Thesis (doctoral)--Christian-Albrechts-Universität zu Kiel, 2003.

Zugl.: München, Univ., Diss., 2007

Thesis (doctoral)--Freie Universität Berlin, 1983.

Zugl.: Düsseldorf, Univ., Diss., 2009

Heidelberg, Universiẗat, Diss., 2004.

Ziel der vorliegenden Arbeit ist das Design, die Synthese und das anschließende Testen von Nanodiamant-Wirkstoff-Konjugaten. Dafür müssen zunächst Nanodiamanten mit geeigneten Linkersystemen funktionalisiert werden, um anschließend verschiedene pharmazeutische Wirkstoffe auf der Diamantoberfläche zu immobilisieren. Die Wirksamkeit der so angebundenen Inhibitoren auf die verschiedenen Erreger muss anschließend in vitro und in vivo getestet werden. Auch die Art der Aufnahme der Nanodiamanten in die verschiedenen Zellen muss untersucht werden. Dazu sollen Fluoreszenzfarbstoffe, wie z.B. Oregon Green 488, auf der Diamantoberfläche immobilisiert werden. / Because of its low toxicity and rich surface chemistry nanodiamond is well suited for the application in the fields of biology and medicine. The aim of this work is the development of various nanodiamond conjugates as drug delivery systems and components of bone replacement materials. Before the immobilization of drugs the nanodiamond particles need to be functionalized with acid labile linker systems, in this case hydrazones. After entering the acidic cell compartments the drug is released. First of all, the linkers are isolated as diazonium-tetrafluoroborates and after that immobilized on mechanically deagglomerated nanodiamond. The drugs can be bound to the hydrazine linker systems. In this work several drugs are immobilized to the nanodiamond surface via hydrazine linker systems and the drug release under acidic conditions is analyzed. Further compounds are immobilized for the investigation for future bone replacement materials, namely dyes and growth factors.

Starting in the late 1990s ionic liquids (ILs) gained momentum both in academia as well as industry. ILs are defined as organic salts with a melting point below 100 °C. Active pharmaceutical ingredients (APIs) may be transferred into ILs by creating salts with a bulky counterion with a soft electron density. ILs have demonstrated the potential to tune important pharmaceutical features such as the solubility and the dissolution rate, particularly addressing the challenge of poor water soluble drugs (PWSD). Due to the tunability of ILs, modification of physico-chemical properties of APIs may be envisioned without any modifications of the chemical structure. In the first chapter the potential as well as the limitation of ILs are discussed. The chapter commences with an overview of preparation and characterization of API-ILs. Moreover, examples for pharmaceutical parameters are presented which may be affected by IL formation, including the dissolution rate, kinetic solubility or hygroscopicity as well as biopharmaceutical performance and toxicology. The impact of IL formation on those pharmaceutically relevant features is highlighted, resulting in a blueprint for a novel formulation concept to overcome PWSD challenges without the need for structural changes of the API. Within the second chapter the IL concept is detailed for one specific API - counterion combination. A poorly water soluble acidic API against migraine attacks was transformed into an IL in an effort to minimize the time to maximum plasma concentration (tmax) and optimize the overall bioavailability. These studies were conducted in parallel to a prodrug of the API for comparison of the IL strategy versus a strategy involving modification of the API’s structure. A significantly longer duration of API supersaturation and a 700 fold faster dissolution rate of the IL in comparison to the free acid were obtained and the underlying mechanism was elucidated. The transepithelial absorption was determined using Caco-2 cell layers. For the IL about 3 times more substance was transported in comparison to the prodrug when substances were applied as suspensions, despite the higher permeability of the prodrug, as increased solubility of the IL exceeded this effect. Cytotoxicity of the counterion was assessed in hepatic, renal and macrophage cell lines, respectively, and IC50 values were in the upper µM / lower mM range. The outcome of the study suggested the IL approach instrumental for tuning biopharmaceutical properties, without structural changes of the API as required for preparation of prodrugs. Thus the toolbox for formulation strategies of poorly water soluble drugs could be extended by an efficient concept. The third chapter focuses on the effect of different counterions on the physico-chemical properties of an API-IL, in particular to overcome the challenge of poor water solubility. Therefore, the same poorly water soluble acidic API against migraine attacks mentioned above was combined with 36 counterions resulting in ILs and low lattice enthalpy salts (LLES). Depending on the counterions, different dissolution rates, durations of supersaturation and hygroscopicities were obtained and release profiles could be tailored from immediate to sustained release. Besides, in vitro the cytotoxicity of the counterions was assessed in three cell lines. Using molecular descriptors such as the number of hydrophobic atoms, the graph theoretical diameter and the number of positive charges of the counterion, the dissolution rate, supersaturation and hygroscopicity as well as the