Univ., Diss.--Bern.

The work presented in this thesis was mainly targeted at exploring the capabilities of evaporation based LC detectors as well as further alternatives for the control of impurities in substances not exhibiting a suitable chromophore for UV-detection. In the course of the work carried out, several new methods for the identification, impurities control and composition testing of APIs were elaborated. An evaporation based detector that entered into the field of pharmaceutical analysis in the recent years was the Evaporative Light Scattering Detector (ELSD). However, non-reproducible spikes were reported when injecting concentrated test solutions as they are usually required for the control of impurities. The reasons, for the appearance of these spikes as well as possibilities for their avoidance were explored in a systematic study. Moreover, the dependence of the detector sensitivity on different eluent composition, eluent flow-rate and ELSD settings was investigated. In the course of the revision of the Ph.Eur. monographs for aspartic acid and alanine, a C18 reversed phase ion-pair LC method using 1 mmol/L of perfluoroheptanoic acid as an ion-pair reagent and a charged aerosol detector (CAD) was developed and fully validated for the purity control of Asp. The method was capable of separating the organic acids and major amino acids known to occur as process related impurities. With a slight modification, the method was also applicable for the purity control of Ala. Based on the developed LC-CAD method for the impurity control of alanine, a comparative study of the performance characteristics of different evaporation based LC detectors, i.e. ELSD, CAD and the recently developed Nano Quantity Analyte Detector (NQAD) was carried out. Additionally, an MS detector and qNMR were included in this study. It was found that the control of impurities in Alanine at an ICH conform level could be ensured using LC coupled to CAD, MSD and NQAD detection as well as by the use of qNMR. In terms of performance, prize and ease of use CAD and NQAD were found to be the most suitable alternatives. In terms of repeatability and sensitivity, the CAD appeared slightly superior to the NQAD. The quality of streptomycin sulfate is not sufficiently controlled by the current Ph.Eur. monograph in that an appropriate test for the control of the related substances is missing. A study was carried out to develop a C18 reversed phase ion-pair LC method using pentafluoropropionic acid as an ion-pair reagent and a CAD for the identification and control of the related substances. The developed method allowed the separation of 21 impurities from streptomycin. Moreover, coupling of the method to MS allowed the identification of the separated impurities. The method was shown to be sufficiently sensitive to control the related substances with a disregard limit of 0.1% as it is normally applied in the Ph.Eur. for products derived from fermentation. Currently, the aescin content of horse-chestnut standardized dry extract is determined using a complex and laborious photometric determination. A more selective LC-UV assay determination for beta-aescin has been proposed for the Ph.Eur. draft monograph of horse-chestnut standardized dry extract. Possibilities were explored to further improve the LC-method using detection by CAD. It was demonstrated that by the use of a modified LC-CAD method several problems related to the differences in the UV-response of the various components contained in the active aescin fraction could be eliminated. Moreover the proposed reference standard strategy was reviewed. Eventually, it was demonstrated on the example of two different clusters of pharmacologically active peptides how low energy collision induced dissociation mass spectrometry (low energy CID-MS) can successfully be used for identification testing in pharmacopoeial monographs. In this respect, the combination of a direct confirmation of the molecular mass via the m/z-ratio of the molecule ions with structural sequence information obtained by low energy CID-MS experiments was found to deliver a higher degree of certainty of the identity of a given substance than the set of tests currently described in the monographs. A significant gain in efficiency and throughput and important reduction of the amount of sample consumed during testing were identified as being additional advantages of this approach. Taken together, it could be demonstrated on various examples how recent technological advancements in the field of analytical chemistry can contribute to improve the quality control of APIs. / Die durchgeführten Arbeiten hatten zum Ziel, das Potential von evaporationsbasierten HPLC-Detektoren sowie weiterer moderner Techniken hinsichtlich ihrer Eignung zur Reinheitsprüfung von pharmazeutischen Wirkstoffen zu untersuchen. Im Zuge der Arbeiten wurden verschiedene neue Methoden zur Identifizierung, Verunreinigungskontrolle und zur Überprüfung der Zusammensetzung von pharmazeutischen Wirkstoffen entwickelt. Ein evaporationsbasierter Detektor, der in den letzten Jahren Einzug in die pharmazeutische Analytik gehalten hat, ist der Lichtstreudetektor (ELSD). Allerdings wurde berichtet, dass es im Zusammenhang mit der Injektion konzentrierter Testlösungen zum Auftreten nicht reproduzierbarer Spikes kam. In einer systematischen Studie wurden die Gründe hierfür ermittelt und gleichzeitig Möglichkeiten ihrer Vermeidung aufgezeigt. Darüber hinaus wurde die Abhängigkeit der Empfindlichkeit des Detektors von der Zusammensetzung der mobilen Phase, der LC-Flußrate und den Einstellungen des ELSD untersucht. Im Zuge der Revision der Monografien für Asparaginsäure und Alanin wurde eine C18-Ionenpaar-HPLC-Methode unter Verwendung von 1 mmol/L Perfluorheptansäure und Detektion mittels eines geladenen Sprühnebeldetektors (Charged Aerosol Detector – CAD) für die Reinheitskontrolle von Asparaginsäure entwickelt und validiert. Mit Hilfe dieser Methode konnten sowohl organische Säuren als auch die wesentlichen Aminosäuren, die als prozessrelevante Verunreinigungen bekannt sind, abgetrennt werden. Nach geringfügiger Modifikation konnte diese Methode auch zur Reiheitskontrolle von Alanin eingesetzt werden. Basierend auf der HPLC-CAD-Methode für Alanin wurde eine vergleichende Studie der Leistungsfähigkeit verschiedener evaporationsbasierter HPLC-Detektoren durch-geführt. Untersucht wurden der ELSD, der CAD und der kürzlich entwickelte „Nano Quantity Analyte Detektor“ (NQAD). Weiterhin wurden ein massenspektrometrischer Detektor (MSD) sowie die Quantifizierung mittels NMR-Spektroskopie (qNMR) in die Untersuchung einbezogen. Im Ergebnis war die Reinheitskontrolle von Alanin auf einem ICH konformen Niveau unter Verwendung des CAD, NQAD und MSD sowie mittels qNMR möglich. Hinsichtlich der Kriterien Leistungsfähigkeit, Preis und Benutzerfreundlichkeit waren der CAD und der NQAD die geeignetsten Alternativen. Bezüglich Wiederholbarkeit und Empfindlichkeit war der CAD dem NQAD leicht überlegen. Die Qualität von Streptomycinsulfat wird von der aktuellen Arzneibuchmonografie mangels eines geeigneten Reinheitstests nicht ausreichend kontrolliert. Aus diesem Grund wurde eine C18-Ionenpaar-HPLC-Methode unter Verwendung von Perfluorpropionsäure und Detektion mittels CAD zur Identifizierung und Kontrolle der Verunreinigungen entwickelt. Mit dieser Methode konnten 21 Verunreinigungen von Streptomycin abgetrennt und nach massenspektormetrischer Kopplung identifiziert werden. Die Methode erwies sich als ausreichend empfindlich, um Verunreinigungen mit einer Ausschlussgrenze von 0.1%, wie sie im Europäischen Arzneibuch für Fermentationsprodukte üblicherweise angewandt wird, zu kontrollieren. Derzeit wird der Aescingehalt in standardisiertem Rosskastanien-Trockenextrakt mittels einer komplexen photometrischen Methode bestimmt. Für den entsprechen-den Entwurf einer Monografie des Europäischen Arzneibuchs wurde eine selektivere HPLC-UV-Methode vorgeschlagen. Die Möglichkeiten einer weiteren Verbesserung dieser Methode unter Verwendung des CAD wurden untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass eine modifizierte HPLC-CAD-Methode geeignet ist, Probleme, die sich aus der unterschiedlichen UV-Absorption der im Aescingemisch enthaltenen Substanzen ergeben, zu eliminieren. Weiterhin wurde die vorgeschlagene Referenzstandard Strategie überprüft. Abschließend wurde am Beispiel von zwei Gruppen pharmakologisch wirksamer Peptide nachgewiesen, wie kollisionsinduzierte Massenspektrometrie (CID-MS) erfolgreich für die Identitätskontrolle in Arzneibuchmongrafien eingesetzt werden kann. Diesbezüglich erbrachte die Kombination der direkten Massenbestätigung mittels des m/z-Verhältnisses des Molekül-Ions mit den aus dem CID-MS-Experiment erhaltenen Informationen ein höheres Maß an Gewissheit hinsichtlich der Identitätsbestätigung als die derzeit beschriebenen Tests. Als weitere Vorteile dieses Ansatzes wurden ein wesentlicher Effizienzgewinn sowie eine erhebliche Reduktion des durch die Testung verbrauchten Probenmaterials identifiziert. Zusammenfassend zeigen die Arbeiten an verschiedenen Beispielen, wie aktuelle Entwicklungen im Bereich der analytischen Chemie dazu beitragen können, die Qualitätskontrolle von Arzneimittelwirkstoffen zu verbessern.

In the current work, several well-known pharmaceuticals (1,4-dihydrazinophthalazine sulfate, caffeine, and papaverine hydrochloride) and new organometallic compounds (nickel(II) cupferronato complexes NiL2An, L = PhN2O2-, n = 1, A = o-phenanthroline (1), o,o’-bipyridine (2) and n = 2, A = H2O (3), o-NH2Py (4), o-C6H4(NH2)2 (5); silylene-bridged dinuclear iron complexes [Cp(OC)2Fe]2SiX2 (X = H (6), F (7), Cl (8), Br (9), I (10)); 3-silaoxetane 3,3-dimethyl-2,2,4,4-tetraphenyl-1-oxa-3-silacyclobutane (11) and 3-silathietane 3,3-dimethyl-2,2,4,4-tetraphenyl-1-sila-3-thiacyclobutane (12) compounds), which have successfully been characterized by using vibrational spectroscopy in conjunction with accurate density functional theory (DFT) calculations, are presented. The DFT computed molecular geometries of the species of interest reproduced the crystal structure data very well and in conjunction with IR and Raman measurements helped us to clarify the structures of the compounds, for which no experimental data were available; and this, especially for the new organometallic compounds, where the X-Ray analysis was limited by the non-availability of single crystals (3, 5, 10). Furthermore, a natural population analysis (NPA) and natural bond orbital (NBO) calculations together with a detailed analysis of the IR and Raman experimental as well as calculated spectra of the new organometallic compounds, allowed us to study some special bonding situations (1-12) or to monitor the structural changes observed with the change in temperature during the Raman experiments (11, 12). By combining these two methods (DFT and vibrational spectroscopy), the auspicious results obtained on the organometallic compounds 6-12 and overall in literature, made us confident of the power of theoretical calculations in aiding the interpretation of rich SERS spectra by solving some interesting issues. Consequently, the Raman and SERS spectra of well-known pharmaceuticals (1,4-dihydrazinophthalazine sulfate, caffeine, and papaverine hydrochloride) or new potentially biological active organometallic complexes (1-5), that were synthetized by our coworkers, were discussed with the assistance of the accurate results obtained from DFT calculations (structural parameters, harmonic vibrational wavenumbers, Raman scattering activities), and many previous incomplete assignments have been analyzed and improved. This allowed us to establish the vibrational behavior of these biological compounds near a biological artificial model at different pH values or concentrations (Ag substrate), taking into account that information about the species present under particular conditions could be of great importance for the interpretation of biochemical processes. The total electron density of molecules and the partial charges situated on selected atoms, which were determined theoretically by NPA, allowed us to establish the probability of different atoms acting as an adsorptive site for the metal surface. Moreover, a closer examination of the calculated orbitals of molecules brought further arguments on the presence or absence of the photoproducts at the Ag surface during the irradiation (1,4-dihydrazinophthalazine sulfate). Overall, the results provide a benchmark illustration of the virtues of DFT in aiding the interpretation of rich vibrational spectra attainable for larger polyatomic adsorbates by using SERS, as well as in furnishing detailed insight into the relation between the vibrational properties and the nature of the Ag substrate-adsorbate bonding. Therefore, we strongly believe that theoretical calculations will become a matter of rapidly growing scientific and practical interest in SERS. / In der vorliegenden Arbeit werden allgemein bekannte Pharmazeutika (1,4-Dihydrazin-phtalazinsulfat, Koffein und Papaverinhydrochlorid) und mehrere neue metallorganische Verbindungen (Nickel(II)-Kupferron-Komplexe NiL2An, L = PhN2O2-, n = 1, A = o-phenanthrolin (1), o,o’-bipyridine (2) and n = 2, A = H2O (3), o-NH2Py (4), o-C6H4(NH2)2 (5); Silicium-verbrückte dinucleare Eisen-Komplexe [Cp(OC)2Fe]2SiX2 (X = H (6), F (7), Cl (8), Br (9), I (10)); 3-Silaoxetan 3,3-Dimethyl-2,2,4,4-tetraphenyl-1-oxa-3-silacyclobutan (11) und 3-Silathietan 3,3-Dimethyl-2,2,4,4-tetraphenyl-1-sila-thiacyclobutan (12) Verbindungen) vorgestellt, die erfolgreich unter Verwendung schwingungsspektroskopischer Methoden in Verbindung mit genauen DFT Rechnungen charakterisiert worden sind. Die mittels DFT berechneten Molekülgeometrien der uns interessierenden Substanzen gaben die Daten, die aus Kristallstrukturanalyse erhalten worden sind, sehr gut wieder und halfen uns zusammen mit IR- und Raman-Messungen die Strukturen der Verbindungen aufzuklären, für die bisher keine experimentellen Daten erhältlich waren. Besondere Aufmerksamkeit wurde denjenigen neuen Metallorganika geschenkt, deren Röntgenstrukturanalyse (3, 5, 10) auf Grund der Fehlens von Einkristallen eingeschränkt war. Desweiteren erlaubten uns “natural population analysis” (NPA)- und ” natural bond orbital“ (NBO)-Analysen, ebenso wie detallierte Auswertungen der experimentellen und berechneten Spektren (IR, Raman) der metallorganischen Verbindungen, die Untersuchung spezieller Bindungssituationen (1-12) und die strukturellen Änderungen (11, 12) zu verfolgen, die mit der Variation der Temperatur während der Raman-Messungen einhergehen. Die vielversprechenden Ergebnisse der Untersuchungen an metallorganischen Verbindungen 6-12 sowie entsprechende bisher publizierte Ergebnisse, die durch Kombination dieser zwei Methoden (DFT und Schwingungsspektroskopie) erhalten worden sind, machten uns zuversichtlich, dass theoretische Berechnungen bei der Auswertung auch komplexer SERS-Spektren durch Lösung einiger interessanter Probleme sehr behilflich sein könnten. Folglich konnten die Raman- und SERS-Spektren von bekannten Pharmazeutika (1,4-Dihydrazin-phtalazinsulfat, Koffein und Papaverinhydrochlorid) oder von neuen, potentiell biologisch aktiven Organometall-Komplexen (1-5), die von Mitarbeitern anderer Institute synthetisiert worden sind, unter Zuhilfenahme genauer Ergebnisse aus DFT-Rechnungen (strukturelle Parameter, harmonische Schwingungswellenzahlen, Raman-Streuaktivitäten) interpretiert werden. So war es möglich, viele bisher unvollständig zugeordnete Schwingungen zuzuordnen und zu erklären. Dies erlaubte uns, das Schwingungsverhalten dieser biologischen Substanzen innerhalb eines künstlichen biologischen Modells (Ag-Substrat) bei verschiedenen pH-Werten und Konzentrationen zu ermitteln. Informationen über das Verhalten solcher Verbindungen unter besonderen Bedingungen könnten bei der Interpretation biologischer Prozesse eine wichtige Rolle spielen. Die totale Elektronendichte dieser Moleküle und die Partialladung an unterschiedlichen Atomen, die durch NPA bestimmt wurden, ermöglichten uns, die Adsorptionswahrscheinlichkeit verschiedener Atome an bestimmten Stellen der Metalloberfläche zu ermitteln. Ferner lieferte eine genauere Betrachtung der berechneten Molekülorbitale weitere Hinweise auf das Auftreten oder Fehlen von Photoprodukten auf der Silberoberfläche während der Bestrahlung (1,4-Dihydrazin-phtalazinsulfat). Zusammenfassend zeigen die Ergebnisse die Vorteile von DFT-Rechnungen bei der Interpretation komplexer Schwingungsspektren größerer polyatomarer Adsorbate auf, die nur unter Ausnützung des SERS-Effekts aufgenommen werden können. Auch tragen sie dazu bei, einen detaillierten Einblick in den Zusammenhang zwischen den Schwingungseigenschaften und der Natur der Silbersubstratadsorbat-Bindung zu liefern. Demzufolge sind wir davon überzeugt, dass theoretische Methoden einen größeren Stellenwert bei einem schnell wachsenden wissenschaftlichen und praktischen Interesse an SERS gewinnen werden.

Der Piperidin-Heterozyklus kann als wichtiger, multifunktionaler Arzneistoffbaustein angesehen werden, da eine große Anzahl derzeit eingesetzter Arzneistoffe den Piperidin-Derivaten zuzuordnen ist. Dabei kommen diese Substanzen bei einer Vielzahl verschiedenster Indikationen zum Einsatz. Aus diesem Grund wurden im Zuge dieser Arbeit ebenfalls Piperidin-Derivate synthetisiert, und zwar zum einen 2,6-Diaryl-4-oxo-piperidin-3,5-dicarbonsäurediester und 2,6-Diaryl-4-oxo-piperidin-3-carbonsäuremethylester, die auf ihre antiproliferativen Eigenschaften an Protozoen untersucht werden sollten, und zum anderen Spiropiperidinderivate, die als Liganden des Opioidrezeptors ORL1 synthetisiert worden sind. Die synthetisierten Spiropiperidin-Derivate basieren auf der Leitverbindung Ro 64-6198, einem selektiven und hochaffinen Agonisten am ORL1-Rezeptor, welcher als viertes Mitglied der Opioidrezeptor-Familie zugeordnet wurde. Die bisherigen pharmakologischen Untersuchungen konnten ein breites Wirkprofil seines endogenen Liganden Nociceptin aufdecken. Da jedoch aus der Literatur gerade im Bereich der Schmerzmodulation teilweise kontroverse Ergebnisse vorliegen und nur wenig über die Wirkmechanismen bekannt ist, ist die Synthese selektiver Agonisten und Antagonisten notwendig. Ziel dieser Arbeit war es, Derivate der Leitverbindung zu synthetisieren. Die wesentlichste Änderung stellte die Substitution des Piperidin-Grundgerüstes durch Alkylseitenketten dar. Die pharmakologischen Untersuchungen am ORL1-Rezeptor sind jedoch bislang noch nicht abgeschlossen. Unter den Infektionskrankheiten stellt vor allem Malaria eine große Belastung für die hauptsächlich in tropischen Gebieten lebende Bevölkerung dar. Das gleiche gilt für Trypanosomeninfektionen (afrikanische Schlafkrankheit und Chagas-Erkrankung). Das Hauptproblem in der Therapie dieser Infektionen besteht in der zunehmenden Resistenzbildung der Erreger gegenüber den derzeit eingesetzten Arzneistoffen. Die Aufklärung des Polyaminstoffwechsels von Protozoen bietet einen neuen Ansatzpunkt, denn die Unterbrechung dieses Metabolismus durch gezielte Hemmung der beteiligten Enzyme kann die Vermehrung der Protozoen verhindern. Polyamine wie Putrescin, Spermin und Spermidin spielen bei der Zellteilung und -proliferation von Eukaryonten eine maßgebliche Rolle. Gleiches gilt für den durch Metabolisierung des Spermidins aktivierten “eukaryotic initiaton factor“ (eIF5A). Dessen Aktivierung verläuft über die beiden Enzyme Deoxyhypusinsynthase (DHS) und Deoxyhypusin-hydroxylase (DHH). Für die Pflanzenaminosäure L-Mimosin und das Fungizid Ciclopirox ist an Plasmodien bereits eine inhibitorische Wirkung der Deoxyhypusinhydroxylase in vitro und damit verbunden die Hemmung des Plasmodienwachstums