Ocena dostępności farmaceutycznej API z preparatów do inhalacji – część I

Abstrakt

Preparaty wziewne odgrywają kluczową rolę w leczeniu między innymi takich schorzeń jak astma oraz POChP, a dzięki unikalnej fizjologii płuc coraz częściej znajdują zastosowanie również jako alternatywna droga podania leków ogólnoustrojowych.

W przeciwieństwie do postaci doustnych, dla których istnieją ugruntowane procedury oceny jakości oraz równoważności terapeutycznej, produkty inhalacyjne charakteryzują się złożoną budową i silnym uzależnieniem efektu terapeutycznego od para- metrów technicznych inhalatora oraz techniki stosowania przez pacjenta. Dodatkowym utrudnieniem jest fakt, że płuca posiadają wysoce zróżnicowaną strukturę anatomiczną, przez co precyzyjne odwzorowanie warunków w nich panujących w modelach in vitro jest wyjątkowo trudne. W pierwszej części artykułu opisano bariery biologiczne i metodologiczne, które stanowią wyzwanie w procesie oceny preparatów wziewnych. Druga część będzie poświęcona przeglądowi aparatury, metod badawczych oraz praktycznych rozwiązań wykorzystywanych w ocenie dostępności farmaceutycznej substancji czynnych z preparatów do inhalacji.

Wprowadzenie

Przemysł farmaceutyczny koncentruje się przede wszystkim na rozwoju doustnych postaci leku, które niezmiennie dominują na rynku zarówno pod względem liczby rejestracji, jak i wielkości sprzedaży [1], [2]. Wynika to z szeregu czynników, takich jak łatwość podania, akceptacja ze strony pacjentów, a także faktu, że w przypadku postaci doustnych proces przeskalowania oraz uzyskanie wysokiej wydajności produkcji są znacznie łatwiejsze do osiągnięcia. Dodatkowo sprzyja temu dobrze rozwinięte i ujednolicone zaplecze analityczne i regulacyjne [3], [4].

W przypadku leków doustnych metody badań jakościowych, w tym dostępności farmaceutycznej, zostały w pełni ustandaryzowane i od dawna stanowią fundament oceny zarówno nowych produktów, jak i preparatów odtwórczych. Analiza dostępności farmaceutycznej jest traktowana jako kluczowe narzędzie umożliwiające nie tylko kontrolę jakości serii, lecz także przewidywanie dostępności biologicznej substancji czynnych i ustanawianie korelacji in vitro–in vivo (IVIVC). Dzięki temu proces rozwoju form doustnych jest dobrze uporządkowany, a wymagania regulatorów jednoznaczne i powszechnie znane [5], [6], [7].

W przypadku produktów wziewnych sytuacja jest zdecydowanie bardziej złożona. Leki podawane drogą inhalacyjną stanowią podstawę terapii chorób układu oddechowego, takich jak astma oskrzelowa, przewlekła obturacyjna choroba płuc (POChP), mukowiscydoza czy różnego rodzaju infekcje. Ponadto narząd ten, ze względu na unikalną fizjologię, dużą powierzchnię wymiany gazowej, bogate unaczynienie oraz cienką i dobrze przepuszczalną barierę nabłonkową, stwarza warunki do szybkiego i efektywnego wchłaniania substancji czynnych [8]. Dlatego też w ostatnich latach coraz większe zainteresowanie budzi wykorzystanie płuc jako alternatywnej drogi podania leków o działaniu ogólnoustrojowym [9], [10], co sprawia, że stają się one coraz bardziej prawdopodobną i obiecującą opcją dla nowych klas terapeutycznych, takich jak insulina wziewna [11], peptydy [12] czy szczepionki [13].

Dla produktów wziewnych nie istnieje jeden, uniwersalny test in vitro, który mógłby zastąpić badania in vivo, dlatego analiza równoważności ma charakter wieloetapowy i obejmuje ocenę właściwości aerozolu, charakterystykę inhalatora, a w zależności od przypadku także badania farmakokinetyczne, farmakodynamiczne i/lub kliniczne. Najnowsza, zaktualizowana w 2025 r. wytyczna EMA wprowadza podejście „krok po kroku”, dopuszczając wykazanie równoważności terapeutycznej wyłącznie na podstawie zestawu rygorystycznych wymagań in vitro, o ile wszystkie są spełnione, przy czym w wielu scenariuszach nadal konieczne jest wsparcie danymi PK/PD [14]. Kluczowe testy obejmują: aerodynamiczny rozkład wielkości cząstek (Aerodynamic Particle Size Distribution, APSD), jednorodność dawki emitowanej (Emitted Dose, ED), powtarzalność i liniowość dawki (Repeatability and Dose Linearity) oraz ocenę przepływu (Flow Dependency).

