Поиск эффективных решений проблем, связанных с высокой молекулярной массой, гидрофильностью и нестабильностью крупных биомолекул, по-прежнему продолжается.
Пероральные лекарственные формы (ЛФ) являются наиболее популярными формами препаратов, как среди пациентов, так и среди производителей. Пациенты ценят в лекарственной форме простоту и удобство ее применения, что в итоге повышает их приверженность лечению. Для производителей же ценность состоит в том, что по сравнению с другими лекарственными формами пероральные требуют меньших затрат на производство и обладают наибольшим спектром оптимизации доставки действующего вещества.
Однако среди биологических препаратов пероральные формы существуют лишь для нескольких молекул относительно небольшого размера, включая такие пептидные препараты для системной терапии, как десмопрессин и циклоспорин, а также ряд других препаратов для местного применения. Предпринималось немало попыток разработать пероральные формы инсулина и других противодиабетических препаратов, однако ни одна из них не была запущена в промышленное производство. Например, в октябре 2016 года свою разработку пероральной формы инсулина прекратила компания Ново Нордиск.
Главными преградами на пути такой разработки являются физико-химические свойства крупных биомолекул, а также физиологические особенности желудочно-кишечного тракта (ЖКТ). Преодолеть эти преграды весьма непростая задача. Поэтому в ходе разработки пероральных форм биопрепаратов ученые изучали различные методы решения проблем, включая:
- использование усилителей проницаемости для обеспечения проникновения молекул через плотные межклеточные контакты эпителиальных тканей,
- использование наноносителей, усиливающих активный транспорт и одновременно защищающих биологическую субстанцию от воздействия со стороны ЖКТ,
- создание пролекарств биологических субстанций для усиления пассивного проникновения.
Каждый из этих методов продемонстрировал некоторую эффективность на животных моделях, однако использование их в промышленных масштабах пока не представляется возможным, поскольку требуются дополнительные доработки.
Суть вопроса
Всасывание биологической субстанции в ЖКТ является наиболее проблематичным этапом пероральной доставки. Большинство препаратов, принимаемых перорально, всасываются в тонком кишечнике, обладающим наивысшей проницаемостью по сравнению с толстым кишечником и желудком. При этом на всасывание в ЖКТ влияют такие параметры как площадь поверхности и проницаемость слизистой оболочки конкретного сегмента, pH, наличие еды, желчи, ферментов и бактерий; а также ряд таких структур как Пейеровы бляшки и «млечные сосуды».
Крупный размер и полярная поверхность биомолекул затрудняет их диффузию через эпителиальный слой. Молекулы с молекулярной массой менее 700 Дальтон абсорбируются довольно легко (например, пептидомиметики), однако молекулы с молекулярной массой, превышающей 1000 Дальтон, как правило, не абсорбируются вовсе. Кроме того, к большинству биологических молекул, включая пептиды, не применимо «правило пяти» К. Липинского, на основании которого по физико-химическим свойствам молекулы можно охарактеризовать её потенциальную терапевтическую активность при пероральном приеме. Липофильность лекарственного вещества наиболее сильно коррелирует с его пероральной биодоступностью; так, например, показано, что для всасывания препарата при его пероральном приеме степень липофильности молекулы должна быть минимальной.
Вторым важным недостатком биологических субстанций является их подверженность ферментативному и химическому разложению в ЖКТ. В частности, проблемы доставки лекарственного вещества, связанные с его физико-химическими свойствами, включают проблему гидролитической устойчивости в кислой среде желудка, а также воздействие ферментов кишечника. После всасывания действующего вещества возрастают риски его расщепления, как внутри клеток кишечного эпителия, так и внутри клеток печени (эффект первого прохождения через печень).
Плохая всасываемость и разложение биологических субстанций при пероральном применении являются основными причинами низкой биодоступности. В некоторых случаях эту проблему можно решить путем приема более высоких доз, однако в этом случае возрастают риски потенциальных побочных эффектов, а также повышается стоимость лечения.
