Zugl.: Bielefeld, Univ., Diss., 2008

Zugl.: Bielefeld, Universiẗat, Diss., 2008.

Poor or variable oral bioavailability is of major concern regarding safety and efficacy for the treatment of patients with poorly water-soluble drugs (PWSDs). The problem statement of this work involves a pharmaceutical development perspective, the physicochemical basis of the absorption process and physiological / biopharmaceutical aspects. A methodology was developed aiming at closing the gap between drug liberation and dissolution on the one hand and the appearance of drug in the blood on the other. Considering what is out of control from a formulation development perspective, a clear differentiation between bioavailability and bioaccessibility was necessary. Focusing on the absorption process, bioaccessibility of a model compound, a poorly soluble but well permeable weak base, was characterized by means of flux across artificial biomimetic membranes. Such setups can be considered to reasonably mimic relevant oral absorption resistances in vitro in terms of diffusion through an unstirred water layer (UWL) and a lipidic barrier. Mechanistic understanding of the driving force for permeation was gained by differentiating drug species and subsequently linking them to the observed transfer rates using a bioaccessibility concept. The three key species that need to be differentiated are molecularly dissolved drug, drug associated in solution with other components (liquid reservoir) and undissolved drug (solid reservoir). An innovative approach to differentiate molecularly dissolved drug from the liquid reservoir using ultracentrifugation in combination with dynamic light scattering as control is presented. A guidance for rational formulation development of PWSDs is elaborated based on the employed model compound. It is structured into five guiding questions to help drug formulation scientists in selecting drug form, excipients and eventually the formulation principle. Overall, the relevance but also limitations of characterizing bioaccessibility were outlined with respect to practical application e.g. in early drug formulation development. / Eine geringe und variable orale Bioverfügbarkeit gibt Anlass zu grosser Besorgnis hinsichtlich Sicherheit und Wirksamkeit einer Behandlung von Patienten mit schwer wasserlöslichen Arzneimitteln. Die Problemstellung dieser Arbeit umfasst eine pharmazeutische Entwicklungsperspektive, die physikalisch-chemischen Grundlagen des Absorptionsprozesses und physiologische / biopharmazeutische Aspekte. Es wurde eine Methodik entwickelt, die darauf abzielt, die Lücke zwischen der Wirkstofffreisetzung und -auflösung einerseits und dem Auftreten des Wirkstoffs im Blut andererseits zu schließen. Angesichts dessen, was aus Sicht der Formulierungsentwicklung nicht beeinflusst werden kann, war eine klare Unterscheidung zwischen Bioverfügbarkeit und Biozugänglichkeit notwendig. Mit Fokus auf den Absorptionsprozess wurde die Biozugänglichkeit eines Modellwirkstoffes, einer schlecht löslichen aber gut permeablen schwachen Base, mittels Massentransportexperimente durch künstliche biomimetische Membranen charakterisiert. Es kann davon ausgegangen werden, dass solche Anordnungen relevante orale Absorptionswiderstände hinsichtlich der Diffusion durch eine ungerührte Wasserschicht und eine Lipidbarriere in vitro nachahmen. Durch die Differenzierung der Wirkstoffspezies und die anschliessende Verknüpfung mit den beobachteten Transportraten mittels eines Biozugänglichkeitskonzepts wurde ein mechanistisches Verständnis der treibenden Kraft für die Permeation gewonnen. Die drei Schlüsselspezies, die unterschieden werden müssen, sind molekular gelöste Substanz, in Lösung mit anderen Bestandteilen assoziierte Substanz (flüssiges Reservoir) und ungelöste Substanz (festes Reservoir). Ein innovativer Ansatz zur Differenzierung zwischen molekular gelöstem Wirkstoff und Substanz in dem Flüssigkeitsreservoir unter Verwendung von Ultrazentrifugation in Kombination mit dynamischer Lichtstreuung als Kontrolle wird vorgestellt. Basierend auf dem verwendeten Modellwirkstoff wird eine Anleitung zur rationalen Formulierungsentwicklung von schlecht wasserlöslichen Arzneistoffen ausgearbeitet. Diese ist in fünf Leitfragen gegliedert, um Wissenschaftlern bei der Arzneimittelformulierung bei der Auswahl der Arzneimittelform, der Hilfsstoffe und schließlich des Formulierungsprinzips zu helfen. Insgesamt wurde die Relevanz, aber auch Grenzen der Charakterisierung der Biozugänglichkeit im Hinblick auf die praktische Anwendung z.B. in der frühen Entwicklung von Arzneimittelformulierungen aufgezeigt.