nachgewiesen. Beide entfalten ihre Wirkung über die Chelatisierung des im Enzym vorliegenden Metall-Ions Fe(II)/Fe(III). Da nur L-Mimosin in vivo eine inhibitorische Aktivität zeigt, wurde dieses als Leitstruktur für die zu synthetisierenden 2,6-Diaryl-4-oxo-piperidin-3,5-dicarbonsäurediester und 2,6-Diaryl-4-oxo-piperidin-3-carbonsäuremethylester herangezogen. Im Zuge dieser Arbeit konnten diverse Derivate beider Verbindungstypen synthetisiert werden, deren inhibitorische Aktivität in vitro an Plasmodium falciparum und Trypanosoma brucei brucei und deren Zytotoxizität an Makrophagen getestet wurden. Die Synthese erfolgte in beiden Fällen über eine Mannichreaktion. Die IC50-Werte dieser an Trypanosoma brucei brucei untersuchten Verbindungen liegen im Bereich der Aktivität der derzeit bei Trypanosomeninfektionen eingesetzten Arzneistoffe Eflornithin-HCl und Nifurtimox für die Verbindungen 10a-10n bzw. Suramin-Na und Nifurtimox für 11a-11d. Somit stellen die Monoester-Verbindungen die potentere Substanzklasse dar. Die an Plasmodium falciparum getesteten und als inhibitorisch aktiv identifizierten 2,6-Diaryl-4-oxo-piperidin-3,5-dicarbonsäurediestern sind die Derivate 10h-10k. Unter den 2,6-Diaryl-4-oxo-piperidin-3-carbonsäuremethylestern konnte 11c als aktive Verbindung identifiziert werden. Diese Monoester-Verbindung weist im Vergleich zu den aktiven Diester-Derivaten eine 10-fach höhere Potenz auf. Daher ist anzunehmen, dass die Monoester-Derivate auch an Plasmodien die aktivere Substanzklasse darstellen. Die Verbindungen 10h-10k wurden wegen ihrer guten In-vitro-Aktivität an Plasmodium falciparum weiter untersucht. Allerdings konnte in den In-vivo-Versuchen an Plasmodium berghei-infizierten Mäusen keine Hemmung der Parasitämie festgestellt werden. / The piperidine heterocycle can be seen as an important and multitfunctional drug component as many currently used drugs can be classified as piperidine derivatives. These substances are used in a manifold of pharmacological indications. Therefore, piperidine derivatives were synthesised within the course of this work, on the one hand 2,6-diaryl-4-oxo-piperidine-3,5-dicarboxylates and 2,6-diaryl-4-oxo-piperidine-3-carboxylates whose antiproliferative properties against protozoa were investigated, and on the other hand, spiropiperidines which were synthesised as ligands for the opioid receptor ORL1. The spiro-compounds planned are based on the lead structure Ro 64-6198, an agonist at the ORL1-receptor with good selectivity and high affinity. This receptor was classified as the fourth member of the opioid receptor family. The so far investigated pharmacological properties of its endogenous ligand nociceptin showed versatile therapeutic possibilities. However there is too little knowledge about mode of action yet. Especially in terms of pain modulation controversial opinions exist. To clarify these different opinions selective agonists and antagonists are necessary. The aim of this work was to create new derivatives of the lead structure with alkyl residues in position 7 and 9 as the substantial change. By means of a Mannich-condensation followed by saponification and decarboxylation 2,6-dialkyl-4-piperidones were formed. In the next steps the spirocyclisation was accomplished according to the procedure reported by Röver et al. Because the last step of the synthesis of the 1,3,8-triaza-spiro[4.5]decane-4-ones did not yield any or good results (compounds 7g-7i) a different ring closure was tried. This led to the 1,3,8-triaza-spiro[4.5]decane-2,4-diones 8a-8f, 9a-9f and 9k (see table 1). The difference to the compounds synthesised according to Röver et al. is a carbonyl instead of a methylene group at position 2. The pharmacological assays concerning the ORL1-receptor could not be carried out yet. Among infectious diseases, malaria represents the main burden for the population in tropical areas. Besides this, trypanosomal infections like African trypanosomiasis and chagas disease also turn out to be difficult in therapy. The major problem is increasing resistance of the protozoan organisms against current therapeutics. To solve this problem there are great efforts in finding new drug targets. A new strategy is to elucidate the polyamine metabolism of protozoa. By interrupting this pathway by specific inhibition of involved enzymes it is possible to stop protozoan growth. Polyamines like spermine, spermidine and putrescine play an important role in cell differentiation and proliferation within all eukaryotes. The eukaryotic initiation factor eIF5A which is activated by spermidine metabolism is also important in this field. Its activation is catalysed by deoxyhypusine synthase (dhs) and deoxyhypusine hydroxylase (dhh). The plant amino acid L-mimosine and the fungicide ciclopirox both inhibit dhh in vitro and due to this protozoan growth. The effect is caused by building a chelate with the enzyme’s metal-ion Fe(II)/Fe(III). As only L-mimosine showed good inhibitory qualities in the in vivo experiments, we used L-mimosine as the lead structure for the synthesis of 2,6-diaryl-4-oxo-piperidine-3,5-dicarboxylates and 2,6-diaryl-4-oxo-piperidine-3-carboxylates. In both cases several compounds have been prepared by means of a Mannich-condensation. The pharmacological experiments for inhibitory activity were carried out at Trypanosoma brucei brucei and Plasmodium falciparum and for cytotoxicity at macrophages. The 2,6-diaryl-4-oxo-piperidine-3,5-dicarboxylates 10a-10n were synthesised from acetone-1,3-dicarboxylic acid dimethyl- or diethylester, aromatic aldehyde and a primary amine at the ratio of 1:2:1 (see table 2). The IC50 values against Trypanosoma brucei brucei acquired for 10a-10n are comparable to the commonly used antitrypanosomal drugs eflornithin-HCl and nifurtimox. Those acquired for 11a-11d are similar to suramine-Na and nifurtimox. Therefore the monoesters are presumably the more active class of compounds. Further investigation with Plasmodium falciparum showed that the 2,6-diaryl-4-oxo-piperidine-3,5-dicarboxylates 10h-10k have inhibitory effects. Among the 2,6-diaryl-4-oxo-piperidine-3-carboxylates only compound 11c could be identified as an active inhibitor. This monoester derivative shows a ten-fold higher potency in comparison to the diesters and presumably represents the more potent class of compounds. This finding corresponds with the experiments with Trypanosomes. Because of their good inhibitory qualities in vitro at Plasmodium falciparum the compounds 10h-10k were analysed at Plasmodium berghei infected mice in vivo. But no inhibitory effect could be detected.

