Profarmaci polimerici per rilascio sito specifico

   Introduzione 
2 INTRODUZIONE 
 
La somministrazione orale di farmaci è considerata la via ottimale in quanto non richiede 
l’intervento di operatori esterni, ma soltanto la disponibilità del paziente. Non mancano 
tuttavia possibili inconvenienti e barriere fisiologiche da superare
1
. Alcuni farmaci di uso 
comune possono determinare irritazione della mucosa gastrica: è il caso dei salicilati 
(Aspirina®) che, a dosi elevate, possono provocare gastriti erosive ed emorragie 
gastrointestinali, provocando i sintomi dell’ulcera; altri farmaci invece non possono essere 
assunti per via orale in quanto verrebbero inattivati o degradati dagli enzimi del succo 
gastrico e/o dalla forte acidità. 
Per superare questi problemi vengono applicate tecnologie di formulazione avanzata atte a 
migliorare e ottimizzare la somministrazione dei farmaci stessi. 
Particolare interesse sta acquistando la creazione di forme farmaceutiche capaci di rilasciare 
l’agente terapeutico in modo selettivo nel colon
2
. 
Questo si ricerca per farmaci: 
• necessari per il trattamento di patologie locali: malattie specifiche del colon come la 
colite ulcerosa, il morbo di Crohn, il cancro rettale, la sindrome dell’intestino 
irritabile o la stipsi
1
. 
• il cui assorbimento deve essere ritardato per poter curare patologie che manifestano 
attacchi nelle prime ore del mattino come l’asma e l’angina pectoris
3
. 
• instabili (proteine o peptidi) o scarsamente assorbiti nelle porzioni superiori del tratto 
gastrointestinale
3
.  
Il poter direzionare il farmaco direttamente al colon, se qui è richiesta la sua azione,  
comporterebbe riduzione di effetti collaterali e aumento dell’efficacia terapeutica
3
. 
 
2.1 CARATTERISTICHE GENERALI DEL TRATTO GASTRO-INTESTINALE 
 
Il tratto G.I. può essere diviso in più porzioni a seconda di caratteristiche chimico-fisiche e 
funzioni. Inizia con la cavità buccale e procede con l’esofago, lo stomaco, l’intestino tenue 
ed il crasso. Il transito del farmaco nei primi due distretti avviene molto velocemente. Lo 
stomaco si caratterizza prevalentemente per la sua acidità: durante i pasti il pH è 1-2, mentre 
aumenta nella digestione per portarsi a valori compresi fra 3-5 
4
. L’azione digestiva dello 
stomaco è dovuta principalmente al pH e agli enzimi. Il pepsinogeno è un proenzima secreto 
nei succhi gastrici attivato a pepsina dall’acido cloridrico. La mucosa gastrica umana 
 7
   Introduzione 
contiene diversi pepsinogeni che possono essere suddivisi in due gruppi distinti 
immunoistochimicamente:  
• il pepsinogeno І  presente solamente nelle regioni che secernono acido 
• il pepsinogeno ІІ che si trova anche nella regione pilorica. 
Le pepsine idrolizzano i legami fra AA aromatici quali la fenilalanina o la tirosina e un 
secondo AA. La loro azione si svolge ad un pH ottimale di 1.6-3.2 e termina quando il 
contenuto gastrico si mescola nel duodeno e nel digiuno col succo pancreatico alcalino.  
L’intestino tenue o piccolo intestino si estende dal piloro alla valvola ileocecale; è lungo 6-7 
metri e il suo diametro diminuisce verso il colon
2 
. 
Esso è diviso in tre porzioni: duodeno, digiuno, ileo ed è caratterizzato da un pH che va 
crescendo lungo il tragitto da 6 a 7.5 grazie alle secrezioni pancreatiche, al succo intestinale 
e alla bile che sono alcaline
5
.
 
