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

Ziel der vorliegenden Arbeit war die Entwicklung, Optimierung und Validierung von phyto- und bioanalytischen Analysemethoden. Dabei wurden exemplarische Fragestellungen aus dem Themenkreis Phytotherapie bzw. Bioverfügbarkeit und Metabolismus von einfachen und Polyphenolen bearbeitet. Quercetin und seine Derivate: Zur qualitativen Analyse der Flavonoide und -derivate in einem Trockenextraktgemisch aus Birkenblättern, Goldrutenkraut und Orthosiphonblättern wurde eine HPLC- UV/VIS Methode entwickelt. Nach oraler Applikation dieses Trockenextraktgemisches als orale Arzneiform wurde die systemische Verfügbarkeit von Quercetin bzw. Quercetinglykosiden untersucht, welche für Quercetin bzw. -glykosiden 0 Prozent betrug (LOD ~ 25 pg Quercetin on column), da Quercetin als Phase-I- bzw. -II- Metabolite vorlag. Nach Hydrolyse der Phase-II-Konjugate wurden die höchsten Quercetinspiegel (101±107 ng·mL-1) nach ca. 4 Stunden (tmax) gemessen. Der Zeitpunkt der höchsten renalen Quercetinausscheidung lag im Intervall von 4?8 Stunden nach Verum-Gabe, wobei die über 24 Stunden ausgeschiedene Quercetinmenge 604±1037 µg·mL-1 betrug. Im Rahmen der studienbegleitenden bioanalytischen Methodenentwicklung wurde eine Extraktionsmethode für Plasma und Urin entwickelt und validiert. Durch Anwendung eines neuartigen Analyseverfahrens, der coulometrischen Array-Detektion, konnte eine HPLC-Methode entwickelt werden, die erstmals Quercetin und seine Metabolite simultan, selektiv und ausreichend sensitiv in biologischen Matrices detektieren konnte. Unter Verwendung des analytischen Verfahrens der HPLC-Tandemmassenspektrometrie konnten erstmals fünf Quercetinglucuronide als die Hauptmetabolite des Quercetins identifiziert werden. Um weitere Erkenntnisse über den Metabolismus der systemisch verfügbaren Quercetinglucuronide am Venenendothelgewebe zu gewinnen, wurde ein In-vitro-Modell unter Verwendung von HUVEC (human umbilical endothelial cells)- Monolayerkulturen entwickelt und orientierend validiert. Die Experimente zeigten, dass das Venenendothel Glucuronidaseaktivität aufweist und somit Quercetin in-situ am oder im Zielgewebe aus systemisch vorliegenden Glucuroniden freisetzen kann. Die frei vorliegenden Aglykone können dann in das Venenendothelgewebe aufgenommen werden. Das In-vitro-Modell gibt damit erstmals einen plausiblen Erklärungsansatz für die Wirksamkeit von Quercetinderivat-haltigen Präparaten in-vivo, z.B. beim varikösen Symptomen-Komplex. Procyanidine in Weißdorn: Zur Gruppenbestimmung der Procyanide in Weißdornpräparaten wurde ein Analysenprotokoll optimiert und validiert, welches den derzeit üblichen Protokollen bezüglich des Grades an Selektivität überlegen ist. Weiterführend wurde zur selektiven Analyse der mono- bis trimeren Procyanidine in Weißdornpräparaten eine HPLC-Methode unter Adaption eines Nachsäulenderivatisierungsverfahrens (NSD) entwickelt und validiert. Unter Kombination beider Verfahren konnte erstmals das Procyanidinspektrum in handelsüblichen Weißdornpräparaten durch Einbeziehung der mono- bis trimeren Procyanidine, näher beschrieben, und marktführende Weißdornpräparate vergleichend analysiert werden. In Zusammenhang mit publizierten pharmakologischen Arbeiten mit teilweise identischen Extrakten, leisten die in dieser Arbeit erlangten Kenntnisse über Gehalt und Polymerisationsgrad der in den untersuchten Phytopharmaka enthaltenen Procyanidine einen Beitrag zum besseren Verständnis der Wirkungen von Weißdorn-Zubereitungen insgesamt. Hydrochinon und seine Derivate: Die renale Verfügbarkeit von Hydrochinon nach oraler Gabe einer flüssigen und einer festen Bärentraubenblätterextrakt-Zubereitung wurde anhand einer Probandenstudie gezeigt. Das mit dem Bärentraubenblätter-Trockenextrakt applizierte Arbutin (210 mg, ≈ 771,3 µmol) wurde zu ca. 0,18 Prozent als freies Hydrochinon (≈ 1,38 ± 0,79 µmol) ausgeschieden. Der Zeitpunkt der maximalen Hydrochinon-Ausscheidung (0,3±0,1 µg) lag bei beiden Arzneiformen im 4-8 Stunden-Intervall nach Applikation. Zur Analyse des Hydrochinons bzw. seiner Konjugate in humanem Urin wurde eine Extraktionsmethode zur simultanen Extraktion entwickelt und für den Zielanalyten Hydrochinon validiert. Durch Anwendung der coulometrischen Array-Detektion, konnten in Probandenurin erstmals Substanz-Zeit-Kinetiken freien Hydrochinons detektiert werden. Die in der vorliegenden Arbeit erhobenen In-vivo-Daten erlauben damit eine Korrelation von einerseits In-vitro-Daten zur bakteriziden Aktivität von Hydrochinon und andererseits epidemiologischen Daten zur Wirksamkeit von Bärentraubenblätter-Zubereitungen. Damit konnte erstmals unter therapiekonformen Bedingungen das für Bärentraubenblätter postulierte Wirkprinzip - das Hydrochinon - in-vivo bestätigt werden. / The aim of the investigations presented here was the development, optimisation, and validation of procedures and methods for the analysis of biological and plant samples. It focused on exemplary questions in the main topics “phytotherapy” and “bioavailability and metabolism of phenols and polyphenols”. Quercetin and its derivatives: In order to analyse the components of a mixture of dry extracts from birch leaves, solidago herb, and orthosiphon leaves qualitatively, a HPLC-method with UV/VIS-detection was developed. After oral administration of a solid drug preparation containing dry extracts of birch leaves (1.31 g), solidago herb (1.63 g), and orthosiphon leaves (1.61 g) the systemic availability was investigated. The outcome of the study showed a systemic availability of quercetin and quercetin glucoside of zero per cent (LOD ~ 25 pg quercetin on column) and revealed phase-II-conjugates of quercetin as the main systemic metabolites. After the hydrolysis of these quercetin conjugates the highest quercetin levels (cmax = 101±107 ng·mL-1) in human plasma were determined four hours after medication intake. Maximum renal elimination of quercetin conjugates was determined within the four to eight hours interval, and after 24 hours about 604 ± 1037 µg quercetin was eliminated. In order to make both phase-I and phase-II metabolites of quercetin accessible for HPLC analysis, a method for simultaneous extraction from human plasma and urine was developed. By employing a new coulometric array detection method an HPLC-method could be developed, which achieved the selective and sufficiently sensitive detection of quercetin and its metabolites in human body fluids for the first time. Furthermore five quercetin glucuronides could be detected in human plasma by the means of tandem mass spectrometry as the main systemic metabolites of quercetin in men. No quercetin glucosides could be detected in human plasma (LOD = 200 pg on column), which finally finished a controversial discussion about the bioavailability of quercetin glucosides. To increase the knowledge of the metabolism of the systemically available quercetin glucuronides, an in-vitro assay was developed and basically validated by using monolayers from human umbilical vein endothelial cells (HUVEC) as a model tissue. In the experiments the HUVEC tissue showed glucuronidase activity. Quercetin glucuronides were deconjugated in-situ resulting in the free aglycone which was taken up by the endothelial cells. This metabolism step represents the "missing link" between systemic available conjugated quercetin and the more antioxidant active aglycone. Procyanidines in Hawthorn: For analysis of total procyanidines occurring in Hawthorn flowers and leaves a determination procedure was developed and validated which, is superior to other protocols by its degree of selectivity. Furthermore a HPLC method employing post column derivatisation (PCD) and VIS detection was developed and validated for the selective determination of monomere, dimere, and trimere procyanidines in Hawthorn. Both methods, the procedure for the determination of total procyanidines and the HPLC-PCD method for determination of mono-, di-, and trimere procyanidines were applied to the analysis of herbal medicinal products (HMP) containing hawthorn extracts. This enables to have a closer look on content and polymerisation degree of the procyanidins occurring in leading Hawthorn HMPs of the German market and is a considerable step forward to guarantee the pharmaceutical quality. Taken together with the pharmacological data published for HMP the knowledge of content and polymerisation degree of procyanidines contributes to a better understanding of the efficacy of Hawthorn containing preparations. Hydroquinone and its derivatives: For the analysis of hydroquinone in human urine a method for simultaneous extraction of hydroquinone and its conjugates was developed and validated. The renal availability of hydroquinone was established in a clinical study by application of a solid and a liquid HMP containing a dry extract of bearberry leaves to healthy volunteers. By using the coulometric array detection, selective and sufficiently sensitive determination of hydroquinone in human urine by HPLC was achieved and the collection of sufficient pharmacokinetic data was possible for the first time. About 0.18 per cent (≈ 1,38 ± 0,79 µmol) of the orally given hydroquinone glucoside (arbutin, 210 mg, ≈ 771,3 µmol) was excreted as free hydroquinone renally. The maximum renal hydroquinone excretion (0,3 ± 0,1 µg) lied within the 4-8 hours interval after application of both the solid and the liquid HMP. These results confirm the active principle hydroquinone postulated for bearberry leaves in-vivo under therapeutic conditions for the first time.

