Redan 1550 före Kristus användes läkemedel i form av tabletter och kapslar, och ett oralt intag av läkemedel fortsätter vara den mest önskvärda läkeme- delsformuleringen. Genom att ta ett läkemedel oralt undviker patienten obe- hagliga nålstick och behöver inte ha hjälp av vårdpersonal för att ta läkemed- let. Transporten genom mag-och tarm kanalen är dock komplex och formule- ringen utsätts för många prövningar så som olika pH-värden och enzymer. För att ett läkemedel ska tas upp måste det först lösas upp, då endast enskilda fria molekyler kan tas sig igenom tarmmembranet och över till blodet. Upptaget över tarmen kommer också att påverkas av hur läkemedlet ser ut och bland annat kan nedbrytning pga enzymatisk aktivitet ske i tarmmembranet. Innan läkemedlet når den systemiska cirkulationen och sitt slutgiltiga mål genomgår det också första-passage metabolism i levern. Sammantaget kommer alla dessa processer att påverka hur mycket av läkemedlet patienten tagit som kommer att nå fram till sitt mål.
Många nya läkemedel har väldigt låg löslighet i tarmvätskorna, och kom- mer därför ha ett begränsat upptag när de sväljs. Detta är också sant för många läkemedel som redan finns på marknaden. Effekten blir att man måste ge höga doser av substansen, vilket ökar risken för biverkningar. För att kringgå den låga lösligheten pågår det därför mycket forskning runt framtagning av nya läkemedelsformuleringarna.
En strategi är att bryta sönder den kristallina strukturen som molekylerna sitter i, och skapa ett så kallat amorft system. I amorfa system sitter moleky- lerna i oordning, och det blir därför lätt för vattenmolekylerna att lösa upp läkemedlet. Detta är användbart för substanser som kräver mycket energi för att bryta söder bindningarna i kristallen, vilket kan ses genom att mäta smält- punkten hos substansen. En hög smältpunkt är ofta kopplat till en låg löslighet. Ett problem med amorfa system är dock att de är ostabila vid förvaring, och en stabiliserande substans som t.ex. en polymer kan behövas för att få en fy- sikaliskt stabil produkt.
En annan strategi är att använda sig av fetter och oljor, så kallade lipid- baserade formuleringar, i vilka läkemedlet löses upp. Detta gör att upplös- ningssteget i tarmen helt kringgås då substansen redan är upplöst vid admini- streringen. Väl i tarmen kommer sedan fetterna brytas ner, och tillsammans med kroppsegna gallsalter skapa strukturer där substansen kan hållas löst tills den tar upp genom tarmmembranet. Denna formuleringstyp är användbar för fettlösliga substanser. Många lipid-baserade formuleringar är dock kemiskt
instabila och både hjälpämnen och läkemedelssubstansen riskerar att brytas ner vid förvaring. Försök att göra om de vanligtvis flytande lipid-baserade formuleringarna till fast material, och därmed förbättra stabiliteten, har därför utforskats genom att adsorbera formuleringen på en porös bärare.
Denna avhandling har fokuserat på att ta fram metoder för att experimen- tellt på labb (s.k. in vitro) studera dessa olika formuleringsstrategier. Målet var att ta fram nya metoder för att kunna förutsäga hur läkemedelsformule- ringarna kommer att bete sig i kroppen (s.k. in vivo).
I det första projektet var målet att ta fram en metod för att titta på frisätt- ningen av olika läkemedel efter att de gjorts amorfa genom att de adsorberats på en bärarpartikel bestående av mesoporös magnesiumkarbonat. För att minska mängden formulering som behövdes vid experimenten använde vi ett litet upplösningsbad, med en UV-prob nerstoppad för att kunna studera fri- sättningen. Ett problem var dock att bärarpartiklarna störde mätningarna ef- tersom de ansamlades på proberna. Vi designade därför ett filter som kan sät- tas på utanpå proberna vilket skyddar dem från ansamling av material och därmed möjliggör kvantifiering av mängd frisatt läkemedel.
