Pharmacokinetic and pharmacodynamic characterisation of intranasal glucocorticoids using in vitro and ex vivo models

Ziel dieser Arbeit war es die intranasalen pharmakokinetischen Abläufe nach topischer Applikation mittels in vitro und ex vivo Experimenten zu charakterisieren und ihre Auswirkungen auf die Pharmakodynamik zu beschreiben. Es wurden hierbei die nasal angewendeten Glucocorticoide Triamcinolonacetonid (TCA), Budesonid (Bud), Beclomethasondipropionat (BDP), Fluticasonpropionat (FP), Mometasonfuroat (MF) und Fluticasonfuroat (FF) sowie ihre handelsüblichen Präparate Nasacort® (TCA), Budes® (Bud), ratioAllerg® (BDP), Flutide® Nasal (FP), Nasonex® (MF) und Avamys® (FF) untersucht. Zum Aufbringen der Wirkstoffsuspension auf die nasale Mukosa durch den Patienten kommen Dosierpumpsprays zum Einsatz, deren Dosiervorrichtung das Applikationsvolumen festlegen. Die Bestimmung des Sprühstoßvolumens unterschiedlicher handelsüblicher Präparate ergab Werte zwischen 56 und 147 µL/Sprühstoß. Zum ersten Mal wurde eine Methode entwickelt, die es ermöglichte die Glucocorticoidkonzentration in den wässrigen Überständen handelsüblicher Präparate zu bestimmen. Die Wasserlöslichkeit der unterschiedlichen Glucocorticoide sowie die galenische Zusammensetzung der Formulierungen konnten als mögliche Einflussfaktoren für den bereits gelösten Wirkstoffanteil ermittelt werden. Es konnte erstmals gezeigt werden, dass die Löslichkeit der Wirkstoffkristalle der lipophileren Substanzen wie BDP, FP, MF und FF durch das KNS signifikant verbessert wurde. Die Löslichkeit der hydrophileren Wirkstoffe wie TCA und Bud wurde durch das KNS dagegen nur leicht beeinflusst. Nach der Auflösung der Wirkstoffkristalle können die gelösten Moleküle zur cytoplasmatischen Zielstruktur, dem Glucocorticoidrezeptor diffundieren und spezifisch binden. Neben der Rezeptorbindung erfolgt auch eine unspezifische Bindung an Nasengewebe. So wurde zunächst mit einem einfachen, bereits etablierten Versuchsaufbau erstmalig die Bindung von FF an Nasengewebe im Vergleich zu anderen Glucocorticoiden in vitro untersucht. Die lipophileren Substanzen wie FF, MF und FP grenzten sich hierbei durch eine höhere Gewebebindung von den hydrophileren TCA und Bud ab. Es wurde ein neues Modell entwickelt, welches die pharmakokinetische Untersuchung zur Gewebebindung mit der Pharmakodynamik der Wirkstoffe in Form ihres antiinflammatorischen Effektes im Zellkulturmodell verknüpfen sollte. So wurde wirkstoffgesättigtes Gewebe einer extensiven Auswaschphase in Humanplasma ausgesetzt, um es anschließend mit humanen Lungenepithelzellen zu inkubieren. Es konnte gezeigt werden, dass alle Gewebeproben den Wirkstoff in das Zellkulturmedium freisetzten, was eine Hemmung der IL-8 Sekretion aus Lungenepithelzellen zur Folge hatte. Die Stärke des antiinflammatorischen Effektes der IL-8 Hemmung durch FF, FP, Bud und TCA entsprach der Kombination aus Geweberetention und intrinsischer Aktivität (Rezeptoraffinität) der Wirkstoffe. Gewebeproben des MF führten zur geringsten IL-8 Hemmung, was durch die chemische Instabilität der Substanz erklärt werden konnte. Um eine weitere Annäherung an physiologische Verhältnisse zu erreichen, wurde erfolgreich ein Modell entwickelt, welches nach Applikation der Suspension auf die Mukosa die pharmakokinetischen Abläufe simulieren sollte. Dafür entscheidend war die Einbettung respiratorischen Gewebes in eine Gel-Matrix, wodurch eine zusammenhängende Mukosa-ähnliche Oberfläche erreicht werden konnte. Als Modellsubstanzen wurden Bud aus Budes®-Nasenspray und FP aus Flutide® Nasal sowie als Vertreter der Antihistaminika Azelastin-HCl (AZ-HCl) aus Vividrin® akut eingesetzt. Es konnte gezeigt werden, dass die Gewebebindung des AZ-HCl im Vergleich zu den Glucocorticoiden am höchsten war. Die gute Korrelation der Gewebebindung der Substanzen mit ihrem Verteilungsvolumen und der Vergleich von FP mit Bud zeigte die erfolgreiche Etablierung des Modells. Beide Glucocorticoide zeigten nach Applikation der Wirkstoffsuspension zunächst eine ähnliche Assoziation an das Gewebe. Bei der Inkubation der Gewebe-Gel-Matrix mit Humanplasma wurde schließlich Fluticasonpropionat aus der Gewebe-Gel-Bindung im Vergleich zu Budesonid langsam freigesetzt. Weiterhin wurde im Gewebe-Gel-Modell die Bedeutung der Pharmakokinetik der Wirkstoffe auf die Pharmakodynamik ermittelt. Es wurden Freisetzungsproben der Gewebe-Gel-Matrices von AZ-HCl und FP auf ihre antiinflammatorische Aktivität untersucht. Die deutlich höhere Bindung des AZ-HCl an die Gewebe-Gel-Matrix äußerte sich auch in höheren Plasmakonzentrationen bei der Freisetzung im Vergleich zu FP. Jedoch konnte im Zellkulturmodell gezeigt werden, dass die Hemmung der IL-8 Freisetzung des FP, trotz der geringeren Konzentration in der Freisetzungsmatrix, das antiinflammatorische Potential des AZ-HCl übertraf.The aim of this thesis was to characterize