W przypadku oceny dostępności farmaceutycznej API z prepa- ratów wziewnych poszukuje się rozwiązań pośrednich, opartych na adaptacji istniejących aparatów farmakopealnych (USP II, IV, VII) lub bazuje na technikach membranowych (systemy Transwell®, komory dyfuzyjne Franza). Aby badania miały wartość praktyczną, konieczna jest wiarygodna separacja frakcji aerozolu docierających do dolnych dróg oddechowych [15]. W tym celu stosuje się impak- tory kaskadowe [16], [17], umożliwiające frakcjonowanie i zbieranie cząstek do dalszych badań rozpuszczania i przenikania. Prostszą alternatywą są impingery [18], natomiast w badaniach zaawansowanych wykorzystuje się systemy typu Vitrocell® [19], PreciseInhale® [20], Unidose® [21] , DissolvIt® [22] czy RespiCell® [23], opracowane specjalnie z myślą o produktach wziewnych. Równolegle coraz częściej sięga się po narzędzia biologiczne – m.in. hodowle komór- kowe Calu-3 [24] czy A549 [25], a także zaawansowane modele 3D i systemy typu organ-on-chip, które lepiej odzwierciedlają fizjologię ludzkiego układu oddechowego [26], [27].

Coraz więcej wskazuje na to, że połączenie klasycznych metod farmakopealnych z nowoczesnymi modelami biologicznymi i fizjologicznymi pozwoli w przyszłości uzyskać pełniejszy obraz zachowania cząstek wziewnych w płucach i ułatwi ocenę równoważności terapeutycznej. Niestety różnice w sposobie prowadzenia i optymalizacji badań przez poszczególne laboratoria sprawiają, że porównywanie wyników uzyskanych odmiennymi metodami jest trudne. Dlatego coraz częściej podkreśla się potrzebę opracowania standardowych, prostych i powtarzalnych testów uwalniania dla leków wziewnych, które mogłyby dostarczać danych istotnych klinicznie i ułatwiać ocenę jakości produktów [28].

Jakie bariery musi pokonać lek podany w formie inhalacji?

Po zdeponowaniu w drogach oddechowych cząstka inhalowana trafia na szereg barier biologicznych, które decydują o jej dalszym losie. Pierwszą z nich są płyny wyściełające drogi oddechowe (RTLF, respiratory tract lining fluids). W obrębie tchawicy, oskrzeli i oskrzelików płyn ten jest bogaty w mucyny, białka, kwas moczowy, kwas askorbinowy oraz zredukowany glutation. Te składniki pełnią funkcję ochronną, wiążą inhalowane cząstki, a także neutralizują wolne rodniki. W pęcherzykach płucnych skład RTLF zmienia się, dominującą rolę odgrywa surfaktant bogaty w fosfolipidy, który obniża napięcie powierzchniowe, ułatwia rozprzestrzenianie się cieczy, a także wpływa na rozpuszczanie substancji czynnych, zwłaszcza o charakterze lipofilnym [29].

Kolejną barierę stanowi klirens śluzowo-rzęskowy (mucociliary clearance). W obrębie tchawicy i dużych oskrzeli nabłonek wyścielają komórki rzęskowe, których podstawową funkcją jest transport warstwy śluzowej w kierunku gardła. Mechanizm ten stanowi pierw- szą linię obrony układu oddechowego, ponieważ pozwala usuwać drobnoustroje i zanieczyszczenia. W kontekście farmakoterapii oznacza jednak, że cząstki leku mogą zostać szybko usunięte, zanim ulegną rozpuszczeniu i wchłonięciu. Dlatego tak istotne jest, aby cząstki miały odpowiednią wielkość aerodynamiczną (1-5 μm), co zwiększa szanse na depozycję w oskrzelikach i pęcherzykach, gdzie mechanizm oczyszczania jest mniej intensywny [30], [31].

Trzecim istotnym mechanizmem obronnym są makrofagi pęcherzykowe, które rozpoznają i fagocytują cząstki stałe. Choć pełnią one kluczową rolę w ochronie płuc przed infekcjami i cząstkami pyłów, mogą także wychwytywać cząstki API, zmniejszając ilość leku dostępnego do wchłonięcia [32].

