The bile system in vertebrates is an evolutionary conserved endogenous solubilization system for hydrophobic fats and poorly water-soluble vitamins. Bile pours out from the gallbladder through the common bile duct into the duodenum triggered by cholecystokinin. Cholecystokinin is released from enteroendocrine cells after food intake. The small intestine is also the absorption site of many orally administered drugs. Most emerging drug candidates belong to the class of poorly water-soluble drugs (PWSDs). Like hydrophobic vitamins, these PWSDs might as well be solubilized by bile. Therefore, this natural system is of high interest for drug formulation strategies. Simulated intestinal fluids containing bile salts (e.g., taurocholate TC) and phospholipids (e.g., lecithin L) have been widely applied over the last decade to approximate the behavior of PWSDs in the intestine. Solubilization by bile can enhance the oral absorption of PWSDs being at least in part responsible for the positive “food effect”. The dissolution rate of PWSDs can be also enhanced by the presence of bile. Furthermore, some PWSDs profit from supersaturation stabilization by bile salts. Some excipients solubilizing PWSDs seemed to be promising candidates for drug formulation when investigated in vitro without bile. When tested in vivo, these excipients reduced the bioavailability of drugs. However, these observations have been hardly examined on a molecular level and general links between bile interaction in vitro and bioavailability are still missing. This thesis investigated the interplay of bile, PWSDs, and excipients on a molecular level, providing formulation scientists a blueprint for rational formulation design taking bile/PWSD/excipient/ interaction into account. The first chapter focus on an in silico 1H nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy-based algorithm for bile/drug interaction prediction. Chapter II to IV report the impact of excipients on bioavailability of PWSDs interacting with bile. At last, we summarized helpful in vitro methods for drug formulation excipient choice harnessing biopharmaceutic solubilization in chapter V. Chapter I applies 1H NMR studies with bile and drugs on a large scale for quantitative structure-property relationship analysis. 141 drugs were tested in simulated intestinal media by 1H NMR. Drug aryl-proton signal shifts were correlated to in silico calculated molecular 2D descriptors. The probability of a drug interacting with bile was dependent on its polarizability and lipophilicity, whereas interaction with lipids in simulated intestinal media components was dependent on molecular symmetry, lipophilicity, hydrogen bond acceptor capability, and aromaticity. The probability of a drug to interact with bile was predictive for a positive food effect. This algorithm might help in the future to identify a bile and lipid interacting drug a priori. Chapter II investigates the impact of excipients on bile and free drug fraction. Three different interaction patterns for excipients were observed. The first pattern defined excipients that interacted with bile and irreversibly bound bile. Therefore, the free drug fraction of bile interacting drugs increased. The second pattern categorized excipients that formed new colloidal entities with bile which had a high affinity to bile interacting drugs. These colloids trapped the drug and decreased the free drug fraction. The last excipient pattern described excipients that formed supramolecular structures in coexistence with bile and had no impact on the free drug fraction. These effects were only observed for drugs interacting with bile (Perphenazine and Imatinib). Metoprolol’s free drug fraction, a compound not interacting with bile, was unaffected by bile or bile/excipient interaction. We hypothesized that bile/excipient interactions may reduce the bioavailability of bile interacting drugs. Chapter III addresses the hypothesis from chapter II. A pharmacokinetic study in rats revealed that the absorption of