Möglichkeiten der simultanen Untersuchung von Freisetzung und Absorption schwer-wasserlöslicher Arzneistoffe aus festen oralen Darreichungsformen durch biorelevante in vitro Modelle

Abstract

Vielen Arzneistoffen ist eine pH-abhängige schlechte Wasserlöslichkeit gemeinsam. Dies führt sowohl bei der Charakterisierung des Absorptionsverhaltens der Substanz, als auch bei der in vitro Charakterisierung der entwickelten Arzneiformen zu Problemen. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, Modelle zu entwickeln und zu qualifizieren, mit denen das Löslichkeitsverhalten von Arzneistoffen nach ihrer Freisetzung (Dissolution) simultan untersucht werden kann zur Simulation der Absorption des freigesetzten Stoffs. Bei der Entwicklung der Modelle wird Augenmerk auf hohe Biorelevanz, also einer möglichst exakten Abbildung der Verhältnisse im menschlichen gastrointestinalen Trakt gelegt, wodurch sich gute Rückschlüsse auf das in vivo Verhalten von Arzneistoff und –form ziehen lassen sollten. Weiterhin soll durch nahezu vollständige Automation für Anwenderfreundlichkeit und den Ausschluss von Fehlerquellen gesorgt werden. Um später Rückschlüsse zwischen experimentell ermittelten Daten und bereits zuvor gewonnenen Daten aus einer Humanstudie ziehen zu können (in vivo-in vitro Korrelation, IVIVC), müssen die Plasmaspiegeldaten in eine Form gebracht werden, die direkt mit in vitro Disolutionsversuchen verglichen werden kann. Die geschieht unter dem Einsatz der numerischen Dekonvolution, durch welche rechnerisch die Verteilungs- und Eliminationsvorgänge des Wirkstoffes aus der Plasmaspiegelkurve entfernt werden und man zu einer kumulierten Darstellung des absorbierten Wirkstoffanteils über die Zeit gelangt. Durch Auftragen des absorbierten Anteils (t) über die freigesetzte Fraktion (t) wird der Levy-Plot erstellt. Dessen Steigung und Korrelationskoeffizient deuten bei Werten nahe eins auf ein hohes Maß an IVIVC hin. Das erste entwickelte Modell wird so aufgebaut, dass der freigesetzte Arzneistoff über einen Caco-2-Monolayer gepumpt wird und durch diesen permeiert. Dieser Aufbau wird gewählt, um untersuchen zu können, welchen Einfluss Hilfsstoffe auf die Aufnahme des Wirkstoffes ausüben. Um eine Vorstellung davon zu bekommen, welche Hilfsstoffklassen Einfluss auf die Absorption besitzen, wird ein Screening durchgeführt, bei dem viele der für feste orale Darreichungsformen verwendeten Hilfsstoffe untersucht werden. Dabei zeigt sich, dass sich bei Einsatz eines einzelnen permeationsverbessernden Hilfsstoffs die Aufnahme eines Arzneistoffs in Abhängigkeit der eingesetzten Konzentration erhöhen lässt. Dies ist allerdings nur bis zu einer bestimmten Hilfsstoffmenge möglich: Über dieser ergibt sich keine weitere Erhöhung der Permeation. Weiterhin wird deutlich, dass bei Einsatz zweier permeations- oder löslichkeits-beeinflussenden Hilfsstoffen die Permeation vermutlich durch Inkorporierung des Wirkstoffes in Mischmizellen, herabgesetzt werden kann. Im Anschluss an das Screening werden unterschiedliche Arzneiformen eines neuen Wirkstoffes mit modifizierter Wirkstofffreisetzung in diesem kombinierten Caco-2-Modell untersucht. In diesen Versuchen wird deutlich, dass sich einige derzeit in der Formulierungsentwicklung eingesetzte Techniken nicht mit dem für Zellversuche nötigen starken Puffer vertragen. Als Beispiel sei die pH-Modifikation zur Schaffung eines Microklimas um die Arzneiform genannt, in welchem sich der Wirkstoff besser lösen soll. Werden solche Arzneiformen in diesem Puffer untersucht, wird durch die hohe Pufferkapazität die freigesetzte Säure sofort abgepuffert und der vorgesehene Effekt kommt nicht zum Tragen. Das zweite entwickelte Modell ist ein Dissolutionsmodell, bei welchem der freigesetzte Arzneistoff durch eine Pumpe und eine semipräparative Chormatographiesäule aus dem Freisetzungskompartiment entfernt wird. Der pH-Wert des in Kreislauf gepumpten Freisetzungsmediums kann durch einen automatischen Titrator über die Versuchsdauer verändert werden. Durch die chromatographische Entfernung des Wirkstoffes an der festen Phase (Festphasenextraktion, englisch „solid phase extraktion“, SPE) wird die Absorption des Wirkstoffes im Darm simuliert. Es gelingt mit diesem Modell 96 h Plasmadaten durch 20 h in vitro Versuche abzubilden. Dabei wird der pH-Wert dem Verlauf des pH-Werts im menschlichen gastrointestinalen Trakt angepasst und durch Veränderung der Pumpgeschwindigkeit und der damit verbundenen Eliminationsgeschwindigkeit die Passage der Arzneiform durch den Verdauungstrakt simuliert. So lässt sich für unterschiedlich freisetzende Arzneiformen das höchste Maß an IVIVC, also eine punktgenaue Abbildung der Humandaten durch die in vitro Versuche, erreichen. Das Fazit für beide Modelle lautet, dass sie für ihre Zwecke gut einsetzbar sind, wobei für das Caco-2-Modell Einschränkungen hinzunehmen sind. Allerdings bietet die SPE-Apparatur ein hohes Maß an Biorelevanz und höchste IVIVC, weswegen dieses Modell auch für viele andere Arzneistoffe und Freisetzungsmechanismen einzusetzen sein dürfte. Dadurch könnte die Entwicklung von Formulierungen mit modifizierter Wirkstofffreisetzung deutlich effektiver gelingen.

