Design und Entwicklung eines selbstemulgierenden Drug-Delivery-Systems zur Verbesserung der Löslichkeit und Bioverfügbarkeit von Ciprofloxacin

Zusammenfassung

In dieser Studie wird die Formulierung von Ciprofloxacin Self-Emulgifying Drug Delivery Systems vorgestellt und beschrieben.

Zusammenfassung

Ciprofloxacin, ein starkes Fluorchinolon-Antibiotikum, wird zur Behandlung verschiedener bakterieller Infektionen eingesetzt. Dieses Medikament hat eine geringe wässrige Löslichkeit und eine begrenzte orale Bioverfügbarkeit. Um diese Einschränkungen zu überwinden, konzentrierte sich diese Studie auf die Entwicklung eines selbstemulgierenden Arzneimittelabgabesystems (SEDDS) für Ciprofloxacin, mit dem Ziel, seine Löslichkeit und Bioverfügbarkeit zu verbessern. Der Formulierungsprozess umfasste die Auswahl von Silikonöl, Tween 80, Propylenglykol (PG) und Polyethylenglykol (PEG) als Kernkomponenten auf der Grundlage von Löslichkeitsstudien. Die Optimierung der SEDDS-Formulierungen wurde durch pseudoternäre Phasendiagramme geleitet, die bei der Identifizierung der effektiven selbstemulgierenden Bereiche und der Bestimmung des optimalen Verhältnisses von Tensid und Co-Tensid halfen. Die Evaluierung der SEDDS-Formulierungen umfasste Messungen der Tröpfchengröße und des Zetapotenzials sowie die Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie (FT-IR), um die Verträglichkeit von Arzneimitteln und Hilfsstoffen und den erfolgreichen Einbau des Arzneimittels zu bestätigen. Die Formulierungen F2 und F5 wiesen Tröpfchengrößen von 320 nm bzw. 202 nm auf, mit entsprechenden Zetapotentialen von -11,4 mV und -13,38 mV, was auf Stabilität hinweist. Freisetzungsstudien zeigten eine anfängliche schnelle Freisetzung, wobei 88,2 % innerhalb der ersten 2 Stunden aus F5 freigesetzt wurden, gefolgt von einer anhaltenden Freisetzung, die nach 5 Stunden 93,1 % erreichte. Die aktuellen Formulierungen verbessern die Löslichkeit und Bioverfügbarkeit des Medikaments erheblich.

Einleitung

Ciprofloxacin ist ein fluoriertes Chinolon mit signifikanter Aktivität sowohl gegen gramnegative als auch gegen grampositive Bakterien, was hauptsächlich auf das Vorhandensein eines Fluoratoms an Position 6 seiner Naphthyridin-Ringstruktur zurückzuführen ist. Diese Modifikation erweitert sein antibakterielles Wirkungsspektrum ^1,2. Als synthetisches Fluorchinolon-Antibiotikum zielt es auf bakterielle DNA-Gyrase oder Topoisomerase II ab und ist damit eine wirksame Behandlung für verschiedene bakterielle Infektionen. Trotz seines breiten Wirkungsspektrums und seines allgemein sicheren Profils steht es vor Herausforderungen mit geringer wässriger Löslichkeit und oraler Bioverfügbarkeit, was seine klinische Anwendung behindert ^3,4.

Um diese Probleme zu lösen, wurden selbstemulgierende Arzneimittelverabreichungssysteme (SEDDS) eingesetzt. Diese besteht aus einer Mischung aus natürlichen und synthetischen Ölen, nichtionischen Tensiden und Co-Lösungsmitteln/Tensiden, die die Löslichkeit von Arzneimitteln erheblich verbessern ^5,6,7. Diese Systeme sind so konzipiert, dass sie bei Kontakt mit Magen-Darm-Flüssigkeiten feine Öl-in-Wasser-Emulsionen (O/W) oder Mikroemulsionen bilden, was durch die gastrointestinale Motilität erleichtert wird. Dieser Mechanismus verbessert nicht nur die Löslichkeit des Arzneimittels, sondern erleichtert auch die Resorption über den intestinalen Lymphweg, wodurch der hepatische First-Pass-Metabolismus umgangen und die Bioverfügbarkeit erhöht^{wird 8,9}.

