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Spannungsabhängige Kaliumkanäle vom Kv7-Typ stellen ein vielversprechendes Target zur Behandlung von Krankheiten wie Schmerzen, Epilepsie und Multiple Sklerose dar. Umso schwerwiegender ist die Marktrücknahme der Arzneistoffe Flupirtin und Retigabin einzuschätzen, die beiden bis dato einzigen zugelassenen selektiven Kv7-Kanalöffner in Europa. Der Hauptgrund für die Einstellung des Vertriebs der entsprechenden Medikamente waren die substanzspezifischen Nebenwirkungen, d. h. Hepatotoxizität bzw. Gewebeverfärbungen. Potenziell toxische, reaktive (Aza-)Chinondiimin-Intermediate, die durch oxidativen Metabolismus von Flupirtin oder Retigabin entstehen, werden dafür verantwortlich gemacht. In zwei DFG-geförderten Projekten LI 765/7-1 und BE 1287/6-1 sollten deshalb neuartige Flupirtin-Analoga synthetisiert und charakterisiert werden, um im besten Fall wirkstärkere und sicherere Alternativen zu erhalten. Der Fokus dieser Arbeit liegt auf der Etablierung und Optimierung von in vitro-Assays zur Bestimmung der Kv7.2/3-Kanalaktivität und des hepatotoxischen Potenzials der neuen Substanzen im Arbeitskreis. In Verbindung mit gentechnologisch veränderten HEK-293-Zellen, welche Kv7.2/3-Kanäle überexprimieren, wurden der fluoreszenzbasierte Thallium-Flux- und der Rubidium-Efflux-Assay, bei dem die Rubidiumkonzentration durch Atomabsorptionsspektrometrie ermittelt wird, verwendet, um die Kaliumkanalöffnungsaktivität der Flupirtin-Analoga zu beurteilen. Mittels MTT-Zellviabilitätsassay wurde die Hepatotoxizität mit der humanen Hepatoblastom-Zelllinie HepG2 und der murinen Leberzelllinie TAMH („TGF-α overexpressing mouse hepatocytes“) evaluiert. Dabei wurden die verwendeten Zellen konventionell zweidimensional als Monolayer kultiviert. Darüber hinaus wurden beide Zelllinien in dreidimensionaler Form als sogenannte Sphäroide kultiviert und untersucht, ob diese Technik die leberspezifischen Eigenschaften gegenüber Zellen in Monolayer verbessert und Sphäroide somit ein besseres Modell für die Hepatotoxizitätstestung darstellen. Zudem wurde ein postulierter Stoffwechselweg für die Bildung des Metaboliten 4-Fluorhippursäure aus Flupirtin überprüft. Dafür wurden zwei HPLC-Methoden entwickelt und validiert. Insgesamt wurden ca. 100 neuartige Flupirtin-Analoga getestet, wobei für die meisten eine geringfügige akute Hepatotoxizität festgestellt werden konnte. Einige der neu synthetisierten Verbindungen wiesen eine bis zu 100-fach höhere Öffnungsaktivität als Flupirtin am Kv7.2/3-Kanal auf. Die Sphäroide der verwendeten Leberzelllinien zeigten zum Teil verbesserte leberspezifische Eigenschaften als die entsprechenden Monolayer. Beim Vergleich des ermittelten hepatotoxischen Potenzials von Flupirtin und Retigabin mittels Monolayer oder Sphäroide konnte jedoch kein relevanter Unterschied identifiziert werden. Der postulierte Mechanismus für die Bildung des Metaboliten 4-Fluorhippursäure aus Flupirtin konnte mit den durchgeführten enzymatischen Experimenten und HPLC bzw. SFC-MS-Analytik bestätigt werden.

