Polisorbati, bioterapeutici e anafilassi: A Review

L’uso rapidamente crescente di anticorpi monoclonali (MAbs) nel trattamento di malattie neoplastiche, autoimmuni e infiammatorie ha portato a un drammatico aumento delle reazioni di ipersensibilità in tutto il mondo, complicando l’uso dei MAbs come terapia di prima linea e limitando la sopravvivenza e la qualità della vita dei pazienti (1). Le origini dell’anafilassi non sono ben comprese, anche se il suo meccanismo è abbastanza semplice (Figura 1). Di solito viene attribuita a qualche proprietà intrinseca indefinita o alle proprietà di un bioterapeutico – nonostante il fatto che le formulazioni bioterapeutiche siano necessariamente complesse e includano una serie di eccipienti funzionali. Questi aiutano i prodotti farmaceutici ad affrontare le sfide rigorose della durata di conservazione, della stabilizzazione, della solubilità, della ricostituzione dopo la liofilizzazione e della propensione delle proteine ad aggregarsi – specialmente alle alte concentrazioni tipicamente usate per ridurre il volume e il tempo di somministrazione delle MAb.

Circa il 70% di tutte le formulazioni MAb contengono PS-20 o PS-80 (2). I tensioattivi polisorbati (PS) sono una di queste famiglie di eccipienti incorporati in molti bioterapeutici per prevenire l’aggregazione delle proteine e la perdita di efficacia associata. Sebbene i polisorbati siano efficaci in questo ruolo, essi contengono legami eterei (all’interno di società poliossietileniche) e catene alchiliche insature che si auto-ossidano spontaneamente in soluzioni acquose per formare specie chimiche immunogene e anafilattogene, compresi idro- e alchil-perossidi, acidi epossidici e aldeidi reattive come formaldeide e acetaldeide. I polisorbati inoltre si idrolizzano in soluzioni acquose per rilasciare acidi grassi liberi che possono aumentare la torbidità della soluzione. La variabilità da lotto a lotto supera un ordine di grandezza nella concentrazione di specie chimicamente reattive come i perossidi (3).

L’immunogenicità dei bioterapeutici è una preoccupazione seria e crescente per la Food and Drug Administration (FDA) statunitense e l’Agenzia europea per i medicinali (EMA). Continuerà ad avere un’influenza significativa e crescente sullo sviluppo e sull’approvazione normativa sia dei biosimilari che dei nuovi bioterapeutici innovatori (4).

L’anafilassi, invece, è una reazione allergica che, sebbene grave, è generalmente trascurata e accettata come una proprietà inevitabile delle stesse proteine bioterapeutiche. Pochi o nessun tentativo è stato fatto per differenziare e separare la sua fonte effettiva nei prodotti biologici. Sebbene l’immunogenicità indesiderata indotta dal polisorbato sia ben documentata, poca attenzione è stata dedicata all’anafilassi indotta dal polisorbato (5-14). Le autorità regolatorie si concentrano comprensibilmente sull’efficacia comparabile nella valutazione dei biosimilari. Ma un’efficacia simile non implica necessariamente un profilo di sicurezza simile tra prodotti innovativi e biosimilari. Sia l’immunogenicità indesiderata che l’anafilassi dovrebbero comprendere componenti importanti della valutazione della sicurezza dei bioterapeutici.

L’anafilassi è tipicamente di rapida insorgenza e si manifesta nel corso di minuti o ore. In alcuni casi, può causare la morte (15, 16). Il meccanismo sottostante è un rilascio di mediatori da certi tipi di globuli bianchi che può essere innescato da meccanismi immunologici o non immunologici (16). Le cause più comuni includono punture di insetti, allergie alimentari e farmaci.

