DISERTASI PEMBENTUKAN PRODRUG KARBAMAZEPIN-ASAM AMINO SEBAGAI UPAYA MEMPERBAIKI SIFAT FISIKOKIMIA DAN BIOAVAILABILITAS KARBAMAZEPIN
DISERTASI
PEMBENTUKAN PRODRUG KARBAMAZEPIN-ASAM AMINO
SEBAGAI UPAYA MEMPERBAIKI SIFAT FISIKOKIMIA DAN
BIOAVAILABILITAS KARBAMAZEPIN
(CARBAMAZEPINE-AMINO ACID PRODRUGS
TO IMPROVE PHYSICOCHEMICAL PROPERTIESAND BIOAVAILABILITY OF CARBAMAZEPINE)
DEWI ISADIARTUTI
NIM 090970201
PROGRAM STUDI S3 MIPA
FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI
UNIVERSITAS AIRLANGGA
2015
LEMBAR PENGESAHAN
Naskah disertasi ini telah disetujui Pada tanggal 10 Maret 2015
Oleh:
PROMOTOR
Prof. Dr. Tutuk Budiati, Apt., M.S
NIP. 194801261976032001
KO-PROMOTOR
Prof. Dr. Suwaldi Martodihardjo, Apt., M.Sc
NIP 194805071976031001
Mengetahui,
DEKAN
FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI
UNIVERSITAS AIRLANGGA
Prof. Dr. Win Darmanto, M.Si, PhD.
NIP. 196106161987011001
ii Disertasi ini telah diuji pada Ujian Tertutup Tanggal: 11 Februari 2015 _____________________________________________________________________ PANITIA PENGUJI DISERTASI Ketua : Dr. Alfinda Novi Kristanti, DEA.
: 1. Prof. Dr. Tutuk Budiati, Apt., M.S. (Promotor) Anggota
2. Prof. Dr. Suwaldi Martodihardjo, Apt., M.Sc. (Ko-Promotor) 3. Dr. Achmad Radjaram, Apt.
4. Dr. Fahimah Martak, M.Si.
5. Dr. Hari Basuki Notobroto, dr., M.Kes.
6. Prof. Dr. rer.nat. Moch.Yuwono, Apt., M.S.
7. Dr. Dwi Setyawan, S.Si., Apt., M.Si.
Ditetapkan dengan Surat Keputusan Dekan Fakultas Sains dan Teknologi
Universitas Airlangga Nomor: 119/UN3.1.8/2015
Tanggal 30 Januari 2015
iii
DAFTAR ISI Halaman
Halaman JUDUL ................................................................................................ i Halaman PENGESAHAN ................................................................................... ii PANITIA PENGUJI ........................................................................................... iii DAFTAR ISI ...................................................................................................... iv PRAKATA ........................................................................................................ vii DAFTAR GAMBAR .... ...................................................................................... x DAFTAR TABEL . ........................................................................................... xi DAFTAR LAMPIRAN ................................................................................... xiii DAFTAR SINGKATAN .................................................................................. xiv
INTISARI ........................................................................................................ xv ABSTRACT .................................................................................................... xvi KATA MUTIARA ............................................................................................... xvii
BAB I PENGANTAR ..................................................................................... 1
1.1 LATAR BELAKANG ................................................................... 1
1.2 RUMUSAN MASALAH ................................................................ 6
1.3 TUJUAN PENELITIAN ................................................................. 7
1.4 MANFAAT PENELITIAN ............................................................. 8
BAB II TINJAUAN PUSTAKA ......................................................................... 9
2.1 TINJAUAN TENTANG SIFAT FISIKOKIMIA ............................ 9
2.1.1 Tinjauan Tentang Kelarutan ................................................. 10
2.1.1.1 Tinjauan Tentang Prodrug .................................................. 15
2.1.2 Tinjauan Tentang Disolusi ..................................................... 19
2.1.2 Tinjauan Tentang Koefisien Partisi ...................................... 22
2.2 TINJAUAN TENTANG BIOAVAILABILITAS .......................... 23
2.3 TINJAUAN TENTANG KARBAMAZEPIN ............................... 31
2.4 TINJAUAN TENTANG ASAM AMINO ..................................... 38
2.5 TINJAUAN TENTANG PEMBENTUKAN PRODRUG ............. 40 iv
BAB III KONSEP ILMIAH DAN HIPOTESIS ................................................. 42
3.1 KONSEP ILMIAH ........................................................................ 42
3.2 HIPOTESIS PENELITIAN .......................................................... 44
BAB IV METODE PENELITIAN ................................................................... 47
4.1 JENIS DAN RANCANGAN PENELITIAN ................................ 47
4.2 PENELITIAN TAHAP I PEMBENTUKAN PRODRUG ............... 47
4.2.1 Bahan Penelitian ......................................................................... 47
4.2.2 Alat Penelitian .............................................................................. 47
4.2.3 Lokasi Penelitian .......................................................................... 48
4.2.4 Prosedur Kerja ............................................................................ 49
4.3 PENELITIAN TAHAP II KARAKTERISASI SIFAT FISIKOKIMIA ................................................................................. 50
4.3.1 Variabel Penelitian ...................................................................... 50
4.3.2 Definisi Operasional .................................................................... 51
4.3.3 Bahan Penelitian .......................................................................... 51
