic) μορίων, όπως BSA και αντιγόνα εξαρτημένα από T-κύτταρα, με δεξτράνη υψηλού MW (μεταφορέας T-κυττάρων) διεγείρει υψηλή και επίμονη αντίδραση από αντισώματα ορού (serum) μετά από ενδοβλέβια (intravenous) ένεση. Τίτλοι (titers) αντισωμάτων εξαρτώμενοι από τη δόση εμφανίζονται το συντομότερο σε 7 μέρες και μεγιστοποιούνται σε 14 days για δεξτράνη με MW 5x10 5 or 2x10 6 (δεξτράνη MW 70,000 δεν ήταν αποτελεσματική) Παράδειγμα 2. Αντι-χαπτενικές αντιδράσεις εκμαιεύονται με σύζευξη του χαπτενίων (haptens) με πρωτεϊνες σε σύμπλοκο δεξτράνης-πρωτεϊνης. Παρόμοια μέθοδος στην παραγωγή εμβολίων από φτωχά ανοσιοποιητικά αντίγονα (antigens) όπως ο πολύ- σακχαρίτης του μηνιγγιτιδόκοκκου (meningococcal) C, αποτελεσματικός στην διέγερση ανοσιοποιητικών δράσεων σε παιδιά

76 7/11/2012ΔΧ76/56 Φάρμακα που στοχεύουν σε συγκεκριμένα κύτταρα και ιστούς Επαύξηση αλληλεπιδράσεων με αύξηση του σθένους (valence) Παράδειγμα 3. Προσκόληση ουδετεροφίλων (λευκών αιμοσφαιρίων) στο αγγειακό σύστημα σε σημεία φλεγμονής. Οι σελεκτίνες, μια ομάδα υποδοχέων πρωτεϊνης στην επιφάνεια των ουδετεροφίλων, μεσολαβούν στη σύνδεση κυττάρων σε αντι- υποκαταστάτες που πρόσκαιρα εκφράζονται σε ενδοθηλιακά κύτταρα. Η σύνδεσυ με τη μεσολάβηση των σελεκτινών είναι ένα αρχικό βήμα στη στράτευση των ουδετεροφίλων σε χώρους φλεγμονής, με τρόπο που αυτή η δράση ειδικευμένης σύνδεσης να είναι πιθανός στόχος για αντιφλεγμονώδη φάρμακα. Υποκαταστάτες της L-σελεκτίνης είναι γλυκοζυλιωμένα μόρια που έχουν επαναλαμβανόμενες μονάδες σακχαρίτη, όπως είναι το συαλικό Le x. Πολυσθενείς υποκαταστάτες για την L-σελεκτίνη παράχθηκαν με πολυμερισμό αναλόγων του σακχαρίτη. Οι υποκαταστάτες προσκολώνται στην επιφάνεια των κυττάρων και προκαλούν απώλεια κλάσματος των πρωτεϊνών τους με L-σελεκτίνη. Απώλεια υποδοχέων δεν συμβαίνει στη σύνδεση μονοσθενών υποκαταστατών. Πιθανώς, πολυσθενής σύνδεση προκαλεί συσπείρωση (clustering) των υποδοχέων, που ενεργοποιεί κάποιο φυσικό πρωτεολυτικό οργανισμό για την αποδέσμευση της L-σελεκτίνης από την επιφάνεια του κυττάρου.

77 7/11/2012ΔΧ77 Φάρμακα που στοχεύουν σε συγκεκριμένα κύτταρα και ιστούς Επαύξηση αλληλεπιδράσεων με αύξηση του σθένους (valence) Παράδειγμα 3. Επειδή πολυσθενείς υποκαταστάτες συνδέονται και παράγουν διαλυτά κομμάτια υποδοχέων, σύμπλοκα μπορεί δυνητικά να εμποδίσει την προσκόληση σε κύτταρα με διάφορους τρόπους: (1) Με σύνδεση με ανταγωνιστικούς υποδοχείς κυτταρικής προσκόλησης, (2) Με παραγωγή διαλυτών υποδοχέων που συνδέονται ανταγωνιστικά με συγκολητικούς αντι- υποκαταστάτες, και (3) Με ελάττωση του αριθμού των βιώσιμων υποδοχέων στην επιφάνεια των κυττάρων. Πολλές πρωτεϊνες στην κυτταρική επιφάνεια εκλύονται την επιφάνεια κατά τη διάρκεια βιολογικής δραστηριότητας, κι επομένως, ενισχύοντας την δραστικότητα του υποδοχέα που συνδέεται με το φάρμακο μπορεί να έχει πολλές κλινικές εφαρμογές

78 7/11/2012ΔΧ78 Φαρμακευτικά Προϊόντα Φάρμακο = Φαρμακευτικά Δραστική Ουσία + ΄Εκδοχα (για αύξηση διαλυτότητας, μείωση τριβής, αποσάθρωση, κλπ) Φαρμακευτικό Προϊόν = Φάρμακο + Συσκευασία Φαρμακευτικά δραστικές ουσίες (Αctive Pharmaceuticsal Ingredients) Αποκτώνται με τρείς τρόπους: (1) Απόσταγμα ή εκχύλισμα φυσικής προέλευσης, π.χ., Taxol από φλοιό ευρωπαϊκού πουρναριού), (2) Με χημική σύνθεση, π.χ., Prozac, και (3) Mε ζύμωση (fermentation), π.χ., πενικιλλίνη Έκδοχα (Εxcipients) Φαρμακευτικά Αδρανή Συστατικά, μεταφορείς των Φαρμακευτικά Δραστικών Συστατικών (ΑΡΙ) Aντικολητικά (Antiadherents) Για να μην κολλάνε οι κόκκοι στην πρέσσα δισκοποίησης. Πιο συχνά χρησιμοποιούμενο: στεαρικό μαγνήσιο

79 7/11/2012ΔΧ79 Φαρμακευτικά Προϊόντα Έκδοχα (Εxcipients) Συγκολητικά (Binders) Για να παραμένουν τα διάφορα συστατικά του δισκίου μαζί. Εξασφαλίζουν να σχηματίζονται οι κόκκοι και τα δισκία με συγκεκριμένη μηχανική αντοχή. Ιδιαίτερα σημαντικά για δισκία μικρής δόσης. Παραδείγματα: (1) Δισακχαρίτες (σουκρόζη, λακτόζη), πολυσακχαρίτες και τα παράγωγά τους (άμυλο, κυτταρίνη, μικροκρυσταλλική κυτταρίνη, κυτταρινικοί αιθέρες, υδροξυπροπυλική κυτταρίνη ή ΗPC), (3) Σακχαρικές αλκοόλες (ξυλιτόλη, σορβιτόλη, μαλτιτόλη), (4) Φυσικά πολυμερή (Ζελατίνη) και (5) Συνθετικά πολυμερή (πολυβινυλοπυρολιδόνη ή PVP, πολυαιθυλενική αλκοόλη ή PEG) Επικαλυπτικά (Coatings) Προστατεύουν τα συστατικά από την υγρασία και «κρύβουν» τη δυσάρεστη γεύση. Παραδείγματα: υδροξυπροπυλομεθυλική κυτταρίνη ή ΗΡΜC, συνθετικά πολυμερή, ζελατίνη, προτεϊνη αραβοσίτου, γομμαλάκα (shellac) ή πολυσακχαρίτες Εντερικά Καθορίζουν σε ποιό σημείο του γαστροεντερικού σωλήνα και με ποιο ρυθμό απελευθερώνεται η Φαρμακευτικά Δραστική Ουσία (ΑΡΙ)

80 7/11/2012ΔΧ80 Φαρμακευτικά Προϊόντα Έκδοχα (Εxcipients) Αποσαθρωτικά (Disintegrants) Με αύξηση του όγκου (swelling) τους όταν διαβρέχονται προκαλούν θραύση του δισκίου σε κομμάτια. Παραδείγματα: Διασυνδεδεμένα (crosslinked) πολυμερή όπως PVP και καρβοξυμεθυλική κυτταρίνη και γλυκολικό αμυλούχο νάτριο Λιπαντικά (Lubricants) Με μείωση τριβής με το τοίχωμα αγωγών ή δοχείων διευκολύνουν τη ροή κοκκωδών υλικών. Παραδείγματα: τάλκης, διοξείδιο πυριτίου, λίπη (φυτική στεαρίνη, στεαρικό μαγνήσιο) Διολισθητικά (Glidants) Mειώνουν την τριβή μεταξύ γειτονικών κόκκων και διευκολύνουν τη ροή. Παραδείγματα: ανθρακικό μαγνήσιο, ατμίζον διοξείδιο πυριτίου, τάλκης Πληρωτικά (Fillers) και αραιωτικά (Diluents) Συντελούν στη δημιουργία προϊόντος με όγκο που μπορεί να χειρισθεί με ευκολία ο χρήστης. Επιθυμητές ιδιότητες: αδρανή, συμβατά με τα συστατικά της συνταγής (formulation), μη υγροσκοπικά, σχετικά φθηνά, χωρίς ή με ευχάριστη γεύση. Παραδείγματα: λακτόζη, σουκρόζη, γλυκόζη, μαννιτόλη, σορβιτόλη, ανθρακικό ασβέστιο, στεαρικό μαγνήσιο

