Entwicklung von Mikropartikeln für parenterale Depotarzneiformen mit biologischen Wirkstoffen

Abstract

Das Ziel der vorliegenden Arbeit war die Entwicklung und Implementierung einer Plattformtechnologie zur Herstellung von Mikropartikeln auf Basis bioabbaubarer Polymere als Depotarzneiform für therapeutisch-anwendbare Proteine.<br /> Durch die Vermischung einer lösungsmittelhaltigen Polymerlösung sowie einer wässrigen Wirkstofflösung und der Verdampfung des Lösungsmittels wurden die Mikropartikel hergestellt. Dieses mehrstufige Verfahren besaß viele Einflussgrößen, die während der Entwicklung auf einander abgestimmt wurden, um einen optimalen Herstellprozess zu erhalten. Als Modellproteine wurden Lysozym, bovines Serumalbumin (BSA) und ein IgG-Antikörper eingesetzt. Sie unterschieden sich in ihren physiko-chemischen Eigenschaften, um die Vielfältigkeit von biologischen Wirkstoffen abzubilden. Polylactid-co-glycolide (PLGA) wurden als Matrixmaterial verwendet. Sie waren aus gleichen Teilen Milch- und Glykolsäure aufgebaut. Neben diesen Monoblocktypen wurden auch Polymerkombinationen aus PLGA und Polyethylenglykol (PEG) genutzt. <br /> Im Polymerscreening wurden Mikropartikel unter gleichen Prozessbedingungen auf Basis unterschiedlicher PLGA-Typen hergestellt und hinsichtlich Partikeleigenschaften und in-vitro Freisetzung untersucht. Unterschiede in der Partikelgröße, der Morphologie und der spezifischen Oberfläche wurden festgestellt. Durch die Anwesenheit von PEG in der Matrix wurde das Protein in den Mikropartikeln homogener verteilt, jedoch in-vitro sehr rasch freigesetzt. Im Gegensatz dazu konnte gezeigt werden, dass die Freisetzung des Proteins aus der Triblockpolymer-Formulierung langsam und kontinuierlich verlief, so dass dieses Polymer für die weiteren Untersuchungen favorisiert wurde. Während des Herstellprozesses wurden die nativen Mikropartikel durch einen Stabilisator vor Koaleszenz geschützt. Es wurde nach einer Alternative für den allgemein eingesetzten Polyvinylalkohol (PVA) gesucht. Im Vergleich zu anderen getesteten Substanzen erwies sich Methylcellulose (MC) als sehr geeignet für die Mikropartikelherstellung. In einer statistischen Versuchsplanung wurde der Einfluss verschiedener Prozessparameter wie Rührgeschwindigkeit und MC-Konzentration auf die Partikeleigenschaften untersucht. Je schneller die Rührgeschwindigkeit und je höher die Stabilisator-Konzentration, desto kleiner wurden die Mikropartikel. Eine niedrige MC-Konzentration (0,5 %) führte zu einer Verkapselungsrate von 90 %. Es zeigte sich, dass sich die initiale Freisetzung durch die MC-Konzentration steuern ließ. Mikropartikel, die mit einer hohen MC-Konzentration hergestellt wurden, zeigten einen hohen initial burst von 80 %. Partikel mit einer niedrigen MC-Konzentration setzten hingegen innerhalb der ersten 24 Stunden 10 % des verkapselten Proteins frei. Auf Grundlage dieser Ergebnisse wurde der Standardprozess mit einer mittleren MC-Konzentration und einer moderaten Rührgeschwindigkeit definiert. Der inial burst der Standardformulierung betrug nun 30 %. Um die initiale Freisetzung auf unter 10 % zu reduzieren, wurde der Stabilisatorphase Sorbitol beigemischt. Somit begann die langsame und kontinuierliche Freisetzung in Abhängigkeit des Wirkstoffs nach 4 oder 6 Wochen. <br /> Der im Labormaßstab optimierte Prozess konnte ohne Probleme in den technischen Maßstab übertragen werden. Es war möglich, die zehnfache Menge an Mikropartikeln mit reproduzierbaren Ergebnissen herzustellen.

<strong>Microparticles for parenteral depots with therapeutic proteins</strong><br /> The aim of this work was the development and implementation of a platform technology for the production of microparticles based on biodegradable polymers used as depot for therapeutic proteins. <br /> Microparticles were prepared by mixing an organic polymer solution with an aqueous active solution and evaporation of solvent. To achieve an ideal production process, many variables of the multi-stage process had to be concerted. Lysozyme, bovine serum albumin (BSA) and an IgG antibody were used as model proteins. Differences in physicochemical properties represented the variability of therapeutic proteins. The matrix was based on polylactid-co-glycolide (PLGA), composed of equal parts of lactic and glycolic acid. Beside the monoblock polymers, combinations of PLGA and polyethylene glycol (PEG) were used. <br /> For polymerscreening, microparticles composed of different types of PLGA were prepared under same conditions and examined regarding particle properties and in-vitro release of protein. Differences in particle size, morphology and specific surface area were observed. Protein was distributed more homogeneous, but release was very rapid due to the presence of PEG. In comparison, release of protein of the formulation based on triblock polymer was slow and continuous. Therefore, this polymer was preferred for further experiments. <br /> Native microparticles were protected against coalescence by stabilizer during manufacturing process. Alternatives for polyvinyl alcohol (PVA), the common used stabilizer, were tested. Methylcellulose (MC) proved to be suitable for the production of microparticles. The influence of different process parameters like stirring velocity and concentration of MC on particle properties were evaluated by Design of Experiments (DoE). With increasing agitation and MC concentration, the particle size decreased. Microparticles prepared with a low MC concentration (0.5 %) showed an encapsulation rate of 90 %. It was pointed out, that initial burst and in-vitro release of protein could be modified by MC concentration. Microparticles prepared with a high MC concentration released 80 % of the protein within the first 24 hours. In contrast, microparticles prepared with a low MC concentration showed an initial burst of 10 %. Based on these results a standard process using a moderate agitation and a moderate MC concentration was defined. The standard formulation showed an initial burst of 30 %. To reduce the protein release within the first 24 hours below 10 %, sorbitol was added to the continuous phase. Therefore, slow and continuous release started after four or six weeks in dependence of the active. <br /> The process was optimized in laboratory scale and was transferred to technical scale without difficulty. It was possible to produce the tenfold amount of microparticles with reproducible results.