Charakterisierung verschiedener Verneblersysteme und Untersuchung der Übertrittskinetiken von inhalativ verabreichten Fluoreszenzfarbstoffen sowie von Salbutamol am Modell der isolierten Kaninchenlunge

Abstract

Die Inhalation bietet dank eines direkten Zugangs zur Lunge die Möglichkeit einer gezielten intra- und transpulmonalen Medikamentenapplikation. Viele der heutigen inhalativen Therapiestrategien sind jedoch mit dem Nachteil einer nur kurzen Wirkdauer behaftet. Aus diesem Grund könnte eine gezielte, retardierte Wirkstofffreisetzung aus inhalierbaren Carriersystemen, wie z. B. Liposomen oder bioabbaubaren Nanopartikeln von großem Nutzen sein. Für die Entwicklung solcher Controlled Release-Formulierungen ist es essentiell, dass sowohl geeignete Modellsubstanzen als auch geeignete Vernebler zur Verfügung stehen. Ziel dieser Arbeit war es daher geeignete Modellsubstanzen und Geräte zur späteren Verneblung von Controlled Release-Formulierungen zu finden. Zu diesem Zweck wurden die drei Fluoreszenzfarbstoffe 5(6)-Carboxyfluorescein (CF), Trinatrium 8-Methoxypyren-1,3,6- Trisulfonsäure (MPTS) und Rhodamin 6G (R6G) mit einem piezoelektrischen Vernebler (Aeroneb®Professional) in die isolierte Kaninchenlunge vernebelt und hinsichtlich ihres Übertritts ins Perfusat sowie der Gesamtwiederfindung miteinander verglichen. Zusätzlich wurde untersucht, inwieweit ein Perfusionsmedium mit höherem osmotischen Druck, eine Instillation des Farbstoffes in die Kaninchenlunge und die Erzeugung einer experimentellenpulmonalen Hypertonie die Übertrittskinetik von CF beeinflussen kann. Im Rahmen dieser Arbeit wurden weiterhin die in der eigenen Arbeitsgruppe entwickelten Aerosolgeneratoren Small Animal Dry Powder Aerosol Dispensor (Pulververnebler) und AKITA2APIXNEB (piezoelektrischer Flüssigvernebler) hinsichtlich Partikelgrößenverteilung und Lungendeposition mit kommerziell erhältlichen Geräten (DP-4 Dry Powder InsufflatorTM und Aeroneb®Professional) verglichen. Im Falle des piezoelektrischen Verneblers wurde die Lungendeposition mit einer 99mTechnetium-Kochsalzlösung bestimmt, während die Lungendeposition des Small Animal Dry Powder Aerosol Dispensor durch Filterversuche ermittelt wurde. Die Medikamentenapplikation in die Lunge und die Übertrittskinetik des Wirkstoffes wurden für den AKITA2APIXNEB durch Verneblung von Salbutamollösungen unterschiedlicher Konzentrationen und für die Pulververnebler durch Applikation von mikronisiertem Salbutamolpulver untersucht. Drug delivery via inhalation offers the possibility of a specific intra- and transpulmonary drug deposition as a result of the immediate access to the lung. Nevertheless, many of today´s inhalation strategies are afflicted with the disadvantage of a short duration of action.Therefore, a controlled drug release from respirable carrier systems like liposomes or biodegradable nanoparticles could be very useful. In order to develop controlled release formulations the availability of model drugs and suitable nebulizer-systems are essential.Hence, it was the aim of this thesis to find suitable model substances for future development of controlled release formulations as well as devices for the nebulization of such formulations.For this purpose the pulmonary absorption as well as the total recovery of three fluorescent dyes, namely 5(6)-carboxyfluorecein (CF), 8-methoxypyrene-1,3,6-trisulfonic acid trisodium salt (MPTS) and rhodamine 6G (R6G), were compared after nebulization with a vibrating mesh nebulizer (Aeroneb®Professional) in the isolated rabbit lung. Additionally, it wasexamined, whether the use of a perfusion fluid with higher osmotic pressure, the instillation of the model substance and the generation of an experimental pulmonary hypertension may influence the absorption of the fluorescent dye CF. Furthermore, this work compared the aerosol generators, named Small Animal Dry Powder Aerosol Dispensor and AKITA2APIXNEB, which were developed from our group to the commercially available devices DP-4 Dry Powder InsufflatorTM and Aeroneb®Professional concerning particle sizes and lung deposition. In case of the vibrating mesh nebulizer the lung deposition was determined using 99mTechnetium, while the lung deposition of the Small Animal Dry PowderAerosol Dispensor was investigated by using filter experiments. The drug application into the lung and the absorption kinetics were examined for the AKITA2APIXNEB by nebulization of salbutamol-solutions with different concentrations and for the dry powder inhalation devices by application of micronized salbutamol powders.The comparison of the three fluorescent markers suggested that CF was a suitable model drug for the encapsulation into controlled release formulations because of the rapid absorption of approximately 53 % of the deposited amount from the lung into the perfusate. In contrast, R6G showed an insufficient absorption rate of only circa 3 %. Despite an amount of nearly 30 % of the dye in the perfusate, MPTS demonstrated an insufficient total recovery of only circa43 % and therefore seemed to be unsuitable. The use of the second perfusion fluid had almost no effect and the generation of a pulmonary hypertension did not influence the lung absorption of CF at all. Although the CF instillation caused a slower increase of the dye concentration in the perfusate - due to the worse intrapulmonary distribution in comparison to the nebulization - the differences were also negligible.Measurements of particle sizes proved that both of the two vibrating mesh nebulizers created aerosol particles of a mass median aerodynamic diameter (MMAD) of 3 - 3.5 μm while entering the lung, whereas the particle sizes of the powders were 2.3 μm for the DP-4 Dry Powder InsufflatorTM and 2.7 μm for the Small Animal Dry Powder Aerosol Dispensor. Usingthe AKITA2APIXNEB almost 50 % of the nebulized drug solution was deposited into the lung. The similar experiments with the Aeroneb®Professional showed a much lower lung deposition of about 15 %. The nebulizations of the salbutamol solutions with the AKITA2APIXNEB leaded to concentration-independent drug absorptions of about 41 - 49 % of the deposited salbutamol.