TY  - THES
A1  - Saedtler, Marco
T1  - Pharmaceutical formulation strategies for novel antibiotic substances utilizing salt formation and two- and three-dimensional printing techniques
T1  - Pharmazeutische Formulierungsstrategien für neuartige, antibiotische Substanzen unter Verwendung von Salzbildung sowie zwei- und dreidimensionalen Drucktechniken
N2  - Salt formation is a routinely used strategy for poorly water-soluble drugs and traditionally performed with small inorganic counterions. High energy crystal lattices as well as effects on the local pH within the aqueous boundary layer during dissolution drive the increased dissolution rate and apparent solubility. Ionic liquids however, by definition low melting ionic salts with often large organic counterions, combine an increased dissolution rate with solubilization of the drug by the counterion itself. Long lasting supersaturation profiles of increased kinetic solubility were reported for several drugs formulated as ionic liquids increasing their overall bioavailability. Furthermore, aggregation and micellization between highly lipophilic compounds and amphiphilic bile acids was described before, demonstrating the capabilities of the human body itself to utilize solubilization of poorly water-soluble compounds. Development of novel counterions not only tailoring the desired physicochemical properties e.g. dissolution rate of the parent drug but adding – in a best-case scenario synergistic – pharmacological activity has been driven forward in the last years. However, salt formation can only be applied for ionizable i.e. acidic or basic compounds. While co-crystals can be used as a nonionized alternative, their formation is not always successful leading to an urgent need for other formulation strategies. In these lines, development of 2D and 3D printing techniques has been ongoing for the last decades and their pharmaceutical application has been demonstrated. The versatile nature and commercial availability allow a decentralized production further elaborating this technique for a highly flexible and patient-oriented supply with medication.
This thesis focuses on the theoretical background and potential application of salt formation in the pharmaceutical development of a drug candidate. The first section presents the current knowledge and state of the art in preparation of low melting ionic liquids i.e. salts and is translated to the in vitro investigation of molecular interaction between the poorly water-soluble drug imatinib and components of the human intestinal fluid in the second section. Development of novel antibiotic counterions and assessment of their potential use in pharmaceutical formulations with fluoroquinolones is described in the last two sections.

Chapter I describes the application of low melting ionic liquids in pharmaceutical formulation and details their development in the last two decades from versatile organic solvents in chemical synthesis towards amorphous strategies for drug delivery. The chapter gives a general overview on molecular structure and physicochemical properties of several drug containing ionic liquids and details the mechanisms which attribute to a typically fast dissolution, increased aqueous solubility as well as enhanced permeation which was reported in several publications.

Chapter II translates the increased aqueous solubility of drugs by an organic counterion to the human gastrointestinal tract with taurocholate and lecithin as main drivers for the solubilization of highly lipophilic and poorly water-soluble drugs. Investigation of the interaction of imatinib – a poorly water-soluble weak base – with fasted- and fed state simulated intestinal fluids revealed a complex interplay between the components of the intestinal fluid and the drug. Mixed vesicles and micelles were observed in concentration dependent aggregation assays and revealed differences in their size, molecular arrangement as well as composition, depending on the tested drug concentration. Overall, the study outlines the effective interaction of weakly basic drugs with taurocholate and lecithin to minimize recrystallization during intestine passage finally leading to favorable supersaturation profiles.

Chapter III focuses on the development of novel antibiotic counterions which potentially move the evolution of ionic liquids from a pharmaceutical salt with tailored physicochemical properties to a synergistic combination of two active pharmaceutical ingredients. The natural occurring anacardic acid derived from the cashew nut shell inspired a series of antibacterial active acidic compounds with increasing alkyl chain length. Their physicochemical properties, antibacterial activity, bacterial biofilm inhibition and cytotoxicity were detailed and in vivo activity in a Galleria mellonella model was assessed.  This group of anacardic acid derivatives is synthetically accessible, easily modifiable and yielded two compounds with favorable activity and physicochemical profile for further drug development.