Idiosynkratische Leberschädigung durch Arzneimittel (z.B. Diclofenac) stellt trotz ihres seltenen Auftretens eine erhebliche Komplikation in der Arzneimittelentwicklung und -therapie dar. Die zu idiosynkratischen Reaktionen führenden, komplexen chemischen und biologischen Abläufe sind noch weitgehend unklar. Inzwischen wird jedoch vermutet, dass die Toxizität eines Arzneimittels durch Arzneistoff-unabhängige Risikofaktoren, wie Krankheiten, Entzündungsreaktionen, Co-Medikation oder Alkohol, erhöht werden kann. Mögliche Mechanismen könnten hierbei eine vermehrte Bildung reaktiver Metaboliten bzw. eine veränderte zelluläre Stress- und Immunantwort sein. Um tiefere Einblicke in die Bedeutung möglicher Arzneistoff-unabhängiger Risikofaktoren zu erhalten, wurde in der vorliegenden Arbeit der Einfluss drei verschiedener Stressfaktoren auf die Toxizität von Diclofenac (Dcl) untersucht. Bei diesen Stressfaktoren handelte es sich um Lipopolysaccharid (LPS) und Poly I:C (PIC) zur Simulation einer bakteriellen bzw. viralen Entzündung sowie um Buthionin-Sulfoximin (BSO) zur Depletion zellulären Glutathions. Zusätzlich wurde getestet, ob eine durch Stressfaktoren ausgelöste Erhöhung der Toxizität von Dcl in Ratten mit Veränderungen in der Biotransformation bzw. mit einer Hochregulation co-stimulatorischer Faktoren (z.B. Zytokine oder Alarmsignale) einhergeht. Die Kombination einer einwöchigen therapeutisch dosierten Dcl-Behandlung mit einer einmaligen LPS-Dosis erzeugte in den Tieren eine ausgeprägte Hepatotoxizität, die mit erhöhten Aktivitäten der Aminotransferasen im Serum einherging. Diese adversen Effekte konnten jedoch nicht durch LPS oder Dcl alleine, bzw. in Kombination mit PIC oder BSO erzeugt werden. Es besteht die Annahme, dass die Bioaktivierung von Diclofenac zu 5-OH-Dcl oder Dcl-Acylglucuronid (AG) sowie die folgende Bildung kovalenter Proteinaddukte zur Entwicklung von Lebertoxizität beiträgt. Mittels LC-MS/MS-Messungen konnten wir jedoch nachweisen, dass die Gabe von LPS + Dcl keine erhöhte Bildung reaktiver Metaboliten oder Dcl-AG-abhängiger Proteinaddukte auslöst. Im Einklang damit wurden Enzyme, die für die Bio-aktivierung von Dcl zu reaktiven Metaboliten verantwortlich sind (z.B. Cyp2C11, Cyp2C7 und UGT2B1), sowie die MRP-Effluxtransporter der Leber durch die Co-Behandlung mit LPS in ihrer Genexpression gehemmt. Zusätzliche qRT-PCR-Analysen Nrf2-abhängiger Gene, als Sensor für elektrophilen oder oxidativen Stress, zeigten keine Hochregulation zytoprotektiver Faktoren und unterstützen die Schlussfolgerung, dass Arzneistoff-unabhängige Stress-faktoren keine erhöhte Bildung toxischer Dcl-Metaboliten auslösen. Schließlich ergaben unsere Analysen, dass eine Aktivierung co-stimulatorischer NFκB- und MAPK-Signalwege mit Hochregulation co-stimulatorischer Faktoren (z.B. IL-1β, TNF-α, CINC-1, iNOS) und Akkumulation neutrophiler Granulozyten in der Leber sowohl durch Behandlung mit LPS + Dcl als auch mit PIC + Dcl induziert wurde. Nur die Kombination von LPS und Diclofenac bewirkte jedoch darüber hinaus eine massive Freisetzung pro-inflammatorischer Zytokine, Chemokine sowie toxizitätsfördernder Alarmsignale (z.B. IL-1β, TNF-α, CINC-1, HMGB1, LTB4) ins Plasma. Zusätzlich waren schützende negative Feed-back-Mechanismen, wie die Hitzeschockreaktion, in den mit LPS und Dcl behandelten Tieren gehemmt. Zusammenfassend zeigen unsere Ergebnisse, dass eine metabolische Aktivierung von Dcl bzw. eine Akkumulation reaktiver Dcl-Metaboliten an der Entwicklung idiosynkratischer Leberschädigung nicht ausschlaggebend beteiligt ist. Im Gegensatz zu PIC oder BSO führte in den verabreichten Dosen nur die Gabe von LPS als Stressfaktor zu einer Aktivierung co-stimulatorischer Signalwege sowie zu einer Hemmung protektiver Systeme, wodurch die leberschädigende Wirkung von Dcl potenziert wurde. / Idiosyncratic drug reactions (IDRs) are rare but major complications of drug therapy and development. A basic understanding of the chemical and biological events leading to IDRs is still lacking. However, it appears that drug-independent risk factors may be critical determinants in the response to an otherwise non-toxic drug. It has been speculated that stress factors like an underlying disease, inflammation, co-medication or alcohol may increase reactive metabolite formation and/or alter cellular stress and immune response. Thus, we were interested to determine the impact of various drug-independent stress factors on the toxicity of diclofenac (Dcl), a model drug associated with rare but significant cases of serious hepatotoxicity. We tested the hypothesis that co-treatment with various drug-independent risk factors may enhance Dcl toxicity. These included lipopolysaccharide (LPS) and poly I:C (PIC) simulating bacterial and viral inflammation, respectively, and buthionine sulfoximine (BSO) as a model for cellular glutathione depletion. Additionally, we were interested to understand if stress factor-induced modulation of Dcl toxicity involves alterations in drug metabolism and/or up-regulation of co-stimulatory molecules thought to constitute “danger signals”. Co-treatment of rats repeatedly given therapeutic doses of Dcl for 7 days with a single dose of LPS resulted in severe liver toxicity accompanied by elevated serum aminotransferase activity. Neither LPS nor diclofenac alone or in combination with PIC or BSO had such an effect. It is thought that bioactivation to reactive 5-OH-Dcl or Dcl acyl glucuronides (AG) with subsequent protein adduct formation contribute to Dcl induced liver injury. However, LC-MS/MS analyses did not reveal increased formation of reactive metabolites or Dcl-AG-dependent protein adducts in animals treated with LPS + Dcl. Consistent with this, co-treatment with LPS induced down-regulation of enzymes responsible for Dcl bioactivation to reactive metabolites (e.g. Cyp2C11, Cyp2C7 and UGT2B1), as well as liver MRP efflux