Matrixsysteme zur oralen und parenteralen Applikation

Matrix based controlled drug delivery systems represent an important alternative to reservoir systems, offering several advantages like the homogeneous character of the devices, simple manufacture in a single step process, and the absence of problems which could arise with coating techniques. Moreover, oral administration of matrix based drug delivery systems might prevent the risk of the all-or-nothing effect. The latter might occur due to premature release of the entire drug content from a reservoir system as a consequence of a deficit of the membrane functionality. Thus, severe side effects, especially for high potent drugs with a small therapeutic range can be minimized. Additionally, the simple manufacture is often related to shorter processing intervals and thus the stresses applied on the devices and the drugs are reduced. This offers the opportunity to process drugs exhibiting challenging formulation properties (e.g., protein drugs). Consequently, research on formulation strategies on the improvement of matrix performance has substantially grown in the past years. The first aim of the present study was to investigate on the possibilities of preparing controlled release multiparticulate matrix dosage forms containing high loadings of 5 aminosalicylic acid, the most frequently used drug for the treatment of inflammatory bowel diseases (IBD). A major obstacle was to imply the elevated drug content and to achieve the suppression of premature drug release in the upper gastrointestinal tract. The latter was necessary since the drug easily undergoes degradation in this parts of the GIT and thus is less bioavailable. On the other hand, complete and controlled release had to be ensured once the dosage form entered the lower parts of the large bowel and the colon. Preliminary studies rapidly omitted the use of polymeric matrix materials, either due to undesired physicochemical properties of the dosage form, problems arising during manufacture or insufficient abilities to control the release profiles. Solely the use of triglyceride excipients of various fatty acid chain length and composition (fatty acid chain length: C12-20, mixed triglycerides) resulted in appropriate formulation and release characteristics. Two multiparticulate formulations were prepared, matrix pellets by extrusion/spheronization and mini tablets. Drug loadings of up to 60 % (w/w) 5-ASA were obtained for pellets. The most promising triglyceride, glyceryl palmitostearate effectively prevented premature drug release up to 8 h in simulated gastric and intestinal fluid containing GIT enzymes (25.4 % at 8 h release). Additionally, storage stability was ensured under stress conditions for 6 months. The problematic of lipid modifications, often encountered during process conditions at elevated temperatures were circumvented by appropriate curing of the dosage forms. Thermoanalytic measurements showed transformation of glyceryl palmitostearate into the stable β-modification after 7 d at 40 °C of curing. Mini tablet formulation exhibited similar release characteristics and were also considered suitable for colon targeted drug delivery purposes. Moreover, they offered an alternative preparation method. A third excipient, responsible for the complete and controlled release in the lower parts of the GIT was Nutriose®, a branched soluble dextrin. The latter is known to be preferentially degraded by colon- specific bacteria. Consequently, by leaching out of the dextrin residues a porous network is formed in the devices promoting further imbibing of the surrounding bulk fluid into the lipid dosage form and thus enhanced dissolution of the incorporated drug. In order to achieve appropriate suppression of premature drug release a Nutriose® concentration of 15 % (w/w) proofed ideal when the 5-ASA concentration was kept constant at 60 % (w/w). In conclusion, the presented matrix pellets and mini tablets offer a promising alternative to coated dosage forms in the field of colon targeted drug delivery. Parenteral administration is necessary for drugs exhibiting poor oral bioavailability or instabilities in conditions present in the GIT, for example protein drugs, which gained increasing therapeutic importance in the last decades. In general, administration takes place by injection or infusion of a