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In vitro assays play a crucial role in the biopharmaceutical assessment of drugs. During the past two decades, biorelevant media became an indispensable tool to forecast the in vivo solubility and dissolution of pharmaceutical drug candidates, and to assess absorption risks like low solubility or drug precipitation. Nevertheless, in vitro set-ups are still a simplification of the conditions in the human GI tract. This thesis aimed to shed light on some of the remaining open questions, aiming at providing a better understanding of the effects of biorelevant media on solubility, dissolution, and precipitation processes, and providing guidance for a more streamlined usage in the future. The results of this work can be outlined in brief as follows: First, a new design of experiment-based method development was introduced which increased the robustness and accuracy of derivative UV spectrophotometric methods for drug quantification in biorelevant precipitation assays. Second, based on this new approach, the impact of SIF powder aging on the supersaturation and precipitation behavior of the model drug ketoconazole was investigated. Recommendations on the use of biorelevant media for precipitation assays were developed to further improve the reproducibility of transfer experiments and to enhance data reliability. Third, it was investigated under which circumstances the physiological bicarbonate buffer should be applied to Fasted State Simulated Intestinal Fluid medium for in vitro solubility, dissolution, and precipitation testing to resemble the in vivo conditions.
Biorelevante In-vitro-Freisetzungsmodelle werden u. a. für das Screening neuartiger Formulierungen, zur Etablierung von In-vitro-/In-vivo-Korrelationen und zur Vorhersage des In-vivo-Verhaltens einer applizierten Darreichungsform angewendet. Die Entwicklung von In-vitro-Freisetzungsmodellen für peroral verabreichte Arzneiformen fokussierte bisher vorwiegend auf die Abbildung der gastrointestinalen Physiologie eines gesunden, „durchschnittlichen“ Erwachsenen. Patientenspezifische Faktoren, wie z. B. das Alter, Erkrankungen oder Geschlecht sowie individuelle Unterschiede, die die gastrointestinalen Verhältnisse und folglich auch das Freisetzungsverhalten einer peroral applizierten Arzneiform beeinflussen können, wurden bisher kaum berücksichtigt. Der Fokus dieser Arbeit lag auf der Entwicklung und Etablierung von patientenspezifischen, bioprädiktiven In-vitro-Freisetzungsmodellen für perorale Darreichungs-formen unter Berücksichtigung der gastrointestinalen Gegebenheiten zweier unterschiedlicher Patientenpopulationen: pädiatrische Patienten und Parkinson-Patienten.
Eine wichtige Voraussetzung für eine sichere und wirksame perorale Arzneimitteltherapie bei pädiatrischen Patienten sind altersgerechte Darreichungsformen sowie eine geeignete Einnahmepraxis. Peroral applizierte Arzneimittel werden pädiatrischen Patienten häufig zusammen mit Applikationsvehikeln verabreicht, um die Einnahme der Arzneimittel zu erleichtern. Es muss jedoch bei einer solchen Anwendungspraxis sichergestellt werden, dass die eingenommene Arzneiform mit dem jeweiligen Applikationsvehikel kompatibel ist. Die Beurteilung der Kompatibilität ist anhand klinischer In-vivo-Studien an gesunden Kindern jedoch aufgrund ethischer Bedenken kaum möglich. Zur Evaluierung der Kompatibilität könnten In-vitro-Freisetzungsmethoden als eine mögliche Alternative eingesetzt werden. Im ersten Teil der vorliegenden Arbeit wurden pädiatrische In-vitro-Freisetzungsmodelle entwickelt, um zu evaluieren, ob die Stabilität und das In-vivo-Freisetzungsverhalten der neuartigen Alkindi®-Formulierung durch Co-Verabreichung mit alterstypischen Applikationsvehikeln beeinträchtigt werden. Zur Beantwortung dieser Fragestellung wurden im Anschluss an eine intensive Literaturrecherche Physiologie-basierte In-vitro-Modelle auf Basis der Mini-Paddle-Apparatur entwickelt. In der ersten Studie wurde die In-vitro-Wirkstofffreisetzung nach simulierter Applikation der Alkindi®-Formulierung mit typischen Applikationsvehikeln für Kinder unter 6 Jahren, d. h. Muttermilch, Formulamilch und Vollmilch, untersucht. In der zweiten In-vitro-Studie wurde der Altersbereich der adressierten Patientenpopulation auf 2 - 16 Jahre verändert und eine Reihe weiterer flüssiger sowie halbfester Applikationsvehikel, wie z. B. Orangensaft und Joghurt, verwendet. In beiden Studien konnte deutlich gezeigt werden, dass die Alkindi®-Formulierung ein robustes Freisetzungsverhalten aufwies und kompatibel mit den untersuchten Matrices war. Auf Grundlage der Ergebnisse der In-vitro-Untersuchungen wurde geschlussfolgert, dass die In-vivo-Freisetzung und die Bioverfügbarkeit der untersuchten Arzneiform nicht durch die untersuchten Applikationsvehikel beeinflusst werden und folglich diese Vehikel zur gemeinsamen Einnahme mit der Alkindi®-Formulierung geeignet sind. Diese Beobachtungen wurden darüber hinaus durch publizierte Ergebnisse einer korrespondierenden In-vivo-Studie in Erwachsenen bestätigt.
