ArticlePDF Available

Hydrodynamics and mechanical stresses in pharmacopoeial and noncompendial dissolution testing

Authors:
  • Physiolution GmbH

Abstract

The first and an essential step of medication’s path inside the human body is a dissolution of an active pharmaceutical ingridient. A dissolution of oral dosage forms occurs as a result of physicochemical and mechanical stresses which are found in gastrointestinal tract. This results in dissolution of the API, which becomes ready for the next step - absorption. In recent years, diversity and variability of digestive tract parameters has been understood better due to the advances in the research methods that allowed quantification of forces, mechanical stresses and pH gradients acting therein. Dissolution tests are conducted in order to determine the impact of biorelevant factors on the dosage form. These tests are a basic tool for the preclinical prediction of formulations behaviour in gastrointestinal tract, as well as for the quality control and to ensure formulations invariability after technological alterations in production. Pharmacopeia describes the standard procedure of dissolution tests. However, in the light of the research of actual conditions occurring in gastrointestinal tract the compendial methods appear to not fully reflect the hydrodynamic and mechanical stresses. This results in the lack of discriminatory power of pharmacopoeial dissolution tests, whereas differences between formulations occur in vivo. To face the need, simulators for the whole or partial gastrointestinal tract are constructed. These are advanced devices that enable the determination of the impact of the pH gradient, mechanical stresses and forces, enzymes secretion and many others, on the dosage form. The operation of a number of those simulators successfully predicts the behaviour of medication in vivo, which is an indispensable support during the formulation development. In the article there are described the mechanical and hydrodynamic gastrointestinal stresses, hydrodynamics of the most popular pharmacopoeial apparatus and non compendial gastrointestinal simulators, with regard to their ability to mimic biorelevant hydrodynamics.
ANALIZA FARMACEUTYCZNA
Tom 76 · nr 4 · 2020210
Hydrodynamika i naprężenia mechaniczne
działające na postać leku w farmakopealnym
i niekompendialnym badaniu uwalniania
Marcela Wiater1, Dagmara Hoc1, Jadwiga Paszkowska1, Grzegorz Garbacz1
1 Physiolution Polska
Farmacja Polska, ISSN 0014-8261 (print); ISSN 2544-8552 (on-line)
Hydrodynamics and mechanical stresses in pharmacopoeial and noncompendial
dissolution testing
The first and an essential step of medication’s path inside the human body
is a dissolution of an active pharmaceutical ingridient. A dissolution of oral
dosage forms occurs as a result of physicochemical and mechanical stresses
which are found in gastrointestinal tract. This results in dissolution of the
API, which becomes ready for the next step - absorption. In recent years,
diversity and variability of digestive tract parameters has been understood
better due to the advances in the research methods that allowed
quantification of forces, mechanical stresses and pH gradients acting
therein. Dissolution tests are conducted in order to determine the impact
of biorelevant factors on the dosage form. These tests are a basic tool for
the preclinical prediction of formulations behaviour in gastrointestinal tract,
as well as for the quality control and to ensure formulations invariability
after technological alterations in production. Pharmacopeia describes the
standard procedure of dissolution tests. However, in the light of the research
of actual conditions occurring in gastrointestinal tract the compendial
methods appear to not fully reflect the hydrodynamic and mechanical
stresses. This results in the lack of discriminatory power of pharmacopoeial
dissolution tests, whereas differences between formulations occur in vivo.
To face the need, simulators for the whole or partial gastrointestinal tract
are constructed. These are advanced devices that enable the determination
of the impact of the pH gradient, mechanical stresses and forces,
enzymes secretion and many others, on the dosage form. The operation
of a number of those simulators successfully predicts the behaviour of
medication in vivo, which is an indispensable support during the formulation
development. In the article there are described the mechanical and
hydrodynamic gastrointestinal stresses, hydrodynamics of the most popular
pharmacopoeial apparatus and non compendial gastrointestinal simulators,
with regard to their ability to mimic biorelevant hydrodynamics.
Keywords: dissolution, gastrointestinal tract, hydrodynamics, mechanical
stress, simulation.
© Farm Pol, 2020, 76 (4): 210–221
Adres do korespondencji
Marcela Wiater, Physiolution Polska,
ul. Piłsudskiego 74, 50–020 Wrocław,
e-mail: m.wiater@physiolution.pl
Źródła finansowania
Narodowe Centrum Badań i Rozwoju, program
InnoNeuroPharm POIR.01.02.00-00-0011/17
Konflikt interesów:
Nie istnieje konflikt interesów.
Otrzymano: 2020.04.21
Zaakceptowano: 2020.06.04
Opublikowano on-line: 2020.06.12
DOI
10.32383/farmpol/123813
ORCID
Marcela Wiater (ORCID iD: 0000-0002-6865-5471)
Dagmara Hoc (ORCID iD: 0000-0002-7681-1243)
Jadwiga Paszkowska (ORCID iD: 0000-0003-1230-8128)
Grzegorz Garbacz (ORCID iD: 0000-0003-4511-0329)
Copyright
© Polskie Towarzystwo Farmaceutyczne
To jest artykuł o otwartym dostępie,
na licencji CC BY NC
https://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/
ANALIZA FARMACEUTYCZNA
211Tom 76 · nr 4 · 2020
Wprowadzenie
Doustna postać leku jest aktualnie najbar-
dziej popularną formą aplikacji substancji lecz-
niczych. Do głównych zalet tej formy prepa-
ratów należy łatwość jej zastosowania wśród
pacjentów, co przekłada się na skuteczność far-
makoterapii, powszechność rozwiązań techno-
logicznych, koniecznych do jej wyprodukowa-
nia i związane z tym niskie nakłady finansowe.
Aby w pełni wykorzystać potencjał doustnej
postaci leku i zaprojektować skuteczną formu-
lację, niezbędne jest całościowe zrozumienie tej
drogi aplikacji. Wiąże się to z dokładnym pozna-
niem fizjologii przewodu pokarmowego i czyn-
ników, jakie oddziałują w nim na farmaceutyk.
W licznych pracach udowodniono, że na uwol-
nienie leku w przewodzie pokarmowym znaczący
wpływ mają nie tylko gradienty pH w kolejnych
fragmentach układu, ale także obciążenia mecha-
niczne działające na lek, wynikające z perystaltyki
żołądka i jelit [1–4]. Istotny jest rodzaj tych naprę-
żeń – zwykle zgniatanie lub ścinanie – czas trwa-
nia oraz siły przez nie generowane i wpływające na
postać leku. Powiązaną grupą czynników działa-
jących na lek w układzie pokarmowym są wszyst-
kie parametry, które można określić zbiorczym
mianem hydrodynamiki medium, czyli stopień
turbulencji przepływu, lepkość i gęstość medium
oraz jego prędkość [5–11]. Uwarunkowania te przez
wielu badaczy są niedoceniane, zwłaszcza pod-
czas rutynowych badań uwalniania, istnieje jed-
nak duża grupa formulacji szczególnie podatnych
na te właściwości. Podczas badań formulacyjnych
kluczowe jest przewidzenie zachowania postaci
leku pod wpływem tych czynników i odpowied-
nie poprowadzenie prac tak, aby preparat spełniał
określone wymagania w późniejszych badaniach
klinicznych. W tym celu znacznym ułatwieniem
może być odpowiednie zasymulowanie parame-
trów przewodu pokarmowego w warunkach labo-
ratoryjnych, czemu służą metody i aparaty farm-
kopealne oraz niekompendialne. W ni niejszej pracy
opisano różnorod ność parametrów mechan icznych
i hydrodynamicznych, które można w nich odtwo-
rzyć w odniesieniu do rzeczywistych warunków
przewodu pokarmowego człowieka.
Rodzaje przepływu płynów
Hydrodynamika układu często jest opisywana
przez rodzaj przepływu płynu. Wyróżniamy prze-
pływy: laminarny, przejściowy i burzliwy. Pierw-
szy z nich charakter yzuje się równoległym ruchem
warstewek płynu, bez poprzecznego transportu
masy i turbulencji. Zazwyczaj występuje on dla
małych wartości prędkości płynu, jednak jest to
również zależne od jego lepkości i gęstości, a także
przeszkód na drodze płynu. Podczas przepływu
laminarnego ruch masy pomiędzy warstewkami
płynu odbywa się jedynie na drodze dyfuzji i jest
to raczej powolne przemieszczanie. Obok ruchu
laminarnego wyróżniamy przepływ burzliwy
(turbulentny) o zgoła innej charakterystyce. Jest
to ruch skomplikowany, o licznych fluktuacjach,
wirach i silnym przemieszaniu, toteż wymiana
masy zachodzi w nim nie tylko na drodze dyfu-
zji, ale przede wszystkim konwekcji i jest ona dużo
bardziej intensywna niż dla ruchu laminarnego.
Przepływ przejściowy jest to przepływ o cechach
pośrednich między laminarnym i turbulentnym,
gdyż granice między tymi rodzajami przepływów
nie są sztywno ustalone. Kryterium definiującym
rodzaj przepływu jest bezwymiarowa liczba Rey-
noldsa, opisana równaniem:
Re =
η
wL
ρ
gdzie: w – prędkość przepływu płynu [m/s],
L – wymiar charakterystyczny układu, np. śred-
nica rurociągu w [m], ρ – gęstość płynu [kg/m
3
],
η – lepkość dynamiczna płynu [Pa·s].
Warunki panujące w przewodzie
pokarmowym człowieka
Przewód pokarmowy człowieka jest skompliko-
wanym układem ukształtowanym w celu wchło-
nięcia jak największej ilości składników odżyw-
czych, przy jednoczesnym powstrzymaniu toksyn
i patogenów przed wniknięciem do organizmu.