transporters. Furthermore, qRT-PCR analyses of Nrf2-dependent genes, as a sensor of electrophilic or oxidative stress, showed no up-regulation of cytoprotective factors, supporting the conclusion that drug-independent stress factors do not enhance formation of toxic Dcl metabolites. Hepatic gene expression analyses revealed activation of NFκB and MAPK pathways with up-regulation of co-stimulatory molecules (IL-1β, TNF-α, CINC-1, iNOS) and accumulation of neutrophil granulocytes in liver tissue by LPS + Dcl as well as by PIC + Dcl. However, only LPS + Dcl lead to extensive release of pro-inflammatory cytokines, chemokines and cytotoxic danger signals (IL-1β, TNF-α, CINC-1, HMGB1, LTB4) into plasma. Furthermore, down-regulation of protective factors (SOD2, HSPs, PGE2) suggested an impairment of negative feedback mechanisms in animals treated with LPS + Dcl. In summary our results show no major role of metabolic Dcl bioactivation or accumulation of reactive Dcl metabolites in the pathogenesis of idiosyncratic hepatotoxicity. In contrast to PIC or BSO only administration of LPS as stress factor lead to activation of co-stimulatory pathways as well as impairment of protective systems, resulting in potentiation of liver toxicity of therapeutic Dcl doses.

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.

The number of active pharmaceutical ingredients (APIs) exhibiting a low solubility in aqueous media or a slow dissolution rate kept rising over the past years urging formulation scientists to explore new ways to tackle poor solubility and to enable oral absorption from such compounds. Bioavailability of poorly water-soluble compounds can be improved by increasing the dissolution rate and/or by increasing the gastro intestinal concentration through transient supersaturation. The dissolution rate of the API can be typically modified by the choice of the physical form, the polymorphic form, the powder surface area, and the local pH, while a transient supersaturation can be extended mainly by nucleation or crystallization inhibiting effects. In the present thesis, three strategies were explored to tailor the dissolution rate, the supersaturation and the hydrotropic solubilization of APIs, weak bases, respectively. The first part of this thesis followed a bioinspired approach to extend the kinetic solubility of salts and co-crystals. API salts and co-crystals are high energy forms that can generate supersaturated solutions with respect to any more stable form, typically the most stable API form in physiological environment. The transient kinetic stabilization of supersaturated states, also termed “parachute effect”, is considered to improve bioavailability and is one aspect of the formulation that can be tailored. Inspiration from plants, which store high concentrations of aromatic bases in their vacuoles via complexation with polyphenols, sparked the evaluation to use hydroxybenzoic acid derivatives for salt or co-crystal engineering. Imatinib was chosen as the model compound for this investigation as its aromaticity and flat molecular architecture could favor interactions with hydroxybenzoic acid derivatives. One 1:1 Imatinib syringate co-crystal (I-SYA (1:1)) and one 1:2 Imatinib syringate co-crystal salt (I-SYA (1:2)) were obtained. Their dissolution assays in simulated intestinal fluid (SIF; a 50 mM phosphate buffer of pH 6.8) revealed that they formed stable solutions for several hours and days, respectively, in contrast to the marketed Imatinib mesylate salt (approx. 1h). This kinetic stability in solution was linked to the nucleation inhibition of the less soluble Imatinib hydrate by syringic acid (SYA). In solution 1H-NMR studies evidenced the aggregation of Imatinib and SYA. The amphiphilic nature of both Imatinib and SYA is considered to drive their association in solution, additionally, multiple intermolecular interactions such as hydrogen bonds and π-π stacking are likely to contribute. The association in solution enabled a phase of extended supersaturation, i.e., a parachute against desupersaturation, while no negative impact of aggregation on the permeability of both Imatinib and SYA was observed. A prerequisite to reach supersaturation is a rapid dissolution and release of the API from the formulation. Accordingly, the second and third part of this thesis is focused on the so-called “spring effect” of amorphous solid dispersions (ASDs). The addition of a hydrotropic agent, meaning a molecule that can solubilize poorly water-soluble APIs in aqueous solutions (well-known examples of hydrotropes are benzoic acid and nicotinamide) into an amorphous Ciprofloxacin-polymer matrix led to ternary systems with a significantly faster release and higher concentration of the API in SIF as compared to binary ASDs consisting of Ciprofloxacin (CPX) and polymer only. The stronger spring could be rationalized by an improved wetting of the ASD, or/and by a hydrotropic solubilization effect, although these hypotheses need further investigation. Marked differences in the dissolution profiles of binary ASDs were observed in biorelevant fasted simulated intestinal fluid (FaSSIF; a medium containing Na taurocholate (3 mM) and lecithin (0.75 mM) at pH 6.5) as compared to SIF. In FaSSIF, API release from binary polymeric ASDs was largely improved, and the duration of supersaturation was extended. This suggests that the bile salt Na taurocholate and lecithin present in FaSSIF do improve both dissolution rate and supersaturation of ASDs, the two pillars of ASDs as oral enabling formulations. Indeed, bile salts are endogenous surfactants which, together with phospholipids, play an important role in the wetting, solubilization, and absorption of lipophilic compounds. The aim of the third part of the present thesis was to study ASDs as formulation principles reducing the strong positive food effect of Compound A. By inclusion of