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In vitro release testing as an alternative to establishing bioequivalence of drug products in vivo
(2020)
Generische Arzneimittel werden als Arzneimittel definiert, die im Vergleich zu einem Referenzarzneimittel hinsichtlich der meisten pharmazeutischen Aspekte identisch sind.
Um die therapeutische Äquivalenz zum Referenzprodukt sicherzustellen, sind Bioverfügbarkeitsstudien erforderlich. Für Arzneimittel, die als feste, perorale, schnell freisetzende Darreichungsformen formuliert sind, kann auf den Nachweis der Bioäquivalenz in vivo zugunsten eines vergleichenden Freisetzungstests in vitro im Rahmen eines sogenannten Biopharmaceutics Classification System (BCS) basierten Biowaivers verzichtet werden.
Der BCS-basierte Biowaiver ist ein vielversprechendes Instrument, welches Kosteneinsparungen sowie eine Verringerung des regulatorischen Aufwands im Zuge der behördlichen Zulassung von Generika ermöglicht und dazu beitragen kann, die Zugänglichkeit unentbehrlicher Arzneimittel zu verbessern. Dabei gibt es jedoch auch Hürden, welche die weitläufige Anwendung des Verfahrens verhindern: Unklare Löslichkeits- und Permeabilitätsklassifizierungen von Wirkstoffen, Arzneimittel, welche die in vitro Freisetzungskriterien nicht erfüllen, sowie Zweifel an der Eignung der regulatorischen Spezifikationen, Freisetzungsunterschiede in vitro erfassen zu können, die für das Verhalten in vivo relevant sind.
In der vorliegenden Dissertation werden diese Probleme thematisiert, indem eine umfassende Bewertung der Anwendbarkeit und Einschränkungen des BCS-basierten Biowaivers in seinem aktuell regulatorisch vorgeschriebenen Ablauf vorgenommen wird. Mögliche Anpassungen des Verfahrens wurden auf der Grundlage experimenteller in vitro Daten untersucht, bewertet und mithilfe von in silico Simulationsmodellen auf die Situation in vivo extrapoliert.
In der vorliegenden Arbeit konnte die Entwicklung und Evaluierung einer neuen Apparatur zur Untersuchung der Freisetzungseigenschaften von kolloidalen Arzneiträgern erfolgreich umgesetzt werden. Verschiedene Prototypen und Versionen des Dispersion Releasers konnten entwickelt und mit Hilfe der Werkstatt des Fachbereiches 14 umgesetzt werden. Dabei ermöglicht die letzte Optimierung (Version 3) den Einsatz beider relevanter Dialysemembranen. Sowohl regenerierte Cellulose als auch Celluloseacetat konnten zur Freisetzungsuntersuchung eingesetzt werden. Vorteilhaft ist diese Optionalität vor allem, da auf diese Weise Partikelsysteme und Wirkstoffe mit unterschiedlichen physiko-chemischen Eigenschaften in der gleichen Apparatur auf das Freigabeverhalten untersucht werden können. Darüber hinaus hat der Dispersion Releaser das Potential, sich im Bereich der Freisetzungsuntersuchungen kolloidaler Arzneiträger über den Arbeitskreis von Dr. Wacker hinaus zu einem bevorzugten Testsystem zu entwickeln. In diesem speziellen Gebiet der Freisetzungsuntersuchung von kolloidalen Arzneiträgern wie Nanopartikeln oder Liposomen existiert bisher keine Apparatur, die als sogenannter Gold-Standard angesehen werden kann. Untersuchungen mittels der Durchflusszelle, dem A4D oder Sample & Separate Methoden im Labormaßstab unterliegen kaum standardisierbaren Bedingungen und diversen Limitierungen. Der Dispersion Releaser ist einfach zu handhaben und mit wenig Aufwand in die Freisetzungsapparatur 2 nach Ph. Eur. einzubauen. Zu den zahlreichen Vorteilen gehören außerdem die Kontrolle der Rührgeschwindigkeit sowie der Temperatur und der mögliche Probenzug in beiden Kompartimenten der Dialysezelle. Würden mehr Freisetzungsuntersuchungen von kolloidalen Arzneiträgern mit der gleichen, im besten Falle standardisierten, Apparatur durchgeführt, so würde dies die Vergleichbarkeit der Resultate erheblich verbessern.