Die steigende Anzahl hydrophober Medikamente aufgrund von Fortschritten in der kombinatorischen und medizinischen Chemie stellt aufgrund der schlechten GIT-Absorption eine Herausforderung für die orale Bioverfügbarkeit dar. Diese Situation zeigt, wie wichtig innovative Wirkstoffverabreichungssysteme wie SEDDS sind, um die Löslichkeit und Bioverfügbarkeit solcher Verbindungen zu verbessern^10,11.

Diese Studie konzentrierte sich auf die Formulierung eines stabilen SEDDS mit unterschiedlichen Lipid-, Tensid- und Co-Tensidverhältnissen, um seine Wasserlöslichkeit und orale Bioverfügbarkeit zu verbessern. Frühere Forschungen zeigten das Potenzial von SEDDS, die Bioverfügbarkeit von hydrophoben Arzneimitteln signifikant zu erhöhen, wie bei Aciclovir¹² zu sehen war. Darüber hinaus erleichtert die wasserfreie Natur von SEDDS-Formulierungen deren Verkapselung in Gelatinekapseln, was eine gute Patienten-Compliance und das Potenzial für anhaltende und schnelle Arzneimittelwirkungen bietet¹³.

Es umfasst selbstmikroemulgierende und selbstnanoemulgierende Systeme, produziert Emulsionen mit unterschiedlichen Globuligrößen, bietet physikalische Stabilität und einfache Herstellung. Diese Eigenschaften führen zu einer verbesserten Auflösungsrate und Bioverfügbarkeit, wie der kommerzielle Erfolg von SEDDS-Formulierungen¹⁴ zeigt. Es wurde umfassend durch Stabilitätsstudien, Tröpfchengrößen- und Zetapotenzialanalysen charakterisiert, um seine wässrige Löslichkeit und orale Bioverfügbarkeit zu verbessern¹⁵.

Es bietet mehrere Vorteile gegenüber herkömmlichen Methoden zur Verbesserung der Löslichkeit, wie z. B. festen Dispersionen, Liposomen und Cyclodextrin-Komplexen. Im Gegensatz zu festen Dispersionen, die komplexe Herstellungsprozesse erfordern, sind diese leicht zu formulieren und zu skalieren. Im Vergleich zu Liposomen weisen SEDDS eine überlegene physikalische Stabilität und spontane Emulgierung in Magen-Darm-Flüssigkeiten auf, wodurch die Wirkstoffabsorption verbessert wird. Darüber hinaus verbessert es den Lymphtransport, umgeht den Leberstoffwechsel und erhöht die Bioverfügbarkeit¹⁶. Eine frühere Studie hat die Wirksamkeit von SEDDS bei der Verbesserung der Bioverfügbarkeit von schwer löslichen Arzneimitteln wie Aciclovir gezeigt und damit ihr Potenzial bei der Verabreichung von Arzneimitteln bewiesen¹⁶. Seine klinische Wirksamkeit wird durch seine schlechte wässrige Löslichkeit und geringe orale Bioverfügbarkeit eingeschränkt, was zu einer inkonsistenten Resorption und einer verminderten therapeutischen Wirksamkeit führt. Herkömmliche Ansätze, wie z. B. feste Dispersionen und Cyclodextrin-Komplexe, weisen Einschränkungen in Bezug auf Skalierbarkeit und Stabilität^{auf 17}. Es bietet eine vielversprechende Alternative, indem es bei Kontakt mit Magen-Darm-Flüssigkeiten feine Öl-in-Wasser-Emulsionen bildet, die die Solubilisierung und Absorption von Arzneimitteln verbessern. Es umgeht den hepatischen First-Pass-Metabolismus über den intestinalen Lymphweg und verbessert so die Bioverfügbarkeit¹⁸. In dieser Studie wurde eine SEDDS-Formulierung entwickelt, um Löslichkeitsprobleme zu überwinden und bessere therapeutische Ergebnisse mit verbesserter Stabilität, Auflösung und Patienten-Compliance zu gewährleisten. Das primäre Ziel dieser Studie ist es, die Löslichkeit und orale Bioverfügbarkeit von Ciprofloxacin durch die Entwicklung eines SEDDS zu verbessern. Es hat eine geringe wässrige Löslichkeit und eine begrenzte gastrointestinale Resorption, was seine therapeutische Wirksamkeit einschränkt¹⁹. Durch die Formulierung eines optimierten SEDDS kann das Medikament effizient in Magen-Darm-Flüssigkeiten gelöst werden, was zu einer verbesserten Auflösung, einer verbesserten Absorption durch das intestinale Lymphsystem und letztendlich zu einer erhöhten Bioverfügbarkeit führt. Diese Studie konzentriert sich auf die Optimierung der Lipid-, Tensid- und Co-Tensidzusammensetzung von SEDDS, um eine stabile Formulierung mit verbesserten Wirkstofffreisetzungseigenschaften zu erreichen.