Biorelevante In-vitro-Freisetzungsmodelle haben sich in den letzten Jahrzehnten als wichtiges Hilfsmittel in der Formulierungsentwicklung von sicheren und wirksamen Arzneimitteln etabliert. Sie werden in der frühen Phase der Formulierungsentwicklung eingesetzt, um das In-vivo-Freisetzungsverhalten von Arzneiformen besser abschätzen zu können und die Anzahl sowie das Risiko klinischer Studien zu reduzieren. Um das In-vivo-Freisetzungsverhalten fester oraler Darreichungsformen im Gastrointestinaltrakt (GIT) möglichst genau vorhersagen zu können, sollten biorelevante In-vitro-Freisetzungsmodelle die Bedingungen im menschlichen GIT oder Teile davon simulieren. Im Zuge der Entwicklung solcher Modelle mittels geeigneter Freisetzungsapparaturen, biorelevanter Freisetzungsmedien und adäquater Testdesigns wurde sich bisher vorrangig auf die Simulation der gastrointestinalen Physiologie eines gesunden „durchschnittlichen“ Erwachsenen fokussiert. Inter- und intraindividuelle Unterschiede sowie patientenspezifische Faktoren, wie etwa das Alter oder gewisse Erkrankungen, blieben bisher weitestgehend unberücksichtigt. Die Unterschiede zwischen Erwachsenen und Kindern sowohl hinsichtlich physiologischer Eigenschaften des GITs als auch bezüglich der Einnahmebedingungen von Arzneimitteln implizieren die Notwendigkeit der Entwicklung von In-vitro-Freisetzungsmodellen, welche speziell auf die pädiatrische Bevölkerungsgruppe zugeschnitten sind. Der Fokus dieser Arbeit lag auf der Entwicklung physiologie-basierter Modelle zur Vorhersage der Wirkstofffreisetzung im Gastrointestinaltrakt von Kindern unterschiedlicher Altersgruppen. Aufgrund der Heterogenität der pädiatrischen Bevölkerungsgruppe ist es höchst unwahrscheinlich, dass ein einziges In-vitro-Freisetzungsmodell in der Lage sein kann, relevante Unterschiede zwischen den Altersgruppen adäquat zu repräsentieren. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde daher ein Konzept entwickelt, mit dessen Hilfe patientenspezifische In-vitro-Freisetzungsmodelle konfiguriert werden können, welche die Simulation unterschiedlicher Altersgruppen sowie unterschiedlicher Verabreichungsbedingungen ermöglichen. Mit dem Hauptaugenmerkt auf der Entwicklung geeigneter pädiatrischer Freisetzungsmedien, welche die Bedingungen im pädiatrischen GIT simulieren, wurde ein In-vitro-Baukastensystem konzipiert, anhand dessen individuelle pädiatrische Freisetzungsmedien zur Simulation des nüchternen sowie postprandialen Magens oder Dünndarms generiert werden können. Im ersten Teil der Arbeit wurden auf der Grundlage aktueller In-vivo-Daten bezüglich der gastrointestinalen Physiologie von Kindern eine Reihe neuer biorelevanter Medien entwickelt, welche die Zusammensetzung und die physikochemischen Eigenschaften der nüchternen Magen- und Dünndarmflüssigkeit bei Kindern verschiedener Altersgruppen, beginnend mit den Neugeborenen bis hin zu den Jugendlichen, nachahmen. Aufgrund der Unterschiede in den In-vivo-Daten zwischen den verschiedenen Altersgruppen wurden sieben verschiedene Medien entwickelt. Fünf Medien repräsentieren die nüchternen Magenflüssigkeiten der fünf einzelnen Altersgruppen (Simulated Paediatric Resting Gastric Fluids, SPRGFs) und zwei Medien repräsentieren die nüchternen Dünndarmflüssigkeiten (Simulated Paediatric Resting Small Intestinal Fluids, SPRSIFs). Diese neuen Medien beruhen auf bisher bekannten Informationen bezüglich der Bedingungen im GIT von gesunden Kindern und bilden somit