Scholz, Martina: In vitro-Permeationsstudien von hydrophilen und lipophilen Arzneistoffen an okularen Geweben und Zellkulturen

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Kapitel 3. THEORETISCHE GRUNDLAGEN

3.1 Anatomie, Physiologie und Funktionalität des Auges

Das Auge wird oft mit einem Photoapparat verglichen. Angemessener wäre es jedoch, es mit einer Fernsehkamera mit automatischer Nachführung zu vergleichen, also mit einem Gerät, das sich von selbst scharf stellt, sich automatisch an die Lichtstärke anpasst, ein selbstrei-nigendes Objektiv besitzt und einen Computer speist, der hochentwickelte Parallelverar-beitungsmöglichkeiten aufweist.

Abb. 1: Aufbau des Augapfels und seiner Anhangsgebilde [29]

Das Auge besteht aus dem Augapfel mit dem Sehnerv, und es liegt geschützt, umgeben von Fettgewebe, in der knöchernen Augenhöhle. Außerdem gehören die sechs äußeren Augen-muskeln, die Augenlider, die Bindehaut, die Tränendrüse und die ableitenden Tränenwege zum Sehorgan (Abb. 1).

Der Augapfel hat annähernd die Form einer Kugel, die Hornhaut besitzt einen geringeren Krümmungsradius und überragt daher den Bulbus. Letzterer besteht aus der äußeren, der mittleren und inneren Augenhaut. Die äußere Augenhaut setzt sich aus der derben, undurch-


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sichtigen Sklera (Lederhaut) und der durchsichtigen Cornea (Hornhaut) zusammen. Die Ge-fäßschicht des Auges, die mittlere Augenhaut, weist drei hintereinandergelagerte, verschieden ausgebildete Abschnitte auf, die Aderhaut (Chorioidea), den Ziliarkörper (Corpus ciliare) und die Iris (Regenbogenhaut). Die innere Augenhaut besteht nur aus der Retina (Netzhaut). Im Inneren des Augapfels befinden sich die Linse, die vordere und hintere Augenkammer, die das Kammerwasser enthalten, und der Glaskörper.

Die gemeinsame Aufgabe der nichtretinalen Teile des Auges besteht darin, auf den beiden Netzhäuten ein scharfes, klares Bild der Außenwelt festzuhalten. Jedes Auge wird durch die sechs kleinen, äußeren Augenmuskeln innerhalb seiner Höhle in die richtige Lage gebracht, denn beide Augen müssen einem Objekt mit einer Genauigkeit von wenigen Bogenminuten nachgeführt werden, sonst würden wir doppelt sehen. Cornea und Linse bilden zusammen das Äquivalent eines Kameraobjektivs. Die zur Scharfeinstellung erforderliche Lichtbrechung erfolgt zu ungefähr zwei Dritteln an der Grenzfläche zwischen Luft und Cornea, wo das Licht ins Auge einfällt. Das restliche Drittel der Brechkraft liefert die Linse; ihre wichtigste Aufgabe besteht jedoch darin, die für das Fokussieren auf unterschiedlich weit entfernte Gegenstände notwendigen Einstellungen vorzunehmen. Unsere Augen werden fokussiert, indem die Gestalt der gelatineartigen Linse verändert wird, dazu werden die Sehnenfäden (Zonulafasern), die an ihrem Rand ansetzen, entweder ge- oder entspannt. Für nahe Objekte muss die Linse stärker kugelförmig, für weiter entfernte flacher sein. Für diese Verformungen sorgt der radial angelegte Ziliarmuskel. Der Reflex, der die Kontraktion des Ziliarmuskels auslöst, um die Linse abzurunden, ist von der visuellen Eingangsinformation abhängig und mit dem Reflex synchronisiert, der die gleichzeitige Einwärtsdrehung (Adduktion) der Augen steuert. Zwei Gruppen von Muskelfasern verändern den Durchmesser der Pupille und regu-lieren damit die Lichtmenge, die in das Auge einfällt. Eine Gruppe, deren radiale Fasern wie Radspeichen angeordnet sind, öffnet die Pupille (M. dilatator pupillae), die andere, in konzentrischen Kreisen angelegt, schließt sie (M. sphincter pupillae).

