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Für die orale Pharmakotherapie stellen die gastrointestinalen Flüssigkeiten einen der relevantesten Einflussfaktoren dar, da es sich bei ihnen um das Medium für Zerfallsprozesse der Arzneiform und zur Auflösung des Arzneistoffs handelt. Neben den physikochemischen Eigenschaften wie dem pH-Wert ist es vor allem auch die vorliegende Medienmenge, die für die konzentrationsabhängigen Auflösungs- und Absorptionsprozesse oraler Arzneistoffe von entscheidender Bedeutung ist. Auch der Transport der Flüssigkeiten im Gastrointestinaltrakt ist aufgrund des Cotransports von Arzneiform und Arzneistoff für das Anflutungsverhalten oral eingenommener Arzneimittel relevant. Insbesondere die Magenentleerung stellt hier bekanntermaßen einen essenziellen Parameter dar. Das Wissen zu welchem Zeitpunkt, an welchem Ort im Gastrointestinaltrakt, welches Volumen mit den bestimmten Eigenschaften vorliegt ist aber in vielen Fällen nur relevant, wenn man zum selben Zeitpunkt auch die Position und das Zerfalls- oder Freisetzungsverhalten der oralen Arzneiform kennt. Das Verhalten oraler Arzneiformen in vivo kann sich unter Umständen deutlich von dem Verhalten in vitro unterscheiden. Zudem sind die Transitbedingungen im Gastrointestinaltrakt vielfältigen Abhängigkeiten, sowie Schwankungen unterworfen und unterliegen daher einer relevanten Variabilität. Die Verbindung der Untersuchungen von gastrointestinalen Flüssigkeitsmengen und ihren Verteilungskinetiken zusammen mit der Untersuchung von Transit, Freisetzung und Zerfall oraler Arzneiformen ist umfangreich und komplex, daher wurden im Rahmen dieser Arbeit verschiedene Einzelfragestellungen zu dem übergeordneten Themenbereich bearbeitet.
So wurden relevante Aspekte der Interaktionen von gastrointestinalen Volumina, dem Transport und oral verabreichten Arzneimitteln durch Mitarbeit an einem Review umfassend ausgearbeitet und einige unzureichend geklärte Zusammenhänge identifiziert. Zusätzlich wurden verschiedene in vivo Studien unter Zuhilfenahme der MRT Bildgebung durchgeführt. Um die Vergleichbarkeit und Übertragbarkeit sicherzustellen, entsprachen die Protokolle und Designs dieser Studien weitgehend den Bedingungen Klinischer Studien der Phase I.
Eine wichtige Fragestellung im Bereich der oralen Biopharmazie ist dabei immer die Interaktion mit Nahrung. So wurde in der ersten Studie die spezifische Nahrungsmittel-interaktion mit Grapefruitsaft untersucht. So weisen viele oral verabreichte Arzneistoffe gleichgerichtete Effekte nach Einnahme von Nahrung und nach Einnahme von Grapefruitsaft auf, sodass neben der bekannten Enzym- und Transporterwirkung des Grapefruitsaftes auch ein Volumeneinfluss vermutet wurde. Für einige Arzneimittel ist dieser Volumeneffekt möglicherwiese sogar maßgeblich. In der durchgeführten Studie wurden jeweils 240 mL Grapefruitsaft, isokalorische Fruktose- und Glukoselösung, sowie Wasser von 6 Probanden eingenommen und die gastrointestinalen Volumina über mehr als 90 min quantifiziert. Neben einer verlangsamten Magenentleerung ergab sich durch den Grapefruitsaft dabei vor allem ein vergrößertes Flüssigkeitsvolumen im Dünndarm. So war 80 min nach Einnahme des Grapefruitsafts das Dünndarmvolumen im Mittel doppelt so hoch wie nach Einnahme von Wasser. Die Verlangsamung der Magenentleerung des Grapefruitsafts war dabei vor allem durch Glukose vermittelt, während die Veränderungen im Dünndarmvolumen vor allem auf den Fruktosegehalt zurückzuführen sind. Insbesondere die Volumenvergrößerung kann über den Effekt auf die Arzneistoffkonzentration sowohl zu verbesserter als auch verschlechterter Bioverfügbarkeit führen. Auflösungsprozesse insbesondere von BCS II Stoffen werden zwar verbessert, die Absorption von BCS III Stoffen wird durch den verringerten Konzentrationsgradienten allerdings verschlechtert. Sowohl die positiven als auch die negativen Effekte von Grapefruitsaft auf die Bioverfügbarkeit verschiedener Arzneistoffe können demnach auch kalorische Effekte der enthaltenen Kohlenhydrate sein und lassen sich damit auch auf andere Fruchtsäfte übertragen. Inwieweit insbesondere intestinale Volumina wirklich eine relevante Rolle für die Arzneistoffabsorption spielen bleibt jedoch unklar.