the intranasal pharmacokinetics after topical administration using in vitro and ex vivo experiments and to assess their impact on pharmacodynamic effects. Therefore the nasal glucocorticoids triamcinolone acetonide (TCA), budesonide (Bud), beclomethasone dipropionate (BDP), fluticasone propionate (FP), mometasone furoate (MF) and fluticasone furoate (FF) and their commercially available preparations Nasacort® (TCA), Budes® (Bud), ratioAllerg® (BDP), Flutide® Nasal (FP), Nasonex® (MF) and Avamys® (FF) were part of the analysis. As delivery device metered-dose pump sprays are used to deposit the drug suspension on the nasal mucosa. Their dosing system defines the volume of administration. The determination of the spray volume of different commercially available nasal pump sprays revealed results between 56 and 147 µL/volume per spray. For the first time a method was developed which permitted the determination of glucocorticoid concentrations in the aqueous supernatants of commercially available drug suspensions. Both water solubility of the different compounds and the galenics of the formulation were found to affect the proportion of solute glucocorticoid in the supernatant. For the first time it was shown that the solubility of the more lipophilic compounds BDP, FP, MF and FF was significantly enhanced in ANF. In contrast, the solubility of the more hydrophilic drugs TCA and Bud was only slightly influenced by ANF. After dissolution of the drug crystals the solubilised molecules can reach their cytoplasmatic target, the glucocorticoid receptor, and bind specifically. Beside the receptor binding a nonspecific tissue binding to nasal tissue occurs. On the one hand a high tissue binding is desirable to increase the probability of occupating the receptor for a prolonged time. In addition, tissue-bound glucocorticoid slows down the redistribution of the drug into the systemic circulation delivering desired low plasma concentrations. In an established experimental set-up the binding of FF compared to different glucocorticoids to nasal tissue in vitro was analysed for the first time. The more lipophilic compounds FP, MF and FF revealed higher tissue binding and differed from the more hydrophilic TCA and Bud with less tissue-bound drug. The anti-inflammatory activity of intranasal glucocorticoids is responsible for their therapeutic benefit. A new model was established connecting the pharmacokinetic assay of tissue binding with the anti-inflammatory activity of the drugs in cell culture. Therefore, glucocorticoid-saturated tissue samples were extensively washed in human plasma and then incubated with human lung epithelial cells. All tissue samples released tissue bound drug into cell culture medium and decreased the IL-8 secretion of the cells. The intensity of the anti-inflammatory effect of IL-8 inhibition by FF, FP, Bud and TCA was in good correlation with both their tissue retention and their intrinsic activity (receptor affinity). Tissue samples of MF resulted in the least IL-8 inhibition. The chemical instability of MF explained this observation of lower anti-inflammatory activity. To converge physiologic conditions a new model was successfully established which allowed the simulation of the pharmacokinetic course of events after administration of the formulation on the mucosa, the dissolution of crystals in nasal mucus, the mucociliary clearance, the diffusion and retention of drugs at the target tissue and the redistribution of the bound drug into the blood compartment. The hallmark of this approach was the embedding of respiratory tissue in a gel matrix simulating a coherent mucosa-like surface. Both glucocorticoids Bud (Budes® nasal spray) and FP (Flutide® Nasal) and Azelastine-HCl (AZ-HCl, Vividrin® akut) as a representative of antihistamines were analysed. The experiments showed highest tissue binding for AZ-HCl compared to the glucocorticoids. On the one hand this was due to the application of AZ as a salt in solution, on the other hand it was ascribed to the high lipophilicity of the drug. Good correlation of drug tissue binding with the drug’s volume of distribution reflected the successful introduction of the model. After application of drug suspensions both glucocorticoids showed a similiar association to the tissue. Incubation of the tissue-gel matrix in human plasma revealed in a slower release of FP compared to Bud. Moreover, the impact of pharmacokinetics for the pharmacodynamic effect was analysed in the tissue-gel-model. Samples of tissue gel incubation in human plasma from both AZ-HCl and FP were analysed for their anti-inflammatory activity. The clearly higher binding of AZ-HCl to the tissue-gel matrix yielded higher plasma concentrations compared to FP. However, the experiments revealed that the inhibition of the IL-8 release by FP samples exceeded the anti-inflammatory potential of AZ-HCl samples