< Terug naar vorige pagina
Project
Ontwikkeling van langwerkende injecteerbare formulaties voor slecht oplosbare anti-HIV geneesmiddelen
Dit doctoraatsonderzoek had als doel een nieuw formulatieconcept te onderzoeken voor langwerkende intramusculair injecteerbare formulaties van een slecht oplosbare anti-HIV protease inhibitor. De ideale formulatie zou derhalve de oplosbaarheid van het geneesmiddel significant moeten verhogen alsook een gecontroleerde vrijgave moeten verzekeren over een langere tijd (weken). Om dit te verwezenlijken werd een nieuw concept voorgesteld voor gecontroleerde vrijgave via intramusculaire injectie dat gebaseerd was op gesproeidroogde microsferen. Deze microsferen bestonden uitde combinatie van wateronoplosbaar PLGA met wateroplosbaar PVP. Deze combinatie van materialen had als doel zowel een verbeterde oplosbaarheid te verzekeren door een moleculaire verdeling van het geneesmiddel (in PVP) als een lange termijn vrijstelling van het geneesmiddel te vrijwaren (door PLGA). Als modelgeneesmiddel werd een HIV protease inhibitor gebruikt.
In een eerste studie werden oppervlakte-analysetechnieken (ToF-SIMS, XPS, nanoTA en AFM) gecombineerd met een bulk mengbaarheidsstudie (MDSC). Deze combinatie van technieken maakte een nauwgezette karakterisering mogelijk van de structuur van de PLGA/PVP polymeermatrix (Hoofdstuk 3). Er werd geconstateerd dat het sproeidrogen van een oplossing die PLGA en PVP bevat resulteert in holle microsferen. MDSC toonde aan dater twee verschillende amorfe fasen aanwezig waren in de partikels, zijnde een PLGA-rijke fase die een beperkte hoeveelheid PVP bevat en een PVP-rijke fase die een beperkte hoeveelheid PLGA bevat. De PLGA-rijke fase bleek zich aan het oppervlak van de partikels te bevinden met daaronder de PVP-rijke fase. Deze bevindingen werden ondersteund door de resultaten van de ToF-SIMS, XPS en nanoTA experimenten. De polymeerverhouding hadeen invloed op de dikte van de PLGA oppervlaktelaag: hoe hoger het massapercentage PLGA in het staal, hoe dikker de oppervlaktelaag was. Deze bevindingen kunnen implicaties hebben voor de ontwikkeling van een polymeermatrix met de optimale geneesmiddelvrijgave in toekomstige studies.
In een vervolgstudie werd bestudeerd hoe deze matrix structureel veranderde wanneer deze werd blootgesteld aan stresscondities zoals warmteen luchtvochtigheid (Hoofdstuk 4). Er werd waargenomen dat de eigenschappen van het oppervlak van de gesproeidroogde micropartikels, meer bepaald de chemische samenstelling, het fasegedrag en de topografie, beïnvloed werden bij blootstelling aan warmte en vochtigheid. Dit leidde tot eenherschikking aan het oppervlak met een verhoogde aanwezigheid van PVP, gekoppeld aan een verminderding in PLGA. Dit fenomeen kan verklaard worden door de relatieve thermische eigenschappen en bijgevolg moleculaire mobiliteit van de twee polymeren. Bovendien impliceert dit dat blootstelling aan verhoogde temperaturen en luchtvochtigheid een invloed kan hebben op de mengbaarheid en dus ook op het vrijstellingsgedrag van toekomstige formulaties.
