VORRICHTUNG UND VERFAHREN ZUR ERMITTLUNG DER EIGENSCHAFTEN VON AEROSOLFORMULIERUNGEN

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Ermittlung der Lösungsgeschwindigkeit und Freisetzungskinetik einer Aerosolformulierung und ein entsprechendes Verfahren dazu.

Im Folgenden handelt sich um die Prüfung von pharmazeutischen Formulierungen zur Inhalation in vitro. Im Speziellen geht es um die Evaluierung des Auflösungs- bzw. Freisetzungsverhaltens von Arzneimitteln, die nach der Inhalation in der Lunge deponieren. Weiterhin geht es um die Evaluierung solcher Formulierungen, die im Lungen- gewebe als Feststoff für einen deutlich längeren Zeitraum bestehen als die gelöste Form der enthaltenen Stoffe. Bisher werden für Inhalanda so genannte Lösemodelle (engl: „dissolution test") verwendet, die entweder als geschlossenes System (Bechermethode, Drehkörbchenmethode, Blattrührerapparatur) oder als offenes System (Durchflussmethode) betrieben werden. Als Freisetzungsmedium wird in der Regel eine wässrige Lö- sung verwendet, die die physiologische Umgebung des Zielorgans simulieren soll. Der Wirkstoff wird zu definierten Zeitpunkten aus der Freisetzungsapparatur entnommen und analytisch bestimmt.

Nach einer Inhalation deponieren die Partikel in unterschiedlichen Lungenbereichen in Abhängigkeit ihrer aerodynamischen Eigenschaften. Haupteinflussgrößen sind die Partikelgröße, die Partikelmorphologie und die Partikelporosität. Für inhalative Anwendungen werden beispielsweise l-5μm große Partikel für eine Deposition im alveolaren Bereich hergestellt.

Nicht wasserlösliche feste Formulierungen aggregieren im Freisetzungsmedium abhängig von ihrer Konzentration innerhalb von Minuten zu größeren Strukturen (~ lOOμm bis einige mm), die unter Umständen zusätzliche Lufteinschlüsse enthalten. Diese bilden zusätzliche Diffusionsbarrieren und beeinflussen dadurch das Auflösungs- bzw. Freisetzungsverhalten der Formulierung. Eine dramatische apparente Verlangsamung der Freisetzung ist die Folge. Die derzeitigen Systeme erlauben keine Aussage über das

tatsächliche Freisetzungsverhalten von schwerlöslichen Partikeln für die Inhalation.

Darüber hinaus führen die meisten Partikelherstellungsverfahren zu Partikelmischungen mit einer relativ breiten Größenverteilung. Lediglich der so genannte Feinanteil der Mi- schung deponiert während der Inhalation in der Lunge, während ein wesentlicher Anteil (ca. 30-70%) der Mischung im Rachenraum impaktiert und für eine topologische Applikation der Lunge therapeutisch unwirksam ist. Da das Freisetzungsverhalten auch von der Partikelgröße beeinflusst wird, führt der therapeutisch unwirksame Anteil zu einer apparenten Verzögerung der Wirkstofffreisetzung in vitro. Die derzeit verwende- ten Systeme erlauben keine Trennung des Feinanteils von der Gesamtpopulation der Partikel, so dass eine Aussage über den Feinanteil schwierig ist.

Zusammengefasst sind derzeit keine standardisierten Prüfsysteme verfügbar, die die Untersuchung des Freisetzungsverhaltens von Inhalanda ermöglichen, in denen der Feinan- teil berücksichtigt wird und bei denen die Partikel in dispergierter Form in Kontakt mit dem Freisetzungsmedium gebracht werden.

Des Weiteren beinhaltet die Bestimmung des Wirkstoffs meist eine aufwendige Analytik, häufig mittels Hochleistungsflüssigkeitschromatographie (HPLC).

