Biosimilari: il punto di vista del farmacologo

Adriana MaggiDirettore Centro di Eccellenza CEND Università di Milano

Gruppo di Lavoro Farmacologia Innovativa Comitato Nazionale per la Biosicurezza, le Biotecnologie e

le Scienze della Vita

Farmaci biologici

Farmaci di sintesi

XX secoloXXI secolo

LA RICERCA FARMACOLOGICA DAGLI ANNI ‘80

I FARMACI BIOTECNOLOGICI (PROTEINE TERAPEUTICHE)

FARMACI BIOLOGICI

Per la Comunità Europea, un composto o un farmaco biologico è definito come: “una sostanza che è prodotta o estratta da una sorgente biologica che richiede per la sua caratterizzazione e controllo di qualità una combinazione di analisi fisiche-chimiche e biologiche, insieme al processo di produzione e suoi controlli” (Dir. 2003/63/EC, part I, Section 3.2.1 (b)).

FARMACI BIOTECNOLOGICI

Farmaci biologici prodotti da cellule procariote o eucariote opportunamente modificate per opera di ingegneria genetica

Considerando l’origine da organismi viventi sono da considerare come composti/farmaci biologici molti antibiotici, ormoni, enzimi, immunoglobuline, emoderivati…

e tutti i farmaci prodotti grazie a tecnologie di ingegneria genetica:

IL MINIMO COMUNE DENOMINATORE DI TUTTI QUESTI COMPOSTI E’ LA COMPLESSITA’ STRUTTURALE

Aspirinapeso molecolare: 180 Da

Prodotti di sintesi

Interferone beta:peso molecolare: 19000 Da

Prodotti biotecnologici

I biofarmaci hanno dimensioni e struttura molto più complesse dei prodotti chimici

Proteine terapeutiche - Svantaggi

1.nuove metodologie di produzione2. riproducibilità nella produzione3.purificazione della macromolecola di

sintesi4.contaminanti nella purificazione5.stabilità del prodotto finito6.vie di somministrazione e

farmacocinetica

Proteine terapeutiche – Vantaggi

1.Generalmente esercitano una attività estremamente mirata e specifica2.Data la loro specificità hanno limitati effetti collaterali indesiderati3.Data la loro alta specificità ed essendo di origine umana sono generalmente ben tollerati4.Possono sopperire a un difetto genetico – nuovi bersagli terapeutici5.Il tempo di approvazione da parte delle autorità regolatorie è significativamente inferiore a quello di molecole di sintesi (1 anno per 33 proteine/ 294 piccole molecole approvate tra 1980 e 2002 )6.La protezione brevettuale può essere più lunga di altri composti per le difficoltà di ottenere prodotti biosimilari

DRUG DISCOVERY:- scelta del bersaglio biologico

- scelta dell’origine della molecola a potenziale attivita’ farmacologica (lead compound)

- identificazione della molecola attiva sul bersaglio mediante opportuno screening

FORMULAZIONE FARMACEUTICA

FARMACOCINETICA E METABOLISMOFARMACOLOGIA GENERALE

TOSSICOLOGIA

FORMULAZIONE DEL DOSSIER PER INIZIO SPERIMENTAZIONE CLINICA

RICERCA PRECLINICA E FARMACI BIOTEC

Farmaci biotecnologici

•

from Biotechnology Industry Organization (2007).

New Biotech Drug and Vaccine Approvals/ New Indication Approvals by Year

A fronte di un mercato farmaceutico in crescita del 7% rispetto al 2006, il mercato dei farmaci biotecnologici è cresciuto del 17.9% e oggi è pari a 65 miliardi di dollari (circa il 10% del mercato dei farmaci globale), inoltre due prodotti Biotech, Aranesp e Enbrel, sono state tra i primi dieci farmaci più venduti nel mondo nel 2006.

Farmaci biotecnologici

Farmaci biotecnologici

• Il numero di farmaci biotecnologici attualmente in commercio supera i 250.