E’ a questo livello che procede la digestione proteica grazie ai 
potenti enzimi proteolitici pancreatici che vengono secreti allo stato di proenzimi e che sono 
attivati da enzimi dell’orletto a spazzola
56
. La tripsina, la chimotripsina e l’elastasi agiscono 
sui legami peptidici non coinvolti negli amminoacidi terminali e per questo sono chiamate 
endopeptidasi.  Le carbossipeptidasi e amminopeptidasi sono invece dette esopeptidasi 
perché idrolizzano gli AA situati all’estremità dei polipeptidi. 
La mucosa intestinale presenta molte pieghe simili a valvole dette per questo valvole 
conniventi. Esse sono ricoperte da villi in numero di 20-40 per mm². Il bordo libero delle 
cellule epiteliali che li rivestono è diviso in tanti microvilli. Valvole conniventi, villi, 
microvilli aumentano di 600 volte la superficie assorbente dell’intestino tenue così che si 
porta ad un valore totale di 2 milioni di cm². L’ampia superficie, l’alto flusso ematico (circa 
1 l/min) e la permeabilità fanno del piccolo intestino il più importante sito d’assorbimento
2
 e 
per questo il target preferito per il rilascio di farmaci che devono entrare nella circolazione 
sistemica. 
Il tratto gastro-intestinale prosegue poi con il colon detto anche largo intestino per il suo 
diametro maggiore di quello del tenue, ma che gradualmente diminuisce verso il retto
2 
. 
E’diviso in più parti: cieco, colon ascendente, trasverso, discendente, colon sigmoideo, retto. 
La mucosa non ha villi, ma grazie alla presenza di pliche semilunari l’area superficiale arriva 
ad essere approssimativamente di 1300 cm² 
6
. A
 
 questo livello si ha un elevato assorbimento 
di sodio mediante trasporto attivo e ciò crea un gradiente osmotico che porta al 
riassorbimento quantitativo di acqua e alla concentrazione del contenuto fecale. 
 8
   Introduzione 
2.2  FLORA COLICA 
 
Il tratto gastro-intestinale è abitato da una notevole varietà di microrganismi i quali 
contribuiscono alla sua fisiologia e partecipano al metabolismo del materiale ingerito
7
. Essi 
costituiscono la flora intestinale che si diversifica lungo il tragitto verso l’ano 
qualitativamente e quantitativamente. 
La parte superiore dell’apparato digerente (stomaco, duodeno e ileo prossimale) contiene un 
numero limitato di batteri
8
 soprattutto di tipo Gram-positivo aerobici (< 10  CFU) 
9,10 
, 
scendendo verso il retto il loro numero va aumentando raggiungendo valori di 10¹¹-10¹² 
CFU/ml 
2
 nel colon che ne è la porzione più ricca
11
. Questo è dovuto ad un aumento del pH 
dall’ileo al colon che si porta a valori di neutralità e ad una minore intensità e frequenza dei 
movimenti peristaltici
2
. 
La crescita della flora è infatti regolata dall’acido gastrico, dall’attivita peristaltica, 
dall’equilibrio tra i diversi microrganismi ed è influenzata dalla somministrazione di 
antibiotici
12
 , varia con l’età ed eventuali stati patologici
13
. 
Nel colon vi sono per lo più batteri anaerobici responsabili della produzione di un’ampia 
varietà di enzimi quali
8
: 
• β – glucuronidasi, β – xilosidasi, α-L- arabinosidasi, β – galattosidasi 
coinvolti in reazioni di idrolisi; 
• nitroreduttasi, azoreduttasi, deaminasi, urea deidrossilasi, 
coinvolti in reazioni di ossido-riduzione
13
. 
Proprio  tale presenza enzimatica è stata sfruttata per la liberazione di agenti terapeutici da 
profarmaci creati in modo da essere loro substrati
2
. 
 
2.3 STRATEGIE PER IL DIREZIONAMENTO COLON-SPECIFICO DI FARMACI 
  
Il trattamento farmacologico delle patologie a carico della mucosa colica può essere ottenuto 
mediante somministrazione rettale o orale. Le più rappresentate forme rettali sono supposte o 
clisteri che permettono la somministrazione in loco del farmaco  tuttavia  non garantiscono il 
raggiungimento della parte prossimale
3
 del colon in quanto le supposte sono efficaci solo a 
livello rettale
14
 mentre i preparati tipo clistere possono offrire una cura a livello del solo 
colon sigmoideo o discendente. Tali forme farmaceutiche sono inoltre caratterizzate da un 
assorbimento che presenta elevata variabilità di distribuzione con conseguente diminuzione 
dell’efficacia d’azione. Questi inconvenienti vengono invece evitati mediante 
somministrazione del farmaco per via orale con aumento anche della compliance del 
 9
   Introduzione 
paziente
15
. Questa via impone però che il farmaco sia opportunamente protetto per garantirne 
il minor assorbimento e la minor degradazione possibile nello stomaco e nel piccolo 
intestino
8
. 
A questo scopo sono pertanto state progettate diverse strategie
16
 di formulazione che 
prevedono l’utilizzo di: 
1. profarmaci 
2. polimeri pH-sensibili 
3. idrogeli e matrici biodegradabili 
4. sistemi multirivestiti con degradazione tempo dipendente 
5. polimeri degradabili da batteri 
6. sistemi basati su variazioni di pressione 
7. complessi con le ciclodestrine 
 
