Ionic liquids of active pharmaceutical ingredients: A novel platform addressing solubility challenges of poorly water soluble drugs

• Main Author: Balk, Anja
• Format: Doctoral Thesis
• Language: English
• Published: 2015
• Subjects: Arzneimittel; Wirkstofffreisetzung; Löslichkeit; Salz; ddc:615
• Online Access: https://opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de/frontdoor/index/index/docId/12192; http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-121925; https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:bvb:20-opus-121925; https://opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de/files/12192/Balk_Dissertation_Ionic_liquids.pdf

Starting in the late 1990s ionic liquids (ILs) gained momentum both in academia as well as industry. ILs are defined as organic salts with a melting point below 100 °C. Active pharmaceutical ingredients (APIs) may be transferred into ILs by creating salts with a bulky counterion with a soft electron density. ILs have demonstrated the potential to tune important pharmaceutical features such as the solubility and the dissolution rate, particularly addressing the challenge of poor water soluble drugs (PWSD). Due to the tunability of ILs, modification of physico-chemical properties of APIs may be envisioned without any modifications of the chemical structure. In the first chapter the potential as well as the limitation of ILs are discussed. The chapter commences with an overview of preparation and characterization of API-ILs. Moreover, examples for pharmaceutical parameters are presented which may be affected by IL formation, including the dissolution rate, kinetic solubility or hygroscopicity as well as biopharmaceutical performance and toxicology. The impact of IL formation on those pharmaceutically relevant features is highlighted, resulting in a blueprint for a novel formulation concept to overcome PWSD challenges without the need for structural changes of the API. Within the second chapter the IL concept is detailed for one specific API - counterion combination. A poorly water soluble acidic API against migraine attacks was transformed into an IL in an effort to minimize the time to maximum plasma concentration (tmax) and optimize the overall bioavailability. These studies were conducted in parallel to a prodrug of the API for comparison of the IL strategy versus a strategy involving modification of the API’s structure. A significantly longer duration of API supersaturation and a 700 fold faster dissolution rate of the IL in comparison to the free acid were obtained and the underlying mechanism was elucidated. The transepithelial absorption was determined using Caco-2 cell layers. For the IL about 3 times more substance was transported in comparison to the prodrug when substances were applied as suspensions, despite the higher permeability of the prodrug, as increased solubility of the IL exceeded this effect. Cytotoxicity of the counterion was assessed in hepatic, renal and macrophage cell lines, respectively, and IC50 values were in the upper µM / lower mM range. The outcome of the study suggested the IL approach instrumental for tuning biopharmaceutical properties, without structural changes of the API as required for preparation of prodrugs. Thus the toolbox for formulation strategies of poorly water soluble drugs could be extended by an efficient concept. The third chapter focuses on the effect of different counterions on the physico-chemical properties of an API-IL, in particular to overcome the challenge of poor water solubility. Therefore, the same poorly water soluble acidic API against migraine attacks mentioned above was combined with 36 counterions resulting in ILs and low lattice enthalpy salts (LLES). Depending on the counterions, different dissolution rates, durations of supersaturation and hygroscopicities were obtained and release profiles could be tailored from immediate to sustained release. Besides, in vitro the cytotoxicity of the counterions was assessed in three cell lines. Using molecular descriptors such as the number of hydrophobic atoms, the graph theoretical diameter and the number of positive charges