Theoretische Grundlagen

3.1  Anatomie und Physiologie des Auges

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Die umgebende Hülle des menschlichen Augapfels gliedert sich in drei Schichten: die äußere, mittlere und innere Augenhaut. Abb. 1 zeigt einen Querschnitt durch das menschliche Auge.

Abb. 1: Anatomie des menschlichen Auges; nach [26]

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Die äußere Augenhaut (Tunica externa) wird von der Lederhaut (Sklera) und Hornhaut (Kornea) gebildet, wobei die Kornea einen stärkeren Krümmungsradius aufweist und wie ein Uhrglas in die Sklera eingelassen ist. Die mittlere Augenhaut besteht aus der Aderhaut (Chorioidea), die im vorderen Abschnitt des Auges in den Ziliarkörper (Corpus ciliare) und die Regenbogenhaut (Iris), die das Sehloch (Pupille) umringt, übergeht. Der innere Teil der Augenhülle wird schließlich von der Netzhaut (Retina) und den Sinneszellen gebildet. Im Augeninneren befindet sich direkt hinter der Iris die Linse , die über die Zonulafasern am Ziliarkörper aufgehängt ist. Die Linse ist gefäß- und nervenfrei und kann ihre Form durch Einwirken der Zonulafasern ändern, verursacht durch Kontraktion bzw. Erschlaffen des Ziliarmuskels, wodurch Nah- und Fernakkomodation bewerkstelligt werden.

Der hintere Teil des Augapfels ist mit dem gelartigen Glaskörper gefüllt, der zu 98 – 99% aus Wasser besteht, das an Proteoglykane gebunden ist. Zwischen Kornea und Iris bzw. zwischen Iris und Linse liegen die vordere und hintere Augenkammer , die mit dem Kammerwasser gefüllt sind. Das Kammerwasser wird über das Epithel des Ziliarkörpers in die hintere Augenkammer abgesondert, fließt durch die Pupille in die vordere Augenkammer und von dort über die sogenannten Fontana’schen Räume in den ringförmigen Schlemm’schen Kanal, der sich am Übergang von Kornea zu Sklera im Kammerwinkel befindet und mit dem Venensystem des Auges in Verbindung steht.

3.1.1  Kornea

Da in dieser Arbeit verschiedene Untersuchungen zur okularen Verfügbarkeit von Wirkstoffen anhand von kornealem Gewebe durchgeführt wurden, wird auf diese Membran gesondert eingegangen. Die Kornea ist mehrschichtig aufgebaut, in ihrer Gesamtheit aber gefäßfrei und durchsichtig. In Abb. 2 ist ein schematisierter Querschnitt durch die Kornea gezeigt.

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Abb. 2: Schematischer Querschnitt durch die Kornea; nach [ 14]

Die äußere Schicht stellt das lipophile Epithel dar, das im Vergleich zu anderen Epithelien, mit Ausnahme des Stratum corneum der Haut, relativ impermeabel ist [ 15] und eine Dicke von ca. 50 µm aufweist. Darunter liegt die Bowman-Membran , ein Monolayer zwischen Epithel und Stroma. Der dominierende Teil der Kornea ist mit 90% das hydrophile Stroma . Es weist eine Dicke von 400-450 µm auf und besteht größtenteils aus Wasser in lamellenartig angeordneten Kollagenfibrillen. In Richtung vorderer Augenkammer folgen die Desce ment-Membran sowie das Endothel , beides einzellige Schichten. Das lipophile Endothel stellt eine eher schwache Barriere dar, die den Flüssigkeits- und Stoffaustausch zwischen Kammerwasser und Kornea ermöglicht und damit unter anderem die Versorgung der gefäßfreien Hornhaut gewährleistet.

Zwei weit verbreitete Augenerkrankungen sind der Graue und der Grüne Star. Der Graue Star (Katarakt) bezeichnet eine durch Oxidationsprozesse verursachte Linsentrübung, die häufig einen Alterungsprozess darstellt. Man spricht in diesem Fall auch vom Altersstar. Der Grüne Star (Glaukom) entsteht durch ein Missverhältnis von Bildung und Abfluss des Kammerwassers und einem damit verbundenen pathologischen Anstieg des Augeninnendrucks. Für ein ungehindertes Abfließen ist eine Weitstellung des Kammerwinkels erforderlich, die bei eng gestellter Pupille gewährleistet wird.

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Eine Therapie dieser oder auch einer Vielzahl anderer Augenerkrankungen kann im günstigsten Fall durch topische Applikation eines geeigneten Wirkstoffs erfolgen. Arzneistoffe aus Augenarzneien gelangen zumeist durch Permeation der Kornea in das Augeninnere [16]. Eine Permeation weiterer Barrieren des Auges, insbesondere der Konjunktiva, kann aufgrund deren starker Durchblutung in höherem Maße zur systemischen Resorption des Wirkstoffs führen, so dass mit Nebenwirkungen an anderen Zielorganen gerechnet werden muss. Darüber hinaus ist zu berücksichtigen, dass die Permeabilitäten der Konjunktiva und der Sklera aufgrund ihres im Vergleich zur Kornea einfacher strukturierten Aufbaus sowie ihrer größeren Porendurchmesser sowohl für lipophile als auch für hydrophile Substanzen deutlich höher liegen als für die Kornea [17 -18 19], wovon jedoch die intra-okulare Arzneistoffkonzentration unbeeinflusst bleibt.

