Nanokinetika Dr. Kerpel-Fronius Sándor Egyetemi tanár Farmakológiai és Farmakoterápiás Tanszék Semmelweis Egyetem Budapest Email: kerfro@pharma.sote.hu

Nanomedicina NIH meghatározása Nanotechnológiai alkalmazása a biológiai rendszerek kezelésére, diagnosztizálására, követésére és ellenőrzésére

Nanorészecskék nagysága

Molekula nagyság és komplexitás Nick C. Parexel Kerpel-Fronius S. 4

Hatóanyag sorsa a szervezetben (LADME) Antal I engedélyével, Budapest Változó paraméter Folyamat Kutatási terület Kioldódó mennyiség In vitro dissolució % In vivo ???? Liberáció Biofarmácia Abszorpció Felszívódó mennyiség Koncentráció a szervezetben Disztribució Metabolizmus Elimináció Farmako- kinetika Biológiai válasz Farmako-dinámia

Nanokarrierek nagyság megoszlása Szebeni J nyomán 1 nm=10−9 m; C-C kötés távolsága: 0,12-0,15 nm; albumin: 4 nm; rhynovirus: 40 nm; baktérium ~ 200nm

Gyógyszer felszívódás különbözô adagolási helyekrôl Bôr tapasz Spray Sublingualis tabletta i.m. s.c Per os Szisztémás keringés i.v. (Bh=100%) Cél molekulák szövetekben i.v. Végbél alsó 1/3 Nem felszívódott anyag + metabolizmus Metabolizmus Kiválasztás Sejtmembránánokon keresztüli felszívódás és metabolizmus csökkentik a biológiai hasznosíthatóságot (Bh<100%) KERPEL-FRONIUS S. 7

Nanotechnológia és gyógyszer bevitel Andrade et al Nanotechnológia és gyógyszer bevitel Andrade et al. Nanomedicine 6:123-141, 2011. Nanorészecskék Inorganikus részecskék Szolid lipid részecskék Polimér részecskék Nanoszférák, nanokapszulák , gyógyszer tároló részecskék Nanokristályok Lényegesen kisebb kristály szerkezet, megnőtt felszín/térfogat arány, nagyobb biológiai hasznosíthatóság Polimér gyógyszerek (Pár nm átmérő) Polimér gyógyszerek Polimér gyógyszer konjugátumok Polimér micellák Dendrimérek Liposzomák Amfifil lipid hártya, kivül hidrofób, belül hidrofil 8

Nanorészecskék szöveti penetrációja Andrade et al Nanorészecskék szöveti penetrációja Andrade et al. Nanomedicine 6:123-141, 2011 A nanorészecskék kicsiny mérete megváltozott szöveti eloszláshoz, felhalmozódáshoz vezet, illetve következményesen toxicitást okozhatnak 20-50 nm nagyságú részecskék bejuthatnak a sejtekbe, központi idegrendszerbe <70 nm nagyságú részecskék beléphetnek a tüdő interstitiumába, majd innen a nyirokrendszerbe, véráramba, csontvelőbe és más szervekbe jutnak és halmozódhatnak. Makrofágok nem ismerik fel és nem fagocitáljál a 70 nm-nél kisebb átmérővel rendelkező részecskéket

Részecskék megoszlása nagyság szerinti megoszlása a légzőrendszerben Andrade et al. Nanomedicine 6:123-141, 2011 5 µm 100 nm -1 µm 1-100 nm 1- 5 µm

Gyógyszer adagolás a tüdőn keresztül Andrade et al Gyógyszer adagolás a tüdőn keresztül Andrade et al. Nanomedicine 6:123-141, 2011 Alveolaris hám vékony: 0,1-0,5 µm; 75-150 m2 felület Intra- és extracelluláris enzim tartalom, gyógyszer efflux sejtekből kisebb mérvű mint a bélben Nem-invazív, gyors gyógyszer hatás megjelenést biztosító adagolási út, mely a first-pass eliminációt elkerüli 10-200 szoros biológiai hasznosíthatóság más nem-invazív eljárásokkal összehasonlítva Nagy felszín, a felületet borító kevés folyadékban nagy gyógyszer koncentráció érhető el Fehérje klirensz a tüdőből: mukocilliáris hatás, makrofág fagocitózis, valamint kisebb molekulasúlyú fehérjék intercelluláris transzportja a nyirok rendszer felé Nagy molekula súlyú fehérjék transzcelluláris transzportja a nagy affinitású peptid transzporterekkel

