Karakterizacija i optimizacija binarnih i ternarnih čvrstih disperzija i ciklodekstrin-polimer sistema kao nosača u cilju poboljšanja brzine rastvaranja teško rastvorljive lekovite supstance

Abstract

Formulacija farmaceutskih oblika za peroralnu primenu sa teško rastvorljivim lekovitim supstancama predstavlja sve veći problem usled niske biološke raspoloživosti ovih supstanci koja je ograničena njihovom niskom brzinom rastvaranja. Formulacija čvrstih disperzija, u kojima je lekovita supstanca rastvorena ili dispergovana unutar polimernog matriksa, predstavlja često korišćen pristup u cilju povećanja brzine rastvaranja teško rastvorljivih lekovitih supstanci. Iako se formulacijom čvrstih disperzija često postiže značajno povećanje brzine rastvaranja teško rastvorljivih lekovitih supstanci, njihova primena je često ograničena faktorima kao što su: problemi sa obezbeñenjem dugoročne stabilnosti lekovite supstance, visok odnos lekovita supstanca:polimer i problemi sa formulacijom finalnog farmaceutskog oblika. Pored formulacije čvrstih disperzija, grañenje inkluzionih kompleksa lekovitih supstanci sa ciklodekstrinima takoñe predstavlja veoma efikasan pristup za povećanje brzine rastvaranja teško rastvorljivih lekovitih supstanci. Ipak, niska efikasnost kompleksiranja, uz veliku molekulsku masu ciklodekstrina često ograničava njihovu primenu na formulaciju niskodoziranih lekovitih supstanci. Brojna istraživanja se sprovode kako bi se prevazišli nedostaci primene čvrstih disperzija i lekovita supstancaciklodekstrin kompleksa i neki od navedenih problema su razmatrani i u ovom istraživanju. U ovom istraživanju razmatrana je mogućnost primene čvrstih disperzija, binarnih lekovita supstanca-ciklodekstrin i ternarnih lekovita supstanca-ciklodekstrin-hidrofilni polimer sistema kao nosača za povećanje brzine rastvaranja karbamazepina, kao teško rastvorljive i visokodozirane lekovite supstance koja pokazuje polimorfizam. U prvoj fazi istraživanja razmatrana je mogućnost primene binarnih čvrstih disperzija karbamazepina sa poloksamerom 188 i poloksamerom 407 u cilju povećanja brzine rastvaranja karbamazepina. Disperzije su izrañivane primenom metoda topljenja u karbamazepin:poloksamer masenim odnosima 1:1, 1:2 i 1:3. Rezultati fizičkohemijske karakterizacije primenom diferencijalne skenirajuće kalorimetrije, polarizacione mikroskopije na zagrejanoj ploči i difrakcije X-zraka na prašku pokazali su da je svim uzorcima čvrstih disperzija karbamazepin prisutan u kristalnom obliku i to u termodinamički najstabilnijem polimorfnom obliku III (monoklinični oblik). Primenom FT-IR spektroskopije pokazano je odsustvo karbamazepin-poloksamer interakcija, što zajedno sa težnjom molekula karbamazepina ka meñusobnoj agregaciji, uočenoj primenom simulacije molekularne dinamike predstavlja moguće objašnjenje za uočenu kristalnu prirodu karbamazepina u uzorcima. Iz svih uzoraka čvrstih disperzija postignuto je značajno povećanje brzine rastvaranja karbamazepina. Tako se tokom prvih 10 minuta ispitivanja rastvorilo više od 80% karbamazepina iz čvrstih disperzija izrañenih sa poloksamerom 188 i 57-67% karbamazepina iz čvrstih disperzija izrañenih sa poloksamerom 407, dok se iz uzoraka čistog karbamazepina rastvorilo tek oko 15% ove lekovite supstance. Brže rastvaranje karbamazepina postignuto je iz čvrstih disperzija izrañenih sa poloksamerom 188, u odnosu na čvrste disperzije sa poloksamerom 407, što se objašnjava većim udelom hidrofilnih etilen oksidnih lanaca kod poloksamera 188. Sa povećanjem udela poloksamera došlo je do smanjenja brzine rastvaranja karbamazepina, što može predstavljati posledicu termoreverzibilno gelirajućih osobina poloksamera. U drugoj fazi istraživanja, prvi put je prikazana kombinovana primena tehnika eksperimentalnog dizajna smeše i veštačkih neuronskih mreža u razvoju čvrstih disperzija. Ternarne karbamazepin-Soluplus®-poloksamer 188 čvrste disperzije izrañivane su metodom rastvaranja, uz variranje udela karbamazepina, Soluplus®-a i poloksamera 188 u okviru unapred postavljenih granica. Iz izrañenih ternarnih čvrstih disperzija postignuto je značajno povećanje brzine rastvaranja karbamazepina, pri čemu se u toku prvih 10 minuta ispitivanja, kod 11 od 22 izrañene formulacije, rastvorilo više od 80% karbamazepina. Primenom D-optimalnog eksperimentalnog dizajna smeše i veštačkih neuronskih mreža tipa