Na taurocholate (NaTC) within the matrix of polymeric ASDs a significant improvement of the dissolution rate and the kinetic solubility in SIF were achieved. Transient supersaturated states of up to four orders of magnitude over the equilibrium solubility were obtained. Two ASDs were selected for further in vivo evaluation in dog. The first was a NaTC/Eudragit E based ASD meant to dissolve and release Compound A in the acidic environment of the stomach, where its solubility is the highest. The second relied on the release of Compound A in the neutral environment of the duodenum and jejunum by using an enterically dissolving polymer, HPMC-P. Releasing the API at the site of its putative absorption was an attempt to control supersaturation levels in the duodenum and to prevent portioning and thus dilution effects during transfer from the stomach. In fasted dogs, exposure from the NaTC/HPMC-P ASD was close to that of the reference Compound A formulation under fed conditions, which suggests an improved dissolution rate and kinetic solubility under fasted conditions (historical data). The exposure from the NaTC/Eudragit E ASD was twice as low as from the NaTC/HPMC-P ASD, and also lower compared to Compound A reference formulation, whereas in vitro the parachute effect of the NaTC/Eudragit E ASD was largely superior to that of the NaTC/HPMC-P ASD. A difference in the extend of the parachute could be related to differences in the thermodynamic activity of dissolved molecules from the two ASDs. Indeed, the high instability of the NaTC/HPMC-P ASD could stem from a high thermodynamic activity driving diffusion through membranes, whereas less instable solutions of NaTC/Eudragit E could indicate solubilization effects which often translate into a lower flux through the biological membrane. Additionally, the pH of the environment where dissolution takes place might be an important factor for absorption, and could also account for the difference in exposure from the two ASDs. The aim of this thesis was to explore how the intimate environment of weak, poorly soluble bases could be functionalized to improve dissolution rate and kinetic solubility. The investigations highlighted that the performance of enabling oral delivery formulations of weak bases in aqueous media can be enhanced at different levels. At one end initial dissolution rate of ASDs can be tailored by introducing hydrotropes or/and bile salts within the polymeric matrix of ASDs. Bile salts, when combined with appropriate polymers, had also a precipitation inhibition effect enabling the maintenance of supersaturation for a bio-relevant period of time. These results set the ground for further investigations to comprehend specific interactions between bile salts and APIs, and potentially polymers at the molecular level. It will be interesting to explore how such complex systems can be exploited in the formulation design of poorly water-soluble APIs. In addition, it was observed that the duration of supersaturation generated by salts/co-crystals can be extended by the pertinent selection of counterions or coformers. The in vivo relevance of these tunings remains to be evaluated, as translation from closed, in vitro systems to the highly dynamic gastrointestinal environment is not straightforward. A better understanding of the contribution of each kinetic stage (dissolution, supersaturation, and precipitation) and their interplay with physiological factors impacting absorption is essential to facilitate the design of formulations with improved pharmacokinetics. / Die Anzahl chemischer Wirkstoffe, welche sich schlecht oder langsam auflösen, hat in den vergangenen Jahren stetig zugenommen. Aus diesem Grunde müssen Entwickler neuer Formulierungen Wege finden, um die Löslichkeit und damit die Absorbtion dieser Wirkstoffe zu verbessern. Grundsätzlich kann die Bioverfügbarkeit schlecht wasserlöslicher Wirkstoffe verbessert werden, wenn die Auflöserate verbessert wird und/oder durch höhere Konzentrationen der Wirkstoffe am Resorptionsort, beispielsweise durch kontrollierte Übersättigungen. Die Auflösungsrate eines Wirkstoffes kann durch die Wahl der physikalischen Form (Salz und Polymorph), Modifikation der spezifischen Oberfläche (Mahlen) und lokalem pH Wert (Ionisierungszustand) maßgeblich beeinflusst werden. Im Falle von kontrollierten Übersättigungen, kann die Verlängerung der Dauer der Übersättigung durch die Unterdrückung der Bildung von Kristallisationskeimen erreicht werden. In der vorliegenden Promotionsarbeit wurden neue Strategien entlang dieser Herausforderungen für schwach basische Wirkstoffe untersucht und entwickelt. Im ersten Teil der Arbeit wurden biomimetische Strategien angewandt, um die physikalischen und biopharmazeutischen Eigenschaften basischer Wirkstoffe zu verbessern. Dieses erfolgte mit der Absicht, durch strukturelles Design von Salzen oder Co-Kristallen das Ausfallen des Wirkstoffes aus Lösungen hinauszögern und eine Aufklärung der zugrundeliegenden Mechanismen vorzunehmen. Dabei konnten mit ausgesuchten Wirkstoff-Salzen oder Co-Kristallen Lösungen erzeugt werden, welche zu Übersättigungen führten. Diese thermodynamisch instabilen allerdings (vorübergehend) kinetisch gehemmt vorliegenden Zustände sind mit dem Begriff „Fallschirm Effekt“ in der Literatur verknüpft, womit die Verlängerung der Übersättigungen durch geeignete Salz-/Cokristallbildung metaphorisch umschrieben ist. Diese kinetisch gehemmten und somit langanhaltend vorliegenden Übersättigungen sind entscheidend für die Verbesserung der Bioverfügbarkeit. Pflanzen nutzen diese Effekte ebenfalls aus. So können Pflanzen aromatische und schlecht wasserlösliche Basen in übersättigten Lösungen kinetisch „stabilisieren“, in dem diese an Polyphenol-Komplexe in den Vacuolen ihrer Zellen komplexiert vorliegen. Hier wurden diese bei Pflanzen beobachteten Effekte für Hydroxybenzoesäure-Derivate übernommen