estratto della tesi

Simulazione del rilascio di farmaci e dello scambio di materia nel tratto gastrointestinale
Simulazione del rilascio di farmaci
e dello scambio di materia
nel tratto gastrointestinale
Ɣ RIF
D10 mL min
A10 mL min
D20 mL min
A20 mL min
Margherita Iannaccone
Margherita Iannaccone
UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI SALERNO
Facoltà di Ingegneria
Corso di Laurea in Ingegneria Chimica
Simulazione del rilascio di farmaci
e dello scambio di materia
nel tratto gastrointestinale
Tesi in
Principi di Ingegneria Chimica
Relatori:
Candidato:
Prof. Ing. Giuseppe Titomanlio
Margherita Iannaccone
Prof. Ing. Gaetano Lamberti
matricola 0622200045
Correlatore:
Ing. Sara Cascone
Anno Accademico 2012/2013
“Il silenzio del rumore
delle valvole a pressione
I cilindri del calore
serbatoi di produzione
Anche il tuo spazio è su misura
Non hai forza per tentare
di cambiare il tuo avvenire
per paura di scoprire
libertà che non vuoi avere
Ti sei mai chiesto quale funzione hai?
…quale funzione hai ti sei mai chiesto
per paura di scoprire libertà…”
Franco Battiato, “Il silenzio del rumore”
Pollution (1972)
Questo testo è stato stampato in proprio, in Times New Roman
La data prevista per la discussione della tesi è il 13/06/2013
Fisciano, 07/06/13
Sommario
Sommario ............................................................................. I
Indice delle figure ............................................................. III
Indice delle tabelle ........................................................... VII
Abstract ............................................................................. IX
Introduzione ......................................................................... 1
1.1 Anatomia del tratto gastrointestinale __________________ 2
1.2 Dissoluzione ed assorbimento _______________________ 5
1.3 Stato dell’arte ____________________________________ 7
1.3.1 Apparati USP
7
1.3.2 Apparati non USP
11
1.4 Obiettivi _______________________________________ 18
Materiali e metodi ............................................................. 19
2.1 Materiali _______________________________________ 20
2.1.1 Principi attivi e il polimero
20
2.1.2 Mezzi di dissoluzione
22
2.1.3 Membrana
22
2.1.4 Apparecchiature
23
2.2 Metodi _________________________________________ 24
2.2.1 Preparazione delle compresse
24
2.2.2 Metodi di dissoluzione
24
[I]
Pag. II
Rilascio e scambio di materia di farmaci
M. Iannaccone
2.2.3 Descrizione dell’apparato simulante il tratto gastrointestinale
24
2.3.4 Metodi analitici
26
Modellazione matematica ................................................ 31
Risultati e discussione ....................................................... 35
4.1 Sistema farmaceutico teofillina 25% HPMC 75% _______ 39
4.2 Sistema farmaceutico diclofenac DOC 100 mg _________ 43
4.3 Sistema farmaceutico Voltaren ® 50 mg ______________ 45
4.4 Modellazione dello scambio di materia _______________ 46
4.4.1 Modello matematico risolto per il sistema farmaceutico con teofillina47
4.4.2 Modello matematico risolto per il sistema farmaceutico Diclofenac DOC
100 mg
50
4.4.2 Modello matematico risolto per il sistema farmaceutico Voltaren ® 50 mg
52
Conclusioni ........................................................................ 55
5.1 Conclusioni_____________________________________ 56
Pubblicazioni ..................................................................... 59
Bibliografia ........................................................................ 65
Sommario e indici.
