Aus pharmakokinetischer Sicht sind neben Parametern wie der oralen Bioverfügbarkeit und der systemischen Clearance, für die Effektivität und Sicherheit eines inhalativ angewendeten Wirkstoffes unter anderem das Ausmaß der pulmonalen Deposition und seine pulmonale Umverteilungskinetik entscheidend. Wird eine topische Wirkung des Arzneistoffes angestrebt, so trägt eine lange Verweilzeit des Arzneistoffes im Zielgewebe, verbunden mit einer langsamen Umverteilung in den systemischen Kreislauf zu einer Wirkungsoptimierung mit gleichzeitiger Minimierung systemischer Nebenwirkungen bei. In-vitro- und ex-vivo-Modelle eignen sich hervorragend zur isolierten Untersuchung solcher pharmakokinetischer Vorgänge ohne den Einfluss verschiedener in-vivo-Faktoren, wie der Verteilung in andere Gewebe, Metabolisierungs- oder Eliminationsprozessen. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war es daher, Modelle der humanen Lunge zu etablieren bzw. weiterzuentwickeln, die möglichst realitätsnah die Untersuchung der Pharmakokinetik pulmonal applizierter Wirkstoffe ermöglichen. / From a pharmacokinetic point of view, the extent of pulmonary deposition and the pulmonary redistribution are crucial for an inhaled drug’s effectiveness and safety besides parameters such as oral bioavailability and systemic clearance. Aiming at a local effect, a long residence time in the target tissue combined with a slow redistribution into systemic circulation contribute to a drug’s optimal potency while simultaneously minimizing systemic adverse effects. In-vitro and ex-vivo models are particularly suitable for examining single pharmacokinetic aspects without the influences occurring in-vivo such as distribution into other tissues and processes of metabolism or elimination. Therefore, the aim of the present thesis was to establish, respectively enhance models of the human lung, which were able to describe the pharmacokinetics of pulmonary applied drugs close to reality.

Zur Bestimmung von geringen Wirkstoffkonzentrationen in biologischen, speziell human-biologischen Matrizes wie Blut, Urin oder Mikrodialysat bedarf es einer Analysentechnik, die den Wirkstoff mit einem Höchstmaß an Selektivität, Spezifität und Präzision bestimmen kann. Daneben muß die verwendetete Methode eine hohe Geschwindigkeit aufweisen und sehr robust sein, da bei der heutigen marktwirtschaftlichen Lage Analysensysteme eine optimale Auslastung erfahren müssen. Aus diesem Grund ist der Umbau oder die Umstellung der Methode von einem zum anderen Wirkstoff ohne nennenswerten Zeitverlust ein maßgeblicher Faktor. Als Technik, die diese Anforderungen optimal erfüllt, hat sich in den letzten Jahren die LC-MS/MS-Technik etabliert. Sie ist den bislang überwiegenden Methoden, wie GC-MS-Techniken oder HPLC-UV-Detektion bzw. Fluoreszenztechniken in Bezug auf die oben genannten Parameter deutlich überlegen. In der vorliegenden Arbeit wurden für die Wirkstoffe Cisaprid, SC-72393, Haloperidol, Linezolid, Methotrexat und Ketoprofen LC-MS/MS-Methoden entwickelt oder via unabhängiger Laborvalidierung auf die lokalen Gegebenheiten transferiert und zur Bestimmung pharmakokinetischer Parameter zur Anwendung gebracht. Ziel der Methodenentwicklung war es die hohe Selektivität und Empfindlichkeit des Detektors zu nutzten, um bei geringen Probenvolumina eine Bestimmungsgrenze zu erreichen, die es ermöglichte ausreichend viele Meßwerte zu bestimmen, um die pharmakokinetischen Parameter der Wirkstoffe zu berechnen. Zusätzlich wurde eine Maximierung des Probendurchsatzes und eine Minimierung des personellen und materiellen Aufwandes angestrebt ohne dabei einen Qualitätsverlust der Methode zu erleiden. Eine gelungene Methoden-entwicklung bedurfte daher der Optimierung der Probenaufarbeitung, die sich neben den chemisch-physikalischen Eigenschaften des Wirkstoffes hauptsächlich an der Menge der zur Verfügung stehenden Probe orientierte. Das chromato-graphische System hingegen hing weitestgehend von den chemischen Eigenschaften des Analyten und von den massenspektroskopischen Bedingungen ab, die verdampfbare Puffer im Fließmittel erforderten. Diese drei zu optimierenden Teilbereiche, die miteinander interagieren, wurden jeweils sorgsam aufeinander abgestimmt, um eine Methode zu entwickeln, die die zu erwartenden Wirkstoffkonzentrationen in der jeweiligen Matrix sicher und robust bis hin zum Quantifizierungslimit bestimmen konnte. / In order to quantify low drug concentrations in biological, specifically human matrices as blood, urine or microdialysate it is indispensable to use a technique, that is able to evaluate the drug with a maximum of selectivity, specifity and precision. In addition the used method needs to be fast and robust to meet todays economical requirements. For this reason the used equipment has to be exchangeable within the used methods without any time interuptions worth mentioning. The LC-MS/MS-technique, which has been established as routine technic over the last decade fulfils these requirements. It is superior with regards to selectivity, specifity and precision over methods such as GC-MS or HPLC with UV- or fluorescense-detection. In this thesis method development, validation or independent laboratory validation was done with LC-MS/MS on Cisapride, SC-72393, Haloperidol, Linezolid, Methotrexat and Ketoprofen to determine their concentrations and to calculate pharmakokinetic parameters. The objective of the method development was to use the high selectivity and sensetivity of the detector to reach a low quantification limit with the limited specimen volumes given. Besides that a maximum throughput of specimens with a minimum of personal expense was aspired without decreasing the quality of the produced data by taking into account the phamakokinetic parameters to be determined. Therefore an optimum of the work-up procedure as well as the chromatographic and the mass spectrometric conditions has to be developed for the individual drugs with their physicochemical properties. Limitations were frequently given by the availability of the specimen volume. Those three parts, which interact with each other were carefully coordinated to develop a method that quantifies the specific drug concentrations in the individual matrix with good sensitivity and robustness down to the limit of quantification.