Der zweite Teil der Arbeit befasste sich mit der Entwicklung eines neuartigen, Parkinson-spezifischen und Physiologie-basierten In-vitro-Freisetzungsmodells. Für die Entwicklung von biorelevanten In-vitro-Modellen zur Simulation der luminalen Bedingungen im Gastrointestinal-trakt einer spezifischen Patientenpopulation sind umfangreiche Kenntnisse über die jeweiligen gastrointestinalen In-vivo-Bedingungen und deren Variabilität unerlässlich. Im Rahmen einer Literaturrecherche wurde der aktuelle Wissensstand zu den gastrointestinalen Gegebenheiten in Parkinson-Patienten recherchiert, ausgewertet und zusammengefasst. Die Ergebnisse der Literaturstudie machen deutlich, dass sich die gastrointestinalen Bedingungen von Parkinson-Patienten teilweise erheblich von gesunden Erwachsenen unterscheiden. Das bedeutendste gastrointestinale Merkmal von Parkinson-Patienten ist die beeinträchtigte Motilität des Gastrointestinaltrakts, was sich u. a. in einer Verlangsamung der Magenentleerung sowie der intestinalen Passage äußert. Demgegenüber steht jedoch ein großer Mangel an Daten für eine Reihe von gastrointestinalen Parametern. Dies betrifft z. B. die Zusammensetzung und physiko-chemischen Eigenschaften der luminalen Flüssigkeiten des Gastrointestinaltrakts.
Als geeignete In-vitro-Testplattform wurde die USP-3-Apparatur – auch als Eintauchender Zylinder (Europäisches Arzneibuch, Ph. Eur.) und Reciprocating cylinder (Ph. Eur. und US-amerikanisches Arzneibuch, USP) bezeichnet – ausgewählt, da sich diese Testplattform insbesondere zur Untersuchung von Darreichungsformen mit modifizierter Wirkstofffreisetzung eignet und bereits in einer Vielzahl von analytischen Laboren etabliert ist. Die Nutzung der kompendialen USP-3-Apparatur ließ aufgrund der geringen Variationsmöglichkeiten keine Simulation typischer Motilitätsmuster im humanen Gastrointestinaltrakt zu und eignete sich noch weniger für die Entwicklung und Etablierung von individuellen, patientenspezifischen Motilitätsprofilen. Um diese technischen Limitationen zu überwinden, wurde für die Weiterentwicklung des arzneibuchkonformen Modells ein Lastenheft erstellt, welches detaillierte Anforderungen für die Entwicklung der neuen Testapparatur enthielt. Auf Grundlage des beschriebenen Übersichtsartikels und unter Anwendung einer auf Basis des Lastenheftes modifizierten USP-3-Apparatur wurden unter besonderer Berücksichtigung von Motilität, Passagezeiten und Flüssigkeitsvolumina Parkinson-spezifische In-vitro-Freisetzungsmodelle entwickelt. Für ausgewählte modifiziert freisetzende Levodopa-Fertigarzneimittel wurde anschließend eine vergleichende Serie von In-vitro-Freisetzungsuntersuchungen unter Anwendung von Parkinson-spezifischen- oder „standardmäßigen“ Testmodellen durchgeführt, wobei letztere die gastrointestinalen Gegebenheiten eines „durchschnittlichen“, gesunden Erwachsenen simulierten. Für eine Beurteilung der Aussagekraft der entwickelten Parkinson-spezifischen Testmodelle wurden die generierten In-vitro-Freisetzungsdaten aus den Parkinson-spezifischen- und den „standardmäßigen“ Freisetzungsuntersuchungen in ein In-silico-PBPK-Modell implementiert und die jeweiligen simulierten Plasmakonzentrations-Zeit-Profile von Levodopa anschließend