Ionische Flüssigkeiten (engl. Ionic Liquids = IL) sind organische Salze mit einem Schmelzpunkt von unter 100 °C und bieten einen interessanten Ansatz um die orale Bioverfügbarkeit von schlecht wasserlöslichen Arzneistoffen zu verbessern. Aufgrund seiner schlechten Wasserlöslichkeit wurde aus dem Wirkstoff BGG492 der Novartis AG eine Ionische Flüssigkeit (IL) mit dem sterisch anspruchsvollen Gegenion Tetrabutylphosphonium hergestellt. Die IL ist ein amorpher, glasartiger Feststoff mit einem Schmelzpunkt von 57 °C. Die freie Säure (FS), das Kaliumsalz (BGG-K+) und die IL (siehe Abb. 69) wurden in festem Zustand mittels polarisationsmikroskopischen Aufnahmen, Röntgen-Pulverdiffraktometrie, Röntgenkristallstrukturanalysen, Infrarot-Spektroskopie und Festkörper-NMR-Spektroskopie untersucht. Der ionische Charakter der IL in festem Zustand konnte mittels Bandenverschiebung der deprotonierten Sulfonamidgruppe im IR-Spektrum bestätigt werden. In der Röntgenkristallstrukturanalyse konnte gezeigt werden, dass sich die Moleküle der FS in Schichten anordneten, in denen jedes Molekül mit vier Nachbarmolekülen über Wasserstoffbrücken verbunden war. Das BGG-K+ kristallisierte als Monohydrat. In dieser Kristallstruktur bildeten die Kaliumkationen in der bc-Ebene mit den BGG-Anionen ober- und unterhalb Schichten. Im Gegensatz zu der FS waren keine intermolekularen Wasserstoffbrücken zu beobachten. Die 15N-Festkörper-NMR-Spektren des BGG-K+ und der IL zeigten die gleiche chemische Verschiebung für den unsubstituierten Stickstoffes N-1‘ der Pyrazolgruppe und belegten somit ebenfalls die ionische Struktur der IL im festen Zustand. Die amorphe Struktur der IL wurde mittels Röntgen-Pulverdiffraktometrie und Polarisationsmikroskop bestätigt und eine flüssigkristalline Phase konnte ausgeschlossen werden. Die IL zeigte im Vergleich zu der FS eine 700-fach schnellere Auflösungsrate J und eine signifikante Verlängerung der Dauer der Übersättigung in wässriger Lösung. Der sprunghafte Anstieg der Kon-zentration in Lösung („spring“) und die Dauer der Übersättigung („parachute“) wurden mittels photometrischen und potentiometrischen Titrationen untersucht. Mit Hilfe der NMR-Spektroskopie konnte der Mechanismus der Übersättigung aufgeklärt werden. Das sterisch anspruchsvolle Gegenion Tetrabutylphosphonium verhinderte die Protonierung der deprotonierten Sulfonamidgruppe von BGG. In Lösung kam es zur Bildung von Aggregaten („Cluster“), in die sich das Gegenion teilweise einlagerte. Nach der Protonierung und der Bildung von Kristallisationskeimen präzipitierte die ungeladenen FS und der metastabile Zustand der Übersättigung („parachute“) brach zusammen. Um den Einfluss der Struktur des Gegenions auf die Auflösungsrate und die Dauer der Übersättigung zu untersuchen, wurden ca. 40 Phosphonium- und Ammonium-Kationen synthetisiert. Die Schmelzpunkte der Phosphonium- und Ammonium-Salze wurden mittels dynamischer Differenzkalorimetrie (DSC) ermittelt. Für das Phosphonium-Salz P3332OH-Bromid konnte eine enantiotrope Umwandlung der Modifikationen mittels temperaturabhängiger XRPD-Messungen bestätigt werden. Die Zelltoxizitäts-Untersuchungen der Phosphonium- und Ammonium-Salze an humanen Leberzellen (HepG2), Nierenzellen (HEK 293T) und murinen Makro-phagenzellen (J774.1) zeigten, dass mit höherer Lipophilie die Zelltoxizität zunahm. Polare Kationen zeigten keine Zytotoxizität (IC50 > 1000 µM). Die Zelltoxizität der Ammonium-Salze war im direkten Vergleich mit den Phosphonium-Salzen etwas geringer. Die synthetisierten Phosphonium- und Ammonium-Salze, die als Chloride-, Bromide- und Iodide vorlagen, wurden durch Anionenaustausch in Hydroxide umgewandelt. Die Ionischen Flüssigkeiten wurden in einer Säure-Base-Reaktion mit der freien Säure des BGG-Moleküls und den Hydroxiden hergestellt. Der ionische Charakter konnte mittels Bandenverschiebung der deprotonierten Sulfonamidgruppe im IR-Spektrum bestätigt werden. Die Substanzen waren amorph (XRPD) und die Glasübergangstemperaturen (DSC) bewegten sich für die Mono-Kationen im Bereich zwischen 40 °C – 97 °C, für Dikationen 81 °C - 124 °C und für Trikationen 124 °C - 148 °C. Damit erfüllten einige Substanzen die Definition einer Ionischen Flüssigkeit nicht (Smp. < 100 °C) und wurden daher als Niedrig-Gitter-Enthalpie-Salze (low lattice enthalpy salt = LLES) bezeichnet. Die ILs und LLES zeigten signifikante Unterschiede in der Auflösungsrate J, der Übersättigungszeit und der Wasserdampfsorption. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass allein durch die Auswahl des Gegenions wichtige Parameter für die orale Bioverfügbarkeit gesteuert werden können. Durch diesen Ansatz war es möglich, aus dem sehr schlecht wasserlöslichen Arzneistoff BGG492 Ionische Flüssigkeiten bzw. LLES herzustellen, die sich drastisch schneller auflösten und teilweise über mehrere Stunden übersättigte Lösungen bildeten. Insgesamt zeigte sich, dass durch eine Zunahme der Polarität des Gegenions eine größere Auflösungsrate J und eine geringere Zelltoxizität erzielt werden konnten. Jedoch verringerte sich dadurch die Dauer der Übersättigung in Lösung und erhöhte die Hygroskopizität der ILs und LLES. / Ionic Liquids (IL) are organic salts with a melting point below 100 °C and are a promising approach for improving oral bioavailability of poorly water soluble drugs. The poor water soluble drug BGG492 of the Novartis AG was prepared as Ionic Liquid (IL) using the sterically demanding counterion tetrabutylphosphonium. The IL is an amorphous, glass-like solid with a melting point of 57 °C. The free acid (FS), potassium salt of BGG (BGG-K+) and IL were characterized in solid state by means of polarization light microscopy (PLM), X-ray powder diffraction (XRPD), single crystal x-ray diffraction, infrared spectroscopy (IR) and solid state NMR spectroscopy. The ionic state of the IL in solid state could be confirmed by band shifts of the deprotonated sulfonamide group in the IR spectrum. The free acid crystallized in an orthorhombic space (Pbca) group and molecules were arranged in layers indicated by means of singly x-ray diffraction. Within each layer, one molecule was connected to four neighboring molecules via hydrogen bonds. The potassium salt crystallized as monohydrate. In this crystal structure, potassium ions formed layers in the crystallographic bc-plane with the anions placed atop and below the potassium ions. In contrast to the crystal structure of the free acid no hydrogen bonds between the molecules were detected. The 15N solid state NMR spectra of BGG-K+ and IL showed almost the same chemical shift of the unsubstituted nitrogen N-1’ of the pyrazole group and confirmed therefore the ionic state in solid state too. The amorphous structure of IL was confirmed by XRPD and polarization light microscopy; therefore a mesophase could be excluded. The comparison of the IL to free acid revealed a 700-fold faster dissolution rate and a significant extension of supersaturation time (Abb. 72). The rapid increase of concentration (“spring”) and the supersaturation time (“parachute”) were measured by photometrically and potentiometric titration. The super-saturating mechanism was elucidated by NMR spectroscopy. The sterically demanding counterion tetrabutylphosphonium hindered the protonation of the deprotonated sulfonamide group of BGG. In solution a formation of aggregates was observed (“Cluster”), in which the counterion was partially included. After protonation, the free acid crystallized and the metastable condition of supersaturation collapsed. In order to study the structural impact of the counterions on dissolution rate and supersaturation time, approximately 40 phosphonium and ammonium based counterions were synthesized. The melting points were obtained by differential scanning calorimetry (DSC). For the phosphonium bromide salt (P3332OH) an enantiotropic conversion was confirmed by temperature dependent XRPD measurements. The cytotoxicity studies of these phosphonium- and ammonium salts indicated at human liver cells (HepG2) and kidney cells (HEK), and at murine macrophage cells (J774.1) a higher cytotoxicity with increasing lipophilicity of the counterions. Polar counterions of the di- and trication-, hydroxyl- and amino series showed no cytotoxicity (IC50 > 1000 µM). The IC50 values of ammonium based counterions were slightly higher than their corresponding phosphonium counterions. The synthesized phosphonium and ammonium chloride, bromide or iodide salts were transformed into hydroxides via anion exchange in solution. The Ionic Liquids were prepared in an acid-base reaction with the free acid of BGG and the hydroxides. The substances were amorphous (XRPD) and the glass transition temperatures (DSC) were for monocations 40 °C – 97 °C, dications 81 °C – 124 °C and trications 124 °C – 148 °C. Therefore some substances do not fulfill the definition of Ionic Liquids (mp < 100 °C) and were named as low lattice enthalpy salts (LLES). The ILs and LLES showed significant differences in dissolution rate, supersaturation time and water sorption. This work showed that the choice of counterion can tune important parameter for oral bioavailability. Using the Ionic Liquid approach it was possible to create substances with strongly improved dissolution rates and long supersaturation times from the poor water soluble drug BGG492. The results revealed the more polar the counterion of the Ionic Liquid or LLES, the higher the dissolution rate and lower the cytotoxicity, but the shorter the supersaturation time and the higher the hygroscopicity.

