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Entwicklung und Analyse einer Adhäsionsmessmethode für intestinal anzuwendende mukoadhäsive Polyvinylalkohol-Filme

  • Innovative Wirkstoffe stellen die Entwickler und Entwicklerinnen von pharmazeutischen Darreichungsformen vor große Herausforderungen. Viele neue Arzneistoffe weisen eine unzureichende orale Bioverfügbarkeit auf. Die Gründe hierfür sind vielfältig und liegen unter anderem in der ortsabhängigen Löslichkeit und Permeabilität der betreffenden Substanzen. Dieser Problematik kann auf chemischer und technologischer Ebene begegnet werden. Auf der Seite der pharmazeutischen Technologie besteht beispielsweise die Möglichkeit, mukoadhäsive Darreichungsformen zu entwickeln. Darunter versteht man Systeme, die an der Schleimhaut haften und dadurch eine Retention des Arzneistoffes an der entsprechenden Stelle bewirken. Einerseits führt dies zu einer lokalen Erhöhung der Wirkstoffkonzentration, andererseits wird durch die Adhäsion die potenzielle Resorptionszeit verlängert. Beide Faktoren können sich positiv auf die Bioverfügbarkeit auswirken. Zur Charakterisierung mukoadhäsiver Arzneiformen sind verschiedene Methoden beschrieben worden, von denen jedoch keine standardisiert ist. Mögliche Einflussfaktoren auf die Messung wurden in der Vergangenheit teilweise nicht ausreichend evaluiert, was die Konzeption einer geeigneten Messmethode erschwert. In der vorliegenden Arbeit wurde systematisch eine Methode zur Messung der Adhäsivität von Polyvinylalkohol-Filmen auf Basis der Messung der maximalen Haftkraft erarbeitet. Dazu wurde im ersten Teil der Arbeit ein in vitro-Test durchgeführt, der zur Aufklärung gerätespezifischer Einflussfaktoren diente. Es zeigte sich, dass die Adhäsion von PVA-Filmen an biomimetischen Agar/Muzin-Gelen in erster Linie zeitabhängig ist. Das Maximum der Adhäsion konnte nach 3 min beobachtet werden. In dieser Zeit kommt es zu einer Quellung des zuvor festen Films, wodurch die Beweglichkeit der Polymerketten zunimmt. Dies kann die Vernetzung von Polymer und Muzin begünstigen, wodurch die Adhäsion zunimmt. Nach Überschreiten eines Maximums kommt es zu einer Überhydratisierung des Systems und zu einer Abnahme der Kohäsion, so dass der Gelfilm beim Entfernen der Messsonde in sich reißt. Die Geschwindigkeit, mit der die Sonde entfernt wurde, beeinflusste ebenfalls die Ergebnisse der Untersuchungen. Höhere Geschwindigkeiten führten zu höheren berechneten Adhäsionsarbeiten Wad, während die maximale Abrisskraft Fmax ein Plateau erreichte. Dieses Verhalten könnte durch die viskoelastischen Eigenschaften der beteiligten Bindungspartner beeinflusst werden. Bezüglich der gerätespezifischen Parameter schien die Anpresskraft des Mukoadhäsivs an das biomimetische Gel den geringsten Effekt auszuüben. Unter Berücksichtigung der verwendeten Kraftmesszelle und der Integrität des Gels sollten höhere Anpresskräfte verwendet werden. Je nach Applikationsort sind physiologische Drücke zu berücksichtigen. Ausgehend von den in vitro gewonnenen Erkenntnissen wurden anschließend zwei ex vivo Versuche durchgeführt. Diese Versuche konzentrierten sich auf die Eigenschaften der Substrate selbst, auf denen die PVA-Filme haften sollten. Der Einfluss der Präparation der verwendeten Gewebe auf die Adhäsion wurde sowohl an Dünndarmpräparaten vom Schwein als auch am Menschen untersucht. Die Gewebe wurden zum einen im frischen Zustand unmittelbar nach der Entnahme für die Mukoadhäsionsmessungen verwendet, im zweiten Versuchsabschnitt wurden sie für eine Woche im Gefrierschrank gelagert und für die Experimente aufgetaut. Bei den Schweinedärmen stellte sich die Frage, ob die Reinigung der frischen Därme einen zusätzlichen Effekt haben könnte. Aufgrund