• I farmaci biotecnologici che vengono utilizzati per 384 indicazioni di cui 200 sono nuove terapie

• Attualmente ci sono più di 400 prodotti terapeutici biotecnologici in trial clinici. I farmaci in studio sono per la terapia di diversi tipi di neoplasie, Alzheimer, malattie cardiovascolari, diabete, sclerosi multipla, AIDS e artrite.

Biotechnology Industry Organization (BIO)

USAN/INN Trade Name Indication Technology Mechanism of Action

abatacept Orencia rheumatoid arthritis immunoglobin CTLA-4 fusion protein T-cell deactivation

adalimumab Humira

rheumatoid arthritis, ankylosing spondylitis, psoriatic arthritis

monoclonal antibody TNF antagonist

alefacept Amevive chronic plaque psoriasis

immunoglobin G1 fusion protein

incompletely characterized

Erytropoietin Epogen

anemia arising from cancer chemotherapy, chronic renal failure, etc.

recombinant protein stimulation of red blood cell production

Etanercept Enbrel

rheumatoid arthritis, ankylosing spondylitis, psoriatic arthritis, psoriasis

recombinant human TNF-receptor fusion protein

TNF antagonist

Infliximab Remicade

rheumatoid arthritis, ankylosing spondylitis, psoriatic arthritis, psoriasis, Crohn's disease

monoclonal antibody TNF antagonist

trastuzumab Herceptin breast cancer humanized monoclonal antibody

HER2/neu (erbB2) antagonist

Proteine terapeutiche di I e II generazione

Proteine di I generazione identiche alle proteine endogene umane

Proteine di II generazione modificate al fine di:

-Migliorarne le caratteristiche farmacocinetica (diminuire la biodegradabilità, aumentare la penetrazione cellulare, ecc)-Generare prodotti innovativi con funzioni diverse da quelle originarie-Generare dei prodotti più stabili facilitandone la conservazione

Proteine di II generazione

TNF (Fattore di Necrosi Tumorale) una citochina che gioca un ruolo chiave nel danno infiammatorio in malattie autoimmuni o nella malattia di Crohn

Etanercept (Enbrel), è una proteina di fusione dal peso molecolare di 150 kDa tra la forma solubile del recettore per il TNF umano e la porzione Fc delle immunoglobuline umane IgG.

Infliximab (Remicade), un anticorpo monoclonale “chimerico” cioè in parte umano (frammento Fc umano) e in parte di derivazione murina (domini della catena variabile VK e VH)

Adalimumab (HUMIRA) sviluppato molto recentemente che consta di un anticorpo interamente umanizzato.

MODIFICAZIONI POSTRADUZIONALI

MODIFICAZIONI SECONDARIE CHE CAMBINO IL PROFILO DI IDROFOBICITÀ

Possono migliorare il legame con proteine di trasporto plasmatiche di trasporto e quindi la residenza nel circolo:

Insulina detemir (acilazione LysB29, Novo Nordisk),

interferone alfa, peptide GLP1, desmopressina (legame di acidi grassi a residui attivi sulla superficie della proteina)

AGGIUNTA DI POLIETILENGLICOLE (PEG) PER AUMENTARE LE

DIMENSIONI DELLA PROTEINA E RIDURNE IL METABOLISMO E

CLEARENCE RENALE

Analoghi del GH : Pegvisomant

Analogo ricombinante di hGH - lys 120 sostituita con una gly e previene la dimerizzazione funzionale del recettore

qualsiasi aminoacido tranne lys o ala in questa posizione:antagonista GH

- Pegilazione – coniugazione via i gruppi aminici a 4 - 6catene di polietilen-glicoleAumento di T1/2 (SC) a circa 6 giorni. Picco plasmatico 33 - 77 ore

Ridotta immunogenicitàla pegilazione maschera i determinanti antigenici

PROTEINE TERAPEUTICHE –classificazione funzionale

Gruppo I: proteine terapeutiche con attività enzimatica o regolatoria

1a che rimpiazzano una proteina deficiente o anormale1b che aumentano attività esistenti1c che danno nuove funzioni/attività

