Formulation of poorly water-soluble drugs for per os administration using amorphous solid dispersions

The present doctoral dissertation focuses on the preparation and evaluation of amorphous solid dispersions (ASDs) for the oral administration of drugs exhibiting poor solubility in gastrointestinal fluids. The technique of ASDs emerges as a highly promising solution due to its advantages in enhancing drug solubility and dissolution rate. However, the physical stability of ASDs poses a significant challenge as the amorphous drug substance can undergo recrystallization during both the formulation process and the storage of these systems, as well as during their dissolution in gastrointestinal fluids. Consequently, to circumvent issues related to the physical stability of ASDs and, subsequently, their effectiveness, high quantities of the respective matrices/carriers are often employed. This approach leads to drug quantities that are insufficient to practically meet the required therapeutic dose. Consequently, in such cases, the formulation of orally administered drug products (e.g., tablets, capsules) with large weight or those necessitating multiple doses becomes necessary, culminating in problems associated with patient non-compliance with the treatment regimen. Therefore, as readily apparent, the utilization of a drug in high loading within ASDs (i.e., ≥ 50% w/w) represents a crucial and highly intriguing aspect. This is particularly true given that in the case of ASDs, the heterogeneity and the potential phase separation, especially when a high quantity of the active pharmaceutical ingredient is present, have been demonstrated to significantly impact both the quality and effectiveness of the final product. Among the various strategies explored for increasing the drug content in ASDs, the utilization of in situ thermal crosslinking of polymers could be regarded as especially promising. This method has been associated with the development of ASDs having exceptionally high drug loading (up to 95% w/w), while simultaneously exhibiting notable physical stability. Furthermore, this technique boasts additional advantages such as avoiding the use of crosslinking agents – which may lead to toxicity concerns in the case of chemical crosslinking – low cost, and ease of scalability from laboratory to industrial settings. The primary objective of this doctoral dissertation the development of high drug loading ASDs through in situ thermal crosslinking of poly(acrylic acid) (PAA) and poly(vinyl alcohol) (PVA), followed by an in-depth evaluation of their properties. The aim is to establish the foundation for this innovative category of ASDs. The API chosen for investigation is Indomethacin (IND), due to its low aqueous solubility, classifying it under Category II of the Biopharmaceutics Classification System. Additionally, it has been frequently studied as a model compound in conventional ASDs. In the initial stage of the research, ASDs containing 90% w/w of IND were prepared via a combination of the solvent evaporation method and in situ thermal crosslinking of PAA and PVA. The effect of crosslinking conditions (temperature and time), the physicochemical properties of the drug, and the PVA’s hydrolysis level on the physical