Die präparierten Modellarzneiformen der beiden Arzneistoffe mTHPC und Flurbiprofen konnten die Funktionalität des Dispersion Releasers mittels der erhobenen Freisetzungsprofile belegen. Es konnten sowohl schnell als auch langsamer freisetzende kolloidale Formulierungen produziert und identifiziert werden. Als Standard-Freisetzungsmedium diente ein 10 mM Phosphatpuffer versetzt mit Natrium- und Kaliumchlorid bei pH 7,4. Dieser im Hinblick auf pH-Wert, Osmolalität und Pufferkapazität dem Blut angepasste Puffer lieferte reproduzierbare Freisetzungsprofile für alle untersuchten Partikelsysteme. Der Zusatz von Plasmaproteinen erfolge durch Zufügen von FBS zu diesem Standardpuffersystem oder durch Verwendung des im Ph. Eur. gelisteten Phosphatpuffers pH 7,2 mit Rinderalbumin. Der Effekt der im Plasma natürlicherweise enthaltenen Komponenten, insbesondere der Plasmaproteine, auf das Freisetzungsprofil zeigt in dieser Arbeit, dass -wie erwartet- die Freisetzungseigenschaften in komplexen, bzw. physiologischen Medien deutlich von denen in einfachen Puffersystemen abweichen können. Die Anwesenheit von Plasmaproteinen führte zu einer veränderten Freisetzungsrate, sowohl im Falle von Flurbiprofen als auch im Falle von mTHPC. Für mTHPC konnte außerdem der Zusatz von lösungsvermittelndem Methyl-ß-cyclodextrin zum Freisetzungsmedium etabliert werden. Gegenüber üblicherweise eingesetzten Tensiden verändert dieses cyclische Zuckermolekül die Oberflächenspannung des Mediums und damit die Benetzbarkeit der Partikel nicht.
Die mittels Dispersion Releaser und Dialysesack erhobenen Freisetzungsdaten des Wirkstoffes Flurbiprofen wurden in Zusammenarbeit mit Frau Dr. Li Kirsamer einer mathematischen Auswertung unterzogen. Auf diese Weise konnte zunächst das Freisetzungsprofil beider Kompartimente der Dialyse dargestellt werden, wodurch weitere Erkenntnisse der Qualität des kolloidalen Trägers und seiner Eignung für den jeweiligen Arzneistoff abgeleitet werden können. Die Auswertung an Hand dieses Modells berücksichtigt zwar die Fraktion des freigesetzten Wirkstoffes in beiden Kompartimenten, ermittelt jedoch keine theoretische Freisetzungsrate welche ohne Membrankinetik messbar wäre. Dies wäre in der Auswertung von Freisetzungsdaten ebenfalls von Interesse, konnte jedoch im Rahmen dieser Arbeit nicht näher untersucht werden. Berechnungen wie diese können in weiterführenden Arbeiten möglicherweise dazu dienen, in vitro Freisetzungsdaten mit Plasmaprofilen zu korrelieren. Mit dem Erwerb der Rechte an dem Dispersion Releaser durch die Firma Pharma Test Apparatebau AG im Jahr 2016 wurde der Weg für eine mögliche breite und auch kommerzielle Nutzung der neuartigen Apparatur eingeleitet. Diese Transaktion und die andauernde Kooperation zwischen Pharmatest und dem Arbeitskreis von Herrn Prof. Dr. Wacker soll die erfolgreiche Beantwortung der Fragestellungen innerhalb der vorliegenden Arbeit mit dem Titel „Entwicklung einer Apparatur zur in vitro Testung der Wirkstofffreisetzung aus kolloidalen Arzneistoffträgern“ hervorheben.
Intrinsische und extrinsische Faktoren wie die Darreichungsform, Komedikation und genetische Polymorphismen können einen signifikanten Einfluss auf die Exposition des Wirkstoffes haben und in der Folge zu Veränderungen in der Wirksamkeit oder Sicherheit eines Wirkstoffes führen. Die Fähigkeit die Auswirkungen solcher Faktoren auf die Exposition und die pharmakologische Aktivität eines Wirkstoffes zu quantifizieren und zu extrapolieren, repräsentiert einen Meilenstein bei der Bestimmung der erforderlichen Dosisanpassungen und der Umsetzung von Risikomanagementstrategien in der klinischen Pharmakologie. Unter dem Blickwinkel der modellbasierten Arzneimittelforschung und -entwicklung (engl. model-informed drug discovery and development (MID3)) können dynamisch mechanistische Modelle, wie z. B. whole-body PBPK/PD-Modelle, für die Vorhersage des Effekts sowie der Wechselwirkung mehrerer Faktoren auf PK und PD nützlich sein und könnten daher als Orientierung für die Wahl der Formulierung und für klinische Dosierungsempfehlungen dienen.
