Le Food, Drug and Cosmetic Act des États-Unis de 1938 exigeait des fabricants et des sociétés pharmaceutiques qu’ils soient responsables de la sécurité des additifs / excipients médicamenteux dans leurs produits en réponse à une tragédie où 100 enfants ont été tués par la présence de diéthylène glycol dans un produit antibactérien. Pour aider à clarifier ce qui est nécessaire pour établir un nouvel excipient, la FDA a publié en 2005 un document d’orientation intitulé « Nonclinical Studies for the Safety Evaluation of Pharmaceutical Excipients », décrivant les études de sécurité nécessaires pour faire approuver un excipient1,2. Des articles récents ont appelé à la nécessité de plus d’excipients alternatifs pour l’utilisation dans les formulations1,3,4. Les formulateurs préfèrent généralement les excipients précédents en raison de leur profil d’innocuité bien établi ainsi que des risques et des coûts associés à l’approbation d’un nouvel excipient3. Lors de la qualification d’un nouvel excipient, des études de sécurité doivent être effectuées et, dans le cas d’un événement indésirable, il existe un doute quant à savoir si l’événement indésirable était dû à l’excipient ou au produit. Lors de l’utilisation d’un excipient, bien que l’expérience antérieure de toute voie d’administration injectable soit précieuse pour justifier son utilisation, il convient de noter qu’en vertu de la réglementation en vigueur, modifier la voie d’administration ou augmenter la concentration au-delà de sa dose la plus élevée actuelle peut nécessiter des données de sécurité supplémentaires1,2. Le besoin de nouveaux excipients est bien reconnu, mais l’élargissement de nos connaissances sur l’utilisation d’excipients moins utilisés est tout aussi important tout en offrant une voie réglementaire plus facile à suivre.
Déterminer le pH et le système tampon corrects est sans doute l’étape la plus critique dans la formulation d’une protéine pour assurer sa solubilité et sa stabilité (chimique et physique)3,5-7. L’article se concentrera sur la stabilisation des biothérapies. Les tampons présents dans les petites molécules et les formulations parentérales de protéines approuvées par la FDA seront référencés pour justifier l’exploration des effets stabilisants de ces tampons sur les protéines. Le tableau 1 répertorie le nombre de formulations uniques trouvées sur les étiquettes des produits approuvés par la FDA. Les formulations identiques résultant de la formulation de produits génériques ou de dosages différents ont été exclues. Chaque fois que la forme saline du tampon est mentionnée, il faut supposer que le tampon est titré avec de l’hydroxyde de sodium ou de l’acide chlorhydrique, car ce sont les titrants les plus courants.
Les tampons les plus couramment utilisés dans les formulations parentérales ont été le citrate, le phosphate et l’acétate. Certaines des forces et faiblesses associées à ces excipients seront mises en évidence. Le but de cet article est d’attirer l’attention sur d’autres agents tampons approuvés, mais moins couramment utilisés, qui nécessitent une utilisation plus étendue pour devenir généralement acceptés. Alors que cet article se concentrera exclusivement sur les tampons, le même argument s’étend à d’autres types d’excipients. À mesure que la biotechnologie évolue en tant qu’industrie et que des échafaudages protéiques plus uniques sont développés, il deviendra de plus en plus important de trouver de nouveaux moyens de stabiliser ces protéines. Parfois, les excipients les plus courants ne seront pas suffisants pour assurer une stabilité adéquate ou permettre des technologies d’administration de médicaments.
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Tampons couramment utilisés
Phosphate de sodium
Le phosphate de sodium (pKa 2.1, 7.2 et 12.3) est le tampon le plus couramment utilisé dans les formulations parentérales (tableau 1). La limitation la plus notable de l’utilisation du phosphate comme tampon est l’effet de la congélation sur les changements de pH. Le déplacement du pH pendant la congélation a été étudié de manière approfondie. Le changement de pH est attribué à la cristallisation sélective du sel dibasique. La cristallisation peut être affectée par la vitesse de congélation, le pH de départ et la présence d’autres cosolutes. Un changement de pH d’environ deux unités est assez typique pendant la congélation, mais des changements de pH allant jusqu’à 3,6 unités ont été rapportés8-10. L’environnement de pH changeant a le potentiel de déstabiliser les protéines lors du traitement de la substance médicamenteuse en vrac ou de la lyophilisation des solutions de produit médicamenteux11-17. Ceci est particulièrement préoccupant dans des conditions où des concentrations élevées de phosphate sont utilisées ou d’autres excipients de cristallisation sont présents car ces conditions aident à induire la cristallisation du phosphate. Les solutions contenant des concentrations élevées de protéines ou de solutés non cristallisables (par exemple le saccharose) inhiberont la cristallisation du phosphate et minimiseront les changements de pH.
