Small-scale in vitro methods for evaluating the impact of gastrointestinal transfer on luminal drug / drug product performance in the fasted state

Abstract

Oral drug delivery can be challenging with multiple processes affecting the bioavailability of a drug. Gastrointestinal (GI) drug transfer is a key physiological process affecting drug concentrations in the small intestine i.e., the region from which absorption of an orally administered dose takes place in most cases. In this work, two small-scale methods to evaluate the impact of the transfer from gastric to intestinal conditions in the fasted state on drug absorption from the small intestine were developed. These methods were based on a two-stage biphasic dissolution system and a two-stage dissolution-permeation (D-P) setup. The biphasic dissolution method simulates drug absorption in the small intestine using a layer of decanol, whereas in the D-P method the transfer across a biomimetic membrane into an acceptor chamber is used to simulate drug absorption. The two small-scale methods were developed and evaluated using dipyridamole and ketoconazole, two biopharmaceutics classification system (BCS) class II weakly basic drugs. Precipitation rates calculated with the data collected from the two methods were inputted into physiologically based pharmacokinetic (PBPK) software and pharmacokinetic parameters estimated from simulated adult plasma profiles were compared with published values of pharmacokinetic parameters estimated from actual plasma data in healthy adults. Data from the biphasic dissolution method produced a better representation of the average plasma profile of both weakly basic drugs compared to using data from the D-P setup. D-P experiments resulted in an overestimation of luminal precipitation, believed to be related to the slow flux of the drug across the biomimetic membrane into the acceptor chamber.The developed small-scale methods were tested using a wide range of enabling formulations, including an amorphous solid dispersion, a drug complex with cyclodextrin, and lipid-based formulations (LBFs). The biphasic method had to be adapted to include the digestion of the LBFs and to account for the properties of the lipid excipients included as part of a LBF. Overall, the biphasic method was more useful than the D-P method and provided a strong correlation to in vivo performance. Finally, the usefulness of the two small-scale methods were compared to two established in vitro methods [the Erweka mini-paddle dissolution apparatus and the biorelevant gastrointestinal transfer (BioGIT) model] in assessing the effects of GI transfer on the performance of two orally administered ionisable drugs: diclofenac (a BCS Class II weak acid) and ritonavir (a BCS Class IV weak base). In all methods, both a powder formulation and an immediate release tablet of diclofenac were rapidly dissolved in Level II biorelevant media simulating the contents in the upper small intestine in the fasted state. PBPK modelling revealed that gastric emptying and transport through the intestinal epithelium were the key limiting factors for the rate of absorption of diclofenac. In contrast, PBPK modelling of the ritonavir solid dispersion data collected from in vitro experiments, revealed that ritonavir plasma concentrations were affected by precipitation in the upper small intestine. In vitro methods which incorporated the transfer from gastric to intestinal conditions, were able to simulate the effect of hypochlorhydric gastric conditions on the performance of the ritonavir solid dispersion, based on previously collected data in healthy adults. The four investigated in vitro methods have different advantages and limitations. In conclusion, the biphasic method could greatly assist with the early development of drug/drugs products, especially if data are combined with PBPK modelling approaches.