Gruppo II: proteine terapeutiche con bersagli mirati2a che interferiscono con l’attività fisio-patologiche2b che rilasciano un composto terapeutico in un distretto specifico

Gruppo III: vaccini proteici3a che proteggono nei confronti di microorganismi

esterni3b per il trattamento di malattie autoimmuni3c per la terapia anti-neoplastica

Gruppo IV proteine con attività diagnosticaNature Drug Discovery June 2007

La complessità strutturale dei biofarmaci richiede una complessità

nella produzione

Typical Protein Production Process

La scelta della sequenza genica

INIZIO

La scelta del vettore

La scelta dell’organismo

per la produzione

La scelta delle condizioni di

fermentazione

La scelta del downstream processing

Produzione di proteine terapeuticheProcessi diversi danno luogo a prodotti non identici tra loro

FIN

E

Il prodotto finale è il risultato di numerose scelte

Difficoltà nella produzione di biofarmaci

• Istituzione di Master cell banks caratterizzate in dettaglio per stabilità genetica, tempi di crescita, contaminazioni, numero di copie del vettore, livello di espressione del transgene.

• Preparazione di Manufacturers cell banks sottoposte ad ulteriore caratterizzazione prima e dopo il caricamento nell’impianto pilota

• Controllo su larga scala della stabilità nelle condizioni di fermentazione, con la preparazione di Extended cell banks.

• Controllo delle condizioni di produzione • Recupero e produzione• Caratterizzazione del prodotto

CONTROLLO QUALITA’

Difficoltà nella produzione di biofarmaci

Spettrometria di massa

Presenza di DNA cellulare

Presenza pirogeni

Presenza di proteine cellulari

Presenza di proteine seriche

HPLC

SDS PAGE/Western

Determinazione dello stato di purezza

Composizione in acido sialico

Composizione in carboidrati

Sequenziamento N-terminale

Mappa peptidica

HPLC

Isoelectrofocusing

SDS PAGE Western

Saggio immunologico

Saggio biologico

Caratterizzazione della proteina

Controllo di qualità di proteine terapeutiche

Farmaci tradizionali e biofarmaci

Farmaci tradizionali risultato di sintesi chimica sotto

il controllo del ricercatore Biofarmaci: prodotti sintetizzati dalla cellula, risultato di complesse

attività cellulari

Microeterogeneità di proteine terapeutiche

collegate alla biologia del prodotto o al processo produttivo

process related, undesired modifications of side chains(e.g.,carbamylation,citraconylation)

artifical, desired modification (e.g. pegylation)

process related, undesired modifications of amino acids (e.g., oxidation, deamidation pyroglutamate formation)

biologic, desired modifications(e.g., glycosylation, phosphorylation, sulfatation, acylation)

process related, undesired modifications of the tertiary and quaternary structure (e.g., partial denaturation, aggregation)

biologic, undesired modifications(e.g., methylation, acetylation, formylation, proteolysis)

L’esempio del : t-PA (527 amino-acid protein; 17 S-S bridges; 3 glycosylation sites)

COOHNH2

Deamidation of Asn residues

Oxidation of Cys or Met residues

Eterogeneità determinate per via sperimentaleVariability in N-linked carbohydrate side chains

Single-chain and two-chain forms

Additional O-Glycosylation

Proteolysis at Arg-X

N-terminal sequence length variation

Total possible variants: 1.09 x 109References available

Spesso i farmaci biotecnologici sono costituiti da una miscela di isoforme

1313

Isoelectric Focusing: glycosylated product is subfraction of cell culture isoforms

CellCulture

PureBulk

12121111

1010

1414

0

50000

100000

150000

200000

250000

300000

350000

400000

5 7 8 9 10 11 12 13 14

Isoform Number

[U/m

g]

In-vivo Bioactivity

Eritropoietina sintetizzata da diversi laboratori

Source: Schellekens H, EJHP, 3/2004, Scientific Section, pp 43-47.