Perphenazine was reduced by bile interacting excipients due to bile/excipient interaction. The simultaneous administration of excipient patterns I and II did not further reduce or enhance Perphenazine absorption. Conversely, the absorption of Metoprolol was not impacted by excipients. This reinforced the hypothesis, that drugs interacting with bile should not be formulated with excipients also interacting with bile. Chapter IV further elaborates which in vitro methods using simulated intestinal fluids are predictive for a drug’s pharmacokinetic profile. The PWSD Naporafenib was analyzed in vitro with simulated intestinal fluids and in presence of excipients regarding solubility, supersaturation, and free drug fraction. Naporafenib showed a strong interaction with TC/L from simulated bile. Assays with TC/L, but not without identified one excipient as possibly bioavailability reducing, one as supersaturation destabilizing, and the last as bile not interacting and supersaturation stabilizing excipient. A pharmacokinetic study in beagle dogs outlined and confirmed the in vitro predictions. The Appendix summarizes in vivo predictive methods as presented in chapter I to IV and rationalizes experimental design paving the way towards a biopharmaceutic excipient screening. The first presented preliminary decision tree is transformed into a step-by-step instruction. The presented decision matrix might serve as a blueprint for processes in early phase drug formulation development. In summary, this thesis describes how a drug can be defined as bile interacting or non-interacting and gives a guide as well how to rate the impact of excipients on bile. We showed in two in vivo studies that bile/excipient interaction reduced the bioavailability of bile interacting drugs, while bile non-interacting drugs were not affected. We pointed out that the bile solubilization system must be incorporated during drug formulation design. Simulated gastrointestinal fluids offer a well-established platform studying the fate of drugs and excipients in vivo. Therefore, rational implementation of biopharmaceutic drug and excipient screening steers towards efficacy of oral PWSD formulation design. / Das Gallensystem in Wirbeltieren ist ein evolutionär konserviertes endogenes Solubilisierungssystem für hydrophobe Fette und schwer wasserlösliche Vitamine. Ausgelöst durch Cholecystokinin wird Galle aus der Gallenblase durch den Hauptgallengang in den Zwölffingerdarm ausgeschüttet. Cholecystokinin wird zum Beispiel nach der Nahrungsaufnahme aus enteroendokrinen Zellen freigesetzt. Der Dünndarm ist auch der Ort, an dem viele oral verabreichte Arzneimittel aufgenommen werden. Die meisten neuen Arzneimittelkandidaten gehören zur Klasse der schlecht wasserlöslichen Arzneimittel (poorly water-soluble drugs: PWSDs). Galle kann auch wie bei hydrophoben Vitaminen die Löslichkeit von PWSDs verbessern. Daher ist dieses natürliche System von großem Interesse für Arzneimittelformulierungsstrategien. Simulierte Darmflüssigkeiten, die Gallensalze (z.B. Taurocholat TC) und Phospholipide (Lecithin L) enthalten, wurden in den letzten Jahren häufig verwendet, um das Verhalten von PWSDs im Darm zu simulieren. Die Löslichkeitsverbesserung durch Galle kann die orale Absorption von PWSDs erhöhen, was ein möglicher Grund für den sogenannten positiven "Nahrungsmitteleffekt" darstellt. Auch die Auflösungsgeschwindigkeit von PWSD kann durch die Anwesenheit von Galle verbessert werden. Darüber hinaus profitieren einige PWSDs von der Stabilisierung der Übersättigung durch Gallensalze. Einige Hilfsstoffe, die die Löslichkeit von PWSDs stark erhöhten, schienen vielversprechende Kandidaten für die Arzneimittelformulierung zu sein, wenn sie in vitro ohne Galle untersucht wurden. In vivo getestet, verringerten diese Hilfsstoffe jedoch die Bioverfügbarkeit. Diese Beobachtungen wurden bisher kaum auf molekularer Ebene untersucht, und allgemeine Zusammenhänge zwischen der Interaktion mit der Galle in vitro und der Bioverfügbarkeit fehlen