cytotoxicity of counterions could be adequately modeled, rendering it possible to predict properties of new LLESs. Within the forth chapter different poorly water soluble APIs were combined with the counterion tetrabutylphosphonium (TBP) studying the impact on the pharmaceutical and physical properties of the APIs. TBP-ILs and low lattice enthalpy salts were prepared of the acidic APIs Diclofenac, Ibuprofen, Ketoprofen, Naproxen, Sulfadiazine, Sulfamethoxazole and Tolbutamide. NMR and IR spectroscopy, DSC, XRPD, DVS and dissolution rate measurements, release profiles and saturation concentration measurements were used to characterize the free acids and TBP salts as compared to the corresponding sodium salts. The TBP salts as compared to the free acids displayed lower melting points and glass transition temperatures and up to 1000 times higher dissolution rates. The increase in the dissolution rate directly correlated with the salts’ hygroscopicity, an aspect which is critically discussed in terms of pharmaceutical translation challenges. In summary TBP ILs of solid salts were proved instrumental to approach the challenge of poor water solubility. The outcome profiled tailor-made counterions as a powerful formulation strategy to address poor water solubility, hence bioavailability and ultimately therapeutic potential of challenging APIs. In summary, a plethora of ILs and LLESs were prepared by combination of different acidic APIs and counterions. The IL and LLESs concept was compared to conventional salt and prodrug strategies. By choice of the counterion, biopharmaceutical relevant parameters were deliberately modified and release profiles were tuned ranging from immediate to prolonged release. The impact of distinct structural counterion features controlling the dissolution, supersaturation, hygroscopicity and counterion cytotoxicity were identified, correlations were presented and predictive models were built. ILs and LLESs could be proven to be a powerful concept for the formulation of poorly water soluble acidic APIs. / Seit etwa 1990 haben Ionische Flüssigkeiten (IL) großes Interesse sowohl in der universitären als auch in der industriellen Forschung geweckt. ILs werden als organische Salze definiert, die einen Schmelzpunkt von unter 100 °C aufweisen. Arzneistoffe können in ILs umgewandelt werden, indem man Salze herstellt, mit einem voluminösen Gegenion mit delokalisierter Elektronendichte. ILs ermöglichen es wichtige pharmazeutische Eigenschaften wie Löslichkeit und Auflösungsgeschwindigkeit bewusst zu verändern, und im Besonderen stellen sie eine Möglichkeit dar, die Herausforderung, die schwer wasserlösliche Arzneistoffe mit sich bringen, zu bewältigen. Aufgrund der Variabilität von ILs, wird die Anpassung von physikochemischen Eigenschaften von Wirkstoffen denkbar, ohne die chemische Struktur des Stoffes zu modifizieren. Im ersten Kapitel werden die Potentiale aber auch die Grenzen von ILs dargestellt. Zu Beginn des Kapitels wird eine Übersicht über die Herstellung und Charakterisierung von ILs gegeben. Des Weiteren werden pharmazeutisch relevante Parameter gezeigt, die durch die IL Herstellung beeinflusst werden können, wie beispielsweise die Auflösungsgeschwindigkeit, die kinetische Löslichkeit oder die Hygroskopizität. Daneben können biopharmazeutische Größen und die Toxizität modifiziert werden. Der Einfluss der IL Bildung auf diese pharmazeutisch relevanten Parameter wird zusammengefasst und ein Formulierungskonzept aufgezeigt, um die schlechte Wasserlöslichkeit von Arzneistoffen zu überwinden ohne den Wirkstoff strukturell zu verändern. Im zweiten Kapitel wird das IL Konzept für eine spezifische Wirkstoff-Gegenion Kombination gezeigt. Ein schwer wasserlöslicher Arzneistoff gegen Migräne wird in ein IL umgewandelt, um eine schnellere und bessere Bioverfügbarkeit im Vergleich zu einem Prodrug zu erreichen. Eine signifikant verlängerte Übersättigung des Wirkstoffes und eine 700-fach schnellere Auflösung des ILs im Vergleich zur freien Säure wurden gemessen und der zugrunde liegende Mechanismus aufgeklärt. Die transepitheliale Aufnahme wurde anhand von Caco-2 Zellen untersucht. Vom IL wurde 3mal mehr Substanz transportiert als von dem Prodrug, wenn Suspensionen der Substanzen appliziert wurden und dies trotz der höheren Permeabilität des Prodrugs, da die verbesserte Löslichkeit des ILs hier überwog. Die Zytotoxizität des Gegenions wurde in einer Leber- und einer Nierenzellinie und in Makrophagen getestet und die IC50 Werte lagen im oberen µM- und unteren mM-Bereich. Die Ergebnisse der Untersuchungen legen dar, dass das IL Konzept hilfreich sein kann, um biopharmazeutische Eigenschaften zu variieren, ohne strukturelle Veränderung des Arzneistoffes, wie es für ein Prodrug nötig ist. Entsprechend konnten die Strategien, um schwer wasserlösliche Arzneistoffe zu formulieren, um ein neues und effizientes Konzept ergänzt werden. Der Fokus des dritten Kapitels liegt auf dem Einfluss von verschiedenen Gegenionen auf die physikochemischen Eigenschaften von Arzneistoff-ILs, insbesondere um Probleme aufgrund von schlechter Wasserlöslichkeit zu lösen. Dazu wurde der bereits im zweiten Kapitel genannte, saure und schwer wasserlösliche Arzneistoff gegen Migräne mit 36 Gegenionen kombiniert, wodurch ILs und Salze mit einer geringen Gitterenthalpie (LLES) erhalten wurden. In Abhängigkeit vom Gegenion wurden verschiedene Auflösungsgeschwindigkeiten, Übersättigungsdauern