liquid formulation. Consequently, rapid plasma clearing rates and only short in vivo half lives of the proteins are achieved. Frequent application is necessary, which is undesired by the patient and results in reduced compliance. Hence, another study aimed at the feasibility of implantable lipid matrices for controlled protein delivery. Manufacturing of protein containing therapeutics often consists of a freeze drying step harboring the risk of thermal protein denaturation and thus the loss of therapeutic activity. An important factor in optimization of protein formulations is to understand the mechanisms of denaturation. Raman microspectroscopic studies conducted on the model protein lysozyme using the chemical denaturants guanidine hydrochloride and urea demonstrated indirect interactions by alterations of the solvent properties induced by guanidine HCl and direct binding between urea and the protein. These observations are very important for the understanding of cold denaturation phenomena occurring during freeze drying. The latter led to changes in protein dynamics resulting in a “molten globule” state of the protein with intact secondary structure, which is also observed during thermal denaturation. Low frequency Raman analysis in the presence of denaturants revealed the strong relationship between solvent and protein dynamics: a weakened hydrogen bond network is responsible for an increased molecular mobility of the protein and thus denaturation due to intermolecular interaction. In contrast, the addition of trehalose strengthened the hydrogen bond network and thus promoted preferential hydration, resulting in stabilization of the protein secondary structure. Raman microspectroscopic analysis was correlated to activity measurements of lysozyme. Both techniques can thus be considered as powerful tools in protein conformational analysis and helpful with the optimization of protein delivery devices. The effect of cryo- and lyoprotectants on the freeze drying and storage stability of a second model protein, L-lactic dehydrogenase, was investigated. Saccharides (sucrose and trehalose), the sugar alcohol maltitol, PEG 6000 and polyvinylpyrrolidones were identified as effective stabilizers during freeze drying yielding virtually complete preservation of the protein activity. With the exception of PVP, which have predominantly lyostabilizing properties, all added stabilizers acted as cryo- and lyoprotectants. Results obtained by determination of the enzymatic activity of LDH were confirmed by Raman spectroscopic analysis of the samples. Trehalose and PVP, containing samples investigated in the characteristic amide I band region demonstrated no Raman shift, indicating intact secondary structures and also no peak broadening. In contrast, spectra of LDH samples containing low molecular weight PEG (Mw = 400 Da) showed a peak broadening due to the formation of protein aggregates. Blending of trehalose with glycerol, PEG 6000 or PVP K-90 in general improved the recovery of enzymatic activities demonstrating their superiority to single stabilizers partially due to additive effects. Storage stability of LDH formulations at 4 °C was investigated and yielded 50 % recovery of enzymatic activity after 6 months when 0.5 M trehalose was added. Elevated storage temperatures led to a gradual loss of enzymatic activity (25 % recovery at 40 °C after 6 months). Stabilizer blends consisting of 1 % (w/V) PVP K-90 and 0.1 M trehalose were able to improve the LDH storage stability: up to 75 % of the initial activity was recovered at 4 °C. The blend ratios 1:9 to 9:1 proofed to be the most effective. At higher storage temperatures a dominant effect of trehalose was observed for but was not sufficient to prevent a significant loss. Activity results were confirmed by Raman microspectroscopy, with significant shifts of the amide I frequency after storage at 25 or 40 °C for 3 months. Again the benefit of using the two methods (Raman microspectroscopy and biochemical analysis) to investigate protein conformation was demonstrated. In another part of this work lysozyme loaded lipid implants were analyzed for the enzymatic activity of (i) the released protein and (ii) the protein remaining in the implants. Lipid and protein could be investigated simultaneously by Raman spectroscopy because characteristic bands of the two components