Biosimilari: il punto di vista del
farmacologo
Adriana Maggi
Direttore 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
XXI secolo
XX secolo
Farmaci di sintesi
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
I biofarmaci hanno dimensioni e struttura
molto più complesse dei prodotti chimici
Prodotti biotecnologici
Prodotti di sintesi
Aspirina
peso molecolare: 180 Da
Interferone beta:
peso molecolare: 19000 Da
Proteine terapeutiche - Svantaggi
1.
2.
3.
4.
5.
6.
nuove metodologie di produzione
riproducibilità nella produzione
purificazione della macromolecola di
sintesi
contaminanti nella purificazione
stabilità del prodotto finito
vie di somministrazione e farmacocinetica
Proteine terapeutiche – Vantaggi
1. Generalmente esercitano una attività estremamente mirata
e specifica
2. Data la loro specificità hanno limitati effetti collaterali
indesiderati
3. Data la loro alta specificità ed essendo di origine umana
sono generalmente ben tollerati
4. Possono sopperire a un difetto genetico – nuovi bersagli
terapeutici
5. 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
RICERCA PRECLINICA E FARMACI BIOTEC
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 METABOLISMO
FARMACOLOGIA GENERALE
TOSSICOLOGIA
FORMULAZIONE DEL DOSSIER PER INIZIO
SPERIMENTAZIONE CLINICA
Farmaci biotecnologici
•
New Biotech Drug and Vaccine Approvals/ New Indication Approvals by Year
from Biotechnology Industry Organization (2007).
Farmaci biotecnologici
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
•
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
abatacept
Orencia
rheumatoid arthritis
adalimumab
Humira
alefacept
Amevive
Erytropoietin
Epogen
Etanercept
Enbrel
Infliximab
Remicade
trastuzumab
Herceptin
rheumatoid arthritis,
ankylosing
spondylitis, psoriatic
arthritis
chronic plaque
psoriasis
anemia arising from
cancer chemotherapy,
chronic renal failure,
etc.
rheumatoid arthritis,
ankylosing
spondylitis, psoriatic
arthritis, psoriasis
rheumatoid arthritis,
ankylosing
spondylitis, psoriatic
arthritis, psoriasis,
Crohn's disease
breast cancer
Technology
Mechanism of Action
immunoglobin CTLA-4
T-cell deactivation
fusion protein
monoclonal antibody TNF antagonist
immunoglobin G1
fusion protein
incompletely
characterized
recombinant protein
stimulation of red
blood cell production
recombinant human
TNF-receptor fusion
protein
TNF antagonist
monoclonal antibody TNF antagonist
humanized
HER2/neu (erbB2)
monoclonal antibody 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
TNFa (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
TNFa 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
Nordisk),
(acilazione
LysB29,
Novo
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 - 6
catene di polietilen-glicole
Aumento di T1/2 (SC) a circa 6 giorni. Picco plasmatico 33 77 ore
Ridotta immunogenicità
la 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 anormale
1b che aumentano attività esistenti
1c che danno nuove funzioni/attività
Gruppo II: proteine terapeutiche con bersagli mirati
2a che interferiscono con l’attività fisio-patologiche
2b che rilasciano un composto terapeutico in un distretto
specifico
Gruppo III: vaccini proteici
3a che proteggono nei confronti di microorganismi esterni
3b per il trattamento di malattie autoimmuni
3c per la terapia anti-neoplastica
Gruppo IV proteine con attività diagnostica
Nature Drug Discovery June 2007
La complessità strutturale dei
biofarmaci richiede una complessità
nella produzione
Produzione di proteine terapeutiche
Processi diversi danno luogo a prodotti non identici tra loro
Il prodotto finale è il
risultato di numerose scelte
INIZIO
FINE
La scelta della
sequenza genica
La scelta del
downstream
processing
Typical Protein Production Process
La scelta del
vettore
La scelta
dell’organismo
per la produzione
La scelta delle
condizioni di
fermentazione
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
Controllo di qualità di proteine terapeutiche
Caratterizzazione della proteina
Determinazione dello stato di purezza
Saggio biologico
SDS PAGE/Western
Saggio immunologico
HPLC
SDS PAGE Western
Presenza di proteine seriche
Isoelectrofocusing
Presenza di proteine cellulari
HPLC
Presenza pirogeni
Mappa peptidica
Presenza di DNA cellulare
Sequenziamento N-terminale
Spettrometria di massa
Composizione in carboidrati
Composizione in acido sialico
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, undesired modifications
(e.g., methylation, acetylation,
formylation, proteolysis)
biologic, desired modifications
(e.g., glycosylation, phosphorylation,
sulfatation, acylation)
process related, undesired modifications of the tertiary and
quaternary structure (e.g., partial denaturation, aggregation)
L’esempio del : t-PA (527 amino-acid protein; 17 S-S bridges; 3 glycosylation
sites)
Eterogeneità determinate per via sperimentale
Variability in N-linked
carbohydrate side
chains
Oxidation of Cys
or Met residues
Deamidation of Asn residues
Additional O-Glycosylation
Proteolysis at Arg-X
Single-chain and
two-chain forms
N-terminal sequence length variation
NH2
References available
COOH
Total possible variants: 1.09 x 109
Spesso i farmaci biotecnologici sono
costituiti da una miscela di isoforme
Isoelectric Focusing: glycosylated product
is subfraction of cell culture isoforms
In-vivo Bioactivity
400000
14
13
12
11
10
350000
300000
[U/mg]
Cell
Pure
Culture Bulk
250000
200000
150000
100000
50000
0
5
7
8
9
10
11
12
Isoform Number
13
14
Eritropoietina sintetizzata da diversi
laboratori
Different biophysical characteristics when compared to the
innovator product (Eprex®)
Source: Schellekens H, EJHP, 3/2004,
Scientific Section, pp 43-47.
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 :
legame selettivo con il TNFa e
conseguente blocco della
interazione con i recettori del
TNF, p55 e p75

Etanercept: inibizione
competitiva del legame del TNF
ai recettori di superficie, che
previene le risposte cellulari
mediate dal TNF rendendo il
TNF biologicamente inattivo
Due farmaci con meccanismo d’azione
apparentemente identico
 Apparente maggiore efficacia di moAb anti-TNF vs
Etanercept
 Ma risposta clinica a Etanercept in alcuni casi nonresponsivi a Infliximab
 Blocco TNFa e b vs a solo
 Dosaggi diversi?
 Effetto biologico diverso? (efficacia in m.
granulomatose, i.e. Crohn)
Biosimilari in quanto sono simili, non
identici, ai prodotti originali copiati
EMEA 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