und Hygroskopizitäten erhalten. Durch Verändern des Gegenions konnte sowohl eine sofortige als auch verzögerte Freisetzung des Arzneistoffs erreicht werden. Daneben wurde in vitro die Zytotoxizität in drei Zelllinien bestimmt. Mittels zwei-dimensionaler Deskriptoren, wie der Anzahl der hydrophoben Atomen, dem graphentheoretischen Durchmesser und der Anzahl an positiven Ladungen des Gegenions, konnten die Auflösungsgeschwindigkeit, die Übersättigung und die Hygroskopizität sowie die Zytotoxizität des Gegenions berechnet werden, wodurch es gleichzeitig möglich wird, diese Eigenschaften für neue LLES vorherzusagen. Im vierten Kapitel werden verschiedene schwer wasserlösliche Arzneistoffe mit dem Gegenion Tetrabutylphosphonium (TBP) kombiniert und der Einfluss auf die pharmazeutischen und physikochemischen Eigenschaften des Wirkstoffes untersucht. TBP-ILs und Salze mit niedrigem Schmelzpunkt wurden von den sauren Arzneistoffen Diclofenac, Ibuprofen, Ketoprofen, Naproxen, Sulfadiazin, Sulfamethoxazol und Tolbutamid hergestellt. NMR- und IR-Spektroskopie, DSC, XRPD, DVS und Auflösungsgeschwindigkeitsmessungen wurden verwendet, um die freien Säuren und die TBP-Salze im Vergleich zu den entsprechenden Natrium-Salzen zu untersuchen. Die TBP-Salze zeigten im Vergleich zu den freien Säuren niedrigere Schmelzpunkte und Glasübergangstemperaturen und eine bis zu 1000-fach schnellere Auflösungsgeschwindigkeit. Ein Nachteil der Salze, die eine schneller Auflösungsrate zeigten, war die damit einhergehende erhöhte Hygroskopizität. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Herstellung von flüssigen und festen TBP-Salzen hilfreich sein kann, um die Wasserlöslichkeit von Arzneistoffen zu verbessern. Die Untersuchungen lassen den Schluss zu, dass durch maßgeschneiderte Gegenionen neue Formulierungsstrategien für schlecht wasserlösliche Arzneistoffe zugänglich werden, wodurch die Bioverfügbarkeit und der therapeutische Nutzen optimiert werden kann. Insgesamt wurde eine Vielzahl von ILs und LLESs durch die Kombination von verschiedenen sauren Arzneistoffen und Gegenionen hergestellt. Das IL- und LLES-Konzept wurde mit der klassischen Salz– und Prodrug-Strategie verglichen. Durch die Wahl des Gegenions konnten biopharmazeutisch Parameter bewusst verändert werden und die Freisetzungsprofile von sofortiger bis hin zu verzögerter Freisetzung gewählt werden. Die strukturellen Merkmale der Gegenionen, die entscheidend für die Auflösungsgeschwindigkeit, die Übersättigung, die Hygroskopizität und die Gegenionen-Zytotoxizität waren, konnten gezeigt werden und Berechnungen dazu wurden präsentiert. Abschließend lässt sich sagen, dass die Herstellung von ILs und LLESs ein wirkungsvolles Konzept ist, um schwer wasserlösliche, saure Arzneistoffe zu formulieren.

More and more newly registered drugs are proteins. Although many of them suffer from instabilities in aqueous media, the most common way of protein drug administration still is the injection of a solution. Numerous protein drugs require frequent administration, but suitable controlled release systems for proteins are rare. Chapter 1 presents current advances in the field of controlled delivery of particulate protein formulations. While the main focus lies on batch crystallized proteins, amorphous particulate proteins are also discussed in this work. The reason is that, on the one hand precipitated protein particles hold some of the advantages of crystalline proteins and on the other hand the physical state of the protein may simply be unknown for many drug delivery systems or semi-crystalline particles have been used. Crystallization and precipitations methods as well as controlled delivery methods with and without encapsulation in a polymeric delivery system are summarized and critically discussed. In chapter 2 a novel way of protein crystal encapsulation by electrospinning is introduced. Electrospinning of proteins has been shown to be challenging via the use of organic solvents, frequently resulting in protein unfolding or aggregation. Encapsulation of protein crystals represents an attractive but largely unexplored alternative to established protein encapsulation techniques because of increased thermodynamic stability and improved solvent resistance of the crystalline state. We herein explore the electrospinning of protein crystal suspensions and establish basic design principles for this novel type of protein delivery system. Poly-ε-caprolactone (PCL) is an excellent polymer for electrospinning and matrix-controlled drug delivery combining optimal processability and good biocompatibility. PCL was deployed as a matrix, and lysozyme was used as a crystallizing model protein. By rational combination of lysozyme crystals with a diameter of 0.7 or 2.1 μm and a PCL fiber diameter between 1.6 and 10 μm, release within the first 24 h could be varied between approximately 10 and 100%. Lysozyme loading of PCL microfibers between 0.5 and 5% was achieved without affecting processability. While relative release was unaffected by loading percentage, the amount of lysozyme released could be tailored. PCL was blended with poly(ethylene glycol) and poly(lactic-co-glycolic acid) to further modify the release rate. Under optimized conditions, an almost constant lysozyme release over 11 weeks was achieved. Chapter 3 takes on the findings made in chapter 2 and further modifies the properties of the nonwovens as protein crystal delivery