were detected at two distinct frequencies. It was shown that the manufacturing process had no detrimental effect on the lysozyme activity, whereas protein activity during release studies gradually decreased with progressing release (virtually complete inactive protein after 28 d of release). In order to improve the protein stability 0.05 M (w/w) of trehalose was added to the formulations. Enzymatic activities of up to 50 % of the initial values were measured demonstrating the stabilizing effect on lysozyme. According to the results of the Raman studies in section 3.2.2 Effects of Denaturants in the Low-Frequency Region, trehalose acts as a “hydrogen bond maker” in aqueous solutions, thus stabilizing by preferential hydration of the protein. Consequently, the secondary structure is stabilized by hydrogen bonds between the protein and the hydration water. Moreover, Raman microspectroscopy conducted on the implants after 7 and 28 days of release also demonstrated intact lysozyme in the center of the implants confirming stabilization not only during manufacturing but also during release experiments. The feasibility of incorporating dexamethasone, a hydrophobic anti-inflammatory drug, into the silicone elastomer part of a cochlear implant was investigated in another study. Homogenous distribution of the dispersed drug within the matrix was proven by SEM and thermal analysis. Mechanical properties analyzed for thin drug loaded films in dry state decreased with increasing drug load, due to a more porous silicone network and thus decreasing elasticity. However, analysis of films in the wet state resulted in constant mechanical properties of the films during the investigated interval. Release studies were conducted at sink conditions and, in order to obtain more detailed information on the properties of the systems in vivo, at conditions mimicking the “implant volume:perilymph volume ratio” in vitro. Release kinetics was exclusively governed by diffusion through the silicone matrix. Only 5 % of the incorporated dexamethasone was released after 60 d of analysis, demonstrating the suitability of the systems for long term therapy of insertion-induced inflammatory reactions of the cochlear tissue and hair cell apoptosis. The experimental setup, namely sink conditions, has an important effect on the resulting drug release kinetics. Due to the low solubility of the drug in aqueous media, undissolved and dissolved drug co-exist in the matrix. Diffusion of dexamethasone from the silicone matrix is a function of the concentration gradient of the drug between the matrix and the surrounding bulk fluid. Thus, sink conditions resulted in faster drug release rates. Additionally, the initial concentration of the drug within the matrix was important: once the solubility of dexamethasone within the silicone matrix is reached, the release rate controlling parameter is the diffusion of the dissolved drug. Apparent drug mobilities in the silicone elastomer films were determined by applying solutions of Fick’s second law of diffusion and subsequently used to develop a simplified model to quantitatively predict the release kinetics of dexamethasone from drug loaded extrudates and cochlear implants. The predicted kinetics were validated by independent drug release experiments with dexamethasone loaded extrudates and cochlear implants. Good correlation of the predicted release profiles and the experimental determined values was obtained proving the applicability of the proposed mathematical model. This allows for speeding up of device optimization of this type of advanced drug delivery systems by predicting the impact of key formulation parameters like system dimensions and composition on the resulting drug release kinetics.Matrixarzneiformen mit kontrollierter Wirkstofffreisetzung stellen eine bedeutende Alternative zu Reservoirsystemen dar, bieten sie doch etliche Vorteile wie z. B. eine homogene Wirkstoffverteilung und eine vereinfachte Herstellung (Einschrittverfahren). Ebenso können Probleme, die mit Befilmungsprozessen einhergehen, vermieden werden. Reservoirsysteme, die den Arzneistoff über eine semipermeable Membran kontrolliert freigeben, bergen zudem die Gefahr des Alles-oder-Nichts-Effekt, ein vorzeitiges komplettes Freisetzen des Arzneistoffs infolge von Membrandefekten. Die orale Darreichung von Matrixarzneiformen