3.1.2 Tränenfilm

Der Tränenfilm trägt epithelseitig zur Ernährung der Kornea mit Elektrolyten und Flüssigkeit bei und ist darüber hinaus für die Reinigung und Befeuchtung der Korneaoberfläche verantwortlich. Erst durch den anhaftenden Tränenfilm erhält die Kornea ihre glatte, glänzende Oberfläche. Ein intakter Tränenfilm ist für die Funktionsabläufe am Auge eine wichtige Voraussetzung. Er überzieht alle äußeren Oberflächen des vorderen Augenabschnitts sowie die Konjunktiva und besteht selbst aus einer Vielzahl von Komponenten in unterschiedlichen Schichten.

Direkt auf dem Kornea-Epithel liegt die über Mikrovilli und Glykokalix verankerte Muzinschicht (Abb. 3). Entgegen früheren Vermutungen macht die Mukusschicht den Großteil des Tränenfilms aus und bildet eine gelartige, sehr stabile Struktur [20, 21]. Über dem Mukusgel liegt eine hydratisierende wässrige Schicht , auf deren Oberfläche eine Lipidschicht schwimmt. Die Lipidschicht ist ebenfalls sehr widerstandsfähig und hat vorwiegend die Aufgabe, ein Verdunsten des Wassers aus dem Tränenfilm und ein Eindringen von Hautsebum in das Auge zu verhindern [ 22].

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Abb. 3: Schematisierter Aufbau des Tränenfilms; nach [21]

Das Gesamtvolumen der Tränen beträgt ungefähr 7 µl, wovon 1 µl den präkornealen Tränenfilm bildet, 3 µl vor den Lidrändern aufstauen und der Rest im Bindehautsack verteilt ist [ 23], der in der Lage ist, ungefähr weitere 30 µl an Flüssigkeit aufzunehmen. Eine Durchmischung der einzelnen Komponenten findet so gut wie nicht statt [21], allerdings werden durch den in der Regel alle 5 s stattfindenden Lidschlag Sekretion, Spreitung und Abfluss der Tränenflüssigkeit gefördert. Die normale Tränenproduktion beträgt 1-2 µl/min [24]. In Tabelle 1 sind einige physikalisch-chemische Kenngrößen des menschlichen Tränenfilms aufgeführt.

Tabelle 1: Physikalisch-chemische Parameter der Tränen

pH

 

Tonizität [mOsmol/kg]

286 – 304 [24]

Viskosität [mPa•s]

~ 2 [26]

Oberflächenspannung [mN/m]

 

Brechungsindex

 

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Die Bildung der einzelnen Komponenten erfolgt in den Gobletzellen sowie konjunktivalen und kornealen Epithelzellen (Muzin), den Tränendrüsen im äußeren Augenwinkel (wässrige Tränenflüssigkeit) und den Meibom’schen Drüsen (Lipidschicht, vgl. Kap. 4.5.1).

Der Gesamtproteingehalt der Tränen beträgt 5 – 20 g/l und kann unterteilt werden in ein anodisches Albumin, eine kathodische Lysozymfraktion und eine Zwischenfraktion aus Lactoferrin und anderen Proteinen [13]. Die Proteine des Plasmas fehlen aufgrund der Blut-Tränen-Schranke.

3.1.3 Enzyme

Im Tränenfilm sowie in den unterschiedlichen Geweben des Auges befinden sich zahlreiche Enzyme. In der Tränenflüssigkeit tritt neben Lactoferrin, sekretorischem Immunglobulin A und Enzymen des Energiestoffwechsels das Lysozym in bemerkenswert hoher Konzentration auf [25] und verhindert als bakteriostatisches Enzym ein Eindringen von Bakterien in das Auge. In den verschiedenen Geweben des Auges finden sich Enzyme des energieliefernden Stoffwechsels sowie lysosomale Enzyme in unterschiedlichen Konzentrationen, darunter zahlreiche Oxidoreduktasen, sowie Transferasen, Hydrolasen, Lyasen und Isomerasen [13]. Während das Kornea-Epithel, ebenso wie die Konjunktiva, verhältnismäßig hohe Enzymaktivitäten aufweist, liegen dagegen im Endothel beispielsweise die Werte der NADPH-abhängigen Oxidoreduktasen bei wesentlich geringeren Aktivitäten. Das Stroma enthält aufgrund seiner Struktur und Polarität niedrigere Konzentrationen aller Enzyme. Die höchsten Aktivitäten hinsichtlich eines enzymatischen Substanzumsatzes zeigen der Iris-Ziliarkörper und die Iris, da diese intra-okularen Gewebe aufgrund einer verhältnismäßig guten Durchblutung bevorzugt mit Fremdsubstanzen aus dem Blut in Berührung kommen [26]. Bei Applikation eines Arzneistoffs ist dessen möglicher Abbau bzw. seine Inaktivierung durch entsprechende Enzyme während seiner Membranpassage zu bedenken.