Darüber hinaus liegen die Partikel im Freisetzungsmedium submergiert vor. In der Lunge liegen die Partikel hingegen auf einer Grenzschicht zwischen dem Lungenfluid und der Gasphase (Air- Liquid- Interface). Kürzlich publizierte Ergebnisse zeigen, dass sich das Freisetzungsverhalten von Feststoffformulierungen im Air- Interface-Modell anders verhält als im Liquid-Liquid- Interface-System.

Folgende kürzlich als Konferenzbeiträge (Poster) publizierte Arbeiten zeigen Lösungsansätze zu den beschriebenen Nachteilen:

T. Riley et al., Respiratory Drag Delivery, 2008: Eine Filtermembran wurde auf einer Stage-Platte eines NGIs (engl: „New Generation Impactor") fixiert. Eine Tro- ckenpulverformulierang wurde danach über einen MDI (engl: „metered-dose inha- ler") in den NGI ausgebracht. Die Stage-Platte und die Luftstrombedingungen wurden so ausgewählt, dass als Ergebnis eine Deposition von 4,46μm Partikeln auf der Membran erreicht wurde. Die Membran wurde danach in eine Dissolution-Zelle

gebracht und im Durchflussmodus mit simuliertem Lungenfluid durchströmt. Der freigesetzte Wirkstoff wurde dann über einen Probennehmer und nachgeschaltete Analytik bestimmt. Dieser Aufbau erlaubt die Untersuchung des Feinanteils, vorausgesetzt dass das Einbringen der Membran auf die Stage-Platte den Betrieb des NGI nicht verändert.

Als nachteilig ist hier anzusehen, dass der Betrieb ausschließlich im Durchflussmodus möglich ist.

YJ. Son et al., Respiartory Drag Delivery, 2008: auch dieser Aufbau umfasst die Verwendung des NGIs. In diesem Fall wurde die Filtermembran nach dem Deposi- tionsversuch in ein Gefäß gebracht und in einem geschlossenen Dissolutions-Test, wie oben beschrieben, zur Messung der Wirkstofffreisetzung verwendet.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Ermittlung der Lösungsgeschwin- digkeit und Freisetzungskinetik von Aerosolformulierungen zu schaffen, mit der eine Wirkstoffkonzentration kontinuierlich und während des Freisetzungsprozesses gemessen werden kann. Weiterhin soll ein entsprechendes Verfahren angegeben werden.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei einer Vorrichtung entsprechend den Merkmalen des Anspruchs 1 und bei einem Verfahren mit den Merkmalen nach Ansprach 9 gelöst.

Bei der Vorrichtung ist zunächst ein vorzugsweise handelsüblicher Inhalator vorgesehen, mit dem im normalen Betrieb auch eine Person einen Wirkstoff aufnimmt. Dies kann beispielsweise ein tragbarer Inhalator sein, wie er unter dem Markennamen Han- diHaler ^® bekannt ist. Mit Hilfe des Inhalators wird eine Trockenpulverformulierung derart dispergiert, dass ein Trockenpulver- Aerosol entsprechend einer humanen Anwendung erhalten wird.

In einer weiteren Ausführungsform ist auch die Verwendung eines Inhalators für Anwendungen am Tier umfasst, z.B ein Inhalators des Typs Dry Powder Inssuflator DP4 ^® der Firma Penncentury.

Weiterhin ist ein Kaskadenimpaktor, beispielsweise der Firma Anderson Samplers, Atlanta, USA, vorgesehen. Bei einem Kaskadenimpaktor wird über hintereinander geschaltete Düsenplatten mit sich jeweils reduzierendem Düsendurchmesser und zwischen den Düsenplatten angeordneten Prallflächen ein staubbeladender Gasstrom gefiltert.