Mittels der beschriebenen komplizierten Struktur wird der Retina Zuarbeit geleistet. Diese wandelt Licht in Nervensignale um, erlaubt uns, bei Sternen- wie bei Sonnenlicht zu sehen, unterscheidet verschiedene Wellenlängen des Lichtes, so dass wir Farben wahrnehmen können, und arbeitet mit einer solchen Präzision, dass uns noch in einem Meter Entfernung ein menschliches Haar oder ein Stäubchen auffällt.


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Die Selbstreinigung der den äußeren Einflüssen ausgesetzten Hornhautvorderseite wird durch den Lidschlag und die Sekrete aus den Tränendrüsen gewährleistet. Die Hornhaut ist reich mit Nerven für Berührungs- und Schmerzreize versorgt, so dass die geringste Reizung, z.B. durch Staubpartikel, einen Reflex auslöst, der zum Lidschlag und zur nachfolgenden Tränenaus-scheidung führt. Die Augenlider, die auf ihrer Innenseite mit Bindehautgewebe (Konjunktiva) ausgekleidet sind, bewirken außerdem einen fünf- bis zehnmal pro Minute auftretenden, unwillkürlich ausgelösten Lidschlag, der, unterstützt durch das Sekret der Tränendrüsen, den Tränenfilm gleichmäßig auf der Oberfläche der Cornea verteilt und somit deren Austrocknung und eine daraus resultierende Trübung verhindert. Die Bindehaut ist neben Mucus produ-zierenden Goblet-Zellen, die den eben genannten Vorgang unterstützen, zusätzlich mit einer Reihe immunkompetenter Zellen ausgestattet, die eine wichtige Rolle, z.B. bei der Infekt-abwehr, spielen [30].

Die Tränenflüssigkeit, ein komplex zusammengesetztes Gemisch, bedeckt die Oberfläche von Cornea und Konjunktiva und erfüllt dabei eine Vielzahl wichtiger Funktionen. Die Bildung des Tränenfilms erfolgt in den Tränendrüsen (Glandulae lacrimalis), den Goblet-Zellen und den akzessorischen Tränendrüsen der Konjunktiva. Der präcorneale Film hat eine Dicke von 5-10 µm [31]. Das Volumen der Tränenflüssigkeit beträgt normalerweise am Auge 7-10 µl [32]. Die durchschnittliche Umsatzrate liegt beim Menschen etwa bei 15% pro Minute (ca. 1 ml pro 24 h, wobei die Tränenproduktion nachts fast gänzlich eingestellt wird, tagsüber entsprechend höher ist). Die Tränenflüssigkeit wird demnach theoretisch etwa viertelstündlich erneuert [32]. Die dabei erfolgende Ableitung über die Tränenkanäle zum Tränennasenkanal wirkt sich nachteilig auf lokal applizierte Augenarzneimittel aus.

Die Tränenflüssigkeit des Menschen ist anders zusammengesetzt als sein Serum. Vor allem fällt auf, dass sie nur 10% der Proteinmenge des Serums enthält. Zusätzlich zu Albuminen und Globulinen findet sich Lysozym. Im wesentlichen besteht der präcorneale Film aus drei Schichten, der äußersten Monolayerschicht, bestehend aus Lipiden, Protein und Mucus, einer darunterliegenden wässrigen Schicht mit den darin gelösten Elektrolyten, bestimmten nieder-molekularen, organischen Substanzen bzw. Proteinen und einer direkt auf den Epithelzellen der Cornea befindlichen, oberflächenaktiven Mucinschicht [33]. Trotz des geringen Gehalts an Proteinen wird die Permeation vieler Arzneistoffe durch die Cornea infolge von Eiweiß-bindung behindert. Beispielsweise fanden Mikkelson et al. [34] eine Proteinbindung von Pilo-carpinnitrat, Sulfafurazol und Methylprednisolon.


