Ανάπτυξη, χαρακτηρισμός και σταθερότητα μορφών φαρμάκων μικρής υδατοδιαλυτότητας με σύγχρονες μεθόδους

Abstract

This Doctoral Thesis comprises separate chapters, each outlining different objectives, as explained below. In the first chapter, a systematic review of the current literature on co-amorphous drug delivery systems (CAMS) is performed. CAMS combine two or more initially crystalline, low-molecular-weight components to form a homogeneous single-phase amorphous system. Over the past few decades, they have been widely investigated as a promising approach to overcome the low water solubility of many active pharmaceutical ingredients. Most CAMS studies have been conducted case-by-case, and only a handful of systematic investigations exist. A quantitative analysis of the literature from several perspectives highlights not only the topics that have drawn the most attention, but also the developments still needed to advance the field. This review therefore offers an up-to-date, quantitative overview of published CAMS research, focusing on three critical quality attributes—co-formability, physical stability and dissolution performance. Specifically, we assess co-formability, the drug-to-co-former molar ratio, preparation methods, physical stability, and in-vitro and in-vivo performance. For each category, a quantitative assessment of the current state identifies both recent advances and remaining research gaps. Finally, emerging topics such as the design of ternary CAMS are discussed. In the second Chapter, co-amorphous systems (CAMS) were developed between griseofulvin (GRI) and L-leucine (LEU) at 2:1 wt ratio, by application of a novel solvent assisted hot-melt extrusion (HME) method that involved wet processing/drying of the feeds prior to extrusion. CAMS formation was confirmed by powder crystallography (pXRD) and thermal analysis (DSC). Intermolecular H-bonding between the carbonyl groups of GRI and the hydroxyl and amino groups of LEU were identified by vibrational spectroscopy (ATR-FTIR). The measured glass transition temperatures (Tg) of the extrudates from feeds processed with aqueous acetic acid (AcOH) were markedly lower than that of neat amorphous GRI and values predicted from Gordon-Taylor equation, indicating plasticizing action of AcOH. Drug concentrations during dissolution of CAMS under non-sink conditions (Sink Index 0.0115) were up to x82 higher at plateau compared to crystalline drug solubility. The degree of supersaturation lasted for at least 24 h. Plasticizer (Compritol®/Kolliphor® 75/25) added before extrusion did not impact significantly on CAMS formation but altered the dissolution profile from a spring-and-parachute profile to gradual rise to maximum. These findings reinforce the application of drug/amino acid-based CAMS in formulation, particularly for high-dose drugs, for which polymers are unsuited due to the required large proportions. In the third Chapter, CAMS of GRI with the amino acids (AA): L-lysine (LYS), L-valine (VAL) and L-methionine (MET) of increasing hydrophobicity were prepared using a solvent assisted hot-melt extrusion (HME). Co-formability was evaluated by thermodynamic miscibility prediction, thermal analysis (DSC), powder crystallography (pXRD) and vibrational spectroscopy (ATR-FTIR). Decomposition temperature range was defined by thermogravimetry (TGA) and DSC. Solubilities of crystalline and amorphous drug were determined by the UV-extinction method. The physical stability of GRI/AA CAMS was evaluated by accelerated tests and for ratios 1:1 and 1:2 was excellent. Non-sink dissolution tests of equimolar CAMS of the more hydrophobic MET and VAL revealed long lasting supersaturation, above the solubility of amorphous drug, whereas ratios 2:1 and 1:2 gave lower supersaturation due to partial recrystallization during dissolution, despite the good physical stability. CAMS of the hydrophilic LYS were physically stable but showed poor dissolution, possibly due to self-association of LYS in water. Addition of wetting agent in the dissolution medium improved dissolution without altering the profile. Since previous attempts to formulate GRI/AA CAMS with purely mechanical methods found only moderate success, the feed pretreatment HME method employed in this work makes an excellent alternative for drug/AA CAMS where mechanical or solvent evaporation methods fail. In the fourth Chapter, the development of CAMS of GRI with three AAs − L-lysine (GRI/LYS), L-methionine (GRI/MET), and L-valine (GRI/VAL) was investigated using the established methods of feed solvent pretreatment hot melt extrusion (mHME), ball milling (BM; dry and liquid-assisted), quench cooling (QC), and solvent