В ходе разработки лекарственной формы основная цель состоит в повышении биодоступности действующего вещества, для достижения которой решают различные проблемы, связанные с его физико-химическими свойствами. При этом часто используют усилители проницаемости и ингибиторы ферментов. Один из способов предотвращения химического и ферментативного разложения состоит в заключении вещества в капсулу и/или использование защитных (кишечнорастворимых) оболочек. Существует и другой подход — это модификация структуры биологической субстанции путем ее ковалентного или нековалентного связывания с липофильными веществами.
Также в ходе разработки лекарственных форм следует учитывать стабильность биофармацевтических субстанций. Например, те методы, которые используют при производстве низкомолекулярных препаратов, такие как применение повышенных температур или органических растворителей, могут быть не пригодны для производства биологических препаратов. Одной из проблем при хранении, в особенности для биологических препаратов в форме растворов, считается предотвращение агрегации. В процессе производства такие факторы как температура, рН и, в некоторых случаях, свет могут в значительной мере влиять на структуру белка, что может привести к нарушению баланса между лекарственной формой, условиями технологического процесса и стабильностью биологической субстанции.
Роль функциональных вспомогательных веществ
Все современные подходы имеют общую черту – это использование функциональных вспомогательных веществ, например, усилителей проницаемости. Крупный размер и гидрофильность биологических молекул затрудняют их прохождение через клетки. Усилители проницаемости, как правило, используют для увеличения расстояния между эпителиальными клетками, выстилающими ЖКТ. К широко используемым усилителям проницаемости относятся соли желчных кислот, жирные кислоты, сурфактанты, салицилаты, хелатирующие агенты, хитозаны и токсин из zonula occludens (1). Однако использование этих вспомогательных веществ может привести к нарушению целостности слизистой оболочки и проникновению других веществ, например, других назначенных пациенту препаратов или даже кишечных бактерий и их токсинов.
Другой часто используемой группой вспомогательных веществ являются ингибиторы ферментов, предотвращающие расщепление биологических субстанций ферментами в разных отделах ЖКТ. В эту группу входят натрия гликохолат, бацитрацин и соевый ингибитор трипсина (1).
Модификация структуры
В дополнение к использованию функциональных вспомогательных веществ, широко распространены методы повышения биодоступности биологических субстанций при пероральном приеме путем модификации структуры молекулы и/или биологической системы.
Для изменения структуры биомолекул был разработан ряд технологий, например, использование полимеров, формирование наночастиц и заключение биомолекул в липидные системы. Во большинстве случаев используют все три подхода. Каждая технология имеет свои преимущества и недостатки, и может быть пригодна для одних молекул или случаев применения, и непригодна для других. Особый интерес представляют липидные системы, поскольку они были изучены в большом количестве исследований для низкомолекулярных субстанций и могут как повышать проницаемость биомолекул, так и защищать их от гидролиза и ферментативного расщепления. Примерами липидных систем являются липосомы, архесомы и эмульсии.
Биопрепараты в капсулированной форме, часто идут в виде наночастиц. Заключение действующего вещества в капсулу защищает его от распада, а размер наночастиц обеспечивает его лучшее проникновение через слизистую оболочку желудка. Кроме того, к инкапсулированным белкам могут быть присоединены специальные рецепторы, воздействующие на слизистую оболочку ЖКТ с целью повышения абсорбции. К полимерам, используемым для приготовления таких лекарственных форм с наночастицами, относятся хитозан и хитозановые производные, а также другие полимеры, широко используемые в производстве низкомолекулярных препаратов (1).
К более специфическим решениям относятся «робототехнические» пилюли, например, разрабатываемые компанией «Рани Терапьютикс» (Rani Therapeutics). Биомолекула действующего вещества доставляется через стенку кишечника посредством крошечных игл, в состав которых входит усилитель проницаемости, и которые подталкиваются самонадувающимися шариками, срабатывающими в специфических условиях кишечника.