In quest’ultima categoria, gli eccipienti polisorbati comunemente usati PS-80 e PS-20 si trovano in oltre il 70% delle MAb e di altri bioterapeutici proteici, e ora hanno dimostrato di causare anafilassi nei pazienti che ricevono questi farmaci. I sintomi dell’anafilassi si manifestano nell’arco di minuti fino ad ore, con un’insorgenza media in 5-30 minuti se l’esposizione avviene per via endovenosa, colpendo la pelle, il sistema respiratorio, il tratto gastrointestinale, il cuore e la vascolarizzazione, e il sistema nervoso centrale (15). I sintomi includono orticaria, prurito, rossore o gonfiore (angioedema); edema linguale, laringeo e faringeo; naso che cola ed edema congiuntivale. I possibili sintomi respiratori includono mancanza di respiro, spasmo bronchiale e ostruzione delle vie aeree superiori secondaria al gonfiore (17-19). Lo spasmo dell’arteria coronaria può essere associato a un calo della pressione sanguigna o a uno shock, che a volte porta a un successivo infarto del miocardio, a una disritmia o a un arresto cardiaco. I trattamenti per l’anafilassi includono il posizionamento del paziente in posizione orizzontale e la somministrazione di antistaminici, steroidi, fluidi endovenosi ed epinefrina intramuscolare (17, 20).

Tra i bioterapeutici, l’ipersensibilità ai farmaci e l’anafilassi sono state segnalate per una serie di MAbs – rituximab, ofatumumab, obinutuzumab, trastuzumab, cetuximab, tocilizumab, infliximab, etanercept, adalimumab, abciximab, golimumab, certolizumab, brentuximab, bevacizumab e omalizumab – tutti formulati con tensioattivi polisorbati (1, 5, 21).

Natura chimica dei polisorbati: I polisorbati svolgono un ruolo positivo nelle formulazioni bioterapeutiche. Prevengono l’aggregazione – importante perché le proteine aggregate sono immunogene e possono indurre il sistema immunitario del paziente a generare anticorpi neutralizzanti, riducendo o eliminando così l’efficacia di un farmaco somministrato. Tuttavia, una serie di carenze associate ai polisorbati devono essere affrontate con urgenza, soprattutto ora che i bioterapeutici stanno aumentando il loro ruolo nel trattamento di un numero crescente di tumori e altre importanti malattie pericolose per la vita.

I polisorbati sono esteri complessi di specie strutturalmente diverse e (in alcuni casi) chimicamente reattive. PS-20 e PS-80 (Tween 20 e Tween 80) sono miscele di esteri di acidi grassi strutturalmente correlati di poliossietilene sorbitano e acido laurico o oleico, rispettivamente. Nel PS-20, la frazione monolaurato comprende il 40-60% delle catene alchiliche, con gruppi alchilici di diversa lunghezza della catena che costituiscono il resto delle molecole. Nel PS-80, circa il 60% delle catene alchiliche deriva dall’acido oleico, mentre il resto degli esteri deriva da altri acidi grassi (22). Tutti i polisorbati disponibili in commercio contengono anche quantità misurabili di poliossietilene, poliossietilene sorbitano ed esteri di acidi grassi isosorbide poliossietilene (22-24).

I polisorbati subiscono un’auto-ossidazione intrinseca che produce idro- e alchil-perossidi reattivi (25-30) e aldeidi reattive come la formaldeide e l’acetaldeide (31), che inducono l’immunogenicità delle proteine solubili.

Anafilassi indotta da polisorbato
Le proprietà anafilattoidi del PS-80 sono sempre più documentate nella letteratura clinica. L’identificazione della precisa causa meccanicistica dell’anafilassi indotta dal polisorbato è complicata dalla complessa natura chimica dei tensioattivi polisorbati. Gli studi preclinici sugli animali hanno identificato un certo numero di specie molecolari specifiche che inducono l’anafilassi.

Già nel 1985, Masini et al. hanno dimostrato il rilascio di istamina indotto dal polisorbato nei tessuti periferici e nei mastociti isolati, nonché le risposte emodinamiche (32). Nel 1997, Bergh et al. riferirono che l’esposizione all’aria a soluzioni acquose di PS-80 produceva formaldeide e acetaldeide in quantità tali da suscitare reazioni allergiche in alcuni individui (33). Questi ultimi autori hanno profeticamente avvertito gli sviluppatori di farmaci di prendere in considerazione la possibilità che si formino composti allergenici durante la produzione, la conservazione e la manipolazione di prodotti contenenti polisorbato e tensioattivi chimicamente simili.