Składa się on z kilku fragmentów o specyficznych
zadaniach, wyróżniamy: jamę ustną wraz z prze-
łykiem, żołądek, jelito cienkie i jelito grube. Każdy
z tych fragmentów charakteryzuje się odmiennymi
czynnikami natury fizykochemicznej i mechanicz-
nej, a ich znajomość jest konieczna do prawid łowej
symulacji przewodu pokarmowego in vitro. Ostat-
nie lata przyniosły znaczny postęp w rozumieniu
procesów zachodzących w przewodzie pokarmo-
wym, głównie dzięki technologii doustnych kap-
sułek zawierających czujniki pH, temperatury
i naprężeń mechanicznych [1214]. Dane pozy
-
skane z tych urządzeń pozwalają na śledzenie drogi
tabletki w przewodzie pokarmowym i towarzyszą-
cych jej naprężeń fizykochemicznych oraz mecha-
nicznych, co jest niezastąpioną pomocą dla badaczy
pracujących nad realistyczną symulacją przewodu
pokarmowego.
Jama ustna
Jama ustna jest miejscem pierwszego kon-
taktu doustnej postaci leku z przewodem pokar-
mowym człowieka. Jej głównym zadaniem jest
ANALIZA FARMACEUTYCZNA
Tom 76 · nr 4 · 2020212
mechaniczne rozdrobnienie pokarmu (masty-
kacja), zdobycie informacji na jego temat dzięki
bodźcom zmysłowym, wstępne trawienie oraz
przygotowanie do następnych etapów trawienia.
Większość z tych funkcji wiąże się z wymiesza-
niem posiłku ze śliną, która zawiera enzym tra-
wienny α-amylazę, katalizujący hydrolizę skrobi.
Siły wywołane ruchem szczęk są najsilniejszymi
w przewodzie pokarmowym i osiągają wartości
100–700 N, zależnie od płci i wieku człowieka [15].
Parametry fizykochemiczne wewnątrz jamy ust-
nej są silnie zależne od przyjętego pokarmu, także
można założyć, że pH i temperatura są takie same
jak posiłku, natomiast w warunkach na czczo pH
jest zbliżone do neutralnego i waha się pomiędzy
6,0–7,4 w zależności od ilości płytki nazębnej [3].
Właściwości te są kluczowe dla tabletek ulegają-
cych rozpadowi w jamie ustnej, pastylek, drażetek
i żeli itp. Większość leków ulega jednak rozpadowi
w dalszych fragmentach przewodu pokarmowego,
ich czas przebywania w jamie ustnej jest bardzo
krótki i nie ma istotnego wpływu na proces dez-
integracji i uwolnienia substancji aktywnej. Ze
względu na fakt, że jedynie dla niektórych postaci
leków parametry mechaniczne i fizykochemiczne
jamy ustnej są znaczące, są dla nich konstruowane
specjalne symulatory tych warunków, natomiast
standardowe symulatory przewodu pokarmowego
nie obejmują tego odcinka.
Żołądek
Zadaniem żołądka jest odbieranie i przechowy-
wanie przyjętego pokarmu oraz regularna dystry-
bucja odpowiednich jego porcji do dalszych frag-
mentów przewodu pokarmowego. Następuje tu
też rozpad niektórych leków i pokarmu, ich stery-
lizacja oraz trawienie [16]. Jest to możliwe dzięki,
występującym w tym organie, czynnikom mecha-
nicznym, chemicznym, a nawet temperaturowym.
Żołądek jest układem silnie zmiennym, a para-
metry w jego wnętrzu są zależne od wielu bodź-
ców, głównie od parametrów przyjętego pokarmu
i reakcji organizmu. Naprężenia mechaniczne
żołądka na czczo są generowane przez jego nastę-
pujące cyklicznie skurcze będące elementem MMC
(ang. migrating motor complex). Każdy cykl składa
się z czterech faz: żołądek w fazie pierwszej cechuje
się najmniejszą aktywnością, a jego mięśnie gładkie
pozostają rozluźnione, faza ta trwa 45 do 60 minut.
Podczas drugiej fazy MMC, trwającej 30 minut,
zaczynają się skurcze żołądka, wywołujące ciśnie-
nie do 150 mbar [3], a ich częstotliwość zwiększa
się w czasie; perystaltyka rozprzestrzenia się od
żołądka i jest propagowana wzdłuż jelita cienkiego.
Następna faza, nazywana „frontem aktywności”,
cechuje się największą intensywnością. Wystę-
puje w niej kilka silnych skurczy żołądka, których
zadaniem jest usunięcie resztek pokarmu i zale-
gającego płynu. Zazwyczaj to właśnie wtedy usu-
wana jest z żołądka tabletka, która została przyjęta
na czczo i nie uległa dezintegracji. Skurcze tej fazy
potrafią wywołać ciśnienia rzędu 460−500 mbar, są
to największe ciśnienia występujące w przewodzie
pokarmowym i niejednokrotnie wywołują one roz-
pad tabletki [12, 13, 17]. Ostatnia faza MMC polega
na wygaszeniu skurczy i płynnym przejściu do fazy
pierwszej kolejnego cyklu [18]. Skurcze żołądka po
posiłku rozchodzą się falami trzech typów: I, II i III.
Nakładają się na siebie, a ich zadaniem jest mie-
szanie i rozdrabnianie treści żołądka [11]. Procesy
mechaniczne zachodzące w górnej części żołądka
to delikatne mieszanie, a w dolnej intensywne ści-
nanie i homogenizacja [16]. Ciśnienia osiągane dla
tego typu skurczów są mniejsze niż dla opróż-
niania żołądka na czczo i wynoszą 240 mbar [17].
W wyniku skurczy żołądka tabletka nie tylko ulega
ciśnieniu, ale również przemieszcza się z pręd-
kością 2–8 cm/s [3] lub też według innych badań
do 18 cm/s [19]. W momencie wyrzutu tabletki
z żołądka do dwunastnicy wynosi aż do 50 cm/s
i jest to największa prędkość w całym przewo-
dzie pokarmowym [20]. Szacuje się, że liczba Rey-
noldsa w żołądku w warunkach po posiłku wynosi
zazwyczaj 0,01–30, co w teorii odpowiada prze-
pływowi laminarnemu [5]. W praktyce, z uwagi na
niehomogeniczną konsystencję oraz nieciągłość
fizjologicznego ruchu, przepływ treści pokarmo-
wej nie ma charakteru uwarstwionego. Objętość
żołądka na czczo wynosi 10–50 mL, a po posiłku od
0,1 do 4,0 L i więcej, w zależności od ilości posiłku
i indywidualnej budowy ciała [3]. Szacuje się, że
50–70% tej objętości stanowią soki żołądkowe [21],
które są wydzielane z prędkością 80–200 mL/h.
Czas przebywania natomiast jest silnie zależny
od kaloryczności posiłku: węglowodany łatwe
do strawienia opuszczają żołądek z szybkością
10 kcal/min, emulsje tłuszczowe 2–3 kcal/min,
a woda 20 mL/min [16]. Czas opróżniania żołądka
po wysokokalorycznym posiłku waha się pomię-
dzy 4 a 8 h, niestrawiona tabletka potrafi zalegać
10–20 h [13], natomiast mediana czasu opróżnia-
nia żołądka zawierającego jedynie tabletkę popitą
wodą wynosi 0,5 h [14].
Dwunastnica i jelito cienkie
Zasadniczą funkcją jelita cienkiego jest
wchłanianie składników odżywczych powsta-
łych w wyniku trawienia pokarmu oraz dodat-
kowo produktów rozpadu tabletek. Przyswaja-
nie to odbywa się na skutek dyfuzji, osmozy lub
transportu aktywnego przez błonę komórkową do
krwioobiegu lub tkanek. W przypadku substancji
aktywnych trudno rozpuszczalnych, po osiągnię-
ciu stanu nasyconego, wchłonięcie leku pozwala
ANALIZA FARMACEUTYCZNA
213Tom 76 · nr 4 · 2020
na rozpuszczenie kolejnej frakcji i utrzymanie gra-
dientu stężenia. Wchłanianie to kluczowy moment
dla leków przyjmowanych doustnie, ponieważ jest
warunkiem koniecznym trafienia API do miejsca
działania, a jednocześnie jest to etap, na którym
występują największe straty. Jelita są miękkim nie-
jednolitym organem o zmiennej średnicy, złożo-
nym z licznych skrętów i zagięć. W wyniku takiej
budowy powstają niejednorodne przestrzenie (kie-
szonki), w których przebywa płyn jelitowy. Obję-
tości takich kieszonek w warunkach na czczo są
bardzo zmienne i wynoszą pomiędzy 45 a 319 mL
[22] lub do 250 mL według innych badaczy [23, 24],
natomiast po posiłku 20–156 mL [22]. Ze względu
na fakt, że tylko w pewnych obszarach jelita cien-
kiego znajduje się płyn, wykazano, że tabletka
przebywająca w jelicie jedynie okresowo jest
w kontakcie z cieczą, co może opóźniać uwolnie-
nie substancji aktywnej [1]. Maksymalne ciśnienie
panujące w jelicie cienkim w warunkach na czczo
wynosi 103 ±65 mbar, a po posiłku 95 ±76 mbar
[17] i wynika ono ze skurczów perystaltycz-
nych odpowiedzialnych za przesuwanie pokarmu
wzdłuż jelita. Warunki hydrodynamiczne panu-
jące w jelicie cienkim są bardzo złożone i zależne
od indywidualnych cech osobniczych. Wpływają
na nie także wspomniane powyżej skurcze, które
są zmienne w czasie, podobnie jak te w żołądku.
Sprawiają one, że treść jelit przesuwa się skokowo,
z wydłużonymi okresami bezruchu oraz szyb-
kimi, intensywnymi przesunięciami o szybkości
nawet 50 cm/s [1]. Średnia prędkość przesuwania
się pokarmu wzdłuż jelita cienkiego wynosi nato-
miast 0,0710 cm/s [12]. Przepływ, średnica jelita
i chropowatość powierzchni sprawiają, że możliwe
jest określenie jedynie aproksymowanej średniej
liczby Reynoldsa dla jelita. Przybliżając parame-
try płynu jelitowego właściwościami wody (lep-
kość kinetyczna w 37°C) i uśrednionej średnicy
jelita (3 cm) oraz przepływu 0,5–4,5 mL/min uzy-
skuje się liczbę Reynoldsa w przedziale 0,5–4,5. Dla
obserwowanych maksymalnych prędkości w jeli-
cie cienkim liczba Re może zawierać się w maksy-
malnym przedziale 35<Re<100–125. Jak już wspo-
mniano są to jedynie wartości szacunkowe, gdyż
poza indywidualnymi cechami przewodu pokar-
mowego każdego człowieka, warunki hydrody-
namiczne zmieniają się także w zależności od ilo-
ści i rodzaju przyjętego pokarmu, a ruch płynu
jest niejednolity. Czasy przebywania w warunkach
na czczo i po posiłku są porównywalne i wynoszą
około 2,5–5 h [17].
