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 rastvorljivimlekovitim supstancama predstavlja sve veći problem usled niske biološke raspoloživostiovih supstanci koja je ograničena njihovom niskom brzinom rastvaranja. Formulacijačvrstih disperzija, u kojima je lekovita supstanca rastvorena ili dispergovana unutarpolimernog matriksa, predstavlja često korišćen pristup u cilju povećanja brzinerastvaranja teško rastvorljivih lekovitih supstanci. Iako se formulacijom čvrstihdisperzija često postiže značajno povećanje brzine rastvaranja teško rastvorljivihlekovitih supstanci, njihova primena je često ograničena faktorima kao što su: problemisa obezbeñenjem dugoročne stabilnosti lekovite supstance, visok odnos lekovitasupstanca:polimer i problemi sa formulacijom finalnog farmaceutskog oblika. Poredformulacije čvrstih disperzija, grañenje inkluzionih kompleksa lekovitih supstanci saciklodekstrinima takoñe predstavlja veoma efikasan pristup za povećanje brzinerastvaranja teško rastvorljivih lekovitih supstanci. Ipak, niska efikasnostkompleksiranja, uz veliku molekulsku masu ciklodekstrina često ograničava njihovuprimenu na formulaciju niskodoziranih lekovitih supstanci. Brojna istraživanja sesprovode kako bi se prevazišli nedostaci primene čvrstih disperzija i lekovita supstancaciklodekstrinkompleksa i neki od navedenih problema su razmatrani i u ovomistraživanju.U ovom istraživanju razmatrana je mogućnost primene čvrstih disperzija, binarnihlekovita supstanca-ciklodekstrin i ternarnih lekovita supstanca-ciklodekstrin-hidrofilnipolimer sistema kao nosača za povećanje brzine rastvaranja karbamazepina, kao teškorastvorljive i visokodozirane lekovite supstance koja pokazuje polimorfizam.U prvoj fazi istraživanja razmatrana je mogućnost primene binarnih čvrstihdisperzija karbamazepina sa poloksamerom 188 i poloksamerom 407 u cilju povećanjabrzine rastvaranja karbamazepina. Disperzije su izrañivane primenom metoda topljenjau karbamazepin:poloksamer masenim odnosima 1:1, 1:2 i 1:3. Rezultati fizičkohemijskekarakterizacije primenom diferencijalne skenirajuće kalorimetrije, polarizacionemikroskopije na zagrejanoj ploči i difrakcije X-zraka na prašku pokazali su da je svimuzorcima čvrstih disperzija karbamazepin prisutan u kristalnom obliku i to utermodinamički najstabilnijem polimorfnom obliku III (monoklinični oblik). PrimenomFT-IR spektroskopije pokazano je odsustvo karbamazepin-poloksamer interakcija, štozajedno sa težnjom molekula karbamazepina ka meñusobnoj agregaciji, uočenojprimenom simulacije molekularne dinamike predstavlja moguće objašnjenje za uočenukristalnu prirodu karbamazepina u uzorcima. Iz svih uzoraka čvrstih disperzijapostignuto je značajno povećanje brzine rastvaranja karbamazepina. Tako se tokomprvih 10 minuta ispitivanja rastvorilo više od 80% karbamazepina iz čvrstih disperzijaizrañenih sa poloksamerom 188 i 57-67% karbamazepina iz čvrstih disperzija izrañenihsa poloksamerom 407, dok se iz uzoraka čistog karbamazepina rastvorilo tek oko 15%ove lekovite supstance. Brže rastvaranje karbamazepina postignuto je iz čvrstihdisperzija izrañenih sa poloksamerom 188, u odnosu na čvrste disperzije sapoloksamerom 407, što se objašnjava većim udelom hidrofilnih etilen oksidnih lanacakod poloksamera 188. Sa povećanjem udela poloksamera došlo je do smanjenja brzinerastvaranja karbamazepina, što može predstavljati posledicu termoreverzibilnogelirajućih osobina poloksamera.U drugoj fazi istraživanja, prvi put je prikazana kombinovana primena tehnikaeksperimentalnog dizajna smeše i veštačkih neuronskih mreža u razvoju čvrstihdisperzija. Ternarne karbamazepin-Soluplus®-poloksamer 188 čvrste disperzijeizrañivane su metodom rastvaranja, uz variranje udela karbamazepina, Soluplus®-a ipoloksamera 188 u okviru unapred postavljenih granica. Iz izrañenih ternarnih čvrstihdisperzija postignuto je značajno povećanje brzine rastvaranja karbamazepina, pri čemuse u toku prvih 10 minuta ispitivanja, kod 11 od 22 izrañene formulacije, rastvorilo višeod 