BCS II, czyli jak uporać się z substancjami trudnorozpuszczalnymi

W obecnych czasach narzędzia chemii kombinatorycznej i genomiki oraz wysokoprzepustowe badania przesiewowe generują
potężne bazy potencjalnych cząsteczek o działaniu leczniczym. Natomiast tylko nieliczne z nich zostają wprowadzone na rynek. Poza oczywistymi nakładami finansowymi oraz długim czasem wprowadzania nowego leku (szacowanego średnio na 13 lat), niepowodzenie może wynikać także z niskiej biodostępności leku. Powód ten podawany jest dla około 40 procent leków, które nie przeszły badań klinicznych. Zbyt niska skuteczność oraz niewystarczające bezpieczeństwo stosowania wskazywane są jako kolejne główne przyczyny negatywnych wyników badań klinicznych. Z niską biodostępnością ściśle związane są parametry rozpuszczalności i wchłaniania danej substancji. Parametry te analizowane są nie tylko dla nowych cząsteczek, ale także dla tych, występujących już w obrocie aptecznym.

Klasy BCS
Uwzględniając rozpuszczalność w wodzie oraz jelitową przenikalność danej substancji czynnej, opracowano klasyfikację biofarmaceutyczną BCS (z ang. Biopharmaceutical Classification System). Przynależność do danej klasy BCS ma bezpośredni związek z uwalnianiem i wchłanianiem leku w organizmie z postaci doustnych. Wyróżniamy cztery klasy BCS, a w niektórych z nich kilka podklas. Klasa I to wymarzone do rozwoju substancje o dobrej rozpuszczalności i przenikalności. Jako „dobrze rozpuszczalna” rozumiana jest substancja, w swojej najwyżej stosowanej leczniczo dawce, która rozpuszcza się w 250 ml roztworu o pH w zakresie 1-7,5 i w temperaturze 37°C. Przykładami substancji z I klasy BCS są paracetamol, metoprolol i diltiazem. W II klasie wyodrębniono trzy podklasy: a, b i c, do których substancje zaliczane są na podstawie ich rozpuszczalności w pH 2 i pH 6,5 oraz ich wchłaniania. W klasie II znajduje się między innymi ketokonal, fenytoina czy nifedypina. Klasa III to substancje o dobrej rozpuszczalności i niskiej przenikalności, wśród których wymienić można acyklowir, atenolol czy ranitydynę. W ostatniej, IV klasie występują najtrudniejsze przypadki, czyli substancje o niskiej rozpuszczalności w poszczególnych pH (klasa IV a, b i c) i niskiej przenikalności, na przykład chlorotiazyd i furosemid. Szacuje się, że około 40 procent rynkowych substancji czynnych oraz do 70 procent cząsteczek leczniczych będących w fazie badań to substancje słabo rozpuszczalne w wodzie. Większość z nich klasyfikowana jest jako klasa II BCS. Jak zatem zwiększyć rozpuszczalność substancji aktywnych z tej klasy?

Sposoby na zwiększenie rozpuszczalności substancji trudno rozpuszczalnych
Na rozpuszczalność leku wpływa między innymi temperatura, dobór odpowiedniego medium i substancji wspomagających rozpuszczanie, postać polimorficzna i stopień rozdrobnienia. Wszystkie te czynniki analizowane są podczas doboru odpowiedniej techniki zwiększenia rozpuszczalności. Techniki te możemy podzielić na fizyczne i chemiczne.