Durch die Querschnittsverengungen wird die Gasgeschwindigkeit erhöht. Während feine Teilchen bei kleinen Geschwindigkeiten noch dem Gasstrom folgen, werden größere Teilchen oder Partikel an der Filterscheibe abgeschieden. Somit werden einzelne Fraktionen mit jeweils unterschiedlichen Partikelgrößen erhalten. Zum Schluss dient eine Membran zum Auffangen der verbleibenden, noch nicht abgeschiedenen Partikel, wobei die Membran in Strömungsrichtung gesehen vor der Filterplatte angeordnet ist. Somit werden Partikel einer bestimmten Größe aus einer Gesamtpopulation der Partikel auf der Membran erhalten, vorzugsweise der Feinanteil der Gesamtpopulation, und auf der Membran immobilisiert. Prinzipiell könnte auch die Gesamtzahl aller Teilchen in dispergierter Form auf der Membran immobilisiert werden.

Die Abscheidung des inhalierbaren Anteils kann bevorzugt dadurch erfolgen, dass dieser Filter auf die Filterplatte des Andersen-Kaskadenimpaktors eingesetzt wird. Die Ausbringung erfolgt dann in Anlehnung an Pharm. Eur. 2.9.18 (European Pharmaco- poeia, 6th edition 2008, Apparatus D - Andersen Cascade Impactor), wobei ausschließlich die Abscheideplatten in den Kaskadenimpaktor eingelegt sind, die nicht zum Abscheiden der Partikel von 0 μm bis 5 μm dienen, so dass gesamthaft alle Partikel kleiner 5μm auf dem Filter abgeschieden werden.

Schließlich wird mit Hilfe eines Luft-Flüssigkeits-Modell-Systems die Membran in

Kontakt mit einem Freisetzungsmedium gebracht und eine Wirkstoffkonzentration kontinuierlich und während des Freisetzungsprozesses mit Hilfe einer Einrichtung zur Messdatenerfassung überwacht. Dabei sind die auf der Membran immobilisierten Partikel während des Kontakts mit dem Freisetzungsmedium keinen weiteren Kräften, wie Scherkräften, mechanischen Kräften und dergleichen, ausgesetzt und liegen entsprechend der Situation in vivo an einer Luftgrenzschicht an.

Der Vorteil der Erfindung besteht darin, dass eine Partikelfraktion in Bezug auf Auflö- sungs- oder Freisetzungsverhalten geprüft werden kann, die aus einem Inhalator tatsäch- lieh in der Lunge eines Menschen deponieren würde. Das Luft-Flüssigkeits-

Modellsystem simuliert dabei die Depositionsumgebung der Lunge und es erfolgt mit Hilfe der Einrichtung eine kontinuierliche Messdatenerfassung, so dass der analytische Aufwand des Prüfverfahrens gegenüber dem Stand der Technik deutlich verringert ist. Beispielsweise können pharmazeutische Aerosolformulierungen in der Forschungs- und

Entwicklungsphase sowie in der Herstellung überprüft und lungendrucktoxikologische Untersuchungen mit Partikeln aus der Umwelt durchgeführt werden.

Selbstverständlich können im Prinzip beliebige Partikel oder medizinisch wirksame Stoffe oder Stoffgemische untersucht werden. Weiterhin kann das Verbringen der Partikel aus einem Inhalator mit Hilfe eines Kaskadenimpaktors auf eine Membran räumlich getrennt von der eigentlichen Untersuchung der Membran mittels des Luft-Flüssigkeits- Modells erfolgen oder in einer einzigen gemeinsamen Vorrichtung mit einem beispielsweise automatisierten Transfer der Membrane aus dem Kaskadenimpaktor in ein Luft-Flüssigkeits-Modell.

Mittels des Kaskadenimpaktors wird innerhalb der verschiedenen Düsen oder Stufen nicht in einen Partikelauftrennungsprozess eingegriffen, wodurch die tatsächlich an der Membran abgeschiedenen Partikel nicht beeinflusst sind. Die Immobilisierung der Par- tikel auf der Membran bleibt auch während des Freisetzungsprozesses im Modellsystem in das Freisetzungsmedium hinein aufrecht erhalten, da die Partikel keinen zusätzlichen Kräften ausgesetzt sind. Innerhalb des Luft-Flüssigkeits-Modellsystems werden die gleichen Verhältnisse wie in einer Lunge eines Patienten simuliert, da die Partikel an einer Flüssigkeits-Luft-Grenzschicht anliegen. Somit werden die Partikel keiner Verän- derung unterworfen, außer derjenigen bei der Auflösung im Freisetzungsmedium. Schließlich ist eine kontinuierliche Messdatenerfassung möglich.

