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Bitte verwenden Sie diesen Link, wenn Sie dieses Dokument zitieren oder verlinken wollen: https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:gbv:9-000634-0

Entwicklung eines In vitro-Modells zur Untersuchung der Wirkstofffreisetzung und -verteilung aus Arzneistoff-freisetzenden Stents

  • Die Implantation von Arzneistoff-freisetzenden (drug-eluting) Stents in durch Ballonangioplastie revaskularisierte Koronararterien stellt heutzutage eine der wichtigsten Methoden zur Prävention von Restenosen der betroffenen Gefäßabschnitte dar. Die Erzielung wirksamer Konzentrationen der hochpotenten Wirkstoffe in der Gefäßwand unter Vermeidung von unerwünschten systemischen Arzneimittelwirkungen soll durch die kontrollierte Arzneistofffreisetzung im stenosierten Gefäßabschnitt gewährleistet werden. Aufgrund der Unzugänglichkeit des Wirkortes für direkte Konzentrationsbestimmungen liegen bis dato jedoch nur wenige Daten bezüglich der Wirkstofffreisetzung und -verteilung aus Humanstudien vor. Da die zur Verfügung stehenden offizinellen und nicht offizinellen Methoden zur Untersuchung des In vitro-Verhaltens von Arzneiformen lediglich ein Akzeptorkompartiment aufweisen, sind sie ebenfalls nur bedingt zur Vorhersage der Freisetzung aus einem Stent am Implantationsort geeignet. Verteilungprozesse können mit diesen Methoden nicht beschrieben werden. Aus diesem Grund war es das Ziel der vorliegenden Arbeit, einen an die In vivo-Bedingungen am Implantationsort adaptierten In vitro-Freisetzungstest für Arzneistoff-freisetzende Stents basierend auf den Methoden des Europäischen oder US-Amerikanischen Arzneibuchs zu entwickeln. Der Freisetzungstest sollte dazu geeignet sein, sowohl die Wirkstofffreisetzung und -verteilung zwischen verschiedenen Kompartimenten als auch räumliche Verteilungsmuster innerhalb eines Gefäßwand-simulierenden Kompartiments zu untersuchen. Als Basis für die Modellentwicklung wurde aufgrund der am Implantationsort in vivo vorliegenden Bedingungen die Durchflusszellen-Apparatur ausgewählt, die die einzige offizinelle Methode darstellt, bei der ein gerichteter Fluss erzeugt wird. Zur Simulation der Gefäßwand sollte ein zusätzliches Akzeptorkompartiment in die Durchflusszelle eingebracht werden. Da das Kompartiment einerseits formstabil sein sollte und andererseits die Aufnahme und den Transport des Arzneistoffs durch Diffusion ermöglichen sollte, wurden verschiedene Hydrogele hinsichtlich ihrer Eignung zur Integration in die Durchflusszelle untersucht. Calciumalginat wurde als geeignetes Hydrogel für das zusätzliche Akzeptorkompartiment identifiziert und durch Veränderungen an der Durchflusszellen-Apparatur erfolgreich in den Freisetzungstest integriert. Es wurde eine zentrale Aussparung im Hydrogel geschaffen, die im Modell das Gefäßlumen simuliert und in die ein Stent mittels Ballonkatheter implantiert werden kann. Nach der Implantation des Stents kann die Öffnung im Hydrogel mit dem Freisetzungsmedium mit einer Flussrate von 35 ml/min, die dem Blutfluss in Koronarien entspricht, perfundiert werden. Durch Einsatz geeigneter Medienvolumina kann die Einhaltung von Sinkbedingungen, die als das größte Problem der häufig eingesetzten nicht offizinellen Testsysteme gilt, sichergestellt werden. Nach erfolgter Entwicklung wurde die Eignung des Modells durch die Testung verschiedener Stentmodelle geprüft werden. Neben der Bestimmung der Freisetzung der Modellsubstanzen ins Durchflussmedium während der Perfusion und der am Versuchsendpunkt in der Stentbeschichtung verbliebenen Modellsubstanz-Anteile wurden verschiedene Methoden zur Untersuchung des Hydrogels nach Beendigung der Perfusion entwickelt. Zur direkten Quantifizierung der ins Hydrogel diffundierten Modellsubstanz wurde eine geeignete Methode zur Verflüssigung des Gels identifiziert. Zur Untersuchung der räumlichen Verteilung innerhalb des Hydrogels wurden zwei Methoden zur Präparation des Hydrogels entwickelt, die die Untersuchung im Fluoreszenzmikroskop ermöglichten. Einerseits wurde anhand von Mikrotomschnitten die Diffusionstiefe im Querschnitt untersucht. Unter Verwendung von Alginatfilmen war andererseits die Untersuchung der Innenseite des simulierten Gefäßlumens parallel zur Flussrichtung möglich. Unter Verwendung einer Finite-Elemente-Methode konnten zudem ausgewählte Freisetzungsversuche mathematisch modelliert werden. Für die Berechnungen wurden im Rahmen dieser Arbeit experimentell bestimmte Diffusionskoeffizienten zu Grunde gelegt. Die Ergebnisse der Freisetzung mit dem im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Testsystem wiesen im Vergleich zur Testung mit offizinellen Methoden eine Verlangsamung der Entleerung der Stentbeschichtung bei allen Modellsubstanzen durch die an die In vivo-Situation adaptierten Einbettungs- und Flussbedingungen auf. Diese Beeinflussung der Freisetzungsgeschwindigkeit durch die Freisetzungsbedingungen unterstreicht die Notwendigkeit, für die In vitro-Evaluation von Arzneistoff-freisetzenden Stents spezialisierte, an die In vivo-Bedingungen adaptierte Testsysteme einzusetzen. Mit dem im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Freisetzungsmodell steht erstmals ein solches Testsystem zur Verfügung.