Many newly developed active pharmaceutical ingredients (API) tend to have a poor and pH dependent solubility. This leads to problems during the characterization of their absorption behavior in the human gut as well as the in vitro characterization of the developed formulations. Aim of this dissertation is it to develop and to characterize models, which allow it to investigate the solubility of the drug during dissolution and to simulate absorption of the dissolved drug simultaneously. The main focus during the development of the models is set on a high level of biorelevance. This means that the models depict the human intestinal tract exactly in order to allow conclusions on the in vivo behavior of drug substance and drug product. By nearly complete automation the models are trimmed on usability and the prevention of artifacts caused through different users. In order to correlate experimental data of the in vitro experiments with in vivo data (in vivo-in vitro correlation, IVIVC), plasmalevels gained in a phase I study must be transformed into a cumulative diagram of the fraction of drug absorbed over time. This means that all events regarding distribution and elimination of the drug in the human body have to be eliminated from the plasmalevel curve. This is done using numerical deconvolution a mathematical, computerized method that looks at the human body as one system instead of dividing it into different compartments. By drawing the absorbed fraction (t) against the dissolved fraction (t) the levy plot generated. If the ascending slope and the correlation coefficient of the levy plot are reaching values near one, it can be assumed that a high degree of IVIVC is achieved. In the first apparatus developed, the dissolved drug substance is pumped over a Caco-2 cell monolayer, allowing the drug to permeate through the monolayer. This set up is chosen in order to investigate the influence excipients exhibit on the absorption of the drug in the human body. In the first step a screening of different excipients is performed to get an idea which excipients have an effect on absorption. One result of this screening is that the use of one permeation enhancing additive improves the absorption of the drug depending of the amount of excipient used. On the other side there is an upper limit of enhancement that can’t be exceeded by using a bigger amount of the permeation improving additive. Furthermore it becomes obvious that the use of two ore more permeation and or solubility improving excipients results in lowered permeation of the drug. This happens probably because of an incorporation of the compound into mixed micelles. Subsequent to the screening several drug products with modified release of a new API are tested in the combined Caco-2 model. It becomes obvious that the buffer system that is needed during experiments with living cells shows a strong interference with the formulations tested. If, for example, a pH modifying agent is used in the drug product in order to easy solubility of the API, its effect is prevented by the strong buffer. In the second dissolution apparatus that is developed in this work, the dissolved API is removed from the dissolution vessel by a pump and a semi preparative chromatographic column. The pH value of the circulating dissolution buffers can be changed during experiments by an automated titrator. The chromatographic removal of the drug dissolved (solid phase extraction, SPE) simulates the absorption in the human gut. The apparatus allows depicting 96 h plasmadata by 20 h in vitro experiments. Within these experiments the pH value is changed according to the pH gradient in the gastrointestinal tract and, by changing the speed of the pump and the connected elimination rate, the passage of the drug product through the alimentary tract is simulated. By using this method it is possible to reach the highest IVIVC level, namely a point by point correlation between in vivo and in vitro data, for drug products with different formulation techniques. The conclusion of both apparatus´ is their usability for the intended purpose, with slight limitations for the use of the Caco-2 model. The SPE apparatus shows a high degree of biorelevance and IVIVC and should therefore allow its use for many different APIs and formulation approaches. This could lead to a more effective development of formulations with modified release.