Zugl.: Frankfurt (Main), Univ., Diss., 2007

Universiẗat, Diss--Heidelberg, 2003.

Salt formation is a routinely used strategy for poorly water-soluble drugs and traditionally performed with small inorganic counterions. High energy crystal lattices as well as effects on the local pH within the aqueous boundary layer during dissolution drive the increased dissolution rate and apparent solubility. Ionic liquids however, by definition low melting ionic salts with often large organic counterions, combine an increased dissolution rate with solubilization of the drug by the counterion itself. Long lasting supersaturation profiles of increased kinetic solubility were reported for several drugs formulated as ionic liquids increasing their overall bioavailability. Furthermore, aggregation and micellization between highly lipophilic compounds and amphiphilic bile acids was described before, demonstrating the capabilities of the human body itself to utilize solubilization of poorly water-soluble compounds. Development of novel counterions not only tailoring the desired physicochemical properties e.g. dissolution rate of the parent drug but adding – in a best-case scenario synergistic – pharmacological activity has been driven forward in the last years. However, salt formation can only be applied for ionizable i.e. acidic or basic compounds. While co-crystals can be used as a nonionized alternative, their formation is not always successful leading to an urgent need for other formulation strategies. In these lines, development of 2D and 3D printing techniques has been ongoing for the last decades and their pharmaceutical application has been demonstrated. The versatile nature and commercial availability allow a decentralized production further elaborating this technique for a highly flexible and patient-oriented supply with medication. This thesis focuses on the theoretical background and potential application of salt formation in the pharmaceutical development of a drug candidate. The first section presents the current knowledge and state of the art in preparation of low melting ionic liquids i.e. salts and is translated to the in vitro investigation of molecular interaction between the poorly water-soluble drug imatinib and components of the human intestinal fluid in the second section. Development of novel antibiotic counterions and assessment of their potential use in pharmaceutical formulations with fluoroquinolones is described in the last two sections. Chapter I describes the application of low melting ionic liquids in pharmaceutical formulation and details their development in the last two decades from versatile organic solvents in chemical synthesis towards amorphous strategies for drug delivery. The chapter gives a general overview on molecular structure and physicochemical properties of several drug containing ionic liquids and details the mechanisms which attribute to a typically fast dissolution, increased aqueous solubility as well as enhanced permeation which was reported in several publications. Chapter II translates the increased aqueous solubility of drugs by an organic counterion to the human gastrointestinal tract with taurocholate and lecithin as main drivers for the solubilization of highly lipophilic and poorly water-soluble drugs. Investigation of the interaction of imatinib – a poorly water-soluble weak base – with fasted- and fed state simulated intestinal fluids revealed a complex interplay between the components of the intestinal fluid and the drug. Mixed vesicles and micelles were observed in concentration dependent aggregation assays and revealed differences in their size, molecular arrangement as well as composition, depending on the tested drug