Synthesis and Characterization of Cefovecin Impurities for regulatory Control Strategies and a Feasibility Assessment of a Hydrogenation in a Continuous Flow Reactor
Gli antibiotici β-lattamici sono una delle classi di farmaci più rilevante per il trattamento di malattie associate ad infezioni batteriche. Il primo antibiotico β-lattamico ad essere scoperto e successivamente commercializzato è stata la penicillina G nel 1929 dallo scienziato inglese Alexander Fleming. Conseguentemente diversi altri antibiotici β-lattamici sono stati introdotti nel panorama terapeutico, rivoluzionando così il trattamento delle infezioni. Tuttavia, parallelamente alla scoperta e sintesi di nuovi antibiotici β-lattamici, il fenomeno della resistenza batterica ha iniziato a compromettere l’efficacia stessa di queste molecole causando, in alcuni casi, il fallimento delle terapie farmacologiche. In generale, gli antibiotici β-lattamici sono degli agenti antimicrobici ad ampio spettro e vengono suddivisi in cinque sottocategorie, tutte caratterizzate dalla presenza di un anello β-lattamico, recante un gruppo amminico secondario (RNH-), ad eccezione dei carbapenemi, che possiedono un sostituente idrossietilico (Fig.1).
Tra gli antibiotici β-lattamici, le Cefalosporine sono molecole caratterizzate dalla presenza di un anello diidrotiazinico condensato ad un anello β-lattamico; ad oggi sono classificate in cinque diverse generazioni, in funzione dei sostituenti in R1 e R2, che conferiscono attività e spettro d’azione differenti (Fig.1).
ACS DobFar S.p.A. è un’azienda italiana genericista e terzista specializzata nella produzione di antibiotici β-lattamici sia per uso umano che veterinario. Tra le varie attività di produzione vi è quella riguardante il Cefovecin, una cefalosporina di terza generazione autorizzata per il trattamento di infezioni cutanee causata da Pasteurella multocida nei gatti e da Staphylococcus intermedius e Streptococcus canis nei cani.
La sintesi e la caratterizzazione di alcune impurezze del Cefovecin per scopi regolatori hanno rappresentato l’obiettivo di questo elaborato di tesi. Nel dettaglio, l’identificazione e caratterizzazione chimica delle impurezze in un prodotto finale o in un intermedio di reazione rappresentano degli step essenziali nel processo di sviluppo di un farmaco. Gli enti regolatori richiedono che per ciascuna impurezza, derivante sia da processi degradativi e/o da reazioni secondarie, di effettuare una caratterizzazione completa e di dimostrare quantitativamente e qualitativamente la presenza e/o assenza di esse al fine di garantire qualità, sicurezza ed efficacia del prodotto finale. Inoltre, conoscere la struttura chimica di un’impurezza è essenziale per comprenderne i meccanismi di formazione e di conseguenza migliorare i processi chimici di sintesi per ridurre e/o eliminare la loro presenza.
Un’altra attività svolta durante il mio periodo di tesi in ACS Dobfar, parallelamente alla sintesi e caratterizzazione delle impurezze del Cefovecin, ha previsto uno studio di fattibilità di una reazione di idrogenazione, mediante l’impiego di un reattore che lavora in flusso, H-Cube® Mini Plus (ThalesNano). Questo tipo di studio ha richiesto l’applicazione del Design of Experiments (DoE) al fine di individuare le condizioni di reazione ottimali sulla base della conoscenza della stabilità e del processo di sintesi della molecola di interesse. Rispetto all’approccio tradizionale “one-at-a-time”, in cui tutti i fattori vengono tenuti costanti e se ne modifica uno per volta cercando di capire come varia la risposta, il DoE permette la variazione di più fattori contemporaneamente. Di fatto il DoE è un’analisi statistica, multivariata che permette di comprendere la rilevanza dei diversi fattori sulla risposta, garantendo un risparmio economico, di tempo ed energie.
β-lactam antibiotics are one of the most important classes of drugs for the treatment of bacterial infections. The first β-lactam antibiotic to be discovered and subsequently marketed was penicillin G in 1929 by the English scientist Alexander Fleming. Subsequently, several other β-lactam antibiotics were introduced into the therapeutic panorama, thus revolutionizing the treatment of infections. Despite the discovery and synthesis of new β-lactam antibiotics, the phenomenon of bacterial resistance has limited the efficacy of these molecules, leading, in some cases, to the failure of pharmacological therapies.
In general, β-lactam antibiotics are broad-spectrum antimicrobial agents and are divided into five subcategories, all characterized by the presence of a β-lactam ring, bearing a secondary amino group (RNH-), with the exception of carbapenems, which have a hydroxyethyl substituent (Fig. 1).
Among β-lactam antibiotics, cephalosporins are molecules characterized by the presence of a dihydrothiazine ring condensed to a β-lactam ring. They are classified into five different generations, depending on the substituents in R1 and R2, which confer different activity and spectrum of action (Fig.1).
ACS DobFar S.p.A. is an Italian generic pharmaceutical and contract manufacturing company specializing in the production of β-lactam antibiotics for both human and veterinary use. Cefovecin, a third-generation cephalosporin authorized for the treatment of skin infections caused by Pasteurella multocida in cats and Staphylococcus intermedius and Streptococcus canis in dogs, represents one of the manufacturing activities.
The synthesis and characterization of some impurities of Cefovecin for regulatory purposes were the aim of this thesis. In detail, the identification and chemical characterization of impurities in a final product or in intermediate reaction represent essential steps in the development process of a drug. Regulatory agencies require for each impurity, deriving from both degradation processes and/or secondary reactions, a complete characterization and a quantitatively and qualitatively evaluation of their presence and/or absence to guarantee the quality, safety and efficacy of the final product. Furthermore, knowing the chemical structure of an impurity is essential to understand its formation mechanisms and consequently improve the chemical synthesis processes to reduce and/or eliminate their presence.
A feasibility study of a hydrogenation reaction, using a flow reactor, H-Cube® Mini Plus (ThalesNano), was another activity performed during my thesis period at ACS Dobfar. The Design of Experiments (DoE) was adopted to identify the optimal reaction conditions based on the knowledge of the stability and the synthesis process of the molecule of interest. Compared to the traditional “one-at-a-time” approach, in which all the factors are kept constant and one at a time is changed trying to understand how the response varies, the DoE allows the variation of multiple factors at the same time. In fact, the DoE is a statistical, multivariate analysis that allows us to understand the relevance of the different factors on the response, saving time, money and energy.