bisher. In dieser Arbeit wurde das Zusammenspiel von PWSD, Hilfsstoffen und Galle auf molekularer Ebene untersucht, um Formulierungswissenschaftlern einen Entwurf für ein rationales Formulierungsdesign zu liefern, das die Wechselwirkung zwischen PWSD, Hilfsstoffen und Galle berücksichtigt. Das erste Kapitel befasst sich mit einem auf 1H-Kernspinresonanzspektroskopie (1H NMR) basierenden in-silico-Algorithmus zur Vorhersage von Wechselwirkungen zwischen Galle und Arzneimittel. Die Kapitel II bis IV zeigen die Auswirkungen von Hilfsstoffen auf die Bioverfügbarkeit von PWSDs, die mit der Galle interagieren. Schließlich haben wir in Kapitel V hilfreiche in-vitro-Methoden für die Auswahl von Hilfsstoffen in Arzneimittelformulierungen zusammengefasst, die die biopharmazeutische Solubilisierung nutzen. In Kapitel I werden 1H-NMR-Studien mit Galle und Arzneimitteln in großem Maßstab zur quantitativen Analyse der Struktur-Eigenschafts-Beziehung durchgeführt. 141 Arzneimittel wurden in simulierten Darmmedien mittels 1H-NMR untersucht. Die Aryl-Proton-Signalverschiebungen der Arzneimittel wurden mit in silico berechneten molekularen Deskriptoren korreliert. Die Wahrscheinlichkeit, dass ein Arzneimittel mit Galle interagiert, hing von seiner Polarisierbarkeit und Lipophilie ab, während die Interaktion mit Lipiden in simulierten Darmmedienkomponenten von der molekularen Symmetrie, Lipophilie, der Fähigkeit Wasserstoffbrückenbindungen einzugehen, und der Aromatizität abhing. Die Wahrscheinlichkeit, dass ein Arzneimittel mit Galle interagiert, war prädiktiv für einen positiven Nahrungsmitteleffekt. Dieser Algorithmus könnte in Zukunft dabei helfen, ein mit Galle und Lipiden interagierendes Arzneimittel a priori zu identifizieren. In Kapitel II wird der Einfluss von Hilfsstoffen auf die Galle und den Anteil des freien Arzneimittels untersucht. Es wurden drei verschiedene Interaktionsmuster für Hilfsstoffe beobachtet. Das erste Muster interagiert mit der Galle und bindet die Galle irreversibel. Dadurch erhöhte sich der Anteil des freien Wirkstoffs. Das zweite Muster von Hilfsstoffen bildete mit der Galle neue kolloidale Strukturen, die eine hohe Affinität zum Arzneimittel hatten. Diese Kolloide schlossen den Wirkstoff ein und verringerten den Anteil des freien Wirkstoffs. Das letzte Hilfsstoffmuster bildete supramolekulare Strukturen in Koexistenz mit der Galle und hatte keinen Einfluss auf den Anteil des freien Arzneistoffes. Diese Auswirkungen wurden nur bei Arzneimitteln beobachtet, die mit der Galle interagieren (Perphenazin und Imatinib). Der Anteil des freien Wirkstoffs Metoprolol, der nicht mit der Galle interagiert, wurde durch die Interaktion von Galle oder Galle/Hilfsstoff nicht beeinflusst. Wir stellten die Hypothese auf, dass Wechselwirkungen zwischen Galle und Hilfsstoffen die Bioverfügbarkeit von Arzneimitteln, die mit der Galle interagieren, verringern können. Kapitel III befasst sich mit der Hypothese aus Kapitel II. Eine pharmakokinetische Studie an Ratten ergab, dass die Absorption von Perphenazin durch mit der Galle interagierende Hilfsstoffe aufgrund einer Wechselwirkung zwischen Galle und Hilfsstoff verringert wurde. Die gleichzeitige Verabreichung der Hilfsstoffmuster I und II führte nicht zu einer weiteren Verringerung oder Erhöhung der Perphenazin-Resorption. Umgekehrt wurde die Absorption von Metoprolol durch die Hilfsstoffe nicht beeinträchtigt. Dies bestätigt die Hypothese, dass Arzneimittel, die mit Galle interagieren, nicht mit Hilfsstoffen formuliert werden sollten, die ebenfalls mit Galle interagieren. In Kapitel IV wird näher erläutert, welche in-vitro-Methoden für das pharmakokinetische Profil eines Arzneimittels aussagekräftig sind. Das PWSD Naporafenib wurde in vitro mit simulierten Darmflüssigkeiten und in Gegenwart von Hilfsstoffen hinsichtlich Löslichkeit, Übersättigung und freiem Wirkstoffanteil analysiert. Naporafenib zeigte eine starke Wechselwirkung mit TC/L aus simulierter Galle. Bei Untersuchungen mit TC/L, aber nicht ohne TC/L, wurde