Die vorliegende Arbeit beschreibt die Synthese siliciumhaltiger Analoga (C/Si-Austausch) der Wirkstoffe Panamesine, Niceritrol und Hepronicate sowie die Darstellung dieser Wirkstoffe selbst. Darüber hinaus wurden siliciumhaltige Derivate eines selektiven N-Typ-Calciumkanal-Antagonisten sowie siliciumhaltige Synthesebausteine vom allgemeinen Formeltyp Si(CH2X)4 dargestellt (X = SAc, SH, OAc, OH, Br, I, N3). Die Charakterisierung der Zielverbindungen sowie aller auftretenden Zwischenstufen erfolgte durch NMR-Spektroskopie (1H, 13C, 15N, 19F, 29Si) und elementaranalytische Untersuchungen. / This work describes the syntheses of panamesine, niceritrol, hepronicate and their sila-analogues (C/Si exchange). Silicon-containing derivatives of a selective N-type calcium channel antagonist and tetrafunctional silanes of the formula type Si(CH2X)4 (X = SAc, SH, OAc, OH, Br, I, N3) were synthesized as well. All these compounds and all the intermediates were characterized by NMR studies (1H, 13C, 15N, 19F, 29Si) and elemental analyses.

Die Alzheimer’sche Erkrankung ist eine neurodegenerative Erkrankung des Gehirns. Um geeignete Medikamente für die Behandlung der Alzheimer’schen Erkrankung zu finden, werden experimentelle Modellsysteme zur Erforschung von Substanzkandidaten verwendet. Ein solches experimentelles System ist die hippocampale Langzeitpotenzierung (LTP), welche ein anerkanntes in vitro Modell für die Erforschung der zugrundeliegenden zellulären Prozesse der Gedächtnisbildung ist. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Etablierung und Validierung von LTP in hippocampalen Hirnschnitten der Ratte um gedächtnissteigernde Substanzen zur potentiellen Behandlung der Alzheimer’schen Erkrankung zu charakterisieren. Dazu wurde zunächst ein Messsystem zur parallelen Charakterisierung mehrerer Schnitte aufgebaut, das Messungen bis zu sieben Stunden erlaubt (Kapitel 2). Dann wurden unterschiedliche Protokolle etabliert um Früh- und Spätphasen-LTP zu generieren. Dabei würde Frühphasen-LTP konzeptionell eher mit dem Kurzzeitgedächtnis einhergehen, während Spätphasen-LTP dem Langzeitgedächtnis gleichkommen würde (Kapitel 3). Da in Alzheimer-Patienten hauptsächlich ein Defizit cholinerger und glutamaterger Neurone vorliegt, wurden die validierten LTP Formen benutzt, um solche Substanzen zu analysieren, die potentiell cholinerge und/oder glutamaterge neuronale Funktion erhöhen. Die Effekte zweier ausschließlich cholinerge Funktion erhöhender Substanzen wurden analysiert: Der α4β2 nicotinische Acetylcholin-Rezeptor Agonist TC-1827 (Kapitel 4) und der Acetylcholinesterase-Inhibitor Donepezil (Kapitel 5). Beide Substanzen erhöhten Frühphasen-LTP, aber hatten keinen Effekt auf Spätphasen-LTP. Desweiteren wurden zwei Substanzen getestet, die ausschließlich mit glutamaterger Funktion interferieren: Der metabotrope Glutamatrezeptor 5 positiv allosterische Modulator ADX-47273 (Kapitel 3) und der Phosphodiesterase (PDE) 9A-Inhibitor BAY 73-6691 (Kapitel 5). ADX-47273 erhöhte Spätphasen-LTP, aber hatte keinen Effekt auf Frühphasen-LTP, wohingegen BAY 73-6691 eine erhöhende Wirkung auf beide LTP Formen aufwies und sogar Früh- in Spätphasen-LTP umwandelte. Die gleichen Effekte, wie bei dem PDE9A-Inhibitor, konnten auch mit dem partiellen α7 nicotinische Acetylcholin-Rezeptor Agonisten SSR180711 (Kapitel 4) demonstriert werden. SSR180711 wirkt sowohl auf cholinerge, als auch auf glutamaterge neuronale Funktion. Dann wurde die Fähigkeit der Substanzen überprüft, durch lösliche Aβ Oligomere verschlechtertes LTP zu verbessern (Kapitel 6). Lösliche Aβ Oligomere, auch als amyloid-β derived diffusible ligands (ADDLs) bezeichnet, werden zurzeit als eine mutmaßliche Ursache der Alzheimer’schen Erkrankung angesehen. In der vorliegenden Arbeit wurde gezeigt, dass ADDLs Früh- und Spätphasen-LTP in verschiedenem Ausmaß vermindern. Donepezil und TC-1827 konnten die durch ADDLs induzierten Defizite bei Frühphasen-LTP geringfügig wiederherstellen, aber sie hatten keinen Einfluss auf das durch ADDLs verschlechterte Spätphasen-LTP. Im Gegensatz dazu, konnten sowohl SSR180711 als auch BAY 73-6691 ein durch ADDLs verschlechtertes Früh- und Spätphasen-LTP komplett wiederherstellen. ADX-47273 hatte keinen positiven Effekt auf Frühphasen-LTP, welches durch ADDLs verschlechtert worden war, konnte aber ein durch ADDLs verschlechtertes Spätphasen-LTP teilweise wiederherstellen. Somit wurde der vorherige Befund der Arbeit bestätigt: Substanzen, welche die glutamaterge Funktion verbessern, scheinen nicht nur wirksamer im Bezug auf LTP-Erhöhung zu sein als Substanzen die ausschließlich cholinerge Funktion erhöhen, sondern sie sind auch in der Lage, durch lösliche Aβ Oligomere verursachte Defizite bei LTP zu verbessern. Aus einem präklinischen Blickwinkel und basierend auf den Ergebnissen der vorliegenden Arbeit weisen demnach Substanzen, die glutamaterge Funktionen verbessern, ein hohes therapeutisches Potential als alternative Ansätze bezüglich kognitiver Defizite auf. Möglicherweise könnten sie sogar wirksamere