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Wichtig für Augenformulierungen ist die Berücksichtigung des osmotischen Drucks der Tränenflüssigkeit, der am gesunden Auge ~311-350 mOsmol/kg [35] beträgt und des pH-Werts der wässrigen Phase (Tränenflüssigkeit, Kammerwasser), der je nach Tageszeit, zwischen 7.14 und 7.82 schwankt [36].

Da sich die vorliegende Dissertation hauptsächlich mit der Permeation von Arzneistoffen durch Hornhaut, Lederhaut und Bindehaut befasst, sollen im Folgenden diese Gewebe näher charakterisiert werden.

3.1.1 Cornea

Abb. 2: Aufbau der Cornea [37]; Epi = Epithel, Endo = Endothel

Die humane Hornhaut besitzt keine Blutgefäße und ist völlig durchsichtig; sie nimmt ein Fünftel der Oberfläche des Bulbus ein. Ihre Begrenzung gegen die Sklera verläuft nicht genau kreisförmig, sondern queroval: sie ist in horizontaler Richtung etwas breiter (11.6 mm) als in vertikaler Richtung (11.2 mm) [38]. Die Cornea hat die Form eines Uhrschälchens und ist mit ihrem scharfen Rand in den Skleralfalz eingelassen. Je nach Lage differiert ihre Dicke zwischen 0.5 mm im Zentrum und 0.7 mm an den Rändern.

Die Diffusion durch die Cornea ist ein komplizierter Vorgang, zurückzuführen auf den sand-wichartigen Aufbau dieser Barriere (Abb. 2). Die äußere lipophile Schicht der Hornhaut bildet das Epithel, welches ca. 50 µm dick ist und aus einem unverhornten, geschichteten Platten-epithel mit fünf bis sechs Zellschichten besteht. Tight junctions in den Zonulae occludentes


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zwischen den flachen Deckzellen werden hauptsächlich für die Impermeabilität des Epithels gegenüber Wasser und hydrophilen Substanzen verantwortlich gemacht. Die interzellulären Zwischenräume sind sehr eng, so dass für Substanzen mit einer relativen Molekülmasse > 1000 kaum eine Chance besteht, in das Epithel einzudringen. Bevorzugt lipophile Substanzen mit einem hohen VK können durch das Epithel diffundieren [1,12,13,14] (vgl. 4.2.1.1).

Die subepitheliale, sehr starke Basalmembran, Bowman-Membran, ist homogen und azellulär. Sie trennt das Epithel vom Stroma. Die Substantia propria (Stroma) macht neun Zehntel der Dicke der Hornhaut aus und besteht aus kollagenen Fasern, die in Form sich überkreuzender Lamellen angeordnet sind. Die regelmäßige Anordnung der kollagenen Fasern, die in eine mucopolysaccharidreiche Kittsubstanz eingelagert sind, sowie das Fehlen von Blutgefäßen bedingen die Durchsichtigkeit des Gewebes. Das Stroma enthält marklose Nerven, von denen zahlreiche Fasern in das Epithel aufsteigen und dort enden. Dies erklärt die große Empfind-lichkeit der Hornhaut beim Eindringen oder Haften von Fremdkörpern. Ein Wassergehalt von 70% bewirkt den hydrophilen Charakter des Stromas als elastische und mikroporöse Schicht. Eine rasche Diffusion durch diese Schicht setzt eine nicht zu geringe Wasserlöslichkeit des Wirkstoffs voraus. Daher penetrieren Wirkstoffe dann besonders gut durch die Cornea, wenn sie neben lipophilen (Epitheltransport) in gewissem Umfang auch hydrophile Eigenschaften besitzen (vgl. 4.2.1.1), z.B. Chloramphenicol im Gegensatz zum sehr hydrophilen Penicillin oder zu Fluoreszein-Na [4,12,39,40]. Dissoziierende Arzneistoffe sollten bei der Hydronium-ionen-Konzentration der Tränenflüssigkeit wenigstens zum Teil undissoziiert vorliegen.