Ein weiteres ausgesprochen relevantes Phänomen bei der postprandialen Arzneimitteleinnahme stellt die Magenstraße dar, die eine schnelle Wasserentleerung am Speisebrei vorbei beschreibt und auch Arzneistoffe aus dem Magen mitreißen kann. In einer weiteren Studie wurde daher die Entleerung von 240 mL Wasser nach Einnahme verschiedener Mahlzeiten mit der Wasserentleerung im nüchternen Zustand verglichen. Bei den Mahlzeiten handelte es sich um ein feststoffbasiertes fettreiches Standardfrühstück, ein feststoffbasiertes fettarmes leichtes Frühstück und eine homogene fettreiche Cremespeise mit je 500 kcal. Der ursprünglich vermutete Zusammenhang zwischen Fettgehalt und Auftreten der Magenstraße konnte widerlegt werden. Bei beiden festen Mahlzeiten kam es unabhängig vom Fettgehalt und im Gegensatz zur fettreichen Cremespeise auch 60 min nach der ersten Wassergabe zu einer ausgeprägten Magenstraße. Dieses Auftreten zu späteren Zeitpunkten nach Nahrungseinnahme ist so relevant, da es durch das Ausspülen von Arzneistoff aus dem postprandialen Magen Dose Dumping-ähnliche Effekte herbeiführen kann. Dies geschieht nur mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit, was zu einer kritischen Erhöhung der Variabilität im Real Life, aber auch in Studien führt. Dieser Effekt ließe sich auch für die schnelle Anflutung im postprandialen Zustand zum Beispiel mithilfe von Arzneistofflösungen ausnutzen. Für klinische Studien erscheint vor allem die Standardisierung und Dokumentation der Flüssigkeitsgabe über längere Zeiträume als bisher zur Vermeidung unerwünschter Variabilitäten essenziell.
Die Variabilität der Volumina und ihrer Transportvorgänge stellt bekanntermaßen eine Quelle für die pharmakokinetische Variabilität dar und sollte daher ebenfalls charakterisiert werden. Dazu wurden die pseudonymisierten Daten eigens durchgeführter und vergleichbarer Studien gepoolt und die nüchternen Residualvolumina des Magens, sowie die Entleerung von 240 mL Wasser nach nüchterner Applikation untersucht. Dabei wurde die interindividuelle Variabilität zwischen Probanden mit der intraindividuellen Variabilität einzelner Probanden verglichen. Die Magenentleerung stellt unbestritten einen Kernparameter dar und die Menge des Residualvolumens bestimmt maßgeblich die physikochemischen Eigenschaften des Freisetzungsmediums nach nüchterner Applikation. Selbst unter den hochstandardisierten Bedingungen klinischer Studien mit 10 stündigem Fasten über Nacht, ergaben sich dabei deutliche Unterschiede im nüchternen Residualvolumen des Magens. Im interindividuellen Mittel innerhalb der Studienkollektive betrug das nüchterne Residualvolumen 49 ± 19 mL mit einer Spannbreite von 17 mL bis 93 mL. Dies unterschied sich kaum vom intraindividuellen Mittel innerhalb der wiederholten Messungen eines Probanden mit 44 ± 18 mL und einer Spannbreite von 22 mL bis 77 mL. Auch die Magenentleerung war sowohl interindividuell als auch intraindividuell vergleichbaren Schwankungen unterworfen. So stellte sich sowohl bei den nüchternen Residualvolumen als auch bei der Magenentleerung heraus, dass die intraindividuelle Variabilität vergleichbar mit der interindividuellen Variabilität ist. Diesem Fakt wurde bisher zu wenig Bedeutung beigemessen, denn das bedeutet, dass ein Proband nach Mehrfachgabe die gleiche Variabilität zeigen kann, wie ein ganzes Studienkollektiv aus mehreren Probanden. Bei oraler Gabe stellt die gleiche Person demnach keineswegs eine reproduzierbare Referenz für sich selbst dar. Es zeigt auch, dass der Einnahmezeitpunkt in Relation zum MMC eine große Bedeutung für die Menge und physikochemische Zusammensetzung des gastrischen Freisetzungsmediums hat.
