Erniedrigung der Gitterenergie von kristallinen basischen Wirkstoffen

The number of active pharmaceutical ingredients (APIs) exhibiting a low solubility in aqueous media or a slow dissolution rate kept rising over the past years urging formulation scientists to explore new ways to tackle poor solubility and to enable oral absorption from such compounds. Bioavailability of poorly water-soluble compounds can be improved by increasing the dissolution rate and/or by increasing the gastro intestinal concentration through transient supersaturation. The dissolution rate of the API can be typically modified by the choice of the physical form, the polymorphic form, the powder surface area, and the local pH, while a transient supersaturation can be extended mainly by nucleation or crystallization inhibiting effects. In the present thesis, three strategies were explored to tailor the dissolution rate, the supersaturation and the hydrotropic solubilization of APIs, weak bases, respectively. The first part of this thesis followed a bioinspired approach to extend the kinetic solubility of salts and co-crystals. API salts and co-crystals are high energy forms that can generate supersaturated solutions with respect to any more stable form, typically the most stable API form in physiological environment. The transient kinetic stabilization of supersaturated states, also termed “parachute effect”, is considered to improve bioavailability and is one aspect of the formulation that can be tailored. Inspiration from plants, which store high concentrations of aromatic bases in their vacuoles via complexation with polyphenols, sparked the evaluation to use hydroxybenzoic acid derivatives for salt or co-crystal engineering. Imatinib was chosen as the model compound for this investigation as its aromaticity and flat molecular architecture could favor interactions with hydroxybenzoic acid derivatives. One 1:1 Imatinib syringate co-crystal (I-SYA (1:1)) and one 1:2 Imatinib syringate co-crystal salt (I-SYA (1:2)) were obtained. Their dissolution assays in simulated intestinal fluid (SIF; a 50 mM phosphate buffer of pH 6.8) revealed that they formed stable solutions for several hours and days, respectively, in contrast to the marketed Imatinib mesylate salt (approx. 1h). This kinetic stability in solution was linked to the nucleation inhibition of the less soluble Imatinib hydrate by syringic acid (SYA). In solution 1H-NMR studies evidenced the aggregation of Imatinib and SYA. The amphiphilic nature of both Imatinib and SYA is considered to drive their association in solution, additionally, multiple intermolecular interactions such as hydrogen bonds and π-π stacking are likely to contribute. The association in solution enabled a phase of extended supersaturation, i.e., a parachute against desupersaturation, while no negative impact of aggregation on the permeability of both Imatinib and SYA was observed. A prerequisite to reach supersaturation is a rapid dissolution and release of the API from the formulation. Accordingly, the second and third part of this thesis is focused on the so-called “spring effect” of amorphous solid dispersions (ASDs). The addition of a hydrotropic agent, meaning a molecule that can solubilize poorly water-soluble APIs in aqueous solutions (well-known examples of hydrotropes are benzoic acid and nicotinamide) into an amorphous Ciprofloxacin-polymer matrix led to ternary systems with a significantly faster release and higher concentration of the API in SIF as compared to binary ASDs consisting of Ciprofloxacin (CPX) and polymer only. The stronger spring could be rationalized by an improved wetting of the ASD, or/and by a hydrotropic solubilization effect, although these hypotheses need further investigation. Marked differences in the dissolution profiles of binary ASDs were observed in biorelevant fasted simulated intestinal fluid (FaSSIF; a medium containing Na taurocholate (3 mM) and lecithin (0.75 mM) at pH 6.5) as compared to SIF. In FaSSIF, API release from binary polymeric ASDs was largely improved, and