Directly to content
  1. Publishing |
  2. Search |
  3. Browse |
  4. Recent items rss |
  5. Open Access |
  6. Jur. Issues |
  7. DeutschClear Cookie - decide language by browser settings

Oral nanocrystal formulations and their biopharmaceutical characterization

Anhalt, Katharina

[img]
Preview
PDF, English
Download (7Mb) | Terms of use

Citation of documents: Please do not cite the URL that is displayed in your browser location input, instead use the persistent URL or the URN below, as we can guarantee their long-time accessibility.

Abstract

The aim of this thesis was a biopharmaceutical characterization of oral nanocrystal formulations. Crystalline nanosuspensions (nanocrystals) are one of the most promising and successful formulation approaches for the bioavailability enhancement of poorly water soluble drugs. Crystalline nano- and microsuspensions of fenofibrate and the Merck Serono Compound AS were prepared by wet media milling. The suspensions covered a wide particle size range (100nm to 8µm) and exhibited narrow particle size distributions. It was challenging to determine the solubility and dissolution of nanocrystal formulations. Very small particles with rapid dissolution kinetics complicated the separation of solid from dissolved material. Therefore, an in situ noninvasive analytical method based on the monitoring of light scattering intensities was developed. It avoided the critical separation step, both in solubility and dissolution testing. The determination of solubilities revealed that the solubility was slightly increased only by the smallest sized nanocrystals (10-20% for particle size < 200nm). The dissolution assessment by the light scattering technique had a high temporal resolution, sensitivity, and reproducibility. A straightforward and small scale experimental setup was an additional advantage. The ideal applicability was observed for particle diameters of 100-500nm. Dissolution times as short as 90s could be determined. The method was still applicable for dissolution of particles with up to 1µm in size and a good correlation to a conventional dissolution setup (USP II apparatus with sample filtration) was demonstrated for suspensions in this size range. Biexponential modeling of the dissolution curves was successful and allowed for analysis of the dissolution kinetics. The experimental dissolution results were in good agreement to the Noyes-Whitney theory of dissolution. The next step of biopharmaceutical characterization was the permeability assessment of drug substances formulated as crystalline suspensions with various particle sizes. The permeabilities were measured across Caco-2 cell monolayers. An assay with vertical monolayer arrangement was compared to the classical horizontal assay. The vertical setup did not improve the discriminative power and the adjustment of standardized experimental conditions was difficult. Therefore, the horizontal setup was selected for further experiments. A variation of apical transport medium by using a biorelevant medium instead of a classical buffered salt solution did not alter the permeabilities essentially. A nanosuspension (150nm) of the Merck Serono Compound AS enabled a higher permeability with reference to larger sized suspensions (860nm and 7µm). This correlated well with an observed accelerated dissolution and an observed slight increase in solubility of the nanosuspension. On the contrary, a positive effect of size reduction on permeability was not detected for fenofibrate. This unexpected result might be due to the enzymatic fenofibrate conversion to fenofibric acid, a better soluble and evenly permeable metabolite. A correlation of permeability with apical fenofibric acid concentration dominated the correlation of permeability with particle size. The metabolization interfered with the effects of particle size reduction. However, this phenomenon was not explicitly investigated in this study. The biopharmaceutical investigation was completed by pharmacokinetic studies on the oral administration of suspensions to rats. Nanosuspensions of both drug substances improved the bioavailability with reference to microsuspensions. The presented work covers a thorough particle size distribution analysis, solubility, dissolution, permeation and in vivo pharmacokinetic investigation of micro- and nanosuspensions of two drug substances. These data are very useful to investigate the in vitro-in vivo relation of oral nanocrystal formulations. In this work a good linear correlation of the logarithmic dissolution times to the bioavailability was demonstrated. Furthermore plasma concentration-time profiles were successfully simulated using the Advanced Compartmental Absorption and Transit (ACAT) model. For nanocrystal formulations the fit of simulated to observed profiles was improved by applying the nanofactor effect implemented in the ACAT model.

Translation of abstract (German)