1. Un profarmaco è un derivato farmacologicamente inattivo di un farmaco che necessita di 
trasformazioni chimiche spontanee o enzimatiche in vivo per permettere il rilascio della 
molecola attiva
17
; è ottenuto mediante coniugazione dell’agente terapeutico a molecole a 
basso o alto peso molecolare. 
Esso deve essere sufficientemente idrofilico e voluminoso per minimizzare l’assorbimento 
nello stomaco e nell’intestino tenue, ma diventare più lipofilo nel colon per essere assorbito
8
. 
L’ampia varietà di enzimi prodotti dalla flora intestinale a questo livello ha spinto a creare 
dei profarmaci che potessero essere loro substrati
8
. Particolare interesse negli ultimi anni è 
stato posto sull’attività delle azoreduttasi capaci di catalizzare la riduzione di un legame 
diazo con ripristino di due gruppi amminici primari e delle glicosidasi che catalizzano 
l’idrolisi di legami glicosidici
8
. Un profarmaco specifico per il colon ben conosciuto, 
presentante un legame diazo, è la sulfasalazina che verrà meglio discussa più avanti; altri 
sono stati sviluppati accoppiando per mezzo di un legame β-glicosidico un residuo 
idrofilizzante (glucosio o galattosio) a steroidi come desametazone, prednisolone, 
idrocortisone e fludrocortisone. La presenza dello zucchero rende l’agente terapeutico 
sufficientemente polare da subire assorbimento minimo nell’intestino tenue mentre nel 
colon, ad opera delle glicosidasi batteriche, la frazione polare rilascia lo steroide che può 
quindi esplicare la propria azione
18
. 
  
2. I polimeri pH sensibili sono utilizzati per la creazione di forme farmaceutiche da cui il 
farmaco viene rilasciato ad opera del pH sfruttando il fatto che lungo il tratto G.I. si 
susseguono ambienti con valori di pH diversi. 
 10
   Introduzione 
Questi polimeri devono avere la peculiarità di essere solubili solo in ambiente neutro o alcalino 
per impedire il rilascio del p.a. nello stomaco o nella parte prossimale del piccolo intestino
16
. 
Sono composti di resine metacriliche che contengono gruppi carbossilici e resine esterificate in 
rapporto variabile a seconda del tipo di polimero; vengono usati per rivestire compresse, 
capsule o granulati. Tra essi i più comuni sono stati sviluppati da Lehmann e commercialmente 
sono noti come Eudragit® (Rohn Pharma; Weiterstadt, Germania). 
Uno dei problemi che si presenta nell’uso di questa strategia deriva dalla variabilità di pH del 
tratto G.I. nello stesso individuo e fra individui, essendo influenzato dalla dieta, dalla presenza 
di acidi grassi, biossido di carbonio e prodotti di fermentazione
19
 e da malattie. Nelle fasi di 
infiammazione acuta infatti il pH del colon è molto inferiore rispetto al normale; nella colite 
ulcerosa ad esempio ha valori compresi fra 2-3 e 4-7 misurati nella parte prossimale. Anche il 
normale declino del pH nella porzione ileocecale può dare dei problemi se il transito è troppo 
lento o se è troppo veloce nel colon ascendente perdendo in sito-specificità. 
  
3. Gli idrogeli e le matrici possono essere preparati mescolando il p.a. con polimeri 
biodegradabili e altri additivi
3
. Si ottengono così delle forme farmaceutiche la cui caratteristica 
principale è quella di essere bioerodibili, progettate con grado di reticolazione predefinito in 
modo da avere un rilascio controllato. Studi condotti “in vitro” e “in vivo” hanno dimostrato 
che il grado di degradazione dipende dal grado del rigonfiamento degli idrogeli, essendo la 
degradabilità inversamente proporzionale alla densità dell’intreccio polimerico. Alcuni tipi di 
idrogeli riescono a rigonfiarsi in appropriate condizioni osmotiche o di pH permettendo così 
l’allargamento delle maglie del reticolo che li compone e la liberazione del farmaco 
all’esterno. Kopecek et al. ha studiato idrogeli a base di metil acrilamidi N-sostituite: N-
terbutilacrilamide e acido acrilico, sintetizzati in presenza di reticolanti a struttura azoica. 
Grazie all’incorporazione di monomeri acidi gli idrogeli presentano una rigonfiabilità pH 
dipendente che è maggiore nella zona del colon, inoltre la presenza di gruppi azoici rende il 
substrato suscettibile all’azione delle azoreduttasi. Oggi l’interesse si concentra su questi 
polimeri contenenti come fattore reticolante una funzione azoica che viene esposta all’esterno 
solo dopo rigonfiamento dell’idrogele e che successivamente viene ridotta nel colon
11
. 
 