  • The implantation of drug-eluting stents in coronary arteries that have been revasculated by means of balloon angioplasty is nowadays one of the most important methods to prevent restenosis. By releasing the drug in a controlled manner directly in the stenotic vessel efficient concentrations of the highly potent drugs in the vessel wall are supposed to be established under omission of undesired systemic effects. Since direct analysis of the concentration in the vessel wall is usually not feasible there is only limited data on drug release and distribution in humans up to date. In vitro release tests commonly consist of only one acceptor compartment. Therefore, they can be used to evaluate release under the given conditions but analysis of distribution processes is impossible. It was the objective of this work to develop an in vitro dissolution test for drug-eluting stents that is adapted to the in vivo conditions at the site of implantation and that is based on one of the methods of the European or United States Pharmacopoeia. The test was to be suitable to examine release and distribution processes between the different compartments as well as the distribution within the vessel wall simulating compartment. The flow-through cell was chosen as the basis for model development since it is the only compendial method in which directional flow is induced. To simulate the vessel wall an additional compartment was added to the flow-through cell. This compartment had to be dimensionally stable und was to allow for drug penetration by diffusion. Therefore, different hydrogel materials were tested. Calcium alginate was identified as a suitable hydrogel and included in the flow-through cell. A central opening in the hydrogel simulated the vessel lumen. Stents were implanted into this opening by means of a balloon catheter and perfused by dissolution media. The media flow rate was set to 35 ml/min which corresponds to the blood flow velocity in coronaries. By adjusting media volumes sink conditions were assured which is one of the major drawbacks of most non-compendial test systems. The developed model was evaluated using differing model stent systems. Beside the determination of release into the media during perfusion and of the amounts remaining on the stent coating at the end of the experiment differing methods to examine the hydrogel compartment were developed. The model substance content of the hydrogel was quantified after liquefaction. To examine spatial distribution patterns two preparation techniques were developed that allowed for the examination of samples in the fluorescence microscope. The diffusion depths in cross sections were examined after snap freezing and cryo-sectioning. Alternatively, alginate films were used to examine distribution in the simulated inner most layer of the vessel wall parallel to the flow direction. Using finite element methods results of dissolution testing were mathematically modelled using experimentally determined diffusion coefficients. The results of dissolution testing with the developed test system showed a deceleration of release from the stent coating compared to compendial methods due to the test conditions adapted to the in vivo situation. This influence of the test conditions on the release rate underlines the importance of using specialised dissolution test methods for specialised dosage forms such as drug-eluting stents. Such a specialised dissolution test method is available for the first time with the newly developed dissolution test.

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Metadaten
Author: Anne Neubert
URN:urn:nbn:de:gbv:9-000634-0
Title Additional (English):Development of an in vitro dissolution method for the determination of drug release and distribution from drug-eluting stents
Advisor:Prof. Dr. rer. nat. Werner Weitschies
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Date of Publication (online):2009/06/18
Granting Institution:Ernst-Moritz-Arndt-Universität, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät (bis 31.05.2018)
Date of final exam:2009/05/25
Release Date:2009/06/18
Tag:Wirkstoffverteilung
drug distribution, drug release, in vitro, stent
GND Keyword:In vitro, Stent, Wirkstofffreisetzung
Faculties:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Pharmazie
DDC class:500 Naturwissenschaften und Mathematik / 540 Chemie