Lattice forces are based on the attraction between the single moieties of molecules. The strength of lattice forces has an impact on the solid state and related physical properties such as melting point, boiling point, vapor pressure solvation and solubility. For solvation to occur, energy is required to break the lattice forces attracting ions and molecules among themselves. The energy for breaking up the attraction between the molecules is gained from the energy released when ions or molecules of the lattice associate with molecules of the solvent. Solubility is therefore, directly linked to the energy which is required to break the lattice forces and the energy which is liberated by solvation of the molecules or ions. Based on this relation, the lattice forces in two acidic compounds and a neutral compound were subsequently lowered by different approaches with the intention to increase the solubility, supersaturation, and dissolution rate. The conversion to an ionic liquid and the embedding of the compound in a pH-sensitive matrix in an amorphous state were investigated with an acidic compound and its pro-drug. The tetrabutylphosphonium (TBPH) salt showed the most promising properties among the tested counter ions. It alters the properties of the compound from a highly crystalline physicochemical state to an amorphous readily soluble material showing supersaturation in a wider pH range and higher solubility than the sodium and potassium salts. A solid dispersion approach was developed in parallel. Solid dispersions with two different pH-sensitive polymers and different drug load were prepared by lyophilization to determine the miscibility of the compound and the polymer by differential scanning calorimetry (DSC). A miscibility of 50% of the amorphous acid with the pH-sensitive Eudragit L100-55 matrix and a miscibility of 40% with hydroxypropyl methylcellulose acetate succinate (HPMC-AS) was found. Both approaches, the TBPH salt and the solid dispersion based on the pH-sensitive Eudragit L100-55 were tested in vivo. The TBPH salt was dosed in a buffered solution to prevent precipitation in the acidic stomach pH. This resulted in BAV higher than the crystalline suspension but lower than the solid dispersion. There were no acute toxicology effects seen. Thus, TBPH was considered safe for further studies. The TBPH salts were very hygroscopic, sticky and prone to precipitation as free compound when exposed to low pH when simulating the passage through the stomach. Thus, the principle of the ionic liquid was combined with the principle of an amorphous solid dispersion. This mitigated the risk of precipitation of the TBPH salt during the passage of the stomach. Also delinquency upon open storage was improved by embedding the TBPH salt in a pH-sensitive polymer. Dissolution tests mimicking the pH gradient in the gastro intestinal tract confirmed the protective properties of the pH-sensitive polymer matrices against recrystallization at low stomach pH in vitro. Furthermore, supersaturation at pH ranges relevant in the intestines of preclinical species or humans was observed. The TBPH solid dispersion showed superior supersaturation behavior in vitro compared to the free acid in pH-sensitive matrix. However, equally increased bioavailability (BAV) was observed when the amorphous solid dispersion contained the free acid form or the TBPH salt. Absorption seemed to be so fast that the short in vitro supersaturation observed for the free from in pH-sensitive matrix was already sufficient for complete absorption within 15 - 30 minutes. This is in accordance with the short tmax of around 15 - 30 minutes after oral application of the low lattice force principles. The pharmacokinetic (PK) profile became the main focus of further optimization as the BAV was maximized already. Early maximal plasma concentration (tmax) went along with high maximal plasma concentration (Cmax) for the low lattice force principles. Central nervous system related side effects as consequence of the PK profile with such a high Cmax were likely to happen and therefore, the formulation principles were modified to maintain the doubled BAV and reduce the observed Cmax. Additionally, the compound showed a short half-life requiring a two times daily dose, which is suboptimal for a chronic treatment. The amorphous acid in pH-matrix showed a modified PK profile when dosed in a hydrogel but not in an oleo gel. Surprisingly, administration of the TBPH salt in pH-matrix suspended in oil showed a massive delay of the tmax to 8 hours and a reduction of Cmax by factor 2 - 3 with unchanged good BAV when administered as a suspension in oil without increased viscosity. TBPH salt solution with a high viscosity resulted in the same PK profile as when administered without increased viscosity. The animal model was changed from rat to dog. The dose was limited to 15 mg/dog since they reacted much more sensitively to the drug. BAV at this dose level was 100% for the crystalline suspension already, thus the focus of this study was not increasing BAV but to achieve prolonged and/or delayed exposure using different formulation principles elaborated in rats before. An immediate release formulation of 3 mg was combined with a delayed/modified release principle containing 12 mg of the compound. An additional study arm was conducted with a remote controlled device programmed to deliver a first dose of 3 mg instantaneously after passing the stomach and a second dose of 12 mg when entering the caecum. The tmax remained short for all formulation principles and it seemed that delayed and modified release lead to BAV reduction. The modified PK profiles could not be translated to an oral dog model which endorsed the hypothesis of an absorption window; however, the in vitro results could be translated to a dog model for colonic absorption. A nanosuspension of the crystalline compound, the TBPH salt in pH-matrix and the TBPH salt of the pro-drug of the compound were administered rectally to determine colonic absorption. The nanosuspension showed exposure around the limit of quantification whereas the TBPH in pH-matrix showed 4% BAV and the pro-drug as TBPH salt in pH-matrix resulted in 12% BAV although the pro-drug is factor 3 less soluble. This was in line with the increased permeation of the pro-drug which was observed in the Caco2 experiments. The bioavailability was increased by using the low lattice force principles and validated the hypothesis for the acidic drug and its pro-drug in the colonic dog model. Chemical and physicochemical stability of the investigated solid dispersions was confirmed for at least 18 months at room temperature. Amorphous solid dispersions were investigated to lower lattice forces of a neutral molecule. Solid dispersions are well known from literature; however, they are not frequently used as principles for dosage forms due to limitations in physical stability and complex manufacturing processes. A viable formulation principle was developed for a neutral compound assuming that the stability of a solid dispersion with a drug load below the maximal miscibility will be better than one which exceeds the maximal miscibility. The dispersed and amorphous state of the neutral compound resulted in a higher energy level and chemical potential compared to a crystalline form implying that they are thermodynamically instable and sensitive to recrystallization. This was confirmed by the fast recrystallization of an amorphous solid dispersion made from HPMC with 50% drug load which recrystallized within a few days. Solid dispersions with different drug loads in different polymers and in polymer mixtures were prepared by lyophilization. The miscibility of the compound and the polymer was determined by DSC as the miscibility is a surrogate for maximal stable drugload of the solid dispersion. HPMC was found to be miscible with 20% compound confirming the instability of the 50% HPMC solid dispersion observed earlier. Based on dosing needs, a miscibility/drug load of at least 30% was mandatory because of the dosing requirements to dose less than 1500 mg of final formulation. This was considered as maximal swallowable volume for later clinical development. Thus, all systems with a miscibility higher or equal to 30% drug in polymer were evaluated in an in vitro dissolution test and ranked in comparison with amorphous pure compound, crystalline compound and a 20% drug load solid dispersion made from HPMC. The HPMC based solid dispersion which gave good exposure in previous in vivo experiments did not support the high drugload that was needed. Therefore, similar in vitro behavior of this solid dispersion should result in similar in vivo performance. The polyvinylpyrrolidone (PVP) based solid dispersions scored with high drug load and medium initial kinetic solubility. The Soluplus based solid dispersion offer lower drug load and slightly lower initial kinetic solubility, but showed an extended supersaturation. The 4 best performing systems were evaluated in rats. They resulted in a short Tmax of 15 minutes and BAV higher than 85% indicating fast and complete absorption. The reference HPMC based solid dispersion with a drug load of 20% showed 65% BAV. This showed that higher drug loads were feasible and did not limit absorption in this animal model. Since the estimated human dose required a higher