Neue mischmizellare Systeme auf Basis von Phospholipiden zur Solubilisierung schlecht-wasserlöslicher Arzneistoffe

Rupp, Christopher

In der vorliegenden Arbeit wird die Entwicklung neuartiger Mischmizellen (MM) beschrieben, die zu hohen Anteilen aus Phospholipiden (PL) bestehen. Seit den 1960er Jahren sind Gallensalz/Lecithin-MM als einziges mischmizellares System am Pharmamarkt bekannt. Seitdem wurde kein alternatives MM-System beschrieben, welches neben hohen Anteilen (50%) an natürlichen PL andere Tenside als die Gallensalze verwendet. Im ersten Teil dieser Arbeit wurde untersucht, inwieweit das Organisationsverhalten der wasserunlöslichen, membranbildenden PL durch eine Kombination mit einem geeigneten Tensid dahingehend beeinfusst werden kann, dass eine MM-Bildung erzwungen wird. Durch systematische Auswahl strukturell unterschiedlicher Tensidklassen ist der Einfluss der Molekülgeometrie der Tenside auf die Fähigkeit untersucht worden, möglichst große Mengen an natürlichem PL in Form einer optisch klaren mischmizellaren Lösung zu solubilisieren. Daneben wurden strukturell unterschiedliche PL auf ihre Eignung zur Bildung von MM untersucht. Aus Literaturrecherchen und dem von Israelachvili et al. (1970) beschriebenden Packungsparameterkonzept (PPC) ist bekannt, dass bestimmte strukturelle Merkmale im Molekülbau eines amphiphilen Stoffes zu einer bevorzugten Mizellbildung führen. Es wurde ein modifiziertes PPC entwickelt, welches die Assoziation von zwei unterschiedlichen amphiphilen Substanzen (PL + Tensid) zu MM theoretisch beschreibt. Dieses transferierte PPC bildet die theoretische Grundlage für die Erklärung einer MM-Bildung und hiernach wurden die unterschiedlichen amphiphilen Moleküle miteinander kombiniert. Nachdem mit den Sucrose- und Polyglycerolestern zwei Tensidklassen gefunden wurden, die vielversprechende strukturelle Voraussetzungen für eine MM-Bildung mit PL aufweisen, wurden diese Substanzen entsprechend untersucht. Neben diesen Tensiden mit den präferierten Strukturmerkmalen sind weitere Tensidklassen mit differenten Strukturmerkmalen ebenso auf ihre Fähigkeit untersucht worden, optisch klare mischmizellare Lösungen mit unterschiedlichen PL zu bilden. Hierbei kamen u.a. Tenside wie das Blockcopoymer Poloxamer 188 zum Einsatz, welches einen divergenten Molekülbau aufweist, so dass es z.B. nicht in einer konischen Geometrie erscheint. Die neu entwickelten MM-Systeme sollten auf gesättigten PL basieren, da die so generierten wässrigen Systeme stabiler gegenüber oxidativen Veränderungen sind. Transmissionsmessungen an den unterschiedlichen Kombinationen der Tenside und PL ermöglichten eine Trübungsbestimmung in diesen Systemen, wodurch optisch klare Systeme identifiziert werden konnten. Mit Hilfe der Dynamischen Lichtstreuung (DLS) konnte die Größe der MM, Mizellen oder sonstiger vorhandener Teilchen als hydrodynamischer Durchmesser bestimmt werden. Das zu entwickelnde MM-System sollte eine streng monomodale Partikelgrößenverteilung aufweisen. Mit dem direkten Dispergierverfahren wurde ein einfaches Herstellungsverfahren etabliert und eingesetzt, das die Herstellung von MM ohne die Verwendung organischer Lösungsmittel oder den Einsatz von Dispergierhilfsmitteln wie etwa einen Ultra Turrax erlaubt. Klassische Gallensalz/Lecithin-MM werden zumeist unter Verwendung von organischen Lösungsmitteln wie Chloroform produziert. Das neue MM-System sollte eine Herstellung im Großmaßstab unter geringem Kosten- und Zeitaufwand erlauben. Die Anwendung des transferierten PPC zur MM-Bildung aus zwei unterschiedlichen Amphiphilen ließ sich für die untersuchten Tenside und Phospholipide erfolgreich umsetzen. Mit dieser Arbeit konnten wesentliche Erkenntnisse gewonnen werden, die Hinweise über die erforderlichen Strukturmerkmale der verwendeten PL und Tenside geben, damit eine Kombination in einer MM-Bildung resultiert. Auf diese Weise wurden Systeme generiert, die eine MM-Bildung mit hohen Anteilen an gesättigten (natürlichen) PL