untersucht und zur pharmazeutischen Verbesserung des Wirkstoffes Imatinib angewandt. Das aromatische Imatinib hat eine flache molekulare Struktur, die mit Hydroxybenzoesäure-Derivaten interagieren sollte. Es wurde ein 1:1 Imatinib-Syringat Co-Kristall (I-SYA (1:1)) sowie ein 1:2 Imatinib-Syringat Co-Kristall Salz (I-SYA (1:2)) hergestellt. Mittels dieser Salze konnten beeindruckende kinetisch „stabilisierte“ und übersättigte Lösungen des Imatinib realisiert werden, die beispielsweise in künstlicher Darmflüssigkeit (SIF) über Stunden beziehungsweise Tage vorlagen. Dieses steht im Gegensatz zum handelsüblichen Imatinib-Mesylat (Dauer der Übersättigung ca. 1 Stunde). Die kinetische „Stabilisierung“ der Lösung wurde mechanistisch mittels 1H-NMR Studien auf eine Unterdrückung/Verzögerung der Kristallkeimbildung des weniger löslichen Imatinib Hydrates durch Anwesenheit der Polyphenolsäure (Syringasäure) zurückgeführt. In-vitro Transportstudien durch biologische Barrieren zeigten, dass die Syringasäure die Permeabilität des Imatinib nicht nachteilig beeinflusste. Während in diesem Kapitel die Verlängerung von Übersättigungszuständen das Ziel war (Fallschirm Effekt; „parachute“), ist die Optimierung des Ausmaßes der Übersättigung das Ziel der folgenden Kapitel, welches in der Literatur als „Feder-Effekt“ („spring“) bekannt geworden ist. Eine Voraussetzung zum Erreichen von Übersättigung ist die rasche Auflösung und Freisetzung des Wirkstoffes aus der Formulierung. Diesen „Feder-Effekt“ wurde hier in amorphen Feststoffdispersionen (ASDs) erreicht. Zielführend war die Anwendung hydrotroper Moleküle, welche in wässerigen Lösungen lösungsvermittelnd auf schlecht wasserlösliche Substanzen wirken. Diese Formulierungen führten bei amorphen Wirkstoff-Polymer Gemischen zu ternären Systemen mit deutlich schnellerer Wirkstofffreisetzung und es konnten deutlich höhere Konzentration an gelöstem Wirkstoff in simulierten gastrointestinalen Flüssigkeiten erreicht werden, als dieses im Vergleich zu binären ASDs der Fall war, die lediglich aus Wirkstoff und Polymer zusammengesetzt waren. Im Übrigen konnte gezeigt werden, dass sich die Auflösungsprofile der ASDs in verschiedenen Medien unterschieden. Durch diesen Vergleich in unterschiedlichen Medien konnte die Bedeutung des Taurocholats und des Lezithins (beide Moleküle sind Bestandteil der Gallenflüssigkeit) für die Verbesserung der Auflösungsrate von ASDs gezeigt werden. Gallensalze können in diesem Sinne als „endogene Tenside“ verstanden werden, die zusammen mit Phospholipiden eine wichtige Rolle in der Lösungsvermittlung und Absorption von lipophilen Substanzen haben. Während im vorhergehenden Teil die Bedeutung von Gallensalzen für Auflösungsphänomene aus ASDs im Zentrum des Interesses lag, wurde nun eine andere Herausforderung pharmazeutischer Entwicklungen adressiert, der sogenannte „Food effect“. Dieser Effekt meint die nahrungsbedingte Änderung der Bioverfügbarkeit von Wirkstoffen. In diesen Arbeiten führte der Zusatz von Natriumtaurocholat in eine ASD Matrix zu einer Verbesserung der Auflösungsrate und der kinetischen Löslichkeit in simulierten intestinalen Flüssigkeiten mit der bemerkenswerten Verbesserung der kinetischen Löslichkeit um bis zu vier log Einheiten im Vergleich zur thermodynamischen Löslichkeit. Zwei ASD Formulierungen wurden für eine Studie am Hund ausgewählt, die eine bestehend aus Natriumtaurocholat/Eudragit E (Eudragit E löst sich in der sauren Umgebung des Magens auf) und die andere aus Natriumtaurocholat/HPMC-P (HPMC-P setzt Wirkstoffe in der pH-neutraler Umgebung des Dünndarms frei). Unerwartet waren die resultierenden Wirkstoff-Blutspiegel. Die Blutspiegel nach Verabreichung der NaTC/Eudragit E ASD waren nur etwa halb so hoch als jene von NaTC/HPMC-P, was im Gegensatz zu den in-vitro Konzentrationsprofilen steht. Eine mögliche Erklärung ist, dass instabile Lösungen, wie sie für die Natriumtaurocholat/HPMC-P ASD in vitro beobachtet wurden, die Diffusion durch die biologische Membran antreiben, wogegen dieser Effekt umso geringer ausfällt, je stabiler die erzeugte Lösung ist, wie das im Falle der Natriumtaurocholat/Eudragit E ASD in vitro der Fall war. Ein anderer Faktor, der in diesem Zusammenhang zu diskutieren ist, ist der unterschiedliche pH–Wert am Ort, an dem beide ASD den Wirkstoff freisetzen. Übergreifendes Ziel der Promotionsarbeit war die Optimierung der unmittelbaren Umgebung von schwachen, schlecht löslichen Basen, um die Auflösungsgeschwindigkeit und kinetische Löslichkeit der Wirkstoffe zu verbessern. Einerseits lässt sich die Auflösungsrate durch den Zusatz von hydrotropen Substanzen und/oder Gallensalzen zur Polymermatrix von ASDs steigern. Die Kombination von Gallensalzen mit geeigneten Polymeren konnte effektiv das Ausfallen des Wirkstoffes begrenzen und die Dauer von Übersättigungen deutlich verbessern. Diese interessanten Kombinationen sollten für andere Polymere zukünftig untersucht werden, so dass die spezifischen Wechselwirkungen zwischen Gallensalzen und Wirkstoff, gegebenenfalls auch mit Polymeren, auf molekularer Ebene besser verstanden werden können. In einem Teil der Promotionsarbeit wurde auch gezeigt, dass die Dauer der Übersättigung durch eine gezielte Auswahl von Gegenionen oder von Co-Kristallbildnern verlängert werden kann. Die in vivo Relevanz dieser Ansätze, sind vor dem Hintergrund der sehr dynamischen Verhältnisse im Magen-Darm-Trakt zu bewerten. Darüber hinaus ist ein besseres Verständnis des Zusammenspiels der kinetischen Phasen der Freisetzung (Auflösung, Übersättigung und Ausfällung) mit physiologischen Einflussgrößen zu erarbeiten, um zuverlässig Darreichungsformen mit besseren pharmazeutischen Eigenschaften zu entwickeln.

Thesis (doctoral)--Universität, Marburg, 2000.

Frankfurt (Main), University, Thesis (doctoral), 2002.

Zugl.: Leipzig, Univ., Diss., 2009 / Zusätzliches Online-Angebot unter www.lexxion.de