system. Nonwoven scaffolds consisting of poly-ε-caprolactone (PCL), poly(lactic-co-glycolic acid) (PLGA) and polidocanol (PD), and loaded with lysozyme crystals were prepared by electrospinning. The composition of the matrix was varied and the effect of PD content in binary mixtures, and of PD and PLGA content in ternary mixtures regarding processability, fiber morphology, water sorption, swelling and drug release was studied. Binary PCL/PD blend nonwovens showed a PD-dependent increase in swelling of up to 30% and of lysozyme burst release of up to 45% associated with changes of the fiber morphology. Furthermore, addition of free PD to the release medium resulted in a significant increase of lysozyme burst release from pure PCL nonwovens from approximately 2% to 35%. Using ternary PCL/PD/PLGA blends, matrix degradation could be significantly improved over PCL/PD blends, resulting in a biphasic release of lysozyme with constant release over 9 weeks, followed by constant release with a reduced rate over additional 4 weeks. Based on these results, protein release from PCL scaffolds is improved by blending with PD due to improved lysozyme desorption from the polymer surface and PD-dependent matrix swelling. Chapter 4 gives deeper insight on lysozyme batch crystallization and shows the influences of the temperature on the precipitation excipients. Yet up to now protein crystallization in a pharmaceutical useful scale displays a challenge with crystal size and purity being important but difficult to control parameters. Some of these influences are being discussed here and a detailed description of crystallization methods and the achieved crystals are demonstrated. Therapeutic use of such protein crystals may require further modification of the protein release rate through encapsulation. Silk fibroin (SF) harvested from the cocoons of Bombyx mori is a well-established protein suitable for encapsulation of small molecules as well as proteins for controlled drug delivery. This novel polymer was deployed for as carrier for the model drug crystals. Lysozyme again was used as a crystallizable protein and the effect of process- as well as formulation parameters of batch crystallization on crystal size were investigated using statistical design of experiments. Lysozyme crystal size depended on temperature and sodium chloride and poly(ethylenglycol) concentration of precipitant solution. Under optimized conditions, lysozyme crystals in a size range of approximately 0.3 to 10 µm were obtained. Furthermore, a solid-in-oil-in-water process for encapsulation of lysozyme crystals into SF was developed. Using this process, coating of protein crystals with another protein was achieved for the first time. Encapsulation resulted in a significant reduction of dissolution rate of lysozyme crystals, leading to prolonged release over up to 24 hours. / Immer mehr neu zugelassene Arzneimittel sind Proteine. Obwohl viele von ihnen in wässrigen Milieus sehr instabil sind, werden die meisten Proteine immer noch als Parenteralia formuliert. Kontrollierte Freisetzungssysteme sind selten, und das obwohl zahlreiche Proteine regelmäßig verabreicht werden müssen. Kapitel 1 befasst sich mit den aktuellen Fortschritten im Bereich der kontrollierten Darreichungsformen für Proteinpartikel. Das Hauptaugenmerk liegt klar auf den „batch“ kristallisierten Proteinen, aber auch allgemeine ‚amorphe‘ Proteinpartikel werden diskutiert. Das liegt daran, dass zum einen präzipitierte Proteinpartikel ebenfalls einige Vorteile der Proteinkristalle haben und zum anderen wurde in einigen Fällen der physikalische Zustand der Proteine nicht bestimmt oder es wurden zumindest semi-kristalline Proteinpartikel verwendet. In diesem Kapitel werden Kristallisations- und Präzipitationsmethoden sowie kontrollierte Freisetzungssysteme mit und ohne vorherige Einbettung in ein Polymersystem zusammengefasst und kritisch diskutiert. Kapitel 2 stellt eine neue Methode der Proteinkristalleinbettung durch Electrospinning vor. Electrospinning von Proteinen hat sich aufgrund des häufigen Einsatzes von organischen Lösemitteln als schwierig heraus gestellt und führt häufig zum Entfalten oder Denaturieren des Proteins. Aufgrund höherer thermodynamischer Stabilität und verbesserter Kompatibilität mit organischen Lösemitteln haben sich Proteinkristalle hier als attraktive wenngleich bisher ziemlich unbeachtete Alternative heraus gestellt. In diesem Kapitel wird das das Electrospinning von Proteinkristallsuspensionen erforscht und grundlegende Bedingungen für diese neuartige Art der Proteinverkapselung etabliert. Poly-ε-caprolacton (PCL) eignet sich hervorragend für das Electrospinning und zeichnet sich durch matrixkontrollierte Freisetzung, einfache Handhabbarkeit sowie gute Biokompatibilität aus. PCL wurde als Matrix und Lysozym als Modelprotein eingesetzt. Mittels Kombination zweier Lysozymkristalldurchmesser, 0,7 oder 2,1 µm, und der Variation des PCL-Fadendurchmessers zwischen 1,6 und 10 µm konnte die Initialfreisetzung innerhalb der ersten 24 Stunden zwischen ca. 10 und 100 % modifiziert werden. Die Beladung der PCL Mikrofäden mit Lysozym zwischen 0,5 und 5 % konnte ohne Beeinträchtigung des Herstellungsprozesses erreicht werden. Hierdurch konnte die gesamt freigesetzte Menge an Lysozym variiert werden, während die relative freigesetzte Menge konstant blieb. Um weitere Modifikationen an der Freisetzungsrate vorzunehmen, wurden