ermöglichen, was bislang in der Literatur nicht beschrieben worden ist. So ergibt die Kombination aus Sucroselaurat (SL) und natürlichem hydriertem Phosphatidylcholin (hPC) oder Dipalmitoylphosphatidylcholin (DPPC) im Verhältnis 1:1, auch bei erhöhten Konzentrationen oberhalb 5% eine optisch klare Lösung, die eine streng monomodale Partikelgrößenverteilung aufweist, wobei der mittlere hydrodynamischer Durchmesser der MM bei etwa 20 nm liegt. Im zweiten Teil dieser Arbeit wird beschrieben, wie sich die neu entwickelten MM-Systeme in der Solubilisierung unterschiedlicher, schwer wasserlöslicher Arzneistoffe verhalten. Die Solubilisierungs-kapazitäten der neu entwickelten MM-Systeme wurden mit denen bekannter klassischer Gallensalz/Lecithin-MM sowie anderen Systemen verglichen. Dabei konnte gezeigt werden, dass die neu entwickelten MM-Systeme aus hPC bzw. DPPC und SL bei einem Masseanteil an PC von 50-60%, eine deutlich höhere Solubilisierungskapazität für Diazepam und Tetrazepam aufweisen als klassische MM oder auch gleichkonzentrierte Polysorbate 80- oder Hydroxypropyl-ß-Cyclodextrin-Lösungen. Durch Entwicklung ternärer MM-Systeme wurde versucht die Solubilisierungskapazität sowie bestimmte physikochemische Eigenschaften (wie z.B. Lage der kritischen Mizellbildungskonzentration (CMC), Transmission der Lösungen) der MM zu verbessern. Mit dem Einsatz geringer Mengen an PEGylierten Phospholipiden konnte eine deutliche Steigerung des Trübungspunktes erreicht werden. In diesen ternären MM-Systemen kam es dabei zu keiner Abnahme der Solubilisierungskapazität für Diazepam. Binäre Systeme aus SL und PEGylierten Phospholipiden (50:50) ermöglichen eine weitere Steigerung der Solubilisierungskapazität für Diazepam. Weiterhin wurde eine neue Methode zur Bestimmung der CMC entwickelt, die eine entsprechende Untersuchung von MM-Systemen ermöglicht und hierbei mehrere Vorteile gegenüber den klassischen Methoden bietet. Bei dieser Methode werden Verdünnungen der PC-haltigen MM-Systeme mittels DLS-Technik untersucht. Die jeweils eingesetzten wasserunlöslichen PC-Moleküle werden nur oberhalb der CMC in Form von MM in Lösung gehalten. Sobald die Verdünnungen entsprechend niedrig konzentriert sind (c < CMC), zeigt eine Präzipitation der wasserunlöslichen PC-Moleküle die CMC an, was durch steigende PDI-Werte und steigende Partikelgrößen angezeigt wird. Diese Methode ermöglicht eine schnelle CMC-Bestimmung, die wenig störanfällig ist, eine direkte Mizellbildung nachweist und keine dritten Indikatormoleküle (wie DPH bei Fluoreszenzmessungen) benötigt. Ferner ist die Stabilität favorisierter neuer MM-Systeme gegenüber einer Lagerungszeit von mehr als 200 Tagen, dem Zusatz unterschiedlicher Additiva sowie unterschiedlichen pH-Werten untersucht worden. Die Stabilität der neu entwickelten MM-Systeme ist im pH-Bereich von 1-11 gegeben, was eine orale Applikation der MM ermöglicht, ohne dass diese im Gastrointestinaltrakt zerstört werden. Die neu entwickelten MM-Systeme blieben unter in-vitro Bedingungen im Bereich von pH 1-11 über weit mehr als 24 Stunden stabil. Klassische Gallensalz-Lecithin-MM werden in Folge einer Präzipitation der sauren Gallensalze zerstört, sobald der pH-Wert des umgebenden Milieus den pKs-Wert des verwendeten Gallensalzes unterschreitet. Weiterhin zeigten sich die neu entwickelten MM-System als sehr stabil gegenüber niedrig und hoch konzentrierten Zusätzen der eingesetzten Salze, Zucker, Zuckeralkohole, Glycerol, Strukturbrecher wie Harnstoff oder Nicotinamid. Dagegen reagieren die Systeme empfindlich gegenüber Alkohl-Zusatz. Eine sehr effektive Methode zur Erhöhung der Stabilität einer wässrigen Zubereitung stellt die Gefriertrocknung dar. Die neu entwickelten MM-Systeme ließen sich sehr gut gefriertrocknen, wobei eine Rekonstitution der Lyophilisate in Wasser problemlos war, was aus entsprechenden Lichtstreumessungen abgeleitet werden konnte. Ebenso konnte der Anteil an solubilisiertem Diazepam wiedergefunden werden. Der Einschluss