81 7/11/2012ΔΧ81 Κοκκώδη Υλικά Στερεά σωματίδια διαφορετικού μεγέθους και σχήματος + διάσπαρτοι μικροί χώροι με αέρα Ιδιότητες σε δύο επίπεδα, (1) Μεμονωμένα σωματίδια, (2) Κοκκώδες Υλικό (σύστημα σωματιδίων), π.χ., σκόνη ή πούδρα Εφαρμόζεται εξωτερική δύναμη F στο κοκκώδες υλικό ⇒ (1) μείωση όγκου με στενότερη αναδιάταξη των μεμονωμένων σωματιδίων και (2) παραμόρφωση σωματιδίων Εντός ορίων, το κοκκώδες υλικό μπορεί να αντέξει τάσεις ωρισμένου μεγέθους χωρίς μόνιμη παραμόρφωση, δηλαδή, επανέρχεται στην αρχική του κατάσταση όταν η εξωτερική τάση παύει να ενεργεί (ελαστικό υλικό) Όταν η τάση ξεπεράσει το όριο ελαστικής συμπεριφοράς, η παραμόρφωση του υλικού δεν αντιστρέφεται όταν αποσύρεται η τάση. Μείωση του όγκου του υλικού είναι αποτέλεσμα πλαστικής παραμόρφωσης και ιξώδους ροής των σωματιδίων που πιέζονται στα υπόλοιπα κενά Συμπίεση (Compression) σημαίνει μείωση του όγκου του κοκκώδους υλικού σαν αποτέλεσμα της μετατόπισης της αέριας φάσης. Σύντηξη (Consolidation) σημαίνει αύξηση της αντοχής του υλικού από την ενεργοποίηση των διασωματικών (interparticle) δυνάμεων

82 7/11/2012ΔΧ82 Τάσεις (stresses)και παραμόρφωση (deformation) του υλικού

83 7/11/2012ΔΧ83 Τάσεις (stresses) και παραμόρφωση (deformation) του υλικού

84 7/11/2012ΔΧ84 Σχεδιασμός νέου φαρμάκου Ανάμειξη στην παραγωγή φαρμάκου για στοματική χορήγηση Το φαρμακευτικά δραστικό συστατικό (ΑΡΙ) και τα έκδοχα σε μορφή σκόνης αναμειγνύονται xπεριεκτικότητα φαρμάκου σε ΑΡΙ ακολουθεί κατανομή με: μ x μέση περιεκτικότητα, και σ x 2 διασπορά x i περιεκτικότητα φαρμάκου σε ΑΡΙ σε δείγμα i (i = 1,…,Ν) με μέσο και διασπορά δείγματος:

85 7/11/2012ΔΧ85 Σχεδιασμός νέου φαρμάκου Ανάμειξη στην παραγωγή φαρμάκου για στοματική χορήγηση Είδη ανάμειξης: I, II – ανάμειξη από συναγωγή (convection) και διάτμηση (shear), III – ανάμειξη από διάχυση (diffusion)

86 7/11/2012ΔΧ86 Άμεση Συμπίεση (Direct Compression) Σωματίδια συστατικών του φαρμάκου με υψηλή υδροφοβικότητα και όριο εκροής (yield) έχουν την τάση να σχηματίζουν μακριές χορδές (strings). Ας υποτεθεί ότι το δισκίο αποτελεί μια συστοιχία χωροκεντρωμένου (body-centered) κυβικού συστήματος με 6 σημεία διασωματικής (interparticle) επαφής. Η πιθανότητα ενός σωματιδίου του ενεργού συστατικού (ΑΡΙ) να είναι ένα από τα πλησιέστερα σωματίδια είναι ίση με f, το ποσοστό του ενεργού συστατικού στο δισκίο. Η πιθανότητα δύο σωματίδια του ενεργού συστατικού να είναι πλησιέστεροι γείτονες είναι 6f, η πιθανότητα τρία σωματίδια του ενεργού συστατικού να είναι γείτονες είναι (6f) 2 και ούτω καθεξής. Η πιθανότητα να υπάρχει μία συστοιχία από n σωματίδια είναι (6f) n-1. Η πιθανότητα n σωματιδίων σε μία συστοιχία είναι αρκετή να προκαλέσει ένα ελάττωμα (defect). Είναι δυνατό να υπολογιστεί το ποσοστό των ελαττωμάτων σαν συνάρτηση των n και f όπως γίνεται στον πίνακα που ακολουθεί f, % defects, n=3 % defects, n=5 % defects, n=10 % defects, n=

87 Άμεση Συμπίεση (Direct Compression) Πολλές μεταβλητές επηρεάζουν την απόδοση σε δισκία που γίνονται με συνταγή (formulation) της DC. Οι σπουδαιότερες είναι: (1) μεγέθη σωματιδίων του ενεργού συστατικού (API) και εκδόχων (excipients), (2) επιφάνεια σωματιδίων του ενεργού συστατικού και εκδόχων, και (3) υγρασία (moisture) Μεγέθη σωματιδίων είναι σημαντικά για ανάμειξη και ομοιογένεια σύστασης (content uniformity) Επιφάνειες σωματιδίων είναι σημαντικές για την αντοχή της επιφάνειας του δισκίου άρα την αντοχή του (δισκίου) Η υγρασία σε μικρές ποσότητες μπορεί να δράσει σαν λιπαντικό (lubricant - ελαττώνει την τριβή στο τοίχωμα του καλουπιού-die) ή ολισθητικό (glidant – ελαττώνει τη διασωματική τριβή). Μερικά συστατικά φαρμάκων είναι ευαίσθητα στην υγρασία, π.χ., ασπιρίνη και αναβράζοντα (effervescent) δισκία Πιο συνηθισμένες ατέλειες (defects) σε δισκία από DC (1) Ομοιογένεια σύστασης, και (2) Χαμηλή μηχανική αντοχή Συστατικά του φαρμάκου που είναι υδροφοβικά και έχουν υψηλό όριο εκροής, αυξάνουν την πιθανότητα παραγωγής στρωματοποιημένων (laminated) δισκίων και δισκίων με καλύπτρα (capped) από την DC ΔΧ87 7/11/2012

88 ΔΧ88 Άμεση Συμπίεση (Direct Compression) Δισκία (tablets) στρωματοποιημένα (laminated) ή με καλύπτρα (capped) δημιουργούνται σαν αποτέλεσμα μονοαξονικής επέκτασης του δισκίου (uniaxial tablet expansion), όταν υψηλή τάση συμπίεσης (compressional stress) απελευθερώνεται. Υψηλή τάση συμπίεσης θα δημιουργούσε μεγάλο αριθμό επαφών σωματιδίου με σωματίδιο, N, δυνατή σύνδεση (των σωματιδίων) και αύξηση της αντοχής του συμπαγούς δισκίου. Όταν όμως η υψηλή τάση συμπίεσης απελευθερώνεται, πίεση αποσυμπίεσης αναπτύσσεται και αντισταθμίζει μέρος της επιπλέον αντοχής που προσδόθηκε στο δισκίο από την υψηλή τάση συμπίεσης

89 7/11/2012ΔΧ89 Άμεση Συμπίεση (Direct Compression) Aν N f συνδέσεις δημιουργούνται κατά τη συμπίεση and N d συνδέσεις καταστρέφονται κατά την αποσυμπίεση στην μονοαξονική επέκταση δισκίου, N f = b P καιN d = aP 2 Ρ είναι η δύναμη συμπίεσης Ολικός αριθμός συνδέσεων που απομένουν, N, is N = N f - N d = bP - aP 2 (a και b είναι σταθερές) Το N γίνεται μέγιστο for P = b/a. Γι αυτή την τιμή της δύναμης συμπίεσης, η σκληρότητα του δισκίου είναι επίσης μέγιστη όπως δείχνει η παρακάτω εικόνα Η σκληρότητα μετράται με τοποθέτηση του δισκίου μεταξύ δύο ακμόνων (anvils) και μέτρηση της δύναμης που απαιτείται για να το θραύσει. Ένα δισκίο, στην αρχή της δημιουργίας του μπορεί να έχει μια ωρισμπενη σκληρότητα, αλλά η σκληρότητα μεταβάλλεται με το χρόνο, συχνά πολύ γρήγορα, και έπειτα αποκτά μια σταθερή τιμή ισορροπίας. Η υγρασία, όπως αναμένεται, επηρεάζει την σκληρότητα του δισκίου