3.2 Anatomie und Physiologie der Nase

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Die Nase ist vertikal durch die Nasenscheidewand (Septum nasi) in zwei symmetrische Hälften geteilt und über die Nasenlöcher (Nares) zur äußeren Umgebung hin offen. Die beiden Nasenhälften bzw. Nasenhöhlen münden in den Rachenraum und sind über den Kehlkopf mit der Luftröhre verbunden. Jede Nasenhöhle kann in drei Teile untergliedert werden: den Nasenvorhof (Vestibulum nasi), die Geruchszone (Regio olfactoria) und die Respirationszone (Regio respiratoria). Abb. 4 gibt einen Überblick über die anatomischen Verhältnisse der menschlichen Nase.

Abb. 4: Anatomie der menschlichen Nase: A = Nasenvorhof, B = Atrium, C = Respirationszone (c1-3 = Nasenmuscheln s.Text), D = Geruchszone; nach [32]

Der Nasenvorhof   (A) beginnt an den Nasenlöchern und mündet an der Vorhofschwelle, auch inneres Nasenloch genannt, in das Atrium (B) . An dieser Stelle geht die äußere Haut allmählich in das mehrreihige Flimmerepithel der Nasenhöhle über. Mit einer Fläche von 150 - 200 cm² überzieht die Respirationszone (C) annähernd die gesamte Nasenhöhle, mit Ausnahme der Geruchszone (D) , die jeweils in der Kuppel einer Nasenhöhle lokalisiert ist, und stellt damit die hauptsächliche Absorptionsfläche für Arzneistoffe dar. Die Geruchszone nimmt beim Menschen mit 20 cm² eine verhältnismäßig kleine Fläche ein, was ein Vergleich mit dem Hund deutlich macht, bei dem die olfaktorische Region etwa 170 cm² misst [ 27].

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Beide Nasenhöhlen bilden jeweils seitlich drei Nasenmuscheln (c1 – 3) (Concha nasalis superior, media, inferior), die aufgrund der Oberflächenerweiterung einen guten Kontakt der inhalierten Luft mit der Nasenschleimhaut gewährleisten.

3.2.1  Nasenmukosa

Die Nasenschleimhaut belegt die Respirations- und Geruchszone und stellt ein mehrreihiges Flimmerepithel dar, bestehend aus verschiedenen Zelltypen, die apikal durch Tight-junctions verbunden sind. Das darunter anschließende Bindegewebe (Lamina propria) enthält ein dichtes Netzwerk von Nerven und Blutgefäßen sowie serosale und mukosale Drüsen, die zur Epitheloberfläche hin sezernieren. Abb. 5 zeigt einen Querschnitt durch die Nasenschleimhaut der Respirationszone mit allen vorhandenen Zelltypen sowie mit der darüber liegenden Mukusschicht. Durch die Basalmembran wird das respiratorische Epithel vom darunter anschließenden Bindegewebe getrennt. Die Nasenmukosa besteht aus zilienlosen bzw. zilientragenden Epithelzellen sowie Becherzellen und Basalzellen .

Abb. 5: Querschnitt durch die Nasenschleimhaut; nach [32]

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Die Basalzellen erreichen selbst nie die Epitheloberfläche und weisen die Fähigkeit auf, in alle anderen Zelltypen zu differenzieren, weswegen sie auch als Ersatzzellen bezeichnet werden. Die Becherzellen sind zu ca. 5 – 15% vorhanden und produzieren zusammen mit den submukosalen Drüsen die etwa 5 – 11 µm dicke Mukusschicht. Zilienlose Epithelzellen repräsentieren ca. 70% des Epithels und besitzen an ihrer Oberfläche etwa 300 – 400 Mikrovilli . Weitere 20% des Epithels bestehen aus Zellen, deren Oberfläche ungefähr 200 Zilien aufweist, die mit einer Länge von 5 – 10 µm und einem Durchmesser von 0,1 –0,3 µm [ 28] durch koordiniertes, rhythmisches Schlagen die Mukusschicht mit einer Geschwindigkeit von 2 – 25 mm/min [29] in Richtung des Rachenraums transportieren.

Dieser kontinuierliche Abtransport des Nasenmukus wird auch als mukoziliäre Clearance bezeichnet und stellt eine effektive Abwehrfunktion des Körpers gegen inhalierte Schadstoffe dar. Der Nasenmukus besteht aus Wasser, löslichen Proteinen und hochmolekularen Glykoproteinen, die in unterschiedlichen Anteilen eine untere Solschicht sowie eine darüber liegende viskose Gelschicht bilden. Die Glykoproteine, auch Muzine genannt, sind verantwortlich für die Gelstruktur des Mukus und geben ihm seine viskoelastischen Eigenschaften, die wiederum Einfluss nehmen können auf die Arzneistoffabsorption.