stability of the ASDs were extensively studied. Furthermore, the impact of thermal crosslinking on the molecular mobility of the API within the crosslinked polymer networks was assessed, as molecular mobility significantly influences the stability of the amorphous state. Additionally, the study explored whether the parameters of the thermal process (temperature and heating time) and the PVA’s hydrolysis level influence the systems' morphology and the extent to which the hydrolysis degree of PVA determines the crosslinking density of the networks. Lastly, a theoretical evaluation, employing molecular dynamics simulations, was conducted to elucidate the mechanisms involved in the formation and stabilization of high drug loading ASDs. According to the results obtained, the physical state and stability of the crosslinked ASDs depend significantly on the thermal crosslinking conditions used and the PVA content. Furthermore, the evaluation of the morphology of IND HDL ASDs through scanning electron microscopy (SEM) revealed the degree of PVA dissolution and the crosslinking temperature as the key factors in the formation of porous or non-porous structures. In the subsequent phase of the doctoral research, the processes and mechanisms involved in the development of high drug loading ASDs through in situ thermal crosslinking of polymers were meticulously examined. Specifically, Attenuated Total Reflection- Fourier Transform Infrared Spectroscopy (ATR-FTIR) in combination with thermogravimetric analysis (TGA) was utilized to analyze the thermal processing of polymers (PAA and PVA) during the formation of high drug loading ASDs. Moreover, the viscosity of the systems was comprehensively studied across a wide temperature range, and molecular dynamics simulations were utilized to determine the mechanical properties of the systems. According to the results obtained, the temperature at which thermal processing occurs affects the crosslinking mechanism and the viscosity of the systems. In the final stage of the dissertation, an exhaustive investigation of the in vitro dissolution (under non sink conditions) of in situ thermally crosslinked IND ASDs was conducted. The effect of the thermal crosslinking conditions (temperature and heating time) and the hydrolysis degree PVA on the release of the API from the developed systems was assessed. Additionally, the extent to which the conditions during the in vitro studies impact the dissolution profile and behavior of the systems was scrutinized. Finally, the safety profile of these novel crosslinked systems was ascertained through cytotoxicity evaluation in a Caco-2 cell line, and their ex vivo intestinal permeability was examined. The crosslinked carriers exhibited good in vitro biocompatibility, while an increased ex vivo intestinal drug permeability was observed.