Acide citrique
L’acide citrique est l’un des tampons les plus couramment utilisés (tableau 1). Il s’agit d’un tampon trivalent contenant trois acides carboxyliques de pKa de 3,1, 4,8 et 6,4 (Tableau 2) offrant une large plage de tamponnage5. Selon la base de données d’ingrédients inactifs de la FDA, le citrate se trouve dans plus de 100 produits injectables approuvés, ce qui lui donne une longue histoire d’utilisation et prouve sa sécurité.
Cependant, des études comparant les injections sous-cutanées de formulations tamponnées au citrate à des formulations com parables tamponnées au phosphate ou à l’histidine ont établi que les solutions tamponnées au citrate induisaient plus de douleur lors de l’injection sous-cutanée18-20. Bien que cette douleur ait été d’une durée relativement courte (moins de deux minutes), elle soulève des préoccupations quant à l’observance par le patient des injections auto-administrées contenant de l’citrate18. Lors de la formulation avec de l’acide citrique, le profil du produit cible et la voie d’administration prévue doivent être notés. Lorsque des injections sous-cutanées fréquentes sont prévues, un autre agent tampon peut être plus approprié.
Acide acétique
L’acide acétique a un pKa d’environ 4,8, offrant une plage tampon de 3,7 à 5,6 (tableau 2). L’utilisation de l’acide acétique est idéale pour la formulation de protéines stables à l’état liquide dans des conditions acides. La lyophilisation des solutions d’acide acétique s’accompagne d’une augmentation du pH due à la sublimation de la forme acide volatile du tampon, laissant derrière lui le sel basique. Ceci est potentiellement déstabilisant pour la protéine et rend difficile le contrôle du pH dans les produits médicamenteux lyophilisés.
Tampons supplémentaires approuvés
Trométhamine
La trométhamine (Tris) (pKa 8.1) a des propriétés similaires au phosphate (pKa 7.2) et pourrait être utilisé comme substitut dans des conditions de pH proches du neutre. Les deux tampons présentent un changement de pH pendant la congélation. Dans des conditions identiques, le déplacement du pH de la trométhamine (+2,1) est à peu près égal à celui du phosphate (1,8), mais dans le sens inverse (Tableau 2) 8.
Le choix d’un tampon plutôt que d’un autre dépend alors probablement de la sensibilité de la protéine individuelle à la direction du déplacement du pH et de toute interaction protéine-tampon spécifique. Il a été démontré que la trométhamine et l’histidine étaient de meilleurs stabilisants que le phosphate lorsque l’érythropoïétine était soumise à une contrainte à haute température, empêchant l’agrégation en facilitant la réversibilité du dépliage21. L’Ure2p s’est avéré plus stable contre la formation de fibrilles lorsqu’il est formulé dans de la trométhamine par rapport au phosphate22.
Histidine
L’histidine, un acide aminé essentiel, est de plus en plus courante dans les formulations de thérapies protéiques. Ayant un pKa de 6,1, il est idéal pour les formulations de protéines proches des conditions neutres (tableau 2).
Il a été démontré que l’histidine protège un anticorps monoclonal à l’état liquide et lyophilisé contre le stress thermique23-25. Des études portant sur la stabilité de l’interféron-tau ont montré que les formulations contenant de l’histidine (suivies de Tris puis de phosphate) étaient les plus stables contre l’agrégation induite par la chaleur. Cette stabilisation a été attribuée à la liaison directe de l’histidine à la protéine26. Au cours de la lyophilisation, il a été démontré que l’histidine et l’acide aspartique protègent les anticorps en agissant comme donneur de liaison hydrogène pour préserver les feuilles β intramoléculaires 24-25. De plus, l’histidine a les propriétés d’un antioxydant en raison de sa capacité à lier les ions fer et l’oxygène singulet24,27. L’inconvénient de l’utilisation de l’histidine est qu’il a été observé que les solutions d’histidine changent de couleur à des températures accélérées et à un pH acide, ainsi que d’extraire le fer de l’acier inoxydable24.