the duration of supersaturation was extended. This suggests that the bile salt Na taurocholate and lecithin present in FaSSIF do improve both dissolution rate and supersaturation of ASDs, the two pillars of ASDs as oral enabling formulations. Indeed, bile salts are endogenous surfactants which, together with phospholipids, play an important role in the wetting, solubilization, and absorption of lipophilic compounds. The aim of the third part of the present thesis was to study ASDs as formulation principles reducing the strong positive food effect of Compound A. By inclusion of Na taurocholate (NaTC) within the matrix of polymeric ASDs a significant improvement of the dissolution rate and the kinetic solubility in SIF were achieved. Transient supersaturated states of up to four orders of magnitude over the equilibrium solubility were obtained. Two ASDs were selected for further in vivo evaluation in dog. The first was a NaTC/Eudragit E based ASD meant to dissolve and release Compound A in the acidic environment of the stomach, where its solubility is the highest. The second relied on the release of Compound A in the neutral environment of the duodenum and jejunum by using an enterically dissolving polymer, HPMC-P. Releasing the API at the site of its putative absorption was an attempt to control supersaturation levels in the duodenum and to prevent portioning and thus dilution effects during transfer from the stomach. In fasted dogs, exposure from the NaTC/HPMC-P ASD was close to that of the reference Compound A formulation under fed conditions, which suggests an improved dissolution rate and kinetic solubility under fasted conditions (historical data). The exposure from the NaTC/Eudragit E ASD was twice as low as from the NaTC/HPMC-P ASD, and also lower compared to Compound A reference formulation, whereas in vitro the parachute effect of the NaTC/Eudragit E ASD was largely superior to that of the NaTC/HPMC-P ASD. A difference in the extend of the parachute could be related to differences in the thermodynamic activity of dissolved molecules from the two ASDs. Indeed, the high instability of the NaTC/HPMC-P ASD could stem from a high thermodynamic activity driving diffusion through membranes, whereas less instable solutions of NaTC/Eudragit E could indicate solubilization effects which often translate into a lower flux through the biological membrane. Additionally, the pH of the environment where dissolution takes place might be an important factor for absorption, and could also account for the difference in exposure from the two ASDs. The aim of this thesis was to explore how the intimate environment of weak, poorly soluble bases could be functionalized to improve dissolution rate and kinetic solubility. The investigations highlighted that the performance of enabling oral delivery formulations of weak bases in aqueous media can be enhanced at different levels. At one end initial dissolution rate of ASDs can be tailored by introducing hydrotropes or/and bile salts within the polymeric matrix of ASDs. Bile salts, when combined with appropriate polymers, had also a precipitation inhibition effect enabling the maintenance of supersaturation for a bio-relevant period of time. These results set the ground for further investigations to comprehend specific interactions between bile salts and APIs, and potentially polymers at the molecular level. It will be interesting to explore how such complex systems can be exploited in the formulation design of poorly water-soluble APIs. In addition, it was observed that the duration of supersaturation generated by salts/co-crystals can be extended by the pertinent selection of counterions or coformers. The in vivo relevance of these tunings remains to be evaluated, as translation from closed, in vitro systems to the highly dynamic gastrointestinal environment is not straightforward. A better understanding of the contribution of each kinetic stage (dissolution, supersaturation, and precipitation) and their interplay with physiological factors impacting absorption is essential