Σχεδιασμός και ανάπτυξη φαρμακευτικών συστημάτων άμεσης και τροποποιημένης αποδέσμευσης με την τεχνική της στερεής διασποράς (Solid dispersion)

Abstract

The aim of the present thesis was to investigate per os immediate and controlled release tablet formulations based on solid dispersions. Melt mixing was selected as the preparation technique, while polyethylene glycol (PEG) was used as melting agent. Nimodipine (NIM, 2nd generation calcium antagonist) was selected as a model drug in all formulations. In the first part of the work, an isocratic reversed-phase high performance liquid chromatography was developed for the determination of nimodipine and impurities (A, B and C) using statistical experimental design. Initially, a full factorial design (Full-FD) was selected in order to screen five independent factors: type and concentration of the organic modifier (methanol or aceto¬nitrile), column temperature, mobile phase flow rate and pH. Except pH, the rest examined factors were identified as significant. The optimum conditions of separation, determined with the aid of central composite design (CCD), were: 1) mobile phase: acetonitrile/water (67.5/32.5 (v/v)), 2) column temperature: 40 oC and 3) mobile phase flow rate: 0.9 ml/min. The proposed method showed good prediction performance. The analysis was found to be linear, specific, precise, sensitive and accurate. The method was also studied for robustness and intermediate precision using experimental design methodology. Five commercially available nimodipine tablets showed good % recovery and % RSD, while only traces of impurities (amounts below LOQ) were found in all products. In the next stage of the study a physicochemical characterization of NIM/PEG solid dispersions was conducted. Powder XRD, SEM analysis and contact angle measurements revealed NIM’s crystal size reduction and system’s increased wettability. Phase diagrams of NIM and PEG were constructed using DSC and statistical thermodynamics. Depending on the assumption made for the Flory-Huggins coefficient, χ, eutectic (for χ = 0 and χ = α) and monotectic (for χ = f(φ) and χ = f(φ,Τ)) systems were identified. The system’s monotectic nature was verified by hot stage polarized light microscopy. Isothermal crystallization of NIM in the melts with PEG (25oC and 0% RH) showed increased rate of crystallization compared to the pure drug. FT-IR analysis conducted for the physical mixtures and solid dispersions showed absence of hydrogen bonding between drug and polymer, while experiments evaluating the influence of PEG and solid dispersion’s preparation temperature on NIM’s crystallization process showed that temperatures above NIM’s liquidus favor mod II crystal growth, while PEG-rich samples favor mod I crystals. In the final stage of the study, the in vitro behavior of immediate (I) and sustained (II) release solid dispersion tablets was investigated: Ι) Immediate release tablets Increased dissolution rates were observed for immediate release solid dispersion tablets compared to physical mixtures, while PEG-rich dispersions led to increasing release rates due to NIM’s size reduction and system’s increased wettability. ΙI) Sustained release tablets -Matrix type tablets: In the matrix type sustained release solid dispersions, the preparation of a nimodipine zero-order release tablet formulation was investigated. The amounts of PEG 4000 (used as melting agent), PVP K30 and HPMC (K100 and E50LV) were selected as independent variables following a statistical experimental design combined with multi-linear regression (MLR), artificial neural networks (ANN) and genetic programming (GP). NIM release was controlled by simultaneous matrix swelling and erosion. GP showed increased prediction performance (tested on an external validation test set) for all responses, compared to the ANN and MLR models. The optimum formulation (weighted 184 mg) consisted of 63 mg PEG, 11 mg PVP, 40 mg HPMC K100M, 40 mg HPMC E50LV and 30 mg NIM. -Effervescent floating tablets: In the development of sustained release effervescent floating tablet formulations, mixture-proportions of PEG 4000, PVP K30, HPMC K100M, effervescent agents (EFF, 1:1 w/w ratio of sodium bicarbonate and citric acid) and NIM were investigated following a 25-run D-optimal mixture design. NIM release was controlled by simultaneous matrix swelling and erosion. Solid dispersions reduced the extent of burst effect compared to physical mixtures. The root mean squared error of prediction (RMSEp) on an external validation (test) set was used to compare the prediction performance of ANN, GP, and conventional MLR fitted to the data obtained according to the statistical experimental design. The global optimum formulation, evaluated by minimizing the standardized Euclidian distance between the predicted value of each response (based on the equations generated by GP) and the desirable ones (limited burst effect, good floating characteristics and prolonged release) had the following concentration proportions: PEG= 9%, PVP= 30%, HPMC= 36%, EFF= 11%, NIM = 14% (30 mg per tablet).

