Authors:	Geißler, Simon
Title:	Small scale processing of nanoscopic formulations for preclinical development of poorly soluble compounds
Online publication date:	12-Jan-2016
Year of first publication:	2016
Language:	english
Abstract:	Several processing techniques for the bioavailability enhancement of poorly soluble drugs are described in this work. Three model substances (fenofibrate, griseofulvin, ketoconazole) are evaluated for technical feasibility in nanosuspension, nanoemulsion/microemulsion (fenofibrate only) and cyclodextrin formulations. Different preparational and analytical aspects of the technologies were investigated. Small angle neutron scattering (SANS) was utilized to explore the emulsifying mechanism of a microemulsion preconcentrate. Results suggest development of spherical structures in the first 200s of the process with further size increase of the emulsion droplets later on. Only minor changes in chemical composition of the droplets are suggested. Nanoemulsion formulations were manufactured via novel sucrose ester tensides and compared to established surfactants for parenteral use (Solutol® HS15, Cremophor® RH40, Lipoid® E80, Lipoid® S75). Results demonstrate the suitability of hydrophilic lauryl and myristyl esters regarding particle size and stability. In comparison to other tensides sucrose esters allow for production of smaller particle sizes and stabilize the resulting emulsions during freeze-drying and redispersion. Wet milling in different ball mills was evaluated for manufacturing of nanosuspensions. Besides processing time the bead fill level, rotational speed and size of milling beads were identified as relevant parameters. Differences in comminution efficiency were detected dependent on API chemistry and the stabilizers used. The data underline the relevance of selection of stabilizers and optimization of stabilizer concentration for every individual API to achieve optimal comminution efficiency and dispersion stability. Optimized drug delivery systems were investigated in-vitro in Caco-2 transwell systems. Higher permeation of nanoscalic formulations could be measured in comparison to non-processed API. Nano- and microscale formulations of fenofibrate were tested in an in-vivo study in rats. After peroral administration the nanosuspensions and nanoemulsions lead to higher bioavailability of fenofibrate in accordance to increased permeation in the in-vitro tests. A microemulsion failed to demonstrate increased bioavailability in comparison to pure API. The work demonstrates the applicability of nanosuspension technology as platform for different poorly soluble compounds. Wetmilling proved to be a suitable technique for processing even in the low milligram scale for different API chemistries which qualifies the technique as ideal tool for preclinical and clinical development. Building on a published scheme a decision tree for selection of formulation technologies is proposed that accounts for the technical applicabilities of the different formulation approaches. Die vorliegende Arbeit beleuchtet verschiedene Herstelltechniken zur Bioverfügbarkeitserhöhung von schwer wasserlöslichen Wirkstoffen. Die Modellsubstanzen Fenofibrat, Griseofulvin und Ketoconazol wurden mittels unterschiedlicher Formulierungssysteme (Cyclodextrine, Mikroemulsion, Nanoemulsion, Nanosuspension) verarbeitet. Verschiedene analytische und präparative Aspekte der Technologien wurden untersucht. Beispielsweise wurde das Emulgierverhalten eines Mikroemulsionskonzentrates zeitaufgelöst mittels Kleinwinkelneutronenstreuung (SANS) beobachtet. Die Daten unterstellen einen mehrstufigen Prozess mit dem Entstehen kleiner sphärischer Strukturen in den ersten 200 Sekunden der Emulgierung und anschließendem Anwachsen der Emulsionströpfchen. Die chemische Zusammensetzung scheint dabei nur leichten Veränderungen unterworfen zu sein. Im Rahmen der Formulierungsentwicklung für Nanoemulsionen wurde die Eignung verschiedener Sucroseester im Vergleich zu etablierten Tensiden (Solutol® HS15, Cremophor® RH40, Lipoid® E80, Lipoid® S75) untersucht. Besonders hydrophile Ester der Laurin- und Myristinsäure zeigten positive Formulierungseigenschaften und Stabilität. Im Vergleich zu Standardtensiden weisen die Emulsionen von Sucroseestern kleinere Partikelgrößen auf und sind aufgrund ihrer strukturgebenden Eigenschaften in der Lage, Emulsionen während und nach Lyophilisation zu stabilisieren. Für die Herstellung von Nanosuspensionen wurde die Technologie der Nassvermahlung in Kugelmühlen näher charakterisiert. Als relevante Prozessparameter für die Partikelzerkleinerung wurden bei unveränderter chemischer Komposition neben der Prozesszeit die Mahlkörpergröße, der Mahlkörperfüllgrad und die Umdrehungszahl der Mühle identifiziert. Unterschiede in der Zerkleinerungseffizienz wurden in Abhängigkeit des verwendeten Wirkstoffs und des verwendeten Stabilisators detektiert. Geeignete Stabilisatoren sind für die Zerkleinerung und Lagerstabilität der Nanosuspensionen essentiell und müssen für jeden Wirkstoff individuell ermittelt und in der Konzentration optimiert werden. Geeignete nanoskalige Trägersysteme wurden in Transwell-Transportversuchen am Caco-2 Modell näher untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass alle Formulierungsoptionen eine erhöhte Arzneistoffpermeation im Vergleich zu Suspensionen nicht-formulierten Wirkstoffes bewirken. Nanoskalige Formulierungen für die Modellsubstanz Fenofibrat wurden an Ratten nach peroraler Gabe auf ihre Bioverfügbarkeitserhöhung hin getestet. Dabei zeigten die getesteten Nanoemulsionen und die Nanosuspension in Übereinstimmung mit den Ergebnissen aus den in-vitro Transportversuchen eine erhöhte Aufnahme des Arzneistoffes. Eine ebenfalls getestete Mikroemulsion, welche eine erhöhte Arzneistoffpermeation im Zellmodell zeigte, konnte eine bioverfügbarkeitserhöhende Wirkung im Tiermodell nicht bestätigen. Die gezeigten Resultate unterstreichen die Eignung von Nanosuspensionen als Technologieplattform für unterschiedliche schwerlösliche Substanzen. Die verwendete Technik der Nassvermahlung ist selbst in kleinstem Maßstab nahezu universell auf schwerlösliche Wirkstoffe anwendbar und eignet sich somit als Plattformtechnologie für die präklinische und frühe klinische Entwicklung. In Anlehnung an ein publiziertes Schema für einen Entscheidungsbaum in der Formulierungsfindung wird ein Modell vorgeschlagen, welches der Anwendbarkeit der unterschiedlichen Formulierungssysteme stärker Rechnung zu tragen versucht.
DDC:	500 Naturwissenschaften 500 Natural sciences and mathematics
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 09 Chemie, Pharmazie u. Geowissensch.
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-4205
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-diss-1000000451
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	184 S.
Appears in collections:	JGU-Publikationen