3.2.2 Enzyme

Die Enzymaktivität in der Nasenmukosa ist verhältnismäßig hoch und übersteigt in einzelnen Fällen sogar die Werte der Leber. Aus diesem Grund spricht Sarkar [14] von einem alternativen First-pass-Effekt, den nasal applizierte Substanzen durch einen enzymatischen Metabolismus erfahren. Vor allem Enzyme des Cytochrom P-450-Systems zeigen beachtliche Aktivitäten. Weitere Phase I-Enzyme in der Nasenmukosa sind Monooxygenasen, Aldehyddehydrogenasen, Epoxidhydrolasen, Carboxylesterasen und Carboanhydrasen. Enzyme, die an Konjugationsreaktionen teilhaben (Phase II-Enzyme), scheinen geringere Aktivitäten in der Nasenmukosa zu haben [30]. Aus dieser Gruppe nachgewiesen sind die Glukuronyl-, Sulfat- und Glutathiontransferase [14].

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Für einige Peptide und Proteine, die nach oraler Gabe durch Peptidasen und Proteasen im Gastrointestinaltrakt relativ schnell inaktiviert werden, kann die nasale Applikation eine Alternative darstellen. Allerdings wurden auch in der Nasenmukosa Aminopeptidasen, Diaminopeptidasen, Dipeptidasen, Serinproteinasen, Cysteinproteinasen und Metalloproteinasen nachgewiesen [32]. Diese Enzyme sind sowohl an der Oberfläche der Mukosa als auch in den Epithelzellen vorhanden, wobei die Aminopeptidase-Aktivität vorherrschend ist [I_Ref41147385">6], und in der Lage, nasal applizierte Peptide bzw. Proteine zu metabolisieren.

3.3 Auge und Nase als Applikationsorgane für Arzneistoffe

Die beiden Sinnesorgane Auge und Nase liegen in unmittelbarer Nachbarschaft und stehen über den Tränen-Nasen-Kanal miteinander in Verbindung. Üblicherweise werden Arzneimittel an beiden Organen für eine lokale Therapie eingesetzt. Der einfach zu bewerkstelligende und weitgehend schmerzfreie Zugang zur Augenoberfläche bzw. der Nasenhöhle bietet aber auch ideale Voraussetzungen für die Applikation systemisch wirkender Substanzen, vor allem bei wiederholten Anwendungen. Darüber hinaus gestattet dieser alternative Applikationsweg die Umgehung des First-Pass-Effekts und ermöglicht aufgrund guter kapillarer Durchblutung, insbesondere der Nasenschleimhaut, eine schnelle Resorption. Unter dem Gesichtspunkt der Absorption von Arzneistoffen weisen beide Organe jedoch unterschiedliche anatomische und physiologische Voraussetzungen bzw. Bedingungen auf (Tabelle 2).

Tabelle 2: Gegenüberstellung der Absorptionsvoraussetzungen von Auge und Nase

Auge

Nase

Physiologie und Eigenschaften der Membranen

  • Differenzierte Absorptionsbarrieren: Kornea, Sklera und Konjunktiva mit sehr unterschiedlichen Permeabilitäten
  • Keine Blutgefäße in der Kornea; systemische Resorption über Sklera, Konjunktiva oder nach Permeation der Kornea durch innenliegende Augenorgane (v.a. Iris-Ziliarkörper) und das Kammerwasser

  • Gesamte Absorptionsfläche mit nahezu einheitlicher Permeabilität
  • Enger Kontakt zu dichtem Kapillarnetz: dadurch schneller Abtransport der permeierten Substanz
  • α-Rezeptoren steuern Blutfluss:
    beeinflussbar durch Umgebungsfaktoren, wie Luftfeuchtigkeit und Temperatur, sowie durch psychologische Faktoren [ 31]
  • Applizierter Arzneistoff kann über α-Rezeptoren seine eigene systemische Resorption beeinflussen (Bsp. α-Mimetika)
  • Direkter Zugang zum ZNS über olfaktorisches System [32, 33]

  • Vergleichsweise kleine Absorptionsfläche
  • Appliziertes Arzneimittel läuft sehr schnell über Tränen-Nasen-Kanal in die Nase (→ systemischer Weg) und/oder über den Lidrand auf die Wangen (→ Verlust) ab

  • Relativ große Absorptionsfläche
  • Überschüssiges Arzneimittel wird in den Rachenraum transportiert und verschluckt; max. Applikation = 150 µl

Einflussnahme der Sekrete

 

  • Tränenfluss kann bei Reiz (vgl. Tabelle 3) deutlich gesteigert werden

  • Im Verhältnis zur Fläche weniger Sekret vorhanden als am Auge

  • Verabreichtes Volumen einer Formulierung steht in der Regel in deutlichem Überschuss zur vorhandenen Tränenmenge

  • Krankhafte Veränderungen des Sekretflusses (z.B. Steigerung um das 10fache bei Rhinitis) beeinflussen Absorption

  • (Fortsetzung Tabelle 2)

Schutzfunktionen der Organe

 

  • Reflexartiger Lidschlag, der in der Regel nicht beeinflusst wird durch Arzneistoffe oder Grundlagen