evaporation (SE). The role of solvent treatment and thermal stress in mHME was elucidated. CAMS formation was evaluated using crystallography (pXRD) and modulated differential scanning colorimetry (DSC). Successful CAMS development was possible only with mHME emphasizing the importance of thermal stress. Hydrogen bonding was identified spectroscopically (ATR-FTIR) in the mHME and SE products by the disappearance of the 1658 cm−1 FTIR carbonyl peak indicating the important role of AcOH in feed pretreatment. Structural relaxation time of the developed CAMS was studied using thermal activity monitoring (TAM). Johari–Goldstein (β) secondary relaxation temperature was estimated using dynamic mechanical analysis (DMA). The structural relaxation time (τDβ), and the secondary relaxation temperature (Tgβ) of the developed CAMS increased in the order GRI/LYS < GRI/MET < GRI/VAL. Significant correlations exist between Tgβ and τDβ (R2 = 0.9922), and between Tgβ and the Hansen solubility parameters (R2 = 0.9965). The results of the in vitro dissolution/permeability test using the MicroFLUX™ system, in which the donor and receiver compartments are separated by a lipophilic membrane/hydrophilic filter barrier showed that GRI/VAL and GRI/MET CAMS gave significantly higher release and permeability compared to amorphous drug alone, due to the superior dissolution and sustained supersaturation. In the fifth Chapter, CAMS of exemestane (EXE) were prepared with three AA co-formers of increasing hydrophobicity: LYS, VAL and MET using feed solvent pretreatment hot-melt extrusion (mHME). Thermal analysis (DSC, TGA) guided processing parameters confirmed Class III glass-forming ability of EXE (Tg = 91.2 °C). Hansen solubility parameters (Δδt < 4 MPa1/2) predicted favorable drug/co- former miscibility. pXRD and DSC demonstrated successful co-amorphization for molar ratios of EXE/LYS (1:1 and 1:2), EXE/MET (1:1) and EXE/VAL (2:1 drug/AA). ATR-FTIR indicated co-amorphization predominantly by simple molecular mixing with weak only interactions. Physical stability of CAMS was evaluated by isothermal microcalorimetry, dynamic mechanical analysis (DMA) and by crystallographic profiles (pXRD) obtained at different times during accelerated stability tests (40 oC, 75% RH). EXE/LYS systems exhibited the longest relaxation times (τDβ) and highest secondary glass-transition temperatures (Tgβ), translating as excellent physical stability which corroborated the results of accelerated tests. EXE/MET showed moderate stabilization, while EXE/VAL was the least stable. Under non-sink conditions of dissolution test, EXE/LYS (1:1) presented a pronounced spring–parachute profile with sustained supersaturation, outperforming other EXE/AA CAMS. Strong correlations exist between Δδt, τDβ and Tgβ that underscore the utility of Hansen solubility parameters and relaxation metrics for predicting CAMS stability.In the sixth Chapter, equimolar GRI CAMS with three AA co-formers (LYS, MET and VAL) were prepared by mHME and were evaluated for their compaction performance and tablet physical stability. CAMS powders were compressed at three homologous temperatures (Th = 0.20, 0.40 and 0.80, corresponding to 22.5 oC, ≈ 45 oC and ≈ 90 oC compression temperatures). Compaction behavior was assessed from force–displacement profiles and Heckel model parameters; tablet strength and morphology from diametrical fracture tests and scanning electron microscopy images; moisture uptake and solid-state stability from dynamic vapor sorption, X-ray powder diffraction and micro-spatially offset low-frequency Raman spectroscopy. It was found that co-amorphization lowered the yield pressure of compacted CAMS powder from 121 MPa for crystalline GRI to 56-68 MPa, indicating markedly enhanced plasticity. Tablets produced at Th = 0.20 achieved the highest solid fraction (0.97–0.99) and tensile strength (1.4–1.7 MPa) with minimal elastic recovery. Compression at elevated temperatures did not further increase the tablet strength but halved the ejection force, thus, improving manufacturability. All co-amorphous tablets exhibited low hygroscopicity and remained fully amorphous after 90 days storage at 45 oC/75 % RH, in contrast to tablets of amorphous drug alone, which recrystallized within 30 days, thus, confirming excellent in-tablet stability of the CAMS. However, low-frequency Raman mapping detected isolated residual GRI crystals, suggesting that the equimolar ratio GRI/AA ratio is close to but not exactly the optimal molar ratio. These findings demonstrate the feasibility for direct compression of powdered griseofulvin / amino acid CAMS prepared by hot-melt extrusion into robust, stable tablets.