Die Descemet-Membran stellt ebenfalls eine kräftige Basalmembran dar, die sich endothel-seitig zum Stroma befindet. Sie weist eine außerordentlich hohe Elastizität auf und bleibt selbst dann noch intakt, wenn die darüberliegenden Schichten zerstört sind. Das Endothel schließt die Cornea nach innen ab und besteht lediglich aus einer Schicht relativ weit auseinanderstehender, abgeflachter, epithelähnlicher Zellen, deren Hauptaufgabe darin be-steht, das Stroma zu dehydratisieren und damit die Dicke und Transparenz der Cornea sicher-zustellen. Außerdem spielt das Endothel eine wichtige Rolle bei aktiven Transportprozessen (vgl. 4.1.4.1) und ist als gut durchlässige Membran wesentlich für den Stoffaustausch mit anderen Geweben verantwortlich. Das Endothel weist, genau wie das Epithel, lipophile Ei-genschaften auf, d.h. es ist leichter für lipophile Stoffe passierbar, jedoch ist die Barriere-funktion des Epithels als wesentlich stärker einzuschätzen.


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Die Hornhaut wird durch Diffusion von Substanzen aus dem Kammerwasser, der Tränen-flüssigkeit und den arteriellen Gefäßen am Hornhautrand (Sklera) ernährt.

3.1.2 Sklera

Die weiße Sklera ist eine dicke, vorwiegend aus kollagenen Fasern aufgebaute, dehnungsfeste Bindegewebskapsel (Abb. 3), die, unterstützt durch den Augeninnendruck, die Form des Bulbus aufrechterhält. In ihrem vorderen Abschnitt ist sie von der Bindehaut überzogen. Ihre Ausdehnung macht vier Fünftel der Bulbusfläche aus, und der Krümmungsradius beträgt 12.7 mm. Nach innen grenzt die Sklera an die Aderhaut und vorn überdeckt sie den zugeschärften Rand der Cornea besonders von oben und unten, etwas weniger an den Seiten, nach Art der Befestigung des Uhrglases bei der Taschenuhr (Abb. 3).

Abb. 3: Seitenansicht eines Menschenauges [41]

Die Lederhaut ist nicht überall gleich stark, an der rückwärtigen Bulbushälfte beträgt ihre Dicke etwa 1 mm, in der Gegend vor und hinter dem Äquator verdünnt sie sich auf 0.3 mm und verdickt sich an den Ansätzen der Augenmuskeln wieder auf 0.6 mm [42].

Als viskoelastisches Gewebe zeigt die Sklera eine biphasische Reaktion auf eine plötzliche Verformung: eine schnelle, kurze Verlängerung (elastische Komponente), gefolgt von einem langsamen Zusammenziehen der Kollagenfasern [42,43].

Die Sklera besteht hauptsächlich aus drei Schichten: der Episklera, dem Stroma und der lamina fusca [44]. Cornea und Sklera sind hauptsächlich kollagene Gewebe, wobei die Trans-


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parenz der Hornhaut und die Opakizität der Sklera aus Unterschieden in der Größe und Orientierung der Kollagenfasern, im Wassergehalt und der Mucopolysaccharidfraktion resul-tieren [45]. Im Gegensatz zu den cornealen Kollagenfasern variieren die skleralen in der Breite: die äußeren sind dicker als die inneren [46,47,48,49]. Die Kollagenfibrillen der Sklera haben einen Durchmesser von 2.5-230 nm [44]. Die Faserbündel liegen nicht parallel über- und nebeneinander geordnet vor, sondern unregelmäßig geflochten (Abb. 4).