Die Membran, auf der die Partikel im Kaskademimpaktor abgeschieden werden, und die geeignet ist, dass diese im Luft-Flüssigkeits-Modellsystem verwendet werden kann, zeichnet sich dadurch aus, das sie aus einem Material ist, das mit Wasser benetzbar ist.

Im besonderen ist eine Membran erfindungsgemäß geeignet, wenn diese hydrophile Eigenschaft aufweist und nicht wasserlöslich ist. Unter hydrophilen Filtermaterialien werden dabei Materialien verstanden, die eine hohe Affinität zu Wasser aufweisen, sich mit praktisch jeder Flüssigkeit benetzen lassen und für wässrige Lösungen verwendet wer- den können. Hydrophile Filtermaterialien sind in bevorzugter Art und Weise ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Acryl-Copolymer, Polyethylensulfon, Polysulfon, Zellulose, Zellulosederivate, Zelluloseester und regenerierte Zellulose. Nicht geeignet sind Membranen aus einem hydrophoben Filtermaterial.

Die Membran ist darüber hinaus gekennzeichnet, dass sie eine maximale Dicke von

100 μm, bevorzugt von 80 μm aufweist. Weiterhin ist die Membran dadurch charakterisiert, dass diese in einem wässrigen Medium keine Eigentrübung bedingt. Im besonderen zeichnet sich die Membran aus, dass sich keine Faserfragmente aus der Membran lösen. Unter der Eigenschaft „Trübung in einem wässrigen Medium zu bedingen" ver- steht man, dass eine Schwächung einer durchgehenden Lichtstrahlung durch Wasser, welches mit dem Filtermaterial intensiv in Kontakt stand, auftritt. überaschenderweise hat sich gezeigt, dass neben Filtermaterialien (Membran), die aus einem hydrophoben Material sind auch Filtermaterialien, die eine Glasfasermembran darstellen, ungeeignet sind

Es hat sich gezeigt, dass sich Filtermaterialien nicht eignen, wenn diese aus Glasfaser, Teflon (PTFE) und Polyvenylidenfluorid hergestellt sind.

Geeignete Membranen zeichnen sich dadurch aus, dass diese eine Gasdurchlässigkeit von 80 Liter pro Minute aufweisen.

Erfindungsgemäß ermöglichen die Membranen, dass diese einerseits zur Abscheidung der Partikel im Kaskadenimpaktor verwendet werden können, und andererseits direkt im Luft-Flüssigkeits-Modellsystem verwendet werden kann. Hierbei zeichnet sich die Membran dadurch aus, dass die Partikel nicht nur oberflächlich auf der Membran abgeschieden sind, sondern in der Filtermembran immobilisiert vorliegen. Das Vorliegen der Partikel in einer immobilisierten Form in der Membran zeigt sich darin, dass die Filtermembran ohne weitere Maßnahmen direkt in dem Luft-Flüssigkeits-Modellsystem eingesetzt werden können.

Bevorzugt wird als Material für die Membran Zellulose und Zellulosederivate, im besonderen Zellulose und regenerierte Zellulose, insbesondere regenerierte Zellulose, eingesetzt und anstelle eines üblicherweise vorgesehenen Filters auf der Filterplatte des Kaskadenimpaktors angeordnet. Dieses Zellulose-Material dient zur praktisch vollstän- digen Immobilisierung der herausgefilterten Partikel.

Im Weiteren wird der Kaskadenimpaktor entsprechend eines menschlichen Atemzugs betrieben, beispielsweise mit einem Luftstrom von 39 Litern pro Minute über einen Zeitraum von 6,15 Sekunden, um die bei einer tatsächlichen Inhalation eingeatmete

Luftmenge mit den aus dem Inhalator dispergierten Wirkstoffen möglichst identisch zu simulieren.