mit klinischen, durchschnittlichen In-vivo-Daten korreliert. Für PBPK-Modelle mit integrierten Parkinson-spezifischen In-vitro-Freisetzungsdaten wurde eine höhere Prädiktivität des In-vivo-Verhaltens der untersuchten Levodopa-Darreichungsformen beobachtet. Es konnte gezeigt werden, dass die entwickelten Parkinson-spezifischen In-vitro-Modelle ein vielversprechendes und prädiktives Instrument zur Vorhersage der In-vivo-Wirkstofffreisetzung von modifiziert freisetzenden Levodopa-Darreichungsformen darstellen. Der diskutierte methodische Ansatz der vorliegenden Studie könnte zukünftig das Screening neuartiger Formulierungen deutlich optimieren und somit zu einer verbesserten Arzneimitteltherapie für Parkinson-Patienten, aber auch für andere spezifische Patientengruppen beitragen
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.
Auswirkungen der Körperposition auf die Magenentleerung und Pharmakokinetik von oralen Arzneiformen
(2023)
Kenntnisse über die Physiologie des humanen GITs und dessen Einfluss auf orale Arzneiformen sind essenziell für die Sicherheit der Pharmakotherapie. Das Ziel dieser Arbeit war es, den Einfluss unterschiedlicher Körperpositionen auf das Anfluten von Koffein als Modell für eine Substanz der BCS Klasse I bei der Einnahme als Tablette und Kapsel sowie die Magenentleerung des mitgetrunkenen Wassers zu untersuchen und untereinander zu vergleichen. Die Erhebung der Daten erfolgte durch Speichelproben von 12 gesunden Probanden nach Einnahme von jeweils 240 mL Wasser zusammen mit einer Koffein enthaltenden Eiskapsel als Markierung für das Wasser, sowie je einer ebenfalls Koffein enthaltenden Hartkapsel und einer Tablette in aufrechter Körperposition, Rückenlage, Rechts- und Linksseitenlage im Crossover-Design. Zur Unterscheidung wurde für die Eiskapsel 13C3-isotopenmarkiertes Koffein, für die Kapsel 13C1-isotopenmarkiertes Koffein und für die Tablette natürliches (12C) Koffein verwendet.
Die Magenentleerung von Wasser im nüchternen Zustand ist abhängig von dem hydrostatischen Druck, der auf den Pylorus drückenden Wassersäule. Abhängig von der Körperposition wird demnach unterschiedlich viel zusätzliche mechanische Arbeit des Magens benötigt, um das Wasser gegen die Schwerkraft zu transportieren. Da diese Arbeit in allen Positionen in Abhängigkeit des MMC ohnehin durch aktive Kontraktionen und Motilität aufgebracht wird, ist bei zusätzlich vorliegendem hydrostatischen Druck die Wasserentleerung schneller. Die Magenentleerung von Wasser ähnelt sich in aufrechter Körperposition und Rechtsseitenlage, da in diesen Körperpositionen keine zusätzliche mechanische Arbeit benötigt wird, um das Wasser gegen die Schwerkraft zu transportieren. Im Gegensatz dazu entleert der Magen in Rückenlage und in Linksseitenlage langsamer Wasser, da in diesen Körperpositionen das Wasser gegen die Schwerkraft aus dem Pylorus herausgedrückt werden muss. So war in Linksseitenlage statistisch signifikant die AUC0-61 um 25% und die Cmax um 18% kleiner als in aufrechter Körperposition. Auch in Rückenlage war die AUC0-61 und die Cmax im Trend kleiner als in aufrechter Körperposition. Das durchschnittliche tmax wurde in Rückenlage und Linksseitenlage im Trend erst später erreicht.