Modyfikacje fizyczne
Do technik fizycznych możemy zaliczyć dobór odpowiedniej formy polimorficznej. Polimorfizm, nazywany inaczej wielopostaciowością,
dotyczy występowania różnych (dwóch lub więcej) odmian krystalograficznych tej samej substancji chemicznej. Polimorfy zazwyczaj znacząco różnią się od siebie w zakresie morfologii, higroskopijności, właściwości powierzchni, stabilności fizycznej, jak i chemicznej oraz szybkości rozpuszczania. Dana substancja może występować także jako amorf, czyli ciało bezpostaciowe o stanie skupienia zbliżonym do ciała krystalicznego, ale o bardziej chaotycznym uporządkowaniu cząsteczek, typowym dla cieczy. Amorfy z reguły mają lepszą rozpuszczalność, ale ich stabilność nierzadko jest dużo gorsza. Szczególnym typem polimorfizmu jest zaś pseudopolimorfizm i występujące tu solwaty oraz hydraty. Solwaty tworzą się podczas rozpuszczania, gdy cząsteczki rozpuszczalnika wbudowują się w strukturę danej substancji. Z kolei hydraty powstają na skutek absorpcji wody z otoczenia i wbudowania jej cząsteczek do struktury danego związku. Do zmian formy polimorficznej może dojść nie tylko na etapie rozpuszczania, ale także w trakcie innych procesów technologicznych. Biorąc pod uwagę, że około 50 procent zarejestrowanych na rynku API to substancje polimorficzne, a doliczając formy pseudopolimorficzne jest to ponad 70 procent substancji, określenie formy krystalicznej jest niezbędne zarówno przy rozwoju leków innowacyjnych, jak i generycznych. W przypadku leków innowacyjnych dogłębne zbadanie polimorfizmu umożliwia wybranie najstabilniejszej i najlepiej biodostępnej API, gwarantując bezpieczeństwo i skuteczność działania pacjentowi. Dla leków generycznych sprawdzenie dostępnych form polimorficznych pozwoli uniknąć sytuacji, w których dana forma jest opatentowana dla leku referencyjnego. Polimorfizm można zbadać za pomocą rentgenowskiej analizy dyfrakcyjnej, najczęściej proszkowej XRPD, spektroskopii ramanowskiej, spektroskopii w podczerwieni IR oraz skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM).

Możliwe jest także zastosowanie mieszanin eutektycznych, w których dobrze rozpuszczalny nośnik po kontakcie z wodą szybko rozpuszcza się, pozostawiając API w stanie mikrokrystalicznym, również ulegającym łatwiejszemu rozpuszczeniu. Mieszaniny eutektyczne najczęściej przywoływane są jako problematyczny przypadek, chociażby w recepturze czopków, jednak w sytuacji niskiej rozpuszczalności substancji mogą być one bardzo użyteczne, a ponadto tanie i łatwe w przygotowaniu. Przykładem takiego połączenia jest paracetamol z mocznikiem czy gryzeofulwina z kwasem bursztynowym. W zwiększeniu rozpuszczalności przychodzą z pomocą także
techniki tworzenia stałych dyspersji, czyli układów, w których w hydrofilowej matrycy, na przykład z surfaktantu, glikolu propylenowego czy powidonu rozproszony jest hydrofobowy lek. Stałe dyspersje otrzymuje się na drodze topienia, ekstruzji na gorąco czy metody
odparowywania rozpuszczalnika. Kolejne modyfikacje rozpuszczalności polegają na zwiększeniu rozdrobnienia cząstek i tym samym ich powierzchni poprzez mikronizację czy nanojonizację. API w formie zmikronizowanej, czyli o wielkości cząsteczek na poziomie 10 lub mniej mikrometrów, można uzyskać za pomocą mielenia lub suszenia rozpyłowego. Z kolei przekształcenie proszkowej substancji czynnej do nanokryształów (cząstek o wielkości 200-600 nanometrów) odbywa się najczęściej na drodze homogenizacji.