Jelito grube
Główną rolą jelita grubego jest wchłania-
nie wody, ale też fermentacja i przyswaja-
nie najtrudniejszych do strawienia składników
pożywienia. Przejście z jelita cienkiego do gru-
bego odbywa się przez zastawkę krętniczo-kątni-
czą, która wywiera na tabletkę ciśnienie do około
300 mbar [12], natomiast w dalszych fragmen-
tach jelita panują ciśnienia 140 ±75 mbar na czczo
i 164 ±29 mbar [17] lub według innych badaczy 60
±35 mbar [13] po posiłku. Ciśnienia te są wywoły-
wane skurczami podobnymi jak w żołądku i jeli-
cie cienkim. W wyniku skurczów prędkości uzy-
skiwane przez tabletki w jelicie grubym dochodzą
do 12 cm/s [12]. Podobnie jak w jelicie cienkim,
również w jelicie grubym tabletki oraz posiłek
mieszczą się w kieszonkach o objętości 2–97 mL
po posiłku i 1–44 mL na czczo [22]. Czas przeby-
wania jest bardzo długi: dla tabletek przyjmowa-
nych na czczo może wynosić od kilku do 24 h, a po
posiłku 5–40 h i więcej według [17] i [14]. Jelito
grube jest ostatnim fragmentem przewodu pokar-
mowego człowieka, a wszystkie niezaabsorbo-
wane składniki pokarmu, alewnież niewchło-
nięte substancje aktywne leków są po przejściu
przez nie wydalane.
Z przedstawionych powyżej danych wynika,
że warunki panujące w przewodzie pokarmowym
mogą być bardzo różnorodne, między innymi na
skutek zmienności osobniczej. Symulacja labo-
ratoryjna układu pokarmowego nie jest zatem
zadaniem banalnym, gdyż wymaga zrozumie-
nia i uwzględnienia bardzo wielu czynników,
określenia ogólnych tendencji i warunków brze-
gowych parametrów w taki sposób, aby wyniki
badań uwalniania in vitro były jak najbardziej
zbieżne z późniejszymi wynikami in vivo. Pierw-
szym z nich jest standardowe badanie uwalniania
dokładnie zdefiniowane przez Farmakopeę. Bada-
nia prowadzone w zgodzie z Farmakopeą uznaje się
za wiarygodne, co jest szczególnie istotne dla pro-
cedury rejestracji leku. Dodatkowo są one ustan-
daryzowane, powszechnie znane i obowiązujące
i łatwe do odtworzenia w laboratorium, co daje
w konsekwencji łatwość w porównywaniu wyni-
ków. Z drugiej strony, wielu badaczy uważa, że
metody farmakopealne nie oddają w pełni warun-
ków rzeczywistych panujących w przewodzie
pokarmowym człowieka, przez co wyniki uzy-
skane tymi standardowymi metodami często nie
znajdują odniesienia w wynikach badań klinicz
-
nych czy badań biorównoważności. Ta rozbież
-
ność ma kluczowe znaczenie, ponieważ formula-
cje nowych leków, które dają pozytywne wyniki
w standardowych badaniach farmakopealnych,
mogą zupełnie nie sprawdzić się w badaniach in
vivo, narażając firmę farmaceutyczną na kosz-
towne powtórzenie badań, natomiast pacjentów na
niepotrzebne ryzyko. Jest to przyczyną, dla której
od wielu lat naukowcy starają się poznać warunki
mechaniczne, hydrodynamiczne oraz dyfuzyjne
ANALIZA FARMACEUTYCZNA
Tom 76 · nr 4 · 2020214
panujące in vivo i jak najwierniej odtworzyć je
w skali laboratoryjnej w postaci modeli przewodu
pokarmowego człowieka.
Warunki fizykochemiczne mediów
do uwalniania
Warunki fizykochemiczne farmakopealnych
metod uwalniania są modelowane za pomocą pre-
cyzyjnie zdefiniowanych mediów o odpowiedniej
kwasowości i sile jonowej. Niestety roztwory te
osiągają lepkość i gęstość bardzo zbliżoną do wła-
ściwości wody, co zasadniczo różni się od para-
metrów trawionego pożywienia. Należy pamię-
tać, że im większa lepkość medium, tym większe
są siły przenoszone na cząstki jedzenia czy postaci
leku wewnątrz żołądka [25]. Na uwagę zasłu-
guje również fakt, że treść żołądkową po posiłku
można określić mianem płynu nienewtonow-
skiego, a więc o nieliniowej funkcji naprężeń ści-
nających od szybkości ścinania w pewnym zakre-
sie tych szybkości, w przeciwieństwie do niemal
idealnie newtonowskiej charakterystyki mediów
farmakopealnych [26]. Różnice w tych właściwo-
ściach medium są przyczyną, dla której naprę-
żenia ścinające, działające na postać leku in vivo
i mogące mieć kapitalne znaczenie dla szybkości
uwalniania substancji aktywnej, nie są odpowied
-
nio uwzględniane podczas standardowych testów
uwalniania [8, 25]. Rozwiązaniem tych niezgod-
ności może być zastosowanie mediów biorówno-
ważnych, np. FaSSIF, FaSSGF czy FeSSIF, których
skład znacznie lepiej symuluje zawartość żołądka
lub jelit, ale mimo to nie oddaje jej zmiennej cha-
rakterystyki lepkości oraz gęstości [26, 27]. Niektó
-
rzy badacze stosują pełne mleko o zmodyfikowa-
nym pH jako alternatywne medium imitujące płyn
żołądkowy po posiłku [28–30]. Zaletą tego rozw-
zania jest fakt, że jest to medium łatwo dostępne,
a jednocześnie poprawnie symulujące warunki in
vivo, łącznie z lepkością płynu. Wadą jest krótki
czas stabilności modyfikowanego mleka. Do uzy-
skania mediów o odpowiedniej lepkości stosuje się
także HPMC w połączeniu z FaSSGF [27], zapropo-
nowano również preparat żywieniowy Ensure Plus
z lepkością dostosowaną przy użyciu pektyny [31].
Hydrodynamika testu uwalniania jest zdefinio-
wana nie tylko dzięki medium, ale też przez sam
aparat, w którym prowadzony jest eksperyment.
Powstało wiele prac na temat wpływu hydrody-
namiki farmakopealnych aparatów do uwalnia-
nia na szybkość uwalniania substancji aktywnej
z leku. Badano między innymi geometrię naczyń
do uwalniania, miejsce poboru próbki czy szybkość
obrotową mieszadła. Dalej przedstawiono wyniki
badań najpopularniejszych aparatów do uwalnia-
nia, a więc: USP 1, USP 2 i USP 4.
Warunki hydrodynamiczne
najpopularniejszych farmakopealnych
aparatów
Aparat koszyczkowy USP 1
Warunki hydrodynamiczne aparatu koszycz-
kowego są zróżnicowane w różnych jego obsza-
rach. Największe prędkości medium obserwuje się
w pobliżu bocznych ścianek koszyczka, natomiast
w jego wnętrzu, a także u góry i w pobliżu dna
naczynia prędkości są znacznie mniejsze. Oznacza
to, że cząstki formulacji, które w wyniku dezinte-
gracji wydostały się z naczynia są pod wpływem
znacząco różnych warunków hydrodyna micznych
od cząstek pozostałych w koszyczku. Przeprowa-
dzono badania, w wyniku których stwierdzono, że
powierzchnia tabletki umieszczonej w koszyczku
rozpuszcza się równomiernie z każdej strony, nie-
zależnie od prędkości przepływu medium, co
sugeruje homogeniczność warunków hydrody-
namicznych wewnątrz koszyczka. Dodatkowo,
dla obrotów koszyczka powyżej 100 rpm kontakt
medium wewnątrz i poza koszyczkiem jest mocno
ograniczony i wnętrze koszyczka można rozpatr y-
wać jako układ zamknięty [32]. Pokazano też, że
podczas uwalniania dezintegrującej tabletki pred
-
nizonu, po jej rozpadzie, fragmenty tabletki opadły
na dno naczynia do uwalniania, formując stożek
pozostałościowy, który znacznie spowolnił proces
rozpuszczania, co jest skutkiem małej intensyw-
ności mieszania w tej części naczynia [33]. Dodat-
kowo, prace Diebolda wykazały, że liniowa pręd-
kość płynu jest w pewnym, aczkolwiek niedużym,
stopniu wrażliwa na zmiany prędkości obrotowej
mieszad ła oraz objętości medium [32]. Liczba Rey-
noldsa w rdzeniu płynu dla tego aparatu została
określona doświadczalnie jako 231<Re<4541 [32],
natomiast zgodnie z pracami Levicha przepływ
turbulentny w aparatach do uwalniania obserwuje
się już dla liczby Reynoldsa powyżej 1500 [34].
Aparat łopatkowy USP 2
Ruch medium w aparacie łopatkowym odbywa
się po owalnych pętlach rozmieszczonych osiowo:
dwóch w górnej i dwóch w dolnej części naczy-
nia i rozdzielonych obszarem przepływu promie-
niowego i obrotowego wokół łopatek mieszadła.
Najmniej intensywny ruch płynu obserwuje się
przy powierzchni naczynia, w pobliżu jego ścia-
nek oraz na środku jego dna, pod mieszadłem.
Wynika stąd powszechnie znany fenomen two-
rzenia się stożka nierozpuszczonych fragmentów
postaci leku na środku dna naczynia, podobnie jak
w aparacie USP 1. Dodatkowo, dolna część naczy-
nia charakteryzuje się najbardziej heterogenicz-
nymi warunkami hydrodynamicznymi z silnie
zmienną prędkością medium w różnych obszarach
ANALIZA FARMACEUTYCZNA
215Tom 76 · nr 4 · 2020
dna, skutkując różnymi prędkościami rozpusz-
czania leku w zależności od jego położenia [35].