Acide gluconique, lactique et tartrique
L’acide gluconique, l’acide lactique et l’acide tartrique sont des excipients qui ont presque exclusivement été utilisés dans des formulations de petites molécules. Le gluconate de calcium a été autorisé pour le traitement des brûlures au fluorure d’hydrogène par application topique. Dans les cas plus graves, une perfusion d’une solution de gluconate de calcium à quatre pour cent dans une solution saline a été utilisée pour prévenir les dommages tissulaires 28. Sur les 23 formulations injectables disponibles dans le commerce contenant de l’acide lactique trouvées dans la base de données des ingrédients inactifs de la FDA, quatre formulations sont utilisées pour les produits biologiques – deux peptides et deux protéines. Sur les 12 formulations contenant de l’acide tartrique, une seule a été utilisée pour la formulation d’une protéine. Ces tampons peuvent être des substituts appropriés de l’acétate et du citrate.
L’acide gluconique est un composé naturellement formé à partir de l’oxydation du glucose. C’est un composé intéressant car il a le potentiel d’agir comme tampon, stabilisant et agent chélatant du fait de sa structure contenant des acides carboxyliques et des groupes hydroxyles.Il a été démontré que le tartarate
améliore la rétention du monomère par rapport au citrate dans une formulation d’anticorps à un pH de 4,0 à 4,5 lorsqu’il est stocké sous forme liquide à 25 ° C29. On a émis l’hypothèse que les groupes hydroxyles présents dans le tartarate, le citrate, le malate et par extension le lactate et le gluconate pourraient fournir des liaisons hydrogène stabilisantes dans la phase amorphe d’un gâteau lyophilisé30-31.
Acide aspartique et glutamique
L’acide aspartique et glutamique se trouve dans les perfusions administrées aux nourrissons et aux enfants présentant des concentrations plasmatiques insuffisantes en acides aminés. Dans TrophAmine®, l’aspartate et le glutamate sont perfusés à des concentrations respectives de 22 mM et 34 mm32. Ces concentrations sont suffisamment élevées pour fournir un tampon adéquat des formulations protéiques.
Il a été démontré que l’acide glutamique, lorsqu’il est formulé avec des quantités égales d’arginine, améliore la stabilité et la solubilité des protéines intracellulaires 23,33 et empêche l’agrégation pendant la reconstitution23,34-35. Des études sur l’insuline et l’albumine sérique humaine indiquent que l’ajout de glutamate et d’aspartate a pu inhiber la formation d’agrégats36-38. Des études avec le pegfilgrastim ont indiqué que la stabilité du pegfilgrastim formulé dans du glutamate ou du formiate était comparable à celle de l’acétate39.
Intermédiaires du cycle de l’acide citrique
Le citrate, le fumarate, l’α-cétoglutarate, le malate et le succinate sont tous des intermédiaires du cycle de l’acide citrique qui se révèlent sûrs et efficaces comme tampons ou contre-ions dans des formulations injectables. Le fumarate, l’α-cétoglutarate, le malate et le succinate ont été utilisés dans un nombre limité de produits (tableau 1). Il va de soi que les autres intermédiaires du cycle de Krebs peuvent également être appropriés pour une utilisation chez les parentéraux. Ces composés comprennent l’aconitate, l’isocitrate et l’oxaloacétate. Étant des acides carboxyliques divalents et trivalents, ils ont des pKa allant de 2,0 à 6,4, ce qui rend ces composés adaptés à une large gamme de formulations (tableau 2).