Poly(ethylen glycol) und Poly(lactic-co-glycolic acid) (PLGA) dem PCL beigemischt. Dadurch konnte unter optimierten Bedingungen eine Freisetzungsdauer von über 11 Wochen erreicht werden. Kapitel 3 greift die Entdeckungen des zweiten Kapitels auf und nimmt weitere Modifikationen an den Fasermatten vor. Die mit Proteinkristallen beladenen Fasermatten wurden wieder durch Electrospinning hergestellt und bestehen aus PCL, PLGA und Polidocanol (PD). Die Zusammensetzung der Matrix wurde variiert und die Auswirkungen des PD-Gehalts in binären Mischung, sowie des PD- und PLGA-Gehalts in ternären Mischsystemen auf die Verarbeitbarkeit, Fadenmorphologie, Wassersorption, Quellung und Wirkstofffreisetzung untersucht. Binäre Fasermatten aus einer Mischung aus PCL/PD zeigten PD-abhängige Zunahme der Quellung von bis zu 30 % und eine Zunahme der Initialfreisetzung von bis 45 %. Dieser Anstiege werden einer Veränderung der Fasermorphologie zugeschrieben. Das Hinzufügen von freiem PD zum Freisetzungsmedium von reinen PCL Fasermatten führte zu einer Zunahme der Initialfreisetzung von ca. 2 % auf etwa 35 %. Durch den Einsatz von ternären Mischsystem, bestehend aus PCL/PD/PLGA, kam es zu einem signifikant erhöhten Matrixabbau gegenüber den PCL/PD Mischungen. Das führte wiederrum zu einem zweiphasigen Freisetzungsverhalten, das durch eine konstante Freisetzungsrate innerhalb von 9 Wochen, sowie eine anschließende langsamere, ebenfalls konstante Freisetzung über weitere 4 Wochen gekennzeichnet war. Aufgrund dieser Ergebnisse kann gesagt werden, dass die Proteinfreisetzung aus PCL Matrices durch das Hinzufügen von PD aufgrund von verbesserter Lysozymdesorption vom Polymer sowie PD-abhängiger Matrixquellung verbessert werden konnte. Kapitel 4 bringt tiefere Erkenntnisse bezüglich der Lysozym Batchkristallisation und zeigt den Einfluss der Temperatur auf die verwendeten Fällungsreagenzien. Bis heute stellt die Kristallisation von Proteinen in einem pharmazeutisch sinnvollen Maßstab eine Herausforderung dar, wobei die Kristallgröße und die Reinheit wichtige und dennoch schwer kontrollierbare Parameter sind. Einige dieser Einflüsse werden hier näher beleuchtet und Kristallisationsmethoden sowie die erhaltenen Kristalle näher beschrieben. Lysozym wurde erneut als kristallisierbares Protein eingesetzt und die Einflüsse der Prozess- sowie Formulierungsparameter der Batch-Kristallisation mit Hilfe von statistischen Experimentendesigns (Design of Experiment, DoE) untersucht. Die Kristallgröße wurde durch die Temperatur sowie die Natriumchlorid- und Poly(ethylenglycol)konzentration der Fällungslösung bestimmt. Unter kontrollierten Bedingungen konnten Kristallgrößen in einem Bereich zwischen ca. 0.3 bis 10 µm erreicht werden. Darüber hinaus wurde ein „solid-in-oil-in-water“ (Feststoff-in-Öl-in-Wasser) Verfahren entwickelt mit dem Lysozymkristalle in Seidenfibroin eingebettet werden konnten. Mit Hilfe dieses Verfahrens wurden erstmals Proteinkristalle mit einem anderen Protein überzogen. Diese Einbettung brachte eine signifikante Auflösungsverzögerung mit einer verlängerten Freisetzung über 24 Stunden.

Glucocorticoide werden in der Herzschrittmachertherapie eingesetzt, um einen Anstieg der Reizschwelle nach der Implantation des Schrittmachers zu verringern und dauerhaft auf niedrigerem Niveau zu halten, als dies ohne Glucocorticoid-Behandlung der Fall wäre. Die Applikation der zu diesem Zweck eingesetzten Glucocorticoide Dexamethasonacetat (DXA) und Dexamethasonphosphat, in seltenen Fällen auch Beclomethasondipropionat (BDP), erfolgt dabei in der Regel mittels einem an der Elektrodenspitze angebrachten Matrixsystem, das für eine langsame lokale Freisetzung der Arzneistoffe an der Grenzfläche zwischen kathodischem Elektrodenkontakt und Herzgewebe sorgen soll. Diese Anwendungsform ist speziell, da trotz einer systemischen Freisetzung der Substanzen eine lokale Wirkung erzielt werden soll, welche die Funktion des Schrittmachers als Medizinprodukt unterstützen soll – aus pharmakokinetischer Sicht ein wichtiger Unterschied zu den üblichen topischen Glucocorticoid Anwendungen. Unter physiologischen Bedingungen wurde diese Applikationsform hinsichtlich der Arzneistofffreisetzung und anschließender Umverteilung mit Bindung der Glucocorticoide an das kardiale Gewebe bislang ebenso wenig untersucht, wie verschiedene Glucocorticoide in dieser Anwendung hinsichtlich ihrer Pharmakokinetik verglichen wurden. In der vorliegenden Arbeit wurden deshalb die pharmakokinetischen Vorgänge der drei Glucocorticoide DXA, BDP und des potentiell einsetzbaren Glucocorticoids GCX (dessen Identität aus patentgründen derzeit nicht offengelegt werden kann) untersucht. Die Freisetzungssysteme enthielten, je nach Glucocorticoid, Arzneistoffdosen im Bereich von etwa 150 bis 260 µg. In einem in-vitro Freisetzungsmodell in Methanol wurde zunächst bestätigt, dass sich die Freisetzungskinetik der untersuchten Matrizes gemäß den Modellvorstellung zu einem dünnwandigen monolithischen Freisetzungssystem nach dem Quadratwurzelgesetz beschreiben ließ. DXA wurde mit einer Freisetzungsrate von 55,6 ± 1,9 µg/h1/2 in 24 Stunden annähernd vollständig freigesetzt, während die Rate für BDP bei 21,8 ± 0,7 µg/h1/2 lag und nur für eine Freisetzung von etwa zwei Dritteln des Gesamtgehalts der Freisetzungsmatrix sorgte. GCX wurde gar mit nur 4,2 ± <0,1 µg/h1/2 freigesetzt. Die ermittelten Freisetzungsraten (DXA > BDP >>> GCX) waren überraschenderweise