Przeprowadzono badania kinetyki rozpuszczania
nierozpadającej się, kalibracyjnej tabletki kwasu
salicylowego i wykazano, że dla małych prędkości
mieszadła, powierzchnia tabletki rozpuszcza się
nierównomiernie, a powyżej 200 obr/min ten efekt
występuje w niedużym stopniu [33]. Pokazano też,
że dla aparatu łopatkowego lin iowa pręd kość płynu
jest bardzo wrażliwa na zmiany prędkości obroto-
wej mieszadła, zatem zmiana liczby obrotów bar-
dzo silnie wpływa na warunki hydrodynamiczne
układu [32]. Liczba Reynoldsa określana w rdze-
niu płynu w aparacie łopatkowym zawiera się
w przedziale od Re=2292 (dla 25 obr/min i 900 mL
medium) do Re=31025 (200 obr/min i 500 mL
medium), zatem powyżej wartości krytycznej
Re=1500. Obliczono również liczbę Reynoldsa na
powierzchni cząstki rozpuszczanej dla obrotów
mieszad ła 50 i 150 obr/min, zakładając, że medium
do uwalniania jest woda w temperaturze 37°C. Dla
cząstek o średnicy 236 mikrometrów uzyskano
Re=25 (50 obr/min) i Re=90 (150 obr/min), nato-
miast utrzymuje się, że dla nieregularnych czą
-
stek Re>50 jest wystarczająca do przejścia z lami-
narnego do burzliwego przepływu wokół cząstki.
Dla cząstek o średnicy 3 mikrometrów uzy-
skano liczbę Re<1 [32]. Z przedstawionych danych
wynika, że warunki hydrodynamiczne w apara-
cie łopatkowym odpowiadają przepływowi turbu-
lentnemu, zwłaszcza przy większych prędkościach
przepływu, toteż rozpuszczanie przebiega w nim
głównie na drodze konwekcji wymuszonej [32].
Warunki te są niefizjologiczne, a zbyt duże naprę-
żenia ścinające, powstałe na powierzchni postaci
leku, mogą być odpowiedzialne za generowanie
zawyżonych wyników uwalniania w porównaniu
z tymi, uzyskanymi in vivo, zwłaszcza dla leków
wrażliwych na erozję powierzchniową. Niektó-
rzy badacze twierdzą, że hydrodynamika prze-
wodu pokarmowego jest dobrze odzwierciedlona
za pomocą aparatu typu USP 2, pracującego z pręd-
kością obrotową łopatek o wartości 10 obr/min,
a więc dużo mniejszej od prędkości powszechnie
stosowanej w testach [36].
Aparat przepływowy USP 4
Aparat przepływowy wyróżnia się najbardziej
homogenicznymi warunkami hydrodynamicz-
nymi w objętości naczynia pośród farmakopeal-
nych aparatów, ale mimo to nadal można w nim
obserwować wiele lokalnych zaburzeń w uwar-
stwieniu płynu. Jego charakterystyka jest zdomi-
nowana przez sinusoidalny lub półsinusoidalny
przepływ medium generowany przez pompy tło-
kowe, a konsekwencją tej pulsacji jest również
cykliczna zmiana grubości warstewki granicznej
i sił ścinających na powierzchni tabletki [35].
Podobnie, gdy rozpuszczany obiekt umieszczony
jest w złożu szklanych kulek w dolnej części apa-
ratu, wówczas obserwuje się największą szybkość
rozpuszczania, prawdopodobnie z powodu drob-
nego ruchu kulek, wywołanego pulsacją medium
i zwiększającego erozję powierzchni. Wyka-
zano także wpływ sposobu umieszczenia tabletki
w naczyniu na szybkość jej rozpuszczania, acz-
kolwiek jest to raczej powiązane z powierzch-
nią przekroju przepływu i jej wpływem na liczbę
Reynoldsa [10, 33]. Ciekawy efekt zaobserwo-
wano, badając w aparacie przepływowym roz-
puszczanie substancji o dużej rozpuszczalności
i masie cząsteczkowej. Przy bardzo małych pręd-
kościach przepływu płynu, istotną rolę odgry-
wają siły grawitacji, które działają na rozpusz-
czoną substancję w kierunku przeciwnym do
przepływu medium (konwekcja naturalna), ogra-
niczając jej odprowadzanie z warstewki granicznej
i spowalniając rozpuszczanie nawet mocniej, niż
gdyby medium nie poruszało się wcale [37]. Dla
komórki przepływowej o średnicy 12 mm i róż-
nych natężeń przepływu obliczono liczbę Re od
16,3 (dla 10,4 mL/min) do 292 (dla 52,9 mL/min),
co odpowiada laminarnemu ruchowi medium [10].
W porównaniu z innymi aparatami do uwalniania
pokazano, że nawet dla dużych wartości natęże-
nia przepływu medium do uwalniania w aparacie
USP 4, tabletka rozpuszcza się mniej intensywnie
niż w USP 1 i 2 [35].
Pomimo niewątpliwych zalet, jakimi są przede
wszystkim prostota przeprowadzenia testu oraz
powszechność, farmakopealne aparaty do uwal-
niania spotykają się z liczną krytyką. Najpoważ-
niejszy zarzut dotyczy tego, że nieodpowied-
nio symulują one rzeczywiste warunki panujące
w przewodzie pokarmowym, a w szczególności
hydrodynamikę i naprężenia mechaniczne. Liczby
Reynoldsa opisujące przepływ wewnątrz apara-
tów są znacznie większe niż te w odpowiednich
fragmentach przewodu pokarmowego, co wska-
zuje na odmienną charakterystykę przepływu.
Testy te nie uwzględniają naprężeń działających
na postać leku, a wynikających z ruchów pery-
staltycznych oraz ciśnień wywoływanych przez
odźwiernik i zastawkę krętniczo-kątniczą, nato-
miast lepkość farmakopealnych mediów odbiega od
lepkości treści żołądkowo-jelitowej w warunkach
po posiłku, co skutkuje niefizjologicznym prze-
noszeniem naprężeń ścinających i zgniatających.
W rezultacie, często zdarza się, że wyniki badań
uwalniania przeprowadzonych na tych aparatach
nie mają odzwierciedlenia w rzeczywistym uwal-
nianiu leku in vivo, co jest nie do zaakceptowa-
nia z punktu widzenia realizacji projektu tworze-
nia nowego leku innowacyjnego lub generycznego.
ANALIZA FARMACEUTYCZNA
Tom 76 · nr 4 · 2020216
Jest to przyczyna, dla której konstruuje się nowe
modele, które bardziej realistycznie symulują pracę
przewodu pokarmowego, a zwłaszcza wspomniane
siły i naprężenia powiązane z hydrodynami
przepływu. Dalej przedstawiono wybrane aparaty
tej kategorii modeli.
Niefarmakopealne modele
przewodu pokarmowego człowieka
The TNO Gastro-Intestinal Model (TIM)
TIM firmy TNO Pharma jest to wieloelementowy
model fragmentu przewodu pokarmowego czło-
wieka. Składa się on z kilku komór odpowiadają-
cych poszczególnym organom, a w każdej z nich
symulowane są warunki in vivo za pomocą takich
parametrów jak: czas przebywania, szybkość prze-
pływu, gradient pH, absorpcja wody i metaboli-
tów, temperatura i wydzielanie płynów (enzymów
trawiennych, żółci itp.). Modelu TIM można uży-
wać nie tylko do badań leków, ale również pasz
i pożywienia, a wynikiem takiej ekspertyzy jest
profil biodostępności biologicznej danego związku
chemicznego. Działanie TIM jest programowane
na podstawie protokołów badawczych o szerokim
spektrum, symulujących warunki w przewodzie
pokarmowym niemowlaków, osób młodych, doj-
rzałych i starszych, zarówno zdrowych, jak i z cho-
robami przewodu pokarmowego, ale też psów,
świń oraz cielaków.
Istnieje kilka wariantów modelu, obejmują-
cych poszczególne wycinki przewodu pokarmo-
wego. Wariant TIM-1 składa się z czterech komór,
reprezentujących: żołądek, dwunastnicę, jelito
czcze i jelito kręte, a przepływ między nimi reali-
zowany jest za pomocą pomp perystaltycznych.
Dodatkowo komory te wyposażone są w elastyczne
ściany, podlegające zmiennemu ciśnieniu w celu
wymieszania zawartości. Prowadzona jest regu-
lacja pH za pomocą kwasu solnego oraz wodo-
rowęglanu sodu, zgodnie z założonym przebie-
giem. Dostarczane są także płyny, symulujące
wydzielinę żołądkową i jelitową. Imitację absorp-
cji realizuje się za pomocą membran – dla związ-
ków hydrofilowych, oraz filtrów – dla związków
lipofilowych. Wątpliwości budzi jednak położe-
nie modułów absorpcyjnych – są one umieszczone
na końcach komór symulujących jelito cienkie,
zamiast wzdłuż całej ich długości, co uniemożli-
wia właściwą ocenę skuteczności leków o wąskim
oknie absorpcyjnym [38].
Firma TNO Pharma w swojej ofercie posiada
modele: Tiny-TIM oraz TIM-agc. Pierwszy z nich
jest uproszczoną wersją TIM-1, z identyczną
komorą żołądkową, ale z modelem jelit okrojonym
do jednej komory. Natomiast drugi model Advan-
ced Gastric Compartment, wyróżnia się ze względu
na bardziej realistyczną budowę modułu żołądka,
który dodatkowo symuluje perystaltykę tego
organu [39]. Przeprowadzono badania porównaw-
cze TIM-agc z aparatem USP 2 pod kątem hydro-
dynamiki przepływu, stosując narzędzia CFD. Ich
wyniki potwierdziły biorównoważność naprężeń
ścinających oraz liczb Reynoldsa w różnych komo-
rach aparatu TIM-agc oraz, po raz kolejny, wyka-
zały zawyżone Re aparatu USP 2 w stosunku do
warunków in vivo [40]. Okazały wachlarz możli-
wości TIM dokładnej predykcji trawienia i wchła-
niania leków daje mu szerokie zastosowanie i jest
jego największą zaletą. Z drugiej strony, złożoność
tego systemu sprawia, że operator TIM musi być
wysokiej klasy specjalistą o bardzo specyficznych
kwalifikacjach, przygotowanie eksperymentu jest
pracochłonne, serwis wykonuje jedynie produ-
cent urządzenia, sam symulator jest bardzo drogi,
a w dodatku licencjonowany jedynie dla dużych
firm farmaceutycznych. Istnieje możliwość zle-
cenia firmie TNO Pharma przeprowadzenia badań
na modelu TIM.