Η παρούσα διδακτορική διατριβή εστιάζει στην παρασκευή και την αξιολόγηση άμορφων στερεών διασπορών (ΑΣΔ) για την από του στόματος (per os) χορήγηση φαρμάκων που εμφανίζουν χαμηλή διαλυτότητα στα γαστρεντερικά υγρά. Η τεχνική των ΑΣΔ αναδεικνύεται ως μία πολλά υποσχόμενη λύση, λόγω των πλεονεκτημάτων που παρουσιάζει, ως προς την αύξηση της διαλυτότητας και του ρυθμού διάλυσης των φαρμάκων. Παρ' όλα αυτά, η φυσική σταθερότητα των ΑΣΔ αποτελεί σημαντική πρόκληση, καθώς δύναται να σημειωθεί ανακρυστάλλωση της άμορφης φαρμακευτικής ουσίας τόσο κατά τη διαδικασία της παρασκευής και την αποθήκευση των συστημάτων αυτών, όσο και κατά τη διαλυτοποίηση τους στα γαστρεντερικά υγρά. Για το λόγο αυτό, άλλωστε, προκειμένου να αποφευχθούν προβλήματα που συνδέονται με τη φυσική σταθερότητα των ΑΣΔ, και κατά συνέπεια με τη μειωμένη αποτελεσματικότητά τους, συνήθως χρησιμοποιούνται υψηλές ποσότητες του εκάστοτε φορέα. Η συγκεκριμένη προσέγγιση οδηγεί σε ποσότητες φαρμάκου που είναι πολύ χαμηλές για να καλύψουν πρακτικά την απαιτούμενη θεραπευτική δόση. Κατά συνέπεια, σε αυτές τις περιπτώσεις απαιτείται συχνά η μορφοποίηση per os χορηγούμενων φαρμακομορφών (όπως δισκία, καψάκια κ.λπ.) τα οποία είτε έχουν μεγάλο βάρος ή χορηγούνται σε πολλαπλές δόσεις, γεγονός που οδηγεί σε προβλήματα που σχετίζονται με τη μη-συμμόρφωση των ασθενών στη θεραπεία. Επομένως, όπως γίνεται εύκολα αντιληπτό, η χρήση ενός φαρμάκου σε υψηλές περιεκτικότητες εντός των ΑΣΔ (δηλαδή ≥ 50% w/w) αποτελεί σημείο αιχμής και υψηλού ενδιαφέροντος, δεδομένου ότι στην περίπτωση των ΑΣΔ η ανομοιογένεια και η πιθανότητα διαχωρισμού των φάσεων όταν υπάρχει υψηλή ποσότητα της δραστικής ουσίας έχει αποδειχθεί ότι επηρεάζουν τόσο την ποιότητα, όσο και την αποτελεσματικότητα του τελικού προϊόντος. Από τις μεθόδους αύξησης της περιεκτικότητας της φαρμακευτικής ουσίας στις ΑΣΔ που έχουν μελετηθεί, η χρήση της θερμικής διασταύρωσης πολυμερικών φορέων είναι μια πολλά υποσχόμενη προσέγγιση, δεδομένου ότι με τη συγκεκριμένη μέθοδο έχει αναφερθεί η ανάπτυξη ΑΣΔ με εξαιρετικά υψηλή περιεκτικότητα φαρμάκου (έως 95 % w/w), που παρουσιάζουν ταυτόχρονα υψηλή φυσική σταθερότητα. Σημαντικά επιπρόσθετα πλεονεκτήματα της τεχνικής αυτής είναι η αποφυγή χρήσης επιπρόσθετου διασταυρωτή, το καλύτερο προφίλ τοξικότητας, το χαμηλό κόστος παραγωγής και η εύκολη μεταφορά της από εργαστηριακό σε βιομηχανικό επίπεδο.Ως σκοπός, επομένως, της παρούσας διδακτορικής διατριβής ήταν η ανάπτυξη ΑΣΔ με υψηλή περιεκτικότητα σε φαρμακευτική ουσία μέσω της in situ θερμικής διασταύρωσης του πολύ(ακρυλικού οξέος) (poly(acrylic acid) PAA) και της πολυβινυλαλκοόλης (poly(vinyl alcohol)-PVA) και η εις βάθος αξιολόγηση των συστημάτων αυτών. Ως πρότυπη φαρμακευτική ουσία χρησιμοποιήθηκε η Ινδομεθακίνη (Indomethacin, IND) λόγω της χαμηλής υδατικής διαλυτότητας που παρουσιάζει (είναι BSC II φάρμακο), των ιδιαίτερων θερμοφυσικών χαρακτηριστικών της, καθώς και της συχνής χρήσης της ως πρότυπη ουσία στην παρασκευή συμβατικών ΑΣΔ που περιέχουν χαμηλή δόση φαρμάκου. Στο πρώτο στάδιο της διδακτορικής διατριβής ΑΣΔ IND με περιεκτικότητα φαρμακευτικής ουσίας 90 % w/w παρασκευάστηκαν μέσω ενός συνδυασμού της μεθόδου διάλυσης με εξάτμιση διαλύτη και της in situ θερμικής διασταύρωσης του PAA και του PVA, και μελετήθηκε διεξοδικά η επίδραση των συνθηκών διασταύρωσης (δηλαδή της θερμοκρασίας και του χρόνου), των φυσικοχημικών ιδιοτήτων του φαρμάκου και του επιπέδου υδρόλυσης της PVA στη φυσική σταθερότητα των ΑΣΔ. Επιπροσθέτως, εξετάσθηκε η επίδραση της θερμικής διασταύρωσης στη μοριακή κινητικότητα της δραστικής ουσίας εντός των διασταυρούμενων πολυμερικών δικτύων με χρήση της διηλεκτρικής φασματοσκοπίας ευρείας ζώνης (broad dielectric