formulation density than obtained from lyophilization or spray drying, melt extrusion of the solid dispersion was considered to be the most adequate technology. The process temperature needed to be below 200 °C as this value represents the degradation temperature of the polymers. It was investigated by differential scanning calorimetry whether the compound can be mixed with the molten polymer. None of the polymers could dissolve the crystalline compound below the degradation point of the polymer. The temperature had to be increased to 260 °C until the compound was molten together to a monophasic system with polymer. This resulted in degradation of the polymers. Therefore, different plasticizers and small organic molecules with similar functional groups as the compound were investigated on their ability to reduce the melting point of the mixture of polymer and compound. Positive results were obtained with several small molecules. Based on a literature review, nicotinamide had the least concerning pharmaceutical activities and was chosen for further development. Solid dispersions with the same composition as the ones tested in rat were prepared with 9% nicotinamide as softener. Extrusion without nicotinamide was not possible at 135 °C or at 170 °C whereas the addition of 9% nicotinamide led to a homogenous extrudate when processed at 135 °C. The solid state of the extrudates was not molecularly dispersed but the compound was in a crystalline state. They could not reach the in vitro performance observed for the lyophilized solid dispersions with Soluplus or PVP derivatives. Nevertheless, the performances in the supersaturation assay were comparable to the HPMC based lyophilized solid dispersion. The Soluplus and PVP based crystalline extrudates were evaluated in a dog PK showing that the crystalline solid dispersion does not enable BAV higher than 90% within 24 hours after application. In parallel, the hygroscopicity of the meltextrudates was investigated by DVS and the best performing system based on Kollidon VA64 was further optimized regarding the solid state after its extrusion. The minimal process temperature to obtain a fully amorphous solid dispersion was determined by hot stage X-ray powder diffraction analysis (XRPD) and confirmed by lab scale extrusion. Addition of 9% nicotinamide lowered the process temperature from 220 °C (without nicotinamide) to 200 °C with nicotinamide. The minimal temperature for obtaining crystal free material was independent of the nicotinamide amount as soon as it exceeded 9%. Lowering the process temperature with nicotinamide reduced the impurity levels from 3.5% at 220 °C to 1.1% at 200 °C. The fully amorphous extrudates performed now better in the in vitro supersaturation assay than the lyophilized amorphous HPMC solid dispersion and the crystalline extrudates which were extruded at 135 °C. The process was up-scaled to a pilot scale extruder with alternative screw designs increasing mechanical shear forces and mixing which enabled lower process temperatures. This resulted in a maximal process temperature of 195 °C when nicotinamide was present and 205 °C without nicotinamide. However, shorter process time and reduced process temperatures (compared to the lab scale equipment) resulted in impurity levels smaller than 0.5% for both compositions and temperatures and made the nicotinamide obsolete. The amorphous extrudates from the pilot scale extruder performed better in vitro than the crystalline extrudates from the lab scale extruder and the lyophilized HPMC solid dispersion. A comparable PK profile of the HPMC solid dispersion and the amorphous melt extruded formulation principle was anticipated from these in vitro results. This was confirmed by the pharmacokinetic profile in dogs after oral administration of the final extruded solid dispersion formulation which was equivalent with the pharmacokinetic profile of the HPMC based solid dispersion formulation. The assumption that using a drug load below the miscibility prevents the solid dispersion from recrystallization was verified at least for a limited time by a stability test at elevated temperatures for 3 months showing no change in solid state. This indicates the opportunities of the low lattice forces approach, but also showed the importance of developing principles first assuring stable solid state, performance in vitro and in vivo, tailor them in a second step based on performance and combine them with technology such as melt extrusion as third step. If these steps are done in the context of clinical needs and quality it can rationalize the development of a solid dispersion and minimalize the formulation related risks regarding biopharmacy and stability. / Gitterkräfte basieren auf der Interaktion zwischen einzelnen funktionellen Gruppen und Regionen von Molekülen oder Ionen. Die Summe der Interaktionen beeinflusst physikalische Eigenschaften wie Schmelzpunkt, Siedepunkt, Dampfdruck, Solvatisierung und Löslichkeit. Für die Solvatisierung eines Moleküls aus einem Feststoff muss zum einen Energie aufgewendet werden, damit das Molekül seine Interaktionen mit den es umgebenden Molekülen überwinden kann. Zum anderen wird Energie frei, wenn das herausgelöste Molekül mit dem Solvens interagiert. Die Differenz zwischen der benötigten Energie, um die Interaktionen im festen Zustand zu überwinden, und der Energie, die frei wird, wenn das gelöste Molekül oder Ion mit dem Solvens interagiert, bestimmt die Löslichkeit. Auf dieser Gesetzmässigkeit aufbauend wurden die Gitterkräfte von zwei sauren Arzneistoffen und einem neutralen Arzneistoff sukzessive reduziert, um ihre Löslichkeit entsprechend zu erhöhen. Die sauren Verbindungen, das Stamm-Molekül und dessen Prodrug, wurden mit verschiedenen Gegenionen in ionische Flüssigkeiten umgewandelt. Verschiedene Gegenionen aus der Literatur wurden in die Untersuchungen miteinbezogen. Das Tetrabutylphosphonium-Gegenion (TBPH) hatte besonders vielversprechende Eigenschaften. Es modifizierte den Feststoffzustand von hochkristallin zu amorph. Dies resultierte in guten Löslichkeiten in ungepufferten wässrigen Systemen, vergleichbar mit den bereits bekannten Natriumsalze. Zusätzlich zeigten sie eine massiv verbesserte Löslichkeit bei biorelevantem pH. Die ionischen Flüssigkeiten blieben in Lösung in pH-Bereichen, in denen die klassischen Salze aufgrund ihres Eigen-pHs bereits präzipitierten. Bei einem tiefen pH, wie er im Magen vorkommt, fiel jedoch unmittlerbar die freie Form aus. Daher wurde parallel zum TBPH-Salz eine Solid Dispersion entwickelt auf Basis von pH-sensitiven Polymeren. Diese sollten zum einen den amorphen Zustand stabilisieren, zum anderen verhindern, dass der amorphe Arzneistoff bereits im Magen freigesetzt wird, da er als Säure bei tiefem pH schlecht löslich ist und ausfallen kann. Es wurden Trägermaterialen evaluiert, welche erst bei einem pH grösser als 5.5 löslich sind. Kriterium war die Mischbarkeit der Matrixpolymere mit dem Arzneistoff. Dazu wurden Solid Dispersions, bestehend aus der Verbindung und den Polymermatrices, in verschiedenen Verhältnissen lyophilisiert und anschliessend mit dynamischer Differenzkalorimetrie (DSC) auf ihre Mischbarkeit hin untersucht. Eudragit L100-55 wurde als pH-sensitives Matrixpolymer ausgewählt, da es bis zu 50% mit der Verbindung mischbar war. Hydroxypropyl-methylcellulose-Acetat-Succinat (HPMC-AS) jedoch nur zu 40%. In einer Tierstudie wurden das TBPH-Salz und die Solid Dispersion gegen eine Suspension des kristallinen Arzneistoffes getestet. Aufgrund der stark pH-abhängigen Löslichkeit des TBPH-Salzes wurde es als gepufferte Lösung appliziert, die Solid Dispersion als Suspension. Die beste Pharmakokinetik (PK) wurde für die Solid Dispersion gemessen, gefolgt von der TBPH-Salz-Lösung. Da das TBPH-Salz auch Schwächen im Bereich der Hygroskopizität und der Verarbeitung (wie Zerfliessen und Kleben) zeigte, wurde die ionische Flüssigkeit und die freie, amorphe Form des Arzneistoffes in eine pH-sensitive Matrix inkorporiert. Dissolutionsversuche, welche den pH-Verlauf nach oraler Applikation wiederspiegelten, zeigten, dass die anfänglich beobachtete Präzipitation bei den ionischen Flüssigkeiten bei tiefem pH ausbleibt, wenn sie in die pH-Matrix inkorporiert sind. Zusätzlich konnte eine Übersättigung in Kombination mit der pH-sensitiven Matrix beobachtet werden, nachdem der pH-Wert auf Niveau des Dünndarms anstieg. Der Effekt der Supersaturierung war jedoch mit der ionischen Flüssigkeit signifikant länger. Ebenso verbesserte sich mit der Solid Dispersion die Handhabung der ionischen Flüssigkeiten als Feststoff. Die modifizierten Löslichkeitseigenschaften in vitro führten auch zu einer verdoppelten Bioverfügbarkeit (BAV) in Ratten. Im PK-Profil war kein Unterschied auszumachen, ob der Arzneistoff amorph in pH-Matrix appliziert wurde oder als ionische Flüssigkeit in der pH-Matrix. Die Supersaturierung der freien amorphen Form in pH-Matrix, obwohl wesentlich kürzer als mit dem TBPH-Salz, reichte bereits für eine komplette Absorption in 15-30 Minuten. Dies widerspiegelte auch der tmax-Wert von 30 Minuten. Da Nebenwirkungen oft einhergehen mit hohen maximalen Plasmakonzentrationen (Cmax) und der Arzneistoff relativ schnell aus der Blutzirkulation eliminiert wird, wurde nun versucht, das PK-Profil entsprechend zu modifizieren, um eine längere Exposition und einen tiefere