Dopiero po pokonaniu tych barier dochodzi do właściwego etapu farmakokinetycznego, czyli rozpuszczania substancji czynnej w warstwie płynu płucnego. Szybkość rozpuszczania zależy przede wszystkim od wielkości cząstek (im mniejsze, tym szybciej się roz- puszczają), rozpuszczalności substancji w środowisku RTLF, a także od interakcji z surfaktantami i białkami obecnymi w płynie płucnym. Los cząstki inhalowanej w płucach zależy od sekwencji zjawisk obejmujących kolejno: depozycję w określonym odcinku układu oddechowego, kontakt z płynem wyściełającym drogi oddechowe, działanie mechanizmów obronnych, rozpuszczenie substancji czynnej oraz jej przenikanie przez barierę nabłonkową (Rycina 1). Każdy z tych etapów może stanowić ograniczenie biodostępności leku. Szczególnie istotny jest proces rozpuszczania substancji czynnej w cienkiej warstwie płynu pokrywającego powierzchnię nabłonka oddechowego, którego grubość i objętość są ograniczone – w pęcherzykach płucnych warstwa ta ma zaledwie kilkadziesiąt nanometrów, w oskrzelach sięga kilku mikrometrów, a jej całkowita objętość w płucach dorosłego człowieka wynosi zaledwie kilka mililitrów. W tym niezwykle ograniczonym środowisku substancja czynna musi szybko ulec rozpuszczeniu, aby mogła rozpocząć dyfuzję przez barierę nabłonkową. Zrozumienie mechanizmów tych procesów jest kluczowe zarówno dla projektowania nowych formulacji wziewnych, jak i dla oceny ich jakości oraz skuteczności terapeutycznej.

Dlaczego opracowanie modelu do badania dostępności farmaceutycznej leków wziewnych jest takie trudne?

Opracowanie uniwersalnego modelu in vitro do oceny preparatów wziewnych pozostaje dużym wyzwaniem. Trudność ta wynika z wyjątkowej fizjologii płuc, różnorodności formulacji oraz ograniczeń stosowanych metod.

W przeciwieństwie do przewodu pokarmowego, gdzie lek ma kontakt z dużą objętością płynu, w układzie oddechowym po- wierzchnia nabłonka pokryta jest jedynie cienką warstwą płynu o całkowitej objętości kilku mililitrów. Złożoność problemu potęguje fakt, że poszczególne typy inhalatorów generują aerozol w różny sposób, co wiąże się z koniecznością stosowania odmiennych procedur badawczych.

Na złożoność tego zagadnienia wpływa zarówno skomplikowana anatomia płuc, jak i niejednorodne środowisko dróg oddechowych, obejmujące różnice w grubości i składzie płynów powierzchniowych, aktywności rzęsek oraz parametrach fizykochemicznych. Dodatkowym czynnikiem jest bogata różnorodność komórkowa nabłonka, którą popularne linie komórkowe odzwierciedlają jedynie częściowo. Nie mniej istotna jest dynamika oddychania – zmiany ciśnienia i objętości w cyklu oddechowym wpływają na depozycję cząstek, podczas gdy większość modeli in vitro ma charakter statyczny. Dodatkowym ograniczeniem jest brak standaryzacji, gdyż laboratoria stosują odmienne układy – od prostych hodowli komórkowych po systemy organ-on-chip, co utrudnia porównywanie wyników.

Podsumowanie

Preparaty inhalacyjne stanowią jedną z najbardziej zaawansowanych technologicznie i zarazem najbardziej wymagających grup postaci leku. Ich projektowanie i ocena jakości wymaga równoczesnego uwzględnienia licznych czynników, od właściwości fizykochemicznych substancji czynnej, poprzez charakterystykę cząstek i skład całej formulacji, aż po konstrukcję urządzenia inhalacyjnego i sposób jego użycia przez pacjenta. W przeciwieństwie do tabletek czy kapsułek, dla których opracowano dobrze ugruntowane i ujednolicone strategie badań jakościowych i biorównoważności, w przypadku produktów wziewnych wciąż brak uniwersalnego modelu, który w pełni odzwierciedlałby warunki panujące w układzie oddechowym. Złożona fizjologia płuc, obejmująca m.in. ograniczoną objętość płynów powierzchniowych, obecność surfaktantu i mucyn, dynamiczny charakter procesu oddychania oraz aktywność mechanizmów obronnych, sprawia, że opracowanie jednego, spójnego układu badawczego okazuje się wyjątkowo trudne.

Perspektywy rozwoju tej dziedziny wskazują, że kluczowe będzie wypracowanie metod prostych, powtarzalnych i łatwych do standaryzacji, które z jednej strony będą możliwe do wdrożenia w rutynowej praktyce przemysłowej, a z drugiej dostarczą wyników o wysokiej wartości predykcyjnej. Wprowadzenie takich narzędzi pozwoli na bardziej obiektywną ocenę jakości produktów wziewnych oraz stworzy solidne podstawy dla decyzji rejestracyjnych.

Druga część artykułu poświęcona będzie szczegółowemu omówieniu aparatów, metod i rozwiązań stosowanych obecnie w ocenie dostępności farmaceutycznej substancji czynnych z preparatów wziewnych. Celem tego przeglądu jest pokazanie, w jaki sposób współczesna farmacja mierzy się z wyzwaniami charakterystycznymi dla tej grupy produktów oraz jak poszczególne narzędzia badawcze wspierają proces ich rozwoju i ocenę równoważności terapeutycznej.

Zobacz również: Ocena dostępności farmaceutycznej API z preparatów do inhalacji – część I