Abb. 4: Sklerafaserbündel [50]

Kollagen, mit einem großen Anteil an Hydroxyprolin, bildet 75% des Trockengewichts der Sklera; der Rest besteht aus nicht-kollagenen Proteinen und Mucopolysacchariden [48]. Elastisches Gewebe, bestimmt durch den Gehalt an Desmosin und Isodesmosin, zwei Amino-säuren, die nur im Elastin vorkommen, bildet weniger als 2% des Trockengewichts [51]. Laut Dische [48] beträgt der Wassergehalt der Sklera 68%.

Die Arzneistoffpermeation durch die Sklera verläuft ähnlich wie durch das corneale Stroma, da sich die Grundstrukturen sehr ähneln, d.h. hydrophilere Stoffe gelangen grundsätzlich leichter in die inneren Augenabschnitte als lipophile Stoffe der gleichen Molekülmasse (vgl. 4.2.1.2).

3.1.3 Konjunktiva

Am Rande der hinteren Lidkante geht das mehrschichtige, verhornte Plattenepithel der Epidermis in das Epithel der Bindehaut über. Die Bindehaut überzieht als eine mit Gefäßen durchzogene Schleimhaut die Innenfläche der Lider (Conjunctiva palpebrarum), setzt sich dann im Fornix (Übergangsfalte zwischen Bindehaut des Augapfels und der Lider) auf der


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Vorderfläche der Sklera fort, um mit dieser am Cornearand zu enden (Conjunctiva bulbi) (Abb. 1) [52,53]. Die Oberfläche der Konjunktiva ist ca. neunmal (Kaninchen) und 17mal (Mensch) größer als die Oberfläche der Cornea [54].

Beide Abschnitte umschließen den Konjunktivalsack, der normalerweise ein kapillarer Spalt ist, jedoch durch Abziehen der Lider, etwa beim Einbringen von Tropfen, erweitert werden kann (Abb. 5). Das konjunktivale Epithel, das einem Bindegewebe aufsitzt, ist am Skelett der Lider (Bindegewebsplatte) mehrschichtig und hochprismatisch. Am Bulbus gestaltet es sich als ein mehrschichtiges Plattenepithel ohne Verhornung, welches sehr dünn und durchschei-nend ist, so dass zuweilen die darunterliegende Sklera durchschimmert. Normalerweise sitzt das Epithel sehr locker und kann leicht bewegt werden.

Abb. 5: Bindehautbereiche im menschlichen Auge [55]

Für alle Konjunktivazellen ist charakteristisch, dass sie einen Zellkern und viele zytoplasma-tische Organellen besitzen. Die Oberflächenzellen zeigen teilweise Mikrovilli, enthalten zahl-reiche Schleimkörnchen und haben breite Zwischenräume zwischen den Zellen. Außerdem weist die Konjunktiva Goblet-Zellen auf, die an der Mucusproduktion beteiligt sind, genau wie die Becherzellen, die vor allem im Fornix zu finden sind. Der Schleim ist essentiell für die Tränenfilmstabilität und die corneale Transparenz [56].

Die Konjunktiva hat außerdem ein enormes Potential bei der Bekämpfung von Infektionen, da sie erstens stark vaskularisiert ist, zweitens verschiedene Zelltypen aufweist, die die Abwehr einer Entzündung initiieren und durchführen können, drittens viele immunkompetente Zellen vorhanden sind, die die Immunglobuline unterstützen und viertens durch die Oberflächen-


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gestaltung (Mikrovilli) und Biochemie (enzymatische Aktivität) der konjunktivalen Zellen das Gewebe befähigt wird, Fremdkörper, wie z.B. Viren, zu neutralisieren [57,58].