Ziel dieser Arbeit war eine biopharmazeutische Charakterisierung von oralen nanokristallinen Formulierungen. Kristalline Nanosuspensionen (Nanokristalle) sind einer der erfolgreichsten Ansätze zur Verbesserung der Bioverfügbarkeit von schwer wasserlöslichen Arzneistoffen. Kristalline Nano- und Mikrosuspensionen des Arzneistoffes Fenofibrat und des Merck Serono Wirkstoffes AS wurden mittels Nassvermahlung hergestellt. Die Partikelgröße wurde schrittweise reduziert um einen breiten Größenbereich abzudecken (100nm bis 8µm). Die Suspensionen zeigten eine enge Partikelgrößenverteilung. Die Messung der Löslichkeit und Freisetzung von Nanokristall Formulierungen bergen besondere Herausforderungen. Da es sich um äußerst kleine Partikel mir sehr schneller Auflösungskinetik handelt, ist die Abtrennung der festen Partikel vom gelösten Material schwierig. Deshalb wurde eine nichtinvasive analytische Methode basierend auf der Messung der Intensität des Streulichtes entwickelt. Sowohl für die Löslichkeits- als auch für die Freisetzungsbestimmung konnte der kritische Separationsschritt durch die neue Methode vermieden werden. Die Löslichkeitsmessungen ergaben, dass nur die Löslichkeit der kleinsten Nanokristalle geringfügig gesteigert wurde (10-20% für Partikel < 200nm). Die Freisetzungsmessung mittels der Lichtstreumethode zeigte eine hohe zeitliche Auflösung, Sensitivität und Reproduzierbarkeit. Ein unkomplizierter experimenteller Aufbau im Kleinstmaßstab war ein weiterer Vorteil. Der optimale Anwendungsbereich lag im Partikelgrößenbereich von 100-500nm. Auflösungszeiten bis zu minimal 90s konnten bestimmt werden. Auch für die Freisetzungsmessung im Partikelgrößenbereich bis zu 1µm war die Methode anwendbar. Eine gute Übereinstimmung der Ergebnisse mit einer konventionellen Freisetzungsbestimmung (Blattrührer Apparatur und Probenfiltration) konnte für diesen Größenbereich gezeigt werden. Die Freisetzungskurven konnten durch eine biexponentielle Funktion erfolgreich beschrieben werden und dies ermöglichte die Analyse der Auflösungskinetik. Die experimentellen Ergebnisse stimmten gut mit der Noyes-Whitney Theorie der Freisetzung überein. Ein weiterer Baustein der biopharmazeutischen Charakterisierung war die Permeabilitätsmessung der als kristalline Suspensionen formulierten Wirkstoffe. Das Caco-2 Zellkulturmodel wurde für die Bestimmung der Permeabilitäten verwendet. Ein vertikaler wurde mit einem klassischen horizontalen Versuchsaufbau verglichen. Keine positive Auswirkung des vertikalen Aufbaus auf die Unterscheidbarkeit von Formulierungen wurde festgestellt und die Einstellung standardisierter experimenteller Bedingungen im vertikalen System war schwierig. Folglich wurde der horizontale Aufbau für die weiteren Versuche gewählt. Die Verwendung eines biorelevanten Transportmediums als alternatives apikales Medium beeinfusste die Permeabilitäten nur unwesentlich im Vergleich mit einer klassischen gepufferten Salzlösung. Eine Nanosuspension des Wirkstoffes AS mit 150nm mittlerem Teilchendurchmesser zeigte eine höhere Permeabilität als Suspensionen mit größeren Partikeln (860nm und 7µm). Dies korreliert mit der Beobachtung einer schnelleren Auflösung und einer leicht erhöhten Löslichkeit der Nanosuspension. Dahingegen wurde für Fenofibrat kein positiver Einfluss der Partikelgrößenreduktion auf die Permeabilität beobachtet. Dieses unerwartete Ergebnis ist möglicherweise durch die enzymatische Esterspaltung von Fenofibrat zu Fenofibrinsäure bedingt, welche im Caco-2 Versuch auftritt. Fenofibrinsäure ist besser löslich und ebenso permeabel wie Fenofibrat. Die Korrelation von Permeabilität mit der apikalen Fenofibrinsäurekonzentration war deutlicher als die Korrelation von Permeabilität und Partikelgröße. Die Metabolisierung überlagerte den Einfluss der Partikelgrößenreduktion. Jedoch wurden diese Zusammenhänge in der vorliegenden Arbeit nicht systematisch untersucht. Abgerundet wurde die biopharmazeutische Untersuchung durch in vivo Pharmakokinetikstudien, in denen Suspensionsformulierungen oral an Ratten verabreicht wurden. Nanosuspensionen beider Wirkstoffe verbesserten die Bioverfügbarkeit im Vergleich zu Mikrosuspensionen. Diese Arbeit umfasst eine gründliche Untersuchung der Partikelgrößenverteilung, eine Bestimmung der Löslichkeit, Freisetzung, Permeation und in vivo Pharmakokinetik für Mikro- und Nanosuspensionen zweier verschiedener Wirkstoffe. Diese Daten sind sehr wertvoll für eine Untersuchung der in vitro-in vivo Beziehung von oralen kristallinen Nanosuspensionen. In der vorliegenden Arbeit wurde eine gute lineare Korrelation der logarithmischen Auflösungszeit zur Bioverfügbarkeit gezeigt. Weiterhin konnten Plasma Konzentrations-Zeit Verläufe erfolgreich mittels des erweiterten Absorptions-Kompartimentmodel (ACAT) simuliert werden. Für nanokristalline Formulierungen wurde die Übereinstimmung simulierter und experimenteller Daten durch die Anwendung des Nanofaktor Effektes im ACAT Model verbessert.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Fricker, Prof. Dr. Gert
Date of thesis defense: 5. November 2012
Date Deposited: 19. Nov 2012 08:06
Date: 2012
Faculties / Institutes: The Faculty of Bio Sciences > Institute of Pharmacy and Molecular Biotechnology
Subjects: 570 Life sciences
Controlled Keywords: Pharmazeutische Technologie, Biopharmazie, Nanopartikel, Pharmakokinetik
About | FAQ | Contact | Imprint |
OA-LogoLogo der Open-Archives-Initiative