Um über die Untersuchung der gastrointestinalen Flüssigkeiten hinaus auch den Arzneiformentransit und -zerfall und das Zusammenspiel mit dem Flüssigkeitstransport zu untersuchen, wurden bekannte Kontrastierungsmethoden für die MRT adaptiert und neue Methoden unter Nutzung von Lebensmitteln entwickelt. Mithilfe einer auf getrockneten Ananasstücken basierenden Methode konnte unter anderem der Transit und Zerfall von DRcapsTM als Cap in-Cap Formulierung im Zusammenspiel mit der Magenentleerung des eingenommenen Wassers untersucht werden. Der Produktclaim einer verzögerten Desintegration, die zeitgesteuert die Freisetzung im Magen verhindert und erst im Dünndarm zu einer Freisetzung führen soll wurde ebenfalls überprüft. Dazu wurden im nüchternen Zustand eine schwimmende und sinkende Formulierung getestet. Hartkapseln haben aufgrund ihrer Pulverfüllung in der Regel eine relativ niedrige Dichte. Dies könnte die Vergleichbarkeit des Transits mit etablierten magensaftresistenten Tabletten einschränken. Bekanntermaßen stellen schwimmende Monolithen auch ein Konzept der Gastroretention dar, was für die Funktion der DRcapsTM aufgrund der Gefahr einer Desintegration im Magen nachteilig wäre und daher in dieser Studie ebenfalls überprüft wurde. Die Magenentleerungszeitpunkte lagen im Mittel bei 45 ± 35 min für die schwimmenden Kapseln und 36 ± 18 min für die sinkenden Kapseln. Demnach sind schwimmende Monolithen entgegen verbreiteter Meinung nach nüchterner Applikation nicht gastroretentiv. Für die Vergleichbarkeit des Transits schwimmender modifiziert freisetzender Kapseln ist dies jedoch vorteilhaft. Die Zerfallszeiten konnten ebenfalls bestimmt werden und die Desintegration fand ausschließlich im Dünndarm statt. Des Weiteren wurde unabhängig von der Dichte in mehreren Fällen eine Magenentleerung der Kapseln lange vor abgeschlossener Wasserentleerung beobachtet. Dieser schnellen Entleerung wird in Modellen bisher möglicherweise zu wenig Bedeutung beigemessen.