Hierzu wird die Membran in einer vorteilhaften Ausgestaltung derart gewählt, dass sie einen Luftstrom von mindestens 20 Litern pro Minute erlaubt, insbesondere 30 Liter pro Minute, desweiteren bevorzugt 39 Liter pro Minute. Die Membran weist eine Porengröße auf, die das Auffangen von Partikeln erlaubt, vorzugsweise mit einem Porendurchmesser vom 0,45μm. Ein derartiges Membranmaterial ist mit einer wässrigen Lösung leicht benetzbar und chemisch in wässriger Lösung inert und geht üblicherweise auch keine Wechselwirkungen mit einer Formulierung ein.

Nach einer Weiterbildung wird als Luft-Flüssigkeits-Modellsystem ein Zwei- Kammernsystem verwendet, vorzugsweise eine Diffusionszelle nach Franz. Dabei wird ein unteres Kompartiment mit einem an sich beliebig wählbaren Freisetzungsmedium gefüllt und die Membran auf die Oberfläche des Mediums aufgelegt, wodurch keine

Lufteinschlüsse mehr zwischen dem Freisetzungsmedium und der Membran vorhanden sind. Der obere Teil der Zelle verschließt das System und bildet ein Luftkompartiment.

Bei einer derartigen Ausführungsform ist das untere Kompartiment mit Schläuchen an eine Pumpe angeschlossen, die das Medium zu einer Einrichtung zur Messdatenerfassung leiten, beispielsweise ein UV-Detektor oder ein Fluoresenz-Detektor. Mit derartigen Detektoren kann ein Wirkstoff quantitativ erfasst werden. Selbstverständlich ist die gesamte Vorrichtung vorzugsweise elektronisch gesteuert.

Weiterhin ist das Luft-Flüssigkeits-Modellsystem bevorzugt temperierbar ausgebildet, um eine Körpertemperatur innerhalb der Lunge zu simulieren.

Schließlich wird das Freisetzungsmedium mit einem Rührsystem, wie einem Magnetrührer, durchmischt, um einen im Freisetzungsmedium aufgenommen Wirkstoff innerhalb der Kammer besser zu verteilen.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar sind. Der Rahmen der Erfindung ist nur durch die Ansprü-

che definiert.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispieles unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

Fig.1 einen Inhalator mit einem Kaskadenimpaktor der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig.2 eine Franzzelle der Vorrichtung

Fig.3 zwei Messwertdiagramme.

Die Vorrichtung 100 zur Ermittlung der Lösungsgeschwindigkeit und Freisetzungskinetik von Aeorosolformulierungen umfasst einen Inhalator 1, bei dem es sich um einen unter dem Markennamen handelsüblichen HandiHaler handelt, dessen Mundstück in eine entsprechende Aufnahme oder einen Adapter 2 eines Kaskadenimpaktors 3 einge- setzt ist. Durch die verschiedenen gestrichelten Linien 4 sind die Düsen und durch die durchgezogenen Linien 5 die Düsenplatten der nacheinander angeordneten Stufen (engl.: "stages") des Kaskadenimpaktors 3 wiedergegeben. An der untersten Stufe des Kaskadenimpaktors 3 erfolgt eine Abscheidung bzw. Immobilisierung von noch nicht herausgefilterten Partikeln mit Hilfe einer Membran 6, vorzugsweise aus regenerierter Zellulose. Selbstverständlich wird ein entsprechender Unterdruck über einen Vakuum- anschluss 7 erzeugt, um den Kaskadenimpaktor 3 bzw. den Inhalator 1 möglichst mit dem gleichen Atemvolumen wie eines Menschen zu betreiben.