nicht konsistent mit den logP-Werten der Substanzen. Dies wies darauf hin, dass nicht alleine die unterschiedlichen physikochemischen Eigenschaften der Substanzen zu den differierenden Freisetzungsprofile führten, sondern wohl auch die Formulierung der Silikonmatrix einen starken Einfluss ausübte – eine wichtige Erkenntnis für die Weiterentwicklung derartiger Glucocorticoid haltiger Matrixfreisetzungssysteme. Vor allem während der bis zu 4 wöchigen Phase unmittelbar nach der Elektrodenimplantation ist die Matrix dem Blutstrom ausgesetzt, bevor sich als Reaktion des Organismus auf den implantierten Fremdkörper eine fibröse Hülle um die Elektrodenspitze bildet. Zur Annäherung an die physiologischen Freisetzungsverhältnisse in dieser initialen Phase, in nach dem Quadratwurzelgesetz die mengenmäßig stärkste Glucocorticoid-Freisetzung erfolgen sollte, wurden deshalb erstmals Freisetzungsversuche in Humanplasma über 28 Tage durchgeführt. Mit einer Freisetzungsrate von 2,26 ± 0,08 µg/h1/2 wurde hier eine unerwartet starke Freisetzung von BDP beobachtet, wohingegen diese für DXA und GCX mit Raten von 0,39 ± 0,03 µg/h1/2 und 0,42 ± 0,01 µg/h1/2 deutlich langsamer ausfiel und sich kaum voneinander unterschied. Die Reihenfolge der Freisetzungsgeschwindigkeiten (BDP >>> GCX = DXA) unterschied sich somit unter physiologischen Bedingungen gänzlich von den in-vitro Bedingungen. Womöglich kamen im wässrigen Freisetzungsmedium Humanplasma dabei die Formulierungseinflüsse verstärkt zum Tragen, die sich bereits unter den in-vitro Bedingungen andeutenden. Ein zusätzlicher Einfluss mochte von der Bildung des 9,11 Epoxy Belcomethasons als Abbauprodukt des BDP ausgegangen sein, welches unter den physiologisch angenäherten Bedingungen in hohem Ausmaß entstand. Dies führte zu einer Stabilitätsuntersuchung von Beclomethason in Humanplasma und verschiedenen Puffersystemen, bei welcher sich ein stabilitätsmindernder Einfluss von Carbonat-Puffersystemen herausstellte. Im Zuge der Freisetzungsversuche in Humanplasma wurde zudem erstmals die Entstehung von 17 Oxo Dexamethason als Abbauprodukt von DXA beobachtet und durch Nachsynthese bestätigt. Für die Phase der Herzschrittmachertherapie, in der an der Grenzfläche zwischen Elektrode und Herzgewebe eine lokale und akute Entzündung infolge der Implantation der Schrittmacherelektrode auftritt und üblicherweise ein starker Anstieg der Reizschwelle zu beobachten ist, lieferten die Versuche in Humanplasma somit erstmals Daten zur Freisetzung verschiedener Glucocorticoide unter Einbezug angenäherter physiologischer Verhältnisse. Für die korrekte Durchführung der Freisetzungsversuche ist das Vorliegen von Sink Bedingungen essentiell. Da die praktische Löslichkeit von Glucocorticoiden in Humanplasma bislang nicht bekannt war, wurde die Aufnahmekapazität des Humanplasmas (Kombination aus Löslichkeit und Plasmaproteinbindung) für DXA, GCX und BDP untersucht. Sink Bedingungen konnten für alle Substanzen sichergestellt werden, wobei gegenüber der reinen Wasserlöslichkeit eine deutlich höhere Aufnahmekapazität gezeigt werden konnte und den hohen Einfluss der Proteinbindung hervorhob. Um die insgesamt herrschenden physiologischen Verhältnisse noch besser zu beschreiben und dabei die Umverteilung der Arzneistoffe nach Freisetzung aus dem Implantat an das Zielgewebe zu untersuchen, wurde ein neuartiges ex-vivo Modell entwickelt. Dies erlaubte eine Simulation der Arzneistofffreisetzung aus dem Implantat in Gegenwart eines Gewebekompartiments und berücksichtigte eine flussartige Konvektion des Mediums. Mit diesem Modell wurden Verhältnisse der AUCs der Glucocorticoide zwischen Gewebe und Humanplasma ermittelt, die mit Werten von 3,4 für DXA, 3,8 für BDP und 2,5 für GCX auf eine ausgeprägte Umverteilung aus dem Humanplasma in das Gewebe hinwiesen. Insgesamt schien damit aufgrund der raschen Freisetzung und Diffusion in das Gewebe eine Verwendung von BDP zur Bekämpfung einer lokalen akuten Entzündung unmittelbar nach der Implantation aus pharmakokinetischer Sicht vorteilhaft. Mit Blick auf einen jahrelangen Effekt konnte jedoch auch die langsame Freisetzung von DXA und GCX mit deren sehr stabilen Wirkformen als vorteilhaft diskutiert werden. Die Versuche können letztlich bei der Auswahl eines möglichst idealen Glucocorticoids für die Herzschrittmachertherapie behilflich sein und bieten erstmals ein weitestgehend physiologisches Untersuchungsmodell für diese Applikationsform. Inwiefern sich die unterschiedliche Pharmakokinetik der drei Glucocorticoide auch in pharmakodynamischer Sicht auswirken könnte, sollte schließlich im Zellkulturmodell untersucht werden. Zuvor wurde jedoch in-vitro getestet, ob sich der elektrische Schrittmacherimpuls selbst als Entzündungsreiz bemerkbar machen und damit einen Hinweis auf eine dadurch hervorgerufene dauerhafte Entzündung des Herzgewebes geben würde. Dazu wurde eigens ein Modell entworfen, das die Applikation des elektrischen Stimulus in einem Zellkulturansatz zuließ. Die Messung der Entzündungsmarker IL-6, IL-8, MMP-9 und MCP-1 ließ keine entzündliche Reizung der Zellen durch einen Schrittmacherimpuls in Höhe von 1 V und 0,5 ms Dauer erkennen. Anschließend wurde untersucht, ob sich die selbst ermittelten pharmakokinetischen Unterschiede der drei Glucocorticoide in der akuten Entzündungsphase nach Elektrodenimplantation in-vitro in unterscheidbaren biologischen Aktivitäten auswirken würden. Signifikante Unterschiede