Protokoll

HINWEIS: Die Einzelheiten zu den in dieser Studie verwendeten Reagenzien und Geräten sind in der Materialtabelle aufgeführt.

1. Studien zur Löslichkeit

1. Messen und mischen Sie eine überschüssige Menge des Arzneimittels (Ciprofloxacin) mit der folgenden ausgewählten Ölkombination: Ölsäureöl (2 mL), Olivenöl (2 mL), Rizinusöl (2 mL), Sonnenblumenöl (2 mL), Mygliolöl (2 mL), Tensid wie T-80 (2 mL), T-20 (2 mL) und Co-Tensid einschließlich PG (2 mL), PEG200 (2 mL), PEG400 (2 mL), und PEG600 (2 ml).
2. Die Mischung mit dem Vortex-Mischer gründlich vortexen. Die gemischten Proben werden mit dem Thermomischer bei einer konstanten Temperatur von 25 ± 2 °C inkubiert.
3. Überprüfen Sie die Proben zu festgelegten Zeitpunkten (2 h, 6 h, 12 h, 18 h und 24 h), um festzustellen, wann die Gleichgewichtslöslichkeit erreicht ist.
4. Die Proben werden bei 15 min bei Raumtemperatur bei 16.770 x g zentrifugiert, um den Überstand von ungelösten Partikeln zu trennen. Filtrieren Sie den Überstand durch einen 0,22 μm Membranfilter, um verbleibende Partikel zu entfernen.
5. Messen Sie die Konzentration in den Proben mit dem UV-Vis-Spektralphotometer bei 277 nm. Mischen Sie die Probe vor der Analyse in einem Verhältnis von 50:50 mit Methanol, um eine Beeinträchtigung der Absorptionswerte durch Öl zu vermeiden.