Η παρούσα Διδακτορική Διατριβή αποτελείται από αυτόνομα κεφάλαια, κάθε ένα από τα οποία περιγράφει διαφορετικούς στόχους όπως εξηγείται παρακάτω. Στο πρώτο Κεφάλαιο της παρούσας Διδακτορικής Διατριβής (ΔΔ) γίνεται συστηματική βιβλιογραφική ανασκόπηση των συνάμορφων συστημάτων χορήγησης φαρμάκων (CAMS), τα οποία χαρακτηρίζονται από το συνδυασμό δύο ή περισσότερων αρχικά κρυσταλλικών συστατικών χαμηλού μοριακού βάρους που σχηματίζουν ομοιογενές, μονοφασικό, άμορφο σύστημα. Τις τελευταίες δεκαετίες τα CAMS έχουν διερευνηθεί εκτενώς ως πολλά υποσχόμενη προσέγγιση για την αντιμετώπιση της χαμηλής υδατοδιαλυτότητας πολλών δραστικών φαρμακευτικών ουσιών. Τα αποτελέσματα της ανασκόπησης έδειξαν ότι οι περισσότερες μελέτες στα CAMS διεξήχθησαν κατά περίπτωση και μόνο λίγες συστηματικές εργασίες είναι διαθέσιμες. Η ποσοτική ανάλυση της βιβλιογραφίας υπογραμμίζει όχι μόνο τα πλέον ελκυστικά ερευνητικά σημεία, αλλά και τις μελλοντικές εξελίξεις που απαιτούνται για την περαιτέρω ανάπτυξη του πεδίου. Πραγματοποιήθηκε ολοκληρωμένη επισκόπηση της τρέχουσας βιβλιογραφίας με ποσοτική προσέγγιση, εστιάζοντας σε τρία κρίσιμα ποιοτικά χαρακτηριστικά των CAMS: τη συνδιαμόρφωση, τη φυσική σταθερότητα και τον ρυθμό διάλυσης. Συγκεκριμένα εξετάζονται η συνδιαμόρφωση, η μοριακή αναλογία φαρμάκου/συνδιαμορφωτή, οι μέθοδοι παρασκευής, η φυσική σταθερότητα και ο ρυθμός διάλυσης in vitro και in vivo. Για κάθε πτυχή πραγματοποιήθηκε ποσοτική αξιολόγηση της τρέχουσας κατάστασης, επιτρέποντας τον εντοπισμό τόσο πρόσφατων εξελίξεων όσο και εναπομενόντων ερευνητικών κενών. Στο δεύτερο Κεφάλαιο της παρούσας ΔΔ αναπτύχθηκαν συνάμορφα συστήματα μεταξύ γκριζεοφουλβίνης (GRI) και L-λευκίνης (LEU) σε αναλογία 2:1 (β/β), μέσω μιας νέας μεθόδου εξώθησης θερμού τήγματος υποβοηθούμενης από διαλύτη (mHME), η οποία περιλαμβάνει προκατεργασία του υλικού τροφοδοσίας με διάλυμα οξικού οξέος (AcOH) πριν από την εξώθηση. Ο σχηματισμός CAMS επιβεβαιώθηκε με κρυσταλλογραφία κόνεως (pXRD) και θερμική ανάλυση (DSC). Οι διαμοριακοί δεσμοί Η μεταξύ των καρβονυλικών ομάδων της GRI και των υδροξυλικών/αμινικών ομάδων της LEU ταυτοποιήθηκαν με φασματοσκοπία δονήσεων (ATR-FTIR). Οι μετρούμενες θερμοκρασίες υαλώδους μετάπτωσης (Tg) των εξωθημένων προϊόντων από το προκατεργασμένο υλικό ήταν σημαντικά χαμηλότερες από εκείνες της καθαρής άμορφης GRI και από τις τιμές που αναμένεται βάσει της εξίσωσης Gordon–Taylor, γεγονός που υποδεικνύει πλαστικοποιητική δράση του AcOH. Κατά τον έλεγχο του ρυθμού διάλυσης υπό συνθήκες