Rycina 1. Schemat symulatora TIM. 1-moduł żołądka, 2-moduł
dwunastnicy, 3-moduł jelita czczego, 4-moduł jelita krętego, 5-moduły
filtracyjne, 6-wylot, S-wydzielanie. Źródło: własne opracowanie.
Figu re 1. Schematic presentation of TIM simulator. 1-gastric
compartment, 2-duodenal compartment, 3-jejunal compartment, 4-ileal
compartment, 5-filtration systems, 6-orifice, S-secretion. Source: own
drawing.
ANALIZA FARMACEUTYCZNA
217Tom 76 · nr 4 · 2020
Dynamic Gastric Model
Dynamic Gastric Model (DGM) to model stwo-
rzony na Institute of Food Research (Norwich,
Wielka Brytania), symulujący pracę żołądka dla
badania wpływu obecności pożywienia w prze-
wodzie pokarmowym na rozpad i rozpuszczanie
leków oraz ich profil uwalniania. Konstrukcja tego
urządzenia w szczególności uwzględnia symulację
cyklów skurczów żołądka i w ystępujących podczas
nich naprężeń mechanicznych. Omawiany symula-
tor składa się z dwóch części: otwartego do atmos
-
fery, termostatowanego zbiornika wyposażonego
w system doprowadzający imitację soku żołądko-
wego (perforowana pętla z tworzywa sztucznego)
oraz cylindra z tłokiem zapewniającym mieszanie
badanej zawartości i naśladowanie ruchów pery-
staltycznych żołądka. Również dla tego symula-
tora przeprowadzono badania porównawcze szyb-
kości ścinania i sił ścinających z aparatem USP 2.
W rezultacie ustalono, że medium umieszczone
w USP 2 jest poddawane małym siłom ścinania,
pomimo dużej szybkości ścinania. Odwrotną rela-
cję zaobserwowano w aparacie DGM, gdzie siły ści-
nające były duże, ale przenoszone z małą szybko-
ścią, co zaobserwowano także in vivo i świadczy
o poprawności modelu, chociaż dokładna korela-
cja IVIVC cechowała się małym współczynnikiem
determinacji [25]. Dodatkowo, model DGM daje
możliwość ustalenia biorównoważnej temperatury
i pH, czasu opróżniania żołądka oraz przeprowa-
dzania symulacji wpływu całodniowej sekwencji
posiłku na postać leku, co jest szczególnie istotne
dla leków o długim czasie przebywania w żołądku
[41]. Wadami tej konstrukcji jest natomiast brak
przezroczystości, co utrudnia prowadzenie obser-
wacji i otwarcie do atmosfery (niebezpieczne dla
operatora testów, np. leków cytostatycznych) [16].
Modele laboratoryjne
Istnieje też szereg modeli przewodu pokarmo-
wego, które zostały opracowane jedynie na ska
laboratoryjną i służą głównie celom naukowym.
Cechują się one bardzo często wiernym odwzoro-
waniem wybranego aspektu, natomiast zazwyczaj
nie reprezentują podejścia całościowego do pro-
blemu uwalniania leku w przewodzie pokarmo-
wym, a różnorodność testów, jakie można na nich
przeprowadzić, jest niewielka.
Gastric Flow Simulator
Gastric Flow Simulator jest aparatem szczególnie
nastawionym na imitację perystaltyki żołądka i fal
MMC. Składa się on z podłużnego naczynia, którego
dwie ściany są utworzone z elastycznej gumy, a dwie
pozostałe z przezroczystego PMMA. Propagację fal
MMC zasymulowano poprzez ruch i nacisk dwóch
gumowych wałków na elastyczne ściany naczynia.
Modelu tego użyto do zbadania wpływu lepkości
medium na jego prędkość poruszania się w wyniku
symulowanych fal MMC. Uzyskane wynik i zaprze-
czyły tak iej korelacji, należy jednak zwrócić uwagę,
że modelowy płyn miał reologię newtonowską, co
stoi w sprzeczności z rzeczywistą charakterystyką
reologiczną treści żołądka, a także jego lepkość była
mniejsza od zawartości żołądka po posiłku. Auto-
rzy badań wskazują, że ruch treści żołądka, wyni-
kający z propagacji fal MMC może mieć charakter
laminarny, przynajmniej dla przypadku trawienia
płynnego pożywienia. Dodatkowo zwracają uwagę
na to, że same siły tnące, wynikające z ruchu płynu
pod wpły wem fal MMC, mogą być niew ystarczające
do dezintegracji cząstek jedzenia, prawdopodobnie
dlatego dużą rolę w tym procesie odgrywa kom-
presja treści żołądka pod własnym ciężarem oraz
wzajemne oddziaływania cząstek pożywienia na
skutek ruchów perystaltycznych ścian żołądka [42].
Rycina 2. Schemat symulatora
Dynamic Gastric Model.
1-główny moduł żołądka,
2-łaźnia wodna z regulacją
ciśnienia, 3-wylot, 4-moduł
odźwiernika, S-wydzielanie.
Źródło: własne opracowanie.
Figure 2. Schematic
representation of Dynamic
Gastric Model. 1- main gastric
compartment, 2-pressurized
water jacket, 3-orifice,
4-antral compartment,
S-secretion. Source: own
drawing.
Ryci na 3. Schemat Gastric Flow Simulator. 1-główny moduł żołądka,
2-gumowe wałki. Źródło: własne opracowanie.
Figure 3. Schematic representation of Gastric Flow Simulator. 1-gastric
compartment, 2-plastic roller. Source: own drawing.
ANALIZA FARMACEUTYCZNA
Tom 76 · nr 4 · 2020218
Stress Test
Idea, jaka stoi za konstrukcją aparatu Stress
Test, wiąże się z wynikami badań ruchu treści
jelit. Celem budowy tego modelu była symulacja
cyklicznych skurczów, działających na tabletkę,
oraz okresów, w których postać leku nie ma kon-
taktu z płynem jelitowym. Stress Test składa się
z zestawów metalowych koszyczków na postać leku
oraz umieszczonych w nich baloników okresowo
napełnianych gazem i wywierających nacisk na
tabletkę. Koszyczki te umieszczone są na wolno
obracającym się wale umieszczonym nad typowym
naczyniem do uwalniania, farmakopealnego apa-
ratu do uwalniania typu USP 1 lub 2. Obrót wału
skutkuje zatem chwilowym wyjęciem koszyczka
wraz z lekiem ponad powierzchnię płynu do uwal-
niania, co symuluje rzeczywiste warunki w jelicie.
Naczynie do uwalniania wyposażone jest również
w mieszad ło łopatkowe i łaźnię wodną do utrzyma-
nia stałej temperatury medium. Cechą Stress Test
kwestionowaną przez niektórych badaczy jest to,
że mieszadło łopatkowe nie jest umieszczone w osi
zbiornika do uwalniania, tak jak w standardowych
aparatach do uwalniania, a jedynie przy jego kra-
wędzi. To poddaje w wątpliwość stabilność i odpo-
wiedniość warunków hydrodynamicznych panują-
cych w medium do uwalniania. Dodatkowo postać
leku umieszczona jest w górnej części naczynia,
a więc odwrotnie niż w farmakopealnych testach.
Mimo to, skuteczność Stress Test do predykcji
wyników uwalniania leku została potwierdzona na
przykładzie tabletek o przedłużonym uwalnianiu
z diklofenakiem [1]. Badania uwalniania przepro-
wadzone w Stress Test wykazały bardzo podobne
profile uwalniania leku do tych uzyskanych in vivo
w badaniach klinicznych, co było dotychczas nie-
osiągalne w standardowych aparatach oraz pozwo-
liło na wyjaśnienie mechanizmu tego uwalnia-
nia. Jest to znaczące osiągnięcie, które dowodzi
poprawności i biorównoważności modelu [1, 38].
IMSPA
Model IMSPA symuluje perystaltykę jelita cien-
kiego i tym samym pozwala na badanie wpływu
skurczy jelit na postać leku i uwalnianie substan-
cji aktywnej. Składa się on z dwóch elastycznych,
silikonowych rękawów, a każdy z nich wyposa-
żony jest w cztery mechanizmy ściskające wyko-
nane z przysłon fotograficznych, które powodują
chwilowe zmniejszenie średnicy i generują zgniot
tabletki. Dodatkowo częstotliwość i intensywność
tych skurczy może być programowana tak, aby
odzwierciedlać różne fazy wędrującego kompleksu
motorycznego MMC. Niestety model IMSPA nie jest
wyposażony w system kontroli i regulacji pH, nie
symuluje również wydzielania enzymów trawien-
nych. Próbkowanie jest dostępne jedynie w try-
bie manualnym, a maksymalna dostępna objętość
medium do uwal niania to 250 mL , co może stwarzać
trudności dla słabo rozpuszczalnych leków [43].
Advanced Gastric Simulator
Advanced Gastric Simulator jest jednym z naj-
nowszych symulatorów żołądka, składającym się
z elastycznego, wielowarstwowego, silikonowego
zbiornika, wyposażonego w mechanizm ściskający
Rycina 4. Schemat symulatora Stress Test. 1-farmakopealne naczynie
do uwalniania, 2-balonik pompowany sprężonym powietrzem,
3-perforowany metalowy koszyczek, 4-mieszadło łopatkowe, 5-silnik
obracający koszyczek ponad powierzchnię medium. Źródło: własne
opracowanie.
Figure 4. Schematic representation of Stress Test simulator.
1-pharmacopoeial dissolution vessel, 2-baloon pumped with compressed
air, 3-perforated metal basket, 4-paddle stirrer, 5-basket rotating
stepping motor. Source: own drawing.
