Poly(Lactide-co-Glycolide) in Controlled-Release Pharmaceuticals - Release Mechanisms

Abstract

Controlled-release formulations reduce the frequency of injections and better maintain plasma concentrations within the therapeutic window. Poly(D,L-lactide-co-glycolide) (PLG) is currently the most frequently used biodegradable polymer for this application. In order to be able to control the release rate, it is vital to know the underlying release mechanisms.

A novel method for measuring the diffusion of proteins and other substances through PLG films was developed. Size-exclusion effects were seen when studying the simultaneous diffusion of human growth

hormone and glucose through the PLG films.

Divalent cations in the in vitro buffer, especially zinc cations, increased the rate of pore formation in PLG films. Encapsulated zinc acetate increased the effective diffusion coefficient of lysozyme through PLG films. The pore forming effect was probably due to Lewis-acid-catalyzed hydrolysis.

Pore closure was increased in an in vitro buffer with low pH, when using a low-Mw PLG with a relatively low degree of hydrophobicity, or at high temperature. Pore closure may have been caused by: (i) polymer–polymer interactions driven by the hydrophobic effect, causing separation from water and rearrangement of the polymer chains, or (ii) polymer–water interactions that led to a more homogeneously swollen polymer mass, instead of distinct regions of polymer and pores. Polymer chain mobility is important in both cases. The highest porosity of PLG films was found at pH 5–6, probably due to rapid pore closure below and above these values and due to relatively rapid hydrolysis in this slightly acidic environment. The pH may be low during drug release due to acidic polymer degradation products and inflammatory reactions.

Studies based on diffusion measurements, confocal microscopy, and scanning electron microscopy suggest that there may be considerable transport resistance inside the polymer matrix during the first stage of degradation, while the most significant transport resistance is at the surface at a later stage.

Release mechanisms and processes that have been reported to govern drug release were analyzed and discussed in a review article. Diffusion through water-filled pores is the most common way in which a drug is released (in this thesis called a true release mechanism). Several processes have been found to determine the rate of drug release. Drug release is often preceded by a chain of processes, and the dominant process may change with time and space, and when a parameter is altered. This provides many ways of modifying drug release and solving specific problems during pharmaceutical development.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

De senaste årens framsteg inom bioteknologin har medfört att det utvecklas allt fler proteinbaserade läkemedel. Detta innebär att vi har fått bättre mediciner mot allvarliga sjukdomar, men tyvärr måste proteiner nästan alltid tas med spruta, och ofta krävs långa behandlingar med dagliga injektioner. Det finns även andra grupper av läkemedelssubstanser som ökar i omfattning, men som sällan går att ge i form av tabletter. Genom ”kontrollerad frisättning av inkapslade aktiva substanser” kan man minska antalet injektioner och på så sätt underlätta för patienter. Den aktiva substansen kapslas in i en polymer och läcker sedan ut. Ofta kapslar man in läkemedlet i mikropartiklar som sedan injiceras, t.ex. under huden. Man injicerar en stor dos, som räcker under en förutbestämd tid, och den aktiva substansen läcker ut ur mikropartiklarna och tas upp i blodet.

Läkemedel i form av kontrollerad frisättning av inkapslade aktiva substanser har flera fördelar jämfört med tabletter eller injektioner av

den aktiva substansen i lösning. Koncentrationen i kroppen hålls mer konstant, vilket gör att man undviker alltför höga koncentrationer, som

ger biverkningar, och alltför låga koncentrationer, som inte ger tillräcklig effekt. Ett annat exempel där kontrollerad frisättning kan ge fördelar är vaccin. Vaccin måste ofta tas upprepade gånger för att ha effekt, men med kontrollerad frisättning av inkapslat vaccin kan det räcka med en gång. Inte minst för vaccinationsprogram i utvecklingsländer är detta en stor fördel. Ännu en fördel är att man kan utveckla läkemedel som är aktiva på rätt ställe i kroppen, genom att placera mikropartiklar eller

någon annan form av implantat, med den aktiva substansen inkapslad, vid det aktuella stället. Man får då en stor effekt lokalt, vilket gör att

dosen kan hållas låg. Ett annat sätt är att injicera mycket små partiklar, så kallade nanopartiklar, direkt i blodet. Ytan på dessa partiklar kan

modifieras kemiskt så att partiklarna binder till ett visst ställe, t.ex. en receptor som finns på cancerceller, och på så vis få inkapslad cytostatika att läcka ut precis vid tumören.