kann dies verhindern. Folglich können schwerwiegende unerwünschte Arzneistoffwirkungen, besonders bei der Verabreichung hochpotenter Arzneistoffe mit geringer therapeutischer Breite minimiert werden. Zusätzlich kann durch die einfache Herstellung die Prozesszeit verringert werden, wodurch der Arzneistoff geringerem Stress ausgesetzt wird. Dies verbessert die Möglichkeiten Arzneiformen für Arzneistoffe zu entwickeln, deren Eigenschaften bei der Formulierung eine Herausforderung darstellen (z. B Proteine). Folglich hat die Suche nach geeigneten Formulierungsstrategien zusammen mit der Verbesserung der Leistungsfähigkeit von Matrixarzneiformen in den letzten Jahren zunehmend an Bedeutung gewonnen. Das erste Ziel der vorliegenden Arbeit war es Möglichkeiten zu untersuchen, multipartikuläre Matrixarzneiformen mit kontrollierter Wirkstofffreisetzung herzustellen, die zudem hohe Beladungen von 5-Aminosalicylsäure (5-ASA), dem Standardarzneistoff zur Behandlung chronisch entzündlicher Darmkrankheiten, enthalten. Die Hauptproblematik bestand dabei diese hohe Arzneistoffkonzentration zu gewährleisten und die vorzeitige Wirkstofffreisetzung im oberen Teil des Gastrointestinaltrakts (GIT) zu verhindern. 5-ASA wird im oberen Teil des GIT schnell degradiert und verliert somit seine Bioverfügbarkeit. Zudem sollte die vollständige und kontrollierte Wirkstofffreisetzung sichergestellt werden, sobald die Arzneiform den unteren Dickdarm und das Colon erreicht. Nach ersten Untersuchungen konnten Polymere als Matrixformer ausgeschlossen werden, da sie entweder in Arzneiformen mit ungenügenden physikalisch-chemischen Eigenschaften resultierten, Probleme bei der Herstellung auftraten oder die Wirkstofffreisetzung nicht dem gewünschten Profil entsprach. Dagegen zeigten Triglyceride, die aus Fettsäuren diverser Kettenlängen aufgebaut sind, sowie gemischte Triglyceride (C12-20) adäquate Formulierungs- und Freisetzungscharakteristiken. Multipartikuläre Matrixarzneiformen wurden nach zwei Methoden hergestellt: Matrixpellets mit Hilfe von Extrusion/Spheronisation und Minitabletten. Pellets mit einer Wirkstoffbeladung von bis zu 60 % (m/m) 5-ASA konnten hergestellt werden. Glycerylpalmitostearat als Matrixbildner konnte die vorzeitige Wirkstofffreisetzung effektiv verhindern. Nur 25.4 % 5-ASA wurden nach 8 h in künstlichem Magen und Darmsaft mit Zusatz von intestinalen Enzymen freigesetzt. Des Weiteren konnte die Stabilität der Wirkstofffreisetzung der hergestellten Matrixpellets unter Stressbedingungen nach 6 Monaten nachgewiesen werden. Die Problematik von Triglyceridmodifikationen, die häufig im Zusammenhang mit der Anwendung von erhöhten Verarbeitungstemperaturen bei der Herstellung entstehen, konnte durch adäquates Curing umgangen werden. Thermoanalytische Untersuchungen der Pellets zeigten eine reversible Umwandlung in die stabile β-Modifikation nach siebentägigem Curing bei 40 °C. Die zusätzlich hergestellten Minitabletten zeigten ähnliche Freisetzungskinetiken und sind somit ebenso geeignet, als kontrolliert freisetzende Arzneiformen im Colon zu agieren. Zudem bieten sie die Vorteile einer alternativen Herstellungsmethode. Als Hilfsstoff, der die komplette und kontrollierte Wirkstofffreisetzung im unteren Dickdarm und im Colon sicherstellen sollte, wurde Nutriose®, ein verzweigtkettiges lösliches Dextrin, welches bevorzugt von colon-spezifischen Bakterien abgebaut wird, gewählt. Die nach dem Abbau des Dextrins freigesetzten Zuckerreste hinterlassen eine poröse Netzwerkstruktur innerhalb der Triglyceridarzneiform, was einen erhöhtem Einstrom von Bulkflüssigkeit und einer verstärkten Arzneistoffauflösung und -freisetzung zur Folge hat. Um die vorzeitige Wirkstofffreisetzung im oberen Teil des GIT möglichst niedrig zu halten, wurde eine Nutriose®-Konzentration von 15 % (m/m) bei gleichzeitiger Beibehaltung eines 60 % (m/m) 5-ASA-Anteils als optimal ermittelt. Die hergestellten Matrixpellets und Minitabletten stellen somit eine vielversprechende Alternative zu konventionellen überzogenen Arzneiformen bei der Behandlung chronisch entzündlicher Darmkrankheiten dar. Arzneistoffe, die eine schlechte orale Bioverfügbarkeit verfügen oder Instabilitäten im GIT aufweisen müssen oft parenteral verabreicht werden. Dies gilt besonders für Proteinarzneistoffe, die in den letzten Jahrzehnten eine große therapeutische Bedeutung erlangt