Η βιοδιαθεσιμότητα ενός φαρμάκου μετά από per os χορήγηση επηρεάζεται από πολλές διαδικασίες. Η γαστρεντερική μεταφορά αποτελεί μια σημαντική φυσιολογική διαδικασία, που επηρεάζει της συγκεντρώσεις του φαρμάκου στο λεπτό έντερο, δηλαδή στην περιοχή από την οποία απορρόφουνται τις περισσότερες φορές τα per os χορηγούμενα φάρμακα. Στην παρούσα εργασία αναπτύχθηκαν δυο μικρής κλίμακας μέθοδοι για την εκτίμηση της σημασίας της γαστρεντερικής μεταφοράς στην απορρόφηση ενός φαρμάκου μετά από per os χορήγηση κατά τη διάρκεια της διαπεπτικής περιόδου. Οι μέθοδοι βασίστηκαν σε ένα διφασικό σύστημα διάλυσης δύο σταδίων και σε μια συσκευή διάλυσης-διαπέρασης δυο σταδίων. Η διφασική μέθοδος διάλυσης προσομοιώνει τη διαδικασία της μεταφοράς μέσω του εντερικού επιθηλίου με τη χρήση μιας στοιβάδας δεκανόλης. Η μέθοδος διάλυσης-διαπέρασης προσομοιώνει τη διαδικασία μεταφοράς μέσω του γαστρεντερικού επιθηλίου με τη χρήση μιας συνθετικής λιπιδικής μεμβράνης και ενός διαμερίσματος υποδοχής του φαρμάκου. Οι δυο μικρής κλίμακας μέθοδοι δυο σταδίων αναπτύχθηκαν και αξιολογήθηκαν με βάση δεδομένα δυο ασθενών βάσεων που ανήκουν στην Τάξη ΙΙ της Βιοφαρμακευτικής Ταξινόμησης των Φαρμάκων, της διπυριδαμόλης και της κετοκοναζόλης. Οι ρυθμοί καθίζησης, που υπολογίσθηκαν από τα δεδομένα των πειραμάτων με τις δυο μεθόδους, χρησιμοποιήθηκαν για την προσομοίωση των απεικονίσεων των συγκεντρώσεων στο πλάσμα μετά από χορήγηση σε ενήλικες με τη βοήθεια φυσιολογικών φαρμακοκινητικών μοντέλων. Οι τιμές των φαρμακοκινητικών παραμέτρων, που υπολογίσθηκαν από τις απεικονίσεις, συγκρίθηκαν με τις τιμές των φαρμακοκινητικών παραμέτρων, που είχαν υπολογισθεί από προηγούμενες κλινικές μελέτες των φαρμάκων σε υγιείς ενήλικες. Τα δεδομένα της διφασικής μεθόδου διάλυσης οδήγησαν σε καλύτερη εκτίμηση των φαρμακοκινητικών παραμέτρων των δυο ασθενών βάσεων. Τα δεδομένα της μεθόδου διάλυσης-διαπέρασης οδήγησαν σε υπερεκτίμηση της καθίζησης, πιθανότατα λόγω της αργής ροής μεταφοράς στο διαμέρισμα υποδοχής. Στη συνέχεια, οι δυο μικρής κλίμακας μέθοδοι δυο σταδίων αξιολογήθηκαν χρησιμοποιώντας φαρμακευτικά προϊόντα με αυξημένες δυνατότητες (enabling drug products) που περιλάμβαναν άμορφες στερεές διασπορές, ένα σύμπλοκο φαρμάκου με κυκλοδεξτρίνη και λιπιδικά προϊόντα. Για τη μελέτη των λιπιδικών προϊόντων η διφασική μέθοδος τροποποιήθηκε για να ενσωματωθεί και η διαδικασία της πέψης των εκδόχων. Συνολικά, η διφασική μέθοδος ήταν περισότερο χρήσιμη από τη μέθοδο-διάλυσης διαπέρασης και τα δεδομένα σχετίστηκαν καλύτερα με τα in vivo δεδομένα. Τέλος, η χρησιμότητα των δυο μικρής κλίμακας μεθόδων δυο σταδίων σε σχέση με δυο άλλες χρησιμοποιούμενες μεθόδους, τη διατάξη μικρού περιστρεφόμενου πτερυγίου Erweka και τη διάταξη ΒioGIT, μελετήθηκε με βάση δεδομένα δυο φαρμάκων που ανήκουν στην Τάξη ΙΙ της Βιοφαρμακευτικής Ταξινόμησης των Φαρμάκων, της δικλοφενάκης (ασθενές εξύ) και της ριτοναβίρης (ασθενής βάση). Με όλες τις μεθόδους, η δικλοφενάκη διαλύθηκε πολύ γρήγορα σε μέσα που προσομοιώνουν σε Επίπεδο ΙΙ τα περιεχόμενα του λεπτού εντέρου, τόσο μετά από μορφοποίηση σε σκόνη όσο και μετά από μορφοποίηση σε δισκίο. Φυσιολογική φαρμακοκινητική μοντελοποίηση των δεδομένων έδειξε, ότι μετά από χορήγηση προϊόντων άμεσης αποδέσμευσης δικλοφενάκης, η απορρόφηση εξαρτάται από τη γαστρική κένωση και τη μεταφορά μέσω του εντερικού επιθηλίου, ανεξάρτητα από τον τύπο του προϊόντος. Αντίθετα, η άμορφη στερεή διασπορά της ριτοναβίρης οδηγεί σε καθίζηση του φαρμάκου στον αυλό του λεπτού εντέρου. Όλες οι μέθοδοι που προσομοίωσαν την αλλαγή των συνθηκών από το στόμαχο στο λεπτό έντερο προσομοίωσαν επαρκώς την επίδραση του μειωμένου ρυθμού έκκρισης γαστρικού οξέος στη συμπεριφορά του προϊόντος in vivo. Με βάση τα δεδομένα συνολικά, κάθε μέθοδος παρουσιάζει ιδιαίτερα προτερήματα και αδυναμίες. Συνολικά, με βάση τα αποτελέσματα της παρούσας μελέτης η διφασική μέθοδος θα μπορούσε να διευκολύνει σημαντικά στα αρχικά στάδια της ανάπτυξης νέων φαρμάκων, ιδιαίτερα αν συνδυαστεί με φυσιολογικά φαρμακοκινητικά μοντέλα.