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Standard biorelevant media reflect the average gastrointestinal (GI) physiology in healthy volunteers. The use of biorelevant media in in vitro experiments has become an important strategy to predict drug behaviour in vivo and is often combined with in silico tools in order to simulate drug plasma profiles over time. In addition to the healthy population, the effects of disease state or co-administration of other drugs on plasma profiles must be considered to assure drug efficacy and safety. Thus, there is a need for a more accurate representation of the human GI physiology when it is altered by disease or co-administered drugs in in vitro dissolution experiments.
This thesis focused on the development of biorelevant media and dissolution tests reflecting GI physiology in circumstances where the gastric pH is elevated. Diseases linked to an elevated gastric pH are hypochlorhydria and achlorhydria, but these days treatment with acid-reducing agents (ARAs) is the single greatest cause of elevation in gastric pH. pH-dependent drug-drug interactions (DDIs) with ARAs are frequent, as the ARAs are used in a number of diseases using a variety of drugs. As the drugs currently on the market are often poorly soluble and ionisable, their dissolution is highly dependent on the pH of the GI tract, especially the gastric pH.
The thesis research consisted of several steps. In the first step, physiological changes in the human GI tract during the therapy with ARAs were identified. Parameters of the standard biorelevant gastric medium FaSSGF were adjusted to the identified changes to reflect the impact of ARA co-administration on the gastric physiology. The media aim to assess the potential extent of the ARA impact on gastric physiology by introducing biorelevant media pairs, ARA pH 4 and pH 6 media, of which one reflects a lesser, and the other a stronger impact of ARAs.
In the second step these ARA media were implemented in in vitro dissolution set-ups.
The dissolution of poorly soluble ionisable drugs was assessed using one-stage, two-stage and transfer model set-ups, as well as using a more evolved in vitro system TIM-1. Comparison of results from dissolution set-ups using the standard, low pH, gastric biorelevant medium FaSSGF (pH 1.6 or 2), and the same set-ups using ARA pH 4 and pH 6 media, shows a decrease in dissolution rate and extent for weakly basic compounds PSWB 001 and dipyridamole, and an increase in rate and extent of dissolution for the weakly acidic compound raltegravir potassium, when the gastric pH is elevated. Due to different physicochemical properties, the extent of the impact of physiological changes during ARA therapy (when either ARA pH 4 or pH 6 medium is selected) on dissolution varied among the model drugs. Thus, the bracketing approach, which considers a range of the possible ARA co-administration impact on drug dissolution, was confirmed to be best practice in assessing the impact of ARAs.
In the third step, dissolution data from in vitro experiments with ARA media was implemented into in silico models. The predictions using various in silico model approaches in Simcyp™ Simulator (minimal and full PBPK model, dissolution input using DRM and DLM) successfully bracketed in vivo data on drug administration during ARA therapy and correctly predicted an overall decrease in plasma concentration for the two model weakly basic compounds and an increase in plasma concertation for the model weakly acidic compound.
In all assessed scenarios, the ARA methods proved to be an essential part of evaluating and predicting the impact of ARAs on drug pharmacokinetics, and appropriately predicted the extent of a possible impact of ARAs on the drug plasma profiles. Thus, the ARA biorelevant media and dissolution tests were demonstrated to be valuable tools reflecting administration of drugs when the gastric pH is elevated and able to predict the impact of ARA therapy on drug administration.
The ability to evaluate the impact of human (patho) physioloy on drug behaviour in the gastrointestinal tract is of great importance, as the GI conditions play a significant role in drug release and absorption. Thus, there is great interest on the part of the pharmaceutical industry and regulatory agencies to develop best practices in this field, especially for pH-dependent DDIs. The media and dissolution tests developed in this thesis are biorelevant methods appropriate for evaluation of the impact of elevated gastric pH on drug efficacy and safety. Such methods, used as a risk assessment tool, in connection with evaluation of the efficacy window and potential toxicity, may help to increase confidence about decisions as to whether a pH-effect will occur and whether it is relevant or not, prior to conducting clinical studies. They may also enable changes in inclusion/exclusion criteria during recruiting for large-scale efficacy trials. In fact, the biopharmaceutic approach to drug development is becoming standard practice on a number of fronts, including metabolic DDIs, renal and hepatic insufficiency, powering decision-making process and possibly even waiving certain types of clinical studies.
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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.