Um auch schnell freisetzende Hartkapseln besser untersuchen zu können, wurde die Methodik angepasst und der Lebensmittelfarbstoff Eisenoxid als MRT-Kontrastmittel und Koffein als pharmakokinetischer Marker im Speichel verwendet. In einer Pilotstudie ergab sich eine deutliche Abhängigkeit vom Zerfallsort der Kapseln und der Geschwindigkeit der pharmakokinetischen Anflutung. Vom visuellen Zerfall der Kapsel vergingen nach Desintegration im Fundus 6,5 ± 2,5 min, im Antrum 3 ± 2 min, wohingegen in dem Einzelfall des Zerfalls im Dünndarm ein unmittelbares Auftauchen des Koffeins beobachtet wurde. Die Studie lieferte wertvolle erste Einblicke und bestätigte den Nutzen der Kombination von MRT Bildgebung und der Untersuchung der Pharmakokinetik von Koffein im Speichel. Es liegen nun mehrere etablierte Methodiken vor, um zu untersuchen wann und wo konventionelle, aber auch magensaftresistente oder zeitlich verzögert freisetzende Kapseln freisetzen und welchen pharmakokinetischen Effekt dies gegebenenfalls hat.
Über die Kernthemen der Arbeit hinaus wurden diverse andere Projekte insbesondere mithilfe Telemetrischer Kapseln in Human- und Tierstudien erfolgreich mitbearbeitet. Darüber hinaus fanden die im Rahmen dieser Arbeit erhobenen Daten bereits Eingang in verschiedene biorelevante Freisetzungsapparaturen und PBPK Modelle. Bisher sind jedoch weder der Einfluss der gastrointestinalen Volumina noch des Transits abschließend geklärt. Die hoch wirkstoffabhängigen Einflüsse, werden in weiteren Studien weiter wirkstoffspezifisch zu untersuchen sein, oder können mithilfe der Implementierung der gewonnenen Daten in in vitro und in silico Tools simuliert werden.
Die Kenntnis über die im Gastrointestinaltrakt ablaufenden Prozesse spielt in der Entwicklung neuer Arzneiformen eine entscheidende Rolle. Besonders im Dickdarm ist dabei neben den physiologischen Bedingungen die bakterielle Besiedlung zu beachten, welche sowohl inter- als auch intraindividuell hoch variabel ist. Bislang gibt es keine einheitliche Methode zur Untersuchung des Einflusses der intestinalen Mikrobiota auf die Metabolisierung von Arzneistoffen. Diese Methoden sind jedoch entscheidend für das Verständnis des Einflusses der bakteriellen Metabolisierung auf die Pharmakokinetik und -dynamik der Arzneistoffe.
Übergeordnetes Ziel dieser Arbeit war es, ein In vitro-Modell zu entwickeln und anzuwenden, welches die dynamischen Bedingungen im Colon ascendens, insbesondere im Hinblick auf die pH-Werte, Durchmischung und bakterielle Besiedlung, darstellt.
Um dieses Ziel zu erreichen, wurde im Rahmen erster Versuche untersucht, wie es sowohl mit monographierten als auch biorelevanten Modellen möglich ist, die mechanische Belastung, die auf eine Arzneiform im GIT ausgeübt wird, darzustellen. Die Verwendung der SmartPill™ eröffnete die Möglichkeit, in den Apparaturen auftretende Drücke aufzuzeichnen. Außerdem konnten die gemessenen Drücke anschließend mit Daten aus In vivo-Studien verglichen werden. Die Untersuchungen ergaben, dass in den monographierten Apparaturen keine Drücke auftreten, die den während der Magen-Darm-Passage auftretenden Drücken entsprechen. Im Gegensatz dazu können im DOFTA gezielt Drücke und so auch vollständige Druckprofile simuliert werden.
Im weiteren Verlauf der Arbeit waren die zuvor gewonnenen Erkenntnisse hilfreich für die Entwicklung des neuen Modells zur Darstellung des Colon ascendens. In das MimiCol wurden pH-Wert-Daten aus einer SmartPill™-Studie implementiert. Die Vorteile des neuartigen Bioreaktors MimiCol sind das kleinere Medienvolumen, das den In vivo-Bedingungen näherkommt, die Möglichkeit, Medienwechsel durchzuführen und dadurch Metabolite abzuführen und neue Nährstoffe hinzuzufügen sowie die genauere Simulation von In vivo-Durchmischungsmustern.
