Wpływ podłoża hydrożelowego na dostępność farmaceutyczną prednizolonu zastosowanego w postaci kompleksu z β-cyklodekstryną Maria Szcześniak, Aleksander A. Kubis, Janusz Pluta Katedra i Zakład Technologii Postaci Leku, Akademia Medyczna we Wrocławiu Streszczenie W badaniach wpływu składu żelu hydrofilowego na dostępność farmaceutyczną prednizolonu zastosowanego w postaci kompleksów z β-cyklodekstryną w stosunku P: β-cd jak 1:1 i 1:2, wykazano skrócenie i zróżnicowanie okresów półuwalniania w zależności od dodatku do hydrożelu glikolu propylenowego, dimetyloacetamidu i polisorbatu 20, w porównaniu do preparatów zawierających substancję leczniczą w postaci nie związanej w kompleks. Słowa kluczowe: hydrożel, prednizolon, β-cyklodekstryna, metyloceluloza, glikol propylenowy-1,2, polisorbat, dostępność farmaceutyczna 1. WPROWADZENIE Od lat sześćdziesiątych XX wieku, kiedy do technologii postaci leku wprowadzono hydrożele, zainteresowanie tym podłożem znacznie wzrosło o czym świadczą liczne publikacje na ten temat. Jest to wynikiem dobrego i kontrolowanego uwalniania substancji leczniczych oraz charakteru zbliżonego do właściwości hydrofilowych żywych tkanek organizmu [1-3]. Zastosowane na skórę hydrożele wpływają korzystnie na przebieg leczenia, a w porównaniu do maści lipofilowych można ograniczyć możliwość wystąpienia objawów niepożądanych [2]. W badaniach nad uwalnianiem i wchłanianiem substancji leczniczych z 1
hydrożeli, stwierdzono ich korzystny wpływ w przypadku siarczanu i chlorowodorku morfiny[4], terbinafiny [5], nowinamidu[6, 7], erytromycyny[8], hydrokortyzonu [9-11], betametazonu [12], prednizolonu [13] oraz innych substancji leczniczych. Zaletą hydrożeli jest możliwość sterowania dostępnością farmaceutyczną przez zastosowanie tenzydów i solubilizatorów [9-11]. Celem pracy były badania wpływu składu podłoża hydrożelowego na dostępność farmaceutyczną prednizolonu w postaci kompleksu z β-cyklodekstryną. 2. MATERIAŁ I METODY 2. 1. Materiał Metyloceluloza (Sigma-Aldrich Gmbh Niemcy), polisorbat 20 (Sigma-Aldrich Gmbh Niemcy), N,N-dimethylacetamide (Sigma-Aldrich Gmbh, Niemcy), glikol propylenowy-1,2 (Sigma-Aldrich Gmbh Niemcy), prednizolon (Polfa Pabianice, Polska), β-cyklodekstryna (Sigma-Aldrich Gmbh Niemcy), woda oczyszczona przygotowana zgodnie z wymogami FP VI. 2. 2. Przygotowywanie hydrożeli Żele z metyloceulozy o stężeniu 4%, zawierające prednizolon oraz jego kompleksy z β-cykolodekstryną, przyrządzono ex tempore przez zmieszanie stałych i płynnych składników w zamkniętym pojemniku [14]. Skład ilościowy badanych żeli przedstawiono w tabeli. Metylocelulozę zmieszano z substancją leczniczą lub z jej kompleksem z β-cyklodekstryną. W osobnym pojemniku zmieszano w zależności od składu żeli glikol propylenowy-1,2, dimetyloacetamid, polisorbat 20 i wodę destylowaną. Żele przygotowywano przez rozsypanie mieszaniny proszków na powierzchnię płynu, a następnie mieszanie przez 2 min w zamkniętym pojemniku do uzyskania jednorodnej konsystencji. Kompleksy inkluzyjne prednizolonu z β-cyklodekstryną (P: CD) przygotowano metodą precypitacyjną w stosunku molowym 1:1 i 1:2 [15]. 2. 3. Badanie dostępności farmaceutycznej prednizolonu z hydrożelu Proces uwalniania prednizolonu z podłoży żelowych, przeprowadzono metodą opartą na dyfuzji substancji leczniczej przez błonę półprzepuszczalną [10]. 2