Pag. III
Indice delle figure
Figura 1. Le parti costitutive dello stomaco ............................................................... 2
Figura 2. Fisiologia del tratto gastrointestinale .......................................................... 4
Figura 3. Apparato USP 1 .......................................................................................... 8
Figura 4. Apparato USP 2 .......................................................................................... 9
Figura 5. Apparato USP 3 .......................................................................................... 9
Figura 6. Apparato USP 4 ........................................................................................ 10
Figura 7. Apparati USP 5 e 6.................................................................................... 11
Figura 8. Apparato USP 7 ........................................................................................ 11
Figura 9. Schematizzazione del modello di assorbimento Sartorius ........................ 12
Figura 10. Modello di dissoluzione di Sartorius. a) siringa di plastica, b) timer,
c) lucchetto di sicurezza, d) connettore cavo, e) tubi di silicone, f) Anelli di
silicone, g) filtro di metallo, h) reattore. ................................................................... 13
Figura 11. profilo pH durante digestione in vitro del latte. n = numero di
esperimenti. A) 143 mM HCl, 1.5 mL/min, agitazione costante; B) 143 mM
HCl, 2.0 mL/min,agitazione costante; C) 143 mM HCl, 2.0 mL/min, stirring
irregolare;D) 286 mM HCl, 3.0 mL/min, stirring regolare [7]. ................................ 14
Figura 12. Modello in vitro sviluppato da Minekus et al. a) compartimento
gastrico; b) compartimento duodenale; c) compartimneto digiuno; d)
compartimento ileo; e) unità base; f) camicia di vetro; g) parete flessibile; h)
pompa rotatoria; i) bagno d’acqua; j) pompa-valvola peristaltica; k) pompa
peristaltica; l, m) elettrodi pH; n, o) pompe a siringa; p) dispositivo a fibre cave
[8]. ............................................................................................................................ 15
Figura 13. Simulazione delle onde peristaltiche nel modello Minekus. 1) unità 2,
3) camera di pressione; 4) pezzo intermedio; 5) parete flessibile; 6) spazio tra la
parete rigida e flessibile 8, 9, 10, 11) connettori. ..................................................... 16
Figura 14. Vista della parete artificiale di Rozga and Demetriou............................. 17
Figura 15. Vista frontale del vessel con barra di agitazione e ballottini di vetro
quando non è applicata l’agitazione. ........................................................................ 18
Figura 16. Struttura della teofillina........................................................................... 20
Pag. IV
Rilascio e scambio di materia di farmaci
M. Iannaccone
Figura 17. Struttura del Diclofenac........................................................................... 21
Figura 18. Struttura chimica dell'HPMC .................................................................. 22
Figura 19. Dissolutore Sotax AT7 SMART ............................................................. 23
Figura 20. Schema del sistema simulante lo scambio di materia: A =
compartimento acceptor, D = compartimento donor, F = Filtro .............................. 25
Figura 21. Tipico cromatogramma della teofillina ................................................... 27
Figura 22. Relazione tra il valore dell’area sottesa al segnale HPLC e la
concentrazione di teofillina a pH 1 ........................................................................... 28
Figura 23. Relazione tra i valore dell'area sottesa al segnale HPLC e la
concentrazione di teofillina a pH 6.8 ........................................................................ 29
Figura 24. Relazione tra i valore dell'area sottesa al segnale HPLC e la
concentrazione di teofillina in acqua ........................................................................ 29
Figura 25. Relazione tra i valore dell'area sottesa al segnale HPLC e la
concentrazione di diclofenac a pH 6.8 ...................................................................... 30
Figura 26. Relazione tra i valore dell'area sottesa al segnale HPLC e la
concentrazione di diclofenac in acqua ...................................................................... 30
Figura 27. Schema del modello compartimentale ..................................................... 32
Figura 28. Schema del filtro a fibre cave con le relative direzioni di flusso ............. 36
Figura 29. Profilo di rilascio qualitativo di una forma farmaceutica nel sistema
simulante il tratto gastrointestinale ........................................................................... 37
Figura 30. Profili di rilascio delle prove sperimentali 3_T_DL_C_10_1 e
2_T_DL_C_20_1 ...................................................................................................... 40
Figura 31. Profili di rilascio delle prove sperimentali 4_T_DL_E_10_1 e
5_T_DL_E_20_1 ...................................................................................................... 41
Figura 32. Profili di rilascio delle prove sperimentali 3_T_DL_C_10_1 e
4_T_DL_E_10_1 ...................................................................................................... 42
Figura 33. Profili di rilascio delle prove sperimentali 2_T_DL_C_20_1 e
5_T_DL_E_20_1 ...................................................................................................... 43
Figura 34. Profilo di rilascio delle prove sperimentali 7_D_DL_E_20_2 e
8_D_DL_C_20_2 ..................................................................................................... 44
Figura 35. Profili di rilascio delle prove sperimentali 9_V_DL_E_10_2 e
10_V_DL_E_20_2.................................................................................................... 45
Figura 36. Evoluzione della concentrazione di teofillina nei compartmenti donor
and acceptor variando la portata. Donor: quadrati pieni; Acceptor: cerchi vuoti;
Massa intrappolata nella membrana: triangoli pieni. Le linee rappresentano le
simulazioni di modello (continua = donor, tratteggiata = acceptor, a punti =
massa nella membrana)............................................................................................. 47
Sommario e indici.
