Neutron Activation-Based Gamma Scintigraphic Imaging and Scintigraphy-Based Pharmacokinetic Modelling of Per Oral Controlled Release Drug Delivery

Abstract

The per oral route of administration is the most convenient and commonly used means of drug administration. However, many drugs are ineffectively absorbed per orally, or the dosing frequency is inconveniently short. Controlled-release (CR) technologies offer means to optimize the resulting plasma concentration-time profiles of such drugs.

Transit of dosage forms in the gastro-intestinal (GI) tract is one of the major factors that determine their overall in vivo performance. Gamma scintigraphy is one of the most appropriate means of studying the fates of drug formulations in the human GI tract. For complex dosage forms imaging methods involving use of stable (non-radioactive) markers during preparation of the products are preferable. Samarium oxide can be incorporated in a formulation during normal manufacture and later it can be activated in a thermal neutron flux of a nuclear reactor to 153Sm2O3. A number of scintigraphic studies have been published during the last two decades, but only a few studies about neutron activation in relation to oral administration.

In per oral drug delivery, the rate and extent of drug absorption is determined by the drug, the formulation and the properties of the gastrointestinal tract. Modelling helps to reveal the relative importance of different factors and to predict the biopharmaceutical impact of formulation changes. So far, the published computational models have included only stomach and small intestine, but not colon, even though major part of drug release from the CR formulations takes place in the colon. Pharmacokinetic simulation models can be designed based on parameters in relation to the transit of the formulation and the physiological environment in the gut obtained from imaging studies.

In this study, neutron activation-based scintigraphic methods were developed and evaluated for various CR formulations in the human GI tract, from the oesophagus to the colon. The developed methods were successfully utilized in imaging the transit of dosage forms and in verifying drug release for a maximum of 24 h after administration. A total of 48 healthy volunteers were imaged in five clinical studies. The in vivo transit characteristics of capsule formulations were studied in the oesophagus. Muco adhesion of chitosan granule formulations was studied in the stomach. Sites and rates of drug release and disintegration of different CR capsules and tablets were investigated in the small intestine and the colon. In one imaging study, colon targeted drug delivery using a CR capsule formulation was also verified in vivo. Results of these studies revealed new information in relation to the fates of the studied dosage forms in the GI tract and provided a basis for planning subsequent in vitro and in silico studies for further development of these formulations. The developed imaging methods and equipment used were proven to be valuable tools in CR per oral drug delivery studies

The fate of one CR caffeine tablet formulation was studied further by means of computational pharmacokinetic simulation modelling by designing an extended compartmental model that takes into account drug release, transit and absorption in the small intestine and the colon. Three colon segment compartments were added to the existing seven-compartment small intestinal transit and absorption model. The new model revealed that the inter-individual differences in the kinetics of the tablet are due to differences in drug metabolism, rather than in the dosage form transit.

Lääkkeiden turvallisuus ja niiden kehittämisessä tarvittavat eläinkokeet ovat ajankohtaisia teemoja farmasiassa. Uusia tutkimusmenetelmiä tarvitaan, jotta lääkevalvontaviranomaisten vaatima tutkimustieto voidaan tuottaa mahdollisimman laadukkaasti ja samalla eläinkokeiden määrää vähentäen. Tässä väitöstyössä on kehitetty gammasäteilyyn ja tietokonemallinnukseen perustuvia uusia tutkimusmenetelmiä.

Lääkkeen kulkeutuminen ruoansulatuskanavassa on yksi tärkeimmistä tekijöistä, jotka vaikuttavat sen toimivuuteen ihmisen elimistössä. Gammakameralla tapahtuva kuvaaminen, gammaskintigrafia, on tehokas menetelmä toimivuuden tutkimiseen lääkkeen todellisessa kohteessa eli ihmisessä. Lääkevalmiste voidaan esimerkiksi merkitä yhdisteellä, joka myöhemmin aktivoidaan ydinreaktorissa suoritettavalla neutronisäteilytyksellä. Menetelmä on erityisen käyttökelpoinen, kun kyseessä on monimutkainen niin sanottu säätövalmiste. Lääkkeitä on kuvannettu neutroniaktivaation avulla maailmalla aiemmin vain muutaman kerran.

Suun kautta annosteltaessa lääkeaine, lääkevalmiste ja ruoansulatuskanavan olosuhteet vaikuttavat lääkkeen imeytymiseen. Tietokonemallintamisen avulla voidaan tarkastella näitä tekijöitä ja pyrkiä ennustamaan biofarmaseuttisen käyttäytymisen muutoksia yksilöiden välillä tai erilaisilla valmisteilla. Aiemmat mallit ottavat huomioon lääkeaineen imeytymisen mahassa ja ohutsuolessa, mutta eivät paksusuolessa, joka on uusimman tiedon valossa keskeinen imeytymispaikka monille lääkeaineille erityisesti säätövalmisteiden tapauksessa.

Tässä väitöskirjatyössä kehitettiin neutroniaktivaatioon perustuva gammakuvantamismenetelmä, jonka avulla selvitettiin erilaisten lääkevalmisteiden käyttäytymistä ihmisen ruoansulatuskanavassa. Kaikkiaan 48 tervettä vapaaehtoista tutkimushenkilöä osallistui kliinisiin tutkimuksiin, joissa selvitettiin kapselivalmisteen kulkeutumista ruokatorvessa, raevalmisteen tarttumista mahan limakalvoihin ja lääkeaineen vapautumista säätövalmisteista suolistossa. Tutkimuksesta saatiin uutta hyödyllistä tietoa lääkkeiden käyttäytymisestä ihmiselimistössä.

Yhtä kaupallista säätövalmistetta tutkittiin edelleen kehittämällä kuvantamistulosten pohjalta laskennallinen malli jäljittelemään valmisteen kulkeutumista ja lääkeaineen vapautumista ohut- ja paksusuolessa. Tehdyt simulaatiokokeet osoittivat, että kliinisessä tutkimuksessa havaittu yksilöiden välinen vaihtelu lääkeainepitoisuuksissa selittyy suurimmaksi osaksi yksilöllisillä eroilla metaboliassa ja vain vähäisessä määrin eroilla valmisteen kulkeutumisessa. Tällaisia tutkimuksia, joissa kuvantaminen ja tietokonemallinnus yhdistetään, voidaan jatkossa hyödyntää lääkekehityksen apuvälineinä laajemminkin.