Die Ergebnisse der Tablette und Kapsel spiegelten größtenteils die Ergebnisse der Wasserentleerung wider, wodurch die enorme Bedeutung der Magenentleerung als geschwindigkeitsbestimmender Schritt der Pharmakokinetik verschiedener schnell zerfallender Darreichungsformen abermals belegt wurde. Die durchschnittliche AUC0-61 in Linksseitenlage war um 33% und statistisch signifikant kleiner als in aufrechter Körperposition. Auch die AUC0-61 in Rechtsseitenlage war signifikant größer als in Linksseitenlage. Im Trend wurde das durchschnittliche tmax nach Einnahme der Hartkapsel in Linksseitenlage erst später erreicht und das durchschnittliche Cmax war kleiner. Im Trend flutete die Hartkapsel in Rückenlage langsamer an als in aufrechter Körperposition und Rechtsseitenlage und schneller als in Linksseitenlage.
Die Tablette flutete, im Gegensatz zur Magenentleerung von Wasser, im Trend geringgradig schneller in Rechtsseitenlage an als in aufrechter Körperposition. Der Grund für diese besonders schnelle Wirkstoffanflutung in Rechtsseitenlage war vermutlich, dass die Tablette direkt ins Antrum fiel, aufgrund der Motilität dort schneller desintegrierte oder sogar in den Dünndarm entleert wurde, was wiederum zu noch steileren Profilen führte. Statistisch war die durchschnittliche AUC0-61 dementsprechend in Rechtsseitenlage signifikant größer als in Rücken- und Linksseitenlage. Auch die maximal erreichte Konzentration (Cmax) war statistisch signifikant höher in Rechtsseitenlage als in Linksseitenlage. Die AUC0-61 in Linksseitenlage war ebenfalls statistisch signifikant um durchschnittlich 41% kleiner als in aufrechter Körperposition. Das durchschnittliche tmax wurde in Rücken- und Linksseitenlage im Trend später erreicht als in aufrechter Körperposition und Rechtsseitenlage.
Die Daten der Studie zeigten, dass auch die Lag time von Darreichungsformen körperpositionsabhängig waren. Statistisch war die durchschnittliche Lag time nach Einnahme der Tablette in Rechtsseitenlage signifikant kürzer als in Linksseitenlage.
Die Daten zeigten außerdem, dass die Körperposition vor allem für Darreichungsformen mit langer Desintegrationszeit einen wichtigen Einflussfaktor auf das Anflutungsverhalten hatte, da zum Zeitpunkt des Starts der Desintegration bereits vermehrt Wasser aus dem Magen entleert wurde. Besonders bei schlechter löslichen Arzneistoffen könnte demnach der Einfluss der Körperposition noch deutlich gravierender ausfallen. Die Daten zeigten dennoch, dass auch gut lösliche Arzneistoffe teilweise über Stunden im Magen verweilen und zu Doppelpeaks führen können.
Für biopharmazeutische Modellierungen, wie beispielsweise PBPK Modelle, ist der Unterschied zwischen der Magenentleerung in aufrechten Körperposition und in Rückenlage besonders von Bedeutung, da die Modelle häufig auf MRT Daten basieren, welche in Rückenlage akquiriert werden. Die durchschnittliche AUC0-61 nach Einnahme der Hartkapsel war in aufrechter Körperposition um 24% größer als in Rückenlage. Die durchschnittliche AUC0-61 nach Einnahme der Tablette war in aufrechter Körperposition um 52% größer als in Rückenlage. Da die im Rahmen dieser Arbeit gemessenen Unterschiede den potenziell enormen Einfluss der Körperposition für Modellierungen bei der Arzneimittelentwicklung sowie für die klinische Praxis mit liegenden Patienten unterstreichen, ist eine weitere Abklärung des Einflusses der Körperposition unter anderem auch im postprandialen Zustand empfehlenswert.