Inclusie van het modelgeneesmiddel in de PLGA/PVP-matrix stelde een methodologische uitdaging aangezien voor ternaire vaste dispersies MDSC alleen niet voldoende is om hun fasegedrag te karakteriseren en inzicht te verwerven in de verdeling van het geneesmiddel in een tweefasige polymeermatrix. Om dit probleem op te lossen werd MDSC gecombineerd met de complementaire oppervlakte-analysetechnieken ToF-SIMS en AFM (Hoofdstuk 5). Deze studie toonde aan hoe deze combinatie van technieken synergistische voordelen biedt voor de karakterisering van het fasegedrag van en de distributie van het geneesmiddel in ternaire vaste dispersies (API/PLGA/PVP). MDSC toonde aan dat het geneesmiddel aanwezig was als een glasoplossing. Uit de ToF-SIMS experimenten kon worden afgeleid dat de graad van oppervlaktebedekking met het geneesmiddel varieerdevoor formulaties die verschillend waren samengesteld. De met AFM verkregen afbeeldingen en mechanische karakterisering koppelden de ruimtelijkeinformatie op nanoschaal aan deze bevindingen en duidden zo op heterogeniteit in structuur en samenstelling van het oppervlak van de micropartikels. De mogelijkheid om de ruimtelijke verdeling van het geneesmiddel te bestuderen, is van groot belang aangezien de locatie van het geneesmiddel in de microsferen de performantie van de formulatie (vrijstellingskinetiek van het geneesmiddel en fysische stabiliteit) significant kan beïnvloeden. Daarom zou inzicht in hoe formulatie- en procesparameters de ruimtelijke verdeling van het geneesmiddel in deze ternaire vaste dispersies beïnvloeden (via oppervlaktekarakterisering) rationeel design van stabiele formulaties met gecontroleerde vrijgaveprofielen toelaten.
Omwille van deze redenen werd in een volgende studie onderzocht hoe formulatie- (concentratie van de feed oplossing) en procesparameters (het pompdebiet, de temperatuur van de inkomende lucht en de atomiserende luchtdruk) de eigenschappen van de gesproeidroogde microsferen beïnvloeden (Hoofdstuk 6). Er werden verschillen geobserveerd qua mengbaarheid en heterogeniteit, deeltjesgrootte, morfologie en oppervlaktebedekking van hetgeneesmiddel. Deze verschillen zijn waarschijnlijk te wijten aan veranderingen in het verdampingsproces van de druppels en de daaropvolgende deeltjesvorming. Niettegenstaande de verschillen die werden waargenomen, beïnvloedden deze variërende partikeleigenschappen het vrijgavegedrag vanhet actieve bestanddeel uit de formulatie niet. Sproeidrogen resulteerde dus in een formulatie met een stabiele vrijgave van geneesmiddel in het geteste tijdsbestek. Dit is waarschijnlijk te wijten aan het voorgestelde vrijgavemechanisme waarbij de vrijgave gedomineerd is door snelle dissolutie van de kleine domeinen van PVP aanwezig in de PLGA-laag. Deze snelle dissolutie van PVP is te wijten aan zijn hoge oplosbaarheid.De resulterende poriën in de PLGA oppervlaktelaag laten het binnentreden van waterige vloeistoffen in de partikels toe, gevolgd door een snelledissolutie van het moleculair verdeelde geneesmiddel en diffusie uit demicrosferen. Dit mechanisme is consistent met de geobserveerde toename in oppervlaktebedekking met PVP na blootstelling van de microsferen aan vochtigheid en benadrukt de belangrijke rol van PVP in deze formulaties.Er werd bovendien bevestigd dat de functie van PLGA in deze formulatiesis om een fasegescheiden oppervlaktelaag te vormen om zo de vereiste trage vrijstelling van het geneesmiddel te verzekeren. De onderliggende PVP fase verhoogt de oplosbaarheid en bijgevolg oplossnelheid van het slecht oplosbare geneesmiddel.