90 7/11/2012ΔΧ90 ΄Εκδοχα (excipients) άμεσης συμπίεσης Πιο συνηθισμένα: (1)Ξηραμένη με ψεκασμό (spray-dried) λακτόζη, (2) Άνυδρο όξινο φωσφορικό ασβέστιο (Dicalcium phosphate anhydrous -A-tab), (3) Διυδρίτης όξινου φωσφορικού ασβεστίου (Dicalcium phosphate dihydrate - Di-tab), (4) Μικροκρυσταλλική κυτταρίνη (Microcrystalline cellulose – Avicel, MMC), και (5) Προζελατινοποιημένο άμυλο Η μικροκρυσταλλική κυτταρίνη ή MMC είναι χρήσιμο πληρωτικό υλικό (filler) που θεωρείται από πολλούς τεχνολόγους σαν το καλλίτερο έκδοχο για άμεση συμπίεση. Όμως έχει και μειονεκτήματα όπως (1) χαμηλή φαινομενική πυκνότητα (bulk density), (2) ευαίσθητο σε λιπαντικά (lubricants) και το επίπεδο λίπανσης, (3) δεν έχει καλή ροή, και (4) τα χαρακτηριστικά της συμπίεσης εξαρτώνται από την ποσότητα υγρασίας Συνηθισμένη πρακτική: προσθήκη πυρογενούς οξειδίου του πυριτίου (pyrogenic silica) σαν ολισθητικού (glidant) στην MCC Δισκιοποίηση (tableting) of MCC σε συνδυασμό με ακεταμινοφαίνη ή παρακεταμόλη (acetaminophen or paracetamol). Mαλτοδεξτρίνες (maltodextrins): υδατοδιαλυτά πολυμερή γλυκόζης που παράγονται με υγρή όξινη ή ενζυματική αντίδραση με άμυλο Χιτοζάνη (Chitosan), Ξυλιτόλη (Xylitol) ΄Εκδοχα για DC, επι πλέον από τις απαιτήσεις για ροή and συμπίεση, πρέπει επίσης να είναι αποτελεσματικά κάτω από συνθήκες δισκιοποίησης με υψηλή ταχύτητα

91 7/11/2012ΔΧ Συγκολλητικά (Binders) Όλκιμα (Ductile) υλικά, συνληθως πολυμερή που προέρχονται από κυτταρίνη και άμυλο. Προσθέτονται πριν την συμπίεση. Συνήθως υφίστανται πλαστική παραμόρφωση και προσκολλώνται σε σωματίδια του ενεργού συστατικού του φαρμάκου κατά τη συμπίεση, και τα κρατούν συγκολλημένα μαζί. Η ποσότητα του συγκολλητικού πρέπει να είναι αρκετή για να επικαλύψει όλη ή σημαντικό μέρος της επιφάνειας των σωματιδίων των υπόλοιπων συστατικών και μπορεί να υπολογισθεί από τη σχέση R s = A binder / (4A carrier ) Πολυαιθυλενογλυκόλες (Polyoxyethylene glycols ή PEGs) χρησιμο- ποιούνται σαν συγκολλητικά σε DC, σε συνδυασμό με όξινο φωσφο- ρικό ασβέστιο Εναλλακτικές για DC Αν ένα φάρμακο έχει μέτριο όριο εκροής (yield) αλλά χαμηλή ρευστότητα (flowability), ένας πιο εύκολος τρόπος δισκιοποίησης είναι συμπίεση με κυλίνδρους (Roller compaction). Σκόνη με ή χωρίς συγκολλητικό τροφοδοτείται στο διάστημα μεταξύ κυλίνδρων και συμπιέζεται σε φύλλο που μπορεί να κοπεί σε δισκία ή κόκκους επιθυμητού μεγέθους. Το πορώδες της σκόνης,  n, και του συμπιεσμένου φύλλου,  p, σχετίζονται ως εξής: Η οριζόντια δύναμη που ασκείται στα τμήματα με τους κυλίνδρους είναι ( L είναι το μήκος στην ενεργή επιφάνεια του κυλίνδρου) 91

92 7/11/2012ΔΧ92 Αποδεσμευτική τάση (yield stress) και τόπος σύντηξης (consolidation locus) Αποδεσμευτική τάση: η διατμητική τάση, , στην οποία το υλικό ρέει, δηλαδή, απο- δεσμεύεται, και εξαρτάται από την κάθετη τάση, , που ενεργεί στο ίδιο σημείο Τόπος σύντηξης: καμπύλη σημείων  Ενόσω  παραμένει κάτω από την κρίσιμη τιμή  C,  αυξάνει όταν  αυξάνει Αν το υλικό δεν είναι συνεκτικό (non-cohesive), ο τόπος σύντηξης (yield locus) περνάει από την αρχή των συντεταγμένων ( ,  ). Αν το υλικό είναι συνεκτικό (cohesive), ο τόπος σύντηξης περνάει από ένα σημείο του αρνητικού  άξονα, που αντιστοιχεί στη μέγιστη ελκτική (tensile) τάση που το υλικό μπορεί να αντέξει Συνδυασμοί  που χαρακτηρίζονται από σημεία πάνω από τον τόπο σύντηξης δεν είναι πιθανά cc mm

93 7/11/2012ΔΧ93 Τόπος (Locus) του ορίου εκροής (yield) και σύντηξης (consolidation) Ενόσω το υλικό δεν ρέει και συμπεριφέρεται ως ελαστικό, ελαστικές παραμορφώσεις προκαλούν μικρές αλλαγές στο πορώδες. ‘Όταν το υλικό αποδεσμεύεται (ρέει), το τοπικό πορώδες αυξάνει ενόσω  <  r. Όταν η τάση υπερβεί το  r, το υλικό δεν αποδεσμεύεται αλλά συντήκεται, δηλαδή, το πορώδες μειώνεται. Όταν  =  r, το πορώδες ούτε αυξάνει ούτε μειώνεται. Καθώς  συνεχίζει να αυξάνεται πέραν του  r, η διατμητική τάση και το πορώδες συνεχίζουν να μειώνονται. Η διατμητική τάση γίνεται μηδέν,  = 0, όυαν η κάθετη τάση παίρνει την τιμή  =  m. Στο σημείο αυτό, οι τρείς κύριες τάσεις γίνονται ίσες (isotropic pressure). Σ’ αυτήν την περιοχή, ενόσω δεν πέφτουμε στον τόπο σύντηξης, το πορώδες αλλάζει ελάχιστα H τάση αποδέσμευσης και ο τόπος σύν- τηξης εξαρτώνται από το αρχικό πορώδες και μετατοπίζονται σε υψηλότερες τιμές για μειωμένο πορώδες. Τα σημεία (  C,  C ) επίσης μετατοπίζονται σε υψηλές τιμές για μειωμένο πορώδες. Ο τόπος των σημείων (  C,  C ) ονομάζεται γραμμή κρίσιμης κατά- στασης και περνάει από την αρχή των συντεταγμένων ( ,  ) για μη συνεκτικά και συνεκτικά υλικά Η τάση αποδέσμευσης και ο τόπος σύντηξης και οι συναρτήσεις τους με το πορώδες είναι χαρακτηριστικά του υλικού

94 7/11/2012ΔΧ94 Τριβή (Friction) και συνεκτικότητα (Cohesion) Δύναμη F εφαρμόζεται πάνω σε αντικείμενο βάρους W που είναι σε άμεση επαφή με οριζόντια επιφάνεια. Το αντικείμενο εξασκεί δύναμη Ν στην οριζόντια επιφάνεια Ενόσω N = W, το αντικείμενο παραμένει στη θέση του. Όταν η δύναμη F φτάσει την τιμή  s N, όπου  s είναι ο στατικός συντελεστής τριβής μεταξύ των δύο επιφανειών, το αντικείμενο αρχίζει να γλυστρά πάνω στην οριζόντια επιφάνεια (κινείται διατηρώντας άμεση επαφή με την οριζόντια επιφάνεια) και η τριβή με την επιφάνεια αυτή έχει δυναμικό χαρακτήρα με συν- τελεστή  d, στη γενική περίπτωση <  s, που εξ- αρτάται από την στιγμιαία ταχύτητα μεταξύ των επιφανειών Μια καλή προσέγγιση είναι  d  s , ανεξ- άρτητα από την ταχύτητα, και  =  για μη συνεκτικό (non-cohesive) υλικό sdsd