2. Aufbau eines pseudoternären Phasendiagramms

1. Bereiten Sie eine Kombination der folgenden Öle vor: Ölsäureöl (2 mL), Olivenöl (2 mL), Rizinusöl (2 mL), Sonnenblumenöl (2 mL), Mygliolöl (2 mL), Tenside wie T-80 (2 mL), T-20 (2 mL) und Co-Tenside einschließlich PG (2 mL), PEG200 (2 mL), PEG400 (2 mL) und PEG600 (2 mL) basierend auf den Löslichkeitsparametern.
2. Erstellen Sie ein pseudo-ternäres Phasendiagramm. Formulieren Sie das Phasendiagramm für alle Tensid- und Co-Tensid-Gemische.
   HINWEIS: Ein pseudo-ternäres Phasendiagramm ist ein dreieckiges Diagramm, das in der Formulierungswissenschaft verwendet wird, insbesondere bei der Entwicklung von Emulsionen, Mikroemulsionen oder selbstemulgierenden Wirkstoffabgabesystemen (SEDDS), um das Phasenverhalten von Gemischen visuell darzustellen, die drei Hauptkomponenten enthalten: typischerweise Öl, Wasser und eine Mischung aus Tensiden und Co-Tensiden (Smix). Das pseudo-ternäre Phasendiagramm hilft bei der Identifizierung von Bereichen, in denen sich die Formulierung bildet: klare Mikroemulsionen, trübe Emulsionen oder Phasentrennung (instabile Gemische). Durch die Darstellung verschiedener Kombinationen der drei Komponenten können Sie bestimmen, welche Verhältnisse zu einem stabilen und homogenen System führen, das sich ideal für die Verabreichung von Medikamenten eignet.
3. Variieren Sie das Öl- und Smix-Verhältnis von 1/9 bis 9/1 für das Diagramm der pseudoternären Phase. Gib destilliertes Wasser tropfenweise zu der Mischung. Beobachten Sie den Wechsel von einer klaren zu einer trüben Lösung.
4. Messen Sie die Menge des hinzugefügten Wassers, indem Sie die Mischung aus Öl und Tensid vor und nach der Zugabe von Wasser wiegen. Berechnen Sie die prozentuale Zusammensetzung aller Komponenten mit der entsprechenden Software, um ein pseudo-ternäres Phasendiagramm zu erstellen.
5. Identifizieren Sie den stabilen Emulgierbereich für jeden Smix anhand des Phasendiagramms.
   1. Bei jedem Gemisch ist visuell zu beobachten, ob es klar und transparent (mikroemulsionsstabil), leicht trüb oder bläulich (Nanoemulsionsstabil), milchig oder phasentrennend (instabil) ist.
   2. Halten Sie die Ergebnisse mit verschiedenen Markierungen oder Farben im Diagramm fest. Zeichnen Sie die Daten im Phasendiagramm auf. Zeichnen Sie für jedes Smix-Verhältnis alle getesteten Zusammensetzungen auf und markieren Sie diejenigen, die stabile Emulsionen/Mikroemulsionen gebildet haben. Der Bereich, in dem sich diese stabilen Mischungen ansammeln, ist die Emulgierzone.
   3. Identifizieren Sie den stabilen Emulgierbereich. Der stabile Emulgierbereich ist der Bereich im Diagramm, in dem die meisten Formulierungen schnell klare oder leicht bläuliche Emulsionen bilden, die über die Zeit stabil bleiben (keine Phasentrennung). Dieser Bereich zeigt das beste Öl:Smix:Wasser-Verhältnis für den jeweiligen Smix.Je größer der Bereich, desto robuster ist das Smix-Verhältnis bei der Bildung von Emulsionen.
   4. Vergleichen Sie verschiedene Smix-Diagramme. Nachdem Sie Diagramme für verschiedene Smix-Verhältnisse erstellt haben, vergleichen Sie die Größe und Form der Emulgierzonen. Das Smix-Verhältnis mit der größten stabilen Fläche wird in der Regel bevorzugt, aber auch die Tröpfchengröße, die Löslichkeit des Arzneimittels und die Stabilität sollten berücksichtigt werden.

3. SEDDS-Vorbereitung

1. Bereiten Sie Formulierungen mit Tensid- und Co-Tensidmischungen zwischen 30 % und 60 % vor. Bereiten Sie vier Formulierungen für jedes Phasendiagramm innerhalb dieses Bereichs vor.
2. Fügen Sie 25 mg des Arzneimittels zu 100 mg der Ölphase hinzu. Mischen Sie die Ölphase und das Medikament mit einem Wirbelmischer.
3. Geben Sie eine ausreichende Menge Smix, abhängig von der Analyse in den Schritten 2.3-2.5, für 10 Minuten in die Öl-Wirkstoffmischung. Durch Homogenisierung gut mischen.
4. Halten Sie den Ölgehalt in allen acht Formulierungen (F1, F2, F3, F4, F5, F6, F7, F8) unverändert. Mache die Menge von Smix in jeder der acht Formulierungen unterschiedlich.

