inovace vzdělávání v chemii a biologii s ohledem na ... · –matematická analýza ... redukce...
TRANSCRIPT
OPVK CZ.1.07/2.2.00/2/.0184
Základy ADME a toxického hodnocení
léčiv v preklinickém vývoji
OCH/ADME
LS 2012/2013
Absorpce léčiv, faktory ovlivňující
absorpci, optimální fyzikálně-chemické
vlastnosti léčiva
Mgr. Alice Rulcová
20.2.2013
Farmakologie interakce léku a organismu
• Farmakokinetika – vliv organismu na lék (osud léčiva v organismu)
• Vliv dávky, způsob podání, fyziologický stav organismu
• Farmakodynamika – vliv léku na organismus
Farmakokinetika
• Farmakokinetická studie – podání fixní dávky léčiva subjektu (zvíře, člověk)
– v různých časech od podání jsou sbírány vzorky ( obvykle krev/plasma)
– analýza koncentrací parentní látky a metabolitů
– matematická analýza
• Toxikokinetika – farmakokinetika aplikovaná na vysoké dávky
– Toxikologické testování léčiv
– Někdy může podání takto vysokých dávek mít za následek saturační kinetiku – ovlivnění PK profilu
Základní farmakokinetické dějě (ADME)
• Absorpce – podaná látka se vstřebá z místa aplikace do krevního oběhu
• Distribuce – látka přestupuje z krevního oběhu k místu účinku
• Metabolismus – chemická přeměna léku vedoucí ke snížení farmakologické aktivity a k usnadnění vylučování
• Exkrece – vyloučení léku z organismu
• Eliminace – M+E http://health-7.com/Lippincotts%20Illustrated%20Reviews%20Pharmacology/1.%20Pharmacokinetics
Biologická membrána
• Léčivo musí překonat biologickou membránu
• Musí se rozpustit v lipofilní vrstvě
• Proteiny – strukturní funkce, receptory, transportéry (hydrofilní léčiva)
http://www.pharmacology2000.com/General/Pharmacokinetics/kinobj1.htm
http://php.med.unsw.edu.au/cellbiology/index.php?title=Cell_Membranes_and_Compartments
Vliv pKa a pH na ionizaci léčiva
AH ↔ H+ + A− kyselina
B + H+ ↔ BH+ zásada
AH BH+
A− B
http://health-7.com/Lippincotts%20Illustrated%20Reviews%20Pharmacology/1.%20Pharmacokinetics/
Vliv pKa a pH na ionizaci léčiva
• Všechna léčiva – slabé kyseliny nebo slabé baze → ionizace (závisí na prostředí)
• Kysleliny: AH Zásady: B
přes
membránu
Vliv pKa a pH na ionizaci léčiva
• Kyselé prostředí: K neion. → AH
B ion. → BH+ → nemůže se vstřebat
• Zásadité prostředí (např. alkalizovaná moč):
K ioniz. → A- → nevstřebá se
B neion. → B → vstřebá se
Henderson-Hasselbachova rovnice
AH ↔ H+ + A− B + H+ ↔ BH+ kyselina zásada
𝐾𝑎=[𝐴−][𝐻+]
[𝐴𝐻] 𝐾𝑎 =
𝐻+ [𝐵]
[𝐵𝐻+]
𝑙𝑜𝑔
𝑛𝑒𝑖𝑜𝑛𝑖𝑧𝑜𝑣𝑎𝑛á
𝑖𝑜𝑛𝑖𝑧𝑜𝑣𝑎𝑛á = 𝑝𝐾𝑎 −𝑝𝐻 𝑙𝑜𝑔
𝑛𝑒𝑖𝑜𝑛𝑖𝑧𝑜𝑣𝑎𝑛á
𝑖𝑜𝑛𝑖𝑧𝑜𝑣𝑎𝑛á = pH - 𝑝𝐾𝑎
• Pokud se pKaléčiva = pH prostředí → 50% léčiva bude ionizováno
Ionizace aspirinu (pKa = 3)
pH Neionizovaná frakce (%)
Ionizovaná frakce (%)
1 99,9 0,10
2 90,0 10,0
3 50,0 50,0
4 9,09 91,9
5 1,00 99,0
6 0,10 99,9
pH v organismu Plazma 7,4
Mléko 7,0-7,3
Mozkomíšní mok 7,3
Moč 4-8
Plod 7,3
Na lačno Po jídle
Žaludek 1,4 – 2,1 3,0 – 7,0
Duodenum 5-6
Ileum 3,8 - 8
tlusté střevo 5 – 8
Trávicí trakt
Vliv ionizace na distribuci léčiv
Slabá kyselina HA H++ A− 𝑝𝐾𝑎= 4,4
neionizovaná ionizovaná
[1] [1000] [1001]
HA H++ A−
[1] [0,001] [1,001]
HA H++ A−
Ion trapping
membrána
plasma
žaludeční šťáva
pH = 7,4
pH = 1,4
Total [HA] + [A−]
Přestup látek přes membrány
1. Pasivní difúze
2. Filtrace, bulk flow
3. Facilitovaná difúze
4. Aktivní transport
5. Transport iontových párů
6. Endocytóza