Chapter IV outlines the potential application of anacardic acid derivatives in pharmaceutical formulations by salt formation with fluoroquinolone antibiotics as well as novel techniques such as 2D/3D printing for preparation of drug imprinted products. Despite anacardic acid derivatives demonstrated promising physicochemical properties, salt formation with fluoroquinolone antibiotics was not feasible. However, 2D/3D printed samples with anacardic acid derivative alone or in combination with ciprofloxacin demonstrated physical compatibility between drug and matrix as well as antibacterial activity against three S. aureus strains in an agar diffusion assay. Conclusively, drug printing can be applied for the herein tested compounds, but further process development is necessary.

In summary, preparation of low melting ionic liquids, salts or co-crystals is an appropriate strategy to increase the aqueous solubility of poorly water-soluble drugs and tailor physicochemical properties. The counterion itself solubilizes the drug and furthermore potentially interferes with the complex micellar environment in the human intestine. However, salt formation as routinely used formulation strategy is not feasible in every case and development of alternative techniques is crucial to hurdle challenges related to unfavorable physicochemical properties. The outlined techniques for 2D/3D drug printing provide versatile production of drug products while extending the design space for novel drug development.
N2  - Die Salzbildung mit pharmazeutischen Wirkstoffen – als routinemäßig durchgeführte Strategie für schlecht wasserlösliche Substanzen – wird traditionell mit kleinen, anorganischen Gegenionen durchgeführt. Eine tragende Rolle spielen hierbei ein hochenergetisches Kristallgitter sowie die Beeinflussung des pH-Wertes in der ruhenden Grenzschicht während des Auflösungsprozesses. Diese treiben eine beschleunigte Auflösungsrate sowie eine Erhöhung der scheinbaren Löslichkeit an. Ionische Flüssigkeiten stellen per Definition niederschmelzende ionische Salze mit oftmals großen, organischen Gegenionen dar. Sie kombinieren, aufgrund ihrer hohen Gitterenergie, eine beschleunigte Auflösungsratemit der Solubilisierung des Wirkstoffs durch das Gegenion. Langanhaltende Übersättigungen mit erhöhter kinetischer Löslichkeit und eine damit einhergehende, verbesserte Bioverfügbarkeit, wurden bereits bei verschiedenen Wirkstoffen beobachtet, die als ionische Flüssigkeiten formuliert wurden. Auch der menschliche Körper nutzt diesen Effekt und solubilisiert schlecht wasserlösliche Substanzen durch Aggregation und Mizellisierung lipophiler Substanzen mit amphiphilen Gallensäuren. Die Entwicklung neuartiger – meist kationischer – Gegenionen wurde in den letzten Jahren vorangetrieben. Vor allem Gegenionen, die nicht nur die gewünschten physikochemischen Eigenschaften (z.B. Auflösungsrate) hervorbringen, sondern einen eigenen – im besten Fall synergistischen – pharmakologischen Effekt aufweisen. Jedoch kommt eine Salzbildung nur für ionisierbare Substanzen respektive Säuren und Basen in Frage. Während Co-Kristalle als Alternative für nicht-ionisierbare Substanzen dienen können, ist deren Herstellung nicht immer erfolgreich und neue Formulierungsstrategien werden notwendig. Deshalb wurde unter anderem die Entwicklung von 2D- und 3D-Druckverfahren in den letzten Jahrzehnten vorangetrieben und deren Relevanz für pharmazeutische Fragestellungen aufgezeigt. Die vielseitige Natur und kommerzielle Verfügbarkeit des 2D/3D-Drucks erlaubt eine dezentrale Produktion und ermöglicht eine flexible und patientenorienterte Medikamentenversorgung.
Diese Dissertation beschäftigt sich vorrangig mit den theoretischen Hintergründen und den praktischen Anwendungsmöglichkeiten der Salzbildung in der pharmazeutischen Entwicklung eines potenziellen Wirkstoffes. Das erste Kapitel  präsentiert den gegenwärtigen Stand der Technik zur Verwendung von niederschmelzenden ionischen Flüssigkeiten. Diese Erkenntnisse werden  im Anschluss auf eine Untersuchung der Interaktionen des schlecht wasserlöslichen Wirkstoffs Imatinib und den Bestandteilen der menschlichen Verdauungssäfte übertragen. Die Entwicklung neuartiger, antibiotisch wirksamer Gegenionen und deren potenzielle Verwendung in pharmazeutischen Formulierungen mit Fluorchinolonen ist Gegenstand der letzten zwei Kapitel.