of the counterion, the dissolution rate, supersaturation and hygroscopicity as well as the cytotoxicity of counterions could be adequately modeled, rendering it possible to predict properties of new LLESs. Within the forth chapter different poorly water soluble APIs were combined with the counterion tetrabutylphosphonium (TBP) studying the impact on the pharmaceutical and physical properties of the APIs. TBP-ILs and low lattice enthalpy salts were prepared of the acidic APIs Diclofenac, Ibuprofen, Ketoprofen, Naproxen, Sulfadiazine, Sulfamethoxazole and Tolbutamide. NMR and IR spectroscopy, DSC, XRPD, DVS and dissolution rate measurements, release profiles and saturation concentration measurements were used to characterize the free acids and TBP salts as compared to the corresponding sodium salts. The TBP salts as compared to the free acids displayed lower melting points and glass transition temperatures and up to 1000 times higher dissolution rates. The increase in the dissolution rate directly correlated with the salts’ hygroscopicity, an aspect which is critically discussed in terms of pharmaceutical translation challenges. In summary TBP ILs of solid salts were proved instrumental to approach the challenge of poor water solubility. The outcome profiled tailor-made counterions as a powerful formulation strategy to address poor water solubility, hence bioavailability and ultimately therapeutic potential of challenging APIs. In summary, a plethora of ILs and LLESs were prepared by combination of different acidic APIs and counterions. The IL and LLESs concept was compared to conventional salt and prodrug strategies. By choice of the counterion, biopharmaceutical relevant parameters were deliberately modified and release profiles were tuned ranging from immediate to prolonged release. The impact of distinct structural counterion features controlling the dissolution, supersaturation, hygroscopicity and counterion cytotoxicity were identified, correlations were presented and predictive models were built. ILs and LLESs could be proven to be a powerful concept for the formulation of poorly water soluble acidic APIs. === Seit etwa 1990 haben Ionische Flüssigkeiten (IL) großes Interesse sowohl in der universitären als auch in der industriellen Forschung geweckt. ILs werden als organische Salze definiert, die einen Schmelzpunkt von unter 100 °C aufweisen. Arzneistoffe können in ILs umgewandelt werden, indem man Salze herstellt, mit einem voluminösen Gegenion mit delokalisierter Elektronendichte. ILs ermöglichen es wichtige pharmazeutische Eigenschaften wie Löslichkeit und Auflösungsgeschwindigkeit bewusst zu verändern, und im Besonderen stellen sie eine Möglichkeit dar, die Herausforderung, die schwer wasserlösliche Arzneistoffe mit sich bringen, zu bewältigen. Aufgrund der Variabilität von ILs, wird die Anpassung von physikochemischen Eigenschaften von Wirkstoffen denkbar, ohne die chemische Struktur des Stoffes zu modifizieren. Im ersten Kapitel werden die Potentiale aber auch die Grenzen von ILs dargestellt. Zu Beginn des Kapitels wird eine Übersicht über die Herstellung und Charakterisierung von ILs gegeben. Des Weiteren werden pharmazeutisch relevante Parameter gezeigt, die durch die IL Herstellung beeinflusst werden können, wie beispielsweise die Auflösungsgeschwindigkeit, die kinetische Löslichkeit oder die Hygroskopizität. Daneben können biopharmazeutische Größen und die Toxizität modifiziert werden. Der Einfluss der IL Bildung auf diese pharmazeutisch relevanten Parameter wird zusammengefasst und ein Formulierungskonzept aufgezeigt, um die schlechte Wasserlöslichkeit von Arzneistoffen zu überwinden ohne den Wirkstoff strukturell zu verändern. Im zweiten Kapitel wird das IL Konzept für eine spezifische Wirkstoff-Gegenion Kombination gezeigt. Ein schwer wasserlöslicher Arzneistoff gegen Migräne wird in ein IL umgewandelt, um eine schnellere und bessere Bioverfügbarkeit im Vergleich zu einem Prodrug zu erreichen. Eine signifikant verlängerte Übersättigung des Wirkstoffes und eine 700-fach schnellere Auflösung des ILs im Vergleich zur freien Säure wurden gemessen und der zugrunde liegende Mechanismus