Rycina 5. Schemat symulatora IMSPA. 1-wylot, 2-główny moduł jelita,
3-mechanizm ściskający, 4-wlot oraz miejsce próbkowania. Źródło:
własne opracowanie.
Fig ure 5. Schematic representation of IMSPA simulator. 1-orifice, 2-main
intestine compartment, 3-constriction mechanism, 4-inlet and sampling
point. Source: own drawing.
ANALIZA FARMACEUTYCZNA
219Tom 76 · nr 4 · 2020
wykonany, podobnie jak w modelu IMSPA, z ośmiu
przysłon fotograficznych [44]. Zacisk przysłon jest
programowany tak, aby jak najwierniej odzwier-
ciedlić motorykę żołądka w różnych warunkach.
Dodatkowo, u końca zbiorni ka wbudowany jest spe-
cjalny zawór, mający imitować odźwiernik i kontro-
lujący odprowadzan ie materiału badawczego z wnę-
trza zbiornika. Całość aparatu umieszczona jest
w komorze, utrzymującej stałą temperaturę 37°C.
Działanie Advanced Gastric Si mulator zademonstro-
wano, badając jego zdolność do rozróżniania czte-
rech formulacji w porówna niu z aparatem USP 2 oraz
badaniami in vivo. Omawiany symulator żołądka
z dużą dokładnością przewidział zachowanie leku in
vivo w przeciwieństwie do aparatu farmakopealnego
[45]. Zaleta mi tego urządzenia jest wier ne odwzoro-
wanie geometrii ludzkiego żołądka oraz skurczów
jego ścian, a także możliwość zaprogramowania
przepływu medium w układzie, co zostało potwier-
dzone badaniami uwalniania leku, natomiast nie
uwzględnia on gradientu pH, a także wydzielania
enzymów trawiennych, które to mogą być istotne
dla uwalniania substancji aktywnej z postaci leku.
Engineered Stomach
and Small Intestinal System
System ESIN jest wielokomorowym dynamicz-
nym modelem górnego odcinka przewodu pokar-
mowego. Składa się kolejno: ze zbiornika na próbkę
pożywienia lub leku, komory, w której następuje
wymieszanie próbki ze sztuczną śliną, komory
żołądka, utworzonego z cylindra z dwoma tło-
kami, zapewniającymi naprężenia mechaniczne
i przemieszanie zawartości, oraz wyposażonego
w czujnik ciśnienia. Następne elementy to trzy,
szeregowo połączone, zbiorniki reprezentujące
kolejne odcinki jelita cienkiego oraz komora koń-
cowa, przeznaczona do zbierania całkowitej zawar-
tości układu. Dodatkowo, układ wyposażony jest
w pompy dozujące roztwory fizjologiczne, imi-
tujące wydzieliny przewodu pokarmowego, oraz
systemy dializy, mające na celu symulację absorp-
cji leku, jaka zachodzi w jelicie cienkim. Poszcze-
gólne elementy ESIN są termostatowane, a prze-
pływy, pH, skurcze „żołądka” oraz ilość wydzielin
są kontrolowane komputerowo. Poprawność dys-
kutowanego modelu była sprawdzona przez bada-
nia porównawcze uwalniania paracetamolu i teo-
filiny w układzie ESIN, aparacie USP 2 oraz in
vivo. Wyniki pokazały zgodność przebiegu krzy-
wej uwalniania paracetamolu w ESIN oraz in vivo,
natomiast pomiędzy uzyskanymi krzywymi
zaobserwowano przesunięcie czasowe. Podob-
nie w przypadku teofiliny wystąpiło przesunię-
cie krzywych o około godzinę. Tę niedokładność
tłumaczy się brakiem obecności modułu absorpcji
w komorze symulującej dwunastnicę modelu ESIN.
Zaletami ESIN jest dosyć dokładne odwzorowa-
nie przewodu pokarmowego i zachęcające wyniki
badań porównawczych in vitroin vivo, nato-
miast do wad należy skomplikowana budowa, duża
liczba pomp i mieszadeł oraz trudności w poborze
próbek z poszczególnych fragmentów układu [46].
Podsumowanie
Badania uwalniania substancji aktywnej są
koniecznym etapem tworzenia nowych leków
innowacyjnych i generycznych oraz są rutynowym
zabiegiem dla kontroli jakości produkowanych już
leków. O i le w przypadku kontroli jakości nie jest to
tak istotne, tak dla nowych leków oraz zmian tech-
nologicznych w produkcji już istniejących formula-
cji kluczowa jest odpowiednia symulacja warunków
panujących w przewodzie pokarmowym w skali
laboratoryjnej. Pozwala to bowiem na predykcję
zachowania się leku w badan iach klinicznych i tym
samym na podjęcie działań w przypadku wykrycia
nieskutecznego działania badanej formulacji. Do
przeprowadzania badań uwalniania stosuje się far-
makopealne aparaty oraz niestandardowe modele
przewodu pokarmowego. Jedną z istotnych różnic
pomiędzy takimi modelami są różnice w hydro-
dynamice przepływu wokół badanej postaci leku
i naprężenia mechaniczne na nią działające. Oma-
wiane siły i uwarunkowania są szczególnie ważne
w przypadku formulacji wrażliwych na ścieranie
Rycina 6. Schemat symulatora AGS. 1-główny moduł żołądka,
2-mechanizm ściskający, 3-wylot, 4-termostatowana komora. Źródło:
własne opracowanie.
Fig ure 6. Schematic representation of AGS. 1-main gastric compartment,
2-constriction mechanism, 3-orifice, 4-temperature-controlled
chamber. Source: own drawing.
ANALIZA FARMACEUTYCZNA
Tom 76 · nr 4 · 2020220
i zgniatanie oraz trudno rozpuszczalnych substan-
cji aktywnych. Liczne teorie procesu rozpuszcza-
nia wykazały istotny wpływ hydrodynamiki na
szybkość tego zjawiska, co tłumaczy się istnieniem
dyfuzyjnej i dynamicznej warstewki granicznej na
rozpuszcza nej powierzchni, ponieważ grubość tych
warstewek, zależna od hydrodynamiki, bezpośred-
nio wpły wa na współczynnik wnika nia masy. Oma-
wiane siły i uwarunkowania są szczególnie ważne
w przypadku formulacji wrażliwych na ścieranie
i zgniatanie oraz trudno rozpuszczalnych substancji
aktywnych. W dziedzinie rozwoju biorównoważ-
nych metod badawczych procesu uwalniania pozo
-
stało jeszcze wiele do zrobienia. Poszukuje się takich
rozwiązań, które byłyby proste do zastosowania,
a jednocześnie poprawnie odzwierciedlały wiele
aspektów przewodu pokarmowego tak, aby z łatwo-
ścią można było znajdować słabe strony różnych
formulacji. Pozwoli to w przyszłości na zmniej-
szenie liczby przeprowadzanych badań klinicz-
nych i poprawę bio-farmaceutycznych właściwo-
ści postaci leku, co przyniesie korzyści zarówno
firmom farmaceutycznym, jak i pacjentom.
Podziękowania
Badania były prowadzone we współpracy
z Physiolution Polska w ramach programu
In noN euroPharm POIR .01.02.00-00-0011/17
finansowanego przez Narodowe Centrum Badań
i Rozwoju.
Ryci na 7. Schemat symulatora ESIN. 1-zbiornik wlotu, 2-mieszadło łopatkowe, 3-zbiornik mieszania ze sztuczną śliną, 4-moduł
żołądka, 5-moduł dwunastnicy, 6-moduł jelita czczego, 7-moduł jelita krętego, 8-wylot, F-moduły filtracyjne, S-wydzielanie.
Źródło: własne opracowanie.
Fig ur e 7. Schematic representation of ESIN. 1-meal reservoir, 2-paddle stirrer, 3-salivary ampoule, 4-gastric compartment,
5-duodenal compartment, 6-jejunal compartment, 7-ileal compartment 8-orifice, F-filtration modules, S-secretion. Source: own
drawing.
ANALIZA FARMACEUTYCZNA
221Tom 76 · nr 4 · 2020
Piśmiennictwo
1. G arbacz G, Wedemeyer R S, Nagel S, Giessm ann T, Monnikes H , Wil-
son CG, et al. Irregular absorption profiles obser ved from diclofe-
nac exten ded release ta blets can be pred icted using a d issolution te st
apparatus that mimics in vivo physical stresses. European Journal
of Pharmaceutics and Biopharmaceutics 2008 ; 70: 421–428 .
2. Gar bacz G. Investigation of diss olution behavior of diclofenac sodium
extende d release for mulat ions unde r stand ard and bio relevant te st condi-
tions. Dru g Develop ment & Indu strial Pha rmacy 2010 ; 36(5): 518 –530.
3. Koziolek M, Garbacz G, Neumann M. Simulat ing the Postprandial
Stomach: Physiological Considerations for Dissolution and Release
Tes tin g. Molecular pharmaceutics 2 013; 10 : 1610–1622 .
4. Laulicht B, Trip athi A, Sch lageter V, Kucera P, Mathiowitz E . Under-
stand ing gastri c forces calcul ated from high-re solution pill t racking.
Proceed ings of the Nat ional Aca demy of Sci ences of the Un ited Sta-
tes of Amer ic 2010; 107: 8201–8206.
5. Abrahamsson A, Pal M, Sjoberg M, Carls son E, Laurell JGB. A Novel
in Vitro a nd Numerica l Analysis o f Shear-Induced D rug Release f rom
Extende d-Release Tablets in t he Fed Stomach. Pharmaceutical Rese-
arch 2 005; 22(8): 1215–1226.
6. Sugano K. Aqueous Boundary Layers Related to Oral Absor ption of
a Drug: From D issolution of a Dr ug to Carrie r Mediated Trans port and
Intesti nal Wal l Metabol ism. Molecular Pharmacy 2010; 7(5): 13 62–1373.
7. Wu Y, Ghaly ES. Effect o f Hydrodynam ic Environm ent on Tablet Dis-
solution Usi ng Flow-Through Dissolution Apparatus. Pu erto Ri co
Health Sciences Journal 2006; 25: 75–83.