Tüdőbe adott dózis változásai leadott dózistól az abszorpcióig Andrade et al. Nanomedicine 6:123-141, 2011 Abszor- beálódott dózis Leadott dózis Dózis az adagolóban Lerakódott dózis Gyógyszer adagolást befolyásoló tényezők : légzőrendszer geometriája, humiditása, légzési kapacitás, inhalációs technika, stb Nanorészecskék, micellák ígéretes gyógyszer szállítók, de hosszú lerakódás miatt toxikusak lehetnek

Nanorészecskék engedélyezése Bosetti R and Vereeck L: Nanomedicine, 6:747-755, 2011 A nanorészecskék engedélyezési eljárása bizonytalan mivel különböző anyagokból épülnek fel, sajátságos felszíni tulajdonságokkal és fokozott reakciókészséggel rendelkeznek Engedélyezésük három engedélyezési területet érint Gyógyszer engedélyezés Gyógyászati segédeszköz engedélyezés Biológiai anyagok engedélyezése Egy egységes, nanomedicina specifikus engedélyezési eljárás kidolgozása indokolt Követő nanomedicina termékek esetén a bioegyenlőség mellett a hatás összevetése is indokolt, mivel a nanoszerkezet jelentősen meghatározza a biológiai komponens hatásait

Forgalombahozatali dokumentáció A követelmények kémiai és biológiai gyógyszerek esetén azonosak

Azonos vérszint Hasonló klinikai hatás Hasonló hatóanyag Biológiai hasznosíthatóság korlátozott jelentősége a hasonló gyógyszerek helyettesítési gyakorlatában Azonos vérszint Hasonló klinikai hatás Hasonló hatóanyag Biológiai hasznosíthatóság (bioavailability) alatt értjük azon gyógyszermennyiséget, mely a szisztémás keringésbe kerül bármely adagolási út nyomán A biológiai hasznosíthatóság hasonlóságából nem következik a farmakológiai és immunológiai hasonlóság, melyet összehasonlító klinikai vizsgálatokban kell igazolni AUC1/AUC2=1 (0,80-1,25)

A daganatok “Gompertz” növekedési görbéje A daganatnövekedés korai fázisaiban a növekedés exponenciális A klinikai diagnózis idején a növekedés már lassú, az osztódó kompartment kicsi, a G0 frakció pedig nagy A kemoterápia eredményeit érzékenyebb diagnosztikai eljárások javíhatják azáltal, hogy a daganatokat már a gyors növekedési fázisban kimutatják A sebészeti és/vagy radiológiai eljárások csökkentik a daganat nagyságát, a regeneráció során sok sejt lép az osztódási ciklusba sejtszám Klinikai észlelés határa idő Kerpel-Fronius S. 16

Citotoxikus gyógyszer koncentráció alakulása szolid tumorokban A tumorok kapilláris ágya újonnan képződött kapillárisok rosszul organizált hálózatából áll. Az oxigén és a tápanyagok a messzebb fekvő sejtekhez csak számos sejtrétegen keresztül jutnak el. Következésképpen a távolabbi sejtek elpusztulnak A citotoxikus vegyületek koncentráci-hatás görbéje meredek. A távolabbi sejtek környezetében nem alakul ki effektív citotoxikus gyógyszer koncentráció Nagy dózisú kemoterápiával még a távolabbi sejtek is eredményesen kezelhetők

Normál és tumor kapillárisok McDonald DM et al. Nat Med. 2003;9:713-725 A tumorokban található kapillárisok fenesztráltak, a kapilláris ágy hierarhikus, funkcionális szerkezete nem alkalmazkodik optimálisan a tumorsejtek vérellátási szükségletéhez

Szolid tumorok kezelése nanorészecskék segítségével Jain RK és Stylianopoulos T, Nat. Rev. Clin. Oncol. 7:653-664, 2010 A rendezetlen, könnyen átjárható kapilláris hálózat, valamint a limfatikus elvezető rendszer hiánya nagy intersticiális nyomás fokozódáshoz vezet a tumorokban, mely gátolja a gyógyszerek penetrációját Az extracelluláris matrix összetetétele, denzitása tovább rontja a gyógyszerek diffúzióját (Különböző töltéssel rendelkező nanorészecskék fejlesztése, extracellulásris barrier feloldása, fellazítása)) Nanorészecskék a tumorokban fokozott gyógyszer penetrációhoz és retencióhoz vezethetnek, azonban tumor fajták szerint eltérő az erek fenesztráltsága Tumor sejt vagy tumor asszociált endothel kötődés előmozdítása (MAt), pH dependens gyógyszer leadás