Ansätze für die symptomatische Behandlung der Alzheimer’schen Erkrankung darstellen, als derzeitige Behandlungen, die ausschließlich cholinerge Funktion verbessern. / Alzheimer’s disease (AD) is a progressive neurodegenerative disease of the brain. Today AD is the most common form of dementia in elderly people. It is clinically characterized by a progressive loss of memory and later on a decline in higher cognitive functions. The pathological hallmarks of AD, consistently demonstrated in brain tissue of patients, are extracellular amyloid-β (Aβ plaques, intracellular neurofibrillary tangles of tau protein and a profound loss of mainly cholinergic and glutamatergic synapses and ultimatively neurons. Estimates foresee that more than 80 million individuals will be affected by the disease by 2040 due to population aging worldwide underlining the high medical need for this disease. In order to find suitable drugs for the treatment of AD, experimental model systems are utilized to explore potential drug candidates. Such an experimental system is hippocampal long-term potentiation (LTP), which is widely accepted as an in vitro model of cellular processes fundamentally involved in memory formation. The present thesis focuses on the establishment and validation of LTP in rat hippocampal slices to characterize memory enhancing drugs as a potential treatment of AD. First, a multi-slice recording system was set up enabling stable measurements of LTP for up to seven hours from several slices simultaneously (chapter 2). Then, distinct protocols to induce early and late CA1 LTP, resembling short-term and long-term memory, were established. They were validated by addressing the hallmarks accepted for these forms of LTP: protein-synthesis independence and NMDA receptor dependence without contribution of L-VDCCs for early LTP, as opposed to protein-synthesis and NMDA / L-VDCCs dependence for late LTP (chapter 3). As in AD patients a loss of mainly cholinergic and glutamatergic synapses is obvious, these validated forms of LTP were used to study drugs potentially being able to enhance cholinergic and/or glutamatergic neuronal functions. The effects of two drugs exclusively interfering with cholinergic function on LTP were tested: the α4β2 nicotinic acetylcholinergic receptor agonist TC-1827 (chapter 4) and the acetylcholine esterase inhibitor donepezil (chapter 5). Both drugs were found to increase early LTP, but to not affect late LTP. Furthermore, two drugs exclusively interfering with glutamatergic function were analyzed: the metabotropic glutamate 5 receptor postive allosteric modulator ADX-47273 (chapter 3) and the phosphodiesterase (PDE) 9A inhibitor BAY 73-6691 (chapter 5). ADX-47273 increased late LTP, but had no effect on early LTP, whereas BAY 73-6691 showed enhancing effects on both early and late LTP and even transformed early into late LTP. The same effects like for the PDE9A inhibitor were observed for the α7 nicotinic acetylcholinergic receptor partial agonist SSR180711 (chapter 4), which interferes with both, cholinergic and glutamatergic function. Thus, drugs facilitating glutamatergic function or both glutamatergic and cholinergic function seem to be more efficacious in enhancing LTP than drugs facilitating solely cholinergic function. To evaluate whether this finding also proves true for experimental circumstances mimicking decreased cognitive function together with pathophysiology in AD patients, the ability of the drugs to ameliorate LTP impaired by soluble Aβ oligomer was analyzed (chapter 6). Soluble Aβ oligomers, also referred to as amyloid-β derived diffusible ligands (ADDLs), are thought to a putative cause of AD. Here, they were demonstrated to impair early and late LTP to different extents by exclusively targeting NMDA receptors and/or their signaling. These results further contribute to the hypothesis that soluble Aβ oligomers cause synaptic dysfunction which might lead to cognitive decline seen in AD patients. Regarding drug effects, donepezil and TC-1827 slightly restored ADDLs induced impairment of early LTP, but had no effect on late LTP impaired by ADDLs. In contrast, both, SSR180711 and BAY 73-6691 completely rescued early as well as late LTP impaired by ADDLs. ADX-47273 had no restoring effect on ADDLs induced early LTP impairment, but partially restored late LTP impaired by ADDLs. Thus, the earlier finding of the present thesis was confirmed: drugs facilitating glutamatergic function not only seem to be more efficacious in enhancing LTP than drugs facilitating solely cholinergic function, but are also superior in ameliorating soluble Aβ oligomer induced LTP deficits. Therefore, from a preclinical perspective and based on the results of the present thesis, drugs interfering with glutamatergic function seem to have a high therapeutic potential as alternative treatment concerning cognitive deficits. Probably, they represent more efficacious approaches for the symptomatic treatment of AD than current treatments solely facilitating cholinergic function.