95 7/11/2012ΔΧ95 Τριβή (Friction) και συνεκτικότητα (Cohesion) Η συνοχή (Cohesion) του υλικού ορίζεται από το  c που είναι η μέγιστη ελκτική τάση που μπορεί να αντέξει το υλικό χωρίς να παραμορφωθεί. Η συνεκτικοτητα συνδέεται άμεσα με τη μέγιστη δύναμη συνοχής, F c, στο σημείο επαφής δύο γειτονικών Σύμφωνα με τους Rumpf (1958) and Molerus (1975) Αν η προσρόφηση του αερίου αγνοηθεί neglected (δικαιολογείται, όταν η πίεση του αερίου είναι χαμηλή), F c υπολογίζεται όπως παρακάτω Για τις περισσότερες επαφές σωματιδίων, D 1 = D a (διάμετρος προεξοχής) and D 2 = D p (διάμετρος σωματιδίου). Επειδή γενικά D p >>D a  D  D a

96 7/11/2012ΔΧ96 Eξίσωση Warren-Springs για τόπο συμπίεσης Γωνία ηρεμίας (Repose Angle) Ισοζύγιο δυνάμεων  (  c  D p 2 /4+  p g  D p 3 /6 sin  ) =  p g  D p 3 /6 cos    (  c +2  p gD p /3 sin  ) = 2  p gD p /3 cos  (Ι) Σχέσεις  με D p : 1.  = c 1 / D p + c 2 - c 1, c 2 χαρακτηριστικές τιμές του ` κοκκώδους υλικού, D p  , c 2  30 o 2. ln  = -n lnD p + lnc 1 - n ≠ 1 χαρακτηριστική τιμή του υλικού FcFc FgFg 

97 7/11/2012ΔΧ97 Δισκιοποίηση Δύο είδη μηχανών δισκιοποίησης, (1) απλού κτυπήματος ή εκκεντρική πρέσσα και (2) περιστροφική Στην πρέσα απλού κτυπήματος (single-punch), εικόνα A, η χοάνη τροφοδοσίας (hopper) είναι σε θέση πάνω από το άδειο καλούπι (die), κάτω από το οποίο είναι η πρέσα (punch), και το υλικό ρέει από τη χοάνη στο καλούπι. Στην εικόνα B, η χοάνη τροφοδοσίας έχει απομακρυνθεί, και η επάνω πρέσα κατέρχεται και συμπιέζει τη σκόνη σε δισκίο. Οι διαστάσεις του δισκίου είναι συνάρτηση της μεγαλύτερης διαδρομής που ακολουθεί η πρέσα και με αυτό τον τρόπο το πάχος του δισκίου μπορεί να ρυθμιστεί. Αυτό επίσης ρυθμίζει την σκληρότητα του δισκίου. Γενικά, σε δισκία που γίνονται σε μηχανές με μία πρέσα (απλού κτυπήματος), υπάρχει μια σχέση μεταξύ του πάχους του δισκίου και της σκληρότητας του. Μέγιστη ταχύτητα~60 δισκία το λεπτό Χρόνος παραμονής = (ποσοστό του κύκλου A-D που η χοάνη είναι στη θέση A)/(αριθμός δισκίων ανά μονάδα χρόνου) Μηχανές απλού κτυπήματος που χρησιμοποιούνται κυρίως σε ανάπτυξη προϊόντων και αρχικές κλινικές δοκιμές (clinical trials) όταν η πρώτη ύλη είναι σε χαμηλή προσφορά

98 7/11/2012ΔΧ98 Από σκόνη (powder) σε δισκία Όταν μεγάλες ποσότητες δισκίων απαιτούνται, περιστροφικές μηχανές είναι η επιλογή για βιομηχανική χρήση. Σε απλή διάταξη (set up), η χοάνη τροφοδοσίας(hopper) τροφοδοτεί με σκόνη το πλαίσιο τροφοδοσίας (feed frame), κάτω από το οποίο καλούπια (dies) και πρέσες (punches) παίρνουν σκόνη. Όταν βρεθεί έξω από το πλαίσιο τροφοδοσίας, η άνω πρέσα κινείται προς τα κάτω και, σε συνδυασμό με την κίνηση της κάτω πρέσας προς τα πάνω, παράγει το δισκίο. Σε αντίθεση με τη μηχανή μιας πρέσας (single-punch machine), η μηχανή αναφέρεται σαν μηχανή συμπίεσης διπλής όψεως (double-sided compression). Το δισκίο που αποβάλλεται (εκτινάσσεται) από το καλούπι με ακραία ανοδική κίνηση της κάτω πρέσας, απομακρύνεται από την τράπεζα με τα καλούπια (die table) στο τέλος του κύκλου στο πίσω μέρος της χοάνης (knockoff bar) και ο κύκλος επαναλαμβάνεται. Πολλές μηχανές υψηλής ταχύτητας είναι εφοδιασμένες με δύο ή τρείς χοάνες,συμμετρικά τοποθετημένες γύρω στην περιφέρεια. Για οικονομία είναι επιθυμητό να λειτουργεί η μηχανή σε όσο το δυνατό υψηλότερες ταχύτητες. Αν a είναι το μήκος του πλαισίου τροφοδοσίας, R η ακτίνα της τράπεζας με τα καλούπια (die table) και  η ταχύτητα περιστροφής, ο χρόνος παραμονής (dwell time), t d, είναι: t d = a / (2  R)(1) Αν η μάζα του δισκίου είναι m t, ο ρυθμός ροής της μάζας σκόνης από τη χοάνη στο ρεύμα τροφοδοσίας είναι w h, και ο αριθμός των καλουπιών που θα γεμιστούν είναι n s, ο χρόνος παραμονής t d είναι t d = n s m t / w h (2) (1) και (2)   max = aw h /(2  Rm t )(3)

99 7/11/2012ΔΧ99 Από σκόνη σε δισκία * Στο διάστημα των μέγιστων τάσεων που απαντώνται στην πράξη, η κυρίαρχη μορφή είναι η elastic ελαστική παραμόρφωση για ακετυλοσαλικυλικό acidοξύ και μικροκρυσταλλική κυτταρίνη * Αν αντοχή στη διάτμηση < αντοχή στην επι- μήκυνση, το υλικό υφίσταται κυρίως πλαστική deformationπαραμόρφωση * Αν αντοχή στη διάτμηση > αντοχή στην επι- μήκυνση (σκληρό αλλά εύθραυστο–brittle–υλικό), ψαθυρή (brittle) θραύση (fracture) είναι η κυρίαρχη mode of μορφή παραμόρφωσης, π.χ., σακχαρόζη (sucrose) * Μικρά σωματίδια μπορεί να παραμορφώνονται πλαστικά σε μια διεργασία που είναι γνωστή σαν inmicrosquashing. Προεξοχές που υφίσταται διάτμηση για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα (σωμα- τίδια με ακανόνιστο σχήμα) προκαλούν την ίδια συμπεριφορά.

