Most medicines are taken orally. To enter the systemic circulation, they dissolve in the intestinal fluid, cross the epithelial barrier, and pass through the liver. Intestinal absorption is driven by the unique features of the gastrointestinal tract, including the bile colloids formed in the lumen and the mucus layer covering the intestinal epithelium. Neglecting this multifaceted environment can lead to poor drug development decisions, especially for poorly water-soluble drugs that interact with bile and mucus. However, there is a lack of a rationale nexus of molecular interactions between oral medicines and gastrointestinal components with drug bioavailability. Against this background, this thesis aims to develop biopharmaceutical strategies to optimize the presentation of oral therapeutics to the intestinal epithelial barrier.
In Chapter 1, the dynamics of bile colloids upon solubilization of the poorly-water soluble drug Perphenazine was studied. Perphenazine impacted molecular arrangement, structure, binding thermodynamics, and induced a morphological transition from vesicles to worm-like micelles. Despite these dynamics, the bile colloids ensured stable relative amounts of free drug substance. The chapter was published in Langmuir.
Chapter 2 examined the impact of pharmaceutical polymeric excipients on bile-mediated drug solubilization. Perphenazine and Imatinib were introduced as model compounds interacting with bile, whereas Metoprolol did not. Some polymers altered the arrangement and geometry of bile colloids, thereby affecting the molecularly soluble amount of those drugs interacting with bile. These insights into the bile-drug-excipient interplay provide a blueprint to optimizing formulations leveraging bile solubilization. The chapter was published in Journal of Controlled Release.
Chapter 3 deals with the impact of bile on porcine intestinal mucus. Mucus exposed to bile solution changed transiently, it stiffened, and the overall diffusion rate increased. The bile-induced changes eased the transport of the bile-interacting drug substance Fluphenazine, whereas Metoprolol was unaffected. This dichotomous pattern was linked to bioavailability in rats and generalized based on two previously published data sets. The outcomes point to a bile-mucus interaction relevant to drug delivery. The chapter is submitted.
The Appendix provides a guide for biopharmaceutical characterization of drug substances by nuclear magnetic resonance spectroscopy aiming at establishing a predictive algorithm.
In summary, this thesis deciphers bile-driven mechanisms shaping intestinal drug absorption. Based on these molecular insights, pharmaceuticals can be developed along a biopharmaceutical optimization, ultimately leading to better oral drugs of tomorrow. / Die meisten Arzneimittel werden oral eingenommen. Um in den Blutkreislauf zu gelangen, liegen sie in der Darmflüssigkeit gelöst vor, überwinden die Epithelbarriere und passieren die Leber. Die intestinale Absorption wird durch die einzigartigen Eigenschaften des Magen-Darm-Trakts, einschließlich der im Lumen gebildeten Gallenkolloide und der Schleimschicht, die das Darmepithel bedeckt, bestimmt. Die Vernachlässigung dieser facettenreichen Umgebung kann zu schlechten Entscheidungen bei der Arzneimittelentwicklung führen, insbesondere bei schlecht wasserlöslich Wirkstoffen, die mit Galle und Schleim interagieren. Es fehlt jedoch eine rationale Verknüpfung der molekularen Wechselwirkungen zwischen oralen Arzneimitteln und gastrointestinalen Komponenten mit der Bioverfügbarkeit von Arzneimitteln. Vor diesem Hintergrund zielt diese Arbeit darauf ab, biopharmazeutische Strategien zur Optimierung der Präsentation von oralen Therapeutika an der intestinalen Epithelbarriere zu entwickeln.
In Kapitel 1 wurde die Dynamik von Gallenkolloiden bei der Solubilisierung des schwer wasserlöslichen Wirkstoffes Perphenazin untersucht. Perphenazin beeinflusste die molekulare Anordnung, die Struktur sowie die Bindungsthermodynamik und führte zu einem morphologischen Übergang von Vesikeln hin zu wurmartigen Mizellen. Trotz dieser Dynamik sorgten die Gallenkolloide für stabile relative Mengen an freiem Arzneistoff. Dieses Kapitel wurde in Langmuir veröffentlicht.
In Kapitel 2 wurde der Einfluss von pharmazeutischen polymeren Hilfsstoffen auf die Solubilisierung von Wirkstoffen durch Galle untersucht. Perphenazin und Imatinib wurden als Modellverbindungen eingeführt, die mit der Galle interagieren, während Metoprolol dies nicht tat. Einige Polymere veränderten die Anordnung und Geometrie der Gallenkolloide und beeinflussten somit die molekular lösliche Menge von solchen Wirkstoffen, die mit der Galle wechselwirken. Diese Einblicke in das Zusammenspiel von Galle und Arzneistoffen bieten einen Ansatz zur Optimierung von Formulierungen, die die Solubilisierung in der Galle nutzen. Dieses Kapitel wurde in Journal of Controlled Release veröffentlicht.
Kapitel 3 befasst sich mit den Auswirkungen von Galle auf den Dünndarmschleim von Schweinen. Schleim, der Gallenlösung ausgesetzt war, veränderte sich vorübergehend, versteifte sich und die Gesamtdiffusionsrate nahm zu. Die durch die Galle hervorgerufenen Veränderungen erleichterten den Transport des mit der Galle interagierenden Wirkstoffs Fluphenazin, während Metoprolol unbeeinflusst blieb. Dieses dichotome Muster konnte mit der Bioverfügbarkeit bei Ratten verknüpft werden und durch zwei zuvor veröffentlichte Datensätze mit insgesamt 50 Verbindungen verallgemeinert werden. Die Ergebnisse deuten auf eine Wechselwirkung zwischen Galle und Schleim hin, die für die Verabreichung von Medikamenten relevant ist. Dieses Kapitel ist eingereicht.
Der Anhang bietet einen Leitfaden für die biopharmazeutische Charakterisierung von Arzneimittelsubstanzen durch kernmagnetische Resonanzspektroskopie mit dem Ziel des Aufstellens von prädiktiven Algorithmen.
Zusammenfassend entschlüsselt diese Arbeit die von der Galle gesteuerten Mechanismen, die die Aufnahme von Arzneimitteln im Darm beeinflussen. Auf der Grundlage dieser molekularen Erkenntnisse können Arzneimittel entlang einer biopharmazeutischen Optimierung entwickelt werden, was letztendlich zu besseren oralen Arzneimitteln führt.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:uni-wuerzburg.de/oai:opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de:34890 |
| Date | January 2024 |
| Creators | Hanio, Simon |
| Source Sets | University of Würzburg |
| Language | English |
| Detected Language | German |
| Type | doctoralthesis, doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Rights | https://opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de/doku/lic_mit_pod.php, info:eu-repo/semantics/openAccess |
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