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

I FARMACI BIOTECNOLOGICI 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

Prodotti biotecnologici I biofarmaci hanno dimensioni e struttura molto più complesse dei prodotti chimici Prodotti biotecnologici Prodotti di sintesi Interferone beta: peso molecolare: 19000 Da Aspirina peso molecolare: 180 Da

Proteine terapeutiche - Svantaggi 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 Generalmente esercitano una attività estremamente mirata e specifica Data la loro specificità hanno limitati effetti collaterali indesiderati Data la loro alta specificità ed essendo di origine umana sono generalmente ben tollerati Possono sopperire a un difetto genetico – nuovi bersagli terapeutici 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 ) 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 Technology Mechanism of Action abatacept Orencia rheumatoid arthritis immunoglobin CTLA-4 fusion protein T-cell deactivation adalimumab Humira rheumatoid arthritis, ankylosing spondylitis, psoriatic arthritis monoclonal antibody TNF antagonist alefacept Amevive chronic plaque psoriasis immunoglobin G1 fusion protein incompletely characterized Erytropoietin Epogen anemia arising from cancer chemotherapy, chronic renal failure, etc. recombinant protein stimulation of red blood cell production Etanercept Enbrel rheumatoid arthritis, ankylosing spondylitis, psoriatic arthritis, psoriasis recombinant human TNF-receptor fusion protein Infliximab Remicade rheumatoid arthritis, ankylosing spondylitis, psoriatic arthritis, psoriasis, Crohn's disease trastuzumab Herceptin breast cancer humanized monoclonal antibody HER2/neu (erbB2) 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 (acilazione LysB29, Novo Nordisk), 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 Biologics are manufactured using living systems and cell cultures. Biological molecules are inherently variable. They are sensitive to light, temperature, and other environmental conditions. Precisely controlling the manufacturing process is necessary to obtain consistent results.

Produzione di proteine terapeutiche Processi diversi danno luogo a prodotti non identici tra loro FINE Il prodotto finale è il risultato di numerose scelte La scelta del downstream processing La scelta della sequenza genica INIZIO Typical Protein Production Process La scelta del vettore La scelta delle condizioni di fermentazione La scelta dell’organismo per la produzione

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, desired modifications (e.g., glycosylation, phosphorylation, sulfatation, acylation) biologic, undesired modifications (e.g., methylation, acetylation, formylation, proteolysis) 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 COOH Total possible variants: 1.09 x 109 References available

Spesso i farmaci biotecnologici sono costituiti da una miscela di isoforme Isoelectric Focusing: glycosylated product is subfraction of cell culture isoforms In-vivo Bioactivity Cell Culture Pure Bulk 14 13 12 11 10

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 non-responsivi 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