Tumor intersticiális pH és pO2 változása a kapilláris távolság függvényében Helmlinger et al. Nat. Med. 3:177-182, 1997 Kritikus távolság

Bevacizumab kezelés tartama Vosseler S et al. Cancer Res 6 hetes kezelés 3 héttel a bevacizumab kezelés befejezése után Kezelés előtt A túlzott , rendezetlen kapilláris hálózat csökkentése anti-VEGF terápiával fontos bevezető lépés a kemoterápia előtt A bevacizumab kezelést folyamatosan, a progresszió kialakulásig fenn kell tartani

Polietilénglikol liposzomális doxorubicin Coukel et al Polietilénglikol liposzomális doxorubicin Coukel et al.: Drugs, 53:520, 1997 Lipid membrán + kapcsolt polietilénglikol (PEG) PEG csökkenti a RES-be történő liposzoma felvételt Preferenciális felvétel elsődlegesen a fenesztrált kapilláris hálózattal rendelkező tumorokba Kevés felvétel a szívizomba Toxicitás Jelentősen emelkedett kardiális toxicitást okozó kumulatív DX szint ~ 900 mg/m2 Kéz és láb szindróma Hematológiai toxicitás Infuziós reakció: kipirulás, hidegrázás, hátfájás, hipotenzió, légzési nehézség Caelyx® Polietilénglikol boritás DX oldat a liposzoma belső terében Liposzoma membrán KERPEL-FRONIUS S. 22

Polietilénglikol liposzomális doxorubicin Caelix Documentation Farmakokinetika: 50 mg/m2 Caelyx Eloszlás 4-5 h (DX: 0.07-0.17h), Terminális t1/2: 45-50 h (Hosszú gyógyszer hatás tartam) (DX: 8.7 h) Vs: 4.1L ( limitált az intravaszkuláris térre (DX: 250 L) KERPEL-FRONIUS S. 23

A csontvelő regenerációjára ható citokinek GM-CSF G-CSF CFU- G Neu CFU- GM M-CSF CFU- M Mo SCF CFU- Eo Eo Klonális expanzió CFU- GEMM Ős- sejt Ba TPO EPO SCF: stem cell factor TPO: thrombopoietin GCF: colony stimulating factor CFU: colony forming unit BFU- E CFU- E Vvs TPO; IL-11 CFU- MEG Thr Kerpel-Fronius S. 24

Pegilálás klinikai farmakológiai jelentősége Vízoldékonyság fokozódása PEG hidrofilitása következtében Molekula nagyság következtében csökken a vese kiválasztás Csökken a hozzáférés lehetősége proteolitikus enzimek és antitestek számára Renális és celluláris klirensz csökkentésre heti adagolás mellett 40-60 kDA molekuláris tömegű PEG a legalkalmasabb Legjobb ha a PEG egy helyen és nem több helyen kötődik a fehérje molekulához Polietilén glikol (PEG) Fehérje PEG

Pegilálatlan és pegilált fehérje

Másodnaponkénti adagolás IFN-α 2a és PEG-IFN-α 2a farmakokinetikai jellegzetességei Hayerris JM and Chess RB. Nat Rev DrugDiscov, 2:214, 2003 A pegilálás által meghosszabbított felezési idő tartós terápiás plazma- szintet biztosít PEG40(kDA) IFN-α 2a Hetenkénti adagolás

A gyógyszeradagolás időzítése Tumor- nagyság Abszolút neutrophil szám CT 100% 4 G(M)-CSF x109 /μl 2 50% 1 0,5 Agranulocytosis miatt szepszisveszély 3 6 hét A granulocita-(makrofág) kolónia-stimuláló faktorok fokozzák a granulociták regenerációját, csökkentik a 0.5 X 109 /μl alatti granulocitaszám idejét, megelőzik a fertőzéseket és a szepszist A következő KT ciklust a tervezett időben vagy korábban lehet kezdeni Magasabb KT dózisok alkalmazhatóak Kerpel-Fronius S. 28