2. 4. Ilościowe oznaczanie prednizolonu Prednizolon oznaczano metodą spektrofotometryczną wg Farmakopei Polskiej VI przy długości fali 248 nm i użyciu spektrofotometru CECIL INSTRUMENTS CE 5501. 3. WYNIKI I DYSKUSJA Proces uwalniania z badanych żeli hydrofilowych zawierających prednizolon w postaci kompleksu z β-cyklodekstryną, analizowano zgodnie z procedurą dla procesu kinetycznego I rzędu. Log pozostałości substancji leczniczej dla wybranego preparatu przedstawiono jako funkcję czasu t ( ryc.). Na podstawie uzyskanych wyników pomiarów wyznaczono stałe szybkości uwalniania oraz okresy półuwalniania, które w zależności od składu zestawiono w tabeli 1. Szybkość uwalniania prednizolonu w postaci kompleksu z β-cyklodekstryną z badanych hydrożeli, porównywano z preparatem odniesienia zawierającym badaną substancję leczniczą nie związaną kompleksowo. Jak wynika z tabeli okres półuwalniania dla żelu odniesienia zawierającego prednizolon w formie nie związanej w kompleks wynosi 58,5 h. W porównaniu z tym preparatem dodatek do hydrożelu glikolu propylenowego-1,2 skraca ten czas do 23,8 h, oraz 15,7 h przy równoczesnym zastosowaniu dimetyloacetamidu. Dodatek 1% polisorbatu 20 do badanego 4% żelu z metylocelulozy wpływa w mniejszym stopniu na skrócenie okresu półuwalniania, który wynosi 49,2 h oraz 32,5 h w obecności glikolu propylenowego-1,2 i dimetyloacetamidu. W odniesieniu do tych preparatów przy zastosowaniu w żelu hydrofilowym substancji leczniczej w postaci kompleksu z β cyklodekstryną, jak 1: 1 i 1:2 w zależności od zastosowanego składu żelu, stwierdzono przyśpieszenie procesu uwalniania o czym świadczą okresy półuwalniania. Dla 4% żelu z metylocelulozy zawierającego kompleks P: CD jak 1:1 bez substancji dodatkowych, czas półuwalniania wynosi 34,4 h. Dodatek 10% glikolu propylenowego-1,2 do żelu nie wpływa w istotny sposób na proces uwalniania, natomiast przy zastosowaniu wzrastających stężeń hydrofilizatora oraz 10% dimetyloacetamidu uległ przyśpieszeniu, czas półuwalniania mieści się w granicach od 24,9 h do 20,1 h. W obecności polisorbatu 20 3
zastosowanego do żelu z metylocelulozy w stężeniu 1-3%, czas półuwalniania wynosi od 17,1h do 27,5h, natomiast przy równoczesnym zastosowaniu glikolu propylenowego-1,2, dimetyloacetamidu i polisorbatu odpowiednio od 18,6 do 22,6 h. Podobne zależności stwierdzono przy zastosowaniu substancji leczniczej w żelu w postaci kompleksu 1:2, jednak proces uwalniania w większości przypadków w odniesieniu do kompleksu 1:1 przebiega wolniej, a przy 2 i 3 % zawartości polisorbatu 20 oraz glikolu propylenowego-1,2 i dimetyloacetamidu uległ przedłużeniu i wynosi od 38,7h do 43,9 h. Prednizolon jest substancją trudno rozpuszczalną w wodzie. Aby zapewnić odpowiednią ilość rozpuszczonej substancji leczniczej dyfundującej do skóry, konieczne jest zwiększenie jej dostępności farmaceutycznej. W tym celu zastosowano w badanych żelach glikol propylenowy-1,2, dimetyloacetamid i polisorbat 20 oraz prednizolon w postaci kompleksu z β-cd. WNIOSKI 1. Dodatek substancji solubilizujących będących równocześnie promotorami wchłaniania, wpływa istotnie na uwalnianie substancji leczniczej. 2. Zróżnicowanie okresów półuwalniania w zależności od składu hydrożelu, daje możliwość doboru optymalnego stężenia substancji leczniczej będącej w kontakcie ze skórą, co pozwala na zmniejszenie niekorzystnego oddziaływania jej wysokich stężeń na skórę. LITERATURA [1] Peppas N.A., Bures P.,Leobandung W., Ichikawa H.: Hydrogels in pharmaceutical formulations. Eur. J. Pharm. Biopharm. (2000), 50, 27-46. [2] Byrne M. E, Park K., Peppas N. A.: Molecular imprinting within hydrogels. Adv. Drug. Deliv. Rev. (2002), 54, 149-161. [3] Huang G., Gao J., Hu Z., John J.V.S., Ponder B.C., Moro D.: Controlled drug release from hydrogel nanoparticle networks. J. Control Release (2004), 94, 303-311. [4] Samczewska G., Zgoda M., M, Bodek K. H.: A comparative study of pharmaceutical availability of morphine hydrochloride and morphine sulphate from hydrogels used for external use in palliative care. Farm. Pol. (2005), 61, 481-487. [5] Sen M., Yakar A.: Controlled release of antifungal drug terbinafine hydrochloride from 4