I det andra projektet undersökte vi om mesoporös magnesiumkarbonat kan användas för adsorption av fetter. En in vitro metod utvecklades där vi tog hänsyn till nedbrytningen av fetterna som sker i mag-tarmkanalen. Analyserna av proverna gjordes med hjälp av kärnmagnetisk resonans (1H NMR), vilket har visats vara användbart vid liknande studier. Stabiliteten hos de lipid-inlad- dade bärarna undersöktes också, där vi kunde se att fetterna till en viss del bröts ner vid förvaring av formuleringarna.
I de sista projekten var målet att utveckla och undersöka både frisättning och upptag av läkemedel från mer komplexa formuleringar samtidigt. Tidigare forskning har tydligt visat att både frisättningen och absorptionen är tätt sam- mankopplade i tarmarna, och det är därför viktigt att ta hänsyn till det även vid in vitro studier. Två metoder användes, den s.k. µFLUX och enabling- absorption (ENA)-utrustningen. Båda har en givarsida som ska efterlikna tar- men och en mottagarsida som ska likna blodet. Unikt för dessa studier är att vi tittade på många olika formuleringsstrategier i samma experimentella upp- sättning. I µFLUXen kunde vi se att koncentrationerna på givarsidan inte speglar det som mäts upp på mottagarsidan, vilket visar på vikten av att ha metoder som tar hänsyn till båda. För att studera hur formuleringarna fungerar
in vivo administrerades de oralt till råtta. Råttornas plasmakoncentrationer
jämfördes sedan med data från ENA:n. Resultaten från ENA:n stämde relativt bra överens med de observerade in vivo, med undantag av en amorf formule- ring. Detta förklarades med låg löslighet hos hjälpämnet i formuleringen i de artspecifika pH-värdena i råttans mag-tarm system.
Sammanfattningsvis har denna avhandling givit insikt i metoder som kan användas för att studera komplexa läkemedelsberedningar. Dessa kan för- hoppningsvis integreras i många nuvarande laboratorier, och ge en bättre pre- diktion av, och förståelse för, hur orala beredningar fungerar in vivo.
Acknowledgements
The work in this thesis was carried out at the Department of Pharmacy, Upp- sala University. The studies were financially supported by the Swedish Re- search Council and the Erling Person Family Foundation. The Australian Gov- ernment Department of Education, is acknowledged for financially supporting a research visit to the University of South Australia. Apotekare C D Carlssons stiftelse (Apotekarsociteten), IFs stiftelse inkl Källrotstipendiet (Apotekarso- citeten), and H F Sederholms stipendiestiftelse are also gratefully acknowl- edged for travel grants that allowed me to take part in several research confer- ences and visits.
This work would not have been possible without the help and support from many, many people. Thank you to all that has been involved during my stud- ies. I would like to direct some special thanks to the following:
My scientific advisors:
Min huvudhandledare, Prof. Christel Bergström: Du är en sann inspiration,
och din osvikliga entusiasm för allt vad rör forskning är så motiverande. Trots alla förändringar som har skett under våra 5 år tillsammans har du varit en stabil och pålitlig mentor. Oavsett hur mycket annat du har haft på ditt bord har det alltid funnits tid för samtal. Tack för all handledning du givit mig både professionellt och privat, med målet att jag skulle bli en självständig forskare.
Min biträdande handledare, Prof. Maria Strømme: Det finns nog ingen
som skickar så peppande mail som du! Tack för att du har underlättat detta avhandlingsarbete på alla sätt du kunnat, jag har alltid kunnat förlita mig på dina blicksnabba svar när de behövts.
Prof. Clive Prestidge: Thank you for giving me the unique opportunity to
spend six months in your beautiful country, and for letting me be a part of your research group. It was a truly amazing experience. Thanks to all the other members in the Prestidge group for making me feel so welcome.
Prof. Adolf Gogoll: Thank you for all help with the NMR-studies, and for
your patience with my (usually very confused) questions about the experi- ments.