Pag. V
Figura 37. Relazione lineare che intercorre tra i parametri ottimizzati al variare
della portata volumetrica del compartimento accettore nel sistema farmaceutico
teofillina al 25% e HPMC 75% ................................................................................ 48
Figura 38. Le linee rappresentano il modello matematico risolto per il sistema
farmaceutico teofillina e HPMC; i punti scatter rappresentano l'evoluzione delle
masse nella prova sperimentale 4_T_DL_E_10 ....................................................... 49
Figura 39. Evoluzione della concentrazione di diclofenac nei compartmenti
donor and acceptor variando la portata. Donor: quadrati pieni; Acceptor: cerchi
vuoti; Massa intrappolata nella membrana: triangoli pieni. Le linee
rappresentano le simulazioni di modello (continua = donor, tratteggiata =
acceptor, a punti = massa nella membrana) .............................................................. 50
Figura 40. Relazione lineare che intercorre tra i parametri ottimizzati al variare
della portata volumetrica nel sistema farmaceutico Diclofenac DOC 100 mg ......... 51
Figura 41. Le linee rappresentano il modello matematico risolto per il sistema
farmaceutico Diclofenac DOC 100 mg; i punti scatter rappresentano
l'evoluzione delle masse nella prova sperimentale 8_D_DL_C_20 ......................... 52
Figura 42. Le linee rappresentano il modello matematico risolto per il sistema
farmaceutico Voltaren ® 50 mg; i punti scatter rappresentano l'evoluzione delle
masse nella prova sperimentale 10_V_DL_E_20 ..................................................... 53
Pag. VI
Rilascio e scambio di materia di farmaci
M. Iannaccone
Sommario e indici.
Pag. VII
Indice delle tabelle
Tabella 1. Fattori che influenzano la biodisponibilità ................................................ 6
Tabella 2. Dati chimici, fisici e farmacocinetici della teofillina ............................... 20
Tabella 3. Dati chimici, fisici e farmacocinetici del diclofenac sodium ................... 21
Tabella 4. Caratteristiche tecniche del filtro a fibre cave ......................................... 23
Tabella 5. Metodo HPLC per rilevare la teofillina ................................................... 26
Tabella 6. Metodo HPLC per rilevare il diclofenac.................................................. 27
Tabella 7. Parametri ottimizzati del modello matematico risolto per il sistema
farmaceutico con teofillina ....................................................................................... 48
Tabella 8. Parametri ottimizzati del modello matematico risolto per il sistema
farmaceutico con diclofenac DOC 100 mg .............................................................. 51
Pag. VIII
Rilascio e scambio di materia di farmaci
M. Iannaccone
Abstract
In this work a device simulating the release of drugs within the
gastrointestinal tract and the exchange of matter from pharmaceutical
formulations through the intestinal wall has been designed and
realized.
Three pharmaceutical system of increasing complexity were studied: a
controlled release system composed by theophylline 25% and HPMC
75%, a pharmaceutical gastro-resistant system Diclofenac DOC 100
mg and the immediate release gastro-resistant tablets Voltaren ® 50
mg with diclofenac as active principle.
Conventionally the controlled release from pharmaceutical matrices is
tested using an USP II apparatus in which during the first two hours
the pharmaceutical formulation is placed in a solution at pH 1,
physiological pH within the stomach. After the two hours, the solution
is neutralized to the pH value of 6.8, the physiological pH of the
intestine.
The experimental tests using the device have been structuring in two
steps. In the first two-hour step, an USP II apparatus containing a pH
1 solution simulates the controlled release of drug from the
pharmaceutical system in the human stomach. After the two hours, the
average residence time within the stomach, the hollow fiber filter
simulating the mass exchange through the intestinal wall from the
intestine content to the circulatory system is activated and the pH of
the dissolution medium is increased rapidly to 6.8. From the donor
compartment, simulating the intestinal lumen, rich in active principle,
the fluid passes through the hollow fiber membrane of the filter into
the acceptor compartment simulating blood vessels. Thus the acceptor
compartment enriches of drug during the experiment.
The experimental tests were conducted by varying an operating
parameter at time to assess the effect on the mass exchange. The
[IX]
Pag. X
Rilascio e scambio di materia di farmaci
M. Iannaccone
results show that for both the pharmaceutical systems with
theophylline and diclofenac, the configuration of the mass exchange,
co-current or counter-current, does not affect the exchange itself.
Instead the volumetric flow rate of fluids affects the mass exchange.
In particular increasing the volumetric flow rate, the mass exchange is
faster. The same result has been obtained for both the pharmaceutical
systems with theophylline and HPMC that for the pharmaceutical
system Voltaren ® 50 mg.