concentration. Overall, the study outlines the effective interaction of weakly basic drugs with taurocholate and lecithin to minimize recrystallization during intestine passage finally leading to favorable supersaturation profiles. Chapter III focuses on the development of novel antibiotic counterions which potentially move the evolution of ionic liquids from a pharmaceutical salt with tailored physicochemical properties to a synergistic combination of two active pharmaceutical ingredients. The natural occurring anacardic acid derived from the cashew nut shell inspired a series of antibacterial active acidic compounds with increasing alkyl chain length. Their physicochemical properties, antibacterial activity, bacterial biofilm inhibition and cytotoxicity were detailed and in vivo activity in a Galleria mellonella model was assessed. This group of anacardic acid derivatives is synthetically accessible, easily modifiable and yielded two compounds with favorable activity and physicochemical profile for further drug development. Chapter IV outlines the potential application of anacardic acid derivatives in pharmaceutical formulations by salt formation with fluoroquinolone antibiotics as well as novel techniques such as 2D/3D printing for preparation of drug imprinted products. Despite anacardic acid derivatives demonstrated promising physicochemical properties, salt formation with fluoroquinolone antibiotics was not feasible. However, 2D/3D printed samples with anacardic acid derivative alone or in combination with ciprofloxacin demonstrated physical compatibility between drug and matrix as well as antibacterial activity against three S. aureus strains in an agar diffusion assay. Conclusively, drug printing can be applied for the herein tested compounds, but further process development is necessary. In summary, preparation of low melting ionic liquids, salts or co-crystals is an appropriate strategy to increase the aqueous solubility of poorly water-soluble drugs and tailor physicochemical properties. The counterion itself solubilizes the drug and furthermore potentially interferes with the complex micellar environment in the human intestine. However, salt formation as routinely used formulation strategy is not feasible in every case and development of alternative techniques is crucial to hurdle challenges related to unfavorable physicochemical properties. The outlined techniques for 2D/3D drug printing provide versatile production of drug products while extending the design space for novel drug development. / Die Salzbildung mit pharmazeutischen Wirkstoffen – als routinemäßig durchgeführte Strategie für schlecht wasserlösliche Substanzen – wird traditionell mit kleinen, anorganischen Gegenionen durchgeführt. Eine tragende Rolle spielen hierbei ein hochenergetisches Kristallgitter sowie die Beeinflussung des pH-Wertes in der ruhenden Grenzschicht während des Auflösungsprozesses. Diese treiben eine beschleunigte Auflösungsrate sowie eine Erhöhung der scheinbaren Löslichkeit an. Ionische Flüssigkeiten stellen per Definition niederschmelzende ionische Salze mit oftmals großen, organischen Gegenionen dar. Sie kombinieren, aufgrund ihrer hohen Gitterenergie, eine beschleunigte Auflösungsratemit der Solubilisierung des Wirkstoffs durch das Gegenion. Langanhaltende Übersättigungen mit erhöhter kinetischer Löslichkeit und eine damit einhergehende, verbesserte Bioverfügbarkeit, wurden bereits bei verschiedenen Wirkstoffen beobachtet, die als ionische Flüssigkeiten formuliert wurden. Auch der menschliche Körper nutzt diesen Effekt und solubilisiert schlecht wasserlösliche Substanzen durch Aggregation und Mizellisierung lipophiler Substanzen mit amphiphilen Gallensäuren. Die Entwicklung neuartiger – meist kationischer – Gegenionen wurde in den letzten Jahren vorangetrieben. Vor allem Gegenionen, die nicht nur die gewünschten physikochemischen Eigenschaften (z.B. Auflösungsrate) hervorbringen, sondern einen eigenen – im besten Fall synergistischen – pharmakologischen Effekt aufweisen. Jedoch kommt eine Salzbildung nur für ionisierbare Substanzen respektive Säuren und Basen in Frage. Während Co-Kristalle als Alternative für nicht-ionisierbare Substanzen dienen können, ist deren Herstellung nicht immer erfolgreich und neue Formulierungsstrategien werden notwendig. Deshalb wurde unter anderem die Entwicklung von 2D- und 3D-Druckverfahren in den letzten Jahrzehnten vorangetrieben und deren Relevanz für pharmazeutische Fragestellungen aufgezeigt. Die vielseitige Natur und kommerzielle Verfügbarkeit des 2D/3D-Drucks erlaubt eine dezentrale Produktion und ermöglicht eine flexible und patientenorienterte Medikamentenversorgung. Diese Dissertation beschäftigt sich vorrangig mit den theoretischen Hintergründen und den praktischen Anwendungsmöglichkeiten der Salzbildung in der pharmazeutischen Entwicklung eines potenziellen Wirkstoffes. Das erste Kapitel präsentiert den gegenwärtigen Stand der Technik zur Verwendung von niederschmelzenden ionischen Flüssigkeiten. Diese Erkenntnisse werden im Anschluss auf eine Untersuchung der Interaktionen des schlecht wasserlöslichen Wirkstoffs Imatinib und den Bestandteilen der menschlichen Verdauungssäfte übertragen. Die Entwicklung neuartiger, antibiotisch wirksamer Gegenionen und deren potenzielle Verwendung in pharmazeutischen Formulierungen mit Fluorchinolonen ist Gegenstand der letzten zwei Kapitel. Kapitel I beschreibt niederschmelzende ionische Flüssigkeiten in pharmazeutischen Formulierungen und führt deren Entwicklung in den letzten drei Jahrzehnten aus: Vom vielfältig anwendbaren, organischen Lösemittel für die chemische Synthese hin zur amorphen Darreichungsform. Das Kapitel gibt einen Überblick über die molekularen Strukturen und physikochemischen Eigenschaften verschiedener wirkstoffbeinhaltender, ionischer Flüssigkeiten. Hierbei werden die zugrundeliegenden Mechanismen dargelegt, was im Besonderen die rasche Auflösung, eine erhöhte Löslichkeit in wässrigen Medien sowie eine Beeinflussung der Permeation meint. Kapitel II überträgt die Beobachtung einer erhöhten Löslichkeit in Gegenwart eines organischen Gegenions auf den menschlichen Verdauungstrakt, in dem Taurocholat und Lecithin hauptverantworlich für die Solubilisierung von liphilen und schlecht wasserlöslichen Substanzen sind. Untersuchungen der Interaktion von Imatinib, einer schlecht wasserlöslichen, schwachen Base, mit simulierten, intestinalen Flüssigkeiten zeigten ein komplexes System aus Bestandteilen der intestinalen Flüssigkeit und dem Wirkstoff. Gemische aus Vesikel und Mizellen, die mithilfeeines Aggregationsassays untersucht wurden, zeigten, in Abhängigkeit von momentanen Wirkstoffkonzentrationen, Unterschiede in ihrer Größe sowie der molekularen Anordnung und Zusammensetzung. Zusammenfassend beschreibt dieses Kapitel die effektive Interaktion von schwachen Basen mit Taurocholat und Lecithin sowie eine Möglichkeit zur Minimierung von Rekristallisation und damit der Aufrechterhaltung von übersättigten Zuständen während der Wirkstoff den Verdauungstrakt passiert. Kapitel III befasst sich mit der Entwicklung neuartiger antibiotischer Gegenionen. Diese treiben möglicherweise die Weiterentwicklung von ionischen Flüssigkeiten mit optimierten physikochemischen Eigenschaften zu synergistischen Kombinationen aus zwei pharmakologisch aktiven Substanzen voran. Die natürlich vorkommende Anacardsäure, welche sich aus der Schale der Cashewnuss gewinnen lässt, hat eine Reihe von