to facilitate the design of formulations with improved pharmacokinetics.Die Anzahl chemischer Wirkstoffe, welche sich schlecht oder langsam auflösen, hat in den vergangenen Jahren stetig zugenommen. Aus diesem Grunde müssen Entwickler neuer Formulierungen Wege finden, um die Löslichkeit und damit die Absorbtion dieser Wirkstoffe zu verbessern. Grundsätzlich kann die Bioverfügbarkeit schlecht wasserlöslicher Wirkstoffe verbessert werden, wenn die Auflöserate verbessert wird und/oder durch höhere Konzentrationen der Wirkstoffe am Resorptionsort, beispielsweise durch kontrollierte Übersättigungen. Die Auflösungsrate eines Wirkstoffes kann durch die Wahl der physikalischen Form (Salz und Polymorph), Modifikation der spezifischen Oberfläche (Mahlen) und lokalem pH Wert (Ionisierungszustand) maßgeblich beeinflusst werden. Im Falle von kontrollierten Übersättigungen, kann die Verlängerung der Dauer der Übersättigung durch die Unterdrückung der Bildung von Kristallisationskeimen erreicht werden. In der vorliegenden Promotionsarbeit wurden neue Strategien entlang dieser Herausforderungen für schwach basische Wirkstoffe untersucht und entwickelt. Im ersten Teil der Arbeit wurden biomimetische Strategien angewandt, um die physikalischen und biopharmazeutischen Eigenschaften basischer Wirkstoffe zu verbessern. Dieses erfolgte mit der Absicht, durch strukturelles Design von Salzen oder Co-Kristallen das Ausfallen des Wirkstoffes aus Lösungen hinauszögern und eine Aufklärung der zugrundeliegenden Mechanismen vorzunehmen. Dabei konnten mit ausgesuchten Wirkstoff-Salzen oder Co-Kristallen Lösungen erzeugt werden, welche zu Übersättigungen führten. Diese thermodynamisch instabilen allerdings (vorübergehend) kinetisch gehemmt vorliegenden Zustände sind mit dem Begriff „Fallschirm Effekt“ in der Literatur verknüpft, womit die Verlängerung der Übersättigungen durch geeignete Salz-/Cokristallbildung metaphorisch umschrieben ist. Diese kinetisch gehemmten und somit langanhaltend vorliegenden Übersättigungen sind entscheidend für die Verbesserung der Bioverfügbarkeit. Pflanzen nutzen diese Effekte ebenfalls aus. So können Pflanzen aromatische und schlecht wasserlösliche Basen in übersättigten Lösungen kinetisch „stabilisieren“, in dem diese an Polyphenol-Komplexe in den Vacuolen ihrer Zellen komplexiert vorliegen. Hier wurden diese bei Pflanzen beobachteten Effekte für Hydroxybenzoesäure-Derivate übernommen untersucht und zur pharmazeutischen Verbesserung des Wirkstoffes Imatinib angewandt. Das aromatische Imatinib hat eine flache molekulare Struktur, die mit Hydroxybenzoesäure-Derivaten interagieren sollte. Es wurde ein 1:1 Imatinib-Syringat Co-Kristall (I-SYA (1:1)) sowie ein 1:2 Imatinib-Syringat Co-Kristall Salz (I-SYA (1:2)) hergestellt. Mittels dieser Salze konnten beeindruckende kinetisch „stabilisierte“ und übersättigte Lösungen des Imatinib realisiert werden, die beispielsweise in künstlicher Darmflüssigkeit (SIF) über Stunden beziehungsweise Tage vorlagen. Dieses steht im Gegensatz zum handelsüblichen Imatinib-Mesylat (Dauer der Übersättigung ca. 1 Stunde). Die kinetische „Stabilisierung“ der Lösung wurde mechanistisch mittels 1H-NMR Studien auf eine Unterdrückung/Verzögerung der Kristallkeimbildung des weniger löslichen Imatinib Hydrates durch Anwesenheit der Polyphenolsäure (Syringasäure) zurückgeführt. In-vitro Transportstudien durch biologische Barrieren zeigten, dass die Syringasäure die Permeabilität des Imatinib nicht nachteilig beeinflusste. Während in diesem Kapitel die Verlängerung von Übersättigungszuständen das Ziel war (Fallschirm Effekt; „parachute“), ist die Optimierung des Ausmaßes der Übersättigung das Ziel der folgenden Kapitel, welches in der Literatur als „Feder-Effekt“ („spring“) bekannt geworden ist. Eine Voraussetzung zum Erreichen von Übersättigung ist die rasche Auflösung und Freisetzung des Wirkstoffes aus der Formulierung. Diesen „Feder-Effekt“ wurde hier in amorphen Feststoffdispersionen (ASDs) erreicht. Zielführend war die Anwendung hydrotroper Moleküle, welche in wässerigen Lösungen