The aim of this thesis was to develop an in vitro model (IVR) of the rat lung for the purpose of investigating the deposition of drug particles in the rat airways. The model attempted to account for the affect of drug product characteristics and physiological parameters on deposition in the lungs. In addition, the model outputs were compared with in vivo lung deposition results from live rats and in silico predictions using published computer model of lung deposition in pre-clinical species. Initial work focussed on developing an aerosol exposure system capable of dosing small rodent to a range of airborne test materials. The system consists of two main parts; a fluidised bed aerosol generator and connection of the generator output to a nose only exposure chamber capable of accommodating 12 small animals in a single layer. In addition, an aerodynamic particle spectrometer (APS) was installed for continuously measuring the size distribution and airborne concentration of aerosol particles generated in the exposure chamber. System validation showed acceptable degree of variation of the test material tested, Fluorescent Microspheres (FMS) throughout the exposure chamber (CV < 15.0%). Particle size (MMAD ± GSD) using the APS was shown to be stable throughout the exposure periods. The IVR model developed in this project was based on a number of euthanased (n=7), female Sprague-Dawley rats (weight: 372 ± 56 g), which underwent high-resolution micro-CT scans. The physical model consisted of five sub sections; Extra-Thoracic region containing the snout and nasophyarynx, trachea-bronchial region containing the trachea, bronchi, and bronchioles. All sections of the model were attached to one another in numerical order and housed within a containment unit. At the rear end of the cast, a flexible diaphragm was attached in order to collect the fraction of inhaled particles exiting the TB section and possibly reaching the lung, referred to as the Post-TB section. A study was conducted to assess the influence of inhalation parameters such as the breathing frequency and tidal volume on total and regional dose distribution using FMS as test material. The major finding of this study was the demonstration of the model sensitivity to changes in breathing parameters especially respiratory frequency, where the data showed increased deposition in the peripheral regions of the model with decreased respiratory frequency. Other studies assessed the effect of particle characteristics on deposition on the IVR model, such as particle size, dose increase and formulation changes. The results assessing particle size effect showed a slightly higher deposition levels for the 4µm sized particles versus 2µm sized particles in the head region; 90.8 ± 3.6% and 88.2 ± 6.6%. However, this difference did not reach statistical significance (P> 0.05) probably due to the polydispersity of aerosolised FMS particles. In addition, the regional deposition analysis showed an increased lung peripheral deposition with the smaller particles. In addition, the model was shown to be sensitive to changes in formulation composition mediated by inclusion of MgSt. The next stage of work was to validate the model in terms of comparison with lung deposition for in vivo rats. For lung deposition comparison, the absolute amount deposited in the IVR lung model (expressed as µg/kg) was shown to have a reasonably strong correlation with in vivo lung concentration measures (µg/kg); R2= 0.66, P < 0.05. Compounds were predicted well and within 2-folds of the measured lung deposition values. However, knowing the variability in biological systems and the multiple components required to estimate lung doses, predictions within 2-fold of the measured values would seem reasonable In terms of comparison with in silico model predictions using MPPD, similar deposition levels were noted between the two models, particularly when the data was expressed as percentage of total particles inhaled. The data showed the highest deposition levels were noted in the head region (> 80%) and less than 5.0% deposition for the peripheral lung fractions. With regards to using the IVR model to assess the relationship between dose, particle size and efficacy, an in vivo study using FP with different particle sizes (2.0 and 4.0 µm) but same doses ( 100 and 1000 µg/kg). This study demonstrated that exposure of rat to FP powder resulted in a dose-dependent inhibition of neutrophils in BAL fluids. However, a clear difference in neutrophils suppression was demonstrated for equivalent doses but different particle sizes of FP, where the smaller FP particles (2.0 µm) induced a greater level of neutrophils suppression in comparison with larger FP particles (4.0 µm). In addition, a reasonably good correlation for the relationship between lung deposition in the IVR model and a neutrophils suppression level was demonstrated. Furthermore this data support the hypothesis that regional deposition is an important determinant in efficacy. Therefore, this suggests that the IVR model may be a useful as a tool to describe in vivo efficacy with in vitro data. However, further studies should be conducted to evaluate the validity of this model and relationship. The IVR model has a number of important limitations. First, the model is based on scans up to generation four of the rat respiratory tract as this represented the limits of the micro-CT scanning technology at the time of this study. Therefore deposition in the deeper region of the lung may not be reflected precisely in the IVR model. Second, the regional deposition data generated using the model tended to show an overestimation of deposition in head region and an underestimation of deposition in the peripheral regions of the lung, in comparison with in vivo lung deposition data. Third, the current model does not take into account lung clearance. However, the amount of the drug present in the in vivo lungs is dependent on numerous physiological processes such as dissolution, passive