Als een laatste stap werd de vooropgestelde formulatiestrategie vergeleken met andere oplosbaarheidsverhogendestrategieën. Eerst werd een fysicochemische karakterisering en in vitroevaluatie van de verschillende formulatiestrategieën uitgevoerd (Hoofdstuk 7). Onze formulatiestrategie gebaseerd op de moleculaire verdeling van een slecht oplosbaar geneesmiddel in een tweefasige PLGA/PVP matrix werd geëvalueerd. Deze strategie werd vergeleken met twee andere oplosbaarheidverhogende strategieën, namelijk een vaste dispersie in een pure PLGA matrix en deeltjesgroottereductie onder de vorm van een microsuspensie van het geneesmiddel. In het totaal werden zes modelformulaties getest die deze drie formulatiestrategieën vertegenwoordigen.
Afhankelijk van de samenstelling en productiemethode varieerden deze modelformulaties in deeltjesgrootte, porositeit, fasegedrag, oppervlaktebedekking en fysische toestand van het geneesmiddel. Deze bevindingen verschaften inzicht in het in vitro vrijstellingsgedrag en resulteerden in het begrijpen van de geobserveerde verschillen en gelijkenissen in vrijgave van geneesmiddel uit de verschillende formulaties. Voor de formulaties bestaande uit PLGA werd porositeit geïdentificeerd als een parameter met belangrijke invloed op de in vitro vrijgave van het geneesmiddel. De snelheidvan vrijgave van het geneesmiddel uit formulaties bestaande uit PLGA enPVP kan beïnvloed worden door de dikte van de PLGA-oppervlaktelaag. Verkleining van de deeltjesgrootte bleek een geschikte strategie te zijn omde oplossnelheid te verhogen voor het onderzochte geneesmiddel maar bleek minder geschikt voor de ontwikkeling van een formulatie met verlengdevrijgave aangezien het resulteerde in een onmiddellijke en complete vrijgave van het geneesmiddel in vitro.
Het in vivo gedrag op lange termijn van onze strategie werd vergeleken met dat van andere oplosbaarheidsverhogende strategieën door de vrijgave van geneesmiddel te evalueren in Beagle honden. Het in vivo gedrag van de verschillende formulaties werd geëvalueerd over een periode van 28 dagen na intramusculaire injectie. Dit werd gedaan door de geobserveerde initiële burst vrijstelling, plasmaconcentratie-tijdsprofielen, de tijd na dewelke maximale plasmalevels bereikt werden en de geschatte biologische beschikbaarheid te vergelijken. In vivo evaluatie van de verschillende formulatiestrategieën toonde het voordeel aan van de combinatie van het wateroplosbare polymeer PVPen het wateronoplosbare PLGA als een matrix voor vaste dispersies voor langwerkende formulaties vergeleken met de andere onderzochte formulatiestrategieën (Hoofdstuk 8). Het voordeel is tweeledig en omvat zowel een meer vertraagde vrijgave als een grotere hoeveelheid van geneesmiddel dat wordt vrijgesteld. Dit kan verklaard worden op basis van de structuur van deze PLGA/PVP-matrix waar het porienetwerk afkomstig van het snel oplossende PVP resulteert in een verbeterde toegang van het waterige vrijstellingsmedium tot het geneesmiddel dat gedispergeerd is in de polymeermatrix. Deze verhoogde toegang tot geneesmiddel dat dieper in de matrix gedispergeerd is, werkt als een reservoir met zowel verhoogde als een langer durende geneesmiddelvrijgave als gevolg. De resultaten duiden erop dat voor de formulaties bestaande uit PLGA/PVP een verandering in de hoeveelheid PLGA aanwezig in de matrix de meest beloftevolle benadering is om het vrijstellingsprofiel te beïnvloeden.
In dit doctoraatsonderzoek werden opeenvolgende studies uitgevoerd om de voorgestelde formulatiestrategie te onderzoeken en te evalueren. Deze studies vertegenwoordigen verschillende activiteiten die betrokken zijn in het ontwikkelingsproces van geneesmiddelen, gaande van productie en karakterisering van de formuleringen, over testen van de in vitro vrijgave tot het bepalen van biologische beschikbaarheid van het geneesmiddel in Beagle honden. De algemene conclusie van deze verschillende studies is dat het sproeidrogen van een slecht oplosbaar geneesmiddel als een vaste dispersie in een PLGA/PVP matrix een beloftevolle strategie is voor de ontwikkeling van langwerkende injecteerbare formulaties.