4.3.4 Alat Penelitian .............................................................................. 51
4.3.5 Lokasi Penelitian ......................................................................... 51
4.3.6 Prosedur ......................................................................................... 52
4.4 PENELITIAN TAHAP III UJI BIOAVAILABILITAS .................... 53
4.4.1 Variabel Penelitian ...................................................................... 53
4.4.2 Definisi Operasional ................................................................... 54
4.4.3 Bahan Penelitian ......................................................................... 54
4.4.4 Alat Penelitian ............................................................................ 54
4.4.5 Lokasi Penelitian ........................................................................ 54
4.4.6 Prosedur ...................................................................................... 54
4.5 Analisis Data ................................................................................. 57
BAB V HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN .................................. 59
5.1 PEMBENTUKAN SENYAWA PRODRUG ................................ 59
5.1.1 Identifikasi Karbamazepin Bahan Penelitian ............................... 59
5.1.2 Hasil Senyawa Prodrug Karbamazepin ........................................ 61 v
5.1.3 Uji Kemurnian dengan KLT ......................................................... 65
5.1.4 Identifikasi Senyawa Prodrug ................................................... 66
5.2 KARAKTERISASI SIFAT FISIKOKIMIA ................................. 69
5.2.1 Karakterisasi Senyawa Prodrug dengan DTA ............................. 69
5.2.2 Karakterisasi Senyawa Prodrug dengan PXRD .......................... 71
5.2.3 Karakterisasi Senyawa Prodrug dengan Mikroskop ..................... 73
5.2.4 Kelarutan ...................................................................................... 74
5.2.5 Disolusi ........................................................................................ 88
5.2.6 Koefisien Partisi .......................................................................... 98
5.3 BIOAVAILABILITAS ..............................................................100
5.4 HAL BARU DALAM PENELITIAN ..........................................119
BAB VI KESIMPULAN DAN SARAN ...........................................................120 DAFTAR PUSTAKA .......................................................................................122
vi
PRAKATA
Puji syukur kepada Tuhan Yang Maha Esa atas segala Kasih Karunia, Hikmat, Bimbingan dan PertolonganNya, sehingga disertasi dengan judul "Pembentukan
Prodrug Karamazepin-Asam Amino Sebagai Upaya Memperbaiki Sifat
Fisikokimia dan Bioavailabilitas Karbamazepin ” dapat diselesaikan dengan baik.Sebagian hasil penelitian ini telah dipublikasikan pada International Journal of
Pharmacy and Pharmaceutics Sciences Vol 6 issue 1, 2014 dengan judul "Solubility
and Dissolution Study of Physical Mixture of Carbamazepine and Amino Acids".Disertasi ini dapat diselesaikan berkat dukungan berbagai pihak, oleh karenanya pada kesempatan ini penulis menyampaikan terima kasih dan penghargaan setinggi-tingginya kepada:
1. Prof. Dr. Tutuk Budiati, Apt., M.S. selaku promotor yang telah berkenan meluangkan waktu untuk membimbing, mengarahkan, mendorong, memberikan nasihat dan semangat dalam menyelesaikan disertasi. Dari beliau, penulis belajar tentang ketelitian, kedisiplinan, keuletan dan berpikir kritis dalam menghadapi setiap persoalan.
2. Prof. Dr. Suwaldi Martodihardjo, Apt., M.Sc. selaku kopromotor, beliau juga pembimbing tesis penulis ketika menyelesaikan pendidikan S2 di Fakultas Farmasi Universitas Gadjah Mada yang telah berkenan memberikan bimbingan, arahan, dorongan dan nasehat yang tiada putusnya untuk senantiasa memperluas wawasan dan semangat dalam menyelesaikan disertasi. Dari beliau, penulis belajar tentang ketelitian, berpikir komprehensif, kerendahan hati dan kesabaran dalam menghadapi masalah.
3. Dr. Achmad Radjaram, Apt., Dra. Esti Hendradi, Apt., M.Si., Ph.D., Prof. Dr.
Purwanto., Apt., Junaidi Khotib, S.Si., Apt., M.Kes., Ph.D., Dr. Alfinda Novi Kristanti, DEA, Dr. Fahimah Martak, M.Si., Dr. Hari Basuki Notobroto, dr., M.Kes., Prof. Dr. rer. nat. M. Yuwono, Apt., M.S., dan Dr. Dwi Setyawan, S.Si., Apt., M.Si. selaku penguji ujian kualifikasi, ujian proposal, ujian kelayakan dan ujian tertutup yang telah memberikan masukan, saran dan koreksi untuk perbaikan naskah disertasi ini.
4. Dirjen Pendidikan Tinggi Republik Indonesia yang telah memberikan bantuan beasiswa BPPS yang sangat bermanfaat dalam penyelesaian pendidikan Doktor ini dan bantuan dana Penelitian Unggulan Perguruan Tinggi melalui BOPTN Universitas Airlangga Tahun Anggaran 2012-2014.
5. Rektor Universitas Airlangga, Prof. Dr. H. Fasich, Apt., Direktur Pascasarjana Universitas Airlangga, Prof. Dr. Hj. Sri Hajati, SH, M.S, Dekan Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Airlangga, Prof. Win Darmanto, Ph.D., Dekan Fakultas Farmasi Universitas Airlangga, Dr. Umi Athiyah, Apt., M.S., Ketua Program Studi S3 MIPA Prof. Dr. Ir. Suhariningsih yang kemudian digantikan oleh Prof. Dr. Bambang Irawan, M.Sc. yang telah memberikan kesempatan dan fasilitas bagi penulis untuk menempuh pendidikan program Doktor.