Den polymer som används mest för att kapsla in aktiva substanser kallas

poly(D,L-lactide-co-glycolide), förkortat PLG. Den bryts ner i kroppen

till icke-giftiga ämnen, och mikropartiklar eller implantat behöver därför

inte tas bort. PLG är godkänd av läkemedelsmyndigheter runt om i

världen.

Det är oerhört viktigt att man kan styra hur snabbt det inkapslade

läkemedlet läcker ut, d.v.s. frisättningshastigheten, för att få rätt

koncentration i kroppen. De faktorer som påverkar detta är komplexa. I

mitt arbete har jag fokuserat på och kommit fram till bl.a. följande:

• En metod för att undersöka diffusion, d.v.s. transport, av en aktiv

substans genom PLG. Metoden bygger på en s.k. diffusionscell.

• Salter med två positiva laddningar, s.k. divalenta katjoner, ökar

bildningen av porer i polymeren, vilket gör att läkemedlet frisätts

snabbare. Speciellt salt av zink visade stark effekt. Salter med sådana

joner används ibland för att stabilisera inkapslat protein, och då är

den porbildande effekten bra att känna till. Sådana salter finns även i

kroppen, och detta kan vara en förklaring till varför inkapslat läkemedel ofta läcker ut snabbare i kroppen än när man studerar mikropartiklar i laboratorium.

• Ett annat viktigt fenomen som jag har sett och sedan studerat är att

porer i polymeren kan förslutas, en process som man inte känner till

mycket om. Jag fann att porstängning påverkades av pH, polymerens egenskaper och temperaturen. Resultaten pekade på två bakomliggande mekanismer för porstängning, beroende av pH. Porer bildades snabbast vid pH 5–6, medan porer stängdes snabbt vid lägre pH och vid fysiologiskt pH (7.4). Detta kan vara avgörande för frisättningshastigheten, eftersom pH ofta sjunker både i kroppen och i polymeren när den bryts ner.

• För att kunna modifiera frisättningshastigheten kan det vara viktigt

att veta var i en polymerpartikel hastigheten är som lägst. Mina

resultat pekar på att detta är i det inre av polymermassan under den

första tiden efter injicering i kroppen, medan området vid ytan utgör

det största motståndet för transport av det inkapslade läkemedlet efter en längre tid.

• Slutligen har jag skrivit en review-artikel, där jag har analyserat de

frisättningsmekanismer och faktorer som har rapporterats i litteratur.

För den som ska sätta sig in i ämnesområdet, kan denna reviewartikel

underlätta att förstå det komplexa system av faktorer och mekanismer som ligger bakom kontrollerad frisättning av aktiva substanser inkapslade i PLG.

Resultaten är baserade på experiment utförda framförallt på filmer av

PLG. De metoder som användes var bl.a. diffusionsmätning m.h.a. en

diffusionscell, svepelektronmikroskopi, konfokalmikroskopi för att mäta

pH inuti polymeren och för att lokalisera fluorescerande prober,

differential scanning calorimetry, vattenupptags- och

massförlustsmätningar genom vägning, samt frisättningsstudier på

tillväxthormon inkapslat i PLG-dragerade mikropartiklar.

• author: Fredenberg, Susanne
• supervisor: Anders Axelsson; Mats Reslow; Marie Wahlgren
• opponent: Professor Schwendeman, Steven P, Department of Pharmaceutical Sciences, Univeristy of Michigan, USA
• organization: Division of Chemical Engineering
• publishing date: 2011
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Chemical Engineering
• keywords: PLGA, Poly(lactide-co-glycolide), Release mechanism, Diffusion, Controlled Release, Degradation, Protein
• pages: 100 pages
• defense location: Department of Chemical Engineering, hall K:B, Getingevägen 60, Faculty of Engineering, Lund University
• defense date: 2011-03-18 09:15:00
• ISBN: 978-91-7422-263-0
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 074ed8b5-7370-48a8-babf-3b8a277348e1 (old id 1788976)
• date added to LUP: 2016-04-04 11:26:53
• date last changed: 2018-11-21 21:04:55