Different biophysical characteristics when compared to the innovator product (Eprex®)

Cosa sappiamo delle risposte cliniche a “piccole” variazioni nelle molecole sintetizzate da diversi laboratori?

Experience from Innovators and manufacturing process changes

Tissue Plasminogen Activator (tPA) - Genentech• Roller bottle to a fed batch process (new cell line, new downstream processing and new formulation)• Analytics showed different carbohydrate structures; clinical studies showed impact on PK and efficacy• This led to a delay in clinical development whilst differences were further investigated

Avonex (interferone beta 1a) Bioferon Biogen

Lenercept - Genentech• Scaled-up the manufacturing process that led to less sialylation of the protein• In clinical studies, this was shown to impact the PK and increase the immunogenicity• The project was terminated

Raptiva - Genentech• Scaled-up the process before conducting phase 3 clinical studies and found small analytical differences• No differences in nonclinical PK. In clinical studies AUC had increased by 30% and efficacy had decreased• Phase 3 study repeated

Eprex – J&J• Formulation change; no analytical differences

observed• Resulted in >180 cases of pure red cell aplasia

(PRCA) in renal failure patients (175/191 Eprex)

• SC route of administration contraindication; further drug product changes; 20,000 patient registry

Due farmaci con meccanismo d’azione apparentemente identico

Adalimumab e Infliximab : Adalimumab e Infliximab : legame selettivo con il TNFa e legame selettivo con il TNFa e conseguente blocco della conseguente blocco della interazione con i recettori del interazione con i recettori del TNF, p55 e p75 TNF, p55 e p75

Etanercept: inibizione Etanercept: inibizione competitiva del legame del competitiva del legame del TNF ai recettori di superficie, TNF ai recettori di superficie, che previene le risposte che previene le risposte cellulari mediate dal TNF cellulari mediate dal TNF rendendo il TNF rendendo il TNF biologicamente inattivobiologicamente inattivo

Apparente maggiore efficacia di moAb anti-TNF vs Etanercept

Ma risposta clinica a Etanercept in alcuni casi non-responsivi a Infliximab

Blocco TNF e vs solo

Dosaggi diversi?

Effetto biologico diverso? (efficacia in m. granulomatose, i.e. Crohn)

Due farmaci con meccanismo d’azione apparentemente identico

Biosimilari in quanto sono simili, non identici, ai prodotti originali copiatiEMEA Guidelines• “It is not expected that the quality attributes … will

be identical”• “Minor differences in the active substance, such as

variability in post-translational modifications may be acceptable, however, must be justified”

• “there may be subtle differences between biosimilars”

These differences can have clinical implications eg. different efficacy or safety

Perchè biosimilare e non generico• Biosimilar, Follow-on Biologic, Follow-on Protein, Subsequent Entry

Biologic …….• Prodotto biologico che vuole essere assimilabile a un prodotto

biologici innovativo il cui brevetto è scaduto. Tuttavia, la produzione del biosimilare– Avviene da parte di ditte diverse dalla Ditta originaria detentrice

del brevetto– Richiede un nuovo orgaismo per la produzione, un nuovo

processo produttivo, nuovi metodi analistici• I primi biosimilari:

– Omnitrope® (somatropin) in Australia, EU e USA– Valtropin® (somatropin) in EU– NON esistono prodotti-copia in Asia e in S. America

Conclusioni• Biosimilari sono una nuova classe di prodotti medicinali

– Non sono generici come inteso per le piccole molecole di sintesi• L’ EMEA ha stabilito ottimi standard per l’approvazione

– Una serie di importanti domande deve trovare una risposta solo dopo l’approvazione

• Rimangono punti di discussione che riguardano l’introduzione dei biosimilari nella pratica clinica– Regole per la sostituibilità automatica– Farmacovigilanza– Labelling– Scelta del nome

• La comunità medica deve avere la piena consapevolezza delle problematiche legate all’uso di biosimilari