Respirable particles for inhalatory treatment of pulmonary bacterial infections

Abstract

Gli antibiotici somministrati per inalazione hanno un ruolo importante nel trattamento delle infezioni polmonari che si sviluppano nei pazienti di Fibrosi Cistica (FC). Solo due antibiotici sono disponibili sul mercato come polveri secche per inalazione: la tobramicina (TOBI Podhaler®, Novartis, Switzerland) che è formulata con un enorme quantitativo di eccipienti (solo il 56% della formulazione è costituito da principio attivo) e il colistimetato sodico (Colobreathe®, Forrest, USA). Quest’ultimo prodotto non contiene eccipienti (ogni capsula contiene 125 mg di solo principio attivo) [1,2]. L’amikacina è stata usata, senza essere stata approvata, per il trattamento delle infezioni polmonari nei pazienti affetti da FC per molti anni. Infatti è attiva nei confronti di ceppi resistenti di Pseudomonas aeruginosa (PA), uno tra i più comuni agenti infettivi in caso di FC. In più, recentemente l’amikacina ha dimostrato negli animali l’abilità di sopprimere la mutazione prematura di stop del gene che causa la FC [3]. Poiché non sono presenti sul mercato polveri secche di amikacina, lo scopo di questa tesi è stato lo studio di nuove polveri secche di amikacina per inalazione da essere usate in pazienti di FC infetti da PA. A causa della complessità dei parametri coinvolti nel processo di produzione mediante essicamento a spruzzo, sono stati utilizzati dei disegni sperimentali per poter trovare la formulazione migliore in termini di respirabilità. Inizialmente è stato eseguito un disegno fattoriale frazionato. E’ stato poi utilizzato come secondo disegno sperimentale un piano composito centrale. Inoltre, è stato approfondito il ruolo dell’etanolo in funzione della respirabilità delle polveri. Infine, nella terza parte della tesi, sono state studiate delle polveri secche di amikacina preparate in diverse condizioni di pH e di composizione della soluzione spruzzata. La respirabilità delle polveri di amikacina è stata valutata con due dispositivi inalatori: l’RS01 (un dispositivo monodose per capsule) e il Twincer® (un dispositivo monodose monouso). Il disegno fattoriale frazionato applicato alla preparazione di polveri secche ha permesso di ottenere delle polveri con respirabilità elevata. Inoltre le migliori polveri ottenute erano costituite da solo principio attivo minimizzando così la quantità di polvere da inalare dal paziente. L’ulteriore spazio del disegno studiato con il piano composito centrale non ha fornito vantaggi aggiuntivi. La presenza di etanolo nella soluzione di amikacina da spruzzare si è rivelata cruciale nella formazione delle particelle. L’etanolo ha contribuito alla formazione di particelle grandi, vuote, rigonfiate e spesso esplose, a causa della prematura precipitazione dell’amikacina nella goccia durante la fase di evaporazione e alla pressione dell’etanolo intrappolato nel guscio della particella. La preparazione di polvere secche è stata studiata anche in diverse condizioni di pH e di composizione della soluzione da spruzzare. Le soluzioni di amikacina a 45°C e con un pH di 9.0 e 8.5 erano stabili durante il processo di essicamento a spruzzo (non si è verificata la precipitazione di sodio stearato). Sodio stearato ed etanolo hanno dimostrato un importante ruolo nella formazione delle particelle. Queste polveri, testate con i due dispositivi inalatori, l’RS01 e il Twincer®, hanno mostrato una maggiore respirabilità con l’RS01. Il Twincer® ha fornito risultati interessanti tenendo presente che questo dispositivo non è stato sviluppato per somministrare polveri di aminoglicosidi.

Bibliografia 1. Geller D.E., et al, 2011, Development of an inhaled dry-powder formulation of tobramycin using pulmosphere™ technology. J. of Aerosol Medicine and Pulmonary drug delivery 24 (4): 175-182. 2. Schuster, A., et al, 2012, Safety, efficacy and convenience of colistimethate sodium dry powder for inhalation (Colobreathe DPI) in patients with cystic fibrosis: a randomised study. Thorax 0:1–7. 3. Du M., et al, 2006, Clinical doses of amikacin provide more effective suppression of the human CFTR-G542X stop mutation than gentamicin in a transgenic CF mouse model. J Mol Med 84: 573–582.

Antibiotics have a relevant role for the treatment of Cystic Fibrosis (CF) lung infections by inhalation. Only two antibiotics are available on the market as dry powder for inhalation. Tobramycin (TOBI Podhaler®, Novartis, Switzerland) is formulated with a huge amount of excipients (only the 56% of this formulation is drug substance). The other antibiotic product approved as powder for inhalation is colistimethate sodium (Colobreathe®, Forrest, USA). Each capsule contains 125 mg of drug substance without any excipients [1,2]. Amikacin has been used off-label for lung infections in CF patients since many years. Its advantage is to be active against resistant strains of Pseudomonas aeruginosa (PA), one of the most common infective agents in CF. Furthermore, recently amikacin demonstrated in animals the ability to suppress the cystic fibrosis transmembrane conductance regulator (CFTR) gene premature stop mutation [3]. Since there are no amikacin dry powders for inhalation on the market, the purpose of this thesis was the study of novel amikacin dry powders for inhalation to be used in CF PA infected patients. Due to the complexity of the parameters involved in the production process by spray drying, experimental designs were adopted for the identification of the formulation optimized in terms of respirability parameters. Initially, a half-fractional factorial design was performed. In the second part of the study, a Central Composite Design (CCD) was used. In addition, focus was given on the role of ethanol presence concerning the respirability quality attribute. In the third part of the thesis, amikacin spray dried powders prepared in different conditions of pH and composition of drug feed solution were studied. The aerodynamic performance of amikacin powders obtained was assessed using two types of inhaler: the RS01 (a single unit capsule device) and the Twincer® (a single unit disposable device). The application of the half-fractional factorial design to the preparation of spray dried amikacin powders from drug feed solution with unmodified pH let to obtain inhalation powders with a high respirability. The finished product contained only the active ingredient meeting the target to minimize the quantity of inhalable powder inhaled for a fixed dose. No more advantages in the additional design space studied using the CCD have been found. The role of ethanol presence in amikacin solution to be sprayed was identified as crucial in particles formation. Ethanol in the spray dried solution contributed to the appearance in the powder of large, empty, swollen often exploded particles, due to the earlier precipitation of amikacin in the drying droplet and to the pressure of ethanol entrapped into the shell particle. The preparation of the spray dried powder was also studied in different conditions of pH and composition of drug feed solution. The amikacin solutions at 45°C with pH 9.0 and 8.5 were stable during the spray-drying (no precipitation of sodium stearate occurred). The aerodynamic behaviour of powders containing sodium stearate and ethanol shown the important role of these substances in the formation of particles. These powders tested with the two devices, RS01 and the Twincer®, showed a superior aerodynamic performance with the RS01. Twincer® device performed interestingly, considering that device was not developed for aminoglycosides.

References 1. Geller D.E., et al, 2011, Development of an inhaled dry-powder formulation of tobramycin using pulmosphere™ technology. J. of Aerosol Medicine and Pulmonary drug delivery 24 (4): 175-182. 2. Schuster, A., et al, 2012, Safety, efficacy and convenience of colistimethate sodium dry powder for inhalation (Colobreathe DPI) in patients with cystic fibrosis: a randomised study. Thorax 0:1–7. 3. Du M., et al, 2006, Clinical doses of amikacin provide more effective suppression of the human CFTR-G542X stop mutation than gentamicin in a transgenic CF mouse model. J Mol Med 84: 573–582.