Kapitel I beschreibt niederschmelzende ionische Flüssigkeiten in pharmazeutischen Formulierungen und führt deren Entwicklung in den letzten drei Jahrzehnten aus: Vom vielfältig anwendbaren, organischen Lösemittel für die chemische Synthese hin zur amorphen Darreichungsform. Das Kapitel gibt einen Überblick über die molekularen Strukturen und physikochemischen Eigenschaften verschiedener wirkstoffbeinhaltender, ionischer Flüssigkeiten. Hierbei werden die zugrundeliegenden Mechanismen dargelegt, was im Besonderen die rasche Auflösung, eine erhöhte Löslichkeit in wässrigen Medien sowie eine Beeinflussung der Permeation meint.

Kapitel II überträgt die Beobachtung einer erhöhten Löslichkeit in Gegenwart eines organischen Gegenions auf den menschlichen Verdauungstrakt, in dem Taurocholat und Lecithin hauptverantworlich für die Solubilisierung von liphilen und schlecht wasserlöslichen Substanzen sind. Untersuchungen der Interaktion von Imatinib, einer schlecht wasserlöslichen, schwachen Base, mit simulierten, intestinalen Flüssigkeiten zeigten ein komplexes System aus Bestandteilen der intestinalen Flüssigkeit und dem Wirkstoff. Gemische aus Vesikel und Mizellen, die mithilfeeines Aggregationsassays untersucht wurden, zeigten, in Abhängigkeit von momentanen Wirkstoffkonzentrationen, Unterschiede in ihrer Größe sowie der molekularen Anordnung und Zusammensetzung. Zusammenfassend beschreibt dieses Kapitel die effektive Interaktion von schwachen Basen mit Taurocholat und Lecithin sowie eine Möglichkeit zur Minimierung von Rekristallisation und damit der Aufrechterhaltung von übersättigten Zuständen während der Wirkstoff den Verdauungstrakt passiert.

Kapitel III befasst sich mit der Entwicklung neuartiger antibiotischer Gegenionen. Diese treiben möglicherweise die Weiterentwicklung von ionischen Flüssigkeiten mit optimierten physikochemischen Eigenschaften zu synergistischen Kombinationen aus zwei pharmakologisch aktiven Substanzen voran. Die natürlich vorkommende Anacardsäure, welche sich aus der Schale der Cashewnuss gewinnen lässt, hat eine Reihe von antibakteriellen, sauren Substanzen inspiriert, die sich allein in der Länge ihrer Alkylkette unterschieden. Physikochemische Eigenschaften, antibakterielle Aktivität, Inhibition des bakteriellen Biofilms sowie Zytotoxizität wurden untersucht und anschließend in vivo mittels Galleria mellonella-Modell beleuchtet. Diese Gruppe aus Anacardsäurederivaten ist synthetisch zugänglich, einfach chemisch modifizierbar und brachte zwei Substanzen mit vorteilhafter Aktivität und physikochemischen Eigenschaften zur weiteren Entwicklung hervor.

Kapitel IV beschreibt die potenzielle Anwendung der Anacardsäurederivate in pharmazeutischen Formulierungen. Durch Salzbildung mit Fluorchinolon-Antibiotika sowie Nutzung neuerer Techniken, wie dem 2D/3D-Druck, wurden wirkstoffbedruckte Darreichungsformen hergestellt. Obwohl die Anacardsäurederivate vielversprechende physikochemische Eigenschaften zeigten, eigneten sie sich nicht für eine Salzbildung mit Fluorchinolonen. Trotzdem war es möglich Anacardsäurederivate allein oder in Kombination mit Ciprofloxacin auf Oberflächen zu drucken, wobei keine physische Inkompatibilität zwischen Wirkstoff und Matrix erkennbar war jedoch eine antibakterielle Wirkung gegen drei S. aureus Stämme gezeigt werden konnte. Abschließend stellte sich der Druck von Wirkstoffen, mit den untersuchten Techniken, als machbar heraus, wobei eine Weiterentwicklung des Prozesses sicherlich notwendig ist.