poly(n-vinyl 2 pyrrolidone/ itaconic acid) hydrogels. Int. J. Pharm. (2001), 28, 33-41. [6] Cerchiara T., Lupki B., Bigucci F., Orienti I., Zecchi V.: Physically cross-linked chitosan hydrogels as topical vehicles for hydrophilic drugs. J. Pharm. Pharmacol. (2002), 54, 1453-1459. [7] Fang J.Y., Leu Y. L., Wang Y. Y., Tsai Y. H.: In vitro topical application and in vivo pharmacodynamic evaluation of nonivamide hydrogels using Wistar rat as an animal model. Eur. J. Pharm. Sci. (2002), 15, 41-423. [8] Ates S., Tunel T., Otuk G.: In vitro release of erythromycin from hydrogels. Pharmazie (1994), 49, 459-460. [9] Kubis A. A, Szcześniak M., Musiał W.: Influence of tensides on liberation of medical agents from hydrophilic gels effects of polysorbate 20 and polysorbate 80 on liberation of hydrocortisone from hydrophilic gels. Ars Pharmaceut. ( 2000) 41, 397-403. [10] Kubis A. A., Musiał W., Szcześniak M.: Influence of some polysorbates on hydrocortisone release from hydrophilic gels considered as two compartment models. Pharmazie (2002), 57, 479-481. [11] Szcześniak M., Kubis A. A.: Influence of tensides on the release of medical agents from hydrophilic gels. Pharmazie (2004), 59, 198-199. [12] Kołodziejczyk M. K.: The subject of investigations was the evaluation of the pharmaceutical availability of naproxen choline salt from a pharmaceutical agent of hydrogel type in in vitro conditions. Farm. Pol. (2004), 60, 442-450. [13] Di Colo G., Baggiani A., Mellico G., Cepgi M., Serafini M. F.: A new hydrogels for the extended and complete prednisolone release in the G I tract. I. J. Pharm (2006), 310, 154-161 [14] Kubis A. A, Szcześniak M.: The influence of hydrophilizing agents on gel formation rate of cellulose derivatives. Part 1. Influence of 1,2-propylene glycol on homogeneity of methyl cellulose gel. Pharmazie (1992), 47, 362-364. [15] Mielcarek J., Grodzka J.: Inclusion compounds of nifedine and other 1,4-dihydropiridine derivatives with cyclodextrins. Complexation of nifedipine with β-cyclodextrins. Acta. Pol. Pharm. Drug Research (1994), 51,15-20. Adres autorów Katedra i Zakład Technologii Postaci Leku Akademia Medyczna ul. Szewska 38/39, 50-139 Wrocław 5
Tabela. Stałe szybkości uwalniania (K) i czas półuwalniania (T 0,5 ) prednizolonu Table. Rate constants (K) and semiliberation rates (T 0,5 ) of prednisolone Gel No Concentrations (%) of: P MC DMA GP-1,2 P 20 K (min -1 ) T 50% (h) R 1 0,5 4 - - - 1,974 * 10-4 58,5,0 0,9941 2 0,5 4-10 - 4,825 * 10-4 23,9 0,9548 3 0,5 4 10 10-1,996 * 10-4 15,7 0,9103 4 0,5 4 - - 1 1,162 * 10-4 49,2 0,9668 5 0,5 4 10 10 1 1,777 * 10-4 32,5 0,9619 Complex β-cd:p 1:1 6 0,5 4 - - - 1,689 * 10-4 34,2 0, 9976 7 0,5 4-10 - 9,431 * 10-5 32,5 0,9890 8 0,5 4 10 10-4,655 * 10-4 24,9 0,9971 9 0,5 4 10 15-2,347 * 10-4 22,6 0,9953 10 0,5 4 10 20-2,873 * 10-4 20,1 0,9953 11 0,5 4 - - 1 2,128 * 10-4 17,1 0,9868 12 0,5 4 - - 2 4,951 * 10-4 23,5 0,9983 13 0,5 4 - - 3 2,457 * 10-4 27,5 0,9991 14 0,5 4 10 10 1 2,478 * 10-4 18,6 0,9831 15 0,5 4 10 10 2 2,610 * 10-4 22,1 0,9956 16 0,5 4 10 10 3 3,093 * 10-4 22,6 0,9985 Complex β-cd:p 2:1 17 0,5 4 - - - 1,711 * 10-4 33,5 0,9983 18 0,5 4-10 - 3,996 * 10-4 28,6 0,9944 19 0,5 4 10 10-4,142 * 10-4 28,0 0,9981 20 0,5 4 10 15-2,742 * 10-4 21,1 0,9867 21 0,5 4 10 20-3,268 * 10-4 17,6 0,9984 22 0,5 4 - - 1 4,387 * 10-4 26,3 0,9976 23 0,5 4 - - 2 4,321 * 10-4 26,7 0,9979 24 0,5 4 - - 3 2,917 * 10-4 39,6 0,9985 25 0,5 4 10 10 1 4,869 * 10-4 23,7 0,9965 26 0,5 4 10 10 2 2,983 * 10-4 38,7 0,9959 27 0,5 4 10 10 3 2,629 * 10-4 43,9 0,9946 Note: P = prednisolone, β-cd = cyclodextrine, MC = methylcellulose, DMA = dimethylacetamide, GP = propylene glycol-1,2, P20 = polysorbate 20, K= rate constants T 50%, = half-release period, r = correlation coefficient 6