Ziel der durchgeführten Untersuchung war der Vergleich der Metabolisierung des Modellarzneistoffs Sulfasalazin in dem neuartigen dynamischen Bioreaktor MimiCol und einem statischen Standard-Batch-Fermenter. Beide wurden mit der gleichen, kryokonservierten fäkalen Standardmikrobiota beimpft. Die Experimente zeigten, dass das MimiCol in der Lage ist, die dynamischen Bedingungen im aufsteigenden Dickdarm zu simulieren. Die dynamischen Bedingungen im MimiCol führten zu einer Verdopplung der Metabolisierungskonstanten im Vergleich zum statischen Batch-Fermenter. Das MimiCol ahmt, besonders in Bezug auf pH-Fluktuationen und Bakterienwachstum, die dynamischen Bedingungen im aufsteigenden Dickdarm nach und könnte sich in allen Phasen der Arzneimittel- und Formulierungsentwicklung als nützlich erweisen.
Zur Erleichterung und Beschleunigung der Datengenerierung wurde im nächsten Schritt eine Erweiterung des Modells angestrebt. Hierbei war es die größte Herausforderung, die ursprünglichen Parameter auf ein erweitertes Modell mit einer anderen Steuerung und anderen Komponenten zu übertragen. Außerdem wurde in diesem Zuge die Charakterisierung komplexer Bakterienkulturen mittels 16S rRNA-Sequenzierung eingeführt. Bei der Erweiterung des Modells wurde besonderes Augenmerk auf die Einfachheit des Designs und die leichte Skalierbarkeit gelegt.
Um zu beweisen, dass die Übertragung der Parameter erfolgreich war, wurde erneut der Abbau von Sulfasalazin untersucht und die bakterielle Zusammensetzung während des Experiments durch 16S rRNA-Sequenzierung analysiert. Die Übertragung der Versuchsbedingungen auf das neue Modell war erfolgreich. Kommerziell erhältliche Komponenten wurden in den Aufbau implementiert. Das Modell MimiCol³ repräsentierte das Colon ascendens in seinen Eigenschaften bezüglich des Volumens, pH-Werts und Redoxpotentials zufriedenstellend. Die 16S rRNA-Sequenzierung führte zu weiteren Erkenntnissen über die bakterielle Zusammensetzung in den drei Gefäßen. Der Abbau von Sulfasalazin stand in guter Übereinstimmung mit den In vivo-Daten und den im MimiCol gewonnenen Daten. Das neue Modell des Colon ascendens MimiCol³ ermöglichte es, zuverlässigere Daten zu sammeln, da drei Experimente gleichzeitig unter denselben Bedingungen durchgeführt wurden.
Die durchgeführten Untersuchungen zeigen, dass ein wichtiges Instrument zur Untersuchung des Einflusses unseres Mikrobioms im Darm auf den Abbau von Arzneistoffen und Arzneiformen entwickelt wurde.