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή μελετήθηκε η ανάπτυξη per os χορηγούμενων φαρμακευτικών δισκίων άμεσης και ελεγχόμενης αποδέσμευσης από συστήματα στερεής διασποράς. Για την παρασκευή των συστημάτων επιλέχθηκε η τεχνική της τήξης (melt mixing) του φαρμάκου μαζί με πολυμερικό φορέα (πολυαιθυλενογλυκόλη, PEG). Ως πρότυπη φαρμακευτική ουσία (model drug) χρησιμοποιήθηκε η Νιμοδιπίνη (ΝΙΜ, αναστολέας ασβεστίου 2ης γενιάς). Στο πρώτο στάδιο της διατριβής μετά την παρασκευή των συστημάτων και πριν το φυσικοχημικό χαρακτηρισμό τους, αναπτύχθηκε και βελτιστοποιήθηκε μια νέα μέθοδος ανάλυσης για τον ποσοτικό προσδιορισμό και τον έλεγχο καθαρότητας της ΝΙΜ στις διασπορές. Συγκεκριμένα, μελετήθηκε ο ποσοτικός προσδιορισμός τόσο της δραστικής ουσίας όσο και των προσμίξεών της (Α, Β και C) με τη χρήση υγρής χρωματογραφίας υψηλής απόδοσης (HPLC) αντίστροφης φάσης (RP) και τη βοήθεια στατιστικού πειραματικού σχεδιασμού. Ο πειραματικός σχεδιασμός (πλήρης παραγοντικός σχεδιασμός) περιελάμβανε πέντε ανεξάρτητους παράγοντες: είδος και αναλογία των συστατικών της κινητής φάσης, θερμοκρασία στήλης, ρυθμός ροής και pH της κινητής φάσης. Η ανάλυση των αποτελεσμάτων έδειξε ότι όλοι οι παράγοντες που εξετάστηκαν εκτός του pH είχαν σημαντική επίδραση στην ποιότητα του διαχωρισμού (εκφρασμένη από τη διαχωριστική ικανότητα της ΝΙΜ με την πρόσμιξη Α (Rs), το χρόνο που απαιτείται για την έκλουση του πρώτου και του τελευταίου συστατικού και την τιμή της συνάρτησης βελτιστοποίησης χρωματογραφήματος). Οι βέλτιστες συνθήκες διαχωρισμού, οι οποίες προσδιορίσθηκαν με τη βοήθεια ενός νέου πειραματικού σχεδιασμού (κεντρικός σύνθετος σχεδιασμός), ήταν: κινητή φάση ακετονιτρίλιο-νερό (67,5-32,5 ο/ο), θερμοκρασία στήλης 40 oC και ρυθμός ροής κινητής φάσης 0,9 ml•min-1. Η μέθοδος αξιολογήθηκε ως προς την εξειδίκευση, τη γραμμικότητα, την ακρίβεια, την επαναληψιμότητα, την ενδιάμεση επαναληπτικότητα, ενώ η αξιολόγηση της ευρωστίας και της ανθεκτικότητα έγιναν με τη βοήθεια στατιστικού πειραματικού σχεδιασμού. Η μέθοδος αξιολογήθηκε περαιτέρω σε πέντε εμπορικά δισκία Νιμοδιπίνης. Στο επόμενο στάδιο της διατριβής έγινε ο φυσικοχημικός χαρακτηρισμός των στερεών διασπορών ΝΙΜ-PEG (2000, 4000 και 6000). Αρχικά, με τη βοήθεια περίθλασης ακτίνων Χ σε κονιοποιημένα δείγματα και ηλεκτρονικής μικροσκοπίας σάρωσης (SEM) σε τομές υμενίων έδειξε πως η ουσία παραμένει κρυσταλλική, ενώ η μέτρηση της γωνίας συνεπαφής έδειξε αύξηση της διαβρεκτικότητας των συστημάτων με την αύ¬ξηση της περιεκτικότητας του πολυμερικού φορέα (PEG). Εν συνεχεία, κατασκευάστηκαν τα διαγράμματα φάσεως με τη βοήθεια DSC και στατιστικής θερμοδυναμικής. Ανάλογα με την τιμή του συντελεστή χ της εξίσωσης Flory-Huggins, προσδιορίστηκε ο σχηματισμός ευτηκτικού (για χ=0 και χ=α) και μονοτηκτικού (για χ=f(φ) και χ=f(φ,Τ)) συστήματος. Ο σχηματισμός μονοτηκτικών συστημάτων επιβεβαιώθηκε με τη χρήση οπτικής μικροσκοπίας πολωμένου φωτός με θερμαινόμενη τράπεζα. Ακολούθως, η μελέτη ισόθερμης κρυστάλλωσης της ΝΙΜ από τήγματα με PEG στους 25oC και σε περιβάλλον μηδενικής υγρασίας έδειξε αύξηση του ρυθμού κρυστάλλωσης της ουσίας (η αύξηση ήταν εντονότερη για τήγματα με PEG χαμηλού ΜΒ), σε αντίθεση με τήγματα καθαρής ΝΙΜ όπου η ουσία παρέμενε άμορφη ακόμη και τρεις μήνες μετά την αποθήκευσή της. Στη συνέχεια, η ανάλυση με φασματοσκοπία FT-IR