En raison de l’utilisation limitée de ces composés comme tampons, il n’est pas clair si la même douleur à l’injection associée aux injections sous-cutanées de citrate serait associée à ces composés. Cependant, il existe d’autres avantages associés à leur utilisation. Il a été démontré que le citrate induisait une gélification des solutions d’anticorps lorsque la concentration en protéines était supérieure à 100 mg/mL. Cela a été attribué à la nature trivalente du tampon. Le succinate, n’ayant que deux acides carboxyliques, n’a pas eu le même effet au même pH 40.
Conclusion
Il est essentiel de déterminer le pH et le système tampon corrects pour introduire les biothérapeutiques en clinique et sur le marché. Le besoin de nouveaux excipients ainsi qu’une meilleure compréhension des excipients existants est hautement souhaitable. L’histidine, la trométhamine et un certain nombre d’autres tampons alternatifs offrent des avantages par rapport aux excipients classiquement utilisés. L’utilisation de ces tampons alternatifs ne peut que contribuer à augmenter les outils dont disposent les formulateurs et peut permettre le développement d’une thérapeutique qui autrement aurait pu échouer. Pour stabiliser le grand nombre de thérapies protéiques en cours de développement, toutes les approches devraient être ouvertes à l’examen.
1. Osterberg, R. E., Demerlis, C. C., Hobson, D. W., Mcgovern, T. J. (2011) Tendances dans l’évaluation de l’innocuité des excipients. Int. J. Toxicologie. 30, 600-610
2. FDA (2005) Guidance for Industry: Nonclinical Studies for the Safety Evaluation of Pharmaceutical Excipients
5. Stoll, V. S., Blanchard, J.S. (1990) Tampons: Principes et pratique. Méthodes en enzymologie. 182, 24-38
6. Trevino, S. R., Scholtz, J. M., Pace, C. N. (2008) Mesure et augmentation de la solubilité des protéines. J. Pharm. Sci. 97, 4155-4166
7. Wang, W., Nema, S., Teagarden, D. (2010) Agrégation des protéines – Voies et facteurs d’influence. Int. J. Pharmacie. 390, 89–99
8. Jean-Pierre, D. (1977) Changes in Apparent pH on Freezing Aqueous Buffer Solutions and their Relevance to Biochemical Electron-Paramagnetic-Resonance Spectroscopy. Biochem. J. 167, 593-600.
27. Wade, A. M., Tucker, H.N. (1998) Antioxidant Characteristics of L-Histidine. J. Nutr. Biochem. 9, 308-315
32. B. Braun Medical Inc. TROPHAMINE – isoleucine, leucine, lysine acetate, methionine, phenylalanine, threonine, tryptophan, valine, cysteine hydrochloride, histidine, tyrosine, n-acetyl-tyrosine, alanine, arginine, proline, serine, glycine, aspartic acid, glutamic acid and taurine solution
34. Zhang M.Z., Wen J., Arakawa T., Prestrelski S.J. (1995) A New Strategy for Enhancing the Stability of Lyophilized Protein: The Effect of the Reconstitution Medium on Keratinocyte Growth Factor. Pharmacol. Res. 12, 1447–1452
36. Quinn, R., Andrade, J. D. (1983) Minimisant l’agrégation de Solutions d’insuline neutres. J. Pharm. Sci. 72, 1472-1473
39. Piedmonte, D. M., Treuheit, M. J. (2008) Formulation de Neulasta (pegfilgrastim). Adv. Examens de la livraison des médicaments. 60, 50–58
41. Sundaramurthi, P., Suryanarayanan, R., (2011) Prédire la propension à la cristallisation des Tampons d’acide carboxylique dans les systèmes congelés – Pertinence pour la lyophilisation. J. Pharm. Sci. 100, 1288–1293
42. Sundaramurthi, P., Suryanarayanan, R., (2011) Propriétés thermophysiques des Tampons Carboxyliques et d’acides aminés à des températures inférieures à Zéro: Pertinence pour la Stabilisation de l’État gelé. J. Phys. Chem. B. 115, 7154-7164
À propos de l’auteur
David Sek a obtenu son baccalauréat en chimie du Bates College et sa maîtrise en Chimie et Biologie chimique de l’Université Northeastern. Il a 10 ans d’expérience en tant que scientifique en formulation et a passé les huit dernières années à travailler chez Pfizer pour étudier la stabilité de nouveaux produits biothérapeutiques.