einen optimalen Ausgangspunkt für die Entwicklung biorelevanter pädiatrischer Freisetzungsmedien. Patientenspezifische Faktoren, u.a. Erkrankungen, können die morphologischen und physiologischen Gegebenheiten des GITs und folglich auch das In-vivo-Freisetzungsverhalten einer peroral verabreichten Darreichungsform stark beeinflussen. Da Unterernährung in der pädiatrischen Population ein weltweit verbreitetes Gesundheitsproblem darstellt und mit einer umfassenden medikamentösen Therapie einhergeht, wurden im Rahmen der Arbeit die aktuell verfügbaren Kenntnisse zu anatomischen und physiologischen Besonderheiten im Gastrointestinaltrakt von mangelernährten Kindern zusammengefasst. Es konnten einige Veränderungen im GIT von unterernährten Kindern im Vergleich zu gesunden Kindern identifiziert werden, welche als Grundlage für die Entwicklung biorelevanter patientenspezifischer Freisetzungsmodelle dienen könnten. Hierzu zählen u.a. eine verminderte Speichelsekretion; eine verminderte Magensäuresekretion, einhergehend mit erhöhten Magen-pH-Werten; eine verminderte Gallensalzkonzentration im Dünndarm sowie verminderte Enzymkonzentrationen im Magen und Dünndarm. Allerdings verdeutlicht die in dem Übersichtsartikel diskutierte Datenlage, dass es für unterernährte Kinder noch immer einen großen Mangel an In-vivo-Daten bezüglich der Zusammensetzungen und physikochemischen Eigenschaften gastrointestinaler Flüssigkeiten gibt. Da ein Verständnis der in vivo vorherrschenden Bedingungen für die Entwicklung patientenspezifischer Freisetzungsmodelle unabdingbar ist, sind weitere Forschungsarbeiten erforderlich, um die im Übersichtsartikel aufgezeigten Wissenslücken zu füllen. Ein weiterer Aspekt der Arbeit lag in der Simulierung postprandialer Bedingungen im GIT von Kindern. Für diesen Zweck wurden typische Frühstücksmahlzeiten von Kindern in verschiedenen Regionen der Welt identifiziert, zubereitet, homogenisiert und ihre physikochemischen Eigenschaften ermittelt. Anschließend wurden simulierte pädiatrische Frühstücksmedien (Simulated Paediatric Breakfast Media, SPBM) entwickelt, welche die Zusammensetzungen und Eigenschaften der jeweiligen ursprünglichen Frühstücke nachahmen. Die neuen Medien SPRGFs und SPRSIFs sowie die SPBM stellen einzelne Bestandteile des in dieser Arbeit entwickelten In-vitro-Baukastensystems dar und bilden die Grundlage für die Entwicklung von komplexeren pädiatrischen In-vitro-Freisetzungsmedien zur Simulation der intraluminalen Bedingungen nach der Einnahme einer oralen Darreichungsform mit einem Glas Wasser, einer Mahlzeit oder gegebenenfalls einem Applikationsvehikel. Mittels Kombination der SPRGFs und SPRSIFs mit beispielsweise Wasser, Formulanahrung oder SPBM können die prä- und postprandialen Bedingungen im GIT von Kindern unterschiedlicher Altersgruppen simuliert werden. Das neu entworfene Baukastensystem wurde im nächsten Schritt verwendet, um ein In-vitro-Freisetzungsmodell zu gestalten, welches verschiedene Verabreichungsbedingungen bei Vorschulkindern nachahmen sollte. Mithilfe des Freisetzungsmodells wurde die Wirkstofffreisetzung aus fünf verschiedenen Arzneiformen untersucht. Des Weiteren wurden vergleichende Freisetzungsversuche mit einem altersgerechten, herunterskalierten Volumen an Ensure® Plus durchgeführt, um festzustellen, ob ein Medium, welches eine standardisierte Frühstücksmahlzeit von Erwachsenen simuliert, für die Vorhersage von Nahrungsmitteleffekten in der ausgewählten Altersgruppe