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Stabilität pharmazeutisch relevanter Tenside im Gastrointestinaltrakt und In vitro-Untersuchungen zur Interaktion mit intestinalen Enzymen

  • In der heutigen Arzneimitteltherapie stellt die orale Verabreichung die bevorzugte Applikationsart dar, folglich ist die orale Bioverfügbarkeit der Wirkstoffe für den Therapieerfolg von großer Bedeutung. Eine Vielzahl der neuen Arzneistoffe ist lipophil und schlecht wasserlöslich, somit weisen sie oft schlechte Voraussetzungen für die orale Therapie auf. Gleichermaßen können intestinaler Metabolismus und Efflux-Transporter die systemische Verfügbarkeit von Arzneistoffen vermindern. Nichtionische Tenside beeinflussen die orale Bioverfügbarkeit von Arzneistoffen auf unterschiedliche Weise. Lange Zeit herrschte die Annahme, dass Hilfsstoffe wie Tenside pharmakologisch inert sind, und sie wurden hauptsächlich in klassisch technologischem Sinn als Solubilisatoren eingesetzt. Diese Annahme ist widerlegt, jedoch sind derzeit nur wenige Studien publiziert, in denen die Stabilität von nichtionischen Tensiden im Gastrointestinaltrakt oder Interaktionen mit Enzymen untersucht wurde. Ein Ziel dieser Arbeit war es, pharmazeutisch genutzte nichtionische Tenside unterschiedlicher Struktur hinsichtlich ihrer Stabilität unter physiologischen Bedingungen zu untersuchen. Ausgewählt wurden die ethoxylierten Verbindungen Polysorbat 80 und D-α-Tocopherol Polyethylenglykol (1000) Succinat (TPGS) sowie der Saccharosefettsäureester Surfhope® SE D 1216 (Saccharoselaurat). Kapitel 1 und 2 beschreiben die Entwicklung analytischer Methoden für diese sehr heterogen zusammengesetzten Verbindungen, die auf chromatographischer Trennung mittels HPLC (High Performance Liquid Chromatography) und Detektion mit einem Charged Aerosol-Detektor (CAD), massenselektiven Detektor (MSD) und UV-Detektor basieren. Die Inkubation von Polysorbat 80 und TPGS in HCl-Lösung (pH 1,0) bei 37°C, wodurch die physiologischen Bedingungen im Magen dargestellt werden sollten, ergab einen geringfügigen Abbau von 9,5% (± 3,0%) bzw. 3,4% (± 0,4%) innerhalb von 8 h. Saccharoselaurat unterlag einem Abbau von über 50% innerhalb von 8 h, während sich alle drei Verbindungen in Wasser stabil zeigten. In den letzten Jahren erlangten neue Technologien, die schlecht wasserlösliche Wirkstoffe oral verfügbar machen sollen, immer mehr an Bedeutung. Umfassende Entwicklungsarbeit kommt dabei selbst-emulgierenden Lipidsystemen zu. SEDDS (Self-emulsifying Drug Delivery Systems) enthalten mitunter große Mengen an nichtionischen Tensiden. Da der Erfolg dieser Formulierungen maßgeblich vom Ausmaß des Triglyceridabbaus sowie Entstehung und Art der Abbauprodukte abhängt, wurde ein Einfluss durch diese amphiphilen Verbindungen getestet. In Kapitel 3 wird die inhibitorische Wirkung von nichtionischen Tensiden auf den Triglyceridabbau durch die Pankreaslipase untersucht. Als weitere Tenside wurden die Macrogolglycerolfettsäureester Cremophor® EL und Cremophor® RH 40 hinzugezogen. Alle Verbindugen hemmen den Triglyceridabbau konzentrationsabhängig bereits unterhalb der kritischen Mizellbildungskonzentration. Weiterhin wurde die Stabilität der Tenside selbst gegenüber Pankreasenzymen getestet, da ein Abbau ebenfalls die Solubilisierungskapazität der gastrointestinalen Flüssigkeit vermindern kann. Die Fettsäureester von Polysorbat 80 sind zu 14,0% (± 1,0%) hydrolysiert worden. Im Fall von Cremophor EL wurden 14,4% (± 3,3%) hydrolysiert, während sie bei Cremophor RH 40 zu einem geringeren Anteil von 6,1% (± 2,8%) abgebaut wurden. TPGS und Saccharoselaurat zeigten sich stabil gegenüber Pankreasenzymen. Gegenstand neuester Forschung ist ferner die Möglichkeit der Beeinflussung intestinaler arzneistoffmetabolisierender Enzyme durch nichtionische Tenside. In Kapitel 4 werden Wechselwirkungen mit dem Arzneistoffmetabolismus durch die Cytochrom P450 Isoenzyme CYP 3A4 und CYP 2C9, die beim intestinalen Metabolismus die bedeutendste Rolle spielen, untersucht. Bei allen Tensiden konnte eine konzentrationsabhängige Inhibition hinsichtlich des Metabolismus eines Modellsubstrats bereits unterhalb der kritischen Mizellbildungskonzentration festgestellt werden. Aus diesen Ergebnissen lässt sich folgern, dass das Kriterium der pharmakologischen Indifferenz von Hilfsstoffen in vielen Fällen nicht gegeben ist. Des Weiteren verdeutlichen sie die Notwendigkeit, im Rahmen der Entwicklung von komplex zusammengesetzten Formulierungen zunächst eine Untersuchung und quantitative Bewertung des Stabilitätsverhaltens durchzuführen. Insbesondere bei selbst-emulgierenden Lipidsystemen muss berücksichtigt werden, dass sowohl der Abbau der Tenside als auch die inhibitorische Aktivität dieser gegenüber der triglyceridabbauenden Pankreaslipase maßgeblichen Einfluss auf die Arzneistoffsolubilisierung haben. Die Fähigkeit, intestinale CYP450 Enzymen zu inhibieren, eröffnet die Möglichkeit, diese nichtionenschen Tenside zur gezielten Metabolismushemmung einzusetzen. Dadurch kann die Bioverfügbarkeit von „Problemarzneistoffen“, sofern sie Substrate dieser Enzyme darstellen, erhöht werden.