Cmax-Wert bei gleicher Fläche unter der Kurve (AUC) zu erreichen. Die freie amorphe Form des sauren Arzneistoffes zeigte eine leicht verlängerte Zeitspanne, bis Cmax erreicht wurde (tmax), und einen tieferen Cmax-Wert, wenn die Viskosität der dosierten Suspension mit Hydroxypropylmethylcellulose (HPMC) erhöht wurde. Überraschenderweise zeigte das in Maisöl dosierte TBPH-Salz ein um 7 Stunden verzögertes tmax und einen reduzierten Cmax-Wert. Da die Ratte nur bedingt Rückschlüsse und Extrapolation für ein humanes PK-Profil zulässt, wurde der Beagle-Hund als finales und repräsentatives Tiermodel gewählt. Die Hunde reagierten viel sensitiver auf die Verbindung. Deshalb war die maximale Dosis auf 15 mg pro Hund limitiert. Bei dieser Dosis beträgt die BAV für die kristalline freie Form des Arzneistoffes bereits 100%. Das Interesse lag primär auf der Modifizierung des PK-Profils hin zu tieferen Cmax-Werten und späterem tmax bei gleichbleibender AUC. Die Formulierungsansätze aus der Rattenstudie wurden zu einer Dosis von 3 mg kombiniert, welche unmittelbar freigesetzt wird, und einer zweiten Dosis von 12 mg, welche verzögert oder langsamer aufgenommen werden sollte. Zusätzlich wurde eine ferngesteuerte Kapsel benutzt, welche 3 mg sofort nach der Passage des Magens und 12 mg bei Ankunft im Caecum freisetzen sollte. Das tmax blieb für alle Kombinationen kurz und die verzögert oder langsamer freisetzenden Prinzipien resultierten in einer tieferen Exposition. Dies führte zur Formulierung der Hypothese, dass dieser Arzneistoff ein Absorptionsfenster haben könnte. Daher würde die Aufnahme, zumindest im Wesentlichen, auf den Dünndarm beschränkt. Die Entwicklung verzögert freisetzender Arzneiformen, die Anteile der Wirkstoffbeladung distal zum intestinalen Teil des Darmes freisetzen, wäre dann nicht zweckmäßig. Dieser Wirkstoffanteil würde in geringerem Maße, gegebenenfalls auch gar nicht, aufgenommen werden. Da technische Probleme bei der verzögerten Freisetzung nicht ausgeschlossen werden konnten, wurden die Formulierungen nun rektal in den Bereich des Caecums appliziert. Der Arzneistoff wurde als Nanosuspension, als TBPH in pH-Matrix und als TBPH des Prodrugs rektal appliziert. Die Exposition bei der Nanosuspension bewegte sich nahe dem Detektionslimit und ein wenig höher beim TBPH in pH-Matrix. Die Bioverfügbarkeit des Prodrugs als TBPH in pH-Matrix verglichen mit dem TBPH der Grundverbindung in der pH-Matrix war viermal höher. Dies passt gut zur besseren Permeation des Prodrugs in Caco2-Zellen, obwohl das Prodrug um Faktor 3 schlechter löslich ist. Amorphe Solid Dispersions wurden auf ihre Fähigkeit untersucht, die Gitterkräfte im Kristall eines neutralen Moleküls zu senken. Solid Dispersions sind seit ungefähr 50 Jahren in der Literatur bekannt, werden jedoch erst seit kürzerer Zeit erfolgreich von der Pharmaindustrie vermarktet. Die amorphe Form mit dem latenten Risiko der Rekristallisation bedeutet ein grosses Risiko in Bezug auf die Haltbarkeit eines Arzneimittels. In der vorliegenden Arbeit wurde diesem Risiko Rechnung getragen, indem die Mischbarkeit der Substanz mit den Polymeren gründlich untersucht wurde. Systeme, welche mischbar sind, haben ein wesentlich kleineres Risiko, bei der Lagerung zu rekristallisieren. Der amorphe Zustand geht einher mit einer höheren Energie im System, welche das System anfällig macht, durch Kristallisation in den tieferen Energiezustand überzugehen. Dies wurde bei einer HPMC-basierten Solid Dispersion mit 50% Beladung beobachtet. Die Bestimmung der Mischbarkeit deutete auf eine maximale Mischbarkeit von nur 20% hin. Dies korrelierte mit der Rekristallisation dieser Solid Dispersion innerhalb von zwei Wochen, wohingegen diejenige mit nur 20% Beladung wesentlich stabiler war. Basierend auf der zu erwartenden Dosis von 200  400 mg im Menschen, wie sie mit Hilfe der PK-Software vorhergesagt wurde, wurde eine Beladung von mindestens 30% spezifiziert. Alle Kombinationen, die bei der Analyse von den lyophilisierten Systemen mit DSC eine Mischbarkeit von 30% und mehr zeigten, wurden daher in einem Dissolutionstest untersucht. Die Resultate wurden in Relation zum reinen amorphen Arzneistoff, der kristallinen Form und der Solid Dispersion mit HPMC und 20% Beladung bewertet. Diese Solid Dispersion zeigte in Ratten bereits sehr gute Ergebnisse. Daher galt sie als positive Referenz. Systeme, die in vitro gleich gut oder besser abschnitten, sollten ebenfalls in vivo gut abschneiden. Polyvinylpyrrolidon (PVP)-basierte Systeme punkteten mit guter Mischbarkeit und hoher kinetischer Löslichkeit. Soluplus-basierte Systeme zeichneten sich hingegen eher durch lange Supersaturation bei etwas tieferen kinetischen Löslichkeiten und etwas tieferen Mischbarkeiten aus. In der Ratte zeigten alle getesteten Solid Dispersions eine bessere BAV als diejenige mit HPMC. Das tmax war mit 15 Minuten früh und die Absorption vollständig. Dies zeigte, dass höhere Beladungen durchaus möglich sind, ohne dass dies einen negativen Einfluss auf die PK hat. Mit der antizipierten Dosis für den Menschen fielen alle Herstellungsverfahren weg, bei denen das finale Produkt eine kleine Dichte hat. Als adäquat wurde somit die Hot Melt-Extrusion als Herstellungsmethode gewählt. Dieser Prozess hat seine Limitierung jedoch in der maximal möglichen Prozesstemperatur, welche je nach Gerät und Polymer bei ungefähr 200 °C liegt. DSC-Untersuchungen zeigten, dass aber 260 °C nötig sind, um die Substanz und das Polymer zu einer amorphen Phase zusammenzuschmelzen. Dies resultierte in einer Verkohlung der Polymere und war somit nicht umsetzbar. Verschiedene klassische plastifizierende Substanzen und kleinere organische Moleküle mit homologen funktionellen Gruppen wurden auf ihre schmelzpunktreduzierende Wirkung hin untersucht. Vielversprechende Resultate wurden mit mehreren kleinen organischen Molekülen beobachtet. Die klassischen plastifizierenden Substanzen waren allesamt nicht mischbar mit dem Arzneistoff. Nicotinamid wurde aufgrund seines Status als Nahrungsergänzungsmittel für die weitere Entwicklung ausgewählt. Die Solid Dispersions aus der Rattenstudie wurden mit den identischen Beladungen gemischt, jedoch waren die Pulvermischungen bei Temperaturen unter 170 °C nicht extrudierbar. Bei Zugabe von 9% Nicotinamid war die Mischung leicht über dem Schmelzpunkt von Nicotinamid bei 135 °C extrudierbar. Die Extrudate waren für alle verwendeten Polymere kristallin, die Resultate im Auflösungstest im Bereich der HPMC-Solid Dispersion mit 20% Beladung konnten aber mit den Ergebnissen der Kollidon- und Soluplus-basierten Systeme aus der Rattenstudie (alle amorph) nicht mithalten. Die folgende Hundestudie, welche mit einer Formulierung basierend auf Kollidon VA64, einer auf Kollidon K12/K30 und einer auf Basis Kollidon VA64/Soluplus Formulierung durchgeführt wurde, zeigte eine Verbesserung der PK im Hund. Gleichzeitig war aber auch ersichtlich, dass die amorphe HPMC-Solid Dispersion mit 20% Beladung noch wesentlich besser abschnitt. Daher wurde der Extrusionsprozess optimiert, um ein komplett amorphes Extrudat zu erhalten. Parallel wurden die Solid Dispersions per DVS auf ihre Hygroskopizität hin getestet. Kollidon VA64 zeigte die geringste Wasseraufnahme. Zusätzlich ist das Polymer laut Hersteller temperaturstabil bis ungefähr 230 °C. Die Prozesstemperatur wurde mittels Hot Stage-Pulverdiffraktometrie (XRPD) bestimmt, indem eine physikalische Mischung erhitzt wurde und dabei jeweils XRP-Diffraktogramme erstellt wurden, bis bei 230 °C keine kristallinen Signale mehr beobachtbar waren. Diese Temperatur lieferte auch auf dem im Labormassstab arbeitenden Extruder komplett amorphes Material. Die minimale Extrusionstemperatur betrug 220 °C ohne Nicotinamid und 200 °C mit 9% Nicotinamid. Höhere Nicotinamidanteile reduzierten die minimale Extrusionstemperatur nicht weiter, kleinere Anteile erhöhten sie jedoch. Die um 20 °C reduzierte Prozesstemperatur senkte den Anteil von Abbauprodukten von 3.5% ohne Nicotinamid auf 1.1% mit Nicotinamid. Der Wechsel auf einen grösseren Extruder mit variablem Schraubendesign und verschiedenen Temperaturzonen ermöglichte grössere Scherkräfte, was tiefere Prozesstemperaturen ohne kristalline Anteile im Extrudat erlaubte. 195 °C waren mit 9% Nicotinamid nötig, 205 °C ohne. Beide Extrudate zeigten unter 0.5% Abbauprodukte. Dies machte den Gebrauch von Nicotinamid obsolet. Die Extrudate vom grösseren Extruder zeigten Dissolutionsergebnisse, welche identisch mit den lyophilisierten aus den Rattenstudien waren. Diese waren somit besser als die kristallinen Extrudate oder die HPMC-basierte 20% beladene Solid Dispersion. Das gute Abschneiden im in vitro-Test bestätigte sich in einer Hundestudie. Die Exposition der Kollidon basierten Extrudate war mit der PK des HPMC-Systems vergleichbar. Die Stabilität der beiden extrudierten Varianten wurde in einem Stabilitätstest unter Stressbedingungen verifiziert. Keines der Systeme zeigte physikalische Instabilitäten, und die Annahme, dass Beladungen von Systemen unterhalb ihrer maximalen Mischbarkeit physikalisch stabil sind, wurde für den gewählten Zeitraum von 3 Monaten auch unter Stressbedingungen bestätigt. Dies zeigt, dass eine rationale Entwicklung einer Solid Dispersion in einem finalen Produkt resultiert, welches die biopharmazeutischen Ansprüche ebenso erfüllt wie jene bezüglich der physikalischen Stabilität.