To all the former and present members of the Drug delivery and disposition group and UDOPP: Thank you for being such nice colleagues and creating a great working environment.
Christine, Magnus and André: You immediately let me become a member
of your group, and made my studies so enjoyable. Your extensive knowledge of mass spectrometry, BMC storage rooms, and mushrooms is nothing short of extraordinary.
Maria M: Dziękuję bardzo za twoją pomoc. Jesteś najlepsza!
To all the former and present members of the BLT-group, thank you for great discussions and being the best colleagues possible. Special thanks to Jenny and Oliver who read through this thesis, giving me valuable feedback.
Sara and Linda: Thank you for quickly taking me on and supporting me
when I started my quest towards a PhD.
Khadijah: Your kindness knows no boundaries, and your patience always
amazes me. Thank you for letting me visit your beautiful country and family, for always taking the time to help with anything and everything, and for all the yummy treats during these past years.
Janneke: Words are not enough to explain what you meant scientifically in
my quest to become a researcher. Words are even more insufficient to describe your support as a friend during this time.
Julian and Madlen, my two favorite Germans: Thank you for a lot of
laughs, uplifting words and support, and many glasses of wine.
Vicky: Remember that you are amazing and you’re doing a good job, even
the days when you’re not feeling that way. Thank you for making sure that I got to relax on the beautiful beaches of Paros.
Ilse: My mentor with everything related to animals and modelling. Thank
you for all research and non-research related discussions and for making sure I stayed sane these past years.
My current office mates, Jenny and Albin: Thank you for being the best possible office mates, and taking time to listen to my research issues, life is- sues, and everything in between.
Thanks to all my bachelor/master students that helped me with experiments throughout my studies. Special thanks to Filip, who was kind enough to stay on and help me finish up. I don´t know what I would have done without your reliable and skilled experimental work.
Thanks to the members in the Nanotechnology and Functional Materials- group at Ångström who have helped me these past years. Special thanks to
Michelle and Ocean, for all your help with solid-state analyzes and providing
material for my research.
To my friends and family, whose patience and support are never failing: My Aussie family: Dr. Dening: Thank you for taking me in, introducing me to you family (and trash TV :P), being an amazing roomie and remaining the most awesome of friends ever, even after I left the land down under. Leah:
thank you for company during long, cold evenings, Tim-Tams, and for you ever positive attitude towards the challenges of research.
Hanna: Så lycklig att jag hittade dig på andra sidan jordklotet, och att du
och Andreas tog er an en förvirrad Fia-Lisa!
Jonas och Johanna: Ni har varit så otroligt värdefulla vänner och bollplank
sedan vi tillsammans startade den här resan. Sara: även om du lämnade oss för smørrebrød och Carlsberg har det ändå alltid känts som att du varit här på något sätt.
Mina ”Swedish Fingers”, Ilse, Rebecca, Annelie and Erik: tack för alla ro- liga memes, diskussioner om böcker jag inte läst och allmänt vara en fantastisk supportgrupp
Till familjen jag fått: Mamma, Pappa, Gits, Lars, Marie-Louise, Nathali,
Hampus, Erik, Niclas och Isabelle: Ni är det mest värdefulla jag har. Tack för
att ni alla finns där när jag behöver det. Och Bellis: Tack för att jag har fått ta hand om låtsaskompisbebisen åt dig. Han har gett mig mycket glädje i svåra stunder, och någon att lägga skulden på när jag blir frustrerad över allt och inget.
Till Farfar som gav mig motiv till att fortsätta utbilda mig, Mormor som gav mig envisheten att fortsätta även när det är utmanande, Farmor som hjäl- per mig att behålla perspektiv på saker och ting, och Morfar som ständigt påminde mig om att härj inte har någon ålder. Ni har alla gett mig olika förut- sättningar för att jag skulle kunna ta mig hit.
Till familjen jag valt: Emil, Malin och Katrina, för vilka mitt hem är lika mycket mitt som ert: Tack för att ni är precis som ni är, amazeballs!