2,005 Logarithm of precentage of predniselone residue in gel 2 1,995 1,99 1,985 1,98 1,975 Prednisolone with 1% of Tween 20 Complex 1:1 (CD:P) with 1% of Tween 20 Complex 1:1 (CD:P) with 2% of Tween 20 Complex 1:1 (CD:P) with 3% of Tween 20 1,97 0 15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 Time [min] Rycina. Wpływ 1%, 2%, 3% polisorbatu 20 na uwalnianie prednizolonu w postaci kompleksu z β-cyklodekstryną z żelu metylocelulozowego Figure. Influence of 1%, 2%, 3% Tween 20 additive on pharmaceutical availability of complexed of prednisolone with β-cycklodextrin from methylcellulose hydrogel 7
The effect of hydrophilic base on pharmaceutical availability of prednisolone complexed with β-cyclodextrin Maria Szcześniak, Aleksander A. Kubis, Janusz Pluta Department of Pharmaceutical Technology, Wrocław Medical University Summary Studies on the effect of hydrophilic gel composition on pharmaceutical availability of prednisolone complexed with β-cyklodextrin at P: β-cd ratios 1:1 and 1:2 revealed that the half-release times were shortened and differentiated depending on the substances added hydrogel to propylene glycol, dimethylacetamide and polysorbate 20 in comparison to preparations containing non-complexed active substance. Key words: Hydrogels,1,2-propylene glycol, prednisolone, β-cyclodexstrin, methylcellulose, polisorbat 20, pharmaceutical availability 1. INTRODUCTION Since the 1960 s, when hydrogels were first used in drug form technology, the interest in this base has grown immensely, what is substantiated by numerous reports on the subject. This interest is associated with efficient and controlled release of active substances as well as with the character of gels, which resemble hydrophilic properties of live tissues [1-3]. Hydrogels applied on the skin have a favourable effect on the course of treatment and the risk of adverse effects may be limited in comparison to the lipophylic ointments [2]. Studies on release and absorption of active substances from hydrogels showed their beneficial effect in case of morphine sulphate and hydrochloride [4], terbinafine [5], novinamide [6,7], 8
erythromycin [8], hydrocortisone [9-11], naproxen choline [12], prednisolone [13] and many other active substances. Another advantage of hydrogels is the possibility of controlling the pharmaceutical availability by means of tensides and solubilizers [9-11]. The aim of the study was to investigate the effect of composition of the hydrogel base on the pharmaceutical availability of prednisolone complexed with β-cyklodextrin. 2. MATERIAL AND METHODS 2. 1. Materials Methylcellulose ( Sigma-Aldrich Gmbh Germany), polisorbate 20 ( Sigma-Aldrich Gmbh Germany), N,N-dimethylacetamide ( Sigma-Aldrich Gmbh Germany), 1,2-propylene glycol ( Sigma-Aldrich Gmbh Germany), prednisolone ( Polfa Pabianice, Poland), β- cyclodexstrin ( Sigma-Aldrich Gmbh Germany), purified water to Polish Pharmacopoeia 6 th Ed. 2. 2. Preparation of hydrogels Methylcellulose hydrogels at 4% concentration containing prednisolone and its complexes with β-cycolodextrin were prepared ex tempore by mixing of solid and liquid components in a closed container [14].Composition of the investigated gels is presented in Table. The solid component was obtained by mixing of prednisolone and methylcellulose, whereas the liquid component-by mixing of hydrophilizing agent (1,2-propylene glycol) with dimethyl acetamide, tenside and distilled water. Gels were prepared by dissipation of the powdered solid mixture on surface of the liquid in a closed container and stirring for 2 min to provide a homogenous consistence. Inclusion complexes of prednisolone with β-cycklodextrin were obtained at 1:1 and 1:2 molar ratio according to precipitation method [15]. 9