or active absorption into the systemic circulation, binding to lung tissue and mucociliary clearance. Consequently, the results generated using this IVR model for drug molecules with high lung clearance rate should be treated with some caution. Future work extending this research could go in a number of directions. In this research, a representative model of the rat respiratory tract was constructed from analysis of imaging data from a number of euthanised Sprague-Dawley rats. This model represented the “average respiratory tract” in terms of dimensions of Sprague-Dawley rats. However, there is considerable variability in the airway dimensions between rats. This variability encompasses a number of factors such as the strains of rats, sex and age, and disease state. Thus, it may be possible to produce a small number of airway models to represent small and large rats and scaled to represent the extrathoracic and peripheral regions based on literature reports of their dimensions in different rat populations. This approach will then enable the effect of intersubject airway dimensions for different rat populations on aerosol deposition to be thoroughly examined. In addition, due to the limitation of the micro-CT technology used to construct the physical IVR model, detailed morphology only up to generation 4 were captured. However, recent advances in MRI technology, such as the use of in situ-MRI based scanning technology have enabled rat airway morphometry to be extended to 16 airway generation. This coupled with improvements in the resolutions of rapid-prototyping process means it may be possible to construct a rat model that reflects the in vivo lung morphology more accurately, and thus enable greater understanding of the link between aerosol deposition and airway geometry. In conclusion, a model cast of the rat lung was developed and validated to allow the deposition of inhaled particles in the rat lung to be investigated. The model may be used to estimate the lung concentration in vivo rats in preference to exposure concentration measurements based on filter samples which have been shown to be a poor indicator of the lung concentration immediately after exposure. In addition, the model has the potential to be used along with live rats in an inhalation rig in pulmonary pharmaceutics research and may facilitate in development of inhaled formulations to target specific regions within the lung as well as screening of inhaled drugs in preclinical setting. / Das Ziel dieser Arbeit war es, ein in vitro Modell (IVR) der Rattenlunge für die Untersuchung der Deposition von Wirkstoffpartikeln in den Atemwegen der Ratte zu entwickeln. Das Modell sollte dabei den Einfluss der Arzneistoffeigenschaften und physiologischer Parameter auf die pulmonale Deposition berücksichtigen. Darüber hinaus wurden die Modellergebnisse mit in vivo Daten aus Versuchen mit Ratten und in silico Vorhersagen eines etablierten Computermodells der Partikeldeposition in präklinischen Spezies verglichen. Erste Arbeiten konzentrierten sich auf die Entwicklung eines Aerosol-Expositionssystems, das in der Lage war, kleine Nagetiere einer Reihe von inhalativ verabreichten Testmaterialien auszusetzen. Das System bestand aus zwei Hauptteilen, einem Wirbelbett-Aerosolgenerator und einer Verabreichungskammer, die eine nasale Partikelexposition und –inhalation („Nose only Inhalation“) bei 12 Kleintieren auf einer Etage ermöglichte. Darüber hinaus wurde ein aerodynamisches Partikelspektrometer (APS) zur kontinuierlichen Messung der Größenverteilung und Konzentration der erzeugten Aerosolpartikel eingebaut. Die Systemvalidierung zeigte einen akzeptablen Grad der Variabilität des Testmaterials, Fluoreszenz-Mikrosphären (FMS), in der gesamten Expositionskammer (VK < 15,0%). Es konnte gezeigt werden, dass die aerodynamische Partikelgröße (MMAD ± GSD) der APS über die Expositionszeiten konstant blieb. Das IVR-Modell, das in diesem Projekt entwickelt wurde, basierte auf einer Anzahl euthanasierter, weiblicher Sprague-Dawley-Ratten (Gewicht: 372 ± 56 g), die hochauf¬lösenden Mikro-CT-Scans unterzogen wurden. Das physikalische Modell gliederte sich in fünf Teilabschnitte, dem extrathorakalen Bereich bestehend aus der Schnauze und dem Nasopharynx, und dem tracheo-bronchialen Bereich (TB), der die Luftröhre, Bronchien und Bronchiolen umfasste. Alle Abschnitte des Modells wurden miteinander in numerische Reihenfolge gebracht und innerhalb einer Behältereinheit untergebracht. Am hinteren Ende des Gusses wurde eine flexible Membran angebracht, um den Anteil der inhalierten Partikel, der den TB-Abschnitt verlässt und möglicherweise die Lunge erreicht, zu sammeln. Dieses wurde als Post-TB-Anteil bezeichnet. Eine Untersuchung sollte zeigen, welchen Einfluss Inhalationsparameter wie die Atem¬frequenz und –volumen auf die gesamte und regionale Dosisverteilung der FMS als Test¬material hatten. Das wichtigste Ergebnis dieser Studie war der Nachweis, dass das Modell empfindlich gegenüber Änderungen in der Respirationsparameter, vor allem der Atem¬frequenz, war. Die Daten zeigten, dass es unter verminderter Atemfrequenz zu einer verstärkten Partikeldeposition in den peripheren Modellbereichen kam. In weiteren Versuchsansätzen wurden die Wirkung von Partikeleigenschaften, wie Partikelgröße, Dosiserhöhung und Formulierungsänderungen auf die Deposition in dem IVR-Modell ermittelt. Die Ergebnisse der Untersuchung des Partikelgrößeneffektes zeigten eine etwas höhere Deposition der 4 µm großen Partikel, verglichen mit den 2 µm Partikeln, im Kopfbereich, 90,8 ± 3,6% bzw. 88,2 ± 6,6%. Allerdings war dieser Unterschied statistisch nicht signifikant (P > 0,05), wahrscheinlich aufgrund der Polydispersität der FMS-Aerosolpartikel. Darüber hinaus zeigte die Analyse der regionalen Verteilung eine erhöhte periphere Lungendeposition bei kleineren Partikeln. Zudem war das Modell empfindlich gegenüber Veränderungen in der Formulierungszusammensetzung durch Zugabe von Magnesium¬stearat. In nächsten Schritt