hydrophober Arzneistoffe in mizellare oder mischmizellare Systeme kann die Stabilität des Arzneistoffes erhöhen, sofern sich die AS-Moleküle im Inneren der Mizellen, geschützt vor der wässrigen Phase, befinden und nicht an die Oberfläche der Mizellen adsorbiert vorliegen. Strukturaufklärungen wurden an unbeladen und mit Arzneistoff-beladenen MM vorgenommen, um die Lokalisierung des hydrophoben Arzneistoffes in den neu entwickelten MM-Systemen zu bestimmen. Die mittels der eingesetzten 1H-NMR-Analytik erhaltenen Ergebnisse deutet daraufin, dass der hydrophobe Modellarzneistoff Diazepam aller Wahrscheinlichkeit nach in das Innere der MM aufgenommen wurde.

Nowadays almost half of newly developed active pharmaceutical ingredients are rejected in early phase development and will never find a way to a patient because of their poor water solubility leading to bioavailability problems. Considering such arising solubility problems the development of application vehicles like mixed micelles (MM) is a challenging research topic in pharmaceutical technology. Since all known classical MM systems being introduced to the market are composed of unsaturated phosphatidylcholine and bile salts, it was the aim of this study to develop alternatively composed MM which also comprise high ratios of phosphatidylcholine (PC) but further a surfactant type that is distinct from the bile salts. A combination of a bile acid and a PC does only result in a MM-formation if the applied PC-types are of unsaturated origin - otherwise no MM but vesicles or PC-agglomerates will occur, regardless which type of bile salt is used. Further, a drawback of the classical MM is given by a micelle – vesicle transformation which also takes place by changing the ratio of bile salt/lecithin or the total concentration. The theoretical approach behind this work is the transfer of the packing-parameter-concept, which describes the molecular association of one amphiphilic species, to the organisation behaviour of two different amphiphilic species (water-insoluble phospholipid +surfactant leading to MM). Therefore the influence of the surfactant molecular geometry on the ability to form MM with phospholipids was investigated. The successful combination of a suitable water-soluble surfactant and high ratios of a suitable, natural, water-insoluble phospholipid results in an isotropically clear aqueous solution offering a strictly unimodal particle size distribution with MM showing a hydrodynamic diameter of about < 30 nm. Transmission and dynamic light scattering (DLS) measurements revealed that specific molecular properties of both the surfactant- and the phospholipid-type determine the ability of those amphiphilic species to form MM. After testing a large number of different surfactants and different phospholipids, a toolbox with specific molecular conditions of both tested species, the surfactant and the PL, could successfully be configured. To provide an example, the surfactant needs to geometrically appear in a conical shape and a strictly defined breakup within its molecular geometry is required. Here, the polar head should feature a high hydrophilicity which is defined as far as possible by hydroxyl-units instead of e.g. polyoxyethylenglycol (as in in the case of polysorbate). This large hydrophilic head needs to be explicitly separated from an absolutely hydrophobic ending (offering non hydrophilic element at all). Laurylic acid esters of polyglycerol or sucrose, both offering an optimal large hydrophilic head region, which forces the hydrophobic acyl chains into a v-formation, led to the most benefical results regarding a formation with PL to a clear mixed micellar solution. It could be found that the length of the fatty acids within the applied phosphatidylcholine-type is a limiting factor for the formation of MM. It should be C16 or C18. Since the description of classical lecithin/phospholipids MM in the 1960s, the present work has established a way to allow an