Simulazione del rilascio di farmaci e dello scambio di...

Simulazione del rilascio di farm

aci e dello scambio di m

ateria nel tratto gastrointestinale M

argherita Iannaccone

Simulazione del rilascio di farmaci e dello scambio di materia nel tratto gastrointestinale

Margherita Iannaccone

RIF D10 mL min

A10 mL min D20 mL min A20 mL min

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

[I]

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

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 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

[IX]

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

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.

[59]

Appendice

Pubblicazioni

Pag. 60 Rilascio e scambio di materia di farmaci M. Iannaccone

Appendice. Pag. 61

Appendice. Pag. 63

[65]

Bibliografia

1. McConnell, E., H. Fadda, and A. Basit, Gut instincts: explorations in intestinal physiology and drug delivery. International journal of pharmaceutics, 2008. 364(2): p. 213-226.

2. S. Cascone, In vitro and in silico models in pharmacokinetic studies, Tesi di dottorato, 2013

3. Grassi, M., Understanding drug release and absorption mechanisms: A physical and mathematical approach. 2007: CRC

4. Banakar, U., Pharmaceutical dissolution testing. Drugs and the pharmaceutical sciences, 1991. 49: p. 1-426.

5. XXIII, U. The United States Pharmacopeia. 1995.

6. Stricker, H., Die Arzneistoffresorption im Gastrointestinaltrakt - ln vitro-Untersuchung Lipophiler Substanzen. Pharm Ind, 1973. 35(1): p. 13 - 17.

7. Savalle, B., G. Miranda, and J. Pelissier, In vitro simulation of gastric digestion of milk proteins. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 1989. 37(5): p. 1336-1340.

8. 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.

9. 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.

10. Rozga, J. and A. Demetriou, Artificial gut. 2002, US Patent 6,379,619 B1.

11. BOGATAJ, M., G. COF, and A. MRHAR, PERISTALTIC MOVEMENT SIMULATING STIRRING DEVICE FOR DISSOLUTION TESTING. 2010, WO Patent WO/2010/014,046.

“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” -Aristotele- La 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)

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