sollte das Modell in Bezug auf den Vergleich mit der Lungendeposition bei Ratten in vivo validiert werden. Es zeigte sich, dass die absolut im IVR-Lungenmodell deponierte Menge (ausgedrückt in µg/kg) eine annehmbar starke Korrelation mit in vivo Daten (µg/kg) aufwies; R2 = 0,66, p < 0,05. Substanzen konnten gut innerhalb des 2-fachen Bereiches der gemessenen Lungendepositionsrate vorhergesagt werden. Angesichts der bekannt hohen Variabilität in biologischen Systemen und der Komplexität der Schätzung der Lungendeposition erscheinen Schwankungen der Vorhersagen innerhalb des 2-fachen Bereiches der tatsächlichen Werte akzeptabel. Der Vergleich der in silico Vorhersagen mit den IVR-Resultaten zeigte ähnliche Depositions¬raten in beiden Modellen, insbesondere dann, wenn die Daten als Prozentsatz der insgesamt inhalierten Partikel ausgedrückt wurden. Die höchste Deposition fand im Kopfbereich (> 80%) statt und weniger als 5,0 % der Partikel erreichte den peripheren Lungenbereich. Das IVR-Modell wurde nachfolgend auch in einer in vivo Studie mit Fluticasonpropionat (FP) eingesetzt, um die Beziehung zwischen der Dosis, Partikelgröße und Wirksamkeit unterschiedlicher Teilchengrößen (2,0 und 4,0 µm) bei gleichen Dosen (100 und 1000 µg/kg) zu beurteilen. Diese Studie zeigte eine dosisabhängige Hemmung der Neutrophilen in der bronchoalveolären Lavage. Es wurde jedoch ein deutlicher Unterschied in der Neutrophilensuppression unter äquivalenten Dosen unterschiedlicher Partikelgrößen beobachtet. Kleinere Partikel (2,0 µm) von FP hemmten die Neutrophilen stärker als die größeren FP-Partikel (4,0 µm). Darüber hinaus konnte eine recht gute Korrelation zwischen der Lungendepositionsrate im IVR-Modell und der Neutrophilensuppression gezeigt werden. Diese Daten unterstützen die Hypothese, dass die regionale Deposition eine wichtige Determinante der Wirksamkeit ist. Die Ergebnisse legen die mögliche Eignung des IVR-Modells als Hilfsmittel zur Beschreibung der in vivo Effektivität, ausgehend von in vitro Daten, nahe. Allerdings sollten weitere Studien durchgeführt werden, um die Valididtät dieses Modells und der gefundenen Beziehung zu bestätigen. Das IVR-Modell hat eine Reihe von wichtigen Einschränkungen. Erstens basiert das Modell auf Scans lediglich bis zu vierten Generation der Atemwege, was zum Zeitpunkt dieser Studie die Grenze der Mikro-CT-Scan-Technik darstellte. Daher wird in dem IVR-Modell eine Deposition in tieferen Bereichen der Lunge nicht präzise beschrieben. Zweitens zeigten die regionalen Depositionsdaten, die unter Verwendung des Modells ermittelt wurden, im Vergleich zu in vivo Ergebnissen eine Überschätzung der Deposition im Kopfbereich und eine Unterschätzung der Deposition in den peripheren Regionen der Lunge. Drittens berücksichtigt das Modell nicht die Clearance des Arzneistoffes. Die Arzneistoffkonzentration in der Lunge hängt in vivo von zahlreichen physiologischen Prozessen ab, wie Auflösung, aktive und passive Absorption in den systemischen Kreislauf, die Bindung an das Lungengewebe und mukoziliäre Clearance. Daher sollten die Ergebnisse, die unter Verwendung dieses IVR-Modells gewonnen werden, für Wirkstoff¬moleküle mit hoher Clearance-Rate mit einer gewissen Vorsicht behandelt werden. Zukünftige weiterführende Arbeiten könnten in eine Reihe von Richtungen gehen. In der vorliegenden Untersuchung wurde ein repräsentatives Modell des Rattenrespirationstraktes aus der Analyse der Bilddaten mehrerer anästhesierter Sprague-Dawley-Ratten erstellt. Dieses Modell repräsentiert die "durchschnittlichen Atemwege " in Bezug auf Abmessungen der Sprague-Dawley-Ratten. Es gibt jedoch eine beträchtliche Variabilität basierend auf einer Reihe von Faktoren wie den Rattenstamm, Geschlecht, Alter und Krankheitszustand. Es wäre möglich, mehrere verschiedene Atemwegsmodelle zu erstellen, um kleine und große Ratten zu repräsentieren. Es könnten, basierend auf Literaturangaben, die extra¬thorakalen und peripheren Regionen in ihren Abmessungen skaliert werden, um verschiedenen Rattenpopulationen zu repräsentieren. Dieser Ansatz würde dann die detaillierte Untersuchung des Einflusses interindividueller Unterschiede der Atemwegs¬dimensionen verschiedener Rattenpopulationen auf die Aerosoldeposition ermöglichen. Aufgrund der Beschränkung der Mikro-CT-Technologie, die eingesetzt wurde, um das IVR-Modell zu erstellen, konnte eine detaillierte Morphologie nur bis zur vierten Atemwegs¬generation abgebildet werden. Jüngste Fortschritte in der MRI-Technologie, wie die in situ MRI-Scan-Technologie, ermöglichen die Erfassung der Atemwegsmorphometrie bis zu 16 Atemwegsgenerationen. Dieser Ansatz, in Verbindung mit Verbesserungen in den räumlichen Auflösungen der „Rapid-Prototyping“-Verfahren, könnte die Konstruktion eines Rattenmodells ermöglichen, das die in vivo Lungenmorphologie genauer widerspiegelt, und so zu einem besseren Verständnis für den Zusammenhang zwischen Aerosoldeposition und Atemwegsgeometrie führen. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass in der vorliegenden Arbeit ein Modellguss der Rattenlunge entwickelt und validiert wurde, um die Untersuchung der Deposition von inhalierten Partikel in der Rattenlunge zu ermöglichen. Das Modell kann verwendet werden, um die in vivo Lungenkonzentrationen von Arzneistoffen in Ratten abzuschätzen. Es bietet Vorteile gegenüber der Expositionsabschätzung auf der Basis von Filterproben, die ein schlechter Indikator der Lungenkonzentrationen unmittelbar nach der Exposition sind. Darüber hinaus hat das Modell das Potenzial, zusammen mit lebenden Ratten in einer Inhalationskammer in der Forschung verwendet zu werden und könnte in der Entwicklung von inhalativen Formulierungen erleichtern, die in bestimmten Regionen innerhalb der Lunge deponiert werden sollen. Darüber hinaus ermöglicht das Modell ein Screening inhalativ verabreichter Arzneistoffe in der präklinischen Phase.