der geringen Probenzahl konnte kein eindeutiger Trend festgestellt werden. Bei zwei von drei Versuchstieren erhöhte sich die errechnete Arbeit (Wad) durch die vorsichtige Reinigung. Beim Auftauen der gereinigten Gewebe konnte bei allen Versuchstieren ein Anstieg der Wad sowie der maximalen Abrisskraft beobachtet werden. Diese Daten wurden statistisch mit den Ergebnissen der ex vivo-Humanstudie verglichen. Das Probandenkollektiv, dessen Daten in die Untersuchungen einflossen, umfasste insgesamt 12 Teilnehmer, die sich aufgrund verschiedener gastrointestinaler Erkrankungen einer geplanten Operation unterziehen mussten. Gesundes Dünndarmgewebe, das aus operationstechnischen Gründen zusätzlich zum erkrankten Gewebe entfernt werden musste, wurde im Rahmen der Studie verwendet. Der statistische Vergleich der Gewebe unterschiedlicher Herkunft zeigte sowohl im frischen als auch im aufgetauten Zustand keine signifikanten Unterschiede. Bei Betrachtung der einzelnen Messwerte konnte jedoch festgestellt werden, dass die berechneten Wad bei menschlichem Gewebe etwas höher lagen als bei Schweinepräparaten. Eine größere Probenzahl könnte einen möglichen statistisch signifikanten Unterschied aufzeigen. Bei menschlichem Gewebe konnte außerdem festgestellt werden, dass die Verwendung einer Messeinstellung mit höherer Anpresskraft, längerer Kontaktzeit und schnellerem Entfernen der Messsonde zu signifikant höheren Wad führte (Einstellung A vs. Einstellung B). Bei allen Messungen wurde deutlich, dass die Adhäsionsarbeit empfindlicher auf Änderungen der Messparameter reagiert und daher möglicherweise der geeignetere Surrogatparameter für die Quantifizierung der Mukoadhäsion ist. Insgesamt zeigte sich bei den biologischen Präparaten eine deutlich größere Variabilität der Messwerte als bei den in vitro-Versuchen. Bei dem humanen Gewebe der ex vivo-Studie handelte es sich um Gewebe, welches von der für den Eingriff ursächlichen Erkrankung nicht betroffen war. In diesem Zusammenhang ist die große interindividuelle Variabilität der Messwerte auf der gesunden Schleimhaut hervorzuheben. Bei der Anwendung mukoadhäsiver Filme auf histologisch veränderter, pathogener Schleimhaut könnte die Mukoadhäsion möglichweise sogar weitaus variabler sein, da in diesem Fall neben der histologischen Veränderung auch eine mögliche Begleitmedikation eine Rolle spielen könnte. Diese Aspekte sollten bei dem Design einer Darreichungsform, aber auch eines geeigneten Testsystems zukünftig berücksichtigt werden. Die in dieser Arbeit gewonnenen Erkenntnisse können zur weiteren Optimierung und Validierung einer Messmethode für die Mukoadhäsion beitragen, um die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Ergebnisse zu erhöhen. Um die biologische Relevanz dieser in vitro-Experimente zu verbessern, können physiologische Daten aus telemetrischen Systemen genutzt und in den experimentellen Aufbau implementiert werden.

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Metadaten
Author: Laura Müller
URN:urn:nbn:de:gbv:9-opus-104217
Title Additional (English):Development and analysis of an adhesion measurement method for intestinal mucoadhesive polyvinyl alcohol films
Referee:Prof. Dr. Werner WeitschiesORCiD, Prof. Dr. Jörg Breitkreutz
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Year of Completion:2023
Date of first Publication:2024/01/04
Granting Institution:Universität Greifswald, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
Date of final exam:2023/12/15
Release Date:2024/01/04
GND Keyword:Mukoadhäsion, Gastrointestinaler Transit, Schluckbare Sensoren, Film
Faculties:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Pharmazie
DDC class:500 Naturwissenschaften und Mathematik / 500 Naturwissenschaften