Összehasonlító farmakokinetikai és farmakodinámiás vizsgálat terve Filgrastim Ratiopharm. EPAR. EMEA/H/C/824 Biológiai hasznosíthatóság, farmakodinámiás hatások Ratiograstim Ratiograstim R Neupogen Neupogen 5 és 10 μg/kg i.v., illetve s.c. Kimosási periódus 2 hét 56 egészséges férfi önkéntes

Ratiograstim vs Neupogen Összehasonlító biológiai hasznosíthatósági és farmakodinámiás vizsgálatok egészséges önkéntesekben E Filgrastim Ratiopharm. EPAR. EMEA/H/C/824 5 μg/kg, s.c. 5 μg/kg, s.c. ng/ml Idő (h) Ratiograstim vs Neupogen ANC^109/l 5 μg/kg, s.c. Idő (h)

Pegfilgrastim (Neulasta®) hatása a granulocita számra EMA: EPAR 2004 6 mg sc Doxorubicin+docetaxel therapy Pegfilgrastim: Granulocita kolónia stimuláló faktor hoz (r-met-HuG-CSF, filgrastim) kovalens kötéssel kapcsolt singuláris 20 kDa PEG. Filgrastim termelés rekombináns DNS technológia használatával E. coli –ban

Pegfilgrastim farmakokinetikai tulajdonságai EMA: EPAR 2004 A klirensz nem lineáris a dózissal. Emelkedő dózisok adásakor szaturálódik a neutrofil granulocita és neutrofil prekurzor sejteken található receptorokhoz történő kötődés, a következményes intracelluláris felvétel és lebontás Kiválasztás a vesén keresztül nem jelentős, szemben a nem pegilált filgrastimmal Felezési idő: Pegfilgrastim 46-62 óra Filgrastim 3,5 óra, jelentős kiválasztás vesén keresztül Direkt összefüggés észlelhető a pegfilgrastim és szérum koncentráció, ANC csúcs szint, az ANC csúcs szint eléréséhez szükséges idő, illetve az ANC emelkedés hossza között.

Erythropoetin szerkezete KERPEL-FRONIUS S. 33

Erythropoesist stimuláló EPO származékok Egrie JC és Browne JK, Nephrol Dial Transplant, 16 (Suppl 3) 3-13, 2001 N-kapcsolt gyökök O-kapcsolt gyökök Biológiai aktivitás T 1/2 Receptor kötődés Mikro heterogenitás, izoformák: sziálsav gyök: 9-14 ~ 30,4 kDa, ~40% szh + rHuEPO 3-N kapcsolt szénhidrát lánc Sziálsav gyök: 18 33,8 kDa, ~46%szh 4-N kapcsolt szénhidrát lánc Sziálsav gyök: 22 37,1 kDa, ~51% szh + + Darbepoietin 5-N kapcsolt szénhidrát lánc

MIRCERA EMA: EPAR 2007 Metoxi polietilénglikol-epoetin beta Kémiai kötés PEG 60 kDa és 165 aminosavat tartalmazó rekombináns DNS technológiával előállított epoietin béta között S.c. adagolás után tmax: 42-120 óra T1/2: 102-216 óra Nem-lineáris farmakokinetika, dózis emeléssel az AUC a dózis arányosnál nagyobb értéket mutat

Mircera EMA: EPAR 2007 A = 3,2 µg/kg mircera i.v.; B = placebo; N= 39 egészséges önkéntes

EPO származékok adagolása 2-4 hetente, 1 alkalommal 1-2 hetente, 1 alkalommal 1-3 alkalommal hetente 1-3 alkalommal hetente 1-3 alkalommal hetente A felezési idők jelentős szórást mutatnak az irodalomban *CERA: continuous erythropoietin receptor activator (Mircera®)

Immunogenitás klinikai farmakológiai következményei Biológiai gyógyszer (fehérje) Antitest termelés Nincs hatás Farmakokinetikai eltérések A bioekvivalencia vizsgálatok kérdésesek Natív fehérjék közömbösítése Funkcionális károsodás Neutralizáló antitestek Klinikai hatás- csökkenés

Neutralizáló antitestek által kiváltott thrombocytopenia Chun JL et al Neutralizáló antitestek által kiváltott thrombocytopenia Chun JL et al. Blood, 98:3241-3248. 2001 PEG-rHuMGDF kezelés TPO ellenes antitest koncentráció Thrombocytaszám Pegilált-rekombináns-humán-megakaryocyta-growth and development factor