Actitudes

and in-vivo studies

Chapter 5 deals with the development of a novel peroral drug delivery system for the absorption of peptides in the small intestine. The system was developed using a 23 factorial design approach. The delivery system develops CO2 as power generating force, and

contains the mucoadhesive PEO polymer as well as TMC as permeation enhancer. The preparation and enteric coating of the system is described in detail in this chapter. The in-vitro insulin release was studied and it was shown that while the dosage form was acid labile, the insulin was released completely after 30 minutes at pH 6.8. The ex-vivo studies were done in sheep’s intestine and revealed that the GEDD system containing TMC as an enhancer showed an increased insulin permeation of about 7% in comparison with the free insulin. Furthermore, studies in the intestine of rabbits were performed ex-vivo to show that the presence of CO2 gas by itself has

a mechanical effect on opening the tight junctions and increased the insulin permeation up to 3 times in comparison to the free insulin. Finally, the results of the in vivo studies in rabbits are presented in this chapter. Accordingly, 3 different GEDD formulations of F1: GEDD system without PEO or TMC; F2: GEDD system with mucoadhesive polymer (PEO); F3: GEDD system with mucoadhesive

177

polymer (PEO) and the permeation enhancer (TMC) (complete GEDD system) were compared to the s.c. insulin injection. The relative bioavailability values of 0.2±0.1 (S.D.), 0.6±0.2 (S.D.) and 1.0±0.4 (S.D.) were obtained with formulations F1, F2 and F3, respectively in comparison with the s.c. injection. It was concluded from the results that the enhancing activity of the GEDD system is due to a synergistic effect of the CO2, PEO and TMC. Once in the

small intestine the enteric coat is dissolved, the released CO2 gas

pushes the system towards the intestinal wall and the mucoadhesive PEO aid in attaching the system to the lumen. The TMC can then act as the permeation enhancer to open the tight junction and increase the paracellular transport of insulin.

This novel delivery system has promising prospects for the development of a suitable oral peptide drug delivery system. While preliminary studies on the system were done, more formulation studies on industrial scale are required and bioavailability studies have to be done in larger animals like pigs or humans to confirm the results of this investigation. Especially the shape of the delivery system, its residence time in the stomach and how it can be influenced, the homogenous coating with suitable enteric coating materials and how it can be influenced and the drug delivery at the optimal target site has to be further investigated. As insulin was used in these studies as a model drug, this delivery system is not restricted to peptide or protein drugs but can be further developed for the improved permeation of other hydrophilic drugs with poor gut

178

permeation characteristics like the bisphosphonates or Low Molecular Weight Heparin (LMWH) and other molecules which in many aspects are easier to handle than insulin with regard to their stability and lower molecular weight.

179

Samenvatting

Geneesmiddelenafgifte via de orale route is de gemakkelijkste en meest geliefde toedieningsroute. Nieuwe ontwikkelingen op het gebied van de biotechnologie en de moleculaire biologie hebben geleid tot het op de markt brengen van een aantal via natuurlijke en synthetisch weg bereide farmaceutische peptiden voor de behandeling van chronische ziekten.

Insuline is het bekendste farmaceutische peptide vanwege het grote aantal diabetes patiënten dat wereldwijd nog steeds toeneemt. Insuline is een hydrofiel macromolecuul dat bestaat uit zes polypeptideketens en veelvuldig gebruikt is als modelgeneesmiddel ter bestudering van perorale geneesmiddelafgiftesystemen, zoals blijkt uit recente publicaties. Veelal zijn dergelijke toedieningssystemen slechts ontworpen voor de afgifte van het peptide. Echter, niet de peptideafgifte is de primaire uitdaging van een dergelijk systeem, maar het bereiken van een reproduceerbare absorptie in de systemische circulatie. Derhalve moet een afgiftesysteem, wil het succesvol zijn, voldoen aan de volgende criteria:

1) bescherming van het geneesmiddel tegen afbraak in de zure omgeving van de maag en de proteolytische enzymen in de darm;

2) inhibitie van de “brush border” proteases;

3) aanhechting aan de darmwand en daarmee verlengen van de verblijftijd van het afgiftesysteem in de darm;

180

4) het openen van de “tight-junctions” en het zorgen voor paracellulair transport over de darmwand op het juiste moment.

Om aan zoveel mogelijk van bovenstaande criteria te kunnen voldoen, zijn verschillende afgiftesystemen ontworpen. Dit proefschrift beschrijft de ontwikkeling van een nieuw door gas aangedreven geneesmiddelafgiftesysteem (Gas Empowered Drug Delivery: GEDD), dat bestaat uit het mucoadhesivum polyethyleenoxide (PEO) en de permeatiebevorderaar trimethylchitosan (TMC). TMC is een polymeer dat in staat is om specifiek de tight-junctions tussen enterocyten te openen. Het GEDD- systeem biedt nieuwe mogelijkheden voor de absorptie van het modelpeptide insuline via de darmwand. De belangrijkste voordelen van dit systeem zijn: i) de bescherming van het hydrofiele peptide tegen de zure omgeving van de maag en de proteolytische enzymen in de darm via respectievelijk enterische coating van het afgiftesysteem en de vorming van CO2 in de darm, ii) de directe afgifte van het

peptide op de gewenste plaats in de darm middels het vrijgekomen CO2, dat het peptide, PEO en TMC naar het absorptieoppervlak drijft,

iii) verlenging van de passagetijd van het afgiftesysteem in de darm door middel van een stevige aanhechting aan de darmwand, iv) het door de permeatiebevorderaar TMC geïnduceerde openen van de tight-junctions en v) toename van het insulinetransport via de

181

paracellulaire route in de darm. Voorts kan dit afgiftesysteem gemakkelijk op grote schaal worden geproduceerd.

Om de beste op chitosan gebaseerde permeatiebevorderaar te kunnen selecteren, is een serie chitosanderivaten gesynthetiseerd, welke zijn geëvalueerd voor wat betreft een optimale chemische polymeerstructuur ter bevordering van de absorptie van peptiderge farmaca via de paracellulaire route. Verder is er een vergelijkende studie uitgevoerd tussen insuline, dat als nanopartikels gecomplexeerd is met de quartenaire chitosanderivaten, en insuline in combinatie met vrij, niet-gebonden chitosanderivaten. Het doel van deze studie was het optimaliseren van de insulineafgifte en absorptie over de darmwand. De resultaten van de bovengenoemde studies zijn beschreven in de volgende hoofdstukken.