4. Physikalische Charakterisierung

1. Thermodynamische Untersuchungen
   1. Zentrifugieren Sie die Formulierungen für 15 min bei 6.037 x g. Verwenden Sie den Überstand und wählen Sie nur die Formulierungen ohne Phasentrennung für den Frost-Tau-Stresstest aus.
   2. Die ausgewählten Formulierungen werden drei Gefrier-Auftau-Sets bei 40 °C, Raumtemperatur und 20 °C unterzogen. Die Formulierungen werden während der Frost-Tau-Härten 48 Stunden lang bei jeder Temperatur aufbewahrt.
2. Identifizierung der Selbstemulgierzeit
   1. Bereiten Sie die Auflösungsapparatur II (USP) vor. Gießen Sie 500 ml destilliertes Wasser in jedes Auflösungsgefäß. Beginnen Sie mit dem Rühren des Wassers bei 50 U/min und halten Sie eine Temperatur von 37 ± 2 °C.
   2. 100 μl der Formulierungsprobe werden in das Gerät gegeben. Beachten Sie den Zeitpunkt der Emulsionsbildung. Die beobachtete Zeit stellt die Selbstemulgierungszeit dar.
3. Robustheit gegenüber Verdünnung
   1. Mischen Sie jede Formulierung mit Wasser, Säurepuffer pH 1,20 und Phosphatpuffer pH 6,80 im Verhältnis 1.000:1, 100:1 bzw. 50:1. Beobachten Sie jede Formulierung visuell.
   2. Lehnen Sie alle Formulierungen ab, die einen Emulsionsbruch aufweisen.
4. Messung des Trübungspunkts
   1. Nehmen Sie 1 ml aller Formulierungen und mischen Sie sie mit 200 ml Wasser. Die Mischung in ein Wasserbad geben und die Temperatur langsam von 0 °C auf 75 °C erhöhen.
   2. Beobachten Sie die Mischung auf Trübungen und notieren Sie die Temperatur, bei der sie trüb wird. Wiederholen Sie den Test für stabile Präparate in dreifacher Ausfertigung, um genaue Ergebnisse zu erhalten. Ein Trübungspunkt ist die Temperatur, bei der eine klare Emulsion trüb wird.
5. Analyse der Tröpfchengröße und des Zetapotenzials
   1. Verdünnen Sie die ausgewählten Formulierungen 100x mit Wasser. Mischen Sie die verdünnten Formulierungen mindestens 1 Minute lang mit einem Ultraschall-Homogenisator.
   2. Analysieren Sie das Zetapotenzial und die Partikelgrößenverteilung, wie in²⁰ beschrieben.
   3. Nehmen Sie 0,1 mL der frisch zubereiteten Emulsion in ein 25 mL Becherglas und verdünnen Sie sie mit 9,9 mL destilliertem Wasser. Nehmen Sie 2,5 mL dieser verdünnten Lösung aus der Stammlösung in eine 3 mL Quarzküvette.
   4. Klicken Sie auf das DTS-Desktop-Symbol, um die Software zu starten. Übertragen Sie die vorbereitete Probe in die 3 mL Quarzküvette. Vergewissern Sie sich, dass keine Luftblasen mehr vorhanden sind.
   5. Öffnen Sie die Abdeckung und setzen Sie die Küvette in das Gerät ein, wobei Sie darauf achten, dass die Küvette in Bezug auf den Weg des Lichtstrahls korrekt ausgerichtet ist. Klicken Sie auf das Symbol Messung .
   6. Die Küvette herausnehmen. Entnehmen Sie die Probe oder entsorgen Sie sie ordnungsgemäß. Speichern Sie die Daten als PDF in einem persönlichen Ordner zur weiteren Verwendung.
6. Morphologische Untersuchungen
   1. Verdünnen Sie die Probenformulierung 50x mit deionisiertem Wasser, um eine gut dispergierte Probe zu erhalten.
   2. Verteilen Sie einen dünnen Film der verdünnten Probe auf einem Objektträger und positionieren Sie die erhaltene Probe auf dem Objektträger, um winzige Filme zu erhalten.
   3. Entwässern Sie den dünnen Film durch Gefriertrocknung. Legen Sie die dünne Folie in den Gefrierschrank und trocknen Sie den Objektträger durch Gefriertrocknung bei extrem niedrigen Temperaturen (typischerweise -40 °C bis -80 °C).
   4. Analysieren Sie die gefriergetrocknete Probe mit einem Rasterelektronenmikroskop (REM; 31.653x), um oberflächliche morphologische Untersuchungen durchzuführen.
7. Untersuchungen mit Fourier-Transformations-Infrarot (FT-IR)
   1. Stellen Sie die Wellenzahlen des Instruments zwischen 4.000 ^cm-1 und 400 ^cm-1 ein, indem Sie Umgebungsluft als Hintergrund und eine Auflösung von 1 ^cm-1 verwenden. Siehe²¹.
   2. Erfassen Sie Spektren des reinen Arzneimittels und der optimierten Formulierung separat. Platzieren Sie die Proben auf dem Probenahmebereich. Stellen Sie die Zählung auf 16 Scans, die Auflösung 4, die Messkraft 80 und den Druckarm mit flacher Spitze ein.
   3. Stellen Sie sicher, dass die Option "Auto Increment" auf die Option "Leer" eingestellt bleibt, damit das Spektrum automatisch im gewünschten Ordner gespeichert wird.
   4. Um die Stichprobenmessung zu starten, klicken Sie auf die Schaltfläche Probe. Da es nach der Auswahl der Probe keine Wartezeit gibt, stellen Sie sicher, dass die Probe bereit ist und die Druckklemme reduziert wird. Analysieren Sie alle Proben einzeln, eine nach der anderen.
8. In-vitro-Wirkstofffreisetzung
   1. Bereiten Sie eine Stammlösung aus reinem Arzneimittel (0,17 mg/ml), F2 und F5 (0,1 w/v) in einem vorgewärmten 50 mM Phosphatpuffer mit einem pH-Wert von 7,4 bei 37 ± 2 °C vor.
   2. Füllen Sie 1,0 ml der reinen Basislösung des Arzneimittels und 1 ml jeder Formulierung in Dialyseröhrchen. Jede Probe wird bei 300 U/min bei 37 ± 2 °C in 25 ml Phosphatpuffer mit einem Thermomischer dialysiert.
   3. Nehmen Sie 0,1 mL Aliquots aus dem Medium in Abständen von 0 h, 1 h, 2 h, 3 h, 4 h, 5 h und 6 h. Ersetzen Sie die Aliquote durch ein gleiches Volumen von 50 mM pH 7,4 Phosphatpuffer.
   4. Verwenden Sie die Fluoreszenzspektroskopie, um die Menge des reinen Arzneimittels nach Hintergrundkorrektur durch Anregung bei einer Wellenlänge von 335 nm und Emission bei einer Wellenlänge von 420 nm zu bestimmen.