From a biopharmaceutical point of view, poor oral bioavailability of a drug is one of the greatest challenges for formulation scientists. The majority of new chemical entities (NCEs) are weakly basic drugs. Consequently, these drugs exhibit pH-dependent solubility, being higher under acidic conditions in the fasted stomach and lower under neutral conditions in the small intestine, the main site of drug absorption. For theses compounds, pH-dependent precipitation testing represents a key parameter during early development stages. In this development phase, the amount of drug available is limited, and fast and detailed investigations of simulated drug solubility are desired. Therefore, an automated small-scale in vitro transfer model, simulating drug transfer from a donor (stomach; simulated gastric fluid, SGF pH 2.0) to an acceptor (small intestine; fasted state simulated intestinal fluid, FaSSIF-phosphate pH 6.5) compartment, has been developed. In contrast to the originally published transfer model, this model allowed a detailed investigation of drug supersaturation and precipitation in a small-scale, feasible for pre-formulation purposes, through miniaturization and automation in an in-line analytical set-up. In-line drug concentration analysis in turbid samples, due to pH-dependent drug precipitation, was achieved by a pre-filtration step, the use of flow-through cuvettes and the application of UV derivative spectroscopy. Compared to the common procedure of manual sampling followed by HPLC-UV analysis for concentration determination, the supersaturation and precipitation of the model drug ketoconazole was more accurately captured by the newly developed in-line analytical set-up. In addition, the newly developed small-scale model was compared to a USP II-based transfer model, representing an established scale of the transfer model. Using a physiologically relevant simulated gastric emptying rate of 5 min half-time, supersaturation and precipitation of the model drugs ketoconazole and a new chemical entity from the research laboratories of Merck Healthcare KGaA, MSC-A, were observed to be highly comparable. Following miniaturization and automation, the developed small-scale model was used to establish eight physiologically relevant test-sets. These test-sets were used to assess the impact of gastrointestinal (GI) variability, i.e. gastric pH, gastric emptying, and GI fluid volumes, on supersaturation and precipitation of two weakly basic model compounds, ketoconazole and MSC-A. The experiments revealed that variations in all GI parameters investigated affected the in vitro supersaturation and precipitation of ketoconazole. For example, faster gastric emptying yielded higher supersaturation and faster precipitation of ketoconazole. In contrast, MSC-A supersaturation and precipitation was only affected by variability in gastric pH. Consequently, the effect of varying GI parameters was found to be drug-specific. Elevated gastric pH, as it can result from co-medication with acid-reducing drugs, resulted in lower degrees of supersaturation for both substances. For ketoconazole, this result is in agreement with the observation that the oral bioavailability of ketoconazole is lowered when proton pump inhibitors are co-administered. In addition to the physiological considerations, the small-scale model developed herein was used to establish an in vitro screening assay for precipitation inhibitors (PIs). The use of PIs represents one option of reducing the process of pH-dependent drug precipitation during simulated GI transfer. For this purpose, ketoconazole and five orally administered kinase inhibitors (i.e. pazopanib, gefitinib, lapatinib, vemurafenib, and MSC-A) were analyzed with and without the polymeric PIs HPMC, HPMCAS, PVPK17 and K30, PEG6000, and Soluplus® in the small-scale transfer model. This screening revealed that at least one effective PI could be identified for each model drug. Moreover, HPMCAS and Soluplus® were the most effective PIs. Another outcome of these studies was that gefitinib expressed highly variable amorphous precipitation which was confirmed by powder X-ray diffraction (PXRD). During the transfer model experiments, the intermediate amorphous and supersaturated state of gefitinib was stabilized using HPMCAS and Soluplus®. After the polymer investigations, the impact of the buffer species in the simulated intestinal medium on drug supersaturation and precipitation was assessed. Since luminal fluids are mainly buffered by hydrogen carbonate ions, a USP II-based transfer model equipped with the pHysio-grad® device was proposed. This allowed the use of a complex bicarbonate buffer for the preparation of FaSSIF-bicarbonate in an in vitro transfer model. Results of transfer model experiments using standard phosphate-based FaSSIF and a more physiologically relevant bicarbonate-based FaSSIF were compared. Therefore, ketoconazole, pazopanib, and lapatinib were analyzed with and without the precipitation inhibitor HPMCAS. While HPMCAS was found to be an effective precipitation inhibitor for all drugs in FaSSIF-phosphate, the effect in FaSSIF-bicarbonate was much less pronounced. Additionally, performed rat PK studies revealed that HPMCAS did not increase the exposure of any of the model compounds significantly, indicating that the transfer model employing bicarbonate-buffered FaSSIF was more predictive compared to the model using phosphate-buffered FaSSIF. The in vitro and in vivo results of these studies demonstrated that the supersaturation precipitation of poorly soluble weakly basic drugs can be significantly affected by GI variability. Furthermore, the use of the automated small-scale transfer model enabled the identification of effective precipitation inhibitors for the model drugs involved in these studies. At the same time the buffer species has been observed to be especially important to reliably predict the in vivo solubility/dissolution behavior of HPMCAS and the weakly basic model drugs.