έδειξε απουσία σημαντικών αλληλεπιδράσεων μεταξύ της δραστικής ουσίας και των πολυμερικών φορέων (απουσία δεσμών υδρογόνου). Τέλος, διαπιστώθηκε ότι κατά την παρασκευή των συστημάτων, θερμοκρασίες τήξης που βρίσκονται πάνω από τη liquidus της ΝΙΜ οδηγούν σε κρυστάλλους μορφής ΙΙ, ενώ η παρουσία του PEG οδηγεί στην σταθεροποίηση κρυστάλλων μορφής Ι. Στο τελευταίο στάδιο της διατριβής μελετήθηκε η in vitro αποδέσμευση από κυλινδρικά συσσωματώματα (δισκία) κονιοποιημένης στερεής διασποράς καθώς και αντίστοιχων φυσικών μειγμάτων με δυνατότητα άμεσης (Ι) και ελεγχόμενης (ΙΙ) αποδέσμευσης: Ι) Δισκία άμεσης αποδέσμευσης Παρατηρήθηκε αύξηση του ρυθμού αποδέσμευσης της ΝΙΜ στις στερεές διασπορές σε σχέση με τα φυσικά μείγματα. Η αύξηση αυτή ήταν μεγαλύτερη καθώς αυξάνονταν η περιεκτικότητα σε φορέα (PEG 2000, 4000 και 6000) και αποδόθηκε στην αύξηση της διαβρεκτικότητας του συστήματος και στη μείωση του μεγέθους των σωματιδίων της φαρμακευτικής ουσίας και κατά συνέπεια στην αύξηση της ειδικής επιφάνειά της. ΙΙ) Δισκία ελεγχόμενης αποδέσμευσης -Δισκία μήτρας: Εκτός από την πολυαιθυλενογλυκόλη (PEG 4000) για την παρασκευή δισκίων χρησιμοποιήθηκαν PVP K30 και HPMC (K100M και Ε50LV) και μελετήθηκε η ικανότητα ελέγχου της αποδέσμευσης και η επίτευξη μηδενοταξικής κινητικής, κάνοντας χρήση πειραματικού σχεδιασμού (πλήρης παραγοντικός και κεντρικός σύνθετος σχεδιασμός) με 1) πολλαπλή γραμμική παλινδρόμηση (MLR), 2) τεχνητά νευρωνικά δίκτυα (ANN) και 3) γενετικό προγραμματισμό (GP). Βρέθηκε ότι η αποδέσμευση της ουσία ελέγχονταν από την ταυτόχρονη διόγκωση και διάβρωση της μήτρας, ενώ ο GP έδειξε αυξημένη ικανότητα πρόβλεψης σε σχέση με τις υπόλοιπες τεχνικές. Η βέλτιστη σύνθεση δισκίων βάσει του GP ήταν: βάρος δισκίων 184 mg, με σύσταση: 63 mg PEG, 11 mg PVP, 40 mg HPMC K100M, 40 mg HPMC E50LV, 30 mg NIM η οποία έδειχνε μηδενοταξική κινητική αποδέσμευσης. Η μελέτη σταθερότητας των δισκίων για έξι μήνες έδειξε ότι η δραστική ουσία παραμένει σταθερή και το προφίλ αποδέσμευσης αμετάβλητο. - Αναβράζοντα επιπλέοντα δισκία: Η ανάπτυξη και βελτιστοποίηση επιπλεόντων δισκίων ελεγχόμενης αποδέσμευσης με ικανότητα επίτευξης πολλαπλών στόχων (παρατεταμένη αποδέσμευση, επιθυμητά χαρακτηριστικά επίπλευσης και ελαχιστοποίηση της ποσότητας της ουσίας που απελευθερώνεται άμεσα στα πρώτα στάδια της αποδέσμευσης, burst effect) έγινε με τη χρήση πειραματικού σχεδιασμού (D-optimal σχεδιασμός μείγματος) σε συνδυασμό με MLR, ANN και GP. Εκτός από τα PEG 4000, PVP K30 και HPMC K100M για την παρασκευή των δισκίων χρησιμοποιήθηκαν διττανθρακικό νάτριο (SB) και κιτρικό οξύ (CA) σε αναλογία 1:1 (β/β) ως αναβράζοντες παράγοντες. Πειραματική μελέτη του μηχανισμού αποδέσμευσης της ουσίας έδειξε ταυτόχρονη διόγκωση και διάβρωση της μήτρας. Καθοριστικό ρόλο στο μηχανισμό αποδέσμευσης είχε η παραγωγή του CO2 και η ισχύς της σχηματιζόμενης στοιβάδας γέλης. Η χρήση των στερεών διασπορών είχε ως αποτέλεσμα τη μείωση της ποσότητας της ουσίας που απελευθερώνεται ανεξέλεγκτα από το σκεύασμα κατά τα αρχικά στάδια της αποδέσμευσης σε σχέση με τα φυσικά μείγματα. Ο GP και τα ANN έδειξαν αυξημένη ικανότητα πρόβλεψης σε σχέση με την MLR. Το βέλτιστο δισκίο, βάσει GP, είχε βάρος 214 mg (με σύσταση: 9% PEG, 30% PVP, 36% HPMC, 11% EFF και 14% NIM) και ικανοποιούσε όλους τους στόχους αποδέσμευσης και επίπλευσης που τέθηκαν.