In een eerste studie werden oppervlakte-analysetechnieken (ToF-SIMS, XPS, nanoTA en AFM) gecombineerd met een bulk mengbaarheidsstudie (MDSC). Deze combinatie van technieken maakte een nauwgezette karakterisering mogelijk van de structuur van de PLGA/PVP polymeermatrix (Hoofdstuk 3). Er werd geconstateerd dat het sproeidrogen van een oplossing die PLGA en PVP bevat resulteert in holle microsferen. MDSC toonde aan dater twee verschillende amorfe fasen aanwezig waren in de partikels, zijnde een PLGA-rijke fase die een beperkte hoeveelheid PVP bevat en een PVP-rijke fase die een beperkte hoeveelheid PLGA bevat. De PLGA-rijke fase bleek zich aan het oppervlak van de partikels te bevinden met daaronder de PVP-rijke fase. Deze bevindingen werden ondersteund door de resultaten van de ToF-SIMS, XPS en nanoTA experimenten. De polymeerverhouding hadeen invloed op de dikte van de PLGA oppervlaktelaag: hoe hoger het massapercentage PLGA in het staal, hoe dikker de oppervlaktelaag was. Deze bevindingen kunnen implicaties hebben voor de ontwikkeling van een polymeermatrix met de optimale geneesmiddelvrijgave in toekomstige studies.
In een vervolgstudie werd bestudeerd hoe deze matrix structureel veranderde wanneer deze werd blootgesteld aan stresscondities zoals warmteen luchtvochtigheid (Hoofdstuk 4). Er werd waargenomen dat de eigenschappen van het oppervlak van de gesproeidroogde micropartikels, meer bepaald de chemische samenstelling, het fasegedrag en de topografie, beïnvloed werden bij blootstelling aan warmte en vochtigheid. Dit leidde tot eenherschikking aan het oppervlak met een verhoogde aanwezigheid van PVP, gekoppeld aan een verminderding in PLGA. Dit fenomeen kan verklaard worden door de relatieve thermische eigenschappen en bijgevolg moleculaire mobiliteit van de twee polymeren. Bovendien impliceert dit dat blootstelling aan verhoogde temperaturen en luchtvochtigheid een invloed kan hebben op de mengbaarheid en dus ook op het vrijstellingsgedrag van toekomstige formulaties.
Inclusie van het modelgeneesmiddel in de PLGA/PVP-matrix stelde een methodologische uitdaging aangezien voor ternaire vaste dispersies MDSC alleen niet voldoende is om hun fasegedrag te karakteriseren en inzicht te verwerven in de verdeling van het geneesmiddel in een tweefasige polymeermatrix. Om dit probleem op te lossen werd MDSC gecombineerd met de complementaire oppervlakte-analysetechnieken ToF-SIMS en AFM (Hoofdstuk 5). Deze studie toonde aan hoe deze combinatie van technieken synergistische voordelen biedt voor de karakterisering van het fasegedrag van en de distributie van het geneesmiddel in ternaire vaste dispersies (API/PLGA/PVP). MDSC toonde aan dat het geneesmiddel aanwezig was als een glasoplossing. Uit de ToF-SIMS experimenten kon worden afgeleid dat de graad van oppervlaktebedekking met het geneesmiddel varieerdevoor formulaties die verschillend waren samengesteld. De met AFM verkregen afbeeldingen en mechanische karakterisering koppelden de ruimtelijkeinformatie op nanoschaal aan deze bevindingen en duidden zo op heterogeniteit in structuur en samenstelling van het oppervlak van de micropartikels. De mogelijkheid om de ruimtelijke verdeling van het geneesmiddel te bestuderen, is van groot belang aangezien de locatie van het geneesmiddel in de microsferen de performantie van de formulatie (vrijstellingskinetiek van het geneesmiddel en fysische stabiliteit) significant kan beïnvloeden. Daarom zou inzicht in hoe formulatie- en procesparameters de ruimtelijke verdeling van het geneesmiddel in deze ternaire vaste dispersies beïnvloeden (via oppervlaktekarakterisering) rationeel design van stabiele formulaties met gecontroleerde vrijgaveprofielen toelaten.