in der Inhibition der Sekretion der Entzündungsmarker IL-6 und MMP 9 konnten allerdings trotz der unterschiedlichen freigesetzten Dosen an DXA, GCX und BDP nicht beobachtet werden. Somit erwies sich keine der drei Substanzen, trotz unterschiedlicher pharmakokinetischer Voraussetzungen und Affinitäten zum Glucocorticoid-Rezeptor, als überlegen. In einem ersten Ausblick ließ dies für die klinische Anwendung von GCX und BDP – zumindest in der initialen Phase nach Elektrodenimplantation – einen zu DXA vergleichbaren Einfluss auf die Reizschwelle vermuten. Neben einer antiinflammatorischen Wirkung wird auch eine Minderung des Reizschwellenanstieges durch eine bei Glucocorticoid Exposition nur dünn ausgeprägte fibröse Kapsel an der Elektrodenspitze diskutiert. Als Beitrag zur Untersuchung der in der klinischen Praxis beobachteten Wirkung des DXA wurde daher abschließend geprüft, ob die freigesetzten Glucocorticoid Dosen zu einer Proliferationshemmung von Endothelzellen und Fibroblasten führen konnten. Ein vermindertes Wachstum der Zelllinien EA.hy926 und IMR-90 unter den freigesetzten Glucocorticoid Dosen konnte jedoch nicht beobachtet werden. Künftige Untersuchungen des Einflusses der Glucocorticoide auf die Synthese einzelner Bindegewebsbestandteile wie Kollagen könnten hierzu womöglich weitere Erkenntnisse liefern. In der vorliegenden Arbeit wurde erstmals erfolgreich die Pharmakokinetik dreier Glucocorticoide im Kontext der Herzschrittmachertherapie unter physiologischen Verhältnissen beschrieben und ein neuartiges ex-vivo Modell entwickelt, das zukünftig ein hilfreiches Werkzeug zur Untersuchung der Pharmakokinetik von kardiovaskulären Implantaten sein kann. Darauf aufbauend wurde zudem erstmalig die Pharmakodynamik dieser Glucocorticoide in der Herzschrittmachertherapie verglichen und begonnen, den Glucocorticoid Effekt in der Herzschrittmachertherapie näher zu beleuchten. / In pacemaker therapy glucocorticoids are used to lower an increase in pacing threshold after implantation of the device and to keep this threshold at a permanent lower level compared to devices without drug release. For this purpose the glucocorticoids dexamethasone acetate (DXA), dexamethasone phosphate or occasionally beclomethasone dipropionate (BDP) are released from a matrix system, which is placed at the tip of the pacemaker lead, to ensure a retarded local drug release at the electrode-tissue interface. Despite systemically released, support of the medical device function is achieved by a local glucocorticoid action. This is an important pharmacokinetic difference to common topical applications of glucocorticoids. Glucocorticoid release from a pacemaker lead’s matrix system and subsequent distribution with binding to cardiac tissue has, to the best of our knowledge, not been investigated under physiological conditions yet, nor have several glucocorticoids in this application been compared to each other with respect to pharmacokinetics. For that reason these pharmacokinetic processes of the glucocorticoids DXA, BDP and the potentially applicable glucocorticoid GCX (whose identity currently cannot be revealed due to patent reasons) were examined in this thesis for the first time. Drug release matrices contained different amounts of glucocorticoid. Overall drug load was between 150 and 260 µg, depending on the glucocorticoid used, and was highest for DXA (~33 %) but less for BDP and GCX (both ~19 %). In-vitro dissolution testing in methanol confirmed drug release kinetics according to square root law, as commonly assumed for thin-walled monolithic drug release systems. DXA was released nearly completely from the matrix system within 24 hours at a rate of 55.6 ± 1.9 µg/h1/2. The release constant for BDP of 21.8 ± 0.7 µg/h1/2 led to a dissolution of about 2/3 of the overall content. With a rate of 4.2 ± <0.1 µg/h1/2 dissolution of GCX was even far lower. Surprisingly, these dissolution rates (DXA > BDP >>> GCX) did not reflect the logP values of the glucocorticoids. This indicated a significant influence of the silicone matrix itself on drug release, which was on the contrary less dependent on the substances’ differing physicochemical properties. These results could be very valuable for the development of other glucocorticoid containing release systems. Especially in the first four weeks after pacemaker implantation the release system is exposed to the blood flow, while after this period a fibrous capsule is formed around the lead tip as reaction of the organism to the implanted device. To simulate these physiological conditions dissolution experiments in human plasma over 28 days were done. These showed an unexpected high release of BDP with a dissolution rate of 2.26 ± 0.08 µg/h1/2, whereas the dissolution rates of DXA and GCX of 0.39 ± 0.03 µg/h1/2 and 0.42 ± 0.01 µg/h1/2, respectively, did not show any significant differences but were far lower compared to BDP. In contrast to the experiments in methanol the order of dissolution rates under physiological conditions was BDP >>> GCX = DXA. A possible explanation for this observation might be that the mentioned influences of the formulation became more obvious when testing drug release in aqueous media. Maybe an additional effect supporting the fast dissolution of BDP was to the enhanced formation of 9,11 epoxy beclomethasone under physiological conditions. This observation entailed stability tests of beclomethasone in human plasma