7. Efluxní transportéry
1. Pasivní difúze
• Nejčastější mechanismus přestupu léčiv přes membrány • Hnací silou – koncentrační gradient, do ustálení stavu • Podmínky: léčivo lipofilní, neionizované • Řídí se Fickovým zákonem
𝑑𝑚
𝑑𝑡=
𝑃 ∗ 𝐴 ∗ (𝑐1 − 𝑐2)
ℎ
𝑑𝑚
𝑑𝑡= změna koncentrace léčiva v čase – přestup léčiva
P = fyz – chem. vl. léčiva A = velikost plochy h = tloušťka membrány (𝑐1 − 𝑐2) = koncentrační gradient
2. Filtrace, bulk flow
• Filtrace - léčivo proniká přes póry v membráně nebo paracelulárními kanály – Závisí na tlakovém gradientu a Mr ˂ 100 (skoro
žádné léčivo)
• Bulk flow – rychlý průnik látky intracelulárními póry – Glomerulární filtrace – přestup fenestracemi
ledvinného glomerulu
3. Facilitovaná difuze
• Zprostředkovaná přenašečem
• Nezávisí na dodání energie
• Přestup léčiva ve směru koncentračního gradientu
4. Aktivní transport
• Zprostředkován přenašečem
• Dodávka energie – ATP
• Přenos látky proti koncentračnímu gradientu
• Probíhá v jednom směru
• Substráty nejčastěji léčiva podobné endogenním látkám
6. Endocytóza
• Velké molekuly (léčivo na polymeru)
• Vychytávání látek z cirkulace buňkami
• Využití v řízené distribuci makromolekul
– Cytostatikum na makromolekule – nádorová buňka specifický receptor
http://cellspd7spering.wikispaces.com/Endocytosis-Exocytosis
7. Efluxní transportéry
• ABC transportéry
– P-glykoprotein, BCRP
– Efluxní pumpa – vypuzuje lipofilní látky z buňky
– Chemoterapie – rezistence nádorů k léčivům
– Ovlivnění A, D, E
– Tenké střevo, mozek, placenta – ochrana organismu před účinkem xenobiotik
Absorpce
• fáze farmakokinetiky, kdy dochází k přestupu molekul léčiva z místa podání (např. GIT) do krve (do vena portae)
Faktory ovlivňující absorpci
• Formulace léčiva → úprava tablet, injekčních roztoků, prolongované uvolňování, enterosolventní tablety…
• Fyzikálně-chemické vlastnosti léčiva
• Fyziologické/patologické parametry místa podání → velikost a prokrvení absorpční plochy, pH, motolita GITu
• Fyziologické parametry neměnné, mění se při patologickém stavu
Biologická dostupnost
• F → farmakokinetický parametr
• jaké množství léčiva se dostane do systémové cirkulace v chemicky nezměněné formě
• 0 ˂ F ˂ 1
http://health-7.com/Lippincotts%20Illustrated%20Reviews%20Pharmacology/1.%20Pharmacokinetics
Biologická dostupnost
• Bioavailability = 𝐴𝑈𝐶𝑜𝑟𝑎𝑙
𝐴𝑈𝐶𝑖𝑛𝑗𝑒𝑐𝑡𝑒𝑑× 100
• AUC → plocha pod křivkou – area under curve – množství léčiva, které je systémově dostupné pro organismus v celém čase
• F → frakce 0-1 (0-100%)
• F=0 → 𝐴𝑈𝐶𝑜𝑟𝑎𝑙 = 0 → neabsorbuje se → lokální podání
• F=1 → obě plochy pod křivkou se rovnají, všechno podané léčivo se vstřebá
Faktory ovlivňující biologickou dostupnost
• First-pass efekt – efekt prvního průchodu játry → látka je částečně metabolizována v játrech před vstupem do systémové cirkulace
• Rozpustnost léčiva
• Chemická stabilita
http://health-7.com/Lippincotts%20Illustrated%20Reviews%20Pharmacology/1.%20Pharmacokinetics
Pre-systémová eliminace
• Biologická dostupnost po perorálním podání:
• Je snížena - kyselou hydrolýzou v žaludku
• přítomností efluxních transportérů ve střevní sliznici → P-glykoprotein v enterocytech
• metabolismem ve střevní stěně – biotransformační enzymy
• First-pass efektem
Způsoby podání léčiv
• lokální
• perorální (p.o.)