Obwohl PBPK-Modelle in der Pharmabranche inzwischen routinemäßig zur internen Entscheidungsfindung und zur Unterstützung der regulatorischen Bewertung eingesetzt werden, bleibt das Vertrauen Waiver von speziellen klinischen pharmakologischen Studien für biopharmazeutische Anwendungen durch PBPK- Modellanalysen zu stützen eher gering. Andererseits hat sich die virtuelle Bioäquivalenz im Zusammenhang mit der Simulation klinischer Studien als ein vielversprechendes, aber noch unterentwickeltes Feld erwiesen, mit dessen Hilfe der Anwendungsbereich der PBPK-Modellierung in der Biopharmazeutik erweitert werden kann. So werden beispielsweise BCS-basierte Biowaiver für Wirkstoffe der BCS-Klassen II und IV derzeit von den Gesundheitsbehörden nicht akzeptiert. In einigen Fällen hat die PBPK-Modellierung durch Verknüpfung der In-vitro-Freisetzung mit der In-vivo-Performance der Formulierung jedoch gezeigt, dass ein solcher Ansatz unter Umständen wissenschaftlich gerechtfertigt sein könnte. Auf ähnliche Weise können PBPK-Modellierung und VBE verwendet werden, um klinisch relevante Spezifikationen für die Wirkstofffreisetzung festzulegen und den "safe space" der Freisetzung zu definieren (oder zu erweitern). Doch selbst bei Wirkstoffen, die Unterschiede im Umfang und in der Rate der Absorption außerhalb der Bioäquivalenzgrenzen aufweisen, was bedeutet, dass sie nicht als bioäquivalent und damit austauschbar angesehen werden können, kann die therapeutische Äquivalenz beibehalten werden, sofern dies durch eine Expositions-Wirkungs-Analyse und/oder eine Expositions-Sicherheits-Analyse unter Verwendung empirischer, halb- oder vollmechanistischer PK/PD-Modelle angemessen begründet wird.
Wie bereits erwähnt bieten PK/PD- und insbesondere PBPK/PD-Modelle einen mechanistischen Ansatz, der die Gewebekonzentrationen am Wirkort des Wirkstoffes mit der pharmakologischen Wirkung verknüpft. Im Rahmen dieser Arbeit wird zunächst ein Überblick über bestehende PK/PD-Modelle und deren mathematischen Umsetzung vorgestellt. Darüber hinaus sind wirkstoffspezifische Fallbeispiele mit einer offensichtlichen Entkopplung von PK und PD von besonderem Interesse, bei denen Expositionsschwankungen weniger kritisch, wenn nicht gar irrelevant für die pharmakologische Reaktion sind (Publikation 1).
In diesem Zusammenhang bietet PBPK Modellierung und Simulation die Möglichkeit die oben genannten wissenschaftlichen Überlegungen zu untersuchen, ungetestete Szenarios zu erforschen und schließlich evidenzbasiert und arzneimittelspezifische Empfehlungen für Bioäquivalenzprüfungen zu erteilen. Daher bestand das Hauptziel darin PBPK/PD-Modelle zu entwicklen, zu validieren und anzuwenden sowie virtuelle Trials zu simulieren, um den relativen Effekt der In-vitro/ In-vivo-Freisetzung, PK-Charakteristiken (z.b. die Halbwertszeit) und die intraindividuelle Variabilität bei der In-vivo-Arnzeimittelwirkung von BCS Klasse II schwach sauren Verbindungen zu beurteilen und einen PBPK-IVIVE integrierten Arbeitsablauf vorzuschlagen, um virtuelle Bioäquivalenzstudien durchzuführen.
Es wurden drei BCS Klasse II schwach saure Wirkstoffe (Naproxen, Flurbiprofen, Ibuprofen) mit ähnlicher Disposition und ähnlichen metabolischen Eigenschaften zur Untersuchung ausgewählt. Allgemein sind alle drei Wirkstoffe stark an Plasmaproteine gebunden und haben daher ein niedriges Verteilungsvolumen, niedrigen First-Pass-Effekt, niedrige systemische Clearance und eine nahezu vollständige Bioverfügbarkeit (F>0.9). Allerdings unterscheiden sie sich signifikant in ihrer Halbwertszeit: Für Naproxen beträgt t1/2≃20-24 h, für Flurbiprofen t1/2≃7 h und für Ibuprofen t1/2≃2 h, was moderate bis lange, moderate und kurze Halbwertszeiten widerspiegelt.
Für alle drei Wirkstoffe wurde ein systematischer Arbeitsablauf erstellt einschließlich: i) Charakterisierung von in vitro biopharmazeutischen Eigenschaften (z.b. Löslichkeit, Freisetzung) gefolgt von modellbasierten Analysen von In-vitro-Ergebnissen, ii) Entwicklung und umfassende Validierung von PBPK/PD-Modellen und iii) Simulierung und Risikoeinschätzung von Bioäquivalenzstudien. Die Fallstudien von Naproxen (Publikation 2) und Ibuprofen (Publikation 3) konzentrieren sich auf bewährte Verfahren der IVIVE für biopharmazeutische Parameter, Risikoabschätzung und Simulation von Bioäquivalenzstudien mit PBPK-Modellen, welche die inter-occasion Variabilität miteinbeziehen. Das Beispiel von Flurbiprofen (Publikation 4) hebt die Wichtigkeit des Verständnisses des relativen Einflusses von intrinsischen (z.b. genetische Polymorphismen) und extrinsischen (z.b. Komedikationen) Faktoren auf die PK und PD des Wirkstoffes hervor, wenn Empfehlungen für die Bioäquivalenz und die therapeutische Gleichwertigkeit gemacht werden. Alle drei Fallbeispiele liefern mechanistische Erkenntnisse über die Freisetzungssgrenzen, die für die In-vivo-Arneimittelwirksamkeit kritisch ist, unter Berücksichtigung der PK-Eigenschaften des Wirkstoffes und der physiologischen Variabilität mit dem Ziel den Status quo des aktuellen BCS-basierten Biowaiveransatzes in Frage zu stellen und integrierte In-vitro-, In-vivo- und In-silico-Paradigma der Risikobewertung für Waiver von In-vivo-Bioäquivalenzstudien einzuführen.