100 7/11/2012ΔΧ100 Δισκιοποίηση Αν το κοκκώδες υλικό είναι εγκλεισμένο σε χώρο πλευρικά κλεισμένο με τοίχωμα και μια εξωτερική δύναμη ασκείται κάθετα στην πάνω επιφάνεια του υλικού, μέρος της δύναμης αυτής εκτρέπεται και ασκείται στο πλευρικό 1. Γραμμικό μοντέλο OP:  =  or  = [  /(1- )]   τάση τοιχώματος -  εξασκούμενη πίεση) (  = |  yy /  xx | λόγος Poisson) PQ:   (   υπολείπουσα τάση τοιχώματος) QR:  = [  /(1- )]  [  /(1- )]  max -   RS:   2. Μη γραμμικό μοντέλο OP:  = [  /(1- )]  PQ:  [(1-  /(1+  )]    2C/(1+  ) QR:  [(1-  max -2C] / (1+  )    /(1- ) (  max  [(1-  max -2C] / (1+  ) ) RS:  [(1+  /(1-  )]  2C  /(1-  ) (υπολείπουσα τάση τοιχώματος  = 2C  /(1-  ) )

101 7/11/2012ΔΧ101 Επίδραση συμπίεσης (compression) και σύντηξης (consolidation) στο πορώδες Οι Cooper και Eaton προτείνουν ότι η μείωση του πορώδους με την αύξηση της τάσης συμπίεσης είναι αποτέλεσμα διεργασίας σε δύο στάδια, (1) πλήρωση των μεγάλων κενών (voids) με διασωματιακή ολίσθηση και (2) πλήρωση των μικρών κενών με παραμόρφωση και θρυμματισμό (fragmentation) σωματιδίων. Το πορώδες δίνεται από τη σχέση Ενεργειακή θεώρηση στη συμπίεση Είναι δυνατός η παρακολούθηση (monitorινγ) των δυνάμεων της άνω και κάτω πρέσας (punch), F u and F l, αντίστοιχα, και του βάθους εισβολής της άνω πρέσας, κατά το ίδιο χρονικό διάστημα. Η καμπύλη OA παράγεται στη διάρκεια συμπίεσης και η καμπύλη AB στην απελευθέρωση του δισκίου. FF FoFo

102 Ενεργειακή θεώρηση στη συμπίεση Δισκιοποίηση (Tableting) * Εδώ και πολλά χρόνια, δισκία παράγονται κυρίως με υγρή κοκκοποίηση (wet granulation) γιατί ρευστότητα (flowability), συμπιεστικότητα (compressibility) και διαβρεξιμότητα (wettability) επιτυγχάνονται σε άριστα επίπεδα με αυτή τη διεργασία. Το ότι ορισμένα προϊόντα,π.χ., αναβράζοντα (effervescent) δισκία, ασπιρίνη, κλπ., πρέπει να υποβληθούν σε ξηρή διεργασία, οδήγησε στην άμεση συμπίεση (Direct Compression). Είναι παράλογο να προσθέτει κανείς νερό σε μάζα σκόνης και μετά να το αφαιρεί, και αν είναι δυνατό να αναμείξει κανείς ρεύματα σκόνης διαφόρων συστατικών και να συμπιέσει το μίγμα η διεργασία θα χρειάζεται λιγότερη ανθρώπινη εργασία (less labor-intensive) και θα είναι πιο οικονομική. Μερικά επιθυμητά χαρακτηριστικά όπως η διαβρεξιμότητα (wettability) μπορεί να χαθούν ή άλλα όπως η ομοιογένεια σύστασης (content uniformity) μπορεί να είναι δύσκολο να επιτευχθεί, αλλά η DC είναι ακόμη ελκυστική λόγω των οικονομικών. * Μια σκόνη χαρακτηρίζεται ως αυτοσυμπιέσιμη (autocompressible), αν το όριο εκροής (yield) έχει χαμηλή τιμή. Αν η σκόνη έχει επιπλέον καλή ρευστότητα (good flowability), είναι δυνατό να μετατραπεί σε δισκία με DC. Αν η σκόνη είναι αυτοσυμπιέσιμη αλλά δεν έχει καλή ροή, μπορεί να αποκτήσει καλή ρευστότητα με υγρή κοκκοποίηση, θρυμματισμό (slugging) ή συμπίεση με κυλίνδρους (roller compaction) πριν από την DC 7/11/ ΔΧ

103 7/11/2012ΔΧ103 Δισκιοποίηση *Αν η σκόνη έχει υψηλό όριο εκροής (high yield), υγρή κοκκοποίηση είναι ένας τρόπος για να παράγει κανείς συμπιεστό υλικό, γιατί το συγκολλητικό (binder) έχει χαμηλό όριο εκροής και συγκόλληση είναι δυνατή * Όπως τα ενεργά συστατικά (ΑΡΙ) όλα τα έκδοχα δεν είναι αυτοσυμπιεστά (auto- compressible) * Αν το ποσοστό του ενεργού συστατικού είναι <16%, η DC είναι από φυσική άποψη μια πιθανότητα, ακόμη κι αν το ενεργό συστατικό δεν είναι αυτοσυμπιεστό (ο κανόνας αυτός βγήκε από στατιστικά δεδομένα) *Αν η συγκέντρωση του ενεργού συστατικού είναι χαμηλή, η DC είναι μία διακριτή πιθανότητα. Δύο προβλήματα πρέπει να αντιμετωπιστούν: (1) ο υδροφοβικός χαρακτήρας του φαρμάκου πρέπει να είναι τέτοιος ώστε η διαβρεξιμότητα να είναι χαμηλή στη συνταγοποίηση (formulation) για DC, (2) ανάμειξη και ομοιογενής σύσταση δεν είναι στο επιθυμητό επίπεδο *Αν η συγκέντρωση του ενεργού συστατικού είναι υψηλή, η ποσότητα του συστατικού με μικρό μέγεθος πρέπει να είναι αρκετή για να καλύπτει το συστατικό μεγάλου μεγέθους, μια διεργασία που μοιάζει με διατεταγμένη ανάμειξη (ordered mixing)

104 7/11/2012ΔΧ104 Δισκιοποίηση Λόγος βαρών σε πλήρη κάλυψη, W = w s / w l = 4 R A l / A s Λόγος ειδικών επιφανειών, R =  α s / α l =  s D pl /  l D ps Επιφάνειες, A s and A l Δείκτες, s για μικρό, l για μεγάλο Μηχανισμοί συγκόλλησης για DC Όταν η τάση συμπίεσης αυξάνεται πέρα από την κρίσιμη τιμή  r, η αντοχή του συμπαγούς υλικού (compact) αυξάνεται λόγω διασωματιδιακής συγκόλλησης (interparticle bonding). (1) Ασθενείς διασωματιδιακές δυνάμεις (van der Waals, ηλεκτροστατικές, δεσμοί υδρογόνου), (2) Μηχανική διάπλεξη (interlocking), (3) Στερεές γέφυρες (solid bridges), και (4) Τήξη προεξοχών (asperity melting) Για να ενεργοποιηθούν ασθενείς δυνάμεις, τα σωματίδια πρέπει να πλησιάσουν το ένα το άλλο σε μοριακές αποστάσεις. Πρέπει να τονιστεί ότι ο αέρας πρέπει να απομακρυνθεί κατά κάποιο τρόπο για να μπορέσουν οι επιφάνειες να έρθουν σε στενή επαφή (close contact). Αυτή η συγκόλληση είναι ο πρωταρχικός τύπος συγκόλλησης για φαρμακευτικά υλικά Στη μηχανική διάπλεξη (interlocking), υψηλές τιμές του συντελεστή σχήματος (shape factor) και fractal διαστάσεις είναι τα κύρια στοιχεία που συμβάλλουν στη διάπλεξη όπως στην περίπτωση της μικροκρυσταλλικής κυτταρίνης Στερεές γέφυρες σχηματίζονται σαν αποτέλεσμα της ανακρυστάλλωσης μέρους του στερεού σε σημεία επαφής σωματιδίων Τήξη προεξοχών, αν και είναι πιθανή, δεν θεωρείται σαν ρεαλιστικός τρόπος συγκόλλησης (bonding). Συμβαίνει σε καθαρές ουσίες με χαμηλά σημεία τήξης, π.χ., κερί, ή μίγματα που σχηματίζουν ευτηκτικά

105 7/11/2012ΔΧ105 Ρευστοποίηση (Fluidization) Η επίδραση του ρυθμού ροής του αερίου Σε ταχύτητες αερίου μικρότερες από την ελάχιστη ταχύτητα για ρευστοποίηση, το αέριο ρέει μέσω της κλίνης των στερεών σωματιδίων που παραμένει αδιατάρακτη– τύπος σταθερής κλίνης (fixed bed). Το βάρος των σωματιδίων υποστηρίζεται από τις επαφές σωματιδίου με σωματίδιο Σε ταχύτητες αερίου μεγαλύτερες από την οριακή ταχύτητα των σωματιδίων, η σκόνη κινείται έξω από το δοχείο – regime πνευματικής μεταφοράς (pneumatic transport) Σε μέσες ταχύτητες αερίου, η κλίνη διαστέλλεται, και δημιουργείται ρευστοποίηση. Οι επαφές των σωματιδίων δεν διαρκούν, και το βάρος των σωματιδίων υποστηρίζεται από ιξώδη οπισθέλκουσα (viscous drag)