and several buffer systems that revealed an augmented epoxide formation of this glucocorticoid in carbonate buffer systems. Moreover, in the course of the dissolution tests the formation of 17 oxo dexamethasone as a degradation product of DXA was observed in human plasma for the first time and was confirmed by following synthesis of this product. The experiments in human plasma provided new data for dissolution of glucocorticoids within the initial time period of pacemaker therapy under consideration of physiological conditions. This is important since a strong increase in the pacing threshold is observed typically within these first weeks after pacemaker implantation, while an acute inflammation wore off at the electrode-tissue interface. Maintaining sink-conditions is a prerequisite for appropriate dissolution testing, but solubility in human plasma was unknown so far. Therefore, the loading capacity (combination of solubility and protein binding) of human plasma was examined for DXA, GCX and BDP. Sink-conditions were confirmed with these experiments showing a way higher loading capacity for all three substances than their solubility in water would have suggested, thus underlining the contribution of plasma protein binding to solubility. To further imitate physiological conditions and to examine drug distribution to the target tissue, a novel ex-vivo model was developed which allowed simulation of drug release from the implanted device in the presence of a tissue compartment. In addition convection of the media imitating a blood flow was taken into account. With this model ratios of the AUCs in tissue and plasma of 3.4 for DXA, 3.8 for BDP and 2.5 for GCX were determined and thus suggested a distinct distribution of the substances from plasma into the tissue compartment. Overall, from a pharmacokinetic point of view the use of BDP seemed advantageous to fight an acute and initial inflammation after implantation due to its fast release and diffusion into tissue. On the other hand also the slow release of DXA and GCX, whose active principles are much more stable than that of BDP, might be beneficial to achieve a long lasting effect if desired. All these experiments might assist choosing the optimal glucocorticoid for support of a cardiac pacemaker. Furthermore, a novel model approximating physiological conditions was developed, which can serve as a suitable tool for the investigation of matrix release systems in an ex vivo setting. The unanswered question if these differences in the pharmacokinetic profiles of the glucocorticoids would translate into different pharmacodynamic effects was finally investigated in a cell culture model. However, firstly it needed to be clarified if the electric pacing impulse served as an inflammatory stimulus to cells in-vitro and thereby induced local inflammation due to electric pacing itself. For this purpose a special model was designed, allowing administration of an electric pacemaker stimulus within a cell culture set up. Measurements of the inflammatory markers IL 6, IL 8, MMP 9 and MCP 1 showed no inflammatory response to a pacing impulse of 1 V and 0.5 ms in-vitro. Subsequently the impact of the pharmacokinetic differences on the biological activities of the glucocorticoids in the acute phase of inflammation after implantation of a pacemaker lead was investigated. All glucocorticoids inhibited the secretion of IL 6 and MMP 9, but no significant differences were to be seen between DXA, GCX and BDP. Despite different pharmacokinetic premises and affinities to the glucocorticoid receptor of DXA, GCX and BDP none of the compounds seemed to be superior regarding the inhibition of inflammation in the in-vitro model. For clinical practice this might suggest an equal impact on pacing threshold for GCX and BDP compared to the current standard DXA, at least in the acute phase after implantation. The thickness of the fibrous capsule surrounding the lead tip seems to be an important factor influencing the threshold rise after pacemaker implantation. Glucocorticoid exposition is discussed to lead to a thinner sheath of connective tissue around the lead tip and thus to attenuate the threshold rise. Consequently, the antiproliferative activity of the released glucocorticoid doses on endothelial cells and fibroblasts was tested. However, no inhibition of cell growth was observed in-vitro with the cell lines EA.hy926 and IMR 90. Maybe future investigations of a glucocorticoid effect on the synthesis of components of connective tissue like collagen in the setting of pacemaker therapy might lead to further insight. In this thesis pharmacokinetic aspects of DXA, GCX and BDP were successfully investigated for the first time in the context of pacemaker therapy under consideration of physiological conditions. Additionally, a novel and so far unique ex-vivo model was developed which can be a suitable tool for further pharmacokinetic experiments and support the development of cardiovascular implants or other implantable matrix release systems. Furthermore, the pharmacodynamic effects of DXA, GCX and BDP were compared to each other with regard to the prior gained pharmacokinetic insights and some aspects of the cause of glucocorticoid effects in cardiac pacemaker therapy were studied.

Thesis (Ph. D.)--Uppsala University, 2000. / "Acta Universitatis Upsaliensis." Extra abstract sheet inserted. Includes bibliographical references (p. 42-46).