haben. Im Allgemeinen erfolgt die Applikation per Injektion oder Infusion von flüssigen Zubereitungen. Dies hat häufig eine rasche Eliminierung des verabreichten Proteinarzneistoffs aus dem Blut und somit kurze Plasmahalbwertszeiten zur Folge. Aus diesem Grund sind häufige Arzneistoffgaben notwendig, was vom Patienten unerwünscht ist und meist mit sinkender Compliance einhergeht. Ein weiterer Teil dieser Arbeit umfasst daher die Herstellung und Optimierung von implantierbaren Lipidmatrizen zur kontrollierten Freisetzung von Proteinarzneistoffen. Die Herstellung von Proteinarzneistoffen beinhaltet oft einen Gefriertrocknungsprozess, verbunden mit dem Risiko thermischer Deaktivierung der Proteinarzneistoffe und somit verringerter therapeutischer Aktivität. Ein wichtiger Faktor bei der Optimierung von Proteinarzneiformen ist das Verständnis der Mechanismen, die der Proteindenaturierung zugrunde liegen. Raman spektroskopische Untersuchungen am Modellprotein Lysozym in Anwesenheit chemischer Denaturantien wie Guanidinhydrochlorid und Harnstoff zeigten indirekte Interaktionen mit dem Protein durch Veränderung der Lösungsmitteleigenschaften bei Zusatz von Guanidinhydrochlorid und eine direkte Bindung zwischen Harnstoff und Protein über Wasserstoffbrückenbindungen. Letztere führten zu Änderungen der Proteindynamik und zur Ausbildung einer „molten globule“-Struktur mit intakter Sekundärstruktur, wie sie auch bei der thermischen Denaturierung von Proteinen auftritt. Diese Erkenntnisse sind wichtig, um die Mechanismen der Denaturierung während des Gefriertrocknungsprozesses zu verstehen. Ramanuntersuchungen im Niederfrequenzbereich in Anwesenheit von Denaturantien zeigten eindeutig den Zusammenhang zwischen Lösungsmittel- und Proteindynamik. Die Schwächung des Netzwerks von Wasserstoffbrückenbindungen bedingt eine verstärkte Mobilitität des Proteinmoleküls und somit verstärkte intermolekulare Wechselwirkungen. Im Gegensatz dazu führt der Zusatz von Trehalose zu einer Stärkung des Netzwerks aus Wasserstoffbrückenbindungen, was eine bevorzugte Hydratation der Sekundärstruktur des Proteinmoleküls und somit dessen Stabilisierung zur Folge hat. Die Ergebnisse der Raman spektroskopischen Untersuchungen wurden zudem mit Messungen der Lysozymaktivitäten korreliert und es konnte gezeigt werden, dass die angewendeten Methoden vielversprechende Instrumente zur Strukturanalyse von Proteinen darstellen und sehr hilfreich bei der Optimierung von kontrolliert freisetzenden Proteinarzneiformen sind. Des Weiteren wurde der Effekt von Cryo- und Lyoprotektoren auf die Stabilität von L-Lactatdehydrogenase (LDH) während der Gefriertrocknung und Lagerung untersucht. Saccharide (Sukrose und Trehalose), der Zuckeralkohol Maltitol, Polyethylenglykol 6000 (PEG 6000) und Polyvinylpyrrollidon waren die effizientesten Stabilisatoren und ermöglichten den praktisch vollständigen Erhalt der Proteinaktivität. Mit Ausnahme von PVP, welches vorwiegend als Lyoprotektor agiert, besitzen alle genannten Stabilisatoren cryo und lyoprotektive Eigenschaften. Ergebnisse aus der Bestimmung der enzymatischen Aktivität konnten auch hier mit Hilfe der Raman Spektroskopie bestätigt werden. Proben, die Trehalose und PVP enthielten und in dem für Proteine charakteristischen Bereich der Amid I Bande vermessen wurden, zeigten keine Raman Verschiebung oder Peakverbreiterung, was auf eine intakte Sekundärstruktur der LDH hindeutete. Im Gegensatz dazu wurde bei Formulierungen, die PEG mit niedrigem Molekulargewicht enthielten (MG = 400 Da) eine Peakverbreiterung als Folge von Proteinaggregation beobachtet. Interessanterweise, konnten Kombinationen von Trehalose mit Glycerol, PEG 6000 oder PVP K-90 wesentlich effektiver zur Erhaltung der LDH Aktivität beitragen. Dies lässt sich auf additive Effekte der Stabilisatoren zurückführen und zeigt deren Überlegenheit zu einzelnen Stabilisatoren. Bei Aktivitätsmessungen von LDH Formulierungen mit Zusatz von 0.05 M Trehalose konnten nach 6 Monaten Lagerung bei 4 °C noch 50 % der initialen Aktivität nachgewiesen werden. Höhere Lagerungstemperaturen führten zu einem sukzessiven Verlust der verbleibenden enzymatischen Aktivität (25 % nach 6 Monaten bei 40 °C). Die Kombination von 1 % (m/V) PVP K-90 und 0.1 M Trehalose verbesserte die Lagerungsstabilität der entsprechenden LDH Formulierungen bei 4 °C. Bis zu 75 % der ursprünglichen