8. Wang Y, Brasseur JG. E nhancem ent of mass tra nsfer from par ticles by
local she ar-rate and correl ations with app lication to dr ug dissolut ion.
American Institute of Chemical Engineers Journal 2019; 65: 1–14.
9. Ka sperek R, Zim mer L, Polesza k E. The Proces s Of Mass Transfer On
The Solid-Liquid Bounda ry Layer During The Release Of Diclofe-
nac Sodium And Papaverine Hyd rochloride From Tablets I n A Pad-
dle Appa ratus. Acta Poloniae Pharmaceutica 2016; 73 : 163–173 .
10. Cammarn SR, Sakr A. Predicting Dissolution via Hydrodynamics:
Salic ylic Acid Tablets in Flow T hrough Cell Di ssolution. Internatio-
nal Jour nal of Pharma ceutics 200 0; 201: 199–209.
11. Ferr ua MJ, Singh R P. Mode ling the Flu id Dynamic s in a Human Sto-
mach to Gain Insi ght of Food Digestion. Journa l of Food Sc ience
2010 ; 75: 151–162 .
12. Garbacz G, Klein S. Dissolution test ing of ora l modified-release
dosage forms. Journal of Pharmacy and Pharmacology 2011; 64:
944–968.
13. Koz iolek M, Schneide r F, Gr imm M, Modes s C, Seekamp A, Rou stom
T, et al. Intra gastric pH and p ressure profi les after i ntake of the hig h-
-calor ic, high-fat meal a s used for food ef fect studies. Jo urnal of Co n-
trolled Re lease 2015; 2 20: 71–78.
14. Koziolek M, Gri mm M, Becker D. Inve stigation of pH a nd Temperature
Profil es in the GI Tract of Fas ted Human Subj ects Using t he Intellic ap
System. Pharmaceutics, Drug Delivery and Pharmaceutical Tech-
nology 2014; 104: 2855–2863.
15. Miura H, Watanabe S, Isogai E, Miura K. C omparison of maximum
bite force and dentate status between healthy and frail elderly per-
sons. Jou rnal of Oral Reha bilitati on 2001; 28(6): 592–595.
16. Wickham MS J, Faulks RM, Man n J, Mandala ri G. The Desig n, Opera-
tion, and A pplication of a Dy namic Ga stric Model. Dissol ution tech-
nologies 2012; 19(3): 15–22.
17. Schneider F, Grimm M, Koziolek M, Modess C, Dokter A, Roustom
T, et al. Resolvi ng the physiolog ical conditio ns in bioavail ability an d
bioequ ivalence stud ies: Compar ison of fasted a nd fed state. European
Journal of Pharmaceutics and Biopharmaceutics 2016; 10 8: 214 –219.
18. Boro n WF, Boulpaep EL. Me dical physiolog y: a cellular an d molecu-
lar approa ch. Filadelf ia: Elsevier S aunders; 2012.
19. Goodma n K, Hodges LA, B and J, Stevens HNE , Weitschies W, Wilso n
CG. Assessing gastrointestinal motility a nd disintegrat ion profiles
of magnetic tablet s by a novel magnetic im aging device a nd gamma
scintig raphy. Europ ean Journa l of Pharmace utics an d Biopharm a-
ceutics 2010; 74(1): 84–92.
20. Weitsch ies W, C ardini D, Karau s M, Trahms L, Sem mler W. Magne-
tic marke r monitoring of e sophageal, ga stric and duo denal tran sit of
non-disintegrating capsules. Pharmazie 1999; 54: 426–430.
21. Sauter MM, Steingoetter A, Cu rcic J, Treier R, Kuyu mcu S, Fried M,
et al. Qu antificat ion of Meal Induce d Gastric Sec retion and Its Effe ct
on Calor ic Emptyin g by Magnetic Res onance Imag ing (MRI). Ga stro -
enterology 2011; 140: 297.
22. Sch iller C, Fröhlich CP, Giessmann T, Siegmund W, Mönnikes H,
Hosten N, et al. Intest inal fluid volu mes and transit o f dosage forms
as asse ssed by magne tic resonan ce imagin g. Alimentary Pharmaco-
logy & Therapeutics 2005; 22: 971–979.
23. Marcian i L, Cox EF, Hoad CL, Pritchard S, Totma n JJ, Foley S, et al.
Postprandial changes i n small bowel water content in healt hy sub-
jects a nd patients with i rritable bowel s yndrome. Gastroenterology
2010; 138(2): 469–477.
24. Mudie DM, Murr ay K, Hoad CL, Prit chard SE, Ga rnett M, Ami don GL,
et al. Qu antificat ion of gastroint estinal l iquid volumes a nd distri bu-
tion follow ing a 240 mL dose of water i n the fasted state. Molecular
Pharmaceutics 2014; 11(9): 3039–3047.
25. Vardakou M, Mercuri A, Barker SA, Craig DQM, Faul ks RM, Wic-
kham M SJ. Achieving A ntral Grin ding Forces in B iorelevant In Vitro
Models: C omparing t he USP Dissolutio n Apparatus II a nd the Dyna-
mic Gas tric Model with Hu man In Vivo Data. Jo urnal of the Ame ri-
can Association of Pharmaceutical Scientists 2011; 12: 620– 626.
26. Pedersen PB, Vil mann P, Bar-Shal om D, Mullertz A, B aldursdot tir S.
Characterization of fasted human gastric fluid for relevant rheolo-
gical parameters and gastric lipase activities. Europea n Journa l of
Pharmaceutics and Biopharmaceutics 2013; 8 5: 958–9 65.
27. Nielse n AL, Peders en PB, Baldu rsdottir S, Mu lertz A. I mpact of physio-
logica lly relevant v iscosity on i ntrinsic d issolution r ate of poorly soluble
compoun ds in simul ated gastric m edia; pobra ne z: https://pdfs.sema n-
ticschol ar.org/553e/ecb9ba1be0c0 db4b99bb8b2778731e63f356.pdf
(dostęp 21.04.2020).
28. Jantratid E , Janssen N, Reppas C , Dressm an JB. Dissolution Media
Simulating Conditions in the Proximal Human Gastrointestinal Tract:
An Upda te. Pharmaceutical Research 2 008; 25: 166 3–1676.
29. Devle H, Naess-Andresen CF, Rukke EO, Vegar ud GE, Ekeberg D,
Schuller RB. Rheological characterization of m ilk du ring d igestion
with hum an gastric a nd duodenal en zymes. Ann ual Transact ions Of
The Nordi c Rheology So ciety 2012; 20.
30. Galia E, N icolaides E, Ho rter D, Lobenbe rg R, Reppas C, Dre ssman JB.
Evaluation of Various D issolution Media for Predicting In Vivo Per-
formanc e of Class I and I I Drugs. Pharmaceutical Research 1998 ; 15:
698–705.
31. Klein S, Butler J, Hempen stall JM, Reppas C, Dressman JB. PIV and
CFD studies on analyzing intragastric flow phenomena induced by
peristalsis using a hu man gastric flow simulator. Food & Funct ion
2014; 5: 1839–1847.
32. Diebold SM. Physiolo gical para meters relevant t o dissolutio n testing:
hydrodynamic considerations w Pharmaceutical Dissolution Testing.
Dordrec ht: Springer Int ernationa l Publishi ng AG Switzerl and; 2005.
33. Mori hara M, Aoyagi N, Ka niwa N, Katori N, Kojim S. Hyd rodynamic
Flows Arou nd Tablets in Differ ent Pharmacopei al Dissolution Test s.
Drug De velopmen t and Indus trial Pharm acy 2002; 28(6): 655–6 62.
34. Levich VG. Physicochemical Hydrodynamics. Nowy Jork: Prentice
Ha ll ; 1962.
35. Todaro V, Persoons T, Grove G, Healy AM, D’Arcy DM. C haracteri-
zation and Simulation of Hydrodynam ics in the Paddle, Basket and
Flow-Through Dissolution Testing Apparatuses – A Review. Disso-
lution Technologies 2017; p. 24–36.
36. Katori N, Aoyagi N, Terao T. Estim ation of Agitation I ntensity in the
GI Tract in Human and Dog Based on In Vitro/In Vivo Correlation.
Pharmaceutical Research. 1995; 12: 237–243.
37. D’Arcy DM, Liu B, Cor rigan OI. Investigating t he effect of solubility
and dens ity gradients on lo cal hydrodyna mics and dru g dissolution
in the USP 4 d issolution apparatus. International Journal of Phar-
maceutics 2011; 419 : 175–185 .
38. McA llister M. D ynamic Dis solution: A Step Clo ser to Predictive D is-
solution Testi ng? Molecular Pharmaceutics 2010; 7(5) : 1374–1387.
39. Mineku s M. The TNO Gast ro-Intesti nal Model (TI M) In: Verhoeckx K,
Cotter P, López-Ex pósito I, et al., ed itors. The Impac t of Food Bioacti-
ves on Healt h: in vitro and e x vivo models. Ch am (CH): Sprin ger; 2015.
40. Hopgood M, Reynol ds G, Barker R. Usi ng Computation al Fluid Dy na-
mics to Compare Shea r Rate and Turbulence in the TIM-Automated
Gastric Compartment With USP Apparatus II. Journa l of Pharm a-
ceutical Sciences 2018; 107: 1911–1919.
41. Thueneman n EC, Manda lari G, Ric h GT, Faulks RM. Dyn amic Gast ric
Model (DGM), w The Impact of Food Bio-Actives on Gut Health.
Dordrech t: Springer Inte rnational P ublishi ng AG Switzerla nd; 2015.
42. Kozu H, Kobayashi I, Neves MA, Nakajima M, Uemura K, Sato S, et
al. PIV and CFD studies on analyz ing intragastric flow phenomena
induced by p eristalsi s using a huma n gastric flow si mulator. Food &
Function 2014; 5: 1839–1847.
43. H ribar M, Trontelj J, Kla ncar U, Markun B, D ujc TC, Legen I. A Novel
Intesti ne Model Apparatus for Drug Di ssolution Capable of Simula-
ting the Peristaltic Action. Am erican Association of Pharmaceuti-
cal Scientists 2016; 18(5): 1646–16 56.