6. Dra. Esti Hendradi, Apt., M.Si, Ph.D., selaku Ketua Departemen Farmasetika Fakultas Farmasi Universitas Airlangga yang telah mengijinkan, mendorong, mendukung dan memberi semangat penulis untuk mengikuti program S3. vii
7. Para staf pengajar program S3 MIPA Universitas Airlangga, Prof. Dr. I Gde Nyoman Astika, Apt., Prof. Dr. Ir. Suhariningsih, Prof. Dr. Muhammad Zainuddin, Apt., Dr. dr. Widodo J. Pudjirahardjo, M.S., MPH, Prof. Win Darmanto Ph.D., Prof. Dr. Ni Nyoman Tri Puspaningsih, M.Si., Prof. Dr. rer. nat Moch. Yuwono, Apt., M.S., Prof. Dr. Amiruddin Prawita, Apt., Prof. Dr.
Sudjarwo, Apt., M.S., Dr. Hari Basuki Notobroto, dr., M.Kes, Dr. A. Radjaram, Apt., Prof. Dr. Suwaldi Martodihardjo, Apt., M.Sc, Prof. Dr. Siswandono, Apt., Dra. Esti Hendradi, Apt., M.Si., Ph.D, Junaidi Khotib, S.Si, Apt., M.Kes., Ph.D., Drs. Marcellino Rudyanto, Apt., M.Si., Ph.D., yang telah memberikan ilmu dan wawasan yang berharga kepada penulis dalam mengikuti pendidikan program Doktor.
8. Drs. Marcellino Rudyanto, Apt., M.Si, Ph.D., selaku Ketua Departemen Kimia Farmasi, Dr. Budi Suprapti, Apt., M.Si., selaku Ketua Departemen Farmasi Klinik, Prof. Dr. Sukardiman, M.S, Apt., selaku Ketua Departemen Farmakognosi dan Fitokimia Fakultas Farmasi Universitas Airlangga atas dukungan fasilitas dalam mengerjakan penelitian disertasi ini.
9. Sejawat Dra. Emy Cholida, Apt, M.H. dan PT Mersifarma Tirmaku Mercusana Indonesia yang telah membantu pengadaan bahan Karbamazepin.
10 Teman-teman S3 MIPA Universitas Airlangga angkatan 2009, Dr. Isnani Darti, Dr. Agus Abdul Gani, Dr. drh. Benjamin Christofel Tehupuring, Dr. Ir. Eny Zulaeka, Dr. A.A. Istri Ratnadewi, Dr. Lanny Hartanti, Dr. Choirul Imron, Dr. Ir.
Poppy Hardjo, , Dr. Akas Yekti Pulihasih, M.Si, Dr. Noor Hidajat, M.Si, Ir. Achmad Djunaidi, M.P, Dra. Wahyu Hidayatiningsih, M.Si. dan teristimewa sejawat Dr. Aniek Setiya Budiatin, Apt., M.Si., atas kerjasama dan dukungan selama menempuh pendidikan program Doktor.
11. Sejawat di Departemen Farmasetika, Drs. Bambang Widjaja, Apt., M.S., Dr.
Dwi Setyawan, S.Si, Apt., M.Si, Dr. A. Radjaram, Apt., Dra. Retno Sari, Apt., M.Sc, Drs. Sugiyartono, Apt., M.S., M. Agus Sjamsyur R., S.Si, Apt., M.Si, Dini Retnowati, S.Farm., Dr. rer. nat M.L Ardhani, S.Si., M. Pharm, Helmy Yusuf, S.Si., Apt., M.Sc, PhD., Abhimata Pramanandana, S.Farm., Apt. yang dengan senang hati telah mendukung penulis dan menjadi teman diskusi dalam penyelesaian disertasi.
12. Dr. Juni Ekowati, Apt., M.Si, Dr. Riesta Primaharinastiti, S.Si., Apt., M.Si., Dra. Suzana, Apt., M.Si, Melanny Ika S., Apt., M.PharmSc, Kholis Amalia N., S.Farm., Apt., dari Departemen Kimia Farmasi yang telah mendukung dan memberi semangat dalam mengerjakan penelitian ini. Drs. Didik Hasmono, Apt., M.S., dari Departemen Farmasi Klinis yang telah membantu penulis dalam mengolah data in vivo.
13. Sdr. Harmono, Sdri. Dyah Nawangwulan, dan Sdr. Suprijono, Laboran Departemen Farmasetika Sdr. Kusaeri, Sdr.Sunar, dan Sdr.Yanto, Laboran Departemen Kimia Farmasi, Sdr. Mursyid, Sdr.Vendra dan Sdr. Ari, Laboran Departemen Farmasi Klinis, Sdr. Eko dan Sdr. Lismo Laboran Farmakognosi dan Fitokimia serta mahasiswa penulis yang kekasih Veronika Gratia dan Hana Sofia yang telah membantu dalam pelaksanaan penelitian disertasi. viii
14. Kedua orangtua penulis, Bp. Ismoeljono B.A. dan Ibu Atikah B.Sc, yang telah membesarkan dengan penuh kasih sayang dan mendidik dalam pengenalan takut akan Tuhan serta selalu mendoakan penulis tanpa berkeputusan. Kedua mertua Bp. (alm) Soeparno dan Ibu (alm) Soenarihati, yang telah memberikan dukungan dan kasih sayang dalam menjalani kehidupan.