Omwille van deze redenen werd in een volgende studie onderzocht hoe formulatie- (concentratie van de feed oplossing) en procesparameters (het pompdebiet, de temperatuur van de inkomende lucht en de atomiserende luchtdruk) de eigenschappen van de gesproeidroogde microsferen beïnvloeden (Hoofdstuk 6). Er werden verschillen geobserveerd qua mengbaarheid en heterogeniteit, deeltjesgrootte, morfologie en oppervlaktebedekking van hetgeneesmiddel. Deze verschillen zijn waarschijnlijk te wijten aan veranderingen in het verdampingsproces van de druppels en de daaropvolgende deeltjesvorming. Niettegenstaande de verschillen die werden waargenomen, beïnvloedden deze variërende partikeleigenschappen het vrijgavegedrag vanhet actieve bestanddeel uit de formulatie niet. Sproeidrogen resulteerde dus in een formulatie met een stabiele vrijgave van geneesmiddel in het geteste tijdsbestek. Dit is waarschijnlijk te wijten aan het voorgestelde vrijgavemechanisme waarbij de vrijgave gedomineerd is door snelle dissolutie van de kleine domeinen van PVP aanwezig in de PLGA-laag. Deze snelle dissolutie van PVP is te wijten aan zijn hoge oplosbaarheid.De resulterende poriën in de PLGA oppervlaktelaag laten het binnentreden van waterige vloeistoffen in de partikels toe, gevolgd door een snelledissolutie van het moleculair verdeelde geneesmiddel en diffusie uit demicrosferen. Dit mechanisme is consistent met de geobserveerde toename in oppervlaktebedekking met PVP na blootstelling van de microsferen aan vochtigheid en benadrukt de belangrijke rol van PVP in deze formulaties.Er werd bovendien bevestigd dat de functie van PLGA in deze formulatiesis om een fasegescheiden oppervlaktelaag te vormen om zo de vereiste trage vrijstelling van het geneesmiddel te verzekeren. De onderliggende PVP fase verhoogt de oplosbaarheid en bijgevolg oplossnelheid van het slecht oplosbare geneesmiddel.
Als een laatste stap werd de vooropgestelde formulatiestrategie vergeleken met andere oplosbaarheidsverhogendestrategieën. Eerst werd een fysicochemische karakterisering en in vitroevaluatie van de verschillende formulatiestrategieën uitgevoerd (Hoofdstuk 7). Onze formulatiestrategie gebaseerd op de moleculaire verdeling van een slecht oplosbaar geneesmiddel in een tweefasige PLGA/PVP matrix werd geëvalueerd. Deze strategie werd vergeleken met twee andere oplosbaarheidverhogende strategieën, namelijk een vaste dispersie in een pure PLGA matrix en deeltjesgroottereductie onder de vorm van een microsuspensie van het geneesmiddel. In het totaal werden zes modelformulaties getest die deze drie formulatiestrategieën vertegenwoordigen.