  • Mukoziliäre Clearance, die durch Arznei- oder Hilfsstoffe relativ stark beeinflusst werden kann

Enzymbarriere

 

  • Lysozym-Konzentration im Tränenfilm höher als in jeder anderen Körperflüssigkeit
  • Enzymaktivitäten im Gewebe vorhanden, aber nicht bemerkenswert hoch

  • Sehr hohe Enzymaktivitäten sowohl im Mukus als auch im Epithel
  • Durch Mengen- und Flächenverhältnisse geringerer bzw. schneller abgesättigter enzymatischer Umsatz als im Gastro-Intestinal-Trakt

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Arzneizubereitungen sollten für beide Organe möglichst reizfrei und an die physiologischen Bedingungen von Tonizität und pH-Wert angeglichen sein. Vor allem am Auge bewirkt eine Unverträglichkeit zusätzlichen, starken Tränenfluss, der den Arzneistoff ausschwemmt, bevor seine Resorption erfolgen kann. Mit Hilfe von Rezepturoptimierungen lässt sich die Verweildauer einer applizierten Substanz modifizieren und damit die Bioverfügbarkeit sowohl nach okularer als auch nach nasaler Gabe verbessern. Alternativen hierfür sind beispielsweise ölige bzw. mehrphasige Grundlagen oder Viskositätserhöher, wie Cellulosederivate, Hyaluronsäure oder Polyvinylalkohol und Polyvinylpyrrolidon. Darüber hinaus eignen sich Trägersysteme, wie Liposomen, Nanopartikeln, Submikronemulsionen [34] oder Inserte [35] zur Steuerung der Arzneistofffreisetzung und gezielten Arzneistoffabsorption. Eine Auflistung modifizierter nasaler Zubereitungen haben Behl et al. [35] in einem Übersichtsartikel veröffentlicht. Beispiele für die okulare Verwendung solcher spezialisierter Systeme sind in einem Buchbeitrag von Keipert [36] zusammengestellt worden.

Der Einfluss physikalisch-chemischer Formulierungsparameter auf die Permeabilität von Kornea und Mukosa ist in Tabelle 3 gegenübergestellt.

Um die systemische Arzneistoffresorption zu verbessern, können sogenannte Enhancer, wie z.B. Dimethylsulfoxid, Tenside, Alkohole, Chelat-Bildner, ätherische Öle, Gallensäuresalze oder auch einige CD, eingesetzt werden, die auf unterschiedliche Weise die Absorption der Wirksubstanz beeinflussen [37, 38].

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Tabelle 3: Einfluss von Formulierungsparametern auf die Absorption von Arzneistoffen nach okularer und nasaler Applikation

Auge

Nase

pH-Wert

 

  • Physiologischer pH-Bereich der Tränen flüssigkeit: 6,5 – 7,6
  • Toleranz durch das Tränen-Puffer-System im Bereich von pH 5,5 – 9,7
  • Unphysiologische pH-Werte haben starken Tränenfluss und u.U. Membranschädigung zur Folge
  • Nicht-ionisierbare Arzneistoffe haben Absorptionsmaximum bei physiologischem pH [27]
  • Für ionisierbare Substanzen kann die Absorptionserhöhung bei Vorliegen der undissoziierten Form trotz Reizung erheblich sein

  • Physiologischer pH-Bereich des Mukus: 5,5 – 6,5
  • pH-Werte < 3 bewirken histologische Veränderungen des Gewebes [35]
  • Einfluss des pH-Werts auf die Zilientätigkeit
  • Einfluss des pH-Werts auf die Enzymaktivität (nachgewiesen für 17β-HSD [ 39])
  • Bessere Permeabilität für hydrophile Substanzen bei geringeren pH-Werten durch Hydratation des Gewebes [27]

Tonizität

 

  • Physiologischer Bereich für die Tränenflüssigkeit: 286 - 304 mOsmol/kg
  • Schmerzfreier Bereich: 225 - 430 mOsmol/kg
  • Änderungen der Tonizität haben Absinken des Membranwiderstands zur Folge → Einfluss auf parazellulär permeierende Substanzen [ 40]

  • Physiologischer Bereich: 280 - 300 mosmol/kg (entspricht Isotonie)
  • Hypertone Lösungen bewirken Anstieg der Arzneistoff-Absorption durch Wasserentzug des Epithels [27, 41]
  • Permeabilitätsanstieg für hydrophile Arzneistoffe auch durch hypotone Lösungen aufgrund einer Schwellung der Membran [42]

Verteilungskoeffizient

 

  • Durch wechselschichtigen Aufbau der Kornea parabolischer Zusammenhang zwischen VK und Peff [43]
  • VKokt Optimum von 100 - 1000

  • Membran besitzt hauptsächlich lipophilen Charakter
  • Steigende Permeabilität mit zunehmender Arzneistoff-Lipophilie
  • Gegenüber anderen Mukosae aber auch für hydrophile Substanzen gut permeabel [ 44]

(Fortsetzung Tabelle 3)

 

Teilchengröße

 