2. 3. Examination of pharmaceutical availability of prednisolone The process of prednisolone release from hydrophilic base was carried out according to the method based on active substance diffusion through a semi-permeable membrane described in previous reports [10]. 2. 4. Quantitative determination of prednisolone Concentration of prednisolone was determined with the CECIL INSTRUMENTS spectrophotometr of the CE 5501 type at wavelength of 248 nm according to European Pharmacopoeia 3 rd Ed. 3. INVESTIGATIONS, RESULTS, DISSCUSION The process of release from the investigated hydrophylic gels containing prednisolone complexed with β-cyclodexstrine was analyzed according to the procedure for first order kinetics. Log of the remaining active substance for the selected preparation was presented as a function of time t (Fig. 1). Release rate constants and half-release times were determined on the basis of the obtained results and presented, depending on their composition in Tab.1. The release rate of prednisolone from the β-cyclodexstrine complex in the investigated gels was compared to a reference preparation containing the non-complexed investigated substance. The half-release time, as shown in the Table for a reference preparation containing noncomplexed prednisolone, is 58,5 h. In comparison, the addition of propylene glycol 1,2 to the gel shortens the time to 23,9 h and 15,7 h when dimethylacetamide is added simultaneously. The addition of 1% polisorbate 20 to the investigated 4% methylcellulose gel affected less the half-release time, which in the presence of propylene glycol-1,2 and DMA was 49,2 h and 32,5 h respectively. In case of preparations in which the hydrophilic gel contained active substance complexed with β cyklodextrin at 1: 1 and 1:2 ratio, the release process was found to be augmented depending on the composition of the applied gel, what was evidenced by halfrelease times. The half-release time for 4% methylcellulose gel containing P: CD complex at 1:1 ratio without additives, is 34,4 h. The addition of 10% propylene glycol-1,2 to the gel does 10
not affect significantly the release rate, which was augmented with after addition of increasing concentrations of hydrophilizing substance and 10% dimethylacetamide ; half-release time ranged from 24,9 h to 20,1 h. In the presence of polisorbate 20 added to the methylcellulose gel at 1 to3% concentration, half-release time was from 17.1h to 27.5h, while simultaneous addition of propylene glycol-1,2, dimethylacetamide and polisorbate resulted in half-release time ranging from 18,6 to 22,6 h. Similar correlations were found with the use of active substance in gel complexed as 1:2, however the release process was much slower in comparison to 1:1 complex and it was found to be prolonged to 38,7h to 43,9 h when 2 and 3 % concentration of polisorbate 20, propylene glycol-1,2 and dimethylacetamide were used. Prednisolone does nor readily dissolve in water. In order to provide proper amount of the dissolved substance that would diffuse into the skin, tits concentration in gel should be increased. Thus propylene glycol-1,2, dimethylacetamide, polysorbat 20 and complexes with β-cyclodexstrine were used to increase the pharmaceutical availability of prednisolone. CONCLUSIONS 1. The addition of solubilizing substances, which at the same time promote absorption, affects significantly not only the release, but also adsorption of the substance. 2. Significant differentiation of the active substance release rate was achieved depending on the composition of the applied base, what provides a possibility of controlling the release rate and choosing optimal concentration for the contact with the skin. However the above considerations should be verified in vivo. 11
12