Kristian: Tack för att du är tålamodet jag inte har, lugnet i kaoset och trygg-
References
1 Brown TD, Whitehead KA, Mitragotri S. Materials for oral delivery of proteins and peptides. Nat Rev Mater 2020; 5: 127–148.
2 Tyagi P, Pechenov S, Subramony JA. Oral peptide delivery: Translational chal- lenges due to physiological effects. J Control Release 2018; 287: 167–176. 3 Homayun B, Ling X, Choi H-J. Challenges and Recent Progress in Oral Drug
Delivery Systems for Biopharmaceuticals. Pharmaceutics 2019; 11. doi:10.3390/pharmaceutics11030129.
4 Fagerberg JH, Bergström CAS. Intestinal solubility and absorption of poorly water soluble compounds: predictions, challenges and solutions. Ther Deliv 2015; 6: 935–359.
5 Drucker DJ. Advances in oral peptide therapeutics. Nat Rev Drug Discov 2020; 19: 277–289.
6 Dokoumetzidis A, Macheras P. A century of dissolution research: From Noyes and Whitney to the Biopharmaceutics Classification System. Int J Pharm 2006; 321: 1–11.
7 Noyes AA, Whitney WR. THE RATE OF SOLUTION OF SOLID SUB- STANCES IN THEIR OWN SOLUTIONS. J Am Chem Soc 1897; 19: 930– 934.
8 Sugano K, Kansy M, Artursson P, Avdeef A, Bendels S, Di L et al. Coexistence of passive and carrier-mediated processes in drug transport. Nat Rev Drug Dis-
cov 2010; 9: 597–614.
9 Tannergren C, Petri N, Knutson L, Hedeland M, Bondesson U, Lennernäs H. Multiple transport mechanisms involved in the intestinal absorption and first- pass extraction of fexofenadine. Clin Pharmacol Ther 2003; 74: 423–436. 10 Poongavanam V, Doak BC, Kihlberg J. Opportunities and guidelines for dis-
covery of orally absorbed drugs in beyond rule of 5 space. Curr Opin Chem
Biol 2018; 44: 23–29.
11 Boyd BJ, Bergström CAS, Vinarov Z, Kuentz M, Brouwers J, Augustijns P et
al. Successful oral delivery of poorly water-soluble drugs both depends on the
intraluminal behavior of drugs and of appropriate advanced drug delivery sys- tems. Eur J Pharm Sci 2019; 137: 104967.
12 Rossi Sebastiano M, Doak BC, Backlund M, Poongavanam V, Over B, Er- mondi G et al. Impact of Dynamically Exposed Polarity on Permeability and Solubility of Chameleonic Drugs Beyond the Rule of 5. J Med Chem 2018; 61: 4189–4202.
13 FDA/CDER. Waiver of In Vivo Bioavailability and Bioequivalence Studies for Immediate-Release Solid Oral Dosage Forms Based on a Biopharmaceutics Classification System Guidance for Industry. https://www.fda.gov/me- dia/70963/download. 2017.
14 EMA. Guideline on the investigation of bioequivalence (Rev.1).
https://www.ema.europa.eu/en/documents/scientific-guideline/guideline-in- vestigation-bioequivalence-rev1_en.pdf.
2010.https://www.ema.europa.eu/en/documents/scientific-guideline/guideline- investigation-bioequivalence-rev1_en.pdf (accessed 1 Apr2020).
15 Bergström CAS, Andersson SBE, Fagerberg JH, Ragnarsson G, Lindahl A. Is the full potential of the biopharmaceutics classification system reached? Eur J
Pharm Sci 2014; 57: 224–231.
16 Tsume Y, Mudie DM, Langguth P, Amidon GE, Amidon GL. The Biopharma- ceutics Classification System: Subclasses for in vivo predictive dissolution (IPD) methodology and IVIVC. Eur J Pharm Sci 2014; 57: 152–163.