44. Hribar M, Trontelj J, Be rglez S, Bevc A, Kusc er L, Diaci J, et al. D esign
of an Innovative Advanced Gastric Simulator. Dissolution Techno-
logies 2019; p. 20–29.
45. Vrbanac H , Tron telj J, Berglez S, Petek B, Op ara J, Jereb R, et al. The
biorelevant simulation of gast ric emptying a nd its impact on model
drug d issolution a nd absorption k inetics. E uropean Journ al of Phar-
maceutics and Biopharmaceutics 2020; 149: 113–120.
46. Guerra A, Denis S, le Gof f O, Sicardi V, Francois O, Yao AF, et al.
Developmen t and Validation of a Ne w Dynamic C omputer-Control-
led Model of t he Human Stom ach and Smal l Intestine. Biotechnology
and Bioengineering 2016; 113(6): 1325–1335.
ResearchGate has not been able to resolve any citations for this publication.
Article
Full-text available
Fluid velocity local to the dissolving surface will affect the dissolution rate. It is difficult to anticipate what local fluid velocities are present within compendial dissolution apparatuses from set flow rates or stirring rates. A range of qualitative and quantitative velocimetric techniques are available to assess and characterize hydrodynamics. These methods are frequently used in combination with computational fluid dynamics simulations to characterize and simulate hydrodynamics. Dosage form location and motion varies between apparatuses, and the presence of the dosage form itself can impact local hydrodynamics. Each apparatus described has identified hydrodynamic features which may also vary with agitation rate. This review describes the methods used to simulate and characterize hydrodynamics and summarizes some of the main findings from studies investigating hydrodynamics in the paddle, basket, and flowthrough dissolution apparatuses.
Article
Full-text available
For ethical, regulatory and economic reasons, in vitro human digestion models are increasingly used as an alternative to in vivo assays. This study aims to present the new Engineered Stomach and small INtestine (ESIN) model and its validation for pharmaceutical applications. This dynamic computer-controlled system reproduces, according to in vivo data, the complex physiology of the human stomach and small intestine, including pH, transit times, chyme mixing, digestive secretions and passive absorption of digestion products. Its innovative design allows a progressive meal intake and the differential gastric emptying of solids and liquids. The pharmaceutical behavior of two model drugs (paracetamol immediate release form and theophylline sustained release tablet) was studied in ESIN during liquid digestion. The results were compared to those found with a classical compendial method (paddle apparatus) and in human volunteers. Paracetamol and theophylline tablets showed similar absorption profiles in ESIN and in healthy subjects. For theophylline, a level A in vitro - in vivo correlation could be established between the results obtained in ESIN and in humans. Interestingly, using a pharmaceutical basket, the swelling and erosion of the theophylline sustained release form was followed during transit throughout ESIN. ESIN emerges as a relevant tool for pharmaceutical studies but once further validated may find many other applications in nutritional, toxicological and microbiological fields. This article is protected by copyright. All rights reserved.
Article
The highly variable physiological conditions within the gastrointestinal tract can cause variable drug release and absorption from the orally administrated dosage forms. The emptying of the gastric content is one of the most critical physiological processes, dictating the amount of the active ingredient available for absorption into the systemic circulation. In this study, we prepared two water gastric emptying regimes on advanced gastric simulator (AGS) with programmable "pyloric" valve. Gastric emptying regimes were designed in such a way to capture the main findings of the MRI (magnetic resonance imaging) in vivo studies, conducted under fasted conditions according to the EMA and FDA guidelines for bioavailability and bioequivalence studies. Four immediate release formulations containing a model drug of BCS class III were tested. Comparative dissolution tests were also performed with the USP2 apparatus. In vitro release profiles were compared to the in vivo data in order to evaluate the importance of gastric emptying for subsequent absorption of the active substance from the tested formulations. Our bio-relevant in vitro dissolution model showed good discriminatory power for all of the tested formulations. Moreover, a better relation to in vivo data was achieved with AGS with respect to the tested conventional dissolution method.
Article
We analyze hydrodynamic enhancement of mass (or heat) release rate from small spherical particles within fluid flows from local flow shear‐rate, with application to drug dissolution. Combining asymptotic theories in the high/low shear Peclet number limits in Stokes flow with 205 carefully‐developed computational experiments, we develop accurate correlations for shear enhancement of Sherwood/Nusselt number (Sh/Nu) as a function of shear Peclet and Reynolds number (S*, ReS). The data spanned S* from 0 ‐ 500 and ReS from 0 ‐ 10. In Stokes flow our correlations are highly accurate over the entire S* range, whereas for finite ReS < 1 accuracy is good for S* up to a few thousand. Shear enhancement results from highly three‐dimensional spiraling flow created by particle spin. We develop a model for particle slip velocity that is inserted into the Ranz/Marshall correlation¹ to show that shear‐rate enhancement strongly dominates convection, a result important to drug dissolution. This article is protected by copyright. All rights reserved.
Chapter
Release-related bioavailability problems have been encountered in the pharmaceutical development of formulations for a number of quite different chemical entities, including ciclosporin, digoxin, griseofulvin, and itraconazole, to name but a few. A thorough knowledge of hydrodynamics is useful in the course of dissolution method development and formulation development, as well as for the pharmaceutical industry’s quality needs, e.g., batch-to-batch control. Occasionally, quality control specifications are not met due to “minor” variations involving hydrodynamics, such as the use of different volumes, or modified stirring devices or sampling procedures. The development of drug formulations is facilitated by the choice of an appropriate dissolution apparatus based on insight into its specific hydrodynamic performance. Using the right test might make it easier, for instance, to isolate the impact of different excipients and process parameters on drug release at an early stage of pharmaceutical formulation development. Furthermore, a sound knowledge of in vivo hydrodynamics may help to better understand and possibly to improve forecasting of in vivo dissolution and absorption of biopharmaceutical classification system (BCS) II compounds. Although gastrointestinal (GI) fluids are wellcharacterized and biorelevant dissolution media [e.g., Fasted State Simulated Intestinal Fluid (FaSSIF) and Fed State Simulated Intestinal Fluid (FeSSIF)] have been developed to simulate various states in the GI tract, knowledge of hydrodynamics appears to be relatively scant both in vitro and in vivo. This chapter gives a brief introduction of the basic hydrodynamics relevant to in vitro dissolution testing, including the convective diffusion theory. This section is followed by hydrodynamic considerations of in vitro dissolution testing and hydrodynamic problems inherent to in vivo bioavailability of solid oral dosage forms.
Article
We use computational fluid dynamics to compare the shear rate and turbulence in an advanced in vitro gastric model (TIMagc) during its simulation of fasted state Migrating Motor Complex phases I and II, with the United States Pharmacopeia Paddle Dissolution Apparatus II (USPII). A specific focus is placed on how shear rate in these apparatus effects erosion-based solid oral dosage forms. The study finds that tablet surface shear rates in TIMagc are strongly time-dependant and fluctuate between 0.001 and 360 s-1. In USPII, tablet surface shear rates are approximately constant for a given paddle speed and increase linearly from 9 s-1to 36 s-1as the paddle speed is increased from 25 to 100 rpm. A strong linear relationship is observed between tablet surface shear rate and tablet erosion rate in USPII, whereas TIMagc shows highly variable behaviour. The flow regimes present in each apparatus are compared to in vivo predictions using Reynolds number analysis. Reynolds numbers for flow in TIMagc lie predominantly within the predicted in vivo bounds (0.01-30), whereas Reynolds numbers for flow in USPII lie above the predicted upper bound when operating with paddle speeds as low as 25 rpm (33).
Article
A novel dissolution apparatus has been proposed as an alternative apparatus for dissolution testing. In this study, we evaluated the performance of the new intestine model for simulating the peristaltic action (IMSPA), generating the movement that closely mimics peristaltic contractions of the small intestine. Two polyethylene oxide matrix tablet formulations, containing a model drug belonging to class III of the Biopharmaceutics Classification System, were tested. Dissolution was also performed in the USP2 apparatus. The release profiles were further compared to the in vivo data to evaluate the in vivo relevance of the new apparatus. The results demonstrated that the novel apparatus showed good discriminatory power between different polyethylene oxide formulations. Moreover, a better relation to the in vivo data was established by the IMSPA as compared to the USP2 apparatus. In conclusion, the model parameters were efficiently controlled to ensure the dissolution conditions crucial for evaluating the in vivo release performance of the tested formulations.
Article
In the present study temperature, pH and pressure profiles of nine healthy human volunteers were investigated after ingestion of the SmartPill® under conditions simulating the fasted state treatment in bioavailability and bioequivalence studies. In a previously published study the same subjects received the SmartPill® under fed conditions as recommended by the FDA. Since large non-digestible objects are mainly emptied during phase III of the interdigestive migrating motor complex, the gastric residence time of the SmartPill® was found to be clearly shorter under fasting conditions. Intragastric pH values during the initial 5 min were similar with an identical median value of pH 4.6. Interestingly, the median lowest observed intragastric pH value in fasted state was about one pH unit higher than under fed conditions. Highest pressure activity was observed within the stomach, in relation to gastric emptying. In fasted state, pressure values upon gastric emptying varied strongly between 30 mbar and 304 mbar, whereas after fed state ingestion values of at least 240 mbar could always be observed. The data showed highly variable gastrointestinal parameters even under clinical fasting conditions which must be considered when evaluating clinical studies and developing biorelevant in vitro test methods especially for large non-disintegrating dosage forms.
Article
The release study of diclofenac sodium (DIC) and papaverine hydrochloride (PAP) from two formulations of the tablets in the paddle apparatus using different rotation speeds to characterize the process of mass transfer on the solid-liquid boundary layer was carried out. The dissolution process of active substances was described by values of mass transfer coefficients, the diffusion boundary layer thickness and dimensionless numbers (Sh and Re). The values of calculated parameters showed that the release of DIC and PAP from tablets comprising potato starch proceeded faster than from tablets containing HPMC and microcrystalline cellulose. They were obtained by direct dependencies between Sh and Re in the range from 75 rpm to 125 rpm for both substances from all tablets. The description of the dissolution process with the dimensionless numbers make it possible to plan the drug with the required release profile under given in vitro conditions.