višeslojnog perceptrona dobijeni su modeli koji dobro opisuju zavisnost izmeñu udela svih komponenata u ternarnim karbamazepin- Soluplus®-poloksamer 188 čvrstim disperzijama i količine rastvorenog karbamazepina (%) nakon 10 (Q10) i 20 (Q20) minuta ispitivanja, što pokazuju dobijene vrednosti koeficijenta determinacije (R2) iznad 0,95. Dobijeni modeli pokazali su najveći uticaj udela karbamazepina i poloksamera 188 na Q10 i Q20, pri čemu su najviše vrednosti ovih parametara zabeležene pri najvišim udelima poloksamera 188 (20%) i najnižim udelima karbamazepina (20%). Proverom sposobnosti predviñanja dobijenih modela na test setu podataka pokazana je bolja sposobnost predviñanja modela veštačkih neuronskih mreža (R2=0,978) u odnosu na model dobijen primenom eksperimentalnog dizajna smeše (R2=0,741). Fizičkohemijskom karakterizacijom izrañenih formulacija pokazano je da je u svim uzorcima karbamazepin zastupljen u svom termodinamički najstabilnijem polimorfnom obliku III. U trećoj fazi istraživanja ispitivana je mogućnost primene karbamazepinhidroksipropil- β-ciklodekstrin binarnih i karbamazepin-hidroksipropil-β-ciklodekstrinhidrofilni polimer ternarnih sistema u cilju povećanja brzine rastvaranja karbamazepina. Ispitivanjem fazne rastvorljivosti karbamazepina pokazano je da rastvorljivost karbamazepina linearno raste (0,56-102,20 mmol/l) sa porastom koncentracije hidroksipropil-β-ciklodekstrina (0-40% m/v), dajući tzv. AL tip dijagrama fazne rastvorljivosti, koji ukazuje na formiranje inkluzionih kompleksa karbamazepina sa hidroksipropil-β-ciklodekstrinom u stehiometrijskom odnosu 1:1. Dodatkom hidrofilnih polimera (Soluplus® i dva tipa hidroksipropilmetilceluloze različitog stepena substitucije i viskoziteta-Metolose® 90SH-100 i Metolose® 65SH-1500) rastvorima hidroksipropil-β-ciklodekstrina ostvaren je porast efikasnosti kompleksiranja hidroksipropil-β-ciklodekstrina za karbamazepin od 1,5 puta u odnosu na same rastvore hidroksipropil-β-ciklodekstrina. Simulacijom molekularne dinamike u sistemu karbamazepin-hidroksipropil-β-ciklodekstrin-hidroksipropilmetilceluloza pokazano je da dolazi do interakcija izmeñu molekula karbamazepina koji disosuju iz kompleksa sa hidroksipropil-β-ciklodekstrinom i hidroksipropilmetilceluloze. Uočene interakcije mogu sprečiti nastanak dimera karbamazepina i kristalizaciju slobodnih molekula karbamazepina iz rastvora, što predstavlja moguće objašnjenje za uočen porast rastvorljivosti karbamazepina u rastvorima hidroksipropil-β-ciklodekstrina nakon dodatka hidrofilnih polimera. Primenom tehnike sušenja raspršivanjem dobijeni su binarni karbamazepin-hidroksipropil-β-ciklodekstrin i ternarni karbamazepinhidroksipropil- β-ciklodekstrin-hidrofilni polimer sistemi iz kojih je postignuto značajno brže rastvaranje karbamazepina, kako u odnosu na čist karbamazepin, tako i u odnosu na fizičke smeše ekvivalentnog sastava. Najveća brzina rastvaranja karbamazepina postignuta je iz formulacija binarnih karbamazepin-hidroksipropil-β-ciklodekstrin i ternarnih karbamazepin-hidroksipropil-β-ciklodekstrin-Soluplus® sistema, gde je celokupna količina karbamazepina rastvorena već nakon 5 minuta ispitivanja. Kod formulacija izrañenih sa oba tipa hidroksipropilmetilceluloze (Metolose® 90SH-100 i Metolose® 65SH-1500) zabeleženo je nešto sporije i nepotpuno rastvaranje karbamazepina i to naročito kod formulacije izrañene sa tipom hidroksipropilmetilceluloze većeg viskoziteta (Metolose® 65SH-1500), gde je za rastvaranje više od 90% karbamazepina bilo potrebno oko 60 minuta. Fizičkohemijskom karakterizacijom uzoraka pokazano je da je u svim formulacijama dobijenim sušenjem raspršivanjem karbamazepin prisutan u amorfnom obliku, što može ukazati na formiranje inkluzionih kompleksa sa hidroksipropil-β-ciklodekstrinom. Primenom tehnika simulacije molekularnog vezivanja karbamazepina i hidroksipropil- β-ciklodekstrina i simulacije molekularne dinamike pokazano je prisustvo hemijskih interakcija izmeñu molekula karbamazepina i hidroksipropil-β-ciklodekstrina, što je potvrñeno i primenom FT-IR spektroskopije. Uočene interakcije mogu značajno doprineti stabilizaciji nastalih inkluzionih kompleksa. Na osnovu dobijenih rezultata, može se zaključiti da formulacija binarnih i ternarnih čvrstih disperzija, kao i lekovita supstanca-ciklodekstrin binarnih i lekovita supstancaciklodekstrin- hidrofilni polimer ternarnih sistema predstavlja uspešan formulacioni pristup za povećanje brzine rastvaranja karbamazepina. Kako je karbamazepin visokodozirana supstanca, prednost se može dati formulaciji binarnih i ternarnih čvrstih disperzija, pošto sadrže visok udeo karbamazepina.