Since four decades, high-throughput screenings have been conducted in drug discovery, fuelling the identification of potential new drug candidates. This approach, however, often promotes the detection of compounds with undesired physico-chemical properties like poor aqueous solubility or low membrane permeability. Indeed, dissolution and absorption of a drug are prerequisites for systemic exposure and therapeutic effects. Therefore, innovative strategies to optimize unfavourable performance of new drug candidates are in great demand in order to increase drug concentrations at the site of action whilst simultaneously reducing drug variability. In chapter I of this research work, hydrophobic ion pairing (HIP) is discussed as a promising strategy to improve the bioavailability of BCS class III compounds, which have high aqueous solubility and low permeability. The review points out the limitations of poorly absorbable drugs and details the approach of pairing these APIs with hydrophobic counterions. Apart from the motivation to tailor physico-chemical, biopharmaceutical and toxicological properties of BCS class III compounds, the hydrophobic ion pairing facilitates their formulation into drug delivery systems. Besides advantageous effects, disadvantages of the ion pair formation, such as the decreased aqueous solubility of the ions pair, are critically outlined. Finally, the review covers an overview of non-invasive administration routes permitted after ion pair formation, including oral/enteral, buccal, nasal, ocular and transdermal drug administration. Overall, the HIP approach offers substantial benefits regarding the bioavailability enhancement of BCS class III compounds. Chapter II concerns GHQ168 developed by Holzgrabe et al., a BCS class II compound characterized by low aqueous solubility and high permeability. GHQ168 was developed for the treatment of human African trypanosomiasis (HAT), a tropical disease for which novel active compounds are urgently needed. This lead compound was found to be very active against trypanosoma brucei brucei and trypanosoma brucei rhodesiense in cell culture assays, however, the low aqueous solubility prevented further preclinical development. To target this drawback, two different approaches were selected, including (I) the chemical modification and (II) the spray drying of GHQ168. The newly synthesized set of derivatives as well as the spray dried GHQ168 were subjected to a physico-chemical and microbiological characterization. It turned out that both approaches successfully improved aqueous solubility, however, for the derivatives of GHQ168 at the expense of activity. Furthermore, the pharmacokinetic parameters of GHQ168 and of the most active derivatives, GHQ242 and GHQ243, were evaluated. Elimination half-lives between 1.5 to 3.5 h after intraperitoneal administration and modest to strong serum albumin binding for GHQ243 (45%) and GHQ168 (80%) and very high binding (> 99%) for GHQ242 were detected. The spray dried formulation of GHQ168, as well as GHQ242 and GHQ243 were investigated in two in vivo studies in mice infected with t. b. rhodesiense (STIB900), referred to as (I) stringent model and (II) early-treatment model. In the stringent model (2 applications/day on day 3-6 after infection) the mean survival duration (MSD) of mice treated with spray dried GHQ168 exceeded the MSD of the untreated control group (17 days versus 9 days), a difference that was statistically significant. In contrast, no statistical difference was observed for GHQ242 (14 days) and GHQ243 (12 days). GHQ168 was further assessed in the early-treatment model (2 applications/day on day 1-4 after infection) and again a statistically significant improvement of MSD (32 days (end of observation period) versus 7 days) was observed. Finally, exciting antitrypanosomal efficacy for the spray dried formulation of GHQ168 was demonstrated. NADPH oxidases (NOX) were found to be the main source of endothelial reactive oxygen species (ROS) formation. Chapter III reports on the formulation studies on triazolopyrimidine derivatives from the VAS library, a set of NADPH oxidase inhibitors. These were developed for the treatment of elevated ROS levels, which contribute to the development of cardiovascular diseases. Although in vitro results from numerous studies indicated promising efficacy and selectivity for the VAS-compounds, the low water solubility impeded the in vivo translation and further preclinical development. For this reason, three derivatives, VAS2870, VAS3947, and VAS4024 were physico-chemically characterized and VAS3947, the most soluble compound, was selected for further formulation studies. These approaches included (I) spray drying, (II) microemulsification and (III) complexation with cyclodextrins in order to develop formulations for oral and parenteral application. Solubility improvement of VAS3947 was successfully demonstrated for all preparations as expressed by supersaturation ratios in comparison to the solubility of the unformulated compound. For seven spray dried formulations, the ratio ranged from 3-9, and the ratio for four microemulsions was 8-19 after 120 min, respectively. The six cyclodextrin formulations achieved the highest supersaturation ratio between 3 and 174 after 20 hours. NMR measurements elucidated the inclusion of VAS3947 within the CD’s cavity as well as the interaction with its outer surface. Ultimately, NOX inhibitors were opened for oral and parenteral administration for the first time. After successful solubility improvement of VAS3947, further investigations towards in vivo studies were conducted including stability studies with a focus on stability in solution and in plasma as presented in chapter IV. Furthermore, permeability and cytotoxicity assays were performed for the first time. It turned out that VAS3947 was instable in buffer and when exposed to light. Moreover, the compound showed decomposition in the presence of mouse microsomes and in human plasma. The VAS compounds contain an oxazol moiety linked to the triazolopyrimidine skeleton via a thioether. This structural element is responsible for the efficacy of the compound class, however it is susceptible to hydrolysis and to further degradation reactions. Moreover, VAS3947 harmed membrane integrity in the cell permeability assays and cytotoxicity investigations in HEK-293 and HEP-G2 cells revealed IC50 values in the same concentration range as reported for efficacy assays. Summarized, it was demonstrated that substances from the VAS library were no appropriate model compounds for ROS investigations nor suitable candidates for further preclinical development. / Seit vier Jahrzehnten werden Hochdurchsatz-Screenings in der Arzneimittelforschung durchgeführt, was die Erkennung von potentiellen Wirkstoffkandidaten vorantreibt. Diese Vorgehensweise begünstigt jedoch häufig die Identifizierung von Substanzen mit unerwünschten physikochemischen Eigenschaften wie geringer Wasserlöslichkeit oder geringer Membranpermeabilität. Der Bioverfügbarkeitstheorie zufolge sind die Auflösung und die Absorption eines Arzneistoffs Voraussetzung für die systemische Verfügbarkeit und die therapeutische Wirkung. Daher werden innovative Strategien, die die ungünstigen Eigenschaften neuer Wirkstoffkandidaten optimieren, dringend benötigt, um die Arzneistoffkonzentration am Wirkort zu erhöhen und gleichzeitig Wirkstoffschwankungen zu reduzieren. In Kapitel I dieser Forschungsarbeit wird die hydrophobe Ionenpaarbildung als vielversprechende Strategie diskutiert, um die Bioverfügbarkeit von BCS Klasse III Substanzen zu verbessern, die sich durch hohe Wasserlöslichkeit und geringe Permeabilität auszeichnen. Der Review zeigt die Grenzen von schlecht absorbierbaren Arzneistoffen auf und stellt den Ansatz vor, diese mit hydrophoben Gegenionen zu kombinieren. Abgesehen von der Motivation, die physikochemischen, biopharma-zeutischen und toxikologischen Eigenschaften von BCS Klasse III Substanzen positiv zu beeinflussen, wird die Formulierung der hydrophoben Ionenpaare in Trägersysteme erleichtert. Neben den Vorteilen werden auch die Nachteile der hydrophoben Ionenpaarbildung, wie beispielsweise die geringere Wasserlöslichkeit der Ionenpaare, kritisch dargestellt. Abschließend gibt der Review eine Übersicht über die verschiedenen nicht-invasiven Applikationsrouten, die nach hydrophober Ionenpaarbildung realisierbar sind, was die orale/enterale, bukkale, nasale, okulare und transdermale Arzneistoffgabe umfasst. Insgesamt bietet dieser Formulierungsansatz wesentliche Vorteile im Hinblick auf die Verbesserung der Bioverfügbarkeit von BCS Klasse III Substanzen. Kapitel II befasst sich mit GHQ168, entwickelt von Holzgrabe et al., einer BCS Klasse II Substanz mit geringer Wasserlöslichkeit und hoher Permeabilität. GHQ168 wurde zur Behandlung der afrikanischen Schlafkrankheit entwickelt, einer tropischen Erkrankung, für die neue Arzneistoffe dringend benötigt werden. Diese Leitsubstanz bewies in Zellkulturversuchen sehr hohe Aktivität gegen Trypanosoma brucei brucei und Trypanosoma brucei rhodesiense, die geringe Wasserlöslichkeit verhinderte jedoch die weitere präklinische Entwicklung. Um diese Herausforderung anzugehen, wurden zwei verschiedene Ansätze gewählt, zum einen (I) die chemische Modifikation und zum anderen (II) die Sprühtrocknung von GHQ168. Die neu synthetisierten Derivate und das sprühgetrocknete GHQ168 wurden physikochemisch und mikrobiologisch charakterisiert. Beide Ansätze verbesserten erfolgreich die Wasserlöslichkeit, im Fall der Derivate von GHQ168 jedoch zu Lasten der Aktivität. Weiterhin wurden die pharmakokinetischen Eigenschaften von GHQ168 und den aktivsten Derivaten, GHQ242 und GHQ243, untersucht. Nach intraperitonealer Applikation resultierten Halbwertszeiten zwischen 1.5 und 3.5 Stunden und eine mittlere bis hohe Plasmaproteinbindung für GHQ243 (45%) und GHQ168 (80%) und eine sehr hohe Plasmaproteinbindung für GHQ242 (> 99%). Die sprühgetrocknete Formulierung von GHQ168 sowie GHQ242 und GHQ243 wurden in zwei in vivo Studien in Mäusen, die mit t. b. rhodesiense (STIB900) infiziert waren, untersucht, die Modelle werden als (I) stringent model und (II) early-treatment model bezeichnet. Im stringent model (2x tägliche Gabe an Tag 3-6 nach Infektion) war die durchschnittliche Überlebensdauer von Mäusen, die mit sprühgetrocknetem GHQ168 behandelt worden waren, statistisch signifikant höher als die der unbehandelten Kontrollgruppe (17 gegenüber 9 Tagen). Im Gegensatz hierzu wurde kein statistisch signifikanter Unterschied für GHQ242 (14 Tage) und GHQ243 (12 Tage) festgestellt. GHQ168 wurde im early-treatment model (2x tägliche Gabe an Tag 1-4 nach Infektion) weiter untersucht und erneut wurde eine statistisch signifikante Verbesserung der durchschnittlichen Überlebensdauer (32 Tage (Ende der Beobachtungsphase) gegenüber 7 Tagen) bewiesen. Letztendlich konnte für die sprühgetrocknete Formulierung von GHQ168 eine erstaunliche Aktivität gegenüber Trypanosomen gezeigt werden. NADPH-Oxidasen (NOX) wurden als Hauptproduzenten von endothelialem reaktivem Sauerstoff erkannt. Kapitel III befasst sich mit Formulierungsstudien von Triazolopyrimidinderivaten aus der VAS-Substanzbibliothek, einer Reihe von NADPH-Oxidase-Inhibitoren. Diese Substanzen wurden zur Behandlung erhöhter reaktiver Sauerstoffspezies Werte entwickelt, denn diese tragen zur Entstehung von kardiovaskulären Erkrankungen bei. Obwohl die in vitro Ergebnisse zahlreicher Studien auf die vielversprechende Wirksamkeit und Selektivität der VAS-Substanzen hinweisen, verhinderte die geringe Wasserlöslichkeit den Übertrag auf in vivo Studien sowie die weitere präklinische Entwicklung. Daher wurden drei Derivate, VAS2870, VAS3947 und VAS4024, physikochemisch charakterisiert und VAS3947, die wasserlöslichste Substanz, wurde für weitere Formulierungsentwicklungen ausgewählt. Die Formulierungsansätze umfassten (I) die Sprühtrocknung, (II) die Herstellung von Mikroemulsionen und (III) die Komplexierung mit Cyclodextrinen, um Formulierungen für die orale und parenterale Verabreichung zu entwickeln. Die Löslichkeitsverbesserung von VAS3947 konnte für alle Ansätze erfolgreich gezeigt werden und wurde als Übersättigungsrate im Vergleich zur Löslichkeit der unformulierten Substanz dargestellt. Für sieben sprühgetrocknete Formulierungen und für vier Mikroemulsionen ergab sich eine Übersättigungsrate von 3-9, beziehungsweise von 8-19 nach 120 Minuten. Die sechs Cyclodextrin-Formulierungen erreichten mit 3-174 nach 20 Stunden die höchste Übersättigungsrate. Der Einschluss von VAS3947 in die Kavität der Cyclodextrine sowie die Interaktion mit deren Außenseite wurde mittels NMR aufgeklärt. Schließlich wurde erstmals die Möglichkeit der oralen und parenteralen Gabe der NOX-Inhibitoren eröffnet. Nach erfolgreicher Löslichkeitsverbesserung von VAS3947 wurden weitere Untersuchungen mit dem Ziel von in vivo Studien durchgeführt, was Stabilitätsuntersuchungen mit besonderem Schwerpunkt auf Stabilität in Lösung und in Plasma einschließt, wie im Kapitel IV aufgezeigt. Weiterhin wurden erstmals Permeabilitäts- und Zytotoxizitätsstudien durchgeführt. Es stellte sich heraus, dass VAS3947 in Puffer und bei Lichtexposition instabil war. Zudem wurde die Substanz in Gegenwart von Maus-Mikrosomen und in menschlichem Plasma abgebaut. Die VAS-Substanzen enthalten eine Oxazol-Ringstruktur, die über einen Thioether mit dem Triazolopyrimidin-Gerüst verbunden ist. Diese Strukturelemente sind für die Wirksamkeit der Substanzklasse verantwortlich, sind jedoch auch hydrolyseempfindlich und anfällig für weitere Abbaureaktionen. Zudem schädigte VAS3947 die Membranintegrität in den Permeabilitätsversuchen und die Zytotoxizitätsuntersuchungen in HEK-293 und HEP-G2 Zellen ergaben IC50-Werte im gleichen Konzentrationsbereich wie in Aktivitätsuntersuchungen berichtet. Zusammenfassend wurde aufgezeigt, dass die VAS-Substanzen weder ein geeignetes Modell für die Untersuchung reaktiver Sauerstoffspezies sind, noch geeignet für die weitere präklinische Entwicklung.

