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Entwicklung individualisierter In-vitro-Freisetzungsmethoden für perorale Darreichungsformen unter Verwendung physiologisch-basierter Hydrogencarbonatpuffersysteme

  • Biorelevante In-vitro-Freisetzungsmethoden sind im Laufe der letzten Jahrzehnte zu einem unverzichtbaren Hilfsmittel in der Entwicklung von innovativen und generischen oralen Formulierungen geworden. Sie dienen in einer frühen Phase der Produktentwicklung u.a. zur Selektion von geeigneten Formulierungskandidaten im Vorfeld von Bioverfügbarkeits- und Bioäquivalenzuntersuchungen. Mithilfe biorelevanter Freisetzungsmethoden sollen dabei der menschliche Gastrointestinaltrakt (GIT) oder Teile davon simuliert werden, um somit Aussagen zum In-vivo-Freisetzungsverhalten der untersuchten Formulierung treffen zu können. Im Zuge der Entwicklung biorelevanter In-vitro-Testmethoden lag der Fokus bisher vorrangig in der Abbildung der gastrointestinalen Physiologie eines gesunden Erwachsenen. Inter- und intraindividuelle Unterschiede und andere Faktoren, die das Freisetzungsverhalten im GIT beeinflussen können, wie beispielsweise das Alter des Patienten oder zusätzliche Erkrankungen, blieben hingegen größtenteils unberücksichtigt. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit sollten daher individualisierte In-vitro-Freisetzungsmodelle entwickelt werden, welche die In-vivo-Variabilität des gastrointestinalen Transitverhaltens von Darreichungsformen und die variablen pH-Bedingungen des GIT nach Nüchterneinnahme widerspiegeln sollen. Auf Grundlage der zu entwickelnden Modelle sollte es demnach möglich sein, die Robustheit des Freisetzungsverhaltens von modifiziert freisetzenden Arzneiformen gegenüber inter- und intraindividuellen Unterschieden im Passageverhalten und den vorherrschenden pH-Bedingungen zu untersuchen. Am Beispiel von magensaftresistenten Acetylsalicylsäure (ASS)-Formulierungen wurde zunächst im Rahmen eines systematischen Screenings der Einfluss der Zusammensetzung des Freisetzungsmediums auf die Wirkstofffreisetzung untersucht. Ein besonderes Augenmerk lag dabei auf dem Vergleich phosphatgepufferter Medien mit dem physiologisch für den nüchternen Dünndarm relevanten Kohlensäure (H2CO3)/Hydrogencarbonat (HCO3-)-Puffersystem. Auf Basis von Literaturdaten zur Elektrolytzusammensetzung der intestinalen Flüssigkeiten wurde als Resultat des systematischen Screenings mit Carbonate-based Fasted State Simulated Intestinal Fluid (CarbFaSSIF) ein Freisetzungsmedium entwickelt, welches die Elektrolytzusammensetzung der luminalen Flüssigkeiten des nüchternen Dünndarms widerspiegelt und auf dem H2CO3/HCO3--Puffersystem basiert. Der Einsatz eines automatischen pH-Regulationssystem (pHysio-grad®) zur Stabilisierung von thermodynamisch instabilen HCO3--basierten Freisetzungsmedien ermöglichte es, mit CarbFaSSIF dynamische intestinale pH- und Transitprofile in hoher zeitlicher Auflösung in einer kompendialen Blattrührerapparatur zu simulieren. Am Beispiel von magensaftresistenten Mesalazin- und Natriumvalproatformulierungen wurde die Robustheit des Freisetzungsverhaltens gegenüber der Variabilität gastrointestinaler pH- und Passagebedingungen untersucht. Mit dem lokal im GIT wirkenden Mesalazin und dem systemisch wirkenden Natriumvalproat wurden zwei Arzneistoffe mit unterschiedlichen Wirkprinzipien ausgewählt, die aufgrund eines individuell variablen Freisetzungsverhaltens zu teils schwerwiegenden unerwünschten Arzneimittelwirkungen oder zu einem Therapieversagen führen könnten. