På opdagelse i grænsefladen
Proteiner i lægemidler sætter sig ofte på emballage med risiko for, at patienten får en utilstrækkelig dosis. Bedre materialekendskab samt tilsætning af hjælpestoffer til lægemidler kan eliminere eller formindske problemet.
Af Susanne Møllmann, Ulla Elofsson, Marco van de Weert, Jens Thostrup Bukrinsky og Sven Frøkjær.
Fra Lægemiddelforskning 2003
- Tilgængelige grænseflader i et injektionspræparat.
Proteiner og peptider udgør i dag de aktive stoffer i en anseelig andel af alle lægemidler. Ofte er der tale om hormoner som insulin og væksthormon, som kroppen selv danner, og lægemidlerne har derfor en meget specifik virkning selv ved lave koncentrationer.
Netop fordi man anvender lave koncentrationer, er det vigtigt, at patienten får den tilsigtede mængde lægemiddelstof, samt at proteinet er biologisk aktivt. Derfor tager man ved formulering og emballering af lægemidlet hensyn til processer, som kan føre til mængdetab eller biologisk inaktivering. Proteiner gives normalt som injektionspræparater, og her har proteiner tendens til at sætte sig på infusionsposer, hætteglas og ampuller med det resultat, at mængden af aktivt lægemiddelstof formindskes. For nogle proteiner inaktiveres helt op til 80 procent af indholdet i emballagen, hvilket naturligvis er uacceptabelt.
Der forskes derfor løbende i nye materialer og hjælpestoffer, som kan forhindre uønskede reaktioner mellem proteiner og de typer af emballage og medicinsk udstyr, som lægemidlet kommer i kontakt med.
Proteiner og grænseflader
Proteiner består af både hydrofile (vandelskende) og hydrofobe (vandskyende) aminosyrer, og det gør dem grænseflade-aktive af natur. En grænseflade opstår, når en opløsning kommer i kontakt med et fast stof, en gas eller en væske, som ikke er blandbar med opløsningen.
Proteiner i opløsninger søger normalt mod grænsefladerne, hvor de akkumuleres, hvilket kaldes for adsorption. De hydrofile aminosyrer i proteinet vil helst befinde sig i vandet, mens de hydrofobe aminosyrer søger at undgå vandet, f.eks. ved at søge mod grænsefladen mellem vand og fast stof.
Vekselvirkninger mellem hydrofobe aminosyrer og grænseflader er den vigtigste årsag til, at proteinerne adsorberes til grænseflader, men også tiltrækning mellem modsat rettede ladninger på protein og grænseflade har betydning.
Interaktionen mellem protein og grænseflade er normalt stærkest ved meget hydrofobe grænseflader som luft, silikone eller Teflon, der virker som magneter på de hydrofobe aminosyrer i proteinet. Hydrofile grænseflader har egenskaber, der minder om vands egenskaber, og skal derfor konkurrere med den vandige opløsning om at tiltrække proteinerne.
Proteiner består af en kæde af aminosyrer, som er foldet sammen i en kompliceret tredimensionel struktur, som er nødvendig for at få den ønskede virkning i kroppen. Når proteiner kommer i kontakt med hydrofobe grænseflader, sker det ofte, at deres rummelige struktur ændres for at øge antallet af hydrofobe aminosyrer på overfladen og derved forbedre interaktionen med grænsefladen.
I værste fald kan udfoldning af nogle få proteiner på en grænseflade have en autokatalytisk virkning på resten af proteinerne i opløsningen, fordi udfoldningen øger størrelsen af det tilgængelige hydrofobe areal, hvorefter flere molekyler søger mod området med de allerede udfoldede proteiner.
Dét kan i sidste ende føre til dannelse af større aggregater af biologisk inaktive proteiner. Aggregater er uønskede i lægemidler, ikke blot fordi de ofte er biologisk inaktive, men også fordi aggregaterne kan føre til tilstopning af nåle og katedre. Desuden kan man forestille sig, at kroppens immunforsvar aktiveres som reaktion på den ukendte form af proteinet.
For injektionspræparater er der flere problematiske grænseflader i det færdige produkt; mellem væske og emballage samt mellem væske og luft. Akkumulation ved grænsefladerne kan forhindres eller formindskes ved at udvælge hjælpestoffer og emballage til lægemidlet med omhu.
- Figuren viser en adsorptionsisoterm for adsorption af insulin til overfladen ved forskellige koncentrationer af insulin
Adsorption til overflader
Projektets formål er at studere adsorptionsprocessen nærmere samt at undersøge effekten af forskellige hjælpestoffer til at forhindre adsorption af proteiner. I forsøgene blev insulin anvendt som modelprotein og bl.a. Teflon til at skabe grænsefladen. Insulin i opløsning befinder sig i en ligevægt mellem forskellige former bestående af individuelle molekyler (monomere) og komplekser af to molekyler (dimer), samt seks molekyler (hexamer).
Monomeren er den mest hydrofobe form, fordi de hydrofobe aminosyrer eksponeres på overfladen. Hexameren er den mest hydrofile form, da de hydrofobe aminosyrer gemmes i kompleksets indre. Derfor er det sandsynligt, at det primært er monomerformen af insulin, som adsorberes til grænseflader.
De foreløbige undersøgelser viser, at insulin adsorberes hurtigt og i stor mængde til Teflon. Efter en tid når mængden af adsorberet insulin et plateau, hvorefter ingen yderligere adsorption sker, selv om koncentrationen øges. Det tyder på, at hele overfladen er dækket med insulin, så der ikke er flere tilgængelige hydrofobe områder. Procentuelt adsorberes der mere insulin fra en opløsning med en lav koncentration end fra en opløsning med en højere koncentration.
- Samspil mellem insulin og en overflade af Teflon:
- A: Insulin i en opløsning er i ligevægt mellem individuelle molekyler samt komplekser med to og seks molekyler. Det er sandsynligvis de individuelle insulinmolekyler, som adsorberes til grænseflader og efterfølgende udfoldes.
- B: Udfoldede insulinmolekyler dækker hele overfladen. Jo lavere koncentrationen i opløsningen er, des større procentdel af den samlede mængde insulin adsorberes til overfladen.
- C: Overfladeaktive hjælpestoffer kan dække overfladen og hindre adsorption af insulin.
- D: Overfladeaktive stoffer kan endda fjerne insulin, som allerede er adsorberet til overfladen.
Insulin og Teflon
Undersøgelserne viser, at insulin og Teflon ikke er den optimale cocktail inden for lægemiddelfremstilling. Der findes sandsynligvis andre materialer, hvis forligelighed med insulin er bedre, som kan anvendes i stedet.
En anden mulighed er at udvælge hjælpestoffer, som kan forhindre adsorptionen. Hjælpestoffernes funktion kunne for eksempel være at stabilisere hexamerformen af insulin i opløsningen, som jo ikke adsorberes til Teflon.
Overfladeaktive hjælpestoffer vil også kunne anvendes, fordi de kan konkurrere med insulin om at adsorbere til Teflon-overfladen og i visse tilfælde ligefrem fortrænge insulin-molekylerne.
Insulin og Teflon
Til studierne af interaktionen mellem insulin og Teflon anvendes forskellige optiske metoder, blandt andet ellipsometri. Et ellipsometer måler polariseringen af lys, som reflekteres fra en overflade. Da Teflon ikke er reflekterende i sig selv, er der udviklet en speciel Teflonlignende overflade, som reflekterer lys. Når insulin adsorberes til overfladen, ændres polariseringen af det reflekterede lys.