Также проводились исследования изменения фактической структуры белка путем его конъюгации с липофильными соединениями (жирными кислотами) или олигомерами, такими как полиэтиленгликоль (ПЭГ). Улучшение доставки вещества при пероральном приеме может быть достигнуто и с помощью кристаллизации, однако зачастую эта операция является трудновыполнимой для большинства биопрепаратов (1).
Следует также отметить, что изменение структуры биологических субстанций в рамках любого из этих методов, должно осуществляться с большой осторожностью, поскольку такие структуры являются не только сложными, но и критическими с точки зрения эффективности и безопасности лекарственного препарата.
Биохимическое манипулирование
Помимо изменения структуры биологической субстанции существуют и другие методы, которые сосредоточены на манипулировании распространенными в кишечнике бактериями. Большинство модифицированных бактерий спроектированы для прочного связывания со слизистой оболочкой кишечника. Посредством генной инженерии можно создать такие разновидности этих бактерий, которые будут вырабатывать и секретировать высокие концентрации белковой субстанции непосредственно на слизистой оболочке, предотвращая тем самым её расщепление и обеспечивая хорошее всасывание. Кроме того, такие бактерии могут выполнять доставку биомолекул на протяжении всего их жизненного цикла в кишечнике. Для повышения липофильности молекул и их устойчивости к разложению эту технологию можно объединить с технологией модификации структуры белка.
Некоторыми компаниями, такими как «Эпплайд Молекьюлар Транспорт» (Applied Molecular Transport, AMT), разрабатываются перспективные методы пероральной доставки с использованием слабых иммуногенных белков-переносчиков, ковалентно связанных с биологическими субстанциями для их активного транспорта через эпителий. Платформа компании AMT «Transint» обеспечивает целевую доставку пептидов и белков в клетки ЖКТ или печени с использованием нетоксичной субъединицы токсина «Cholix», который в природе является белком-переносчиком, ответственным за доставку через эпителий кишечника токсического вещества, секретируемого Vibrio cholera. Белок-переносчик, ковалентно связанный с биологической субстанцией, доставляет ее в ЖКТ, в то время как расположенный между ними линкер позволяет выполнить доставку в печень после ферментативного расщепления.
Методы такого типа наилучшим образом подходят для доставки пептидов и белков, однако в условиях желудка и кишечника субстанции все же требуют структурной защиты. Для обеспечения эффективной физико-химической защиты и проницаемости также может подойти и комбинация этой технологии переноса с технологией производства кишечнорастворимых капсул компании «Капсуджель» или использование технологии доставки лекарственного вещества «enTRinsic». Для производства оболочек капсул по этой технологии используют кишечнорастворимый полимер, который позволяет отказаться от нанесения дополнительной кишечнорастворимой оболочки и избежать воздействия высоких температур, возникающих в ходе этого процесса. Такие капсулы также обладают кислото-, водо- и ферментонепроницаемыми свойствами, которые обеспечивают доставку их содержимого к месту всасывания в неизменном виде и одновременно защищают действующее вещество.
В заключение
Поскольку пероральный способ приема по-прежнему остается наиболее популярным, в течение последних десяти лет пероральные формы биологических субстанций, в основном пептидов и белков, оставались заветной мечтой области фармтехнологии, изучающей доставку лекарственных веществ. В добавок за этот период сократились сроки разработки и регистрации таких субстанций, данные свидетельствуют о том, что количество молекул класса «биологические субстанции» растет намного быстрее, чем класса «традиционные низкомолекулярные субстанции». С одной стороны движущим фактором разработки является совершенствование методов лечения, а с другой стороны биопрепараты дают возможность инновационным компаниям диверсифицировать стратегии жизненных циклов их продуктов. Поэтому с уверенностью можно предположить, что в ближайшие годы взаимодействие этих двух направлений будет оставаться захватывающей и активной областью исследований и инвестиций.
Список источников
- Catalent Applied Drug Delivery Institute, Non-invasive Macromolecule Drug Delivery Guide (Somerset, NJ, 2015).
По материалам PharmTech
