Optimization of in vitro test conditions for PLGA-based drug delivery systems

Abstract

The biorelevance of the in vitro conditions should be considered when designing dissolution or release test methods for controlled release for orals and parenterals. Nevertheless, there are very few reports on such test systems for parenteral dosage forms and most IVIVCs have been achieved without considering physiologically relevant testing conditions in the in vitro system. The major drawback of almost all of the currently used in vitro release tests for controlled release parenteral formulations is that the formulations are exposed only to release medium, which does not mimic the physiological environment. When a PLGA-based implant is completely surrounded only by release medium, it can absorb water and swell to its maximal degree, differently to in vivo, where less water is available and the formulation is not only in contact with body fluid, but also exposed to the tissue cells. The purpose of this work was to study the swelling of the implant ex vivo. To design a new in vitro test to mimic mechanical properties of the tissue, which may influence dosage form performance in a standardized and reproducible manner and to study its effect on drug release. To assess biphasic system as biorelevant media and investigate its effect on risperidone release from PLGA-based implants. Ex vivo studies to evaluate and quantify the tissue force applied to the formulation showed that the mechanical properties of the tissue and amount of water available in vivo both play an important role for the restriction of swelling and the shape change of implants. For simulation of limited physiological space, a device was designed to prevent the swelling of formulation. The acidic, basic and nonionic model drugs (e.g.,ibuprofen, risperidone and theophylline) were used for this experiment. The risperidone release during diffusion and lag phase was slightly lower for restricted implants compared to unrestricted, due to the lower wettability of implants in the device. This difference in the diffusion and lag phase was more pronounced for ibuprofen and theophylline compared to risperidone due to their higher solubility. In erosion phase, drug release rate under restricted conditions was higher than unrestricted implants for all three drug models. Under restricted swelling conditions water uptake and surface area was decreased which leads to the decreased mobility of the polymer degradation products so that they could not diffuse out of the matrix, caused for a faster pH drop and accelerated erosion. Risperidone release from implants was studied in monophasic and biphasic systems (octanol: water or olive oil: water). In the biphasic system the burst release was higher, the lag phase was shorter and the release rate during erosion phase was higher compared to the monophasic system. Accelerated effect in biphasic system was attributed to the plasticizing effect of octanol. Octanol decreased polymer glass transition temperature, increasing the molecular mobility and free volume in the implant, and consequently, increased the polymer erosion and drug diffusion through the polymeric matrix. Octanol might also increase oligomers solubility, which accelerated polymer erosion. Olive oil has a similar effect as octanol. Biphasic release model could be potentially the appropriate biorelevant media for risperidone PLGA-based implant, since octanol and olive oil both with a hydrophobic and hydrophilic group can simulate lipid membrane of tissue cells. In conclusion, it may not be possible to simulate all of the biologically relevant reactions at the site of administration through the use of single in vitro system, since the biological environment surrounding the formulation is very complex and not static. However, it is still possible to simulate single in vivo aspect in vitro, in order to investigate its effect on drug release and to develop in vitro tests, which are more biorelevant than the current available in vitro tests.