geeignet wäre. Die Ergebnisse zeigen, dass sowohl die Bedingungen im nüchternen GIT als auch die Zusammensetzungen und Eigenschaften von typischen kindgerechten Mahlzeiten einen großen Einfluss auf die Wirkstofffreisetzung aus oralen pädiatrischen Darreichungsformen haben können. Des Weiteren ergaben sich erhebliche Unterschiede in den Ergebnissen der Freisetzungsuntersuchungen mit Ensure® Plus. Dies verdeutlicht die Relevanz der Simulation patientenspezifischer Merkmale, anstatt bestehende In-vitro-Modelle für Erwachsene herunterzuskalieren. Das neu entwickelte biorelevante In-vitro-Freisetzungsmodell für die Simulation verschiedener Verabreichungsbedingungen bei Vorschulkindern erwies sich als vielversprechendes Werkzeug zur Abschätzung des In-vivo-Freisetzungsverhaltens von oralen Darreichungsformen bei Kindern dieser Altersgruppe. Der letzte Teil der Arbeit beschäftigte sich mit der Entwicklung biorelevanter In-vitro-Freisetzungsmodelle, welche die Co-Verabreichung einer Arzneiform mit unterschiedlichen Applikationsvehikeln simulieren. Diese Art der Verabreichung stellt eine Besonderheit bei Kindern dar, bei der die jeweilige Arzneiform vor der Applikation mit kleinen Mengen an Lebensmitteln gemischt wird. Um den Einfluss der Applikationsvehikel auf das In-vivo-Freisetzungsverhalten oraler Darreichungsformen möglichst umfassend einschätzen zu können, ist neben einem geeigneten In-vitro-Freisetzungsmodell eine fundierte Vorauswahl an Vehikeln notwendig, bei der die unterschiedliche Zusammensetzung und die physikochemischen Eigenschaften der Vehikel berücksichtigt werden. Um einen ersten Überblick über die Variabilität der Eigenschaften unterschiedlicher Applikationsvehikel zu erhalten, wurde eine umfassende physikochemische Charakterisierung verschiedenster Vehikel durchgeführt und die Ergebnisse in einer Datenbank, welche Informationen zu der Zusammensetzung und den physikochemischen Eigenschaften von 82 Vehikeln enthält, vereint. Darüber hinaus wurden zwei parallel zum Baukastensystem entwickelte In-vitro-Freisetzungsmodelle vorgestellt, welche die Untersuchung der Co-Verabreichung von zwei verschiedenen Darreichungsformen mit häufig verwendeten Vehikeln zum Ziel hatten. Während der Fokus des ersten Modells auf der Simulation der Magenbedingungen von Klein-, Vorschul-, und Schulkindern lag, war im zweiten Modell bereits die Simulation der Magen- und Dünndarminhalte von Klein- und Vorschulkindern implementiert. Diese Modelle können zukünftig unter Verwendung der neu entwickelten Medien an die physiologischen Gegebenheiten im GIT von Kindern unterschiedlicher Altersgruppen angepasst werden. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das im Rahmen dieser Arbeit neu konzipierte und entwickelte Baukastensystem ein Grundgerüst für die Entwicklung biorelevanter Freisetzungsmedien darstellt, mit dem verschiedene Verabreichungsszenarien im prä- und postprandialen Zustand sowie nach Co-Verabreichung mit Applikationsvehikeln adressiert werden können. Die somit individuell konfigurierbaren Freisetzungsmedien können wiederum als integraler Bestandteil von biorelevanten In- vitro-Freisetzungsmodellen fungieren, welche im Vergleich zu bisherigen Modellen eine genauere Simulation der gastrointestinalen Bedingungen von Kindern unterschiedlicher Altersklassen ermöglichen und folglich der besseren Prognose des In-vivo-Freisetzungsverhaltens oraler Arzneiformen, insbesondere mit schlecht löslichen Wirkstoffen, dienen.