17 Kawabata Y, Wada K, Nakatani M, Yamada S, Onoue S. Formulation design for poorly water-soluble drugs based on biopharmaceutics classification sys- tem: Basic approaches and practical applications. Int J Pharm 2011; 420: 1–10. 18 Augustijns P, Wuyts B, Hens B, Annaert P, Butler J, Brouwers J. A review of drug solubility in human intestinal fluids: Implications for the prediction of oral absorption. Eur J Pharm Sci 2014; 57: 322–332.
19 Zheng W, Jain A, Papoutsakis D, Dannenfelser R-M, Panicucci R, Garad S. Selection of oral bioavailability enhancing formulations during drug discovery.
Drug Dev Ind Pharm 2012; 38: 235–247.
20 Williams HD, Trevaskis NL, Charman SA, Shanker RM, Charman WN, Pouton CW et al. Strategies to Address Low Drug Solubility in Discovery and Devel- opment. Pharmacol Rev 2013; 65: 315–499.
21 Feeney OM, Crum MF, McEvoy CL, Trevaskis NL, Williams HD, Pouton CW
et al. 50years of oral lipid-based formulations: Provenance, progress and future
perspectives. Adv Drug Deliv Rev 2016; 101: 167–194.
22 Schittny A, Huwyler J, Puchkov M. Mechanisms of increased bioavailability through amorphous solid dispersions: a review. Drug Deliv 2020; 27: 110–127. 23 Williams HD, Trevaskis NL, Charman SA, Shanker RM, Charman WN, Pouton CW et al. Strategies to Address Low Drug Solubility in Discovery and Devel- opment. Pharmacol Rev 2013; 65: 315–499.
24 Censi R, Di Martino P. Polymorph Impact on the Bioavailability and Stability of Poorly Soluble Drugs. Molecules 2015; 20: 18759–18776.
25 Grunenberg A, Henck J-O, Siesler HW. Theoretical derivation and practical application of energy/temperature diagrams as an instrument in preformulation studies of polymorphic drug substances. Int J Pharm 1996; 129: 147–158. 26 Buckley ST, Frank KJ, Fricker G, Brandl M. Biopharmaceutical classification
of poorly soluble drugs with respect to “enabling formulations”. Eur J Pharm
Sci 2013; 50: 8–16.
27 Ozaki S, Minamisono T, Yamashita T, Kato T, Kushida I. Supersaturation–Nu- cleation Behavior of Poorly Soluble Drugs and its Impact on the Oral Absorp- tion of Drugs in Thermodynamically High-Energy Forms. J Pharm Sci 2012; 101: 214–222.
28 Brouwers J, Brewster ME, Augustijns P. Supersaturating Drug Delivery Sys- tems: The Answer to Solubility-Limited Oral Bioavailability? J Pharm Sci 2009; 98: 2549–2572.
29 Augustijns P, Brewster ME. Supersaturating Drug Delivery Systems: Fast is Not Necessarily Good Enough. J Pharm Sci 2012; 101: 7–9.
30 Fong SYK, Bauer-Brandl A, Brandl M. Oral bioavailability enhancement through supersaturation: an update and meta-analysis. Expert Opin Drug Deliv 2017; 14: 403–426.
31 Hancock BC, Zografi G. Characteristics and Significance of the Amorphous State in Pharmaceutical Systems. J Pharm Sci 1997; 86: 1–12.
32 Baghel S, Cathcart H, O’Reilly NJ. Polymeric Amorphous Solid Dispersions: A Review of Amorphization, Crystallization, Stabilization, Solid-State Charac- terization, and Aqueous Solubilization of Biopharmaceutical Classification System Class II Drugs. J Pharm Sci 2016; 105: 2527–2544.
33 Bhugra C, Pikal MJ. Role of Thermodynamic, Molecular, and Kinetic Factors in Crystallization from the Amorphous State. J Pharm Sci 2008; 97: 1329– 1349.
34 Kogermann K, Penkina A, Predbannikova K, Jeeger K, Veski P, Rantanen J et
al. Dissolution testing of amorphous solid dispersions. Int J Pharm 2013; 444:
40–46.