• sublinguální
• bukální
• rektální
• transdermální
• subkutánní (s.c.)
• intramuskulární (i.m.)
• intravenózní (i.v.)
http://health7.com/Lippincotts%20Illustrated%20Reviews%20Pharmacology/1.%20Pharmacokinetics
Způsoby podání léčiv
• Lokální podání – např. na kůži, sliznici dutiny ústní nebo nosní, do oka (masti, emulze, krémy, zásypy atd.)
• Enterální podání – do trávícího traktu
- perorální, bukální, sublinguální, rektální
• Parenterální podání – léčivo podáno jinak než přes trávicí trakt
–transdermální, inhalační, injekční (i.v, i.m, s.c.)
Absorpce po enterálním podání
• Absorpce z dutiny ústní – obchází játra, velmi rychlý nástup účinku
– Bukální podání -do dutiny ústní- látka se velmi
rychle dostává přímo do cévního řečiště
- absorbovaná látka obchází játra
– Sublinguální podání – pod jazyk - látka se velmi
rychle (2 min.) dostává přímo do cévního řečiště
- látka obchází játra, např. nitroglycerin u angíny pectoris pro
rychlou úlevu
Absorpce po perorálním podání
• Perorální – podání ústy – účinek nastupuje do 30
minut
-látka podléhá kyselému prostředí žaludku, kde
může být degradována
- vstřebává se a vena portae se dostává do jater
• Absorpce ze žaludku – kyselé prostředí (pH = 1,4 – 2,0) – Kyselá hydrolýza léčiv – enterosolventní přípravky
– Vychytávání bazických látek z krve (ion trapping)
Absorpce po perorálním podání
• Absorpce z tenkého střeva – velká absorpční plocha (200 m2, velké prokrvení) – nejčastěji difuze
• Absorpce léčiv je snížena: – first-pass efektem – metabolismem ve střevní stěně – přítomností efluxních transportérů
• Absorpce z tlustého střeva – menší absorpční
plocha (pouze absorpce léčiv, která nebyla vstřebána v tenkém střevě)
Absorpce z rekta
• Per rectum-rektální podání do konečníku – např.
čípky
- lokální i systémové účinky
- vyhne se kyselému prostředí žaludku a enzymům
tenkého střeva
-látka částečně obchází játra, vyhýbá se first-pass efektu
Použití: - léčiva dráždící žaludek
- zvracení
- bezvědomí
Faktory ovlivňující absorpci léčiv z trávicího traktu
• Vyprazdňování žaludku
• Intestinální motilita
• Potrava ↓, Ca2+(tvorba komplexů)
• Lékové formulace
• Metabolismus
• Lékové interakce v gastrointestinálním traktu
Parenterální podání péčiv
• Absorpce z plic
• Absorpce přes kůži
• Injekční formy aplikace
– s.c.
– i.m.