aufgeklärt. Die transepitheliale Aufnahme wurde anhand von Caco-2 Zellen untersucht. Vom IL wurde 3mal mehr Substanz transportiert als von dem Prodrug, wenn Suspensionen der Substanzen appliziert wurden und dies trotz der höheren Permeabilität des Prodrugs, da die verbesserte Löslichkeit des ILs hier überwog. Die Zytotoxizität des Gegenions wurde in einer Leber- und einer Nierenzellinie und in Makrophagen getestet und die IC50 Werte lagen im oberen µM- und unteren mM-Bereich. Die Ergebnisse der Untersuchungen legen dar, dass das IL Konzept hilfreich sein kann, um biopharmazeutische Eigenschaften zu variieren, ohne strukturelle Veränderung des Arzneistoffes, wie es für ein Prodrug nötig ist. Entsprechend konnten die Strategien, um schwer wasserlösliche Arzneistoffe zu formulieren, um ein neues und effizientes Konzept ergänzt werden. Der Fokus des dritten Kapitels liegt auf dem Einfluss von verschiedenen Gegenionen auf die physikochemischen Eigenschaften von Arzneistoff-ILs, insbesondere um Probleme aufgrund von schlechter Wasserlöslichkeit zu lösen. Dazu wurde der bereits im zweiten Kapitel genannte, saure und schwer wasserlösliche Arzneistoff gegen Migräne mit 36 Gegenionen kombiniert, wodurch ILs und Salze mit einer geringen Gitterenthalpie (LLES) erhalten wurden. In Abhängigkeit vom Gegenion wurden verschiedene Auflösungsgeschwindigkeiten, Übersättigungsdauern und Hygroskopizitäten erhalten. Durch Verändern des Gegenions konnte sowohl eine sofortige als auch verzögerte Freisetzung des Arzneistoffs erreicht werden. Daneben wurde in vitro die Zytotoxizität in drei Zelllinien bestimmt. Mittels zwei-dimensionaler Deskriptoren, wie der Anzahl der hydrophoben Atomen, dem graphentheoretischen Durchmesser und der Anzahl an positiven Ladungen des Gegenions, konnten die Auflösungsgeschwindigkeit, die Übersättigung und die Hygroskopizität sowie die Zytotoxizität des Gegenions berechnet werden, wodurch es gleichzeitig möglich wird, diese Eigenschaften für neue LLES vorherzusagen. Im vierten Kapitel werden verschiedene schwer wasserlösliche Arzneistoffe mit dem Gegenion Tetrabutylphosphonium (TBP) kombiniert und der Einfluss auf die pharmazeutischen und physikochemischen Eigenschaften des Wirkstoffes untersucht. TBP-ILs und Salze mit niedrigem Schmelzpunkt wurden von den sauren Arzneistoffen Diclofenac, Ibuprofen, Ketoprofen, Naproxen, Sulfadiazin, Sulfamethoxazol und Tolbutamid hergestellt. NMR- und IR-Spektroskopie, DSC, XRPD, DVS und Auflösungsgeschwindigkeitsmessungen wurden verwendet, um die freien Säuren und die TBP-Salze im Vergleich zu den entsprechenden Natrium-Salzen zu untersuchen. Die TBP-Salze zeigten im Vergleich zu den freien Säuren niedrigere Schmelzpunkte und Glasübergangstemperaturen und eine bis zu 1000-fach schnellere Auflösungsgeschwindigkeit. Ein Nachteil der Salze, die eine schneller Auflösungsrate zeigten, war die damit einhergehende erhöhte Hygroskopizität. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Herstellung von flüssigen und festen TBP-Salzen hilfreich sein kann, um die Wasserlöslichkeit von Arzneistoffen zu verbessern. Die Untersuchungen lassen den Schluss zu, dass durch maßgeschneiderte Gegenionen neue Formulierungsstrategien für schlecht wasserlösliche Arzneistoffe zugänglich werden, wodurch die Bioverfügbarkeit und der therapeutische Nutzen optimiert werden kann. Insgesamt wurde eine Vielzahl von ILs und LLESs durch die Kombination von verschiedenen sauren Arzneistoffen und Gegenionen hergestellt. Das IL- und LLES-Konzept wurde mit der klassischen Salz– und Prodrug-Strategie verglichen. Durch die Wahl des Gegenions konnten biopharmazeutisch Parameter bewusst verändert werden und die Freisetzungsprofile von sofortiger bis hin zu verzögerter Freisetzung gewählt werden. Die strukturellen Merkmale der Gegenionen, die entscheidend für die Auflösungsgeschwindigkeit, die Übersättigung, die Hygroskopizität und die Gegenionen-Zytotoxizität waren, konnten gezeigt werden und Berechnungen dazu wurden präsentiert. Abschließend lässt sich sagen, dass die Herstellung von ILs und LLESs ein wirkungsvolles Konzept ist, um schwer wasserlösliche, saure Arzneistoffe zu formulieren.