106 7/11/2012ΔΧ106 Ρευστοποίηση (Fluidization) Επίδραση του μεγέθους σωματιδίου Ομάδα A: Η ευκόλοτερη για ρευστοποίηση. Ρευστοποίηση χωρίς φυσαλίδες (Non-bubbling fluidization) αρχικά, ακολουθούμενη από ρευστοποίηση με φυσαλίδες όταν η κλίνη διαστέλλεται αισθητά. Επανακυκλοφορία μεγάλων σωματιδίων λαμβάνει χώρα Ομάδα B: Εύκολη για ρευστοποίηση. Πιο συνηθισμένη περίπτωση. Σωματίδια μεγαλύτερα και με μεγαλύτερη πυκνότητα από την ομάδα A. Φυσαλίδες παρατηρούνται αμέσως μόλις γίνεται ρευστοποίηση. Οι φυσαλίδες είναι μικρές στον πυθμένα της κλίνης και αυξάνουν σε μέγεθος με το ύψος της κλίνης Ομάδα C: Λεπτή, συνεκτική, δύσκολη να ρευστοποιηθεί σκόνη, που ανέρχεται σαν slug. Σχηματίζει κανάλια (channels). Oμάδα D: Πολύ μεγάλα, μεγάλης πυκνότητας σωματίδια. Δημιουργούν πολύ μεγάλες φυσσαλίδες. Τάση να εκρέουν (spout) εύκολα  s  g dpdp

107 7/11/2012ΔΧ107 Ρευστοποίηση (Fluidization) Επίδραση της κατανομής μεγέθους σωματιδίων Διτροπική Κατανομή Διαχωρισμός (Segregation)

108 7/11/2012ΔΧ108 Σχέση του Ergun Ρευστοποίηση (Fluidization) Εμπειρικές σχέσεις (correlations)  – ογκομετρικό κλάσμα (volumetric fraction) που καταλαμβάνεται από σωματίδια  – ογκομετρικό κλάσμα που καταλαμβάνεται από ρευστό ή κλάσμα κενών (void fraction) η πορώδες κλίνης (bed porosity) Q – ογκομετρικός ρυθμός ροής A – επιφάνεια διατομής (cross-sectional area) για ροή u ∞ - επιφανειακή (superficial) ταχύτητα φάσης ρευστού,= Q g /A v ∞ - επιφανειακή ταχύτητα φάσης σωματιδίων*,= Q s /A u - fluid phase velocity,= Q g /((1-  )A) = Q g /(  A) v - particle phase velocity,= Q s /(  A) = Q s /((1-  A) * δεν είναι η ταχύτητα του μεμονωμένου στερεού σωματιδίου Packed Bed

109 7/11/2012ΔΧ109 Ρευστοποίηση (Fluidization) Εμπειρικές σχέσεις Ρευστοποιημένη κλίνη v f – ελάχιστη επιφανειακή (superficial) ταχύτητα ή επιφανειακή ταχύτητα εναρκτήριας (incipient) ρευστοποίησης v t - μέγιστη επιφανειακή ταχύτητα = οριακή ταχύτητα καθίζησης (settling) σωματιδίου (στο ίδιο ρευστό) οριακή ταχύτητα καθίζησης (settling) σφαιρικού σωματιδίου Σχέση των Richardson και Zaki

110 7/11/2012ΔΧ110 Τύποι ροής κοκκώδους υλικού από χοάνη (σιλό) σε κατακόρυφο σωλήνα (standpipe) Τύποι ροής: 1 – σταθερή (steady state), 2 – μπλοκαρισμένη (blocked), 3 – διαλείπουσα ή διακοπτόμενη (intermittent)

111 Εμφύτευμα - Μήτρα Φάρμακο διαλυτό στο πολυμερές Πολυμερές με μικρή συγκέντρωση σωματιδίων φαρμάκου Πολυμερές με μεγάλη συγκέντρωση σωματιδίων φαρμάκου AA ΜεμβράνηΜεμβράνη Αδιαπέραστο Φάρμακο Διαπερατό Φάρμακο Διαπερατό Μεμβράνη Δεξαμενή Εμφύτευμα - Δεξαμενή Χορήγηση Φαρμάκων (Drug Delivery) Tρόποι χορήγησης 1.Στοματικά 2.Με ένεση 3.Τοπικά (δερματικά, υπογλώσια, πνευμονικά, στην έδρα, κολπικά, κλπ) 4.Σε εμφύτευμα βιοσυμβατού πολυμερούς (biocompatible polymer implant) Για βιοφάρμακα (πρωτείνες και πεπτίδια) ή άλλα φάρμακα στον ιστό που χρειάζονται 5.Ελεγχόμενης (controlled) ή στοχευμένης (targeted) χορήγησης (delivery) Tύποι εμφύτευματος 1.Δεξαμενή (Reservoir) Φάρμακο εγκλεισμένο σε μεβράνη 2. Μήτρα (Matrix) Φάρμακο ενσωματωμένο σε σωματίδιο στερεού πολυμερούς 3. Υδροπηκτή (Hydrogel) 4.Σωματίδιο από βιοαποικοδο- μήσιμο (biodegradable) πολυμερές 5. Σωματίδιο ή μεμβράνη θερμικά ή χημικά ευαίσθητα (responsive) 1117/11/2012ΔΧ

112 7/11/2012ΔΧ112 Χορήγηση Φαρμάκων (Drug Delivery) Tύποι εμφύτευματος Δεξαμενή (Reservoir) Φάρμακο εγκλεισμένο σε μεβράνη από ελαστομερή πυριτίου, πολυ [αιθυλενίου-συν (οξικού βινυλίου)] ή ΕVAc, κλπ. Παραδείγματα Norplant® (Wyeth-Ayerst Labs) Αντισυλληπτικό που παρέχει λεβονοργεστρέλη για 5 χρόνια μετά από υποδόρια εμφύτευση Progestasert® (Alza Corp.) Παρέχει ορμόνες σύλληψης στο γυναικείο γεννητικό σύστημα αναπαραγωγής Ocusert® (Alza Corp.) Παρέχει λιποφιλικά φάρμακα στο μάτι Μήτρα (Matrix) Φάρμακο ενσωματωμένο στο στερεό βιοσυμβατό (biocompatible) πολυμερές που μπορεί να είναι βιοαποικοδομήσιμο (biodegradable), π.χ., πολυ(γαλακτικό) ή Poly(Lactic) Acid, πολυ(γαλακτικό-συν-γλυκολικό οξύ) ή Poly(Lactic-co-Glycolic Acid) Για προτεϊνά φάρμακα, η μήτρα είναι από μη-αποικοδομήσιμο (non-degradable), υδρόφιλο για αποδέσμευση προτεϊνών σε σχετικά σύντομο χρονικό διάστημα, π.χ., EVAc, ελαστομερή πυριτίου, πολυουρεθάνες, ή υδρόφοβο πολυμερές για αποδέσμευση για παρατεταμένη χρονική περίοδο, π.χ., πολυ(μεθακρυλικό 2- υδροξυαιθύλιο)

113 7/11/2012 ΔΧ 113 Χορήγηση Φαρμάκων (Drug Delivery) Tύποι εμφύτευματος Υδροπηκτή (Hydrogel) Υλικά: ακρυλικά πολυμερή και συμπολυμερή, πολυ(αλκοόλες), κλπ Υδατοδιαλυτά πολυμερή των οποίων οι διασυνδεδεμένες (cross-linked) αλυσίδες σχηματίζουν δίκτυα (networks) Όταν το νερό υπεισέρχεται στα διάκενα του δικτύου, το υλικό διογκώνεται (swells) Η διόγκωση αυτή καθορίζεται από την οσμωτική πίεση και την φυσική ακεραιότητα του υλικού, που με τη σειρά της, καθορίζεται από την πυκνότητα των σταυροσυνδέσεων (Cross-linking) Ο ρυθμός διάχυσης του φαρμάκου εξαρτάται από την πυκνότητα των σταυροσυνδέσεων που μπορεί να ελεγχθεί από τον συμπολυμερισμό του πολυμερούς του κορμού και εκείνου των διασυνδέσεων Υδροπηκτή μπορεί να είναι σε ενυδατωμένη (hydrated) ή αποξηραμένη (dried) μορφή. Στην αποξηραμένη μορφή, εισχώρηση του νερού προηγείται της διάχυσης του φαρμάκου