Nachfolgend wird die Membran 6 in einer Diffusionszelle 13 nach Franz angeordnet, wie sie in Fig. 2 wiedergegeben ist, die ein Teil der Vorrichtung 100 bildet, wobei unterhalb der Membran 6 ein erstes Kompartiment 11 zur Aufnahme eines flüssiges Freisetzung smediums luftblasenfrei angeordnet ist, das kontinuierlich, wie durch die Anschlüsse 8 sowie den Durchflusspfeil D angedeutet, umgesetzt und einer Einrichtung zur Messdatenerfassung, wie einem UV- oder Fluoreszenz-Detektor, zugeführt wird. Oberhalb der Membran 6 ist als zweites Kompartiment 12 eine Luftkammer ausgebildet und die gesamte Diffusionszelle 13 (Franzzelle) ist von einer Wärmeisolierung 9 umgeben und kann über eine Heizplatte 10 in gewünschter Weise temperiert werden. Zur

Durchmischung des Freisetzungsmediums dient ein Magnetrührer 14.

Zur Charakterisierung des Systems wurde zunächst Salbutamolsulfat als Modellwirkstoff als verdünnte Lösung direkt in das Freisetzungsmedium (PBS, phosphate buffered saline) gegeben und im Photometer bei 225nm gemessen. Das linke Diagramm nach Fig. 3 zeigt, dass nach etwa vier Minuten Inkubationszeit das Plateau der Wirkstoffkonzentration erreicht ist. Auf die Membran 6 gebrachtes Salbutamolsulfat erreicht die Maximalkonzentration nach etwa zehn Minuten. Dies bedeutet, dass die Membran 6 eine Diffusionsbarriere von etwa sechs Minuten darstellt. Das Gesamtsystem besitzt eine Reaktionszeit von etwa zehn Minuten, d.h. Konzentra-tionsänderungen durch freigesetzten Wirkstoff werden mit zehn Minuten Verzögerung erfasst. In der Zeitskala eines typischen Freisetzungsversuchs von 24 Stunden kann diese Verzögerung vernachlässigt werden.

Danach wurden sprühgetrocknete Salbutamolsulfat- Retardpulverpartikel als Testformulierung ohne zusätzliche Kaskadenimpaktorstage auf eine Membran 6 dispergiert und die Wirkstofffreisetzung in dem Freisetzungssystem untersucht.

Wie in dem rechten Diagramm nach Fig. 3 zu sehen ist, wurde bei einer Untersuchung einer Gesamtfraktion ein Burst Drag Release von 50% gemessen und eine verzögerte Freisetzung von über 24 Stunden beobachtet. Durch das Einfügen von geeigneten Kaskadenimpaktorplatten wurden danach Partikel <2μm und <5,8μm in Bezug auf kontrollierte Freisetzung untersucht, wie ebenfalls im rechten Diagramm abgebildet. Als Ergebnis ist eine deutliche Größenabhängigkeit in der Freisetzungskinetik erkennbar: Die kleineren Partikel setzen den Wirkstoff schneller frei. Da die Partikelherstellungsmethode mit dem verwendeten Sprühtrockner Partikel unter lμm durch den Einsatz des Zyklons ausschließt, kann die Fraktion <5,8μm mit dem Feinanteil der Population gleichgesetzt werden.

Zusammengefasst zeigen die Ergebnisse, dass sich dieser Messaufbau für eine online- Messung über mindestens 24 Stunden eignet, dispergierte Partikel auf der Membran 6 immobilisiert werden und Partikelmischungen unterschiedlichen aerodynamischen Durchmessers unterschieden werden können.

Für die Messdatenerfassung wird zunächst der Inhalator 1 über den Adapter 2 an den Kaskadenimpaktor 3 angeschlossen und ein zu überprüfendes Aeorsol auf der Membran 6 im Kaskadenimpaktor 3 immobilisiert. Die Membran 6 wird in die Diffusionszelle 13 nach Franz verbracht, die von der Wärmeisolierung 9 umgeben ist. Die als Zu- und Abflüsse ausgebildeten Annschlüsse 8 dienen dazu, ein hindurchgefördertes Freisetzungsmedium der Einrichtung zur Messdatenerfassung, wie einem UV-Detektor, zuzuführen.