Formulation of pharmaceutical dosage forms for peroral administration of poorly soluble drugs represents growing problem due to their poor bioavailability, which is limited with their low dissolution rate. Formulation of solid dispersions where drug is dissolved or dispersed within the polymeric matrix is frequently used approach for improving dissolution rate of poorly soluble drugs. Although significant improvement of drug dissolution rate is often achieved with solid dispersion formulation, their application is often limited with factors, such as problems with ensuring of long term drug stability, high drug:polymer ratios and problems with formulation of final dosage form. Besides solid dispersions formulation, formation of drug-cyclodextrin inclusion complexes is also very efficient approach for improving dissolution rate of poorly soluble drugs. However, low complexation efficiency, together with high molecular weight of cyclodextrins often limits their application on the formulations with low dose drugs. Numerous researches have been conducted to overcome aforementioned drawbacks of solid dispersions and drug-cyclodextrins complexes and some of these problems were studied in this research. This study investigated possibility of using solid dispersions, binary drugcyclodextrin and ternary drug-cyclodextrin-hydrophilic polymer systems, as carriers for improving dissolution rate of carbamazepine, as poorly soluble high dose drug that exhibits polymorphism. First phase of research evaluated application of binary solid dispersions of carbamazepine with poloxamer 188 and poloxamer 407 for improving dissolution rate of carbamazepine. Solid dispersions were prepared by melting method in carbamazepine:poloxamer weight ratios of 1:1, 1:2 and 1:3. The results of physicochemical characterization obtained using differential scanning calorimetry, hotstage polarized light microscopy and powder X-ray diffraction showed that in all solid dispersion samples, carbamazepine was present it the crystalline state, in its most stable polymorphic form III (monoclinic form). FT-IR spectroscopy showed absence of carbamazepine-poloxamer interactions, which together with tendency of carbamazepine molecules toward aggregation, observed using molecular dynamics simulation is possible explanation for observed crystalline nature of carbamazepine in the samples. From all of the solid dispersion samples, significant increase of carbamazepine dissolution rate was observed. During the first 10 minutes of testing, more than 80% of carbamazepine was dissolved from poloxamer 188 solid dispersions and 57-67% from poloxamer 407 solid dispersions, while only 15% of carbamazepine was dissolved from the samples of pure drug. Faster carbamazepine dissolution was achieved from solid dispersions prepared with poloxamer 188, compared to solid dispersions prepared with poloxamer 407, which can be explained with higher proportion of hydrophilic ethylene oxide chains in poloxamer 188. Increasing in the proportion of poloxamer led to decreasing of carbamazepine dissolution rate and this can be consequence of thermoreversible gelation properties of poloxamers. The second phase of the research for the first time demonstrated combined application of mixture experimental design and artificial neural networks in the solid dispersions development. Ternary carbamazepine-Soluplus®-poloxamer 188 solid dispersions have been prepared by solvent casting method, with variation in the proportions of carbamazepine, Soluplus® and poloxamer 188, within the predefined constraints. Significant increase of carbamazepine dissolution rate was achieved from ternary solid dispersions, wherein from 11 of 22 prepared formulations more than 80% of carbamazepine was dissolved during the first 10 minutes of testing. D-optimal mixture experimental design and multi layer perceptron artificial neural networks gave models that well describe dependence between proportions of all components in the ternary carbamazepine-Soluplus®-poloxamer 188 solid dispersions and amount of dissolved carbamazepine (%) after 10 (Q10) and 20 (Q20) minutes of the testing, as indicated by the coefficient of determination (R2) higher than 0.95. Obtained models showed the largest influence of the proportions of carbamazepine and poloxamer 188 on both Q10 and Q20, wherein the highest values of these parameters were observed with the highest proportions of poloxamer 188 (20%) and the lowest proportions of carbamazepine (20%). Testing of the predictability of the obtained models on test data set showed better predictability of artificial neural network model (R2=0.978), compared to mixture experimental design model (R2=0.741). Physicochemical characterization of prepared formulations showed presence of the most stable crystalline polymorphic form III of carbamazepine in all samples. Third phase of the research studied possibility of using binary carbamazepinehydroxypropyl- β-cyclodextrin and ternary carbamazepine-hydroxypropyl-β- cyclodextrin-hydrophilic polymer systems with the aim to increase carbamazepine dissolution rate. Phase solubility study showed linear increase of carbamazepine solubility (0.56-102.20 mmol/l) with increase of hydroxypropyl-β-cyclodextrin concentration (0-40% m/v), giving AL-type phase solubility plot that indicates formation of carbamazepine-hydroxypropyl-β-cyclodextrin inclusion complex in 1:1 stoichiometric ratio. Addition of hydrophilic polymers (Soluplus® and two types of hydroxypropyl methylcellulose of different degree of substitution and viscosity- Metolose® 90SH-100 and Metolose® 65SH-1500) to hydroxypropyl-β-cyclodextrin solutions led to 1.5 times increase of complexation efficiency of hydroxypropyl-β- cyclodextrin for carbamazepine, compared to pure hydroxypropyl-β-cyclodextrin solutions. Molecular dynamics simulation in carbamazepine-hydroxypropyl-β- cyclodextrin-hydroxypropyl methylcellulose system showed interactions between hydroxypropyl methylcellulose and carbamazepine molecules that dissociate from complexes with hydroxypropyl-β-cyclodextrin. Observed interactions can prevent formation of carbamazepine dimers and crystallization of free carbamazepine molecules from the solution and this can be possible explanation for observed increase of carbamazepine solubility in the hydroxypropyl-β-cyclodextrin solutions upon addition of hydrophilic polymers. By using of spray drying technique, both binary carbamazepine-hydroxypropyl-β-cyclodextrin and ternary carbamazepinehydroxypropyl- β-cyclodextrin-hydrophilic polymer systems were prepared, which resulted in significantly higher carbamazepine dissolution rate compared to both pure carbamazepine, as well as to physical mixtures of equivalent composition. The highest carbamazepine dissolution rate was achieved from formulations of binary carbamazepine-hydroxypropyl-β-cyclodextrin and ternary carbamazepinehydroxypropyl- β-cyclodextrin-Soluplus® systems, where the entire amount of carbamazepine was dissolved after 5 minutes of testing. Formulations prepared with both types of hydroxypropyl methylcellulose (Metolose® 90SH-100 and Metolose® 65SH-1500) exhibit somewhat slower and incomplete carbamazepine dissolution, particularly in the case of formulation prepared with hydroxypropyl methylcellulose type of higher viscosity (Metolose® 65SH-1500), where 60 minutes was necessary for dissolution of more than 90% of carbamazepine. Physicochemical characterization showed presence of amorphous carbamazepine in all formulations prepared by spray drying, which can indicate on the formation of inclusion complexes with hydroxypropyl-β-cyclodextrin. Molecular docking simulation between carbamazepine and hydroxypropyl-β-cyclodextrin and molecular dynamics simulations showed presence of chemical interactions between carbamazepine and hydroxypropyl-β- cyclodextrin molecules, which was confirmed by using of FT-IR spectroscopy. Observed interactions can significantly contribute to stabilization of the resulting inclusion complexes. Based on the obtained results, it can be concluded that formulation of binary and ternary solid dispersions as well as binary drug-cyclodextrin and ternary drugcyclodextrin- hydrophilic polymer systems represent successful formulation approach for improving solubility of carbamazepine. Since carbamazepine is administered in high doses, preference can be given to the formulation of binary and ternary solid dispersions which contain higher carbamazepine content.