  • Porengröße Kornea-Epithel 2,0 nm [19]
  • Porengröße Konjunktiva-Epithel 3,0 – 4,9 nm [19]
  • Permeation durch Poren im kornealen Epithel nur möglich für Moleküle mit einem Gewicht unterhalb 500 g/Mol [19]
  • Limitierende Molekülgröße für eine Permeation durch die Gesamt-Kornea liegt zwischen 182 und 5000 g/Mol [20]

  • Porengröße 0,4 – 0,8 nm [32]
  • Molekülgröße und Permeation verhalten sich umgekehrt proportional [6]

Beispielsweise kann die Membranfluidität erhöht (z.B. Natriumlaurylsulfat, Benzalkoniumchlorid), die Viskosität der Mukusschicht erniedrigt (z.B. Gallensäuresalze) oder der Verband der Tight-junctions gelockert werden (z.B. EDTA, manche CD). Weiterhin lässt sich die Arzneistoffresorption durch Steigerung der Durchblutung (z.B. Ethanol) oder Inhibierung der enzymatischen Aktivität (z.B. Bacitracin oder Boroleucin als Peptidase-Inhibitoren) verbessern. Interessant ist der Einsatz von Enhancern vor allem dann, wenn der Durchtritt durch die Membran den geschwindigkeitsbestimmenden Schritt für die Resorption eines Wirkstoffs darstellt.

3.4 Verwendete Wirkstoffe

3.4.1  Androstendion und Testosteron

4-Androsten-3,17-dion (Androstendion, AD) bildet die physiologische Vorstufe des Testosteron (TST) und gehört damit zur Gruppe der Androgene. Die Strukturen beider Substanzen sind in Abb. 6 bzw. Abb. 7 dargestellt. AD besitzt eine rel. Molmasse von 286,42 und einen Schmelzbereich von 173 – 174 °C [45]. Die rel. Molmasse von TST beträgt 288,4, und der Schmelzbereich dieser Substanz liegt bei 152 - 157 °C [1]. Beide Wirkstoffe sind löslich in Ethanol, Methanol und Aceton, zeigen jedoch eine sehr schlechte Wasserlöslichkeit (für AD vgl. Kap. 4.1.4.2).

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Abb. 6: 4-Androsten-3,17-dion (Androstendion, AD)

Die physiologischen und pharmakologischen Wirkungen der Androgene lassen sich einteilen in sexualspezifische, wie die Funktion der Geschlechtsdrüsen, Reifung der Samenzellen und die Ausbildung der sekundären Geschlechtsmerkmale beim Mann, sowie in sexualunspezifische, wie eine proteinanabole Wirkung, ein Einfluss auf Knochenreifung und Längenwachstum und auf die Funktion der Talgdrüsen. Die tägliche Testosteronproduktion beim Mann beträgt ca. 7 mg und ruft eine Serumkonzentration von 3-10 µg/l hervor [ 46], wobei das Hormon im Blut zu 98% an das Transporthormon SHBG (Sexualhormon-bindendes Globulin) gebunden ist.

Therapeutische Anwendung finden Androgene beim Mann beispielsweise in der Substitutionstherapie bei Androgenmangel durch Hypogonadismus oder im „Climacterium virile“ [I_Ref41311210">11]. Weiterhin sind ein Unterdrücken übermäßigen Längenwachstums bei Knaben, sowie eine Stimulierung der Spermatogenese durch Erzielen eines Rebound-Effektes nach hochdosierten Hormongaben möglich. Bei Frauen werden Androgene bei inoperablem Mammakarzinom eingesetzt. Ein weiteres potentielles Indikationsgebiet stellt neuerdings das Symptom des Trockenen Auges dar, wobei eine lokale Hormongabe sowohl die Tränen- als auch die Meibom-Drüsen in ihrer Funktion regulieren und somit den Tränenfilm stabilisieren soll [I_Ref41311276">9, I_Ref41311335">10].

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Abb. 7:17β-Hydroxy-4-androsten-3-on (Testosteron, TST)

Durch die ungenügende Resorption des TST nach oraler Gabe muss eine Verabreichung auf alternativen Applikationswegen bzw. mittels modifizierter Arzneiformen oder als TST-Derivat erfolgen. Dabei ist man bemüht, einen Ersatz für die unkomfortable Injektion zu finden. Durch eine Veresterung von C17 oder eine Methylierung von C1 ist es gelungen, die orale Verfügbarkeit der Substanz zu verbessern. Eine galenische Alternative stellen Transdermale Therapeutische Systeme dar [ 47], die allerdings im Gegensatz zu den Hormonpflastern für die Frau wesentlich höhere Dosen freisetzen müssen. Aus diesem Grund wurde ein Handelsprodukt (Testoderm®, Fa. Ferring Arzneimittel GmbH, Wittland) entwickelt, das 15 mg TST enthält und auf der Skrotalhaut angewendet wird, da diese besonders gut durchblutet ist und kein ausgeprägtes Stratum corneum aufweist, wodurch eine gute Resorption des Hormons erfolgt. Ein weiteres Präparat stellt das Androderm® (12,2 mg TST) dar, das aufgrund eines beigefügten Enhancers (vgl. Kap. 3.3) auch auf nicht-skrotaler Haut angewendet werden kann, aber häufiger Hautreizungen auslöst [51].

