Dissertation (Metadaten)
Titel (original):Wässrige Nanosuspensionen zur pulmonalen Applikation
(übersetzt):Water based nanosuspension formulations for pulmonary delivery
 
Autor:Holger Scherließ
 
URN:NBN:urn:nbn:de:gbv:8-diss-30193
 
Fakultät:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
DDC Sachgebiet:500 Naturwissenschaften
 
Datum der mdl. Prüfung:10.07.2008
 
Referent(in):Prof. Dr. Hartwig Steckel
Korreferent(en) Korreferentin:Prof. Dr. Karin Schwarz
 
Beschreibung (original):Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde die Entwicklung einer Nanosuspensionsformulierung zur inhalativen Anwendung mit dem schwerlöslichen Antimykotikum Itraconazol untersucht. Viele der neu entwickelten pharmazeutischen Wirkstoffe sind nach der Arzneibuchdefinition als schwerlöslich, sehr schwer löslich oder gar praktisch unlöslich einzuteilen. Das bedingt in der Praxis häufig Probleme in der Bioverfügbarkeit und stellt eine große Herausforderung für die Galenik dar. Die Herstellung der Nanosuspensionen erfolgte dabei mit einem top down Verfahren in einer Rührwerkkugelmühle. Mit Hilfe der statistischen Versuchsplanung wurden in ersten Versuchen die Mühlenparameter evaluiert. Dabei konnte für die Feststoffe Cholesterol und Itraconazol gezeigt werden, dass sowohl die Partikelgröße als auch der Polydispersitätsindex eine signifikante Abhängigkeit von den Parametern Mahldauer und Drehzahl des Mahlrotors zeigen. Ein signifikanter Einfluss der untersuchten Konzentrationen des Feststoffes und des Hilfsstoffes Polysorbat 80 ließ sich hingegen nicht erkennen. Da mit abnehmender Partikelgröße eine starke Oberflächenzunahme erfolgt und die Partikel zur Agglomeration neigen, muss der Suspension ein geeigneter Stabilisator zugesetzt werden. Daher wurde für eine Versuchsreihe mit Polysorbat 80, Solutol HS 15 und Poloxamer 188 drei geeignete Hilfsstoffe ausgewählt und der optimale Stabilisator für die Nanosuspensionsformulierung ermittelt. An den Ergebnissen wird die Abhängigkeit der Partikelgröße vom verwendeten Stabilisator deutlich. Polysorbat 80 erbrachte in allen verwendeten Konzentrationen eine ausreichende Stabilisierung der Partikel in der Suspension, was auf eine ausreichende Geschwindigkeit des Stabilisators bei der Besetzung der bei der Mahlung entstehenden neuen Grenzflächen schließen lässt. Für die weitere Durchführung der Versuche, wurde daher Polysorbat 80 verwendet. Um die optimale Konzentration des Stabilisators zu ermitteln, wurden weitere Untersuchungen mit Polysorbat 80 durchgeführt. Der Zusatz des Stabilisators wurde so weit verringert, dass es zu einer Agglomeration der Partikel kam und somit die Grenze des Stabilisatorzusatzes ermittelt werden konnte. Die Beobachtungen dieser Versuchsreihe zeigten deutlich, dass die untere Grenze bei einer Konzentration von 14% Polysorbat 80 bezogen auf den Feststoffanteil liegt. Dies entspricht bei einer Feststoffkonzentration von 5% einer absoluten Konzentration von 0,7% (m/m) und 1,4% (m/m) bei 10% Feststoff. Bei einer Erniedrigung des Stabilisatorzusatzes unter diese Grenze kam es zu einer deutlichen Agglomeration der Partikel. Des weiteren wurde versucht, den Zusatz an Polysorbat 80 durch eine Kombination mit weiteren Hilfsstoffen weiter zu verringern. Dies zeigte jedoch weder bei Zusatz von Poloxamer 188, noch in Kombination mit PEG 400 einen Erfolg. Bei hohen Konzentrationen PEG 400 zeigte sich jedoch eine schlechtere Zerkleinerungswirkung der Partikel, was auf eine Besetzung der Partikeloberflächen durch das Makromolekül, bei der die Partikel an der Zerkleinerung