Hinsichtlich der Permeabilität für Arzneistoffe verhält sich die Konjunktiva ähnlich wie die Cornea aufgrund der Lipophilie des Gewebes (vgl. 4.2.1.3).

In der vorliegenden Arbeit wurden Gewebe von Schweine- und Kaninchenaugen als Modelle verwendet. Die Anatomie und Physiologie dieser Tiermodelle, insbesondere von Schweine-augen [59], sind mit Humanaugen, bis auf wenige Details, vergleichbar. Im Fall von Kanin-chenaugen sei auf die Größenunterschiede der Gewebe und das Fehlen der Bowman-Membran in der Cornea im Vergleich zu Humanaugen hingewiesen. Weitere Unterschiede sind in den jeweiligen Kapiteln herausgearbeitet (vgl. 4.2).

3.2 Arznei- und Hilfsstoffe

3.2.1 Arzneistoffe

Als hydrophiler, gut wasserlöslicher Modellarzneistoff kam das Antiglaukomatosum Pilo-carpin sowohl als Hydrochlorid als auch als Base zum Einsatz. Diclofenac-Natrium wurde als Vertreter der NSAID hauptsächlich im Rahmen des Excimer-Laser-Projektes untersucht. Das lipophile, kaum wasserlösliche Immunsuppressivum Mycophenolatmofetil und sein aktiver Metabolit Mycophenolsäure wurden zu einer wässrigen Augenzubereitung formuliert und getestet.

3.2.1.1 Pilocarpin

Eur. Ph. NT 2001/
USPXXVI:

 

Es existieren zwei Monographien von Salzen der Pilocarpin-base: Pilocarpinhydrochlorid ist (3S,4R)-3-Ethyl-4-[(1-methyl-1H-imidazol-5-yl)methyl] dihydro-furan-2(3H)-on-hydrochlorid (C11H17ClN2O2) (Mrel 244.7).
Pilocarpinnitrat) ist (3S,4R)-3-Ethyl-4-[(1-methyl-1H-imidazol-5-yl)methyl]dihydrofuran-2(3H)-on-nitrat (C
11H17N3O5) (Mrel 271.3).


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3.2.1.1.1 Eigenschaften

Pilocarpin ist das Hauptalkaloid aus den Blättern der südamerikanischen Sträucher Pilocarpus jaborandi, Pilocarpus microphyllus und anderer Rutaceae-Arten. Die Blattdroge enthält bis zu 2% Pilocarpin [60].

Die freie Base ist bei Zimmertemperatur eine gelbliche, klare, hochviskose Flüssigkeit, die in Wasser eine relativ gute Löslichkeit zeigt. Bei der Salzbildung wird der doppelt gebundene Imidazol-Stickstoff protoniert (pKa1=6.85), weil dadurch ein mesomeriestabilisiertes Ami-dinium-Kation entsteht. Das zweite Stickstoffatom bildet nur in sehr saurem Milieu Salze (pKa2=1.43). Das in dieser Arbeit verwendete P-HCl ist ein in Wasser leicht lösliches (1:0.3), weißes, leicht hygroskopisches, kristallines Pulver.

Abb. 6: Zersetzung von Pilocarpin [61]

In wässriger Lösung ist der pH-Wert für die Wirksamkeit von ausschlaggebender Bedeutung. Je mehr sich der pH-Wert der Lösung dem neutralen Bereich nähert, umso größer ist bei gleicher Konzentration die ophthalmologische Wirkung, da die lipophile Alkaloidbase ein wesentlich besseres Permeationsvermögen durch die Hornhaut als das dissoziierte Alkaloid-salz aufweist [62,63]. Mit steigendem pH-Wert, besonders bei erhöhter Temperatur, ver-schlechtert sich dagegen die Stabilität. Bei der Formulierung muss versucht werden, diese beiden Faktoren, Stabilität und Wirksamkeit, in einen vernünftigen Kompromiss zu bringen.