3.4.2 Fluorescein

Fluorescein ist ein Farbstoff und wird meist als wasserlösliches Natrium-Salz (2-(6-Hydroxy-3-oxo-3H-xanthen-9-yl)dinatriumbenzoat, FSC) eingesetzt. Abb. 8 zeigt seine Struktur. Die Substanz ist leicht löslich in Wasser, wenig löslich in Ethanol und besitzt eine rel. Molekülmasse von 376,3.

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Abb. 8: 2-(6-Hydroxy-3-oxo-3H-xanthen-9-yl)benzoesäure, Dinatriumsalz
(Fluorescein-Na, FSC)

In der Augenheilkunde findet FSC in einer Konzentration von 2% als Diagnostikum zur Detektion kornealer Läsionen Anwendung. Durch die Anfärbung der Augenoberfläche kann bei darauffolgender Betrachtung durch die Spaltlampe die Korneaoberfläche untersucht werden. Die Substanz zeigt auch in stärkster Verdünnung (1: ~40 Mio.) eine gelbgrüne Fluoreszenz, die allerdings bei niedrigen pH-Werten verschwindet.

FSC wird in Permeationsstudien als Markersubstanz eingesetzt, um die Membranintegrität zu überprüfen [ 48] oder, beispielsweise als Isothiocyanat in Verbindung mit Dextran, die Porengröße einer Membran zu bestimmen [ 49, 50].

3.5 Verwendete Hilfsstoffe

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Da in den nachfolgenden Untersuchungen Interaktionen zwischen den untersuchten Wirkstoffen und den Einzelkomponenten der getesteten bzw. entwickelten ME von Relevanz sein werden, sollen die verwendeten Hilfsstoffe in diesem Kapitel kurz charakterisiert werden.

3.5.1  Cremophor®EL

Cremophor®EL(CrEL) stellt ein Tensid mit einem HLB-Wert von 13 dar, dessen Grundkörper Glycerol mit drei Macrogolketten (n = 35) verethert ist, die wiederum jeweils endständig mit Ricinolsäure verestert sind. Daneben enthält das Produkt freies Macrogol, Glycerol-Macrogol-Ether und Macrogolricinoleat. CrEL besitzt eine rel. molare Masse von 1630, eine Dichte von 1,05 – 1,06 g/ml und eine Viskosität von 700 – 850 mPa•s. Der pH-Wert einer 10%igen wässrigen Lösung beträgt 6 – 8. Oberhalb von 26 °C ist CrEL klar, bei niedrigeren Temperaturen lassen ungelöste Bestandteile die Substanz trüb erscheinen. Laut Herstellerangaben [ 51] zeigt das Tensid gute Schleimhautverträglichkeit, und am Kaninchenauge werden 20 – 30%ige wässrige Lösungen reizlos vertragen. CrEL ist weitgehend beständig gegen Elektrolyte und übersteht eine 30minütige Sterilisation im Autoklaven.

3.5.2  Propylenglykol

Propylenglykol (PG)findet pharmazeutische Verwendung als Lösungsvermittler und Resorptionsförderer. Die Substanz ist mit Wasser, Ethanol und vielen ätherischen Ölen mischbar und besitzt eine rel. Molmasse von 76,09. Weitere Kennzahlen stellen die Dichte mit 1,0364 g/ml, die Viskosität mit 56 mPa•s und ein Siedebereich von 186 – 188 °C dar [26]. Für unverdünntes PG wird eine schwache Reizung am Kaninchenauge beschrieben. Die Substanz weist antimikrobielle Wirksamkeit auf, die in Konzentrationen oberhalb 5% der des Glycerols deutlich überlegen ist.

3.5.3 Isopropylmyristat

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Als Fettkomponente in den ME (vgl. Kap. 4.1.2) wurde Isopropylmyristat (IPM) ausgewählt. Dieser Fettsäureester ist mit Pflanzen- und Mineralölen mischbar und wird häufig als Spreitungsmittel und Penetrationsförderer in Salbenrezepturen genutzt. Die Dichte von IPM beträgt 0,851 – 0,856 g/ml und seine rel. Molekülmasse 270,4. Bei Raumtemperatur bildet IPM eine klare, farblose, ölige Flüssigkeit mit einer Viskosität von 5 - 6 mPa•s.

3.5.4 Cyclodextrine

Cyclodextrine (CD) sind zyklische Oligosaccharide, von denen die bekanntesten aus sechs (α-CD), sieben (β-CD) oder acht (γ-CD) ringförmig angeordneten Glukoseeinheiten aufgebaut sind. Die Moleküle besitzen die Form eines Kegelstumpfs mit Außendurchmessern von 1,4 – 1,7 nm. Die innere Kavität hat einen Durchmesser von 0,6 –1,0 nm und weist einen hydrophoben Charakter auf, während das Molekül insgesamt hydrophil und damit zumeist sehr gut wasserlöslich ist. Aufgrund dieser Struktur können lipophile Substanzen teilweise oder ganz in die CD-Kavität eingeschlossen werden und dadurch beispielsweise eine ausreichende Wasserlöslichkeit gewinnen [ 52]. Durch Substitution der OH-Gruppen an der Molekülaußenseite lassen sich der Charakter und die Eigenschaften des CD-Moleküls in weiten Grenzen variieren.