35 Marsac PJ, Konno H, Rumondor ACF, Taylor LS. Recrystallization of Nifedi- pine and Felodipine from Amorphous Molecular Level Solid Dispersions Con- taining Poly(vinylpyrrolidone) and Sorbed Water. Pharm Res 2008; 25: 647– 656.
36 Laitinen R, Löbmann K, Strachan CJ, Grohganz H, Rades T. Emerging trends in the stabilization of amorphous drugs. Int J Pharm 2013; 453: 65–79. 37 He Y, Ho C. Amorphous Solid Dispersions: Utilization and Challenges in Drug
Discovery and Development. J Pharm Sci 2015; 104: 3237–3258.
38 Kresge CT, Leonowicz ME, Roth WJ, Vartuli JC, Beck JS. Ordered mesopo- rous molecular sieves synthesized by a liquid-crystal template mechanism. Na-
ture 1992; 359: 710–712.
39 Maleki A, Kettiger H, Schoubben A, Rosenholm JM, Ambrogi V, Hamidi M. Mesoporous silica materials: From physico-chemical properties to enhanced dissolution of poorly water-soluble drugs. J Control Release 2017; 262: 329– 347.
40 Riikonen J, Xu W, Lehto V-P. Mesoporous systems for poorly soluble drugs – recent trends. Int J Pharm 2018; 536: 178–186.
41 Xu W, Riikonen J, Lehto V-P. Mesoporous systems for poorly soluble drugs.
Int J Pharm 2013; 453: 181–197.
42 Valetti S, Wankar J, Ericson MB, Feiler A, Manet I. Mesoporous silica particles as a lipophilic drug vehicle investigated by fluorescence lifetime imaging. J
Mater Chem B 2017; 5: 3201–3211.
43 Mäkilä E, Kivelä H, Shrestha N, Correia A, Kaasalainen M, Kukk E et al. In- fluence of Surface Chemistry on Ibuprofen Adsorption and Confinement in Mesoporous Silicon Microparticles. Langmuir 2016; 32: 13020–13029. 44 Bavnhøj CG, Knopp MM, Madsen CM, Löbmann K. The role interplay be-
tween mesoporous silica pore volume and surface area and their effect on drug loading capacity. Int J Pharm 2019; 1: 100008.
45 Limnell T, Riikonen J, Salonen J, Kaukonen AM, Laitinen L, Hirvonen J et al. Surface chemistry and pore size affect carrier properties of mesoporous silicon microparticles. Int J Pharm 2007; 343: 141–147.
46 Forsgren J, Frykstrand S, Grandfield K, Mihranyan A, Strømme M. A Tem- plate-Free, Ultra-Adsorbing, High Surface Area Carbonate Nanostructure.
47 Frykstrand S, Forsgren J, Mihranyan A, Strømme M. On the pore forming mechanism of Upsalite, a micro- and mesoporous magnesium carbonate. Mi-
croporous Mesoporous Mater 2014; 190: 99–104.
48 Cheung O, Zhang P, Frykstrand S, Zheng H, Yang T, Sommariva M et al. Nanostructure and pore size control of template-free synthesised mesoporous magnesium carbonate. RSC Adv 2016; 6: 74241–74249.
49 Zhang P, Forsgren J, Strømme M. Stabilisation of amorphous ibuprofen in Up- salite, a mesoporous magnesium carbonate, as an approach to increasing the aqueous solubility of poorly soluble drugs. Int J Pharm 2014; 472: 185–191. 50 Yang J, Alvebratt C, Zhang P, Zardán Gómez de la Torre T, Strømme M, Berg-
ström CAS et al. Enhanced release of poorly water-soluble drugs from synergy between mesoporous magnesium carbonate and polymers. Int J Pharm 2017; 525: 183–190.
51 Zhang P, Zardán Gómez de la Torre T, Welch K, Bergström C, Strømme M. Supersaturation of poorly soluble drugs induced by mesoporous magnesium carbonate. Eur J Pharm Sci 2016; 93: 468–474.