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In wässriger Lösung stehen zwei chemische Reaktionsprozesse im Vordergrund (Abb. 6): die hydrolytische Spaltung des gamma-Lactonrings mit Bildung der Pilocarpinsäure [64] und anderer-seits die Epimerisierung am C-3 zu Isopilocarpin mit nachfolgender Hydrolyse zur Isopilo-carpinsäure. Beide Umsetzungsprodukte sind unwirksam [62].

Das Isopilocarpin, das in wässriger Lösung von Pilocarpin auftritt, kann sich auch durch Cyclisierung der bei der Hydrolyse entstehenden Isopilocarpinsäure bilden. Hydrolytische Zersetzungsprozesse spielen für die Stabilität von Augentropfenlösungen die dominante Rolle. Pilocarpin ist in saurer, wässriger Lösung relativ stabil, der pH-Wert für die maximale Stabilität wird zwischen 4 und 5 [65] bzw. 5-5.5 [61] angegeben.

Ein weiterer Aspekt, der berücksichtigt werden muss, ist die Metabolisierung des Arzneistoffs in den Augengeweben. Sendelbeck et al. [66] zeigten, dass, nach Applikation des Arzneistoffs in den Konjunktivalsack von Albinokaninchen, Isopilocarpin ca. 10% der Metabolite aus-macht und die restlichen 90% als Pilocarpinsäure detektiert werden.

Tabelle 1: Pilocarpinsäure [%] in Cornea, Kammerwasser und Iris/Ziliarkörper nach topischer Applikation einer 0.01 M Pilocarpinlösung [67]

Gewebe

Zeit [min]

10

30

60

120

Cornea

34.5 (5.9)

50.5 (6.0)

87.2 (3.8)

98.6 (0.4)

Kammerwasser

47.4 (0.2)

52.7 (15.0)

75.9 (4.5)

81.7 (4.5)

Iris/Ziliarkörper

44.3 (10.0)

32.7 (5.9)

81.7 (6.0)

78.9 (5.4)

SD in Klammern

Der sehr hohe Gehalt an Pilocarpinsäure in der Cornea nach 2 h (Tabelle 1) [67] lässt ver-muten, dass die Metabolisierung hauptsächlich in diesem Gewebe stattfindet. Der Pilocar-pinsäuregehalt im Kammerwasser bzw. in Iris/Ziliarkörper wird wahrscheinlich durch die vorangegangene Corneapassage von Pilocarpin hervorgerufen. Anderson et al. [68] fanden eine Esteraseaktivität in der Cornea von Albinokaninchen bei der Umwandlung des Prodrugs Dipivalylepinephrin zu Epinephrin, die eine Metabolisierungsraten-Konstante von 0.17 min-1 aufwies. Die Metabolisierung kann durch unspezifische als auch für den jeweiligen Arznei-stoff spezifische Enzyme erfolgen, wobei Pilocarpin hauptsächlich durch unspezifische Esterasen metabolisiert wird. Sind die Esterasen membrangebunden, wird die Zugänglichkeit durch den Mechanismus der Arzneistoffpermeation kontrolliert.


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3.2.1.1.2 Pharmakologie

Pilocarpin wird zur Therapie des pathologisch gesteigerten intraokularen Drucks (IOP) (über 26 mm Hg), dem Glaukom, eingesetzt. Der IOP hängt vor allem von der Menge des kontinu-ierlich gebildeten und abfließenden Kammerwassers ab, das vom Epithel des Ziliarkörpers durch aktive und passive Transportprozesse abgesondert wird. Von der hinteren Augen-kammer fließt das Kammerwasser durch die Pupillenöffnung in die vordere Augenkammer. Von hier aus gelangt es über den Kammerwinkel in den Schlemm‘schen Kanal und fließt dann in kleine Venen ab.