In dem letzten Teil der Arbeit werden Herausforderungen, Kenntnislücken und Möglichkeiten von PBPK/PD-Modellierung zur Unterstützung von Waivern von in vivo klinischen Studien im Bereich von oralen Biopharmazeutika diskutiert (Publikation 5).
Im Großen und Ganzen schlägt diese Dissertation biorelevante In-vitro-Methoden für die Vorhersage von In-vivo-Formulierungsperformance und neue PBPK/PD-Methoden vor, um Daten von in vitro biopharmazeutischen Experimenten zu den In-vivo-Bedingungen zu extrapolieren. Außerdem ist dies das erste Mal nach unserem Kenntnisstand, dass PBPK/PD-Ansätze zur Durchführung virtueller Bioäquivalenzstudien vorgeschlagen werden, die auch die inter-occasion Variabilität der Pharmakokinetik berücksichtigen. Desweiteren hebt diese Arbeit die Bedeutung von pharmakokinetischen Eigenschaften auf Bioäquivalenz-Ergebnissen hervor und stellt ein neues Konzept zur Risikoeinschätzung von Bioäquivalenz vor, in welchem die Bewertung des Bedarfs eines Waivers von einer In-vivo-Bioäquivalenzstudie sowohl auf biopharmazeutischen als auch pharmakokinetischen Wirkstoffeigenschaften basiert und quantitativ mit PBPK/PD-Modellierung bewertet wird.
Computational oral absorption models, in particular PBBM models, provide a powerful tool for researchers and pharmaceutical scientists in drug discovery and formulation development, as they mimic and can describe the physiologically processes relevant to the oral absorption. PBBM models provide in vivo context to in vitro data experiments and allow for a dynamic understanding of in vivo drug disposition that is not typically provided by data from standard in vitro assays. Investigations using these models permit informed decision-making, especially regarding to formulation strategies in drug development. PBBM models, but can also be used to investigate and provide insight into mechanisms responsible for complex phenomena such as food effect in drug absorption. Although there are obviously still some gaps regarding the in silico construction of the gastrointestinal environment, ongoing research in the area of oral drug absorption (e.g. the UNGAP, AGE-POP and InPharma projects) will increase knowledge and enable improvement of these models.
PBBM can nowadays provide an alternative approach to the development of in vitro–in vivo correlations. The case studies presented in this thesis demonstrate how PBBM can address a mechanistic understanding of the negative food effect and be used to set clinically relevant dissolution specification for zolpidem immediate release tablets. In both cases, we demonstrated the importance of integrating drug properties with physiological variables to mechanistically understand and observe the impact of these parameters on oral drug absorption.
Various complex physiological processes are initiated upon food consumption, which can enhance or reduce a drug’s dissolution, solubility, and permeability and thus lead to changes in drug absorption. With improvements in modeling and simulation software and design of in vitro studies, PBBM modeling of food effects may eventually serve as a surrogate for clinical food effect studies for new doses and formulations or drugs. Furthermore, the application of these models may be even more critical in case of compounds where execution of clinical studies in healthy volunteers would be difficult (e.g., oncology drugs).
In the fourth chapter we have demonstrated the establishment of the link between biopredictive in vitro dissolution testing (QC or biorelevant method) PBBM coupled with PD modeling opens the opportunity to set truly clinically relevant specifications for drug release. This approach can be extended to other drugs regardless of its classification according to the BCS.
With the increased adoption of PBBM, we expect that best practices in development and verification of these models will be established that can eventually inform a regulatory guidance. Therefore, the application of Physiologically Based Biopharmaceutical Modelling is an area with great potential to streamline late-stage drug development and impact on regulatory approval procedures.