υπερκορεσμού (δείκτης κορεσμού 0.0115) παρατηρήθηκαν συγκεντρώσεις φαρμάκου έως και 82× υψηλότερες από τη διαλυτότητα του κρυσταλλικού φαρμάκου, με τον υπερκορεσμό να διατηρείται για τουλάχιστον 24 h. Η προσθήκη μείγματος πλαστικοποιητή Compritol®/Kolliphor® 75:25 πριν από την εξώθηση δεν επηρέασε τον σχηματισμό των CAMS, αλλά μετέτρεψε το προφίλ διάλυσης από «ελατήριο-αλεξίπτωτο» σε «σταδιακή άνοδο προς το μέγιστο». Τα ευρήματα υποστηρίζουν τη χρήση συνδυασμού φαρμάκου/αμινοξέος για την παρασκευή CAMS, ιδίως σε φάρμακα υψηλής δόσης όπου τα πολυμερή είναι ακατάλληλα λόγω της ανάγκης μεγάλων αναλογιών.Στο τρίτο Κεφάλαιο παρασκευάστηκαν CAMS της GRI με τα αμινοξέα L-λυσίνη (LYS), L-βαλίνη (VAL) και L-μεθειονίνη (MET), τα οποία εμφανίζουν αυξανόμενη υδροφοβικότητα, με τη χρήση εξώθησης θερμού τήγματος (HME) τροποποιημένης με προκατεργασία του υλικού τροφοδοσίας με διαλύτη. Η συναμορφοποίηση αξιολογήθηκε μέσω πρόβλεψης της θερμοδυναμικής αναμειξιμότητας, θερμικής ανάλυσης (DSC), κρυσταλλογραφίας κόνεως (pXRD) και φασματοσκοπίας δονήσεων (ATR-FTIR). Το εύρος θερμοκρασιών αποικοδόμησης καθορίστηκε με θερμοσταθμική ανάλυση (TGA) και DSC, ενώ οι διαλυτότητες του κρυσταλλικού και του άμορφου φαρμάκου προσδιορίστηκαν με τη μέθοδο εξασθένισης υπεριώδους ακτινοβολίας. Η φυσική σταθερότητα των CAMS GRI/AA ήταν εξαιρετική για τις αναλογίες 1:1 και 1:2, όπως έδειξαν οι επιταχυνόμενες δοκιμασίες σταθερότητας. Ο έλεγχος του ρυθμού διάλυσης υπό συνθήκες υπερκορεσμού των ισομοριακών CAMS των πιο υδρόφοβων MET και VAL εμφάνισε παρατεταμένα επίπεδα υπερκορεσμού, άνω της διαλυτότητας του άμορφου φαρμάκου· αντιθέτως, οι αναλογίες 2:1 και 1:2 παρήγαγαν χαμηλότερο υπερκορεσμό λόγω μερικής ανακρυστάλλωσης κατά τη διάρκεια του ελέγχου, παρά την καλή φυσική σταθερότητα. Τα CAMS της υδρόφιλης LYS ήταν φυσικά σταθερά, αλλά εμφάνισαν χαμηλό ρυθμό διάλυσης, πιθανόν λόγω αυτό-συσχετισμού της LYS στο ύδωρ. Η προσθήκη διαβρεκτικού παράγοντα στο μέσο διάλυσης βελτίωσε τον ρυθμό χωρίς να αλλάξει το προφίλ διάλυσης. Επειδή προηγούμενες προσπάθειες συναμορφοποίησης των GRI/AA με καθαρά μηχανικές μεθόδους είχαν μόνο μερική επιτυχία, η HME με προκατεργασία διαλύτη αναδεικνύεται ως εξαιρετική εναλλακτική λύση σε περιπτώσεις όπου μηχανικές τεχνικές ή εξάτμιση διαλύτη αποτυγχάνουν. Στο τέταρτο Κεφάλαιο διερευνήθηκε η ανάπτυξη CAMS της GRI με τρία αμινοξέα, L-λυσίνη (GRI/LYS), L-μεθειονίνη (GRI/MET) και L-βαλίνη (GRI/VAL), χρησιμοποιώντας διαφορετικές μεθόδους: εξώθηση θερμού τήγματος με