Coors et al. hanno condotto un esame approfondito del PS-80 come induttore di gravi reazioni anafilattoidi (34). La loro vasta gamma di metodologie di rilevamento ben accettate e sensibili comprendeva test cutanei, test di immunosorbimento enzimatico (ELISA), immunoblotting delle immunoglobuline E (IgE) e rilevamento citometrico a flusso dell’attivazione dei basofili in pazienti di controllo e altri con una storia medica di shock anafilattico dovuto alla somministrazione endovenosa di un prodotto multivitaminico durante la gravidanza (un surrogato dei farmaci somministrati per via endovenosa). Né gli ELISA né gli immunoblot hanno identificato anticorpi IgE specifici al polisorbato, confermando la natura non immunologica della reazione anafilattica. Questo studio ha dimostrato che PS-80 può causare gravi reazioni anafilattoidi non immunologiche.

Sun et al. hanno valutato l’effetto di sensibilizzazione di PS-80 da diversi lotti di produzione nei cani, osservando diversi gradi di reazione anafilattoide (35). Allo stesso modo, valutando 10 lotti di soluzioni PS-80 di diversi fornitori, Yang et al. hanno scoperto che le impurità PS-80 formatesi spontaneamente come perossidi e residui di acidi grassi ossidati (presenti a livelli variabili in ogni lotto testato) hanno indotto reazioni anafilattoidi in un modello di zebrafish in vivo (36).

Qiu et al. hanno dimostrato che il polisorbato 80 induce le tipiche reazioni anafilattiche non immunitarie (pseudoallergia) nei cani – caratterizzate dal rilascio di istamina e anticorpi IgE non variati (37). PS-80 ha indotto il rilascio di istamina con un aumento di due volte di SC5b-9, un aumento di 2,5 volte di C4d e di 1,3 volte di Bb, mentre le IgE sono rimaste invariate. PS-80 ha causato stress cardiopolmonare nei cani e ha attivato i loro sistemi di complemento attraverso vie classiche e alternative, come indicato sia per le preparazioni in vivo che in vitro.

Con la crescente importanza e l’uso di routine di un numero crescente di bioterapeutici, stanno aumentando anche i rapporti clinici di anafilassi indotta da polisorbato. Per esempio, le reazioni si sono verificate dopo la somministrazione in due pazienti che ricevevano omalizumab (38). I test intradermici hanno prodotto significative reazioni di siero e brillamento (orticaria e angioedema) al PS-20 che non sono apparse nei soggetti di controllo negativi. I dati immunologici in vitro e in vivo supportano la conclusione che le reazioni avverse sperimentate dai due pazienti dopo più di un anno di terapia con successo con omalizumab erano probabilmente di natura anafilattoide. Gli autori di un precedente rapporto di anafilassi inspiegabile da omalizumab non avevano considerato la possibile associazione con PS-20 (39).

I pazienti che ricevono gli ormoni della crescita delle cellule rosse darbepoietina ed eritropoietina hanno anche sviluppato reazioni di ipersensibilità (40). Sulla base dei test cutanei successivi e dei sintomi clinici osservati, gli investigatori hanno concluso che la causa di quelle reazioni era l’eccipiente PS-80. Gli autori credono anche che potrebbe aver contribuito a un’incidenza correlata di aplasia dei globuli rossi pura.

In uno studio che ha confrontato formulazioni di etoposide con e senza PS-80 usando lo stesso protocollo di premedicazione, un paziente ha mostrato una reazione di ipersensibilità alla formulazione contenente PS-80 ma nessuno con la formulazione di etoposide che non lo contiene (41). Gli autori hanno concluso che la reazione di ipersensibilità era probabilmente dovuta a PS-80 piuttosto che all’etoposide stesso.

Badiu et al. hanno riportato molteplici casi di anafilassi indotta da PS-80 derivanti dalla somministrazione di una serie di vaccini (42). Una ragazza di 17 anni ha manifestato orticaria generalizzata, angioedema palpebrale, rinocongiuntivite, dispnea e respiro sibilante un’ora dopo la sua terza somministrazione intramuscolare del vaccino quadrivalente contro il papilloma virus umano Gardasil (Merck), che contiene PS-80. I test intradermici erano positivi con quel prodotto, mentre i test cutanei con il vaccino bivalente (non contenente PS-80) erano negativi. I prick test del PS-80 erano positivi nel paziente e negativi in 10 controlli sani. Il risultato del test di attivazione dei basofili CD203 era negativo per PS-80 a tutte le diluizioni testate, e non è stata trovata nessuna IgE specifica. Gli autori hanno anche testato sulla pelle due vaccini antinfluenzali: uno contenente PS-80 (Fluarix di GlaxoSmithKline), che ha dato una reazione positiva, e un altro vaccino antinfluenzale senza adiuvante o conservante (Vaxigrip di Sanofi Pasteur MSD), che ha dato risultati negativi.