Die vorliegende Arbeit beschreibt Untersuchungen zur Beurteilung der pharmazeutischen Qualität von Phytopharmaka am Beispiel der häufig eingesetzten Johanniskrautextrakt-Präparate. Elf Johanniskrautextrakt-Präparate des deutschen Arzneimittelmarktes wurden hinsichtlich Chargenhomogenität, Chargenkonformität und Gehalt der wirksamkeitsmitbestimmenden Inhaltsstoffe Gesamthypericin und Hyperforin untersucht. Außerdem wurde die Freisetzung von Hyperforin, Hypericinen und Flavonoiden aus verschiedenen Präparaten in kompendialen und biorelevanten Medien geprüft. Zur Analytik des Hyperforins und der Flavonoide wurden zwei HPLC-Verfahren etabliert und nach ICH-Guidelines validiert. Die Analysenzeit der isokratischen Methode zur Bestimmung von Hyperforin war mit 10 Minuten sehr kurz. Somit war die Methode sowohl für die Gehaltsbestimmungen als auch für die Freisetzungsuntersuchungen sehr gut geeignet. Zur Bestimmung der Flavonoide Rutin, Hyperosid/ Isoquercitrin und Quercitrin wurde eine Gradientenelution verwendet, wodurch eine Analysenzeit von 18 Minuten resultierte. Gesamthypericin wurde mittels Differentieller Puls-Polarographie nach Belichtung der Proben bestimmt. Die Ergebnisse der Untersuchung zur Chargenhomogenität von Gesamthypericin und Hyperforin belegten für nahezu alle Präparate eine gute Gleichförmigkeit des Gehaltes der analysierten wirksamkeitsmitbestimmenden Inhaltsstoffe. Im Bezug auf die Chargenkonformität hinsichtlich Gesamthypericin wiesen die Präparate unterschiedliche Resultate auf. Zwar ist es seit Erscheinen des „Bühler-Papiers“ nicht mehr zulässig auf einen definierten Gehalt an Gesamthypericin, zu normieren, einige Extrakthersteller ziehen diese Substanzgruppe jedoch als analytischen Qualitätsparameter bei der Herstellung standardisierter Extrakte heran. So zeigten vier Präparate bei der Untersuchung von je fünf Chargen mit relativen Standardabweichungen von unter 10% eine gute Reproduzierbarkeit des Gesamthypericingehaltes. Die übrigen Präparate wiesen mehr oder weniger starke Schwankungen im Gesamthypericingehalt auf. Die Untersuchung der Chargenkonformität bezüglich Hyperforin führte zu dem Ergebnis, daß lediglich für zwei Präparate (eines Herstellers) eine sehr gute Reproduzierbarkeit des Hyperforingehaltes erreicht wurde. Hier betrugen die relativen Standardabweichungen weniger als 4%. Die übrigen Präparate zeigten mehr oder weniger starke Schwankungen, wobei für ein Präparat der Variationskoeffizient 70% betrug. Auffällig ist, daß die Präparate mit einheitlichen Hyperforingehalten höhere relative Standardabweichungen von ca. 20% bzgl. des Gesamthypericingehaltes zeigten. Umgekehrt zeigten Präparate mit einheitlichem Gesamthypericingehalt oftmals höhere Variationskoeffizienten bei den Hyperforingehalten. Eine gute Chargenkonformität für beide Analyten wiesen lediglich drei Präparate auf. Der relative Gesamthypericingehalt im Extrakt betrug zwischen 0,11 und 0,43%, während der Absolutgehalt an Gesamthypericin Werte zwischen 0,33 und 1,92 mg je Darreichungsform aufwies. Orientiert an den Einnahmeanweisungen der Hersteller lagen die maximalen Tagesdosen Gesamthypericin zwischen 1,00 und 3,69 mg Gesamthypericin. Die gefundenen relativen Hyperforinmengen lagen in der Regel zwischen 1,09 und 4,48% im Extrakt, wobei ein einzelnes Präparat weniger als 0,2% Hyperforin im Extrakt aufwies. Für den Absolutgehalt an Hyperforin wiesen die Präparate Werte zwischen weniger als 0,5 und 28,88 mg auf. Unter Berücksichtigung der Einnahmeempfehlungen des Herstellers ergaben sich daraus Tagesmaximaldosen zwischen < 1 und 53,76 mg Hyperforin. Die Ergebnisse der Freisetzungsuntersuchungen in kompendialen und biorelevanten Medien zeigten, daß Hyperforin im sauren Milieu des Magensaftes nicht freigesetzt wird und es auch unter Bedingungen, die den nüchternen Zustand im proximalen Dünndarm simulieren lediglich zu einer geringfügigen Freisetzung aus der Arzneiform kam. Eine gute Freisetzung konnte hingegen im Medium FeSSIF erreicht werden, daß die Bedingungen des proximalen Dünndarms im gesättigten Zustand simuliert. Gesamthypericin ging zwar im sauren pH-Milieu des Magensaftes ebenfalls nicht in Lösung, unter simulierten Nüchternbedingungen im Dünndarm konnte im Gegensatz zu Hyperforin aber bereits eine gute Freisetzung verzeichnet werden. Die untersuchten Flavonoide zeigten in allen verwendeten Medien eine gute Freisetzung. Der Vergleich verschiedener Präparate ergab starke Unterschiede hinsichtlich ihrer Freisetzungscharakteristik. Dabei ergaben sich Abweichungen sowohl hinsichtlich Geschwindigkeit als auch bezüglich Vollständigkeit der Freisetzung der untersuchten Inhaltsstoffe. Eine Tatsache ist, daß Präparate, die laut Deklaration als pharmazeutisch äquivalent einzustufen wären, sich einerseits im Bezug auf den Gehalt an pharmazeutisch-relevanten Inhaltsstoffen und andererseits auch in ihrem in-vitro-Freisetzungverhalten unterschiedlich verhalten und somit nicht als biopharmazeutisch äquivalent gelten können. Dies läßt den Schluß zu, daß Johnniskrautextrakt-Präparate zur Therapie leichter bis mittelschwerer Depressionen nicht ohne weiteres untereinander ausgetauscht werden sollten. Es ist unumstritten, daß Bedarf an neuen aussagekräftigen Beurteilungsansätzen zur Qualität von Phytopharmaka vorhanden ist. In dieser Arbeit wurde eine neue und verfolgenswerte Idee zur vergleichenden Bewertung der pharmazeutischgalenischen Qualität von Phytopharmaka am Beispiel von Johanniskrautextrakt-Präparaten aufgezeigt.
