Sprungfedern und Fallschirme - Entwicklung und Charakterisierung neuer Formulierungen für schlecht wasserlösliche Wirkstoffe

Successful formulation development of novel, particularly organic APIs of low molecular weight as candidates for ground-breaking pharmaceutical products is a major challenge for the pharmaceutical industry because of the poor aqueous solubility of most of these compounds. The hit identification strategies of drug development in use today apply high throughput screening techniques for the investigation of thousands of substances. This approach led to a systematical increase in molecular weight and lipophilicity and a decrease of water solubility of lead compounds reaching market access. The high lipophilicity causes an excellent permeability of the compounds which favours the absorption process from the small intestine, but it causes a decrease of water-solubility. It becomes evident that an adequate aqueous solubility is necessary for absorption of the API from the gastrointestinal fluids into the systemic circulation and hence for efficacy of the pharmaceutical product. Only an dissolved API is getting absorbed and becomes efficacious. The precipitated proportion is resigned directly. Therefore, the development of an individual formulation aligning the physicochemical characteristics is necessary for every API to produce supersaturated solutions in the small intestine and to reach an adequate bioavailability after absorption into the systemic circulation. In this thesis a specific formulation development was investigated for two exemplary poorly water-soluble APIs to replace the empirical approach often used today. The basic tyrosine-kinase inhibitor imatinib and six different acetylated amino acids were transferred into ILs. As compared to the free base and the mesylate salt, which is marketed by Novartis AG as Gleevec®, the dissolution rate as well as the supersaturation time was increased significantly. By changing the mesylate anion with its potential genotoxic risks, the total toxicity of the drug product could be decreased. The amorphous ILs proved adequate stability under forcing conditions and there was no recrystallization of the free base observed. The amorphous character of the ILs caused an increased amount of water vapour sorption which can be compensated by special packaging materials. Taken together, the presentation of imatinib as an IL is intended for oral administration as a tablet and can cause a reduction of dose because of the increased solubility. Therefore, the occurrence of side effects can be reduced as compared to Gleevec®. If there is actually an increased bioavailability to observe, has to be proved by the execution of animal trials. The novel NOX inhibitor VAS3947 is intended for the treatment of endothelial dysfunctions causing diseases like heart failure and stroke. The compounds poor aqueous solubility hindered further clinical development so far and make the drug candidate to remain in a very early stage of the drug development process. Therefore, different formulation concepts were evaluated in this study: An amorphous solid dispersion prepared from VAS3947 and Eudragit® L100 by means of spray drying was able to increase the dissolution rate and solubility of the compound significantly, but with the accomplished kinetic solubility being in the low µM range it is not possible to reach therapeutic plasma concentrations. In contrast, the incorporation into cyclodextrins resulted in an 760-fold increased solubility. Different cyclodextrins were evaluated. Especially the lipophilic derivatives of the β-cyclodextrin showed to be the most adequate excipients. The incorporation of the API into the cyclodextrin cavity was proved by means of NMR spectroscopy. Additionally, a formulation of VAS3947 and hydroxypropyl-β-cyclodextrin was prepared. This formulation is intended for the intravenous application during animal trials, which have to be conducted to get to know the pharmacokinetics of VAS3947. This formulation reached a concentration of 1 mg/mL spending striking protection of VAS3947 against degradation. Presentation of VAS3947 as a microemulsion system led also to increase the aqueous solubility of the compound, but not in the same extent as the cyclodextrin formulation. Beside the formulation development a physicochemical characterization was performed to get to know important parameters such as log P and pKa values of VAS3947. An HPLC method was developed and validated to analyse the extent of solubility improvement. A major issue of the compound VAS3947 and all related triazolopyrimidine derivatives, developed by Vasopharm GmbH, is the insufficient chemical stability because of presence of a hemiaminal moiety in the chemical structure. Stability investigations and an extensive biopharmaceutical characterization confirm the hindering of further clinical development by insufficient drug stability and high cytotoxicity. Poor aqueous solubility is an additional disadvantage which can be handled by a concerted formulation development.Die erfolgreiche Formulierung von neuen, insbesondere organischen Wirkstoffen geringen Molekulargewichtes als Entwicklungskandidaten für innovative Arzneimittel stellt eine erhebliche Herausforderung für die pharmazeutische Industrie dar, weil ein Großteil dieser Substanzen ausgesprochen schlecht wasserlöslich ist. Die moderne Wirkstoffentwicklung basiert