Zusammenfassend stellt die Herstellung von niederschmelzenden, ionischen Flüssigkeiten, Salzen oder Co-Kristallen eine geeignete Strategie dar, die Löslichkeit schlecht wasserlöslicher Substanzen zu verbessern und deren physikochemische Eigenschaften zu optimieren. Das Gegenion kann dabei dazu beitragen den Wirkstoff zu solubilisieren, wobei es sehr wahrscheinlich ist, dass er auch mit dem komplexen mizellaren System des menschlichen Verdauungstrakts interagiert. Trotzdem ist eine routinemäßige Salzbildung nicht in allen Fällen zielführend und alternative Technologien müssen entwickelt werden, um die Herrausforderungen mit unvorteilhaften physikochemischen Eigenschaften zu meistern. Die beschriebenen 2D/3D-Druckverfahren bieten hierbei eine Produktion variabler und vielfältiger Darreichungsformen und erweitern den Gestaltungsraum für neuartige Wirkstoffentwicklungen.
KW  - Löslichkeit
KW  - Solubilisation
KW  - Antibiotikum
KW  - Formulierung
KW  - Anacardic acid derivatives
KW  - Formulation development
KW  - Anacardsäurederivate
KW  - Formulierungsentwicklung
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-219784
ER  - 
TY  - THES
A1  - Terveer, Nils
T1  - Springs and Parachutes - Development and Characterization of Novel Formulations for Poorly Water-Soluble Drugs
T1  - Sprungfedern und Fallschirme - Entwicklung und Charakterisierung neuer Formulierungen für schlecht wasserlösliche Wirkstoffe
N2  - Successful formulation development of novel, particularly organic APIs of low molecular weight as candidates for ground-breaking pharmaceutical products is a major challenge for the pharmaceutical industry because of the poor aqueous solubility of most of these compounds.
The hit identification strategies of drug development in use today apply high throughput screening techniques for the investigation of thousands of substances. This approach led to a systematical increase in molecular weight and lipophilicity and a decrease of water solubility of lead compounds reaching market access.
The high lipophilicity causes an excellent permeability of the compounds which favours the absorption process from the small intestine, but it causes a decrease of water-solubility. It becomes evident that an adequate aqueous solubility is necessary for absorption of the API from the gastrointestinal fluids into the systemic circulation and hence for efficacy of the pharmaceutical product. Only an dissolved API is getting absorbed and becomes efficacious. The precipitated proportion is resigned directly. Therefore, the development of an individual formulation aligning the physicochemical characteristics is necessary for every API to produce supersaturated solutions in the small intestine and to reach an adequate bioavailability after absorption into the systemic circulation.
In this thesis a specific formulation development was investigated for two exemplary poorly water-soluble APIs to replace the empirical approach often used today. The basic tyrosine-kinase inhibitor imatinib and six different acetylated amino acids were transferred into ILs. As compared to the free base and the mesylate salt, which is marketed by Novartis AG as Gleevec®, the dissolution rate as well as the supersaturation time was increased significantly. By changing the mesylate anion with its potential genotoxic risks, the total toxicity of the drug product could be decreased. The amorphous ILs proved adequate stability under forcing conditions and there was no recrystallization of the free base observed. The amorphous character of the ILs caused an increased amount of water vapour sorption which can be compensated by special packaging materials. Taken together, the presentation of imatinib as an IL is intended for oral administration as a tablet and can cause a reduction of dose because of the increased solubility. Therefore, the occurrence of side effects can be reduced as compared to Gleevec®. If there is actually an increased bioavailability to observe, has to be proved by the execution of animal trials.
The novel NOX inhibitor VAS3947 is intended for the treatment of endothelial dysfunctions causing diseases like heart failure and stroke. The compounds poor aqueous solubility hindered further clinical development so far and make the drug candidate to remain in a very early stage of the drug development process. Therefore, different formulation concepts were evaluated in this study:
An amorphous solid dispersion prepared from VAS3947 and Eudragit® L100 by means of spray drying was able to increase the dissolution rate and solubility of the compound significantly, but with the accomplished kinetic solubility being in the low µM range it is not possible to reach therapeutic plasma concentrations.
In contrast, the incorporation into cyclodextrins resulted in an 760-fold increased solubility. Different cyclodextrins were evaluated. Especially the lipophilic derivatives of the β-cyclodextrin showed to be the most adequate excipients. The incorporation of the API into the cyclodextrin cavity was proved by means of NMR spectroscopy. Additionally, a formulation of VAS3947 and hydroxypropyl-β-cyclodextrin was prepared. This formulation is intended for the intravenous application during animal trials, which have to be conducted to get to know the pharmacokinetics of VAS3947. This formulation reached a concentration of 1 mg/mL spending striking protection of VAS3947 against degradation.
Presentation of VAS3947 as a microemulsion system led also to increase the aqueous solubility of the compound, but not in the same extent as the cyclodextrin formulation. Beside the formulation development a physicochemical characterization was performed to get to know important parameters such as log P and pKa values of VAS3947. An HPLC method was developed and validated to analyse the extent of solubility improvement.
 