15. Terima kasih tak terhingga kepada suami terkasih Dr. Kris Nugroho, M.A., yang telah setia mendukung dengan segenap pengorbanan dan kasih sayang serta doa yang senantiasa dipanjatkan, anak-anak terkasih Andre Bayu Nugroho dan Eunike Mustika Nugroho atas segala pengertian, pengorbanan dan kasih sayang yang telah diberikan selama penulis menunaikan tugas belajar.
16. Saudara dan saudara ipar terkasih, keluarga Dr. Heri Suroto, dr., SPOT (K)/drg.
Isdiah Primawati, keluarga dr. Pria Istjahja Utama, Sp. PD./Dr. Damayanti Tinduh, dr., Sp. KFR., keluarga Dipl. Inf. Jesaya Widhia Nugraha/dr. Kartika Ishartadiati, M.Kes. beserta segenap keponakan yang telah mendukung dalam doa dan perhatian yang tak pernah surut selama penulis menyelesaikan program Doktor.
17. Segenap pihak yang telah membantu penelitian disertasi yang tidak dapat penulis sebutkan satu persatu dengan tidak mengurangi rasa hormat, penulis sampaikan terima kasih. Akhirnya semoga penelitian ini dapat bermanfaat bagi kemajuan dan pengembangan ilmu farmasi, saran dan masukkan bagi kesempurnaan penelitian ini, penulis sambut dengan tangan terbuka. Kiranya Kasih Karunia Tuhan menyertai kita sekalian.
Maret 2015 Penulis
ix
x
DAFTAR GAMBAR
Gambar 3.1 Kerangka konseptual penelitian ...........................................Gambar 5.13 Spektra FTIR KBZ dan CF terpapar media air .......................83 Gambar 5.12 Spektra FTIR KBZ dan CF ...................................................... 85
83 Gambar 5.11 Termogram DTA KBZ dan CF terpapar media air ..................
82 Gambar 5.10 Termogram DTA karbamazepin dan campuran fisik .............
78 Gambar 5.9 Ilustrasi jaringan ikatan Hidrogen karbamazepin dihidrat ......
76 Gambar 5.8 Spektra FTIR KBZ dan senyawa prodrug …………………..
74 Gambar 5.7 Histogram kelarutan senyawa KBZ, CF dan prodrug ..........
Gambar 5.6 Mikrofoto senyawa KBZ dan senyawa prodrug .....................70 Gambar 5.5 Difraktogram PXRD senyawa hasil sintesis ......................... 72
64 Gambar 5.4 Termogram DTA senyawa KBZ dan senyawa prodrug …….
63 Gambar 5.3 Mekanisme Reaksi Tahap II …………................................
62 Gambar 5.2 Mekanisme Reaksi Tahap I …….........................................
48 Gambar 5.1 Struktur molekul senyawa awal dan senyawa prodrug …….
45 Gambar 4.1 Skema tahapan penelitian ......................................................
35 Gambar 2.12 Struktur molekul glisin, alanin, dan lisin ................................. 39
Hal
Gambar 2.6
Gambar 1.1 Macam-macam NH asam ........................................................4 Gambar 2.1 Tahapan proses melarut ........................................................
11 Gambar 2.2 Ilustrasi konsep prodrug .......................................................
15 Gambar 2.3 Ilustrasi sederhana mewakili konsep prodrug .........................
16 Gambar 2.4 Prodrug yang larut dalam cairan saluran cerna .......................
18 Gambar 2.5 Skema disolusi dari permukaan partikel ............................... 20
Proses absorbsi suatu obat …................................................ 23
35 Gambar 2.11 Gambar mikroskop cahaya morfologi KBZ III, I dan DH ......
Gambar 2.7
Model membran plasma fluid mosaic ................................... 26
Gambar 2.8
Kurva kadar obat-waktu pemberian per oral ........................... 29
Gambar 2.9 Struktur molekul karbamazepin ..............................................32 Gambar 2.10 Morfologi kristal karbamazepin bentuk I, III, dan IV .............
85 Gambar 5.14 Mikrofoto KBZ dan CF terpapar media air ............................. 87
xi
Gambar 5.15Profil Disolusi KBZ, CF dan senyawa prodrug .................. 90
Gambar 5.16 Profil disolusi KBZ dengan senyawa prodrug ……………..91 Gambar 5.17 Profil disolusi KBZ dengan CF ………….............................
91 Gambar 5.18 Histogram log P KBZ dan senyawa prodrug ……………….
98 Gambar 5.19 Profil bioavailabilitas KBZ, CF dan senyawa prodrug …….. 104
Gambar 5.20
Profil bioavailabilitas KBZ dengan senyawa prodrug …… 106
Gambar 5.21
Profil bioavailabilitas KBZ dengan CF …………………… 106
Gambar 5.22
Skema model kompartemen obat dalam tubuh ...................... 108
xii
DAFTAR TABEL
…………………………………….... 113
el
.......................................................................................... 113
Tabel 5.19
Perhitungan k
a
, k
el
, dan t
maks
Tabel 5.20
Tabel 5.18
Parameter farmakokinetika ……………………………………… 114
Tabel 5.21
Uji Kruskal-Wallis C
maks
………………………………………… 115
Tabel 5.22
Uji Kruskal-Wallis C
2 jam
………………………………………. 115
Tabel 5.23
Nilai k
99 Tabel 5.17 Nilai k a ............................................................................................ 111
Hal
66 Tabel 5.5 Karakteristik spektra UV, FTIR, NMR senyawa PD-KBZ-ALA .....
Tabel 2.1 Sifat-sifat fisikokimia senyawa obat .................................................9 Tabel 2.2 Definisi kelarutan ..............................................................................