Ready-to-fill enteric hard capsule shells are an evolving field of oral drug and nutraceutical products. Lonza Capsugel® Enprotect® capsules were recently proven to provide reliable release in the small intestine after fasted intake, but robustness against postprandial intake needed to be proven. In this study, the capsules were administered to 16 healthy young subjects after intake of a light meal. The Enprotect® capsules were labelled with 5 mg black iron oxide and 25 mg 13C3-caffeine. Magnetic Resonance Imaging was used to identify the localization and visual dispersion of the capsule filling. The salivary appearance of caffeine was considered a second independent and sensitive marker for the initial release. Whereas the fasted gastric residence time of the capsules amounted to 43 ± 32 min, it was increased to 158 ± 36 min after postprandial intake. Therefore, the mean dispersion time according to MRI and the mean caffeine appearance time were increased to 196 ± 37 min and 189 ± 37 min, respectively. But, similar to fasted administration, no capsule disintegration or leakage was observed in the stomach and 38% of the capsules disintegrated in the jejunum and 62% in the ileum. The mean dispersion time after gastric emptying and the mean caffeine appearance time after gastric emptying amounted to 38 ± 21 min and 31 ± 17 min, respectively. Both did not relevantly change compared to the fasted intake. Only the absolute dispersion time and caffeine appearance were prolonged due to the increased gastric residence and no relevant influence of the light meal was observed on the disintegration or release behavior of Enprotect® capsules after gastric emptying. The capsules also showed robust enteric properties after postprandial administration.

In recent years, histone deacetylases (HDACs) have emerged as promising targets in the treatment of cancer. The approach is to inhibit HDACs with drugs known as HDAC inhibitors (HDACis). Such HDACis are broadly classified according to their chemical structure, e.g., hydroxamic acids, benzamides, thiols, short-chain fatty acids, and cyclic peptides. Fluorination plays an important role in the medicinal–chemical design of new active representatives. As a result of the introduction of fluorine into the chemical structure, parameters such as potency or selectivity towards isoforms of HDACs can be increased. However, the impact of fluorination cannot always be clearly deduced. Nevertheless, a change in lipophilicity and, hence, solubility, as well as permeability, can influence the potency. The selectivity towards certain HDACs isoforms can be explained by special interactions of fluorinated compounds with the structure of the slightly different enzymes. Another aspect is that for a more detailed investigation of newly synthesized fluorine-containing active compounds, fluorination is often used for the purpose of labeling. Aside from the isotope 19F, which can be detected by nuclear magnetic resonance spectroscopy, the positron emission tomography of 18F plays a major role. However, to our best knowledge, a survey of the general effects of fluorination on HDACis development is lacking in the literature to date. Therefore, the aim of this review is to highlight the introduction of fluorine in the course of chemical synthesis and the impact on biological activity, using selected examples of recently developed fluorinated HDACis.

Sparkling water is said to increase gastric motility by the release of carbon dioxide, thereby potentially affecting the pharmacokinetics of orally administered drugs. The hypothesis of the present work was that the induction of gastric motility by intragastric release of carbon dioxide from effervescent granules could promote the mixing of drugs into the chyme under postprandial conditions, resulting in a prolonged drug absorption. For this purpose, an effervescent and a non-effervescent granule formulation of caffeine as a marker for gastric emptying were developed. In a three-way crossover study with twelve healthy volunteers, the salivary caffeine pharmacokinetics, after administration of the effervescent granules with still water and the administration of the non-effervescent granules with still and sparkling water, were investigated after intake of a standard meal. While the administration of the effervescent granules with 240 mL of still water led to a significantly prolonged gastric residence of the substance compared to the administration of the non-effervescent granules with 240 mL still water, the application of the non-effervescent granules with 240 mL sparkling water did not prolong gastric residence via mixing into caloric chyme. Overall, the mixing of caffeine into the chyme following the administration of the effervescent granules did not seem to be a motility mediated process.