A major issue of the compound VAS3947 and all related triazolopyrimidine derivatives, developed by Vasopharm GmbH, is the insufficient chemical stability because of presence of a hemiaminal moiety in the chemical structure. Stability investigations and an extensive biopharmaceutical characterization confirm the hindering of further clinical development by insufficient drug stability and high cytotoxicity. Poor aqueous solubility is an additional disadvantage which can be handled by a concerted formulation development.
N2  - Die erfolgreiche Formulierung von neuen, insbesondere organischen Wirkstoffen geringen Molekulargewichtes als Entwicklungskandidaten für innovative Arzneimittel stellt eine erhebliche Herausforderung für die pharmazeutische Industrie dar, weil ein Großteil dieser Substanzen ausgesprochen schlecht wasserlöslich ist.
Die moderne Wirkstoffentwicklung basiert meistens auf der Zielstruktur und erfolgt unter Anwendung von Hochdurchsatzmethoden, bei denen Tausende an verschiedenen Substanzen getestet werden. Dieses Vorgehen hat in den letzten Jahrzehnten dazu geführt, dass die molare Masse und die Lipohilie derjenigen Entwicklungskandidaten, die eine Zulassung als Arzneimittel erreicht haben, kontinuierlich zugenommen haben. Durch die hohe Lipophilie weisen diese Wirkstoffe eine ausgezeichnete Permeabilität auf, die für den Absorptionsprozess aus dem Magen-Darm-Trakt notwendig ist. Jedoch geht damit gleichzeitig eine Abnahme der Wasserlöslichkeit einher. Es ist offensichtlich, dass eine ausreichendende hohe Wasserlöslichkeit die Grundvoraussetzung für die Absorption des Wirkstoffes aus dem Gastrointestinaltrakt in den systemischen Kreislauf und damit für die Wirksamkeit des Arzneimittels darstellt. Nur in Lösung befindlicher Wirkstoff kann absorbiert werden und seine Wirkung erzielen. Der ungelöste Anteil wird unverändert wieder ausgeschieden.
Aus diesem Grunde ist die Entwicklung einer individuellen, an die physiko-chemischen Eigenschaften angepassten Formulierung für jeden Wirkstoff unbedingt erforderlich, um im Magen-Darm-Trakt übersättigte Lösungen zu generieren und dadurch eine ausreichende Bioverfügbarkeit zu erzielen.
In dieser Arbeit wurden exemplarisch zwei schlecht lösliche Wirkstoffe ausgesucht und einer gezielten Formulierungsentwicklung unterzogen, um die bisher oft angewandte rein empirische Vorgehensweise abzulösen.
Aus dem basischen Tyrosinkinase-Inhibitor Imatinib und unterschiedlichen acetylierten Aminosäuren wurden 6 verschiedene ionische Flüssigkeiten hergestellt. Im Vergleich mit der freien Base und dem Mesilat-Salz, welches die Firma Novartis AG unter dem Namen Gleevec® im Handel hat, wurden sowohl die Auflösungsrate als auch die zeitliche Dauer der Übersättigung signifikant vergrößert. Durch den Austausch des potentiell genotoxischen Mesilat-Anions gegen die acetylierten Aminosäuren konnte zusätzlich das Toxizitätsrisiko gesenkt werden. Die amorphen Formulierungen der ionische Flüssigkeiten waren unter Stressbedingungen ausreichend stabil und zeigten kein erhöhtes Risiko für eine Rekristallisation der freien Base. Die durch den amorphen Charakter gesteigerte Hygroskopizität lässt sich durch den Einsatz entsprechender Packmittel kompensieren. Generell eignet sich die Formulierung von Imatinib als ionische Flüssigkeit für die orale Applikation als Tablette und kann durch die Verbesserung der Wasserlöslichkeit zu einer Dosisreduktion beitragen, sodass weniger Nebenwirkungen auftreten als bei dem im Handel befindlichen Mesilat-Salz. Ob tatsächlich eine Verbesserung der Bioverfügbarkeit eintritt, muss noch durch Experimente im Tiermodell bestätigt werden.