προκατεργασία διαλύτη (mHME), άλεση σε σφαιρόμυλο (BM), τήξη ακολουθούμενη από ταχεία ψύξη (QC) και εξάτμιση διαλύτη (SE). Η συγκριτική μελέτη διευκρίνισε τον ρόλο της προκατεργασίας διαλύτη και της θερμικής καταπόνησης κατά την mHME. Ο σχηματισμός CAMS αξιολογήθηκε με κρυσταλλογραφία κόνεως (pXRD) και διαμορφωμένη DSC. Επιτυχής συναμορφοποίηση επιτεύχθηκε αποκλειστικά με mHME, υπογραμμίζοντας τη σημασία της θερμικής καταπόνησης. Η παρουσία δεσμών Η ταυτοποιήθηκε φασματοσκοπικά (ATR-FTIR) στα προϊόντα mHME και SE από την εξαφάνιση της κορυφής του καρβονυλίου στα 1658 cm-1, γεγονός που υποδηλώνει τον κρίσιμο ρόλο του AcOH στην προκατεργασία του υλικού τροφοδοσίας. Ο χρόνος δομικής χαλάρωσης των CAMS μετρήθηκε με παρακολούθηση θερμικής δραστηριότητας (TAM), ενώ η θερμοκρασία δευτερογενούς χαλάρωσης Johari–Goldstein (β-χαλάρωση) εκτιμήθηκε με δυναμική μηχανική ανάλυση (DMA). Οι τιμές τDβ και Tgβ αύξαναν κατά τη σειρά GRI/LYS < GRI/MET < GRI/VAL. Βρέθηκαν ισχυρές συσχετίσεις μεταξύ Tgβ και τDβ (R2 = 0.9922) καθώς και μεταξύ Tgβ και των παραμέτρων διαλυτότητας Hansen (R2 = 0.9965). Οι δοκιμές ρυθμού διάλυσης/διαπερατότητας in vitro με το σύστημα MicroFLUX™, στο οποίο τα διαμερίσματα δότη και δέκτη χωρίζονται με λιπόφιλη μεμβράνη/υδρόφιλο φίλτρο, έδειξαν ότι τα CAMS GRI/VAL και GRI/MET παρείχαν σημαντικά υψηλότερη απελευθέρωση και διαπερατότητα σε σχέση με το άμορφο φάρμακο, χάρη στον αυξημένο ρυθμό διάλυσης και τον παρατεταμένο υπερκορεσμό. Στο πέμπτο Κεφάλαιο παρασκευάστηκαν συναμόρφα συστήματα (CAMS) της εξεμεστάνης (EXE) με τρία αμινοξέα (ΑΑ) αυξανόμενης υδροφοβικότητας ως συνδιαμορφωτές: (i) L-λυσίνη (LYS), (ii) L-βαλίνη (VAL) και (iii) L-μεθειονίνη (MET), με χρήση της μεθόδου mHME. Η θερμική ανάλυση (DSC, TGA) καθοδήγησε την επιλογή των συνθηκών επεξεργασίας και επιβεβαίωσε την ικανότητα σχηματισμού υαλώματος της EXE (κλάση III) με Tg στους 91.2 °C. Οι παράμετροι διαλυτότητας κατά Hansen (Δδₜ < 4 MPa1/2) προέβλεψαν ευνοϊκή αναμειξιμότητα φαρμάκου/συνδιαμορφωτή. Η pXRD και η DSC επιβεβαίωσαν την επιτυχή συναμορφοποίηση των EXE/LYS (1:1 και 1:2), EXE/MET (1:1) και EXE/VAL (2:1). Το ATR-FTIR έδειξε ότι ο σχηματισμός CAMS οφείλεται κυρίως σε απλή μοριακή ανάμειξη με ασθενείς αλληλεπιδράσεις. Η φυσική σταθερότητα αξιολογήθηκε με ισοθερμική μικροθερμιδομετρία, δυναμική μηχανική ανάλυση (DMA) και δοκιμασία σταθερότητας υπό επιταχυνόμενες συνθήκες (40 °C/75 % RH). Τα συστήματα EXE/LYS εμφάνισαν τον μεγαλύτερο χρόνο δομικής χαλάρωσης (τDβ) και την υψηλότερη δευτερογενή