Die Biorelevanz sollte bei der Entwicklung von In-Vitro-Methoden für orale und parenterale Formulierungen mit kontrollierter Freisetzung berücksichtigt werden. Dennoch gibt es nur wenige Berichte über solche Methoden für parenterale Formulierungen. Wenn ein PLGA-basiertes Implantat durch das Freisetzungsmedium vollständig umgeben ist, kann es unbegrenzt Wasser aufnehmen und bis zu seinem maximalen Ausmaß quellen, anders als In-Vivo, wo weniger Wasser vorhanden ist und die Formulierung nicht nur in Kontakt mit Körperflüssigkeiten ist, sondern auch zu den Gewebezellen exponiert ist. Das Ziel dieser Studie war, die Implantatsquellung Ex-Vivo zu bewerten, die auf die Formulierung ausgeübte Kraft nach der Implantation im Körper zu messen und den erzeugten Druck im Gewebe zu berechnen. Ein neuer standardisierter und reproduzierbarer In-Vitro-Test sollte etabliert werden, der die mechanischen Eigenschaften des Gewebes auf die Arzneisform simuliert und den Effekt auf die Arzneimittelfreisetzung untersucht. Das zweiphasen System sollte als biorelevantes Medium beurteilt und sein Effekt auf die Risperidon-Freisetzung von PLGA-basierten Implantaten untersucht werden. Die Ex-Vivo Untersuchungen zeigten, dass die mechanischen Eigenschaften des Gewebes und die Menge an Wasser, die In-Vivo verfügbar ist, beide eine wichtige Rolle für die eingeschränkte Quellung und die Deformierung von Implantaten spielen. Dies zeigte, dass nach der Implantation eines Implants bestimmte Kraft vom Gewebe auf die Implantate ausgeuebt wird, die die Quellung und die Wasseraufnahme von implantaten eingeschränkt. Um den begrenzten physiologischen Raum zu simulieren wurde eine Vorrichtung entworfen, die die Quellung der Formulierung verhindert. Es wurde festgestellt, dass die Arzneistofffreisetzung von der Vorrichtung nicht kontrolliert wurde. Die drei Arzneistoffe, Risperidone, Ibuprofen und Theophyllin wurden in diesem Experiment verwendet. Alle PLGA-basierten Implantate zeigten ein typisches multiphasisches Freisetzungsprofil: Burst-Freisetzung, Diffusionsphase, gefolgt von einer Verzögerungsphase und einer erosionsgesteuerten Freisetzungsphase. Die Risperidon-Freisetzung während der Diffusions- und Verzögerungsphase war niedriger für Implantate mit eingeschränkter Quellung im Vergleich zu Implantaten mit uneingeschränkter Quellung, aufgrund ihrer geringeren Hydratation in der Vorrichtung. Der Unterschied in der Diffusions- und Verzögerungsphase war für Ibuprofen und Theophyllin, aufgrund ihrer höheren Löslichkeit im Vergleich zu Risperidon, stärker ausgeprägt. Sobald die Erosionsphase erreicht wurde, die Arzneistoff-Freisetzungsrate unter eingeschränkten Quellbedingungen höher als bei uneingeschränkt gequollenen Implantaten für alle drei Arzneistoffmodelle. Unter eingeschränkten Quellbedingungen wurde die Wasseraufnahme verringert. Die verminderte Wasseraufnahme führt zu einer verminderten Löslichkeit und Diffusion der Polymerabbauprodukte, so dass sie nicht aus der Matrix diffundieren konnten. Weiterhin erhöhte sich die Oberfläche der uneingeschränkt gequollenen Implantaten mit zunehmender Quellung, so dass die Abbauprodukte unter diesen Bedingungen leichter aus der Matrix diffundieren können. Gleichzeitig wurde der Massenverlust und der Polymerabbau bestimmt und es wurde festgestellt, dass der Massenverlust und der Polymerabbau unter eingeschränktem Quellzustand beschleunigt wurden. Bei uneingeschränkter Quellung war der MikropH während der gesamten Experimentzeit zwischen 3,5 und 4,5. Im Gegensatz dazu reduzierte sich der MikropH der Implantaten in der Vorrichtung innerhalb von 9 Tagen auf 1,5 und blieb für die folgenden 7 Tage konstant. Wie angedeutet, war die Diffusion von Abbauprodukten aus der Implantat in der Vorrichtung, aufgrund der reduzierte Oberfläche und verminderter Hydratation, verringert. Oligomere bleiben in der Matrix, was einen schnellere Mikro-pH-Abnahme und eine beschleunigte Erosion verursacht. Die Risperidon-Freisetzung aus den Implantaten wurde in monophasischen und biphasischen Systemen (Octanol: Wasser oder Olivenöl: Wasser) untersucht. Beide Systeme zeigten ein triphasisches Freisetzungsprofil, welches vorher schon beschrieben wurde. In dem biphasischen System war die Burst-Freisetzung höher, die Verzögerungsphase kürzer und die Freisetzungsrate während der Erosionsphase höher im Vergleich zu dem monophasischen System. Die beschleunigte Arzneistoff-Freisetzung im biphasischen System wurde durch den plastifizierenden Effekt von Octanol verursacht. Octanol verringerte die Polymer-Glasübergangstemperatur, was die molekulare Beweglichkeit und das freie Volumen im Implantat erhöht und folglich die Polymererosion und die Arzneistoffdiffusion durch die Polymermatrix erhöht. Octanol könnte auch die Löslichkeit der Oligomeren erhöht haben, was die Polymererosion zusätzlich beschleunigt haben könnte. Olivenöl hatte eine ähnliche Wirkung wie Octanol. Das biphasische Freisetzungsmodell könnte als biorelevantes Medium für das Risperidon-PLGA-basierte Implantat geeignet sein, da Octanol und Olivenöl beide sowohl eine hydrophobe als auch eine hydrophile Gruppe besitzen und somit die Lipidmembran der Gewebezellen simulieren können. Abschließend lässt sich festhalten, dass es wahrscheinlich nicht möglich ist, durch einen einzelnen In-Vitro Test alle biologisch relevanten Reaktionen am Applikationsort zu simulieren, da die biologische Umgebung, die die Formulierung umgibt, sehr komplex und nicht statisch ist. Es ist jedoch möglich, einzelne In-Vivo-Aspekte, In-Vitro zu simulieren, um deren Effekte auf die Arzneistofffreisetzung zu untersuchen und In-Vitro-Tests zu entwickeln, die biorelevanter als die derzeitig verfügbaren In-Vitro-Tests sind.