Synthese siliciumhaltiger Wirkstoffe und Synthese-Bausteine des 4-Silapiperidin-Typs: Im Rahmen der systematischen Untersuchungen unseres Arbeitskreises zur C/Si-Bioisosterie wurde für bereits bekannte σ-Rezeptor-Antagonisten eine neue verbesserte Syntheseroute entwickelt, wobei die Endprodukte jeweils in einer sechsstufigen Synthese dargestellt und als entsprechende Hydrochloride isoliert wurden. Ein weiteres Teilprojekt der vorliegenden Arbeit betraf die Entwicklung einer Syntheseroute zur Darstellung von Sila-L-741,626, dem Sila-Analogon des selektiven D2-Dopamin-Rezeptorantagonisten L-741,626. In einem weiteren Teilprojekt der vorliegenden Arbeit wurde ein neuer, säurefreier Weg zu 4 Silapiperidin-Bausteinen mit NH-Funktion entwickelt, der eine Staudinger-Reaktion als ringschließenden Syntheseschritt beinhaltet. Am Beispiel einer Modellverbindung, die in zwei alternativen jeweils fünfstufigen Synthesen ausgehend von Dichlordiphenylsilan dargestellt und als Hydrochlorid isoliert wurde, konnte die neue Syntheseroute erfolgreich ausgearbeitet werden. Die anhand der Modellverbindung erfolgreich getestete Syntheseroute konnte im Folgenden auf ein Zielmolekül angewendet werden, das anstatt einer inerten Phenyl-Gruppe die säurelabilere 4-Methoxyphenyl- (MOP-) Gruppe trägt. Synthese siliciumhaltiger Wirkstoffe und Synthese-Bausteine des 4-Silacyclohexan-1-on- und (4-Silacyclohexan-1-yl)amin-Typs: Im Zusammenhang mit unseren systematischen Untersuchungen zur C/Si-Bioisosterie wurde Sila-pramiverin dargestellt. Dies gelang in einer vierstufigen Synthese, ausgehend von Dichlordiphenylsilan. Im Zuge dieser Synthese fand Brown’s DCME-Prozess Anwendung, um in einer Eintopf-Reaktion das entsprechende 4-Silacyclohexan-1-on und daraus durch anschließende reduktive Aminierung mit Isopropylamin Sila-pramiverin erstmals darzustellen. Analog zur Synthese von Sila-pramiverin konnten ebenfalls Synthese-Bausteine des 4 Silacyclohexan-1-on-Typs sowie des (4-Silacyclohexan-1-yl)amin-Typs unter Verwendung der 4 Methoxyphenyl- (MOP ), 2,6-Dimethoxyphenyl- (DMOP-) bzw. 2,4,6-Trimethoxyphenyl- (TMOP-) Schutzgruppe dargestellt werden. In einer Machbarkeitsstudie wurde zudem unter selektiver Abspaltung der 4 Methoxyphenyl- (MOP ), 2,6-Dimethoxyphenyl- (DMOP-) bzw. 2,4,6-Trimethoxyphenyl- (TMOP-) Schutzgruppe der phenylierten 4 Silacyclohexan-1-one mittels Chlorwasserstoff das entsprechende Chlorsilan dargestellt. Synthese siliciumhaltiger Synthese-Bausteine des 4-Silatetrahydropyran-Typs: Eine fast gänzlich unerforschte Klasse siliciumhaltiger Heterocyclen stellen 4 Silatetrahydropyrane dar. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit konnte zunächst anhand einer Modellstudie das 4,4-Diphenyl-4-silatetrahydropyran dargestellt werden. Die für die Modellverbindung ausgearbeitete Syntheseroute konnte schließlich auf die Synthese der 4 Methoxyphenyl- (MOP-) und 2,6-Dimethoxyphenyl- (DMOP-) substituierten 4 Silatetra¬hydropyrane übertragen werden. Diese konnten jeweils in einer vierstufigen Synthese dargestellt werden. Lediglich die Synthese der 2,4,6-Trimethoxyphenyl- (TMOP-) substituierten 4 Silatetra¬hyropyrane gelang aufgrund der Instabilität der mesylierten Zwischenstufen nicht. / Synthesis of silicon containing drugs and building blocks of the 4-silapiperidine type: In context with the systematic studies of our research group on C/Si bioisosterism, a novel and improved synthetic route for already reported σ receptor antagonists were established in six-step syntheses, and the final products were isolated as hydrochlorides. Another goal of this work concerned the development of a synthetic route for sila L 741,626, a silicon analogue of the selective D2 dopamin receptor antagonist L 741,626. In another project of this work, a novel acid-free method for the synthesis of 4-silapiperidine building blocks containing a NH function has been developed, using the Staudinger reaction as the key step. As a proof of principle, a model compound, isolated as hydrochloride, could be prepared in two alternative five-step syntheses, starting from dichlorodiphenylsilane. The novel synthetic route for the preparation of the model compound could then be sucessfully applied to the synthesis of a novel target molecule containing the more acid-labile 4 methoxyphenyl (MOP) group instead of the relatively inert phenyl group. Synthesis of silicon containing drugs and building blocks of the 4-silacyclohexan-1-one and the (4-silacyclohexan-1-yl)amine type: In context with our systematic studies on C/Si bioisosterism, sila-pramiverin was synthesized in a four-step synthesis, starting from dichloro¬diphenylsilane. In the course of the synthesis of the 4 silacyclohexan-1-one intermediate, a one-pot synthesis by using Brown’s DCME process was applied. Subsequent reductive amination with isopropylamine led to sila-pramiverin. Analogously to the synthesis of sila-pramiverin, building blocks of the 4 silacyclo¬hexan-1-one type and the (4-silacyclohexan-1-yl)amine type were synthesized by using the 4-methoxyphenyl (MOP), 2,6-dimethoxyphenyl (DMOP), or 2,4,6-trimethoxyphenyl (TMOP) protecting groups. As a proof of principle, the phenyl-substituted 4 silacyclo¬hexan-1-ones could then be transformed into the corresponding chlorosilane by selective cleavage of the 4-methoxyphenyl (MOP), 2,6-dimethoxyphenyl (DMOP), or 2,4,6-trimethoxyphenyl (TMOP) protecting group by using hydrogen chloride. Synthesis of silicon containing building blocks of the 4-silatetrahydropyrane type: 4-Silatetrahydropyranes represent a nearly unexplored class of silicon containing heterocycles. Within the scope of this work, the model compound 4,4-diphenyl-4-silatetrahydropyrane could be synthesized in a three-step synthesis, starting from dichlorodiphenylsilane. This synthetic route to the model compound could then also be applied successfully to the 4-methoxyphenyl (MOP) and 2,6-dimethoxyphenyl (DMOP) substituted 4-silatetrahydropyranes. However, the syntheses of the 2,4,6-trimethoxyphenyl (TMOP) substituted 4 silatetrahydropyranes remained unsuccessful due to the instability of their mesylated precursors.