gehindert werden, oder auf einen leichten Anstieg der Viskosität zurückzuführen sein kann. Auch der Einfluss verschiedener Mahlkörper auf das Mahlergebnis wurde untersucht. Zum Einsatz kamen zwei Chargen Mahlperlen aus Zirkonoxid-Keramik, die mit Cer bzw. Yttrium stabilisiert waren und zwei Chargen Polymermahlkörper aus Polycarbonat bzw. Polystyrol. Die verwendeten Polymer-Mahlkörper zeigten gegenüber den Keramik Mahlkörpern eine bessere Zerkleinerungs¬wirkung, was auf eine bessere Verwirbelung der Mahlkörper in der Mahlkammer zurückzuführen ist. Vor allem bei den Mahlperlen aus Polystyrol zeigte sich eine sehr gute Zerkleinerungswirkung. Anhand dieser wurde auch der Einfluss der Größe der Mahlperlen auf die Zerkleinerungswirkung untersucht. Dazu wurden aus den vorhandenen Mahlperlen vier Fraktionen zwischen 355 µm und >900 µm gebildet und diese im Mahlprozess auf ihre Zerkleinerungswirkung untersucht. Es zeigte sich eine Verschlechterung des Mahlerfolgs mit zunehmender Größe der Mahlperlen, wobei die Fraktionen bis zu einer Größe 900 µm vergleichbare Ergebnisse lieferten. Darüber zeigte sich jedoch eine deutlich geringere Zerkleinerungswirkung der Mahlperlen. Weiterhin wurden zwei Nanosuspensions-Chargen auf Verunreinigung durch Mahlabrieb untersucht. Dabei wurde der Einfluss bei Verwendung von Polystyrol-Mahlkörpern mit Zirkonoxid-Mahlkörpern verglichen, wobei für letztere ein deutlich höherer Abrieb festgestellt wurde. Zur Untersuchung der Nanosuspensionen hinsichtlich ihrer Lagerstabilität konnte gezeigt werden, dass eine Lagerung bei Kühlschranktemperatur zu keinem deutlichen Anstieg der Partikelgröße führt und die Suspensionen somit als stabil zu bezeichnen waren. Zur Sterilisation der Nanosuspensionen war eine Autoklavierung nicht möglich, da es zu einer Sedimentation aller untersuchten Suspensionen kam. Die Sedimente waren teilweise stark verfestigt und konnten nicht redispergiert werden. Daher wurden die Formulierungen auch auf einen temperaturbedingten Anstieg der Viskosität hin untersucht. Es konnte eine Erhöhung der Viskosität bei steigenden Temperaturen nachgewiesen werden. Da die Suspensionen nicht autoklavierbar waren, wurde der Effekt einer Keimzahlreduktion des Mahlverfahrens untersucht. Dabei konnte anhand einer definierten Keimzahl gezeigt werden, dass es während des Mahlprozesses zu einer starken Reduktion der Keimzahl in der Suspension kommt. Schließlich wurden die Vernebelbarkeit der Nanosuspensionen unter Zuhilfenahme handelsüblicher Vernebler und die Verträglichkeit der Formulierung im Tierversuch getestet. Die Bestimmung der Aerosol-Tröpfchengröße lieferte bei Nanosuspensionen bis zu 20% Feststoff sehr gute Ergebnisse. Ein Unterschied zu der Vernebelung wässriger Lösungen ließ sich nicht erkennen. Bei der histologischen Untersuchung des Lungengewebes bei den Tierversuchen konnten keine Veränderungen, die durch die Applikation der Nanosuspension hervorgerufen wurden, festgestellt werden. Insgesamt konnte gezeigt werden, dass die Herstellung einer Nanosuspensionsformulierung im wässrigem Medium mit Hilfe einer Rührwerkskugelmühle möglich ist. Die untersuchten Suspensionen haben einen optimierten Stabilisatorzusatz von 14% in Relation zur Feststoffmenge und waren lagerstabil. Außerdem ließen sie sich auch bei hohen Feststoffkonzentrationen in ein Aerosol überführen und zeigten eine enge Tröpfchengrößenverteilung. Eine Verunreinigung der Suspensionen durch einen Abrieb der Mahlkörper und der Mühlenbauteile konnte durch die Verwendung von Polystyrol-Mahlkörpern zudem deutlich reduziert werden.
 