Ergebnisse

Löslichkeitsstudie und pseudoternäres Phasendiagramm
Die Löslichkeit des reinen Arzneimittels in den ausgewählten Komponenten ist bei Silikonöl mit 85 mg/ml am höchsten, gefolgt von Tween 80 bei 70 mg/ml, PG bei 50 mg/ml und PEG bei 30 mg/ml. Das abgeleitete pseudo-ternäre Phasendiagramm zeigte ein konstantes Verhältnis von Tensiden zu Co-Tensiden (Smix). In der Grafik zeigte ein System aus PG/PEG 600 und T-80 im Verhältnis 1:6 eine große Fläche, die mit Silikonöl emulgiert werden kann.

Diskussion

Etwa 40 % der neuen chemischen Wirkstoffe weisen eine schlechte Löslichkeit in Wasser auf, was zu einer verminderten oralen Bioverfügbarkeit führt²². Diese Herausforderung behindert die klinische Anwendung vieler potenzieller therapeutischer Wirkstoffe erheblich. Es handelt sich um ein breit gefächertes synthetisches Fluorchinolon-Antibiotikum, das unter BCS IV kategorisiert wird und beispielhaft für solche Arzneimittel mit Löslichkeitsproblemen^s...

Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien

Name	Unternehmen	Katalognummer	Kommentare
Ciprofloxacin	Feroze-Son Pharma (Nowshera 24,110, Pakistan	NA	Standard Medikament
Mygliol Öl,	Dow Chemical Ltd, Bangkok 10,110, Thailand	NA
Ölsäureöl, Silikonöl, Olivenöl, Rizinusöl und Sonnenblumenöl	Gaziantep (Gunedogu Anadolu 34,810, Türkei)	NA	Ölphase
Polyethenoxid 200	Sigma Aldrich (Saint Louis, Missouri 63,101, Vereinigte Staaten	8,17001	Co-Tensid
Polyethylenoxid 400	Sigma Aldrich (Saint Louis, Missouri 63,101, Vereinigte Staaten	182028	Co-Tensid
Polyethenoxid 600	Ahad International Pharmaceutical, Dera Ismail Khan, 29,050, Pakistan	NA	Co-Tensid
Polyethylen Glycol (PG)	Sigma Aldrich (Saint Louis, Missouri 63,101, Vereinigte Staaten	1546401	Co-Tensid
Tween 20	Sigma Aldrich (Saint Louis, Missouri 63,101, Vereinigte Staaten 11332465001
Tween 80	Sigma Aldrich (Saint Louis, Missouri 63,101, Vereinigte Staaten	P8074	Tensid