114 7/11/2012ΔΧ114 Χορήγηση Φαρμάκων (Drug Delivery) Tύποι εμφύτευματος Σωματίδιο από βιοαποικοδομήσιμο υλικό Πρώτο φάρμακο που δοκιμάστηκε: Cyclazocine σε εμφύτευμα πολύ(γαλακτικού οξέος) (1970) Υλικά: Πολυμερή πολύ(γαλακτικού oξέος) ή poly(Lactic Acid), συμπολυμερή του γαλακτικού και γλυκολικού οξέος ή poly(Lactide-co-Glycolide) τα πλέον συνήθη. Επίσης,πολυαμίδες, πολύ(ορθοεστέρες), πολυεστέρες, πολυουρεθάνες, πολύ(φωσφορικά), πολυφωσφονικά, πολυ(αμινοξέα),πολυανυδρίτες, κλπ Η αποικοδόμηση του πολυμερούς έχει δυό στάδια: (1) υδρόλυση και (2) τεμαχισμός των πολυμερικών αλυσίδων σε αλυσίδες ολοένα μικρότερου μεγέθους με τελικά προϊόντα ολιγομερή που είναι διαλυτά στο νερό, με αποτέλεσμα τη δημιουργία πόρων Η κινητική της υδρόλυσης είναι συνήθως 1 ης τάξης, ενώ ο σταδιακός τεμαχισμός των αλυσίδων ακολουθεί κατανομή Poisson Σωματίδιο ή μεμβράνη από θερμικά ή χημικά ευαίσθητο υλικό Παράδειγμα: Πηκτή poly(N-isopropylacrylamide)(NIPAM) φόρτωση φαρμάκου > 33 ο Cυδρόφοβη ==> αποδέσμευση φαρμάκου

115 7/11/2012ΔΧ115 Χορήγηση Φαρμάκων (Drug Delivery) Tύποι εμφύτευματος 1.Mικροσφαιρίδια, Ομογενή σωματιδία στα οποία το φάρμακο έχει διαλυθεί ή διασκορπισθεί στη στερεά φάση του πολυμερούς 2.Μικροκάψουλες Κέλυφος εγκλείει πυρήνα φορτωμένο με φάρμακο 3.Νανοσφαιρίδια Επιφάνεια έχει επεξεργασθεί για να αυξηθεί η σταθερότητα και η ικανότητα στόχου 4.Νανοκάψουλες Μέθοδοι παρασκευής μικροσφαιριδίων 1.Διαχωρισμός φάσεων με βάση ασυμβατότητα 2.Εξάτμιση ή απομάκρυνση διαλύτη 3.Μικροκάψουλα από τήγμα 4.Πολυμερισμός διεπιφανείας (interfacial polymerization) 5.Ξήρανση με ψεκασμό (spray drying) 6.Διεργασία (με υπερκριτικό ρευστό (supercritical fluid processing)

116 7/11/2012ΔΧ116 Χορήγηση Φαρμάκων (Drug Delivery) Αποδέσμευση φαρμάκου Bird, Stewart and Lightfoot, Transport Phenomena (Wiley), Carslaw and Jaeger, Heat Conduction (Oxford U.), Crank, The mathematics of diffusion (Oxford U.) Εμφύτευμα:Δεξαμενή – Κυλινδρική μεμβράνη (L, a, b)

117 7/11/2012ΔΧ117 Χορήγηση Φαρμάκων (Drug Delivery) Αποδέσμευση φαρμάκου Εμφύτευμα: Μήτρα – Πλάκα (L)

118 7/11/2012ΔΧ118 Χορήγηση Φαρμάκων (Drug Delivery) Αποδέσμευση φαρμάκου Εμφύτευμα: Μήτρα – Πορώδης Πλάκα (L) F  : Προσαρμόσιμη παράμετρος που διαλέγεται σε συμφωνία με τα πειραματικά δεδομένα αποδέσμευσης φαρμάκου Εξαρτάται από μοριακό βάρος φαρμάκου, MW p, μέγεθος σωματιδίου φαρμάκου, l, φορτίο, C και MW p πολυμερούς F  ~ (MW p ) 3.4 F  ~ l -2.4 F  ~ C -2.3

119 ΔΧ7/11/ Χορήγηση Φαρμάκων (Drug Delivery) Τρόποι μεταφοράς φαρμάκου στο σώμα 1.Διάχυση Κύτταρα, ιστοί, όργανα Χημικό Δυναμικό, μ, (συγκέντρωση, θερμοκρασία,κλπ) 2.Συναγωγή Υδροστατική και οσμωτική πίεση Ροή αίματος σε αιμοφόρα αγγεία Ροή διάμεσου υγρού (interstitial fluid) σε λεμφικά (lymphatic) αγγεία ΕγκεφαλοΝωτιαίο Υγρό (CerebroSpinal Fluid) διεισδύει μέσω του Κεντρικού Νευρικού Συστήματος (CSN) στον υποαραχνοειδή χώρο (subarachnoid space) και κοιλότητες (ventricles) του εγκεφάλου 3.«Βιολογική» μεταφορά (συνήθως για μεγαλομόρια) Υποκαταστάτες (ligands) και υποδοχείς (receptors)

120 7/11/2012ΔΧ120 Χορήγηση Φαρμάκων (Drug Delivery) Συναγωγή Κυκλοφοριακό σύστημα: αορτή  αρτηρία  αρτιρήδιο  τριχοειδή αγγεία

121 7/11/2012ΔΧ121 Χορήγηση Φαρμάκων (Drug Delivery) Συναγωγή Λεμφικό σύστημα: Μέρος του ανοσιοπητικού συστήματος. Αποτελείται από (1) σύστημα αγγείων που μεταφέρουν το διάμεσο υγρό (interstitial fluid), σε μια κατεύθυνση μόνο, στην καρδιά, (2) τους λεμφικούς αδένες και λεμφικά θυλάκια, π.χ.,αμυγδαλές, και (3) όλες τις δομές που παράγουν και προωθούν τα λεμφο- κύτταρα (lymphocytes), π.χ., σπλήνα, θυμοειδή αδένα, νωτιαίο μυελό και λεμφικούς ιστούς του πεπτικού συστήματος

122 7/11/2012ΔΧ122 Χορήγηση Φαρμάκων (Drug Delivery) Συναγωγή Λεμφικό σύστημα: Μέρος του ανοσιοπητικού συστήματος. Αποτελείται από (1) σύστημα αγγείων που μεταφέρουν το διάμεσο υγρό (interstitial fluid), σε μια κατεύθυνση μόνο, στην καρδιά, (2) τους λεμφικούς αδένες και λεμφικά θυλάκια, π.χ.,αμυγδαλές, και (3) όλες τις δομές που παράγουν και προωθούν τα λεμφο- κύτταρα (lymphocytes), π.χ., σπλήνα, θυμοειδή αδένα, νωτιαίο μυελό και λεμφικούς ιστούς του πεπτικού συστήματος

123 7/11/2012ΔΧ123 Χορήγηση Φαρμάκων (Drug Delivery) Συναγωγή Λεμφικό σύστημα: Μέρος του ανοσιοπητικού συστήματος. Αποτελείται από (1) σύστημα αγγείων που μεταφέρουν το διάμεσο υγρό (interstitial fluid), σε μια κατεύθυνση μόνο, στην καρδιά, (2) τους λεμφικούς αδένες και λεμφικά θυλάκια, π.χ.,αμυγδαλές, και (3) όλες τις δομές που παράγουν και προωθούν τα λεμφο- κύτταρα (lymphocytes), π.χ., σπλήνα, θυμοειδή αδένα, νωτιαίο μυελό και λεμφικούς ιστούς του πεπτικού συστήματος

124 7/11/2012ΔΧ124 Φαρμακοκινητική Ασχολείται με τις επιδράσεις του σώματος στα φάρμακα, δηλαδή, το μεταβολισμό, τη μεταφορά, την προσρόφηση και την αποβολή (elimination) τους Δημιουργούνται μαθηματικά μοντέλα για την πρόβλεψη της εξέλιψης των φαρμάκων στον οργανισμό, ανθρώπινο ή ζωϊκό. Τα μοντέλα που προβλέπουν ρυθμούς μεταβολής είναι: 1.Διαμερισματικά Ιστοί ή όργανα διαιρούνται σε αλληλοεπιδρώντα διαμερίσματα, το καθένα από τα οποία προσομοιάζεται σαν αντιδραστήρας ιδανικού τύπου, συνεχούς ανάδευσης (Continuous Stirred Tank Reactor) ή εμβολικής ροής (plug flow) 2.Φυσιολογικά Ιστοί ή όργανα προσομοιάζονται με ανατομικά και βιοχημικά ορθό τρόπο 3.Εναλλακτικά Δεδομένα ερμηνεύονται όχι με βάση συγκεκριμένο μαθηματικό μοντέλο αλλά τα συμβάντα σε ένα μεγάλο πληθυσμό υποκειμένων Περιορισμοί 1.Τα διαμερισματικά μοντέλα είναι εμπειρικά, 2.Τα φυσιολογικά μοντέλα περιέχουν παραμέτρους που δεν μπορούν να μετρηθούν ή να προβλεφθούν με ευκολία 3.Τα εναλλακτικά στερούνται κατανόησης των μηχανισμών