meistens auf der Zielstruktur und erfolgt unter Anwendung von Hochdurchsatzmethoden, bei denen Tausende an verschiedenen Substanzen getestet werden. Dieses Vorgehen hat in den letzten Jahrzehnten dazu geführt, dass die molare Masse und die Lipohilie derjenigen Entwicklungskandidaten, die eine Zulassung als Arzneimittel erreicht haben, kontinuierlich zugenommen haben. Durch die hohe Lipophilie weisen diese Wirkstoffe eine ausgezeichnete Permeabilität auf, die für den Absorptionsprozess aus dem Magen-Darm-Trakt notwendig ist. Jedoch geht damit gleichzeitig eine Abnahme der Wasserlöslichkeit einher. Es ist offensichtlich, dass eine ausreichendende hohe Wasserlöslichkeit die Grundvoraussetzung für die Absorption des Wirkstoffes aus dem Gastrointestinaltrakt in den systemischen Kreislauf und damit für die Wirksamkeit des Arzneimittels darstellt. Nur in Lösung befindlicher Wirkstoff kann absorbiert werden und seine Wirkung erzielen. Der ungelöste Anteil wird unverändert wieder ausgeschieden. Aus diesem Grunde ist die Entwicklung einer individuellen, an die physiko-chemischen Eigenschaften angepassten Formulierung für jeden Wirkstoff unbedingt erforderlich, um im Magen-Darm-Trakt übersättigte Lösungen zu generieren und dadurch eine ausreichende Bioverfügbarkeit zu erzielen. In dieser Arbeit wurden exemplarisch zwei schlecht lösliche Wirkstoffe ausgesucht und einer gezielten Formulierungsentwicklung unterzogen, um die bisher oft angewandte rein empirische Vorgehensweise abzulösen. Aus dem basischen Tyrosinkinase-Inhibitor Imatinib und unterschiedlichen acetylierten Aminosäuren wurden 6 verschiedene ionische Flüssigkeiten hergestellt. Im Vergleich mit der freien Base und dem Mesilat-Salz, welches die Firma Novartis AG unter dem Namen Gleevec® im Handel hat, wurden sowohl die Auflösungsrate als auch die zeitliche Dauer der Übersättigung signifikant vergrößert. Durch den Austausch des potentiell genotoxischen Mesilat-Anions gegen die acetylierten Aminosäuren konnte zusätzlich das Toxizitätsrisiko gesenkt werden. Die amorphen Formulierungen der ionische Flüssigkeiten waren unter Stressbedingungen ausreichend stabil und zeigten kein erhöhtes Risiko für eine Rekristallisation der freien Base. Die durch den amorphen Charakter gesteigerte Hygroskopizität lässt sich durch den Einsatz entsprechender Packmittel kompensieren. Generell eignet sich die Formulierung von Imatinib als ionische Flüssigkeit für die orale Applikation als Tablette und kann durch die Verbesserung der Wasserlöslichkeit zu einer Dosisreduktion beitragen, sodass weniger Nebenwirkungen auftreten als bei dem im Handel befindlichen Mesilat-Salz. Ob tatsächlich eine Verbesserung der Bioverfügbarkeit eintritt, muss noch durch Experimente im Tiermodell bestätigt werden. Der neuartige NOX-Inhibitor VAS3947 ist zur Behandlung von arteriosklerotischen Veränderungen im Gefäßendothel und damit allen verbunden Folgeerkrankungen wie zum Beispiel Herzinfarkt oder Schlaganfall von der Vasopharm GmbH entwickelt worden. Die extrem schlechte Wasserlöslichkeit hat bisher die klinische Forschung verhindert und der Wirkstoff befindet sich nach wie vor in einer sehr frühen Phase der Entwicklung. Aus diesem Grund wurden im Zuge dieser Arbeit verschiedene Formulierungskonzepte erforscht: Eine erste sprühgetrocknete, amorphe Formulierung mit dem Polymer Eudragit® L100 konnte zwar die Auflösungsrate und die Löslichkeit signifikant verbessern, allerdings kam es schnell zur Rekristallisation des Wirkstoffes und mit der erzielten kinetischen Löslichkeit im niedrigen µM Bereich ließen sich keine therapeutischen Plasmaspiegel erreichen. Durch die Herstellung einer Cyclodextrineinschlussverbindung von VAS3947 hingegen konnte die Löslichkeit um den Faktor 760 gesteigert werden. Verschiedene Cyclodextrine wurden getestet. Dabei erwiesen sich insbesondere die lipophilen Derivate des β-Cyclodextrins als geeignet. Die Einlagerung des Wirkstoffes in das Innere der Kavität wurde mittels NMR-Spektroskopie bestätigt. Zusätzlich wurde erstmals eine Formulierung von VAS3947 mit Hydroxypropyl-β-Cyclodextrin zur intravenösen Anwendung im Tiermodell für die Durchführung von geplanten Pharmakokinetikstudien hergestellt. Diese erzielte über 24 Stunden eine Löslichkeit von 1 mg/mL und schütze den Wirkstoff effektiv vor Zersetzung. Durch die Formulierung von VAS3947 als halbfeste Mikroemulsion konnte die Wasserlöslichkeit ebenfalls gesteigert werden, allerdings längst nicht in dem Maße wie durch die Cyclodextrine. Neben der Formulierungsentwicklung wurde eine physiko-chemische Charakterisierung des Wirkstoffes durchgeführt, um wichtige Parameter wie zum Beispiel die log P- und pKs-Werte einschätzen zu können. Des Weiteren wurde eine HPLC-Methode entwickelt und validiert, um die erzielte Löslichkeit quantifizieren zu können. Ein großes Problem dieses Wirkstoffes und damit aller Derivate vom Triazolopyrimidine-Typ, welche die Vasopharm GmbH in der Entwicklung hat, ist die mangelnde chemische Stabilität aufgrund einer Halbaminal-Partialstruktur im Molekül. Durchgeführte Stabilitätsuntersuchungen sowie eine umfangreiche biopharmazeutische Charakterisierung bestätigten letztendlich, dass eine weitere Entwicklung dieser Wirkstoffe aufgrund ihrer ungenügenden Stabilität und ihrer hohen Zytotoxizität nicht möglich ist. Die niedrige Wasserlöslichkeit stellt ein zusätzliches Problem dar, das sich durch eine gezielte Formulierungsentwicklung lösen lässt