Die Inklusion einer Substanz erfolgt bevorzugt aufgrund hydrophober Wechselwirkungen - es werden keine kovalenten Bindungen gebildet; Komplexbildung und -dissoziation unterliegen einem dynamischen Gleichgewicht, das von der jeweiligen Komplexstabilitätskonstanten (vgl. Kap. 4.1.4.3) beeinflusst wird. Die Einschlüsse können in unterschiedlichen Verhältnissen gebildet werden, die von der räumlichen Struktur und Größe des jeweiligen Gastmoleküls bzw. vom Durchmesser und Charakter der CD-Kavität abhängig sind. Für die Qualität des Komplexes spielt weiterhin der Polaritätscharakter des zu inkludierenden Moleküls oder Molekülteils eine wesentliche Rolle. Übliche Komplexverhältnisse sind 1:1, 1:2 oder auch 3:2 [91].

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Neben der bereits erwähnten Verbesserung der Wasserlöslichkeit und einer damit einhergehenden Erhöhung der Arzneistoffkonzentration kann die Komplexbildung eines Wirkstoffs mit einem CD weitere Vorteile bringen, wie z.B. Verbesserung der chemischen oder physikalischen Stabilität, Schutz vor Wechselwirkungen mit inkompatiblen Rezepturkomponenten oder auch Kaschierung von schlechtem Geruch oder Geschmack einer Substanz. Dabei bewirkt jedoch die Inklusion keine chemischen oder physikalischen Veränderungen an dem Gastmolekül selbst.

Einen breiten Überblick über die okulare sowie nasale Anwendung von substituierten CD geben Rajewski und Stella [53]. Dabei wird für CD, besonders bei okularer Anwendung, neben löslichkeitsverbessernden Eigenschaften auch eine Funktion als Carrier, der den lipophilen Arzneistoff durch die hydrophile Muzinschicht zur Epitheloberfläche der Kornea transportiert [16], beschrieben. Voraussetzung ist, dass die Dissoziation des CD/Wirkstoff-Komplexes schneller erfolgt als seine Elimination von der Augenoberfläche. Um dies zu gewährleisten, kann zusätzlich die Viskosität der Zubereitung erhöht werden [16].

Merkus et al. [ 54] führen in ihrem Übersichtsartikel eine Reihe von Beispielen an, in denen der Zusatz eines CDs die nasale Bioverfügbarkeit einer Substanz positiv beeinflusst oder überhaupt erst ermöglicht. Zu diesen Beispielen zählen u.a. Estradiol/Dimethyl-β-CD, Morphin/Dimethyl-β-CD, Dihydroergotaminmesylat/RAMEB (randomly methylated β-cyclodextrin), sowie Komplexe der hydrophilen Substanzen Buserelin/Dimethyl-β-CD, Calcitonin/methyliertes β-CD und Insulin/Dimethyl-β-CD. Die Toxizität der genannten applizierten CD wird insgesamt als vergleichsweise gering bewertet.

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Die in dieser Arbeit verwendeten CD-Derivate sind das Hydroxypropyl-γ-CD (HP-γ-CD, Mrel = 1355, mittlerer molarer Substitutionsgrad: 0,6) sowie das kationisch substituierte 2 Hydroxy-3-trimethylammonio-propyl-β-CD (HTAP-β-CD, Mrel = 1670, mittlerer molarer Substitutionsgrad: nicht angegeben). Beide CD-Derivate weisen eine sehr gute Wasserlöslichkeit (HP-γ-CD = 80 g/100 ml und HTAP-β-CD = 50 g/100 ml, jeweils bei 25 °C) auf.

Für HP-γ-CD liegen Untersuchungen über die Hämolytische Aktivität [ 55], die Fähigkeit zur Bindung von Cholesterol [59] und über histologische Veränderungen an Schleimhaut [74] vor, die alle auf eine gute physiologische Verträglichkeit schließen lassen. Bei einer topischen Applikation am Auge wird HP-γ-CD als sicher erachtet [16]. Das unsubstituierte γ-CD zeigte jedoch in vitro in einer 5%igen Lösung geringe ziliostatische Effekte [59].

Über HTAP-β-CD liegen weniger Informationen vor. Loftsson und Brewster [ 56] beschreiben gute Lösungseigenschaften für HTAP-β-CD vor allem für saure Substanzen, die als Anion vorliegen können. Für das Hydroxypropyl-Derivat des β-CDs weist die Literatur eine Reihe von Untersuchungen auf, die insgesamt eine gute Verträglichkeit bei nasaler oder okularer [16, 58, 57, 106] sowie dermaler [58, 59] Anwendung bestätigen.


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08.11.2005