antibakteriellen, sauren Substanzen inspiriert, die sich allein in der Länge ihrer Alkylkette unterschieden. Physikochemische Eigenschaften, antibakterielle Aktivität, Inhibition des bakteriellen Biofilms sowie Zytotoxizität wurden untersucht und anschließend in vivo mittels Galleria mellonella-Modell beleuchtet. Diese Gruppe aus Anacardsäurederivaten ist synthetisch zugänglich, einfach chemisch modifizierbar und brachte zwei Substanzen mit vorteilhafter Aktivität und physikochemischen Eigenschaften zur weiteren Entwicklung hervor. Kapitel IV beschreibt die potenzielle Anwendung der Anacardsäurederivate in pharmazeutischen Formulierungen. Durch Salzbildung mit Fluorchinolon-Antibiotika sowie Nutzung neuerer Techniken, wie dem 2D/3D-Druck, wurden wirkstoffbedruckte Darreichungsformen hergestellt. Obwohl die Anacardsäurederivate vielversprechende physikochemische Eigenschaften zeigten, eigneten sie sich nicht für eine Salzbildung mit Fluorchinolonen. Trotzdem war es möglich Anacardsäurederivate allein oder in Kombination mit Ciprofloxacin auf Oberflächen zu drucken, wobei keine physische Inkompatibilität zwischen Wirkstoff und Matrix erkennbar war jedoch eine antibakterielle Wirkung gegen drei S. aureus Stämme gezeigt werden konnte. Abschließend stellte sich der Druck von Wirkstoffen, mit den untersuchten Techniken, als machbar heraus, wobei eine Weiterentwicklung des Prozesses sicherlich notwendig ist. Zusammenfassend stellt die Herstellung von niederschmelzenden, ionischen Flüssigkeiten, Salzen oder Co-Kristallen eine geeignete Strategie dar, die Löslichkeit schlecht wasserlöslicher Substanzen zu verbessern und deren physikochemische Eigenschaften zu optimieren. Das Gegenion kann dabei dazu beitragen den Wirkstoff zu solubilisieren, wobei es sehr wahrscheinlich ist, dass er auch mit dem komplexen mizellaren System des menschlichen Verdauungstrakts interagiert. Trotzdem ist eine routinemäßige Salzbildung nicht in allen Fällen zielführend und alternative Technologien müssen entwickelt werden, um die Herrausforderungen mit unvorteilhaften physikochemischen Eigenschaften zu meistern. Die beschriebenen 2D/3D-Druckverfahren bieten hierbei eine Produktion variabler und vielfältiger Darreichungsformen und erweitern den Gestaltungsraum für neuartige Wirkstoffentwicklungen.

Trotz des breiten, klinischen Einsatzes des Propofols haben sich aufgrund bestehender Nebenwirkungen zunehmend Bestrebung entwickelt, alternative Formulierungen zur Lipidemulsion zu finden. In dieser Arbeit wurden die Substanzen Propofol/HPβCD und Na-Propofolat/HPβCD als alternative Formulierungen des Propofols mittels 1H-NMR-Spektroskopie, molekularer Modellierungen, DSC-Messungen, Zytotoxizitätstests (MTT-Test, LDH-Assay, EZ4U-Test) und dem Comet-Assay als Genotoxizitätstest auf biologische, chemische und physikalische Eigenschaften untersucht. Die Frage nach der Komplexbildung zwischen Propofol und HPβCD lässt sich nicht allein auf Basis des 1D-1H-NMR-Spektrums beantworten. Allerdings lässt sich mit Hilfe der 1H-NMR-Spektroskopie für Na-Propofolat/HPβCD das Vorliegen als deprotonierte Form nachweisen. Anderseits legen aber die DSC-Messungen eine Komplexbildung zwischen Propofol und HPβCD nahe. Zum einen ergibt sich das aus den unterschiedlichen Glasübergangstemperaturen der Substanzen. Zum anderen zeigt der Kurvenverlauf für HPβCD als auch für Na-Propofolat/HPβCD und Propofol/HPβCD keinen Verdampfungspeak bis zu der untersuchten maximalen Temperatur von 280 °C trotz des Propofol-Siedepunktes von 256 °C. Die molekularen Modellierungen legen nahe, dass die Bindung zwischen Propofol und Cyclodextrin über die Isopropylgruppen des Propofols erfolgt, wobei der aromatische Ring nicht in die Cavität des Cyclodextrinringes