spectroscopy-BDS), δεδομένου ότι η μοριακή κινητικότητα του φαρμάκου είναι ένας από τους σημαντικότερους παράγοντες για την σταθεροποίηση της άμορφης κατάστασής του. Ακόμη, μελετήθηκε το αν οι παράμετροι της θερμικής επεξεργασίας (δηλαδή θερμοκρασία και ο χρόνος θέρμανσης) και ο βαθμός υδρόλυσης της PVA επηρεάζουν τη μορφολογία των συστημάτων, αλλά και το κατά πόσο ο βαθμός υδρόλυσης της PVA καθορίζει τη πυκνότητα διασταύρωσης των συστημάτων. Τέλος, επιχειρήθηκε μια θεωρητική αξιολόγηση, μέσω προσομοιώσεων μοριακής δυναμικής, των μηχανισμών που εμπλέκονται κατά το σχηματισμό και τη σταθεροποίηση των IND ΑΣΔ με υψηλή περιεκτικότητα φαρμακευτικής ουσίας. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα που ελήφθησαν, η φυσική κατάσταση των διασταυρούμενων ΑΣΔ και η φυσική σταθερότητα τους εξαρτώνται σε σημαντικό βαθμό από τις συνθήκες θερμικής διασταύρωσης που χρησιμοποιούνται και την περιεκτικότητα της PVA. Επιπλέον, η αξιολόγηση της μορφολογίας των IND HDL ΑΣΔ μέσω της ηλεκτρονικής μικροσκοπίας σάρωσης (SEM) ανέδειξε το βαθμό υδρόλυσης της PVA και τη θερμοκρασίας διασταύρωσης ως τους βασικότερους παράγοντες για το σχηματισμό πορώδους ή μη πορώδους δομής. Στο επόμενο στάδιο της διδακτορικής διατριβής, μελετήθηκαν λεπτομερώς οι διεργασίες και οι μηχανισμοί που εμπλέκονται στην παρασκευή των ΑΣΔ με υψηλή περιεκτικότητα φαρμακευτικής ουσίας μέσω της in situ θερμικής διασταύρωσης των πολυμερών, και κυρίως η επίδραση των συνθηκών της παραγωγικής διαδικασίας στον σχηματισμό των ΑΣΔ. Ειδικότερα, χρησιμοποιήθηκε η φασματοφωτομετρία υπερύθρου με αποσβένουσα ολική ανάκλαση (ATR-FTIR) σε συνδυασμό με τη θερμοσταθμική ανάλυση (TGA) για την μελέτη της θερμικής διασταύρωσης των πολυμερών (PAA και PVA) κατά τον σχηματισμό των IND ΑΣΔ με υψηλή περιεκτικότητα φαρμάκου. Επιπροσθέτως, διεξήχθη η μελέτη του ιξώδους των συστημάτων σε ένα ευρύ φάσμα θερμοκρασιών και χρησιμοποιήθηκαν οι προσομοιώσεις μοριακής δυναμικής για τον προσδιορισμό των μηχανικών ιδιοτήτων των συστημάτων. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα που ελήφθησαν, η θερμοκρασία στην οποία λαμβάνει χώρα η θερμική επεξεργασία επηρεάζει τον μηχανισμό της δημιουργίας σταυροδεσμών και το ιξώδες των συστημάτων. Στο τελευταίο στάδιο της διατριβής διερευνήθηκε διεξοδικά η in vitro διάλυση (σε υπερκορεσμένη κατάσταση) των in situ θερμικά διασταυρούμενων IND ΑΣΔ, καθώς και η επίδραση των συνθηκών της θερμικής διασταύρωσης (θερμοκρασία και ο χρόνος θέρμανσης) και ο βαθμός υδρόλυσης της PVA στην απελευθέρωση της δραστικής ουσίας από τα υπό μελέτη συστήματα. Οι συνθήκες διασταύρωσης και ο βαθμός υδρόλυσης της PVA έχουν σημαντική επίδραση Επιπλέον, μελετήθηκε μέχρι ποιο σημείο οι συνθήκες που επικρατούν κατά τη διάρκεια των in vitro μελετών επηρεάζουν το προφίλ και τη συμπεριφορά διάλυσης των συστημάτων. Τέλος, προσδιορίστηκε το προφίλ ασφάλειας αυτών των νέων διασταυρούμενων συστημάτων μέσω της αξιολόγησης της κυτταροτοξικότητάς τους σε κυτταρική σειρά Caco-2 που αποτελείται από ανθρώπινα κύτταρα εντερικού επιθηλίου, ενώ μελετήθηκε, επίσης, η ex-vivo εντερική διαπερατότητά τους μέσω της μεθόδου του μη ανεστραμμένου εντερικού σάκου. Οι διασταυρούμενοι φορείς παρουσίασαν καλή in vitro βιοσυμβατότητα, ενώ σημειώθηκε και αυξημένη ex vivo εντερική διαπερατότητα του φαρμάκου