10 Tabel 2.3 Sistem pembagian biofarmasetika obat ............................................. 24
Tabel 2.4
Tatanama bentuk polimorf karbamazepin ......................................... 34
Tabel 2.5 Profil farmakokinetika karbamazepin dalam keadaan puasa ............37 Tabel 5.1 Identifikasi bahan penelitian karbamazepin .................................
59 Tabel 5.2 Organoleptis senyawa prodrug …………………………………....
65 Tabel 5.3 Nilai Rf senyawa karbamazepin dan senyawa prodrug …………...
65 Tabel 5.4 Karakteristik spektra UV, FTIR, NMR senyawa PD-KBZ-GLI ......
67 Tabel 5.6 Karakteristik spektra UV, FTIR, NMR senyawa PDKBZ-LIS ........
97 Tabel 5.16 Anova nilai log koefisien partisi ……………………………….....
68 Tabel 5.7 Titik lebur senyawa prodrug dan campuran fisik …………….......
69 Tabel 5.8 Karakteristik difraktogram karbamazepin dan senyawa prodrug....
72 Tabel 5.9 Anova Kelarutan ………………………………………………….
77 Tabel 5.10 Perbandingan prediksi kelarutan dengan hasil penelitian ………...
80 Tabel 5.11 Termogram DTA KBZ, CF dan CF terpapar media air....................
84 Tabel 5.12 Spektra FTIR KBZ, CF dan CF terpapar media air ………………
86 Tabel 5.13 Anova Disolusi ……………………………………………………
94 Tabel 5.14 Harga k disolusi …………………………………………….......
96 Tabel 5.15 Persentase KBZ terlarut 30´ dan AUC
30 ………………………….
Uji Mann-Whitney C 2jam ………………………………………… 116
DAFTAR LAMPIRAN
Hal Lampiran 1 Sertifikat Analisis Karbamazepin …………………………....... 129 Lampiran 2 Identifikasi Senyawa Awal Karbamazepin .............................. 130 Lampiran 3 Termogram DTA Senyawa Prodrug ........................................ 132 Lampiran 4 Spektra UV Senyawa Prodrug ........................................... 133 Lampiran 5 Spektra FTIR Senyawa Prodrug ........................................ 134 Lampiran 6 Spektra NMR Senyawa Prodrug ....................................... 136 Lampiran 7 Difraktogram PXRD Senyawa Prodrug ............................ 142 Lampiran 8 Kurva Baku Senyawa Karbamazepin ........................................ 144 Lampiran 9 Kurva Baku Senyawa Prodrug .......................................... 145 Lampiran 10 Data Uji Kelarutan ..................................................................... 148 Lampiran 11 Anova Uji Kelarutan ............................................................. 151 Lampiran 12 Data Uji Disolusi ................................................................ 153 Lampiran 13 Konstante Laju Disolusi .......................................................... 156 Lampiran 14 Anova Uji Disolusi .................................................................... 157 Lampiran 15 Data Uji Koefisien Partisi .......................................................... 159 Lampiran 16 Anova UJi Koefisien Partisi .................................................... 162 Lampiran 17 Sertifikat Uji Etik ....................................................................... 164 Lampiran 18 Validasi Metode HPLC .............................................................. 165 Lampiran 19 Data Uji Bioavailabilitas ............................................................ 171
maks 2 jam
Lampiran 20 Ui Kruskal-Wallis C dan C .............................................. 175 Lampiran 21 Daftar Riwayat Hidup ................................................................. 177
xiii
DAFTAR SINGKATAN
= koefisien partisi = nilai significant
SR = sustained-release UV = ultra violet
= standard deviation = standard error
Rs = resolusi Rt = retention time SD SE
= koefisien korelasi = retardation factor
PXRD = powder X-ray diffraction r Rf
= prodrug
xiv
AA = asam amino ALA = alanin AUC = area under curve BCS Boc
a
HPLC = high pressure liquid chromatography FTIR = fourier transform infra red k el = konstante laju eliminasi k
= diisopropilurea
= diisopropilkarbodiimida = differential thermal analysis
CF = campuran fisik DAD = diode array detector GLI = glisin DIC DTA DIU
= t-butoksikarbonil
= biopharmaceutical classification system
= konstante laju absorbsi k dis = konstante laju disolusi KBZ-AA-1 = campuran fisik karbamazepin asam amino KBZ-AA-2 = senyawa prodrug karbamazepin asam amino KBZ-DH = karbamazepin dihidrat KLT = kromatografi lapisan tipis KV = koefisien variasi LIS = lisin LOD = limit of detection LOQ = limit of quantitation MMC = migrating motor complex P p PD
PEMBENTUKAN PRODRUG KARBAMAZEPIN-ASAM AMINO
SEBAGAI UPAYA PENINGKATAN SIFAT FISIKOKIMIA DAN
BIOAVAILABILITAS KARBAMAZEPIN
Dewi Isadiartuti
INTISARI
Karbamazepin (KBZ) merupakan obat antiepilepsi lini pertama, termasuk BCS (Biopharmaceutical Classification System) kelas II mempunyai permeabilitas melewati membran tinggi dan kelarutan dalam air rendah. Kelarutan KBZ dalam air rendah, sehingga disolusi merupakan tahap penentu kecepatan absorbsi dan bioavailabilitasnya tidak menentu ketika digunakan secara oral. Penelitian ini bertujuan untuk meningkatkan kelarutan KBZ melalui pembentukan senyawa prodrug dengan gugus promoeity asam amino glisin (GLI), alanin (ALA) dan lisin (LIS), sehingga dapat memperbaiki bioavailabilitasnya ketika digunakan secara oral. Pembentukan senyawa prodrug PD-KBZ-GLI, PD-KBZ-ALA, dan PDKBZ-LIS dilakukan dengan menambahkan diisopropilkarbodiimida (DIC) dan direaksikan pada suhu 0 ºC. Hasil identifikasi dengan DTA, FTIR, dan NMR menunjukkan senyawa
prodrug PD-KBZ-GLI, PD-KBZ-ALA, dan PD-KBZ-LIS telah terbentuk.