Finally, it has been developed a mathematical model to predict the
controlled release throughout the gastrointestinal tract for the overall
duration of the experimental tests. The mathematical model consists of
the mass balance equations that describe the physical phenomena
involved. The parameters in the mathematical model are obtained by
fitting the experimental data obtained from exchange tests
characterized by fixed concentrations of drug within the compartment
donor, for both drugs. Once calculated the parameters needed for the
model, its validity was tested using experimental tests examined. The
mathematical model developed predicts accurately the evolution of the
masses for both the pharmaceutical systems with theophylline and
diclofenac. Regarding the pharmaceutical system Voltaren ® 50 mg,
the model does not predict accurately the experimental tests probably
because other aspects have to be taken into account: the presence of
excipients could affect the exchange parameters.
The future goal will be to optimize the mathematical model so that it
can predict also more complex controlled release pharmaceutical
forms. Besides in the thesis has not been taken into account that in real
physiology, some drugs is subtracted from the circulatory system to be
metabolized and cleared by the liver. Thus it should be considered a
subtractive term from acceptor compartment. The full aim of the
research being to find valid correlations between in vitro and in silico
models to limit the amount of in vivo experiments.
Appendice
Pubblicazioni
[59]
Pag. 60
Rilascio e scambio di materia di farmaci
M. Iannaccone
Appendice.
Pag. 61
Pag. 62
Rilascio e scambio di materia di farmaci
M. Iannaccone
Appendice.
Pag. 63
Pag. 64
Rilascio e scambio di materia di farmaci
M. Iannaccone
Bibliografia
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pharmaceutics, 2008. 364(2): p. 213-226.
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S. Cascone, In vitro and in silico models in pharmacokinetic studies, Tesi
di dottorato, 2013
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Multicompartmental Dynamic Computer - controlled Model Simulating the
Stomach and Small Intestine. Alternatives to Laboratory Animals, 1995.
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M. Minekus, P.M., R. Havenaar and J. H. J. Huis in't Veld, A
Multicompartmental Dynamic Computer - controlled Model Simulating the
Stomach and Small Intestine. Alternatives to Laboratory Animals, 1995.
23: p. 197 - 209.
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11.
BOGATAJ, M., G. COF, and A. MRHAR, PERISTALTIC MOVEMENT
SIMULATING STIRRING DEVICE FOR DISSOLUTION TESTING. 2010,
WO Patent WO/2010/014,046.
[65]
Pag. 66
Rilascio e scambio di materia di farmaci
M. Iannaccone
“Chi è incapace di vivere in società,
o chi non ne ha bisogno perché basta a sé stesso,
deve essere una bestia o un dio”
-AristoteleLa ricerca di un rapporto, è la ricerca di noi stessi e di ciò che non
siamo, ma vorremmo, nell’altra persona. L’esigenza di ritrovarsi nella
persona vicina si delinea dal desiderio di condivisione con l’altro. La
condivisione diventa elemento indispensabile in quanto l’uomo è un
animale intrinsecamente sociale e la cui visione della vita è
tendenzialmente pessimistica. Ci si ammala di solitudine e la cura è il
rifugio nella persona vicina a noi psicologicamente, ma al contempo
lontana da noi. Nell’altra persona ambiamo a qualcosa che non è
presente in noi stessi; è come l’invidia di questa o quella qualità che
non ci appartiene. È però una invidia costruttiva, che induce al
continuo auto-perfezionamento e crescita personale, mira dell’uomo
dotato di raziocinio.
Mi sono sempre circondata di persone che mi facessero bene nella
misura in cui ho appena raccontato. Ringrazio, quindi, qui di seguito,
senza un ordine particolare e senza specificare il motivo, perché non
necessario, quelle persone che con più o meno difficoltà, hanno fatto
parte più o meno corposamente del mio percorso e hanno riempito
soprattutto l’esperienza universitaria che sto per lasciare.
Mario
Angela
Salvatore
Margherita
Francesca
Aniello
Enrica
Sara
Elena
Felice
Antonio
Clara
Gaetano
Martina
Antonio
Mirko
Laura
Alessandra
Valentina
Pietro
Pierfrancesco
Piera
Carmen
Giovanni
Carmine
“Respira, respira nell'aria
Non aver paura di preoccuparti
Parti, ma non lasciarmi
Guarda intorno, scegli il tuo terreno
Per quanto vivi e in alto voli
E i sorrisi che donerai e le lacrime che verserai
E tutto ciò che tocchi e tutto ciò che vedi
È tutto ciò che la tua vita mai sarà
Corri, coniglio corri
Scava quella buca, dimentica il sole
E quando alla fine il lavoro è concluso
Non sederti, è il momento di scavarne
un'altra
Per quanto tu viva e in alto voli
Ma solo se cavalchi la marea
E in equilibrio sull'onda più grande
Corri verso un precoce sepolcro”
Pink Floyd, “Breathe”-The Dark Side of the Moon (1973)