The development of a drug product, beginning with the synthesis of the drug substance through approval for marketing, may take up to 15 years and a total amount of investment of up to half a billion Euro. After the discovery of a potential drug substance, many different investigations have to be performed: e.g. characterization of the physical-chemical properties, the pharmacological and toxicological profile and, especially relevant for this work, the development of the first dosage forms. After achieving these steps, first investigations in human studies can be carried out. After a positive assessment of the benefit to risk ratio, further investigations, such as food effects on the pharmacokinetics, multiple dosing studies and further studies on patients can be implemented. After successfully completing this second part the new drug product can be approved. With broader clinical experience it often becomes apparent that changes in relevant aspects of the formulation of the registered drug product e.g. excipients, concentration of the drug substance or excipient versus drug substance ratio, are necessary to optimise the therapy. This often leads to additional clinical investigations and a new registration, a procedure which is time and cost intensive. A possible way to reduce the financial and time investments, is to establish an appropriate in vivo- in vitro correlation (IVIVC). If it is possible to predict the in vivo performance of a drug product adequately with in vitro methods (dissolutions tests), it will no longer be necessary to perform additional clinical investigations. In this work, IVIVCs were investigated for three different drug substances and several different types of formulations.... ...Results of this work clearly show that successful IVIVCs can be achieved for the fasted state using biorelevant dissolution media. A prerequisite of achieving a good IVIVC is the availability of in vivo data of a reference product (i.v., oral solution or IR) tested within the same group of volunteers as the product of interest. Only with this procedure, one can obtain adequate IVIVCs for drug substances with high inter-individual variability of the plasma concentrations and with high first-pass metabolism. This work also shows that predictions of the in vivo behavior of a modified release dosage form after administration with a high fat meal are more difficult to obtain. This is mainly related to an absence of a medium, which could mimic the situation of the fed stomach adequately. Ensure plus®, which was chosen in this work, failed to simulate the fed stomach adequately in several cases; it suppressed the release of rosiglitazone from lipid formulations and led to rapid disruption of the HPMC-matrix of the 5-ISMN Geomatrix formulations. Future work should be directed towards optimization of the test media in the BioDis apparatus. This work clearly shows the inability of Ensure plus® to predict the in vivo performance of a drug under fed state conditions and indicates that alternative media must be developed. It is known that the pH of the stomach rises up to six after the intake of a meal. During the following hours the pH decreases until reaching the baseline value of approximately 1.8. One possibility of simulating the fed state stomach more precisely will be to divide the overall residence time into 4 different parts: 1. half a hour at pH 6 2. half a hour at pH 4 3. one hour at pH 3 4. two hours at pH 1.8 Another option is not only to modify the pH of the medium, but also to change its composition. During the decomposition of the food contents, the composition of the gastric juice changes, the ionic strength, the buffer capacity and the osmolarity rises, while the pH value decreases. A third possibility will be the addition of enzymes, mainly pepsin, lipases and amylases. Again, the quantity of the enzymes differs during the residence time of the food in the stomach. Highest quantities are expected in the first two hours after food intake and decreases in the remaining two hours. Another issue of this work was an assessment of the two dissolution apparatus, Paddle and BioDis. In general, the choice of the dissolution apparatus should be done primarily with respect to the solubility behavior of the drug substance. For high soluble drugs the USP apparatus II, Paddle, is sufficient (e.g. diltiazem or 5-ISMN). In cases of a poorly soluble drug (rosiglitazone), where the release strongly depends on the medium used, the USP apparatus III (BioDis) is favored, due to the advantage of simulating the GI-tract with a gradient of different dissolution media, each simulating one part of the GI-tract. In summary, the results of this work indicate that it is acurrently possible to predict fasted state behavior of a variety of controlled release products using in vitro tests. Prognoses was also made in terms of predicting food effects on the behavior of controlled release products, although it is clear that the media compositions will have to be revised to establish releiable predictive methods for the fed state.