4. Le formulazioni tempo dipendenti sono progettate con più materiali che hanno differente 
comportamento in funzione sia del pH sia del tempo di permanenza in un ambiente
16
. Il 
rilascio colon specifico è quindi ottenuto combinando nella forma farmaceutica la resistenza 
all’ambiente acido dello stomaco con un fattore di tempo di durata determinata e 
programmabile. 
 11
   Introduzione 
La progettazione di forme farmaceutiche tempo dipendenti deve tenere in considerazione il 
normale tempo di transito del materiale nel tratto gastro-intestinale: il passaggio è molto veloce 
nella bocca e nell’esofago; nello stomaco varia dalle 2 ore circa fino ad un massimo di 10 
ore
20
. Le variazioni nel tempo di permanenza in questo distretto influenzano il tempo d’arrivo 
al colon e non possono essere accuratamente previste. Il periodo di transito nell’intestino tenue 
è invece piuttosto costante e dura dalle 3 alle 4 ore
21
 a prescindere da diverse condizioni quali 
lo stato fisico, la dimensione della forma farmaceutica
22,23
; nel colon infine il trasporto è molto 
più lento. Vi sono però fattori che possono influenzare il tempo di transito a questo livello 
quali il cibo
24
 , lo stress
25
, l’età, stati morbosi come irritazione della mucosa o quelli che si 
risolvono in diarrea o stipsi nonché farmaci che agiscono sul sistema nervoso parasimpatico o 
simpatico andando ad influenzare l’attività motoria propulsiva (peristaltica)
26
. Questi elementi 
limitano l’utilizzo di queste formulazioni tempo dipendenti. 
La prima formulazione di questo tipo fu il Pulsincap® 
27
. Esso è costituito da una capsula metà 
della quale è gastroresistente e l’altra metà non è degradabile. Il rivestimento enterico si 
dissolve nell’intestino tenue liberando un tappo di idrogele costituito da un polimero reticolato 
di polietileneossido e poliuretano che sigilla la parte non degradabile della capsula. L’idrogele 
una volta liberatosi si rigonfia raggiungendo dimensioni che ne permettono l’espulsione; si 
apre così la via d’uscita del farmaco. 
 
5. Un’altra strategia di rilascio sito specifico largamente usata si basa sull’utilizzo di polimeri 
degradabili dagli enzimi prodotti dalla flora del grande intestino
28
. 
Tali polimeri sono utilizzati per la creazione di profarmaci che in questo caso sono legati 
covalentemente al principio attivo mediante un legame riconosciuto da enzimi specifici della 
porzione colica, o per la formazione di coating, idrogeli e matrici. In alcuni studi
29,30 
è stato 
valutato il rilascio di insulina e vasopressina nel colon di ratti e cani in seguito alla 
somministrazione di forme orali rivestite con copolimeri di stirene e idrossietilmetacrilato 
(HEMA), incrociati con 4,4-divinilazobenzene e N,N¹-bis-(β-stirene sulfonile)-4,4-
diaminoazobenzene. Questi sistemi hanno però evidenziato una notevole variabilità legata 
probabilmente alla scarsa idrofilia dei polimeri che così risulterebbero poco accessibili 
all’attacco enzimatico. Il merito dell’approfondimento a questo riguardo va a Van Den Mooter 
e collaboratori
31-34
 che dimostrarono la necessità di un opportuno grado di idrofilia e 
rigonfiabilità per permettere la degradazione del polimero entro un tempo compatibile con le 
caratteristiche richieste per questo tipo di formulazione.
Lo svantaggio legato all’utilizzo di questi polimeri risiede nella lentezza della loro 
degradazione, spesso incompleta e irregolare e  nella mancanza di studi conclusivi sulla loro 
 12