80% karbamazepina. Primenom D-optimalnog eksperimentalnog dizajna smeše iveštačkih neuronskih mreža tipa višeslojnog perceptrona dobijeni su modeli koji dobroopisuju 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 vrednostikoeficijenta determinacije (R2) iznad 0,95. Dobijeni modeli pokazali su najveći uticajudela karbamazepina i poloksamera 188 na Q10 i Q20, pri čemu su najviše vrednosti ovihparametara zabeležene pri najvišim udelima poloksamera 188 (20%) i najnižim udelimakarbamazepina (20%). Proverom sposobnosti predviñanja dobijenih modela na test setupodataka 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 daje u svim uzorcima karbamazepin zastupljen u svom termodinamički najstabilnijempolimorfnom obliku III.U trećoj fazi istraživanja ispitivana je mogućnost primene karbamazepinhidroksipropil-β-ciklodekstrin binarnih i karbamazepin-hidroksipropil-β-ciklodekstrinhidrofilnipolimer ternarnih sistema u cilju povećanja brzine rastvaranja karbamazepina.Ispitivanjem fazne rastvorljivosti karbamazepina pokazano je da rastvorljivostkarbamazepina linearno raste (0,56-102,20 mmol/l) sa porastom koncentracijehidroksipropil-β-ciklodekstrina (0-40% m/v), dajući tzv. AL tip dijagrama faznerastvorljivosti, koji ukazuje na formiranje inkluzionih kompleksa karbamazepina sahidroksipropil-β-ciklodekstrinom u stehiometrijskom odnosu 1:1. Dodatkom hidrofilnihpolimera (Soluplus® i dva tipa hidroksipropilmetilceluloze različitog stepenasubstitucije i viskoziteta-Metolose® 90SH-100 i Metolose® 65SH-1500) rastvorimahidroksipropil-β-ciklodekstrina ostvaren je porast efikasnosti kompleksiranjahidroksipropil-β-ciklodekstrina za karbamazepin od 1,5 puta u odnosu na same rastvorehidroksipropil-β-ciklodekstrina. Simulacijom molekularne dinamike u sistemukarbamazepin-hidroksipropil-β-ciklodekstrin-hidroksipropilmetilceluloza pokazano jeda dolazi do interakcija izmeñu molekula karbamazepina koji disosuju iz kompleksa sahidroksipropil-β-ciklodekstrinom i hidroksipropilmetilceluloze. Uočene interakcijemogu sprečiti nastanak dimera karbamazepina i kristalizaciju slobodnih molekulakarbamazepina iz rastvora, što predstavlja moguće objašnjenje za uočen porastrastvorljivosti karbamazepina u rastvorima hidroksipropil-β-ciklodekstrina nakondodatka hidrofilnih polimera. Primenom tehnike sušenja raspršivanjem dobijeni subinarni karbamazepin-hidroksipropil-β-ciklodekstrin i ternarni karbamazepinhidroksipropil-β-ciklodekstrin-hidrofilni polimer sistemi iz kojih je postignuto značajnobrže rastvaranje karbamazepina, kako u odnosu na čist karbamazepin, tako i u odnosuna fizičke smeše ekvivalentnog sastava. Najveća brzina rastvaranja karbamazepinapostignuta je iz formulacija binarnih karbamazepin-hidroksipropil-β-ciklodekstrin iternarnih karbamazepin-hidroksipropil-β-ciklodekstrin-Soluplus® sistema, gde jecelokupna količina karbamazepina rastvorena već nakon 5 minuta ispitivanja. Kodformulacija izrañenih sa oba tipa hidroksipropilmetilceluloze (Metolose® 90SH-100 iMetolose® 65SH-1500) zabeleženo je nešto sporije i nepotpuno rastvaranjekarbamazepina i to naročito kod formulacije izrañene sa tipomhidroksipropilmetilceluloze većeg viskoziteta (Metolose® 65SH-1500), gde je zarastvaranje više od 90% karbamazepina bilo potrebno oko 60 minuta.Fizičkohemijskom karakterizacijom uzoraka pokazano je da je u svim formulacijamadobijenim sušenjem raspršivanjem karbamazepin prisutan u amorfnom obliku, što možeukazati 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 hemijskihinterakcija izmeñu molekula karbamazepina i hidroksipropil-β-ciklodekstrina, što jepotvrñeno i primenom FT-IR spektroskopije. Uočene interakcije mogu značajnodoprineti stabilizaciji nastalih inkluzionih kompleksa.Na osnovu dobijenih rezultata, može se zaključiti da formulacija binarnih i ternarnihčvrstih disperzija, kao i lekovita supstanca-ciklodekstrin binarnih i lekovita supstancaciklodekstrin-hidrofilni polimer ternarnih sistema predstavlja uspešan formulacionipristup za povećanje brzine rastvaranja karbamazepina. Kako je karbamazepinvisokodozirana supstanca, prednost se može dati formulaciji binarnih i ternarnih čvrstihdisperzija, pošto sadrže visok udeo karbamazepina.