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden beispielhaft individuelle pH- und Transit-Bedingungen von vier individuellen Probanden einer in der Literatur beschriebenen In-vivo-Studie für die In-vitro-Simulationen ausgewählt, welche einerseits den Durchschnitt der In-vivo-Studie widerspiegelten, aber auch extreme Passage- und pH-Bedingungen aufwiesen. Die untersuchten Formulierungen zeigten abhängig von der Art der magensaftresistenten Überzüge eine unterschiedliche Sensitivität gegenüber den individuellen simulierten pH- und Transit-Profilen. Für die Mesalazinformulierungen war es möglich, den Ort und das Ausmaß der Wirkstofffreisetzung, die für eine erfolgreiche Therapie ausschlaggebend sind, in individuellen Probanden in vitro zu bestimmen. Im Gegensatz zu den lokal im GIT wirkenden Mesalazinformulierungen sind für die antiepileptische Therapie mit magensaftresistenten Natriumvalproatformulierungen neben dem Ausmaß insbesondere der Zeitpunkt der Wirkstofffreisetzung für konstante Plasmaspiegel von entscheidender Bedeutung. Darauf basierend wurden unter Verwendung der ermittelten Freisetzungsdaten und mithilfe von individuellen pharmakokinetischen Parametern für die natriumvalproathaltigen Darreichungsformen In-silico-Simulationen mit einem neuen Simulationsprogramm (BioavailabilityDesign expert) zur Vorhersage von Natriumvalproatplasmaprofilen durchgeführt. Die ermittelten In-silico-Plasmaprofile wurden dabei mit dem mathematischen Verfahren des durchschnittlichen Euklidischen Abstands mit In-vivo-Daten aus der Literatur verglichen, um die In-vivo-Vorhersagekraft des Freisetzungsmodells beurteilen zu können. Abhängig von der Art des magensaftresistenten Überzugs und dem daraus resultierenden unterschiedlichen Ansprechen auf die Bedingungen der In-vitro-Freisetzungstests konnten für zwei der drei untersuchten Natriumvalproatformulierungen vielversprechende Vorhersagen zu den resultierenden Plasmaspiegeln getroffen werden. Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Arbeit lag in der Implementierung des pHysio-grad®-Systems und der neu entwickelten HCO3--basierten Medien in prädiktiven Freisetzungstestmethoden für pädiatrische Darreichungsformen. Um vor allem das im GIT von Kindern, insbesondere bei Neugeborenen und Kleinkindern, im Vergleich zum Erwachsenen für die Wirkstofffreisetzung zur Verfügung stehende geringere Flüssigkeitsvolumen in einem In-vitro-Test hinreichend wiedergeben zu können, wurde für diesen Zweck eine neue Freisetzungsapparatur entwickelt. Das konstruierte System basierte auf standardisierten Prüfgefäßen und ermöglichte Freisetzungsuntersuchungen in einem Volumen von 30 bis 110 mL. Durch die Einbindung von miniaturisierten Komponenten des pHysio-grad®-Systems konnten zur Simulation der intestinalen Bedingungen von Kindern unterschiedlicher Altersgruppen auch physiologisch-relevante HCO3--Medien eingesetzt werden. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit verdeutlichen, dass individualisierte Freisetzungsmethoden basierend auf physiologischen HCO3--Medien einen vielversprechenden Ansatz zur Beurteilung der Robustheit der Wirkstofffreisetzung von modifiziert freisetzenden Arzneiformen hinsichtlich der Variabilität von gastrointestinalen Transit und pH-Bedingungen darstellen. Darüber hinaus wurde mit einem Freisetzungsmodell für pädiatrische Arzneiformen ein erster Ansatz entwickelt, um die Besonderheiten, die mit der Arzneimittelapplikation an Kindern in Verbindung stehen, in einem In-vitro-Maßstab wiederzugeben. Die im Rahmen dieser Arbeit entwickelten In-Vitro-Methoden basieren auf physiologischen Daten von gesunden erwachsenen Probanden, stellen aber eine universelle Plattform dar, die perspektivisch auch zur Simulation von individuellen Patienten eingesetzt werden kann. Die neu konzipierten Freisetzungsmodelle würden daher zukünftig sehr von systematischen In-vivo-Studien an Patienten profitieren, die Einflussfaktoren, wie Alter oder Erkrankungen, auf die Eigenschaften der luminalen Flüssigkeiten und das gastrointestinale Passageverhalten von Arzneiformen untersuchen.