ein Hilfsstoff als möglicherweise bioverfügbarkeitsvermindernd, ein Hilfsstoff als die Übersättigung destabilisierend und der letzte als nicht mit der Galle interagierender und die Übersättigung stabilisierender Hilfsstoff identifiziert. In einer pharmakokinetischen Studie an Beagle-Hunden wurden die in-vitro-Vorhersagen bestätigt. Der Anhang fasst die in den Kapiteln I bis IV vorgestellten in-vivo-Vorhersagemethoden zusammen und rationalisiert die Versuchsplanung, die den Weg für ein biopharmazeutisches Hilfsstoffscreening ebnet. Der vorgestellte vorläufige Entscheidungsbaum wird in eine Schritt-für-Schritt-Anleitung umgewandelt. Die vorgestellte Entscheidungsmatrix soll in den Prozess der frühen Phase der Entwicklung von Arzneimittelformulierungen implementiert werden können. Zusammenfassend wird in dieser Arbeit beschrieben, wie ein Arzneimittel als Galle interagierend oder nicht interagierend definiert werden kann, und es wird ein Leitfaden für die Bewertung der Auswirkungen von Hilfsstoffen auf Galle gegeben. Wir haben in zwei In-vivo-Studien gezeigt, dass die Interaktion zwischen Galle und Hilfsstoff die Bioverfügbarkeit von Arzneistoffen, die mit der Galle interagieren, verringert, während Arzneistoffe, die nicht mit der Galle interagieren, davon nicht betroffen waren. Wir wiesen darauf hin, dass das Solubilisierungssystem der Galle bei der Entwicklung von Arzneimittelformulierungen berücksichtigt werden muss. Simulierte gastrointestinale Flüssigkeiten bieten eine gut etablierte Plattform zur Untersuchung von Arzneistoffen und Hilfsstoffen in vivo. Die rationelle Umsetzung des biopharmazeutischen Screenings von Arzneimitteln und Hilfsstoffen führt daher zu einem wirksamen Formulierungsdesign von oralen, schwer wasserlöslichen Arzneistoffen.

Universiẗat, Diss., 2001--Freiburg (Breisgau).

Most medicines are taken orally. To enter the systemic circulation, they dissolve in the intestinal fluid, cross the epithelial barrier, and pass through the liver. Intestinal absorption is driven by the unique features of the gastrointestinal tract, including the bile colloids formed in the lumen and the mucus layer covering the intestinal epithelium. Neglecting this multifaceted environment can lead to poor drug development decisions, especially for poorly water-soluble drugs that interact with bile and mucus. However, there is a lack of a rationale nexus of molecular interactions between oral medicines and gastrointestinal components with drug bioavailability. Against this background, this thesis aims to develop biopharmaceutical strategies to optimize the presentation of oral therapeutics to the intestinal epithelial barrier. In Chapter 1, the dynamics of bile colloids upon solubilization of the poorly-water soluble drug Perphenazine was studied. Perphenazine impacted molecular arrangement, structure, binding thermodynamics, and induced a morphological transition from vesicles to worm-like micelles. Despite these dynamics, the bile colloids ensured stable relative amounts of free drug substance. The chapter was published in Langmuir. Chapter 2 examined the impact of pharmaceutical polymeric excipients on bile-mediated drug solubilization. Perphenazine and Imatinib were introduced as model compounds interacting with bile, whereas Metoprolol did not. Some polymers altered the arrangement and geometry of bile colloids, thereby affecting the molecularly soluble amount of those drugs interacting with bile. These insights into the bile-drug-excipient interplay provide a blueprint to optimizing formulations leveraging bile solubilization. The chapter was published in Journal of Controlled Release. Chapter 3 deals with the impact of bile on porcine intestinal mucus. Mucus exposed to bile solution changed transiently, it stiffened, and the overall diffusion rate increased. The bile-induced changes eased the transport of the bile-interacting drug substance Fluphenazine, whereas Metoprolol was unaffected. This dichotomous pattern was linked to bioavailability in rats and