125 7/11/2012ΔΧ125 Φαρμακοκινητική Μοντέλα ενός διαμερίσματος Αποβολή φαρμάκου ακολουθεί κινητική 1 ης τάξης c – συγκέντρωση φαρμάκου, = M / V d V d – όγκος που περιέχει το φάρμακο M – μάζα φαρμάκου στον όγκο V d M o – αρχική μάζα φαρμάκου που εισήχθη σε χρόνο t = 0 t ½ - το μισό του χρόνου παραμονής του φαρμάκου στο διαμέρισμα Απορρόφηση (Absorption): στάδιο πρίν την είσοδο φαρμάκου στο αίμα, που αντιπροσωπεύει την είσοδο του είτε στο γαστροεντερικό σωλήνα από στοματική χορήγηση ή τον υποδόριο ιστό από ένεση. Ακολουθεί κινητική 1 ης τάξης ~ k a D D – μάζα φαρμάκου που απορροφάται

126 7/11/2012ΔΧ126 Φαρμακοκινητική Μοντέλα ενός διαμερίσματος Απορρόφηση (Absorption) πρίν την είσοδο φαρμάκου στο αίμα ~ k a D D – μάζα φαρμάκου που απορροφάται

127 7/11/2012ΔΧ127 Φαρμακοκινητική Μοντέλα δύο διαμερισμάτων k 12, k 21 – συντελεστές μεταφοράς μάζας μεταξύ διαμερισμάτων 1 & 2 k 1, k 2 – σταθερές 1 ου βαθμού για αποβολή φαρμάκου στα διαμερίσματα 1 & 2 V 1, V 2 – όγκος διαμερίσματος, 1 & 2 c 1 0 = M / V 1 – συγκέντρωση στο διαμέρισμα 1 σε χρόνο t = 0 c 2 0 = 0 – συγκέντρωση στο διαμέρισμα 2 σε χρόνο t = 0 Α 1, Α 2, α, β προσδιορίζονται από πειραματικά

128 7/11/2012ΔΧ128 Φαρμακοκινητική Μοντέλα δύο διαμερισμάτων k 12, k 21 – συντελεστές μεταφοράς μάζας μεταξύ διαμερισμάτων 1 & 2 k 1, k 2 – σταθερές 1 ου βαθμού για αποβολή φαρμάκου στα διαμερίσματα 1 & 2 V 1, V 2 – όγκος διαμερίσματος, 1 & 2 c 1 0 = M / V 1 – συγκέντρωση στο διαμέρισμα 1 σε χρόνο t = 0 c 2 0 = 0 – συγκέντρωση στο διαμέρισμα 2 σε χρόνο t = 0 Α 1, Α 2, α, β προσδιορίζονται από πειραματικά

129 7/11/2012ΔΧ129 Φαρμακοκινητική Μοντέλα δύο διαμερισμάτων Αποβολή φαρμάκου σε δύο στάδια: (1) ταχύ στάδιο με μισό χρόνου παραμονής t 1/2,  = ln2 /  που χαρακτηρίζει την καταναμή του φαρμάκου από το κεντρικό διαμέρισμα 1 στο περιφερειακό διαμέρισμα 2, και (2) αργό στάδιο με μισό χρόνου παραμονής t 1/2,  = ln2 /  που χαρακτηρίζει την αποβολή του φαρμάκου στο κεντρικό διαμέρισμα 1 A 1, A 2 είναι κλάσματα της αρχικής δόσης που αποβάλλονται (eliminated) από το κεντρικό διαμέρισμα κατά το ταχύ και αργό στάδιο Α 1, Α 2, α, β προσδιορίζονται από τις εξισώσεις

130 7/11/2012ΔΧ130 Φαρμακοκινητική Μοντέλα δύο διαμερισμάτων Αργή απορρόφηση του φαρμάκου c a – συγκέντρωση φαρμάκου στον χώρο χορήγησης V a – όγκος του χώρου χορήγησης k a – σταθερά κινητικής 1 ης τάξης για απορρόφηση φαρμάκου

131 7/11/2012ΔΧ131 Φαρμακοκινητική Διαμερισματικό Μοντέλo για τον Γαστροεντερικό Σωλήνα (GastroIntestinal Tract) Τα διαμερίσματα είναι δοχεία συνεχούς ανάδευσης ή πλήρους ανάμειξης (CSTR) στη σειρά και αποβολή του φαρμάκου από το ένα διαμέρισμα στο επόμενο με κινητική 1 ης τάξης Ο αριθμός διαμερισμάτων που χρειάζονται προσδιορίζεται από σύγκριση προσομοιώσεων με πειραματικά δεδομένα για το χρόνο διέλευσης φαρμάκου μέσω του γαστροεντερικού σωλήνα. Ο χρόνος διέλευσης, που είναι ανεξάρτητος από τύπο δόσης (δισκίο ή κάψουλα), ηλικία και το βάρος σώματος του ασθενούς, καθώς και την παρουσία ή μη φαγητού, έχει μέση τιμή 199 min, τυπική απόκλιση 78 min, και διάστημα 95% εμπιστοσύνης ίσο με 7 min. Ο αριθμός διαμερισμάτων στην προσομοίωση που οδηγεί στη χαμηλότερη τιμή λάθους ή min SSE βρέθηκε (Yu, Grison, Amidon 1996) να είναι 7 Οι χρόνοι διέλευσης φαρμάκου από το δωδεκαδάκτυλο, νήστιδα και ειλεό είναι 14, 71, 114 μιν, αντίστοιχα. Έτσι καθορίζεται το πρώτο μισό του 1 ου διαμερίσματος να αντιπροσωπεύει το δωδεκαδάκτυλο, το δεύτερο μισό του 1 ου διαμερίσματος μαζί με τα διαμερίσματα 2 και 3 να αντιπροσωπεύουν τη νήστιδα, και τα διαμερίσματα 4 έως 7 τον ειλεό Το στομάχι και το παχύ έντερο (colon) παριστάνονται το καθένα με 1 διαμέρισμα πρίν και μετά το γαστροεντερικό σωλήνα

132 7/11/2012ΔΧ132 Φαρμακοκινητική Διαμερισματικό Μοντέλo για τον Γαστροεντερικό Σωλήνα (GastroIntestinal Tract) Παραδοχές 1.Η απορρόφηση του φαρμάκου στο στομάχι και το παχύ έντερο είναι ασήμαντη σε σύγκριση με αυτή στο λεπτό έντερο 2.Μεταφορά φαρμάκου μέσα από επιθήλια μεμβράνη του εντέρου (για να εισέλθει στο αίμα) είναι παθητική (μόνο με διάχυση και συναγωγή) και όχι ενεργός (με πρόσθετα δυναμικά και άλλους μηχανισμούς μεταφοράς) 3.Διαλυτοποίηση του φαρμάκου είναι στιγμιαία

133 Φαρμακοκινητική Διαμερισματικό Μοντέλo για τον Γαστροεντερικό Σωλήνα (GastroIntestinal Tract) Στομάχι: Λεπτό Έντερο: Παχύ Έντερο : Απορρόφηση στο λεπτό έντερο: Ισοζύγιο μάζας: 7/11/2012ΔΧ133

134 7/11/2012ΔΧ134 Σχεδιασμός Φαρμακευτικού Προϊόντος (Α P I + έκδοχα + συσκευασία) 1.Ερευνα αγοράς (στατιστικές) 2.Δράση ενάντια στην ασθένεια (μοντέλο ασθένειας, βιοδιαθεσιμότητα) 3.Τρόπος χορήγησης (Drug Delivery) 4.Tρόπος απόκτησης (εκχύλιση φυσικού προϊόντος, χημική σύνθεση, ζύμωση) 5.Σταθεροποίηση ΑΡΙ (κρυστάλλωση) 6.Δοσολογία, προδιαγραφές, παρενέργειες 7.Σχεδιασμός Διεργασιών (Plant Design, περιβαλλοντολογικά και ασφάλεια) 8.Μελέτη κόστους 9.Προστασία πνευματικής ιδιοκτησίας 10.Πιστοποίηση


Κατέβασμα ppt "Σχεδιασμός Χημικών Προϊόντων Δημήτρης Χατζηαβραμίδης Σχολή Χημικών Μηχανικών Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο 7/11/20121ΔΧ."

Παρόμοιες παρουσιάσεις


Διαφημίσεις Google