Karakterisasi fisikokimia senyawa prodrug dengan DTA, PXRD, dan mikroskop optik menunjukkan senyawa prodrug memiliki karakteristik yang berbeda dibandingkan senyawa awal KBZ. Titik lebur senyawa prodrug sebesar 179,6, - 188,8 ºC lebih rendah daripada senyawa KBZ sebesar 192,6 ºC. Kelarutan senyawa prodrug dalam media air suling (pH 6,8 ± 0,05 dan suhu 37 ± 0,5 ºC) meningkat sebesar 533,44 - 748,38 μg/mL dari senyawa KBZ sebesar 278,62 μg/mL. Efisiensi disolusi dalam 30
30
menit (ED ) KBZ meningkat dari 13,69 % untuk KBZ menjadi sebesar 37,90 - 64,27 %. Senyawa prodrug memiliki harga log koefisien partisi (log P) dalam pelarut oktanol/air (suhu 37 ± 0,5ºC) sebesar 1,13 - 1,89, dan nilai tersebut lebih kecil dibandingkan log P senyawa KBZ sebesar 2,41. Uji bioavailabilitas terhadap kelinci jantan jenis New Zaeland menunjukkan senyawa prodrug mampu mempersingkat
maks
t dari senyawa KBZ sebesar 6,14 jam menjadi sebesar 1,63 - 2,77 jam, senyawa
prodrug PD-KBZ-ALA dan PD-KBZ-LIS menunjukkan peningkatan kadar maksimal
(C maks ) KBZ dalam plasma darah dari 2,56 μg/mL pada senyawa KBZ menjadi berturut-turut sebesar 4,38 dan 6,75 μg/mL serta senyawa prodrug PD-KBZ-ALA dan
0-12
PD-KBZ-LIS juga menunjukkan peningkatan AUC dari senyawa KBZ sebesar 20,59 μg jam/mL menjadi berturut- turut sebesar 21,99 dan 34,48 μg jam/mL. Dari penelitian yang telah dilakukan dapat disimpulkan bahwa pembentukan senyawa prodrug karbamazepin-asam amino dengan gugus promoeity GLI, ALA atau LIS dapat meningkatkan kelarutan dan disolusi KBZ, serta menurunkan nilai log koefisien partisinya. Pembentukan senyawa prodrug PD-KBZ-ALA dan PD-KBZ-LIS dapat memperbaiki bioavailabilitas KBZ. Senyawa PD-KBZ-LIS merupakan senyawa
prodrug terpilih untuk dikembangkan sebagai bahan baku alternatif yang mampu
memperbaiki kelarutan dan bioavailabilitas KBZ. Pemilihan gugus promoeity yang tepat dalam pembentukan senyawa prodrug karbamazepin-asam amino memberikan harapan dalam mengembangkan bentuk sediaan karbamazepin yang aman, efektif dan berkualitas. xv
CARBAMAZEPINE-AMINO ACID PRODRUGS
TO IMPROVE PHYSICOCHEMICAL PROPERTIES AND
BIOAVAILABILITY OF CARBAMAZEPINE
Dewi Isadiartuti
ABSTRACT
Carbamazepine (CBZ) is the first-line treatment of epilepsy, including BCS II which is characterized by high membrane permeability and low solubility in water. The limited solubility of CBZ causes the low dissolution rate of this drug hence results in the low absorption and low bioavailability of CBZ when given orally. One strategy that can be done to overcome the problems associated with limited solubility of CBZ is the formation of prodrug to enhance its solubility. Therefore, this research is aimed to increase solubility of carbamazepine by the formation of CBZ prodrug with promoeity group of amino acid glycine (GLY), alanine (ALA) and lysine (LYS). The formation of prodrug PD-CBZ-GLY, PD-CBZ-ALA and PD-CBZ-LYS are done by adding diisopropylcarbodiimide (DIC) followed by reaction at 0 °C. Identification of the formed compounds are conducted by using DTA, FTIR and NMR. The results obtained show formation of the prodrug PD-CBZ-GLY, PD-CBZ-ALA and PD-CBZ-LYS. Furthermore, the physicochemical characterization of the prodrug is done by using DTA, PXRD and optical microscope. From the results obtained, the prodrug compounds have different characteristics with the CBZ. The melting point of prodrug compounds are 179.6 - 188.8 °C. These values are lower than CBZ which has melting point 192.6 °C. Solubility of the prodrugs in distilled water (pH 6.8 ± 0.05 and T = 37 ± 0.5 ºC) are 533.44 - 748.38 μg/mL higher compared to the solubility CBZ (278.62 μg/mL). Dissolution efficiency within 30 min of the CBZ also increases from 13.69 % for CBZ to 37.90 - 64.27 % for the prodrug compounds. The partition coefficient values (log P) of the prodrugs in octanol/ water at 37 ± 0.5 °C are 1.13 -
1.89. Those values are lower than the log P of CBZ (2.41). The bioavailability study is conducted on male New Zealand Rabbits demonstrated that the formation of prodrug compounds are able to shorten the t max from 6.14 hours for CBZ to 1.63 - 2.77 hours; increase the maximum plasma concentration (C max ) of CBZ from 2.56 μg/mL for CBZ to 4.38 and 6.75 μg/mL for PD-CBZ-ALA and PD-CBZ-LYS, respectively and also