– i.v.
http://health-7.com/Lippincotts%20Illustrated%20Reviews%20Pharmacology/1.%20Pharmacokinetics
Absorpce léčiv z plic
• Lokální i systémové podání
• Inhalace ve formě: - plynů – anestetika
- Aerosolů – antiastmatika, částečky 1um až do alveol – část se může vstřebat a vyvolat NÚ na srdce
• Velká absorpční plocha (50 – 100 m2)
• Bohaté prokrvení – plíce jsou extrémně zásobovány krví
Absorpce léčiv z plic
Absorpce většiny léčiv difúzí
Tuhé částice - také endocytóza
Vliv velikosti inhalovaných částic
http://toxlearn.nlm.nih.gov/htmlversion/module1.html
Absorpce přes kůži
• Většinou lokální působení – masti, krémy
• Kožní bariéra – stratum korneum – velmi pomalé vstřebávání i lipofilních látek
• Necílená absorpce (otrava) – organofosfátové insekticidy – vysoce lipofilní látky
• Nikotin, estrogeny
Injekční formy aplikace
• i.m. podání – difúze do všech stran, absorpce rychlejší a kompletnější než s.c. podání (většina v tukové tkáni)
http://publications.nigms.nih.gov/medbydesign/chapter1.html
Injekční formy aplikace
• + Rychlý nástup účinku
• + Obchází first-pass efekt
• - bolestivost, poškození nervů, (mikrobiální kontaminace)
• i.v. podání – hned do krve, nehovoří se o absorpci
• Špatně absorbovatelná léčiva, dráždící GIT, s velkým first-pass efektem, urgentní stavy
Fyzikálně chemické vlastnosti léčiv
• Lipinského pravidlo pěti: pro p.o. podaná léčiva
– Mr ˂ 500
– logP (rozdělovací koeficient oktanol/voda) ˂ 5 • vysoká rozpustnost ve vodě – rychlý nástup účinku, rychlá
eliminace – krátkodobý účinek
• příliš vysoká lipofilita – riziko akumulace v organismu (DDT)
– ne více než 5 donorů vodíkových vazeb
– ne více než 10 akceptorů vodíkových vazeb
• Stupeň ionizace – ionizované látky nemohou procházet membránami
Fyzikálně chemické vlastnosti léčiv
• PSA – polar surface area (↓BAV po p.o.)
• NRB – number of rotable bonds – molekulární flexibilita (↓BAV po p.o.) → důležité faktory pro dobrou biologickou dostupnost
• Injekčně aplikovaná léčiva - ↑ Mr, ↑počet donorů a akceptorů vodíkových vazeb, ↑NRB, ↓ logP
Fyzikálně chemické vlastnosti léčiv
• Lipofilita – souvisí s metabolismem enzymy cytochromu P450
– P450 metabolizují více než 50% léčiv
– P450 mají lipofilní aktivní místa pro molekuly léčiv
– obecně se clearance léčiv zvyšuje s ↑ lipofilitou
Chemická stabilita
• stabilita in vivo a formulace – důležitá pro p.o. podaná léčiva s dobrou BAV
• Ionizovatelná léčiva nebo léčiva obsahující pH-senzitivní funkční skupiny – důležitá pH stabilita – vliv na absorpci (měří se pH-stabilitní profil látky)
• Hlavní chemické reakce vedoucí k degradaci léčiva v GIT → hydrolýza, oxidace, redukce → často katalyzovány: pH, enzymy v tenkém střevu, bakteriální florou v tenkém a tlustém střevu
Chemická stabilita
• Léčiva podléhající hydrolýze → estery, thioly, amidy, sulfonamidy, imidy, laktamy, laktony, halogenované alifatické uhlovodíky
• Další stability – fotostabilita, hygroskopicita, tepelná stabilita → role ve vývoji lékové formy, skladování, balení
Disoluce a solubilita
• Při p.o. podání je schopnost absorpce léčiva závislá na jeho schopnosti rozpustit se v trávicích šťávách během pasáže GITem, kde může být absorbováno
• Pokud je rychlost rozpouštění limitujícím krokem absorpce → jakákoli vlastnost ovlivňující rychlost rozpouštění – zásadní vliv na BAV
Rychlost rozpouštění
• Rychlost disoluce je vyjádřena difuzním modelem, rovnicí dle Noyes a Whitney:
𝑑𝑐
𝑑𝑡 =
𝐷𝐴
ℎ𝑣 (𝐶𝑠-C)
dc/dt = rychlost rozpouštění látky D = disoluční koeficient h = tloušťka difuzní vrstvy A = plocha látky vystavená disolučnímu médiu v = objem disolučního média Cs= saturovaná solubilita látky v disolučním médiu C = koncentrace látky v roztoku v čase t