lösungsvermittelnd auf schlecht wasserlösliche Substanzen wirken. Diese Formulierungen führten bei amorphen Wirkstoff-Polymer Gemischen zu ternären Systemen mit deutlich schnellerer Wirkstofffreisetzung und es konnten deutlich höhere Konzentration an gelöstem Wirkstoff in simulierten gastrointestinalen Flüssigkeiten erreicht werden, als dieses im Vergleich zu binären ASDs der Fall war, die lediglich aus Wirkstoff und Polymer zusammengesetzt waren. Im Übrigen konnte gezeigt werden, dass sich die Auflösungsprofile der ASDs in verschiedenen Medien unterschieden. Durch diesen Vergleich in unterschiedlichen Medien konnte die Bedeutung des Taurocholats und des Lezithins (beide Moleküle sind Bestandteil der Gallenflüssigkeit) für die Verbesserung der Auflösungsrate von ASDs gezeigt werden. Gallensalze können in diesem Sinne als „endogene Tenside“ verstanden werden, die zusammen mit Phospholipiden eine wichtige Rolle in der Lösungsvermittlung und Absorption von lipophilen Substanzen haben. Während im vorhergehenden Teil die Bedeutung von Gallensalzen für Auflösungsphänomene aus ASDs im Zentrum des Interesses lag, wurde nun eine andere Herausforderung pharmazeutischer Entwicklungen adressiert, der sogenannte „Food effect“. Dieser Effekt meint die nahrungsbedingte Änderung der Bioverfügbarkeit von Wirkstoffen. In diesen Arbeiten führte der Zusatz von Natriumtaurocholat in eine ASD Matrix zu einer Verbesserung der Auflösungsrate und der kinetischen Löslichkeit in simulierten intestinalen Flüssigkeiten mit der bemerkenswerten Verbesserung der kinetischen Löslichkeit um bis zu vier log Einheiten im Vergleich zur thermodynamischen Löslichkeit. Zwei ASD Formulierungen wurden für eine Studie am Hund ausgewählt, die eine bestehend aus Natriumtaurocholat/Eudragit E (Eudragit E löst sich in der sauren Umgebung des Magens auf) und die andere aus Natriumtaurocholat/HPMC-P (HPMC-P setzt Wirkstoffe in der pH-neutraler Umgebung des Dünndarms frei). Unerwartet waren die resultierenden Wirkstoff-Blutspiegel. Die Blutspiegel nach Verabreichung der NaTC/Eudragit E ASD waren nur etwa halb so hoch als jene von NaTC/HPMC-P, was im Gegensatz zu den in-vitro Konzentrationsprofilen steht. Eine mögliche Erklärung ist, dass instabile Lösungen, wie sie für die Natriumtaurocholat/HPMC-P ASD in vitro beobachtet wurden, die Diffusion durch die biologische Membran antreiben, wogegen dieser Effekt umso geringer ausfällt, je stabiler die erzeugte Lösung ist, wie das im Falle der Natriumtaurocholat/Eudragit E ASD in vitro der Fall war. Ein anderer Faktor, der in diesem Zusammenhang zu diskutieren ist, ist der unterschiedliche pH–Wert am Ort, an dem beide ASD den Wirkstoff freisetzen. Übergreifendes Ziel der Promotionsarbeit war die Optimierung der unmittelbaren Umgebung von schwachen, schlecht löslichen Basen, um die Auflösungsgeschwindigkeit und kinetische Löslichkeit der Wirkstoffe zu verbessern. Einerseits lässt sich die Auflösungsrate durch den Zusatz von hydrotropen Substanzen und/oder Gallensalzen zur Polymermatrix von ASDs steigern. Die Kombination von Gallensalzen mit geeigneten Polymeren konnte effektiv das Ausfallen des Wirkstoffes begrenzen und die Dauer von Übersättigungen deutlich verbessern. Diese interessanten Kombinationen sollten für andere Polymere zukünftig untersucht werden, so dass die spezifischen Wechselwirkungen zwischen Gallensalzen und Wirkstoff, gegebenenfalls auch mit Polymeren, auf molekularer Ebene besser verstanden werden können. In einem Teil der Promotionsarbeit wurde auch gezeigt, dass die Dauer der Übersättigung durch eine gezielte Auswahl von Gegenionen oder von Co-Kristallbildnern verlängert werden kann. Die in vivo Relevanz dieser Ansätze, sind vor dem Hintergrund der sehr dynamischen Verhältnisse im Magen-Darm-Trakt zu bewerten. Darüber hinaus ist ein besseres Verständnis des Zusammenspiels der kinetischen Phasen der Freisetzung (Auflösung, Übersättigung und Ausfällung) mit physiologischen Einflussgrößen zu erarbeiten, um zuverlässig Darreichungsformen mit besseren pharmazeutischen Eigenschaften zu entwickeln