0-12
increase the AUC from 20.59 μg hrs/mL to 21.99 dan 34.48 μg hrs/mL, respectively. From the results obtained, it can be concluded that the formation of prodrug CBZ-amino acid with promoeity group of GLY, ALA and LYS are able to increase the solubility and the dissolution rate of CBZ, and also reduce the value of log partition coefficient. Based on the bioavalability study, prodrug of PD-CBZ-ALA and PD-CBZ-LYS are able to increase the bioavailability of CBZ. Furthermore, PD-CBZ-LYS is the chosen prodrug which is promising for the further development in order to improve solubility as well as bioavailability of CBZ. Additionally, careful consideration has to be given when choosing the proper promoeity group for the formation of prodrug of CBZ-amino acid therefore a safe and effective CBZ prodrug can be obtained.
Key words: prodrug, carbamazepine, glysine, alanine, lysine, physicochemical and bioavailability xvi
xvii
Proverbs 21 : 30There is no wisdom nor understanding nor counsel against the LOR
xviii
DBAB I PENGANTAR
1.1 LATAR BELAKANG
Penemuan obat baru memerlukan waktu sekitar 8 sampai 12 tahun dan biaya yang sangat besar mulai dari proses obat ditemukan, disintesis sampai dipasarkan. Salah satu terobosan dalam menghemat biaya dan waktu dalam pengembangan obat adalah dengan memperbaiki sifat-sifat senyawa obat yang telah diketahui efek farmakologinya. Seringkali senyawa obat yang telah diketahui efek farmakologinya memiliki sifat-sifat biofarmasetika yang tidak menguntungkan karena parameter fisikokimia yang tidak optimal (Chen et al., 2006; Stegemann, et al., 2007).
Pengembangan bentuk sediaan farmasi tidak dapat dilepaskan dari parameter fisikokimia bahan obat. Parameter fisikokimia yang berperan dalam menghasilkan sediaan obat yang aman, efektif, dan berkualitas di antaranya adalah kelarutan, lipofilisitas, dan stabilitas (Chen et al., 2006). Kelarutan bahan obat dalam air merupakan sifat fisikokimia yang selalu menjadi perhatian formulator dalam mengembangkan sediaan farmasi (Avis et al., 1992; Dressmann, 2007). Suatu bahan obat harus berada dalam keadaan terlarut agar dapat memberikan aktivitas farmakologi (Steggemann et al., 2007; Stella dan Nti-Addae, 2007).
Struktur molekul berperan dalam menentukan kelarutan suatu senyawa. Perbandingan gugus polar dan nonpolar pada suatu senyawa akan memengaruhi kelarutan senyawa dalam air. Senyawa yang dominan memiliki gugus polar mempunyai kemampuan membentuk ikatan hidrogen lebih besar dengan air. Menurut Hildebrand kemampuan suatu senyawa membentuk ikatan hidrogen dengan air merupakan faktor penentu kelarutan senyawa dalam air (Sinko, 2011).
Karbamazepin menjadi pertimbangan utama pengobatan epilepsi tipe bangkitan
simple partial dan bangkitan tonik-klonik, diinginkan memberikan efek segera (Mc
Namara, 2001). Pada saat bangkitan dapat terjadi suatu keadaaan darurat yang sering disebut dengan status epilepticus. Status epilepticus merupakan suatu hal serius dan perlu ditangani dengan cepat untuk mengendalikan resiko kerusakan otak permanen. Angka kematian untuk orang dewasa yang mengalami status epilepticus ini mencapai sekitar 20%. Efek samping karbamazepin terhadap perubahan tingkah laku maupun kemampuan kognitif lebih rendah dibandingkan antikonvulsan lain seperti fenitoin, fenobarbital, dan primidon (Mc Namara, 2001; Pearce et al., 2002).
Karbamazepin merupakan bahan obat yang praktis tidak larut dalam air (120 µg/mL pada suhu 25C) (Koester et al., 2004) dan mempunyai koefisien partisi 2,45 dalam oktanol/air (Moffat et al., 2004). Karbamazepin mempunyai empat bentuk polimorf anhidrat dan satu bentuk dihidrat (Javadzadzadeh et al., 2009; Mahalaxmi et al., 2009; Šehić, 2008; Grzesiak et al., 2003). Keempat bentuk polimorf anhidrat karbamazepin dalam media air akan berubah menjadi bentuk dihidrat yang mempunyai kelarutan lebih rendah dibandingkan bentuk polimorfnya (Grzesiak et al., 2003). Efektivitas sediaan tablet karbamazepin yang disimpan pada suhu ruangan, diketahui berkurang sampai sepertiganya. Paparan lembap udara pada tablet karbamazepin menyebabkan efektivitas karbamazepin berkurang karena terjadi perubahan bentuk polimorf anhidrat menjadi bentuk dihidrat (Sweetman dan Sean, 2009).
