Novel biopharmaceutical development investigations towards drug and formulation performance optimization

ABSTRACT

For a drug to excerpt pharmacological action after oral intake, it first needs to be released from the formulation, get into solution (dissolve), be absorbed, and reach the systemic circulation. Since only solubilized drugs can be absorbed, and thus have therapeutic effect, the understanding of the dissolution and drug release processes of a drug product is of primary importance. Such understanding allows a robust formulation development with an ideal in vivo performance. In order to meet set standards, the performance assessment of oral drug products, such as dissolution testing, often applies conditions that are not reflective of the in vivo environment. The use of non-physiologically relevant dissolution method during the drug product development phase can be misleading and give poor mechanistic understanding of the in vivo dissolution process. Hence, we hypothesized that applying physiologically relevant conditions to the dissolution test would result in more accurate in vivo predictability for a robust and precise development process. Since the buffering system in the intestinal lumen operates at low molarity values, phosphate buffer at low buffer capacity was used as a first approach to an in vivo relevant parameter. Furthermore, a biphasic system was used, that is, the low buffer capacity medium was paired with an organic layer (n-octanol) to mimic the concurrent drug absorption that happens with the in vivo dissolution. Both poorly and highly soluble drugs in immediate release formulations (ibuprofen and metronidazole, respectively) were tested in this set-up to assess the dissolution in the aqueous medium and the partitioning to the organic phase. Additionally, enteric coated formulations were tested in bicarbonate buffer at the in vivo reported molarities values to assess the impact of buffer species on drug dissolution. The evaluated parameters were the buffer system (bicarbonate buffer vs. phosphate buffer), buffer capacity and medium pH. In all approaches, dissolution was also carried out in compendial buffer for comparison purposes. Our results demonstrate that the USP-recommended dissolution method greatly lacked discriminatory power, whereas low buffer capacity media discriminated between manufacturing methods. The use of an absorptive phase in the biphasic dissolution test assisted in controlling the medium pH due to the drug removal from the aqueous medium. Hence, the applied noncompendial methods were more discriminative to drug formulation differences and manufacturing methods than conventional dissolution conditions. In this study, it was demonstrated how biphasic dissolution and a low buffer capacity can be used to assess drug product performance differences. This can be a valuable approach during the early stages of drug product development for investigating drug release with improved physiological relevance. Similarly, all the enteric coated formulations displayed a fast release in phosphate buffer and complied with the compendial performance specifications. On the other hand, they all had a much slower drug release in bicarbonate buffer and failed the USP acceptance criteria. Also, the nature of the drug (acid vs base) impacted the dissolution behavior in bicarbonate buffer. This study indicates that compendial dissolution test for enteric coated tablets lacks physiological relevance and it needs to be reevaluated. Thus, an in vivo relevant performance method for EC products is needed. Overall, the findings of this thesis comprehensively demonstrates that meaningful differences in performance and accordance to clinical reports were only obtained when physiological relevant conditions were applied. Hence, our results indicate that the central hypothesis was answered positively

RESUMO

Para que um medicamento exerça a ação farmacológica após a ingestão oral, ele primeiro precisa ser liberado da formulação, dissolver, ser absorvido e atingir a circulação sistêmica. Uma vez que apenas medicamentos solubilizados podem ser absorvidos e, assim, ter efeito terapêutico, a compreensão dos processos de dissolução e liberação de um medicamento é de extrema importância. Tal compreensão permite o desenvolvimento de uma formulação robusta com o desempenho in vivo ideal. Para atender aos padrões regulatórios previamente estabelecidos, a avaliação da performance de formulações orais, como por exemplo, o teste de dissolução, frequentemente aplica condições que não refletem o ambiente fisiológico. O uso de métodos de dissolução não fisiologicamente relevante durante a fase de desenvolvimento do medicamento pode gerar resultados equivocados sem uma compreensão mecanistica do processo de dissolução in vivo. Portanto, a hipótese desse trabalho é que a aplicação de condições fisiologicamente relevantes no teste de dissolução resultaria em uma predição mais precisa da dissolução in vivo para um processo de desenvolvimento robusto e preciso. Uma vez que o sistema tampão no lúmen intestinal possui baixa molaridade, o tampão fosfato com baixa capacidade tamponante foi usado como uma primeira abordagem como um meio de dissolução fisiologicamente relevante. Além disso, foi utilizado um sistema bifásico, ou seja, o meio de baixa capacidade tamponante combinado a uma fase orgânica (n-octanol) para imitar a absorção in vivo. Formulações de liberação imediata contendo fármacos de baixa e de alta solubilidade (ibuprofeno e metronidazol, respectivamente) foram testadas no sistema bifásico para avaliar a dissolução no meio aquoso e a partição para a fase orgânica. Ademais, formulações com revestimento entérico foram testadas em tampão bicarbonato nos valores de molaridades fisiológicos para avaliar o impacto da espécie tamponante na dissolução do fármaco. Os parâmetros avaliados foram o sistema tampão (tampão bicarbonato vs. tampão fosfato), capacidade tamponante e pH médio. Em todas as abordagens, a dissolução também foi realizada em tampão farmacopeico para fins de comparação. Nossos resultados demonstraram que o método de dissolução farmacopeico não foi discriminativo, enquanto o meio com menor capacidade tamponante diferenciou entre as formulações obtidas via granulação úmida ou compressão direta. Ademais, a utilização da fase orgânica no teste de dissolução bifásica auxiliou no controle do pH do meio aquoso. Portanto, os métodos não compendiais aplicados foram mais discriminativos do que as condições de dissolução convencionais. Neste estudo, foi demonstrado como a dissolução bifásica e uma baixa capacidade tamponante podem ser usadas para avaliar as diferenças na performance de formulações. Esta pode ser uma abordagem valiosa durante os estágios iniciais do desenvolvimento de medicamentos para investigar a liberação destes sob condições fisiologicamente relevantes. Da mesma forma, todas as formulações com revestimento entérico exibiram uma liberação rápida em tampão de fosfato e atenderam às especificações farmacopeicas. Entretanto, a liberação do fármaco foi muito mais lenta em tampão de bicarbonato e consequentemente não cumpriram com as especificações farmacopeicas. Além disso, a natureza do fármaco (ácido vs. base) impactou o comportamento de dissolução no tampão de bicarbonato. Este estudo indica que o teste de dissolução convencional para comprimidos de liberação retardada não possui relevância fisiológica e precisa ser reavaliado. Portanto, os resultados desta tese demonstram de forma abrangente que diferenças significativas na performance condizentes com relatórios clínicos foram obtidas apenas quando as condições fisiológicas relevantes foram aplicadas. Esses resultados indicam que a hipótese central foi respondida positivamente