  • The oral route is still the preferred route for drug administration. Many of the new drug entities are lipophilic and show poor aqueous solubility and therefore limited oral bioavailability. In addition, intestinal metabolism and drug efflux transporters can decrease the absorption rates of drugs. Many amphilphilic excipients have been reported to affect bioavailability of APIs by different mechanisms. Surfactants are historically considered to act as pharmacologically inert excipients in formulations. Hence, for a long time formulation developers had focused exclusively on their technological functions such as to enhance drug solubilization. This assumption is disproved, but there are few publications about the stability of nonionic surfactants and interactions with intestinal enzymes. One purpose of the study was to investigate the stability of nonionic surfactants under physiological conditions. The compounds tested in this study are polysorbate 80, D-α-tocopheryl polyethylene glycol (1000) succinate (TPGS) and sucrose laurate (Surfhope® SE D-1216). Chapter 1 and 2 describe the development of HPLC methods using a charged aerosol detector (CAD), mass selective detector (MSD), and a diode array detector (DAD) to investigate these compounds which all show a very heterogeneous composition. Incubation of polysorbate 80 and TPGS at pH 1,0 and 37°C simulating harsh gastric conditions resulted in marginal degradation of 9.5% (± 3.0%) respectively 3.4% (± 0.4%) within 8 h. In contrast, sucrose laurate was degraded with an extent of 50 % within 8 h. All of the three surfactants were stable in water. In recent years much attention had focused on new technologies like self-emulsifying lipid-based formulations in order to increase the bioavailability of poorly water soluble drugs. SEDDS (Self-emulsifying drug delivery systems) often contain high amounts of nonionic surfactants. Therefore, interactions with the pancreatic lipase which physiologically hydrolizes triglycerides were investigated, because a successful performance of these formulations depends on the extent of triglyceride digestion and formation of degradation products. In chapter 3 it was the purpose to examine the ability of these nonionic surfactants to inhibit enzymatic hydrolysis of triglycerides by pancreatic lipase in vitro. In addition, the polyethoxylated surfactants Cremophor EL and Cremophor RH 40 have been tested. All compounds inhibit triglyceride digestion in concentration dependant manner already below their critical micelle concentration. Furthermore, the susceptibility of these nonionic surfactants towards digestion by pancreatic enzymes was investigated, because degradation of the amphiphilic compounds can also reduce the solubilization capacity of the intestinal fluid. PEG fatty acid ester bonds of Cremophor EL and polysorbate 80 were hydrolyzed in a related magnitude of 14.0% (± 1.0%) respectively 14.4% (± 3.3%), whereas Cremophor RH 40 was hydrolyzed to a lower extend of 6.1% (± 2.8%). The ester bonds of sucrose laurate and TPGS had not been affected. Recent studies point to the ability of amphiphilic excipients to interfere with intestinal metabolic enzymes like cytochrome P450 (CYP). In chapter 4 the impact of commonly used nonionic surfactants on Cytochrome P450 (CYP) 3A4-mediated metabolism of testosterone and the CYP2C9-mediated metabolism of diclofenac was investigated. Inhibitory potential in case of all tested compounds could be observed already below their critical micelle concentrations and in concentration dependant manner. These results indicate that many commonly used excipients don’t act as pharmacologically inert compounds and that it is necessary to evaluate their stability when applying them to complex formulations. In case of self-emulsifying lipid formulations developers have to take into consideration that degradation of the surfactants as well as interactions with the pancreatic lipase and triglyceride digestion may have an impact on the solubilization of drugs. In addition, these nonionic surfactants are in vitro inhibitors of CYP-mediated metabolism and might have the potential to modify the pharmacokinetics of co administered drugs, which are substrates of CYP, and thereby enhance their bioavailability.

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Metadaten
Author: Anne Christiansen
URN:urn:nbn:de:gbv:9-000934-4
Title Additional (English):Stability of nonionic surfactants in the gastrointestinal tract and interactions with intestinal enzymes
Advisor:Prof. Werner Weitschies
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Date of Publication (online):2011/03/15
Granting Institution:Ernst-Moritz-Arndt-Universität, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät (bis 31.05.2018)
Date of final exam:2011/01/19
Release Date:2011/03/15
Tag:Enzyminhibition, Stabilität, Triglyceridabbau, orale Bioverfügbarkeit
GND Keyword:Cytochrom P-450, Gastrointestinaltrakt, HPLC, Nichtionisches Tensid
Faculties:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Pharmazie
DDC class:500 Naturwissenschaften und Mathematik / 540 Chemie