(übersetzt):In this work, the development of a nanosuspension formulation of the antifungal agent Itraconazole is described. The formulation should be developed for pulmonal administration. Many new active pharmaceutical ingredients hare hardly soluble or insoluble in aqueous media according to the pharmacopoeia definition. In practice, this often results in huge variations in bioavailability and is a big challenge for formulation scientists. The formulation of poorly soluble drug substances as nanosuspension is regarded a promising alternative. The production of the nanosuspension was performed as top-down-process with the use of a stirred media mill. The determination of basic milling parameters with cholesterol as model drug showed a significant dependency of particle size and polydispersity index on milling time and rotor speed and could be verified with the antifungal Itraconazole. As the particle surface increases dramatically with decreasing particle size and the particles tend to agglomerate, the addition of a suitable stabiliser is mandatory in nanosuspension formulations. For this purpose, three additives with low toxicity have been chosen for the determination of the ideal stabiliser. These were polysorbate 80, poloxamer 188 and Macrogol 15 hydroxy¬stearate (solutol HS15). The best results were obtained with polysorbate 80 in preliminary experiments, therefore, this excipient was used for all further experiments. In order to limit the concentration of surfactant additive, experiments to determine the minimum concentration have been carried out, which showed a lower limit of 14% stabiliser calculated on the dry matter content. Furthermore, it has been tried to further minimise the amount by a combination of polysorbate 80 with another additive like PEG 400, but the results showed a decrease in milling efficiency due to the polymer covering the particle surface and with this protecting from milling wear. For milling in a stirred media mill, different milling beads can be used, which have different characteristics. In this work, four different grinding media have used to determine their effect on milling success. These were two polymeric grinding media made from polystyrene and polycarbonate, respectively, and two batches of ceramic beads stabilised with Cerium or Yttrium, respectively. It could be shown, that the polymeric beads had a better comminution efficiency, which is believed to be due to the lower density resulting in a higher swirling of the beads in the milling chamber. A comparison of different bead sizes of polystyrene beads showed a better milling efficacy for smaller sieve fractions of these beads. Another important parameter apart from the milling effect is the pollution of the product with grinding wear/abrasion from the grinding beads and the mill parts. Therefore, the abrasion of two different batches has been analysed with inductive coupled plasma (ICP). One batch has been milled with ceramic beads stabilised with Cerium, whereas the other has been milled with polystyrene beads. The detected abrasion in the nanosuspension formulation was significantly higher with the use of ceramic beads, which thus do not seem to be useful for preparation of pharmaceutical nanosuspensions. The developed nanosuspension does not show particle growth during 3 month storage in the refrigerator (8°C), whereas elevated temperatures are not well tolerated. Especially a sterilisation step like autoclaving resulted in a very heavy sedimentation, which is irreversible. Therefore, it has been tested, whether the preparation process itself can be used for reduction of the microbial count. For this, special batches with a predetermined number of germs have been prepared, which were milled subsequently. Over the milling time, samples were taken and tested microbially in order to follow the microbial count. It could be shown, that the milling process itself can diminish the microbial count significantly. In order to verify a possible administration to the lung, the nanosuspension has been tested for its nebulisation ability. The formulations with a dry matter content up to 20% (w/w) can be nebulised with the use of ultrasonic or membrane nebulisers, the resulting aersosols show a fine particle distribution as needed for pulmonary delivery. A tolerability test has been performed with rats inhaling the Itraconazole nanosuspension as well as pure dispersion media with stabiliser. The formulation was well tolerated and the histo-pathological examination of the lung tissue showed no changes. In summary, it could be shown that the preparation of an aqueous nanosuspension of Intraconazole is possible with the use of a stirred media mill. The formulation may have a high dry matter content of up to 20% with a good stability and is capable of being nebulised.
 
Schlagworte:Nanosuspension, IPA, Aspergillose, Itraconazol, Rührwerkskugelmühle
nanosuspensions, ipa, aspergillosis, itraconazole, ball mill, stirred media mill
 
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