Rychlost rozpouštění
• ↑ rychlosti rozpouštění a BAV látek s omezenou absorpcí v praxi → ↓ velikost částic léčiva → zvětšení povrchu
– použití nanočástic u léčiv špatně rozpustných ve vodě
– zmenšení velikosti částic – rozpuštění a rychlá precipitace, rozbití velkých částic mletím
• Vehikulum – kosolventy, emulze, cyklodextriny
In vivo solubilizace
• Rozpustnost léčiva může být zvýšena – jídlem, produkcí žlučových kyselin – žlučové soli a lecitin pomáhají ↑ rozpustnost léčiv – lipofilních
• Lipofilní léčiva – zjištění rozpustnosti ve fyziologicky relevantním médiu
Preclinical tools to predict human ADME behaviour of new drug candidates
In silico modeling and simulation In silico prediction of ADME
parameters
Physiochemical models Chemical models
Animal organs/tissues Animal cells Animal subcellular fraction Animal enzymes
Animal PK studies of different design and complexity
Human exposures to parent drug and metabolites in blood and organs
Human tissues Human cells Human subcellular fractions Human enzymes
In Vivo
Ex Vivo and In Vitro
In Vitro Non-species related
In Silico
Human system Animal system
Rozpustnost a permeabilita
High solubility Low solubility
High permeability Class I Class II
Low permeability Class III Class IV
Biopharmaceutics classification system
Pasivní permeabilita
• Rychlost léčiva procházejícího přes biologickou membránu
• Kinetický parametr – lipofilita
• Fyzikálně-chemický profil léčiva (lipinského pravidlo 5)
• Pasivní difúze – fickův zákon
• Paracelulární, transcelulární
Metody pro zjištění pasivní permeability
• In vivo modely – porovnáni AUC po p.o. s AUC látky ze vzorku odebraného z portální žíly
• In situ a Ex vivo modely – perfuze roztoku léčiva přes izolovaný intestinální segment (2 konce se kanylují, vytvoří se uzavřená cirkulace roztoku léčiva, absorpce léčiva je zjištěna měřením úbytku léčiva z cirkulujícího roztoku)
Metody pro zjištění pasivní permeability
• Ussing chamber - přestup látky přes intestinální mukózu – 2 komůrky, mezi nimi intestinální mukóza – fyziologický systém pro studium transportu iontů, nutrientů a léčiv
Sjoberg A et al., Comprehensive study on regional human intestinal permeability and prediction of fraction absorbed of drugs using the Ussing chamber technique. Eur J Pharm Sci, 2013
Burgess BL, A phospholipid-apolipoprotein A-I nanoparticle containing amphotericin B as a drug delivery platform with cell membrane protective properties. Int J Pharm, 2010
Metody pro zjištění pasivní permeability
• Inverted gut sac – vypreparované tenké střevo se obrátí přes skleněnou tyčinku a rozdělí na segmenty, ponoří se do média s léčivem, měří se akumulace ve vnitřním kompartmentu (viabilita 120 min.)
Santos CA, Correlation of two bioadhesion assays: the everted sac technique and the CAHN microbalance. J Control Release, 1999
Metody pro zjištění pasivní permeability
• Buněčné modely – hlavní metody pro testování pasivní permeabilty
• Různé buněčné linie – CaCo-2, MDCK, LLVK-1
• Imortalizované buněčné linie, na semipermeabilní membráně
• Adherentní buňky, cell monolayer (tight jinctions)
Buněčné kultury
http://www.iclc.it/listanuova.html
http://www.itqb.unl.pt/labs/pharmacokinetics-and-biopharmaceutical-analysis/activities/in-vitro-models-for-prediction-of-drug-absorption-and-metabolism
http://www.xenoblis.com/services/absorption/caco-2-permeability/
Nebuněčné systémy
• PAMPA – artificiální membrána, koreluje s permeabilitou v lidském tenkém střevu
http://www.cyprotex.com/home/
Děkuji za pozornost