Formulation of pharmaceutical dosage forms for peroral administration of poorlysoluble drugs represents growing problem due to their poor bioavailability, which islimited with their low dissolution rate. Formulation of solid dispersions where drug isdissolved or dispersed within the polymeric matrix is frequently used approach forimproving dissolution rate of poorly soluble drugs. Although significant improvementof drug dissolution rate is often achieved with solid dispersion formulation, theirapplication is often limited with factors, such as problems with ensuring of long termdrug stability, high drug:polymer ratios and problems with formulation of final dosageform. Besides solid dispersions formulation, formation of drug-cyclodextrin inclusioncomplexes is also very efficient approach for improving dissolution rate of poorlysoluble drugs. However, low complexation efficiency, together with high molecularweight of cyclodextrins often limits their application on the formulations with low dosedrugs. Numerous researches have been conducted to overcome aforementioneddrawbacks of solid dispersions and drug-cyclodextrins complexes and some of theseproblems were studied in this research.This study investigated possibility of using solid dispersions, binary drugcyclodextrinand ternary drug-cyclodextrin-hydrophilic polymer systems, as carriers forimproving dissolution rate of carbamazepine, as poorly soluble high dose drug thatexhibits polymorphism.First phase of research evaluated application of binary solid dispersions ofcarbamazepine with poloxamer 188 and poloxamer 407 for improving dissolution rateof carbamazepine. Solid dispersions were prepared by melting method incarbamazepine:poloxamer weight ratios of 1:1, 1:2 and 1:3. The results ofphysicochemical characterization obtained using differential scanning calorimetry, hotstagepolarized light microscopy and powder X-ray diffraction showed that in all soliddispersion samples, carbamazepine was present it the crystalline state, in its most stablepolymorphic form III (monoclinic form). FT-IR spectroscopy showed absence ofcarbamazepine-poloxamer interactions, which together with tendency of carbamazepinemolecules toward aggregation, observed using molecular dynamics simulation ispossible explanation for observed crystalline nature of carbamazepine in the samples.From all of the solid dispersion samples, significant increase of carbamazepinedissolution rate was observed. During the first 10 minutes of testing, more than 80% ofcarbamazepine was dissolved from poloxamer 188 solid dispersions and 57-67% frompoloxamer 407 solid dispersions, while only 15% of carbamazepine was dissolved fromthe samples of pure drug. Faster carbamazepine dissolution was achieved from soliddispersions prepared with poloxamer 188, compared to solid dispersions prepared withpoloxamer 407, which can be explained with higher proportion of hydrophilic ethyleneoxide chains in poloxamer 188. Increasing in the proportion of poloxamer led todecreasing of carbamazepine dissolution rate and this can be consequence ofthermoreversible gelation properties of poloxamers.The second phase of the research for the first time demonstrated combinedapplication of mixture experimental design and artificial neural networks in the soliddispersions development. Ternary carbamazepine-Soluplus®-poloxamer 188 soliddispersions have been prepared by solvent casting method, with variation in theproportions of carbamazepine, Soluplus® and poloxamer 188, within the predefinedconstraints. Significant increase of carbamazepine dissolution rate was achieved fromternary solid dispersions, wherein from 11 of 22 prepared formulations more than 80%of carbamazepine was dissolved during the first 10 minutes of testing. D-optimalmixture experimental design and multi layer perceptron artificial neural networks