Berdasarkan Biopharmaceutics Classification System (BCS), karbamazepin termasuk golongan obat kelas II, mempunyai sifat permeabilitas tinggi dan kelarutan dalam air rendah (Amidon et al., 1995). Karbamazepin mempunyai tempat aksi di susunan saraf pusat, oleh karena itu karbamazepin harus memiliki karakteristik fisikokimia optimal agar dapat melewati sawar darah-otak. Kemampuan obat menembus sawar darah-otak ditentukan oleh permeabilitasnya. Senyawa-senyawa yang memiliki koefisien partisi kurang dari 3 mempunyai permeabilitas yang cukup untuk dapat
a menembus sawar darah-otak (Rautio et al., 2008).
Pada penggunaan karbamazepin secara oral, kecepatan disolusi merupakan tahap penentu kecepatan bioavalabilitasnya. Selain itu kelarutan karbamazepin dalam air yang rendah, menyebabkan karbamazepin tidak tersedia dalam bentuk sediaan injeksi intravena. Hal tersebut mendorong para peneliti terus mengembangkan penelitian untuk mendapatkan metode peningkatan kelarutan karbamazepin.
Kelarutan bahan obat dapat diperbaiki melalui modifikasi molekul secara kimia dan pendekatan formulasi. Modifikasi molekul kimia dengan membentuk prodrug telah dilakukan Hemenway et al. (2010) yaitu dengan menambahkan gugus glisin dan asetil untuk meningkatkan kelarutan karbamazepin. Selain melalui pendekatan modifikasi kimia, beberapa pendekatan formulasi telah dilakukan untuk meningkatkan kelarutan karbamazepin di antaranya penggunaan kosolven atau surfaktan, pembentukan kompleks siklodekstrin, metode kogrinding dengan menggunakan matriks hidrofilik, pembentukan dispersi padat dengan PEG/campuran polimer, dan dengan pembentukan kokristal. Metode tersebut mampu meningkatkan kelarutan karbamazepin (Koester et
al., 2004; Jalali et al., 2006; Isadiartuti et al., 2009; Bley et al., 2010; Shikhar et al.,
2011).Sekitar 5-7% obat yang disetujui Food and Drug Administration (FDA) dapat diklasifikasikan sebagai prodrug. Prodrug merupakan molekul yang tidak aktif secara farmakologi yang membutuhkan transformasi enzimatik dan atau kimia untuk melepaskan senyawa bentuk aktif dalam tubuh sebelum memberikan efek terapi. Pelepasan senyawa aktif dan promoeity dapat terjadi sebelum, selama atau sesudah absorbsi atau pada tempat aksi obat. Proses biokonversi di dalam tubuh dimediasi oleh adanya enzim-enzim yang terdapat di dalam darah, hati, dan jaringan lain (Stella dan
a b Nti-Addae, 2007; Rautio et al., 2008; Rautio et al., 2008; Han, 2000).
Pendekatan prodrug yang digunakan disesuaikan dengan sifat-sifat fisikokimia, farmasetika, biofarmasetika, dan atau farmakokinetika yang akan diperbaiki. Dua pendekatan prodrug yang ditujukan untuk meningkatkan kelarutan senyawa sukar larut dalam air adalah: (1) menurunkan titik lebur senyawa induk dengan derivatisasi dan/ atau (2) menambahkan promoiety polar/yang dapat terionkan pada senyawa induk. Penelitian Stella et al. (2007) menunjukkan derivatisasi senyawa yang memiliki gugus NH asam (amida, karbamat, urea, imida dan sulfonamid) dengan menghilangkan satu proton pada gugus NH asam (Gambar 1.1) dapat memberikan pengaruh besar terhadap energi kisi kristal, kelarutan, laju disolusi, dan permeabilitas.
Amida R
1 = C(O)R R 2 = R Karbamat R = C(O)OR R = R 1 2 Urea R = C(O)NRR' R = R 1 2 Imida R 1 = C(O)R R 2 = C(O)R Sulfonamida R = S(O) R R = R 1 2 2 Gambar 1.1.Macam-macam NH asam ( Stella et al., 2007) Fenitoin merupakan senyawa asam lemah yang sukar larut dalam air (pKa 8,3), memiliki gugus imida dalam struktur molekulnya. Prodrug fosfenitoin dibentuk dari fenitoin dengan menggantikan satu proton pada gugus NH tipe imida fenitoin dengan suatu gugus fosfonooksimetil. Fosfenitoin merupakan salah satu bentuk prodrug yang mampu meningkatkan kelarutan fenitoin dari 20-25 µg/mL menjadi 140 mg/mL. Selain itu fosfenitoin juga memberikan bioavailabilitas dan profil keamanan lebih baik
b
dibandingkan bentuk garam natrium fenitoin (Stegemann et al., 2007; Rautio et al., 2008).
Asam-asam amino telah diteliti secara luas dalam penggunaannya sebagai
promoiety untuk memperbaiki kelarutan senyawa dalam air. Selain memberikan