Schwerlösliche Arzneistoffe besitzen häufig unbeliebte biopharmazeutische Eigenschaften und ihre erfolgreiche Formulierung zur oralen Verabreichung stellt eine der häufigsten und größten Herausforderungen an die pharmazeutische Technologie dar. Unter zahlreichen Verfahren zur Überwindung von absehbaren Bioverfügbarkeitsproblemen kommt den physikalischen Methoden nach wie vor eine zentrale Bedeutung zu. In der vorliegenden Arbeit wurde erforscht, wie die Bioverfügbarkeit schwerlöslicher Verbindungen durch Anwendung physikalischer Verfahren und in fester Formulierung erhöht und ihre Auflösungsgeschwindigkeit als entscheidender Schritt hierzu optimiert werden kann. Als schwerlösliche Substanzen wurden die Arzneistoffe EMD 57033 und Albendazol, die eine vergleichweise niedrige Lipophilie aufwiesen, sowie Danazol, Felodipin und Fenofibrat (hohe Lipophilie) ausgewählt. Zunächst wurde untersucht, inwieweit eine klassische Wirkstoffmikronisierung dem Problem der schlechten Wasserlöslichkeit und der unzureichenden Auflösungsgeschwindigkeit zu begegnen vermag. In klassischer Art und Weise wurde gemäß der Noyes-Whitney-Beziehung durch Partikelgrößenreduktion die Auflösungsrate gesteigert. Bei großem Dosislöslichkeitsvolumen (>1000 ml) war eine Verbesserung nur bis zu einem gewissen Ausmaß möglich. Es wurde auch festgestellt, dass mit alleiniger Wirkstoffmikronisierung selbst bis in den unteren Mikrometerbereich und sogar bei Vorliegen eines kleinen Dosislöslichkeitsvolumens (<100 ml) eine optimale Auflösungsgeschwindigkeit nicht garantiert und oft nicht erzielt werden kann. Der Ansatz der Wirkstoffmikronisierung kann jedoch grundsätzlich empfohlen werden, da sich unabhängig von Dosis und Löslichkeit signifikante Verbesserungen in der Auflösungskinetik ergeben können. Luftstrahlmahlung ist eine zahlreichen anderen Verfahren überlegene Vermahlungstechnik. Sie erlaubt bei entsprechenden Einstellungen die trockene Herstellung ultrafeiner Partikel (1–3 Mikrometer) in kontinuierlichem oder Batch-Betrieb bei gut steuerbarem Prozess, der das Mahlgut praktisch keiner Temperaturbelastung unterwirft. Staubentwicklung und Abrieb müssen jedoch beachtet werden. Freisetzungen wurden in biorelevantem Medium (z.B. FaSSIF), das bestmöglich die gastrointestinalen Gegebenheiten simuliert, sowie zusätzlich in einem Mediumhöheren Tensidgehaltes durchgeführt, das zur Berücksichtigung einer ungehinderten Absorption der BCS-Klasse II-Substanzen in vivo-Sink-Bedingungen darstellte. Diese Vorgehensweise ist grundsätzlich zu empfehlen. Für EMD 57033 wurde zudem nachgewiesen, dass eine biorelevante Freisetzungsprüfung auch in einfachen SLSLösungen möglich ist. Das Dosislöslichkeitsvolumen nimmt grundsätzlich bedeutenden Einfluss auf das Freisetzungsverhalten. Die trockene Covermahlung ist ein äußerst erfolgreicher prozesstechnischer Schritt zur Formulierungsverbesserung. Sie wird durch Vermahlung eines Wirkstoffes mit einem oder mehreren Hilfsstoffen dargestellt. Durch Covermahlung per Gasstrahl zubereitete Formulierungen mit 10% Wirkstoffanteil erzielten für alle untersuchten Arzneistoffe eine optimale Auflösungsgeschwindigkeit und rasches Erreichen maximaler Freisetzung. Vergleichbaren physikalischen Mischungen sowie einfacher Mikronisierung war sie deutlich überlegen. Im Gegensatz zu reiner Wirkstoffmikronisierung bildete die Freisetzung nach Covermahlung nicht ausschließlich diskrete messbare Stoffeigenschaften ab (z.B. Korngröße), sondern war vielmehr das Ergebnis eines Herstellungsprozesses. Die qualitative und quantitative Auswahl der Hilfsstoffe prägte zudem das Freisetzungsverhalten entscheidend und in stärkerem Ausmaß als der Vermahlungsgrad. Die deutliche Verbesserung der Auflösungsgeschwindigkeit eines Wirkstoffes nach Covermahlung war unabhängig von der Wahl des Freisetzungsmediums und dem vorliegenden Dosislöslichkeitsvolumen. Die Kristallinität aller Arzneistoffe, mittels