eindringt. Aus den molekularen Modellierungen ergeben sich Enthalpiewerte, die in ihrer Größenordnung schwachen Wasserstoffbrückenbindungen entsprechen. Für das Na-Propofolat/HPβCD lässt sich eine leichtere Abspaltung des Propofols aus dem Komplex voraussagen, wohingegen für Propofol/HPβCD die Abspaltung langsamer, aber über einen längeren Zeitraum erfolgen dürfte. Im Vergleich zu der hohen Zytotoxizität des Propofols als Lipidemulsion ergibt sich aus den an der CerebEND-Zelllinie durchgeführten Zyotoxizitätstests für HPβCD, Propofol/HPβCD und Na-Propofolat/HPβCD kein Nachweis einer Zytotoxizität nach 24-stündiger Exposition. Die Resultate zeigen für die drei Testverfahren die jeweils gleiche Reihenfolge mit der höchsten Zellvitalität für die mit Na-Propofolat/HPβCD behandelten Zellen und der niedrigsten Zellvitalität für HPβCD. In dem Comet-Assay zeigt sich nach 24-stündiger Exposition bei 37 °C für HPβCD, Propofol/HPβCD und Na-Propofolat/HPβCD keine genotoxische Wirkung an der HL-60-Zelllinie. Die Ergebnisse dieser Arbeit sprechen für die Fortsetzung der Untersuchungen von Propofol/HPβCD und Na-Propofolat/HPβCD als aussichtsreiche Option der Propofol-Formulierungen. / Despite the widespread clinical use of propofol, efforts to find alternative formulations to the lipid emulsion have increasingly developed due to existing side effects. In this study, the substances propofol/HPβCD and Na-propofolate/HPβCD were investigated as alternative formulations of propofol using 1H-NMR spectroscopy, molecular modelling, DSC measurements, cytotoxicity tests (MTT test, LDH assay, EZ4U test) and the Comet assay as a genotoxicity test for biological, chemical and physical properties. The question of complex formation between propofol and HPβCD cannot be answered solely on the basis of the 1D-1H NMR spectrum. However, the presence of Na-propofolate/HPβCD as a deprotonated form can be demonstrated with the aid of 1H NMR spectroscopy. On the other hand, the DSC measurements suggest a complex formation between propofol and HPβCD. On the one hand, this results from the different glass transition temperatures of the substances. On the other hand, the curve for HPβCD as well as for Na-propofolate/HPβCD and propofol/HPβCD shows no evaporation peak up to the analysed maximum temperature of 280 °C despite the propofol boiling point of 256 °C. The molecular modelling suggests that the bond between propofol and cyclodextrin takes place via the isopropyl groups of propofol, whereby the aromatic ring does not penetrate into the cavity of the cyclodextrin ring. The molecular modelling results in enthalpy values that correspond in their order of magnitude to weak hydrogen bonds. For Na-propofolate/HPβCD, easier cleavage of propofol from the complex can be predicted, whereas for propofol/HPβCD, cleavage is likely to occur more slowly but over a longer period of time. In comparison to the high cytotoxicity of propofol as a lipid emulsion, the cytotoxicity tests carried out on the CerebEND cell line for HPβCD, propofol/HPβCD and Na-propofolate/HPβCD do not provide any evidence of cytotoxicity after 24-hour exposure. The results show the same order for the three test methods with the highest cell viability for the cells treated with Na-propofolate/HPβCD and the lowest cell viability for HPβCD. The comet assay showed no genotoxic effect on the HL-60 cell line after 24-hour exposure at 37 °C for HPβCD, propofol/HPβCD and Na-propofolate/HPβCD. The results of this work speak in favour of continuing the investigations of propofol/HPβCD and Na-propofolate/HPβCD as a promising option for propofol formulations.

Zugl.: München, Univ., Diss., 2007

Univ., Diss--Bonn, 2005.

Zugl.: Frankfurt (Main), Univ., Diss., 2008