gavemodels that well describe dependence between proportions of all components in theternary carbamazepine-Soluplus®-poloxamer 188 solid dispersions and amount ofdissolved carbamazepine (%) after 10 (Q10) and 20 (Q20) minutes of the testing, asindicated by the coefficient of determination (R2) higher than 0.95. Obtained modelsshowed the largest influence of the proportions of carbamazepine and poloxamer 188 onboth Q10 and Q20, wherein the highest values of these parameters were observed withthe highest proportions of poloxamer 188 (20%) and the lowest proportions ofcarbamazepine (20%). Testing of the predictability of the obtained models on test dataset showed better predictability of artificial neural network model (R2=0.978),compared to mixture experimental design model (R2=0.741). Physicochemicalcharacterization of prepared formulations showed presence of the most stable crystallinepolymorphic 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 carbamazepinedissolution rate. Phase solubility study showed linear increase of carbamazepinesolubility (0.56-102.20 mmol/l) with increase of hydroxypropyl-β-cyclodextrinconcentration (0-40% m/v), giving AL-type phase solubility plot that indicates formationof carbamazepine-hydroxypropyl-β-cyclodextrin inclusion complex in 1:1stoichiometric ratio. Addition of hydrophilic polymers (Soluplus® and two types ofhydroxypropyl methylcellulose of different degree of substitution and viscosity-Metolose® 90SH-100 and Metolose® 65SH-1500) to hydroxypropyl-β-cyclodextrinsolutions led to 1.5 times increase of complexation efficiency of hydroxypropyl-β-cyclodextrin for carbamazepine, compared to pure hydroxypropyl-β-cyclodextrinsolutions. Molecular dynamics simulation in carbamazepine-hydroxypropyl-β-cyclodextrin-hydroxypropyl methylcellulose system showed interactions betweenhydroxypropyl methylcellulose and carbamazepine molecules that dissociate fromcomplexes with hydroxypropyl-β-cyclodextrin. Observed interactions can preventformation of carbamazepine dimers and crystallization of free carbamazepine moleculesfrom the solution and this can be possible explanation for observed increase ofcarbamazepine solubility in the hydroxypropyl-β-cyclodextrin solutions upon additionof hydrophilic polymers. By using of spray drying technique, both binarycarbamazepine-hydroxypropyl-β-cyclodextrin and ternary carbamazepinehydroxypropyl-β-cyclodextrin-hydrophilic polymer systems were prepared, whichresulted in significantly higher carbamazepine dissolution rate compared to both purecarbamazepine, as well as to physical mixtures of equivalent composition. The highestcarbamazepine dissolution rate was achieved from formulations of binarycarbamazepine-hydroxypropyl-β-cyclodextrin and ternary carbamazepinehydroxypropyl-β-cyclodextrin-Soluplus® systems, where the entire amount ofcarbamazepine was dissolved after 5 minutes of testing. Formulations prepared withboth 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 methylcellulosetype of higher viscosity (Metolose® 65SH-1500), where 60 minutes was necessary fordissolution of more than 90% of carbamazepine. Physicochemical characterizationshowed presence of amorphous carbamazepine in all formulations prepared by spraydrying, which can indicate on the formation of inclusion complexes withhydroxypropyl-β-cyclodextrin. Molecular docking simulation between carbamazepineand hydroxypropyl-β-cyclodextrin and molecular dynamics simulations showedpresence 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 resultinginclusion complexes.Based on the obtained results, it can be concluded that formulation of binary andternary solid dispersions as well as binary drug-cyclodextrin and ternary drugcyclodextrin-hydrophilic polymer systems represent successful formulation approachfor improving solubility of carbamazepine. Since carbamazepine is administered in highdoses, preference can be given to the formulation of binary and ternary solid dispersionswhich contain higher carbamazepine content.