alternatively formation of MM with the benefit of using more stable hydrogenated PC-types and by using a class of aliphatic surfactants that do not belong to the bile acids. With Sucrose laurate (SL) for the first time a surfactant was found that solubilizes up to 60% of natural PC into an optically clear solution. SL forms isotropically clear solutions with hydrogenated phosphatidylcoline (hPC) or dipalmitoylphosphatidylcholin (DPPC) exhibiting a unimodal particle distribution with particle sizes of approximately 20 nm, indicating mixed micelles, and an excellent PDI-value of 0.1, even at higher ratios of hPC (60% DPPC) and over a broad range of total surfactant concentrations. In comparison to the commonly used lecithin/bile salt MM where unsaturated PC (lecithin) is required for a MM formation, the introduced novel MM are formed with saturated PC-types which are more stable against oxidative degradation. Contrary to the classical MM, no micelle-to-vesicle-transformation occurred by changing the concentration or the ratio in the favourite developed MM system. The applied direct dispersion method is a simple production method for the introduced MM-systems owing the benefit of avoiding organic solvents. The present work compares the solubilization capacities of newly developed MM to those of classical lecithin/bile salt MM and different other solubilizing systems. The MM system with SL and hPC (50:50) was found to be superior in drug solubilization of all investigated drugs compared to the classical lecithin/bile salt MM. Further, a polysorbate 80 solution, also at 5%, was inferior with regard to solubilizing the hydrophobic drugs diazepam and tetrazepam. The MM sizes of the favorite developed MM, before and after drug incorporation, were analysed by DLS to evaluate the influence of the drug incorporation. Here, the particle sizes remained constant, indicating a stable formation of the solubilizate. Further the critical micelle concentration (CMC) of MM before and after drug incorporation was analysed by three different determination techniques. In this work a new robust method is introduced that enables the CMC Determination - unlike the classical surface tension measurement technique - by the direct detection of MM with hPC. Constant CMC-values could be obtained regardless if diazepam was encapsulated within the MM or unloaded MM were analysed. Long-term stability tests considered the novel MM system to be stable at least over the investigated storage period of 200 days at cool storage conditions. A lyophilization of the empty and diazepam loaded MM could successfully be carried out leading again to stable MM with constant sizes and constant encapsulated drug amounts after reconstitution in double distilled water. MM systems are described to enhance the bioavailability after oral administration. Accordingly, the stability of the MM system against pH-shifts has been evaluated and compared to that of classical bile salt/lecithin MM. Unlike the classical MM which disintegrate at pH-values underneath the pKa of the applied bile acid by precipitation, the introduced novel MM remain stable from pH 1-11 without any fluctuation in hydrodynamic diameter. A 1H-NMR study suggests the solubilized hydrophobic drug molecules (diazepam) to be incorporated into the inner mixed micellar core and not being adsorbed on the outer shell. The new developed MM system with 50 or 60% of well tolerated natural hydrogenated PC and SL seems to be a promising drug delivery system to enhance the bioavailability of orally or parenterally administrated hydrophobic drugs – not at least since it is known that PL in classical MM and SL alone in micellar solutions increase the bioavailability of different hydrophobic drugs.

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Rupp, Christopher: Neue mischmizellare Systeme auf Basis von Phospholipiden zur Solubilisierung schlecht-wasserlöslicher Arzneistoffe. 2010.

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