Afhankelijk van de samenstelling en productiemethode varieerden deze modelformulaties in deeltjesgrootte, porositeit, fasegedrag, oppervlaktebedekking en fysische toestand van het geneesmiddel. Deze bevindingen verschaften inzicht in het in vitro vrijstellingsgedrag en resulteerden in het begrijpen van de geobserveerde verschillen en gelijkenissen in vrijgave van geneesmiddel uit de verschillende formulaties. Voor de formulaties bestaande uit PLGA werd porositeit geïdentificeerd als een parameter met belangrijke invloed op de in vitro vrijgave van het geneesmiddel. De snelheidvan vrijgave van het geneesmiddel uit formulaties bestaande uit PLGA enPVP kan beïnvloed worden door de dikte van de PLGA-oppervlaktelaag. Verkleining van de deeltjesgrootte bleek een geschikte strategie te zijn omde oplossnelheid te verhogen voor het onderzochte geneesmiddel maar bleek minder geschikt voor de ontwikkeling van een formulatie met verlengdevrijgave aangezien het resulteerde in een onmiddellijke en complete vrijgave van het geneesmiddel in vitro.
Het in vivo gedrag op lange termijn van onze strategie werd vergeleken met dat van andere oplosbaarheidsverhogende strategieën door de vrijgave van geneesmiddel te evalueren in Beagle honden. Het in vivo gedrag van de verschillende formulaties werd geëvalueerd over een periode van 28 dagen na intramusculaire injectie. Dit werd gedaan door de geobserveerde initiële burst vrijstelling, plasmaconcentratie-tijdsprofielen, de tijd na dewelke maximale plasmalevels bereikt werden en de geschatte biologische beschikbaarheid te vergelijken. In vivo evaluatie van de verschillende formulatiestrategieën toonde het voordeel aan van de combinatie van het wateroplosbare polymeer PVPen het wateronoplosbare PLGA als een matrix voor vaste dispersies voor langwerkende formulaties vergeleken met de andere onderzochte formulatiestrategieën (Hoofdstuk 8). Het voordeel is tweeledig en omvat zowel een meer vertraagde vrijgave als een grotere hoeveelheid van geneesmiddel dat wordt vrijgesteld. Dit kan verklaard worden op basis van de structuur van deze PLGA/PVP-matrix waar het porienetwerk afkomstig van het snel oplossende PVP resulteert in een verbeterde toegang van het waterige vrijstellingsmedium tot het geneesmiddel dat gedispergeerd is in de polymeermatrix. Deze verhoogde toegang tot geneesmiddel dat dieper in de matrix gedispergeerd is, werkt als een reservoir met zowel verhoogde als een langer durende geneesmiddelvrijgave als gevolg. De resultaten duiden erop dat voor de formulaties bestaande uit PLGA/PVP een verandering in de hoeveelheid PLGA aanwezig in de matrix de meest beloftevolle benadering is om het vrijstellingsprofiel te beïnvloeden.
In dit doctoraatsonderzoek werden opeenvolgende studies uitgevoerd om de voorgestelde formulatiestrategie te onderzoeken en te evalueren. Deze studies vertegenwoordigen verschillende activiteiten die betrokken zijn in het ontwikkelingsproces van geneesmiddelen, gaande van productie en karakterisering van de formuleringen, over testen van de in vitro vrijgave tot het bepalen van biologische beschikbaarheid van het geneesmiddel in Beagle honden. De algemene conclusie van deze verschillende studies is dat het sproeidrogen van een slecht oplosbaar geneesmiddel als een vaste dispersie in een PLGA/PVP matrix een beloftevolle strategie is voor de ontwikkeling van langwerkende injecteerbare formulaties.
Datum:21 sep 2009 → 12 sep 2014
Trefwoorden:HIV drugs, biodegradable polymers, parenteral drug administration, poorly soluble drugs
Disciplines:Chemisch productontwerp en formulering, Biomateriaal engineering, Analytische chemie, Farmaceutische analyse en kwaliteitszorg, Ontdekking en evaluatie van biomarkers, Ontdekking en evaluatie van geneesmiddelen, Medicinale producten, Farmaceutica, Farmacognosie en fytochemie, Farmacologie, Farmacotherapie, Toxicologie en toxinologie, Andere farmaceutische wetenschappen
Project type:PhD project