Modyfikacje chemiczne
Następną grupą modyfikacji rozpuszczalności są sposoby chemiczne. Najczęściej uzyskuje się je za pomocą zmian w pH, poprzez zastosowanie buforów lub tworzenie soli, które są zwykle lepiej rozpuszczalne niż „czyste” postacie API. Inna możliwość to użycie
proleku, czyli nieaktywnej farmakologicznie formy, która przekształca się w postać czynną dopiero po zażyciu przez pacjenta. Niekiedy przydatny jest też proces derywatyzacji, w którym przeprowadza się przekształcenie wyjściowej substancji do jej pochodnej o korzystniejszych właściwościach fizykochemicznych, w tym przypadku o lepszej rozpuszczalności. Ostatnią omawianą modyfikacją chemiczną będą stanowić kompleksy inkluzyjne typu gość-gospodarz, w których niepolarna cząsteczka leku lub jej fragment wnika do innej cząsteczki, na przykład cyklodekstryny. Cyklodektryny posiadają zarówno grupy hydrofobowe jak i hydrofilowe, dzięki czemu tworząc kompleks z API, ułatwiają znacznie jest rozpuszczanie. Tworzenie kompleksów inkluzyjnych możliwe jest na drodze ugniatania, liofilizacji czy suszenia rozpyłowego.

Inne techniki
Poza modyfikacjami fizycznymi i chemicznymi, do zwiększenia rozpuszczalności substancji wykorzystywane są metody rekrystalizacji płynu nadkrytycznego, osadzania w rozpuszczalniku, precypitacji, hydrotrofii, selektywnej adsorpcji na nierozpuszczalnym nośniku,
a także zastosowanie współrozpuszczalników czy surfaktantów. Płyn nadkrytyczny wykazuje temperaturę i ciśnienie wyższe niż w punkcie krytycznym, dzięki czemu posiada właściwości zarówno cieczy jak i gazu. Substancja w stanie nadkrytycznym wykazuje tym
samym inne właściwości: jest łatwiej kompresowalna, a jej masa może ulec zmniejszeniu. Po rozpuszczeniu danej substancji w stanie
nadkrytycznym możliwe jest jej wykrystalizowanie w postaci cząstek o mniejszych rozmiarach i lepszej rozpuszczalności.

Inną opcją jest osadzenie trudno rozpuszczalnej API na obojętnym, hydrofilowym stałym nośniku, poprzez odparowanie przy zastosowaniu innego organicznego rozpuszczalnika, na przykład alkoholu. Precypitacja, inaczej wytrącanie zachodzi, gdy słabo rozpuszczalny w wodzie lek zostaje rozpuszczony w odpowiednim rozpuszczalniku organicznym, a następnie szybko wymieszany z innym rozpuszczalnikiem, w którym się nie rozpuszcza. Dochodzi wówczas do wytrącenia nanocząstek leku, co w tym rozmiarze ułatwia jest rozpuszczalność w wodzie. Kolejnym sposobem na poprawę rozpuszczalności API w wodzie jest zastosowanie znacznych ilości czynników hydrotropowych, czyli pierwiastków lub związków chemicznych, poprawiających rozpuszczalność trudno rozpuszczalnych substancji, np. kwasu askorbinowego. Rozpuszczalność może zostać zwiększona również poprzez tworzenie słabych wiązań fizycznych między lekiem, a adsorbentem, a następnie zwilżenie i „nabrzmienie” tego układu w środowisku wodnym. Rozwiązanie to zastosowano na przykład dla gryzeofulwiny czy indometacyny przy użyciu glinki bentonitowej. Mimo, że bentonit nie cieszy się zbyt dużą sympatią, ze względu na możliwość kumulowania się jego składowej, czyli glinu w organizmie, nadal stosowany jest z powodu swoich dobrych właściwości adsorpcyjnych. Bardzo częstym rozwiązaniem jest również dodawanie mieszalnych lub częściowo mieszalnych z wodą organicznych współrozpuszczalników, a także środków powierzchniowo czynnych, które ułatwiają rozpad i przedostanie się wody do leku, poprzez jego postępujące zwilżanie.
Powyższe techniki nie wyczerpują tematu o zwiększaniu rozpuszczalności leków trudno rozpuszczalnych i z pewnością nadal będą
poszukiwane nowe metody, które w przystępny cenowo i czasowo sposób, umożliwią wprowadzanie na rynek leków innowacyjnych
i generycznych.