Limaye et al. hanno riportato un caso di reazione allergica all’eritropoietina in cui un paziente ha sviluppato prurite generalizzata, eritema e angioedema orofacciale (43). La formulazione di eritropoietina Eprex (Johnson & Johnson) conteneva eritropoietina umana ricombinante e PS-80 come eccipiente (0,15 mg/mL). I test intradermici sequenziali con concentrazioni crescenti di quel filgrastim e Neupogen di Amgen (contenente polisorbato a 0,04 mg/mL) hanno dato reazioni positive, mentre una preparazione di eritropoietina senza polisorbato ha dato risultati negativi. Il test intradermico con polisorbato di grado farmaceutico ha dato come risultato una reazione locale positiva seguita da un lieve angioedema orofacciale un’ora dopo. Nessuna reazione è stata osservata in un soggetto di controllo (43). Purcell et al. hanno anche identificato il polisorbato 80 come probabile causa di una risposta immunitaria all’eritropoietina quando l’albumina umana è stata sostituita da polisorbato 80 e glicina (44).

Ipersensibilità ai farmaci e anafilassi sono state riportate per il fattore VIII, darbopoietina, eritropoietina e una serie di MAbs, che contengono tutti un surfattante polisorbato (1, 5, 21, 43). Lesioni orticariformi sono state descritte in pazienti in trattamento con infliximab, adalimumab, etanercept e ustekinumab – quattro farmaci MAb contenenti polisorbato 80 (45-47). Inoltre, risposte anafilattiche indotte dal polisorbato sono state riportate in classi di farmaci non biologici contenenti polisorbato: vitamina A (48), alcuni steroidi (49-51), e il farmaco antivirale acyclovir (52).

Separare l’anafilassi indotta da MAb da quella indotta da PS
Anche se è chiaro che i polisorbati possono e inducono risposte anafilattiche, sembra che nessuno studio clinico attuale cerchi di differenziare l’anafilassi indotta da polisorbati da quella indotta da sostanze farmacologiche. Per farlo, dovrebbero essere condotti studi separati sui veicoli. L’anafilassi si verifica solo in una piccola frazione di pazienti, che hanno tutti avuto diverse storie di esposizione ai polisorbati da trattamenti precedenti. Quindi selezionare coorti di controllo multiple (quelle senza precedente esposizione ai polisorbati e quelle con precedente esposizione in tempi diversi) è proibitivo e aggiungerebbe ulteriori costi al già costoso processo di test clinici e approvazione normativa. La sostituzione di tensioattivi non ionici alternativi come gli alchilsaccaridi nei biosimilari, confrontando poi i tassi di anafilassi negli studi clinici, potrebbe iniziare a rispondere a questa domanda (3, 4).

Prevenire il problema
Gli incentivi clinici e commerciali per sostituire i polisorbati sono chiari. Per i bioterapeutici innovativi, ridurre al minimo l’anafilassi offrirebbe significativi benefici clinici e di sicurezza ai pazienti – possibilmente riducendo il tempo e il costo del pretrattamento con antistaminici e steroidi. Con più di 900 biosimilari e più di 600 biobetterie attualmente in sviluppo (53), le preoccupazioni per gli alti costi di sviluppo hanno portato alcuni esperti del settore a concludere che il prezzo dei biosimilari potrebbe essere inferiore solo del 20% a quello dei corrispondenti prodotti innovatori.

Questo solleva una barriera per i medici per giustificare il passaggio dei pazienti da prodotti innovatori ben caratterizzati a biosimilari di nuova introduzione senza qualche chiaro e sostanziale beneficio clinico in offerta. La sostituzione dei polisorbati con tensioattivi che riducono al minimo gli episodi di anafilassi senza consentire una progressiva degradazione delle proteine o un aumento dell’immunogenicità soddisferebbe un bisogno critico, fornendo al contempo un sostanziale beneficio clinico differenziante per tutti gli interessati: pazienti, medici e pagatori terzi.

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Edward T. Maggio, PhD, è presidente e amministratore delegato di Aegis Therapeutics LLC, 11770 Bernardo Plaza Court, Suite 353, San Diego, CA 92128; 1-858-618-1400, fax 1-858-618-1441, mobile 1-858-967-6840; [email protected].