generalized based on two previously published data sets. The outcomes point to a bile-mucus interaction relevant to drug delivery. The chapter is submitted. The Appendix provides a guide for biopharmaceutical characterization of drug substances by nuclear magnetic resonance spectroscopy aiming at establishing a predictive algorithm. In summary, this thesis deciphers bile-driven mechanisms shaping intestinal drug absorption. Based on these molecular insights, pharmaceuticals can be developed along a biopharmaceutical optimization, ultimately leading to better oral drugs of tomorrow. / Die meisten Arzneimittel werden oral eingenommen. Um in den Blutkreislauf zu gelangen, liegen sie in der Darmflüssigkeit gelöst vor, überwinden die Epithelbarriere und passieren die Leber. Die intestinale Absorption wird durch die einzigartigen Eigenschaften des Magen-Darm-Trakts, einschließlich der im Lumen gebildeten Gallenkolloide und der Schleimschicht, die das Darmepithel bedeckt, bestimmt. Die Vernachlässigung dieser facettenreichen Umgebung kann zu schlechten Entscheidungen bei der Arzneimittelentwicklung führen, insbesondere bei schlecht wasserlöslich Wirkstoffen, die mit Galle und Schleim interagieren. Es fehlt jedoch eine rationale Verknüpfung der molekularen Wechselwirkungen zwischen oralen Arzneimitteln und gastrointestinalen Komponenten mit der Bioverfügbarkeit von Arzneimitteln. Vor diesem Hintergrund zielt diese Arbeit darauf ab, biopharmazeutische Strategien zur Optimierung der Präsentation von oralen Therapeutika an der intestinalen Epithelbarriere zu entwickeln. In Kapitel 1 wurde die Dynamik von Gallenkolloiden bei der Solubilisierung des schwer wasserlöslichen Wirkstoffes Perphenazin untersucht. Perphenazin beeinflusste die molekulare Anordnung, die Struktur sowie die Bindungsthermodynamik und führte zu einem morphologischen Übergang von Vesikeln hin zu wurmartigen Mizellen. Trotz dieser Dynamik sorgten die Gallenkolloide für stabile relative Mengen an freiem Arzneistoff. Dieses Kapitel wurde in Langmuir veröffentlicht. In Kapitel 2 wurde der Einfluss von pharmazeutischen polymeren Hilfsstoffen auf die Solubilisierung von Wirkstoffen durch Galle untersucht. Perphenazin und Imatinib wurden als Modellverbindungen eingeführt, die mit der Galle interagieren, während Metoprolol dies nicht tat. Einige Polymere veränderten die Anordnung und Geometrie der Gallenkolloide und beeinflussten somit die molekular lösliche Menge von solchen Wirkstoffen, die mit der Galle wechselwirken. Diese Einblicke in das Zusammenspiel von Galle und Arzneistoffen bieten einen Ansatz zur Optimierung von Formulierungen, die die Solubilisierung in der Galle nutzen. Dieses Kapitel wurde in Journal of Controlled Release veröffentlicht. Kapitel 3 befasst sich mit den Auswirkungen von Galle auf den Dünndarmschleim von Schweinen. Schleim, der Gallenlösung ausgesetzt war, veränderte sich vorübergehend, versteifte sich und die Gesamtdiffusionsrate nahm zu. Die durch die Galle hervorgerufenen Veränderungen erleichterten den Transport des mit der Galle interagierenden Wirkstoffs Fluphenazin, während Metoprolol unbeeinflusst blieb. Dieses dichotome Muster konnte mit der Bioverfügbarkeit bei Ratten verknüpft werden und durch zwei zuvor veröffentlichte Datensätze mit insgesamt 50 Verbindungen verallgemeinert werden. Die Ergebnisse deuten auf eine Wechselwirkung zwischen Galle und Schleim hin, die für die Verabreichung von Medikamenten relevant ist. Dieses Kapitel ist eingereicht. Der Anhang bietet einen Leitfaden für die biopharmazeutische Charakterisierung von Arzneimittelsubstanzen durch kernmagnetische Resonanzspektroskopie mit dem Ziel des Aufstellens von prädiktiven Algorithmen. Zusammenfassend entschlüsselt diese Arbeit die von der Galle gesteuerten Mechanismen, die die Aufnahme von Arzneimitteln im Darm beeinflussen. Auf der Grundlage dieser molekularen Erkenntnisse können Arzneimittel entlang einer biopharmazeutischen Optimierung entwickelt werden, was letztendlich zu besseren oralen Arzneimitteln führt.