Röntgendiffraktometrie und DSC untersucht, wurde durch die Covermahlung nicht verändert. Die Korngröße eines covermahlenen Produktes konnte bei Einsatz schwer vermahlbarer Hilfsstoffe unter Umständen nicht auf den Wirkstoff projiziert werden. HPMC erwies sich als schwer vermahlbar. Für eine Aktivsubstanz (EMD 57033) wurde sogar die Ausbildung übersättigter Lösungen bei Freisetzung covermahlener Formulierungen nachgewiesen, die nicht in Phasenumwandlungen des Wirkstoffes oder in reiner Partikelgrößenreduktion begründet war. Lactose als Hilfsstoff förderte eine sehr hohe initiale Auflösungsgeschwindigkeit, oftmals wurde vollständige Freisetzung bereits nach 15 Minuten erreicht. Polymere wie HPMC und PVP wirkten stabilisierend, jedoch auch verzögernd. SLS förderte ebenfalls eine optimale Auflösungsrate durch Überwindung von etwaigen Benetzbarkeitsproblemen einesein gemahlenen) Wirkstoffes, unterband jedoch die Bildung von übersättigten Konzentrationen. Covermahlungen zeichneten sich durch eine sehr gute Reproduzierbarkeit von Herstellungsprozess und Produkt (einschließlich Freisetzungscharakteristik) aus und waren als deutlich robuster gegenüber reinen Wirkstoffvermahlungen einzustufen. Covermahlene Mischungen zeigten perfekte Homogenität. Der Wirkstoffgehalt ist zwingend nach Covermahlung zu prüfen, da sich durch den Herstellungsprozess leichte Verschiebungen in der quantitativen Zusammensetzung der Formulierung ergeben können. Covermahlungen sind industriell problemlos abbildbar. Covermahlene Formulierungen von EMD 57033 mit Lactose oder Polymeren bildeten ihre Überlegenheit gegenüber reinen Wirkstoffmikronisierungen, die sich in vitro durch die Ausbildung übersättigter Lösungen darstellte, auch in vivo in Hunden ab. Zwar steigerte bereits die Vermahlung des reinen Arzneistoffes seine orale Bioverfügbarkeit (0% - 37% relative BV), der Einsatz der Covermahlung konnte diese jedoch noch weiter erhöhen und nahezu verdoppeln (55%, 68%). Multiple Level CKorrelationen covermahlener und mikronisierter Wirkstoffformulierungen belegten erfolgreiche in vitro-Simulationen. Sprühtrocknungen schwerlöslicher Stoffe aus wässriger Umgebung geht das Problem voraus, den Stoff nicht in ausreichendem Maße auflösen zu können. In der vorliegenden Arbeit wurde daher mit Hilfe einer Rührwerkskugelmühle Kristallsuspensionen von Wirkstoffnanopartikeln (<200 nm, Messung durch Laserbeugung und Auswertung nach der Mie-Theorie) hergestellt, die dann getrocknet wurden. Den zwischenzeitigen Vorteil der extrem hohen Oberfläche in Form von Nanoteilchen gab der Wirkstoff nach Sprühtrocknung oder Sprüheinbettung (bei Anwesenheit gelöster oder (nano-) suspendierter Hilfsstoffe) wieder ab. Die Kombination aus Nanonisierung und Sprühtrocknung stellt prozesstechnisch zwei Herstellungsschritte dar und beeinträchtigt – neben der fundamentalen Problematik der Stabilisierung von Intermediaten – die Stabilität eines Wirkstoffes durch Flüssigkeitskontakt (Nassmahlung) und thermische Belastung (Sprühtrocknung). EMD 57033 verblieb bei Sprühtrocknungen kristallin und wies verglichen mit covermahlenen Formulierungen eine schwächere Auflösungsgeschwindigkeit auf. Eine Ausnahme bildete die Sprüheinbettung mit SLS, die jedoch in derPharmakokinetikstudie den Covermahlungen unterlegen war (relative Bioverfügbarkeit 47%). Fenofibrat ging fast vollständig in den amorphen Zustand über und zeigte bei Freisetzung das typische Bild einer schnellen Rekristallisation. Fazit Im Gegensatz zu Wirkstoffmikronisierungen oder Sprühtrocknungsverfahren können trockene Covermahlungen mit ausgewählten Hilfsstoffen universell das Ausmaß und die Geschwindigkeit der Auflösung schwerlöslicher Stoffe optimieren (vollständige Auflösung oder Sättigung erreicht). In Abhängigkeit von Wirk- und Hilfsstoffen werden sogar Übersättigungen erzielt, die auch in vivo in einer gesteigerten oralen Bioverfügbarkeit abgebildet werden können.