Upon approval of a drug, the stability of the API and the FPP has to be studied intensively because it determines the shelf-life. If a drug is found to be stable, the expiry date is arbitrary set to five years at the maximum, if a drug tends to undergo degradation, the expiry date is set shorter. The drug product must comply with predefined specifications in accordance with the ICH guidelines Q6A and Q6B during its entire market life. The content of the active substance is required to be within a specification of 95–105% of its labeled claim until expiry corresponding to the ICH guideline Q1A(R2). However, there is little or scattered literature information addressing the stability of drug products beyond their expiry dates. The objective of this thesis was to study and assess the long-term stability of a collection involving numerous pure drug substances and ampoules manufactured in the 20th century. The content and the impurity profile were examined by means of appropriate analytical methods, mainly using liquid chromatography. The results were compared to data being available in the literature. Assessing the stability regarding the dosage form and the affiliation of the drug class was conducted. The experimental studies comprise the examination of 50 drug substances manufactured 20–30 years ago and 14 long expired ampoules which were older than 40 years in the time of analysis, exceeding many times the maximum shelf life of five years. For investigation of the solid drug substances, pharmacopoeial methods were applied as far as possible. Indeed, results of the study showed that 44 tested substances still complied with the specification of the Ph. Eur. with regard to the content and impurity profile, even after more than two decades of storage. For analysis of the injection solutions, HPLC-UV and HPLC-ESI/MS techniques were applied, commonly based on liquid chromatography methods of the Ph. Eur. for determination of related substances. Each method was further validated for its application to ensure accurate API quantification corresponding to ICH Q2(R1). Quite a few ampoules were identified to show surprisingly high stability. In spite of their age of 53–72 years, APIs such as caffeine, etilefrine, synephrine, metamizole sodium, furosemide, and sodium salicylate complied with the specified content that is valid nowadays, respectively. Nevertheless, typical degradation reaction, e.g. hydrolysis, oxidation, or isomerization, was observed in all remaining ampoules. Various degrees of hydrolysis were revealed for scopolamine, procaine, and adenosine triphosphate, the contents were decreased to 71%, 70%, and 15% of the declared concentrations, respectively. In the epinephrine and dipyridamole ampoules, oxidative degradation has been occurred, finding respective API contents of more or less 70%. For dihydroergotamine, excessive decomposition by epimerization was observed, resulting in an API content of 21% and degradation by isomerization was found in lobeline, still containing 64% of the labeled claim. In conclusion, supported by the data of the present studies and the literature, defining and authorizing a longer shelf-life may be applicable to numerous pharmaceuticals which should be considered by pharmaceutical manufacturers and regulatory authorities, if justified based on stability studies. A general extension of the shelf-lives of drug products and the abolishment or extension of the maximum shelf-life limit of five years would prevent disposing of still potent medications and save a lot of money to the entire health care system. / Bei der Zulassung eines Arzneimittels muss die Stabilität sowohl des Wirkstoffes als auch des Fertigarzneimittels umfassend untersucht werden, da dies für die Festlegung der Haltbarkeit wesentlich ist. Wenn sich herausstellt, dass ein Arzneimittel stabil ist, wird das Verfallsdatum auf höchstens fünf Jahre festgelegt. Neigt ein Arzneimittel zum Abbau, so wird ein kürzeres Verfallsdatum gewählt. Das Arzneimittel muss innerhalb der Haltbarkeitsfrist definierten Spezifikationen entsprechen, welche in den ICH-Richtlinien Q6A und Q6B festgelegt sind. Dabei muss insbesondere der Wirkstoff-Gehalt des Arzneimittels gemäß der ICH-Richtlinie Q1A(R2) innerhalb der Spezifikation von 95–105 % der deklarierten Konzentration liegen. In der Literatur gibt es jedoch wenige Informationen darüber, wie stabil Arzneimittel lange nach Ablauf des Verfallsdatums sind. Das Ziel dieser Arbeit war es, die Stabilität zahlreicher Feststoffe und Ampullen, die aus einer Altarzneimittel-Sammlung stammten und während des 20. Jahrhunderts hergestellt wurden, zu untersuchen und zu bewerten. Der Gehalt und das Verunreinigungsprofil wurden mittels geeigneter instrumenteller Analyseverfahren bestimmt, wobei hauptsächlich flüssigchromatographische Methoden zur Anwendung kamen. Die Untersuchungsergebnisse wurden mit Literaturdaten verglichen und es wurde eine Beurteilung der Stabilität in Abhängigkeit von der Darreichungsform und der Zugehörigkeit zu einer Arzneistoffklasse vorgenommen. Die experimentellen Studien umfassten die Untersuchung von 50 Feststoffen, die vor 20 bis 30 Jahren hergestellt worden waren, und 14 Alt-Ampullen, die ein Alter von mindestens 40 Jahre aufwiesen und damit die maximale Haltbarkeit von fünf Jahren um ein Vielfaches überschritten hatten. Zur Untersuchung der Feststoffe wurden meist Arzneibuchmethoden verwendet. Die Ergebnisse zeigten, dass 44 geprüfte Substanzen auch nach mehr als zwei Jahrzehnten hinsichtlich ihres Gehalts und Verunreinigungsprofils den jeweiligen Spezifikationen des Europäischen Arzneibuchs entsprachen. Zur Analyse der Alt Ampullen wurden HPLC-UV- und HPLC-ESI/MS-Techniken eingesetzt. Diese basierten häufig auf Arzneibuch-Methoden zur Prüfung auf verwandte Substanzen. Für die Gehaltsbestimmungen wurden entsprechend der ICH-Richtlinie Q2(R1) die erforderlichen Parameter validiert. Einige Ampullen zeigten eine überraschend hohe Stabilität des Wirkstoffs, trotz ihres Alters von 53 bis 72 Jahren. Dabei entsprachen die Wirkstoffe Koffein, Etilefrin, Synephrin, Metamizol Natrium, Furosemid und Natriumsalicylat dem heute gültigen Spezifikationsbereich von 95–105 %. Nichtsdestoweniger wurden bei einigen Ampullen typische Abbaureaktionen wie Hydrolyse, Oxidation oder Isomerisierung festgestellt. Die Hydrolyse der Arzneistoffe Scopolamin, Procain und Adenosintriphosphat führte zu verringerten Gehalten von 71 %, 70 % bzw. 15 % der jeweiligen gekennzeichneten Wirkstoffkonzentration. Die Epinephrin- und Dipyridamol-Injektionslösungen waren von oxidativem Abbau betroffen. Der Wirkstoffgehalt dieser Ampullen lag jeweils bei ca. 70 %. In der Dihydroergotamin Ampulle trat eine massive Epimerisierung auf, wobei ein Gehalt von 21 % bestimmt wurde. Aufgrund der Isomerisierung des Arzneistoffes Lobelin reduzierte sich der Wirkstoffgehalt auf 64 %. Als Schlussfolgerung der experimentellen Studien und der verfügbaren Daten aus der Literatur sollten die pharmazeutischen Unternehmer und die Aufsichtsbehörden erwägen, die Haltbarkeitsdauer für zahlreiche Arzneimittel zu verlängern, wenn dies basierend auf Stabilitätsuntersuchungen gerechtfertigt ist. Eine generelle Ausweitung der Verwendbarkeit von Arzneimitteln sowie die Abschaffung oder Erweiterung der maximalen Haltbarkeitsdauer von fünf Jahren würde die Entsorgung noch wirksamer Medikamente verhindern und dem Gesundheitssystem viel Geld einsparen.

Universiẗat, Diss., 2007--Frankfurt (Main). / Zsfassung in dt. und engl. Sprache.

Zugl.: Berlin, Freie University, Diss., 2009.

Würzburg, Univ., Diss., 2009