Der neuartige NOX-Inhibitor VAS3947 ist zur Behandlung von arteriosklerotischen Veränderungen im Gefäßendothel und damit allen verbunden Folgeerkrankungen wie zum Beispiel Herzinfarkt oder Schlaganfall von der Vasopharm GmbH entwickelt worden. Die extrem schlechte Wasserlöslichkeit hat bisher die klinische Forschung verhindert und der Wirkstoff befindet sich nach wie vor in einer sehr frühen Phase der Entwicklung. Aus diesem Grund wurden im Zuge dieser Arbeit verschiedene Formulierungskonzepte erforscht:
Eine erste sprühgetrocknete, amorphe Formulierung mit dem Polymer Eudragit® L100 konnte zwar die Auflösungsrate und die Löslichkeit signifikant verbessern, allerdings kam es schnell zur Rekristallisation des Wirkstoffes und mit der erzielten kinetischen Löslichkeit im niedrigen µM Bereich ließen sich keine therapeutischen Plasmaspiegel erreichen.
Durch die Herstellung einer Cyclodextrineinschlussverbindung von VAS3947 hingegen konnte die Löslichkeit um den Faktor 760 gesteigert werden. Verschiedene Cyclodextrine wurden getestet. Dabei erwiesen sich insbesondere die lipophilen Derivate des β-Cyclodextrins als geeignet. Die Einlagerung des Wirkstoffes in das Innere der Kavität wurde mittels NMR-Spektroskopie bestätigt. Zusätzlich wurde erstmals eine Formulierung von VAS3947 mit Hydroxypropyl-β-Cyclodextrin zur intravenösen Anwendung im Tiermodell für die Durchführung von geplanten Pharmakokinetikstudien hergestellt. Diese erzielte über 24 Stunden eine Löslichkeit von 1 mg/mL und schütze den Wirkstoff effektiv vor Zersetzung.
Durch die Formulierung von VAS3947 als halbfeste Mikroemulsion konnte die Wasserlöslichkeit ebenfalls gesteigert werden, allerdings längst nicht in dem Maße wie durch die Cyclodextrine.
Neben der Formulierungsentwicklung wurde eine physiko-chemische Charakterisierung des Wirkstoffes durchgeführt, um wichtige Parameter wie zum Beispiel die log P- und pKs-Werte einschätzen zu können. Des Weiteren wurde eine HPLC-Methode entwickelt und validiert, um die erzielte Löslichkeit quantifizieren zu können.
Ein großes Problem dieses Wirkstoffes und damit aller Derivate vom Triazolopyrimidine-Typ, welche die Vasopharm GmbH in der Entwicklung hat, ist die mangelnde chemische Stabilität aufgrund einer Halbaminal-Partialstruktur im Molekül. Durchgeführte Stabilitätsuntersuchungen sowie eine umfangreiche biopharmazeutische Charakterisierung bestätigten letztendlich, dass eine weitere Entwicklung dieser Wirkstoffe aufgrund ihrer ungenügenden Stabilität und ihrer hohen Zytotoxizität nicht möglich ist. Die niedrige Wasserlöslichkeit stellt ein zusätzliches Problem dar, das sich durch eine gezielte Formulierungsentwicklung lösen lässt.
KW  - Springs and Parachutes
KW  - Formulation development
KW  - Poorly water soluble drugs
KW  - ionic liquids
KW  - Imatinib
Y1  - 2017
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-154311
ER  -