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.

Ätherische Öle bzw. Ätherisch-Öl Komponenten sind etabliert in der Therapie der chronischen und akuten Bronchitis. Eine klinische Studie, die mit Thymianextrakt durchgeführt wurde, ließ auf die klinische Wirksamkeit bei akuter Bronchitis schließen. Zahlreiche pharmakodynamische Effekte konnten in vitro für Thymianextrakt bzw. das ätherische Thymianöl gezeigt werden, jedoch wurde bis jetzt die systemische Verfügbarkeit der betreffenden Verbindungen am Zielorgan noch nicht untersucht. Diesbezügliche Untersuchungen sind notwendig, um die Verknüpfung zwischen den in vitro beobachteten Effekten und der klinischen Wirksamkeit herstellen zu können. Eine pharmakokinetische Studie wurde nach Einnahme einer Einzeldosis BronchipretTP (Filmtabletten mit 60 mg Primelwurzelextrakt und 160 mg Thymianextrakt) durchgeführt, um festzustellen, ob Thymol, das den Hauptbestandteil des ätherischen Thymianöls darstellt, zur Wirksamkeit dieser Zubereitung beitragen kann. Dazu wurde eine Extraktionsmethode für die Bestimmung von Thymol nach enzymatischer Spaltung des Phase-II-Konjugates Thymolsulfat im Plasma sowie von Thymolsulfat und Thymolglucuronid im Urin entwickelt. Es wurde eine neuartige, automatisierte headspace Festphasenmikroextraktionsmethode (HS-SPME) entwickelt, die Extraktion, Anreicherung und Probenaufgabe in einem einzigen Schritt ermöglichte. Die Quantifizierung von Thymol im unteren ng.mL-1 Bereich wurde durch die Verwendung von Gaschromatographie in Kombination mit Flammenionisationsdetektion durchgeführt. Die Automatisierung der Methode war notwendig um sie nach internationalen Richtlinien zur Validierung bioanalytischer Methoden validieren zu können. Dies ist das erste Mal, dass eine Bioverfügbarkeitsstudie bzw. eine pharmakokinetische Studie mit Hilfe der HS-SPME durchgeführt wurde. Thymol selbst war nicht systemisch verfügbar. Es war kein freies Thymol oberhalb von 1,4 ng/mL im Plasma detektierbar. Der systemisch verfügbare Phase-II-Metabolit wurde per LC-MS/MS als Thymolsulfat identifiziert. Thymolsulfat wurde nur im Plasma detektiert, wohingegen sowohl Thymolsulfat als auch Thymolglucuronid im Urin nachgewiesen wurden. Im Urin wurde kein freies Thyxmol oberhalb von 2,1 ng/mL detektiert. Da Thymol nur in Form von Thymolsulfat systemisch verfügbar war, wurde die pharmakokinetische Auswertung an Hand der sich nach enzymatischer Spaltung von Thymolsulfat ergebenden Daten vorgenommen. Die pharmakokinetische Studie wurde nach Verabreichung einer Einzeldosis BronchipretTP (1,08 mg Thymol) mit 12 Probanden durchgeführt. Die Resorption von Thymol war frühzeitig. Bereits nach 20 min konnte Thymol im hydrolisierten Plasma nachgewiesen werden. Maximale Plasmakonzentrationen (cmax) von 93,1±24,5 ng/mL (MW±SD) wurden nach 1,97±0,77 h (tmax) (MW±SD) erreicht. Die Plasmakonzentrationen zeigten einen biphasischen Verlauf und die terminale Eliminationphase setzte nach ca. 10 h ein. Die Eliminationshalbwertszeit errechnete sich zu 10,2 h. Dies betont die Wichtigkeit entsprechend langer Meßzeiträume in Verbindung mit einer hoch sensitiven Analytik, um die Elimination vollständig erfassen zu können. Bezogen auf die verabreichte Thymoldosis (1,08 mg) wurden 16,2±4,5 Prozent (MW±SD) mit unverändertem Thymolgrundgerüst renal eliminiert. Die renale Clearance von 271±156 mL/h (MW±SD) indiziert eine hohe Plasmaeiweißbindung und/oder tubuläre Reabsorption. Die Daten deuten darauf hin, dass die klinische Wirksamkeit nach Applikation einer thymianextrakthaltigen Zubereitung auf Thymolsulfat oder mögliche Phase-I-Metabolite zurückzuführen sein könnte. Die pharmakodynamischen Effekte dieser Verbindungen wurden bislang noch nicht untersucht. Andererseits könnte die Aktivität von Sulfatasen im Lungengewebe die pulmonale Elimination von Thymol erklären. Freies Thymol könnte somit am Respirationstrakt wirksam sein, obwohl es im Plasma nicht detektiert wurde. / Essential oil compounds are established for the therapy of chronic and acute bronchitis. A clinical trial with a preparation containing thyme extract has suggested clinical efficacy for acute bronchitis. Various pharmacodynamic effects have been demonstrated in vitro for thyme extract and the essential thyme oil, respectively, but systemic availability of these compounds in the respective target organs has not been proven yet. Such investigations are necessary to provide the link between in vitro effects and in vivo studies. A pharmacokinetic study following a single dose of BronchipretTP tablets (60 mg primrose extract and 160 mg thyme extract) was performed to determine whether thymol, which is the main compound in the essential oil of thyme, might contribute to the efficacy of this formulation containing thyme extract. Therefore an extraction method for the analysis of thymol after enzymatic cleavage of the phase II conjugates thymol sulfate in plasma as well as thymol sulfate and thymol glucuronide in urine was developed. A novel automated headspace solid-phase microextraction (HS-SPME) method was developed, which provided extraction, concentration and sampling in a single step. Quantification of thymol was consequently achieved at the lower ng×mL-1 level using gas chromatography combined with flame ionization detection. Automation of the method was necessary to test the method according to international guidelines for validation of bioanalytical procedures. This is the first time that HS-SPME has been used for a bioavailability or pharmacokinetic study. Thymol itself was not systemically available because no free thymol could be detected in plasma above 1.4 ng/mL. The systemically available phase II metabolite was identified as thymol sulfate by HPLC-MS/MS. Thymol sulfate was identified in plasma whereas both thymol sulfate and thymol glucuronide were detected in urine. No free thymol was detected in urine above a limit of quantification of 2.1 ng/mL. As thymol was systemically available only in the form of thymol sulfate, pharmacokinetic analysis of the data was carried out based on the data obtained after enzymatic cleavage of thymol sulfate. The pharmacokinetic study comprised a single-dose study with 12 healthy volunteers (1 tablet BronchipretTP equivalent to 1.08 mg thymol). Absorption of thymol was rapid after administration of a single dose of BronchipretTP tablets. Thymol could be detected in hydrolyzed plasma 20 min after application. Maximum plasma levels (cmax) of 93.1±24.5 ng/mL(mean±SD) were reached after 1.97±0.77 h (tmax) (mean±SD). Plasma concentrations showed a biphasic profile and the terminal elimination phase set in after about 10 h and continued up to 38 h. The terminal elimination half life was calculated to be 10.2 h. This stresses the importance of long sampling periods in combination with highly sensitive analytical tools to adequately follow the elimination profile. With regard to the applied thymol dose (1.08 mg) the renally eliminated amount of thymol with unchanged thymol base structure was 16.2±4.5 per cent (mean±SD). The renal clearance of 271±156 mL/h (mean±SD) indicates high protein binding and/or tubular reabsorption. The data indicate that the pharmacological effect observed in vivo after application of preparations containing thyme extract could be due to thymol sulfate or putative phase I metabolites. However, the pharmacodynamic effects of these compounds have not been investigated yet. Also the activities of sulfatases in lung tissue could explain the observed pulmonary elimination of thymol. Free thymol could therefore be effective at the respiratory system, although it was not detected in plasma.