θερμοκρασία υαλώδους μετάπτωσης (Tgβ), υποδεικνύοντας άριστη σταθερότητα. Το CAMS EXE/MET είχε μέτρια σταθερότητα, ενώ το EXE/VAL ήταν το λιγότερο σταθερό. Στη δοκιμασία του ρυθμού διάλυσης υπό συνθήκες υπερκορεσμού, το EXE/LYS (1:1) παρουσίασε προφίλ «ελατηρίου - αλεξίπτωτου» με σταθερά επίπεδα υπερκορεσμού, υπερέχοντας έναντι των άλλων CAMS EXE/AA. Τέλος, αναδείχθηκαν ισχυρές συσχετίσεις μεταξύ Δδₜ, τDβ και Tgβ, επιβεβαιώνοντας τη χρησιμότητα των παραμέτρων αυτών για την πρόβλεψη της σταθερότητας των CAMS. Στο έκτο Κεφάλαιο παρασκευάστηκαν ισομοριακά CAMS της GRI με τρεις συνδιαμορφωτές (LYS, MET και VAL) με mHME και αξιολογήθηκαν για την συμπεριφορά τους κατά τη συμπίεση και τη φυσική σταθερότητα των παραγόμενων δισκίων. Οι κόνεις των CAMS συμπιέστηκαν σε τρεις ομόλογες θερμοκρασίες (Th = 0.20, 0.40 και 0.80, που αντιστοιχούν σε θερμοκρασίες συμπίεσης 22.5 oC, ≈ 45 oC και ≈ 90 oC, αντίστοιχα). Η συμπεριφορά κατά τη συμπίεση αξιολογήθηκε από προφίλ δύναμης-μετατόπισης και παραμέτρους του μοντέλου Heckel. Η αντοχή σε εφελκυσμό και η μορφολογία των δισκίων αξιολογήθηκαν από δοκιμασίες διαμετρικής θραύσης και μικροφωτογραφίες ηλεκτρονικής μικροσκοπίας σάρωσης. Ενώ, η πρόσληψη υγρασίας και η σταθερότητα αξιολογήθηκαν από μελέτες ρόφησης-εκρόφησης υγρασίες, περίθλαση κόνεων ακτινών Χ και μικροχωρική χαρτογράφηση με φασματοσκοπία Raman χαμηλής συχνότητας. Διαπιστώθηκε ότι η συναμορφοποίηση μείωσε την πίεση υποχώρησης των CAMS, από 121 MPa για την κρυσταλλική GRI σε 56-68 MPa, υποδεικνύοντας σημαντικά βελτιωμένη πλαστικότητα. Τα δισκία που παρήχθησαν σε Th = 0.20 πέτυχαν το υψηλότερο κλάσμα στερεού (0.97 - 0.99) και αντοχή σε εφελκυσμό (1.4 - 1.7 MPa) με τη μικρότερη ελαστική ανάκτηση. Η συμπίεση σε υψηλές θερμοκρασίες δεν αύξησε περαιτέρω την αντοχή των δισκίων, αλλά μείωσε τη δύναμη εκβολής. Όλα τα συνάμορφα δισκία εμφάνισαν χαμηλή υγροσκοπικότητα και παρέμειναν πλήρως άμορφα μετά από 90 ημέρες φύλαξης στους 45 oC/75 % RH, σε αντίθεση με τα δισκία του άμορφου φαρμάκου, τα οποία ανακρυσταλλώθηκαν εντός 30 ημερών, επιβεβαιώνοντας έτσι την εξαιρετική σταθερότητα των CAMS εντός του δισκίου. Ωστόσο, η χαρτογράφηση Raman χαμηλής συχνότητας ανίχνευσε απομονωμένους υπολειμματικούς κρυστάλλους GRI, υποδηλώνοντας ότι η ισομοριακή αναλογία GRI/AA είναι κοντά, αλλά όχι ακριβώς, στη βέλτιστη μοριακή αναλογία. Αυτά τα ευρήματα καταδεικνύουν τη δυνατότητα άμεσης συμπίεσης κόνεων CAMS γκριζεοφουλβίνης/αμινοξέων που παρασκευάστηκαν με mHME σε ανθεκτικά και σταθερά δισκία.