  • Over the past decades, biorelevant dissolution methods have evolved as an essential tool in the development of innovative and generic oral drug formulations. In an early stage of product development they are used to identify appropriate formulation candidates for clinical trials. With the aim to predict in vivo dissolution behavior of the tested formulations biorelevant dissolution methods focus on the simulation of the gastrointestinal (GI) environment. Biorelevant dissolution methods described in the literature mainly focus on reflecting GI conditions of average healthy adults. However, to date, inter- and intraindividual differences that may affect drug release characteristics of a formulation in the GI tract as well as other factors, such as age or diseases, often remained unconsidered. The aim of the present work was to develop individualized in vitro dissolution models that enable the simulation of in vivo variability in GI passage and pH conditions after fasted administration of a dosage form. Hence, the models to be developed should enable a characterization of the robustness of drug release from modified release formulations with respect to inter- and intraindividual differences in GI passage and pH conditions. Initially, the sensitivity of drug release from enteric coated aspirin formulations for the electrolyte composition of the dissolution medium was screened systematically. The focus of these experiments was set on the comparison of phosphate-based media with carbonic acid(H2CO3)/ bicarbonate (HCO3-)-based media that represent the physiologically relevant buffer species in the fasted small intestine. Based on in vivo data reported for the electrolyte composition of intestinal fluids, a novel dissolution medium based on the physiological H2CO3/HCO3- buffer, Carbonate-based Fasted State Simulated intestinal Fluid (CarbFaSSIF) reflecting the electrolyte composition of the fasted small intestine was developed. The use of an automated pH controller (pHysio-grad®) to stabilize the thermodynamically instable HCO3- media enabled the simulation of dynamic intestinal pH- and transit profiles with high temporal resolution in a compendial paddle apparatus. The robustness of drug release with regard to variability in gastrointestinal pH and transit conditions was tested for formulations containing mesalazine and sodium valproate. With mesalazine acting locally in the GI tract and sodium valproate acting systemically, two different therapeutical strategies were chosen with both resulting in serious side effects or ineffectiveness caused by individual variability in drug release. Exemplarily, four individual subjects from an in vivo study reported in the literature representing mean and extreme pH- and transit conditions were selected for the in vitro experiments. The tested formulations exhibited a different sensitivity to individual pH- and transit profiles that was mainly determined by the type of enteric coating. In case of the mesalazine formulations, with the in vitro setup simulating individual subjects it was possible to predict both, site and extent of drug release, that are crucial parameters for a successful therapy. In contrast to the locally acting mesalazine formulations, for the valproate formulations constant plasma levels are essential for a sufficient antiepileptic therapy. Thus in this case the time until drug release was the crucial parameter. Based on the dissolution data in physiological relevant media and individual pharmacokinetic parameters of valproate in silico simulations were run with a novel simulation software (BioavailabilityDesign expert) to predict individual plasma profiles. The calculated plasma profiles were compared with in vivo data from the literature by means of a mean Euclidean Distance approach to assess the predictive power of the model. Dependent on the type of enteric coating and the resulting different sensitivity towards the in vitro test conditions, promising predictions were obtained for two out of three formulations. Another aspect of the present work was the establish the pHysio-grad® device and the developed HCO3--based dissolution media in predictive dissolution tests for paediatric formulations. A novel dissolution apparatus was developed to reflect the low amount of fluid that is available for drug dissolution in the paediatric GI tract. The system is based on standardized dissolution vessels and enables dissolution studies in a test volume of 30 to 110 mL. By miniaturizing the components of the pHysio-grad® device it is also possible to use HCO3--based media to simulate the paediatric intestine. The results of the present work demonstrate that individualized dissolution methods based on physiological relevant HCO3--media are a promising approach for assessing the robustness of drug release from modified release formulations with regard to variability in GI transit and pH-conditions. Moreover, with a dissolution model for paediatric formulations a novel approach taking into account the characteristics related to oral paediatric drug delivery was established. The developed in vitro methods are based on the GI physiology of healthy adult subjects but also allow for the simulation of individual patients. Thus, the novel dissolution methods will benefit from in vivo studies characterizing GI physiology in patients of different age and disease state.

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Metadaten
Author: Frank KarkossaORCiD
URN:urn:nbn:de:gbv:9-opus-25406
Title Additional (English):Development of individualized dissolution test methods for oral dosage forms based on physiologically relevant bicarbonate buffers
Referee:Prof. Dr. Sandra Klein, Prof. Dr. Karsten Mäder
Advisor:Prof. Dr. Sandra Klein
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Year of Completion:2019
Date of first Publication:2019/03/13
Granting Institution:Universität Greifswald, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
Date of final exam:2019/02/08
Release Date:2019/03/13
Tag:Hydrogencarbonatpuffer, Interindividuelle Variabilität, Mesalazin, Valproinsäure, biorelevant dissolution, biorelevante Wirkstofffreisetzung, feste Arzneiformen, patientenspezifische Wirkstofffreisetzung
bicarbonate buffer, solid oral dosage forms
GND Keyword:Biopharmazie, Feste Arzneiform, Gastrointestinaltrakt, Patient, Pharmazeutische Technologie, Wirkstofffreisetzung, in vitro
Pagenumber:122
Faculties:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Pharmazie
DDC class:500 Naturwissenschaften und Mathematik / 540 Chemie
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 610 Medizin und Gesundheit