Einleitung Melancholische Phase und Depression haben viele Ursachen. Neurotransmitter wie Serotonin, Hormone (Schwangerschaft), Spurenelemente wie Zink, oder unterschwellige Entzündungen (silent inflammation) spielen eine Rolle in der Pathogenese. Es gibt Hinweise für die Rolle des Spurenelementes Selen, insgesamt ist aber wenig darüber bekannt, ob Selen bei Stimmungsstörungen oder depressiven Phasen wirken könnte. Die untersuchte Multivitamin- und Spurenelement-Mischung Lavita® enthält unter anderem das Spurenelement Selen gebunden in organischer Matrix. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, Befunde zur Selen-Wirkung bei klinisch relevanten depressiven Zustandsbildern systematisch zu recherchieren, und in Verbindung mit einer Feld-Studie das Wirkpotential von Selen in der der Prüfsubstanz zu beschreiben. Methode Der Studie ging eine ausführliche Literaturrecherche in medizin-wissenschaftlichen Datenbanken voran. Das Studiendesign wurde von der Internationalen Gesellschaft für Präventionsmedizin e.V. (Augsburg, Deutschland) und der Studien-Supportfirma SCIgenia (Wien, Österreich) entwickelt. Gemäß Ein- und Ausschlusskriterien wurden 30 gesunde Probanden rekrutiert. Vor der ersten Einnahme wurden Basis-Blutwerte abgenommen, eine weitere Blut-Abnahme erfolgte nach drei Monaten, die Studienabschlussvisite mit der 3. Blutabnahme fand nach insgesamt sechs Monaten regelmäßiger Einnahme der Prüfsubstanz statt. Die Blut-Labor-Messungen für Selen und den Entzündungsparameter hsCRP wurden für die drei Zeitpunkte statistisch verglichen. Ergebnis Die Literaturrecherche erbrachte zwei Wirkmechanismen, aufgrund derer Selen als Antioxidans und/oder essentieller Ko-Faktor von Enzymen im Serotoninstoffwechsel eine Rolle in der Behandlung depressiver Verstimmungen spielen kann. Bei der eigenen Studie beendeten von den 30 rekrutierten gesunden Teilnehmern 29 die Studie protokollgemäß. Die ermittelten Basis-Werte für den hsCRP-Inflammationsmarker waren niedrig und zeigten nach 6 Monaten der Einnahme eine Tendenz weiter abzufallen. Die Basiswerte für Selen lagen zu Studienbeginn mehrheitlich unter dem empfohlenen Referenzbereich. Die Basis-Selenwerte besserten sich bereits nach drei Monaten regelmäßiger Einnahme signifikant (p < 0,048). Besonders die intrazellulären Selenwerte wurden verhältnismäßig rasch und nachhaltig erhöht. Schlussfolgerungen Das Prüfpräparat weist eine gute Selen-Bioverfügbarkeit auf. Die regelmäßige Einnahme des Prüfpräparates bewirkte den Ausgleich niedriger Selenwerte zu Studienbeginn, und bewirkte die Tendenz zur Abnahme der ohnehin geringen Entzündungsparameter in gesunden Probanden. Beides, die beobachtete Selenzunahme aber auch die anti-inflammatorischen Wirkungen könnten die Stimmungslage positiv beeinflussen.

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

6 Zusammenfassung Marianne Reinboth Bioverfügbarkeit des Flavonols Quercetin beim Hund Veterinär-Physiologisches Institut der Veterinärmedizinischen Fakultät der Universität Leipzig Eingereicht im Juni 2010 79 Seiten, 20 Abbildungen, 6 Tabellen, 211 Literaturangaben, 1 Anhang Schlüsselwörter: Quercetin, Bioverfügbarkeit, Hund, absolute Bioverfügbarkeit, Isoquercitrin, Rutin, Flavonole Für das pflanzliche Flavonol Quercetin werden vielfältige gesundheitsfördernde Wirkungen postuliert, so auch bei Hunden. Über die Bioverfügbarkeit des Flavonols bei dieser Spezies liegen bislang jedoch keinerlei Daten vor. Daher hatte diese Arbeit das Ziel, Bioverfügbarkeit und pharmakokinetische Parameter von Quercetin und wichtigen Quercetinglycosiden bei Hunden nach deren Verabreichung mit einer Testmahlzeit in einer praxisrelevanten Dosierung von 10 mg/kg Körpermasse zu untersuchen. Dazu erhielten 9 adulte Beagles beiderlei Geschlechts das zuckerfreie \"Aglycon\" Quercetin bzw. seine Glycoside Isoquercitrin (Quercetin-3-O-Glucosid) und Rutin (Quercetin-3-O-Glucorhamnosid) in jeweils äquimolarer Dosierung in einer Testmahlzeit verabreicht. Anschließend wurden Blutproben über einen Zeitraum von bis zu 72 Stunden entnommen und mittels HPLC die Konzentrations-Zeitverläufe der Metaboliten im Blutplasma, die Bioverfügbarkeit sowie weitere pharmakokinetische Parameter bestimmt. Weiterhin wurde die absolute Bioverfügbarkeit von Quercetin aus dem Vergleich einer oralen mit einer intravenösen Applikation bestimmt. Der weitaus größte Teil der Plasmametaboliten von Quercetin sowie seiner beiden Glycoside bestand aus glucuronidierten bzw. sulfatierten Quercetinkonjugaten. Nicht konjugiertes Quercetin-Aglycon kam nur in einem Anteil von etwa 20 % vor. Neben Quercetin machten seine Metaboliten Isorhamnetin und Kämpferol weniger als 10 % aller im Plasma zirkulierenden Flavonole aus. Die absolute Bioverfügbarkeit von Quercetin betrug nur etwa 4 %. Die relative Bioverfügbarkeit aus dem 3-O-Glucosid Isoquercitrin war mehr als doppelt so hoch wie aus dem Aglycon, die maximalen Plasmaspiegel lagen aber auch hier unter 1 µmol/l. Sowohl nach Aufnahme von Quercetin als auch nach Isoquercitrin kam es zu einer relativ schnellen Absorption aus dem Dünndarm mit einem ersten Plasmapeak ungefähr eine Stunde nach der Ingestion. Vier Stunden nach Aufnahme der beiden Flavonole trat ein zweiter Plasmapeak auf, der in der Regel höher als der erste ausfiel. Dies deutet auf einen enterohepatischen Kreislauf der über die Galle ausgeschiedenen Metaboliten hin. Nach Aufnahme von Rutin kam es zu einer verzögerten Absorption, da eine Deglycosylierung durch bakterielle Glycosidasen im Dickdarm Voraussetzung für die Absorption des Flavonols ist. Maximale Plasmakonzentrationen wurden im Mittel erst 11 Stunden nach Ingestion dieses Glycosids erreicht. Die maximalen Plasmakonzentra-tionen nach Rutin waren geringer als nach Quercetin oder Isoquercitrin, jedoch war die mittlere Verweildauer der Plasmametaboliten mit 18 Stunden auch wesentlich länger. Im Unterschied zu anderen Spezies war die relative Bioverfügbarkeit von Rutin gegenüber Quercetin nicht verringert. Obwohl Rutin eine relativ gute Quercetinquelle für Hunde zu sein scheint, muss bei der Einschätzung möglicher In-vivo-Wirkungen die relativ geringe Bioverfügbarkeit sowie die intensive Metabolisierung seines Aglycons Quercetin berücksichtigt werden. / 7 Summary Marianne Reinboth Bioavailability of the Flavonol Quercetin in Dogs Institute of Physiology of the Faculty of Veterinary Medicine, University of Leipzig Submitted in June 2010 79 pages, 20 figures, 6 tables, 211 references, 1 appendix Keywords: quercetin, bioavailability, dog, absolute bioavailability, isoquercitrin, rutin, flavonols The plant flavonol quercetin is supposed to exert multiple health-related effects in dogs. To date no information on its bioavailability in this particular species is avai-lable. This study intended to investigate bioavailability and pharmacokinetics of quercetin and certain quercetin glycosides in dogs after ingestion of a test meal sup-plemented with a quercetin dose equivalent to 10 mg/kg body weight. Nine adult beagle dogs of both sexes received the aglycon quercetin (sugarfree) or its glycosides isoquercitrin (quercetin-3-O-glucoside) and rutin (quercetin-3-O-glucorhamnoside) in equimolar amounts together with a test meal. Blood samples were taken over a period of up to 72 hours; bioavailability and pharmacokinetics were calculated from the HPLC-derived plasmaconcentration-time-curves. Absolute bioavailability was calculated by comparing an oral to an intravenous administration of quercetin. The majority of analysed plasma metabolites were glucuronidated and sulfated con-jugates of quercetin. Non-conjugated quercetin aglycon comprised only 20 %. Be-sides quercetin, its metabolites isorhamnetin and kaempferol made up less than 10 % of all circulating metabolites. The absolute bioavailability of quercetin was only 4 %. The relative bioavailability of quercetin from isoquercitrin was more than twice as high than from the aglycon, but even there maximal plasma concentrations were generally less than 1 μmol/l. Absorption from the small intestine was rather fast with a first plasma peak after 1 hour after ingestion of quercetin or isoquercitrin. A second, generally higher plasma peak occurred 4 hours after ingestion. This suggests an in-tensive enterohepatic recycling of biliary secreted metabolites. Absorption was significantly delayed after ingestion of rutin due to the necessity of bacterial deglycosilation in the large intestine. Plasma concentrations peaked only after 11 hours. Plasma concentrations after rutin were lower than after quercetin or isoquercitrin, but mean residence time of plasma metabolites was as long as 18 hours after rutin ingestion. Consequently, a once daily feeding of dogs with rutin might lead to relatively constant plasma metabolite concentrations. In contrast to other species, bioavailability from rutin was not smaller than that from quercetin. Although rutin seems to be a relative good quercetin source for dogs, estimations about potential in-vivo-effects of quercetin have to take into consideration its low bioavailabilty and intensive metabolism.