Ein Abfluss über den Schlemm‘schen Kanal ist vor allem dann gewährleistet, wenn die Pupille verengt ist und damit den Kammerwinkel nicht einengt. Die treibende Kraft für den Kammerwasserstrom ist ein hydrostatisches Druckgefälle. Der IOP, der beim gesunden Auge 10-22 mm Hg beträgt, ist konstant, wenn die Menge des durch den Schlemm‘schen Kanal abgeleiteten Kammerwassers der pro Zeiteinheit gebildeten Kammerwassermenge (etwa 2 µl/min) entspricht [69].

Die Ursache eines Glaukoms ist fast immer eine Abflussbehinderung des Kammerwassers. Ein primäres Glaukom liegt vor, wenn die Drucksteigerung als erstes und zunächst einziges Zeichen einer Augenerkrankung auftritt. Ist die Erhöhung des IOP dagegen eine Folge einer bestehenden oder vorausgegangenen Augenerkrankung, spricht man vom sekundären Glau-kom.

Je nach Weite des Kammerwinkels wird das primäre Glaukom nochmals in das Engwinkel- und Weitwinkelglaukom unterteilt. Während bei Ersterem eine Druckerhöhung infolge eines engen, d.h. teilweise verschlossenen Kammerwinkels resultiert, liegt beim Weitwinkel-glaukom eine strukturelle Veränderung des Trabekelmaschenwerkes vor. Weiterhin kommen ein erhöhter Widerstand sowie eine Drucksteigerung im Schlemm‘schen Kanal in Betracht. Die Erkrankung verläuft zunächst symptomlos, führt jedoch langfristig zu einer Druckschä-digung des Sehnervs, die bis zur vollständigen Erblindung führen kann.


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Als m-cholinozeptor-Agonist wirkt Pilocarpin als direktes Parasympathomimetikum. Es ist eine entfernte Verwandtschaft mit dem Acetylcholin, dem physiologischen Gegenspieler des Noradrenalins, aufgrund einer Estergruppierung im Butyrolactonring und eines in geeignetem Abstand methylierten Stickstoffatoms N-1 im Imidazolring zu erkennen. Durch das Andocken von Pilocarpin an den Muscarinrezeptor der Effektorzelle kommt es zu einer Dauerkontrak-tion des Musculus sphincter pupillae (Miosis) und des Ziliarmuskels (Myopie), wobei die Miosis den Abfluss des Kammerwassers vor allem beim Engwinkelglaukom erleichtert und die Myopie eine unerwünschte Nebenwirkung darstellt. Außerdem werden allergische Reak-tionen beschrieben. Möglicherweise kommt für die Senkung des IOP auch eine Hemmung der Kammerwasserproduktion in Betracht.

Abb. 7: A: weiter Kammerwinkel; B: enger Kammerwinkel; 1=Ziliarkörper, 2=Iris,
3=Trabekelmaschenwerk, 4=Schlemm‘scher Kanal, 5=Vene, 6=Hornhaut [69]

Pilocarpin spielt heute in der Glaukombehandlung eher eine untergeordnete Rolle, da neue Wirkstoffgruppen, wie z.B. beta-Rezeptorenblocker, Carboanhydrasehemmer und Prostaglandin-

Analoge empfohlen werden [70,71,72]. Trotzdem wurde P-HCl in der vorliegenden Arbeit als Modellarzneistoff gewählt, da er einfach zu handhaben ist und verschiedene okulare Gewebe passieren kann [73,74,75,76].

3.2.1.2 Diclofenac-Natrium


21

Eur. Ph. NT 2001:

In Eur. Ph. ist lediglich Diclofenac-K aufgeführt, welches identisch ist mit [2-[(2,6-Dichlorphenyl) amino] phenyl] essigsäure, Kaliumsalz der Summenformel C14H10Cl2 KNO2 (Mrel 334.2).

USP XXVI:

Diclofenac-Na[2-[(2,6-Dichlorphenyl)amino]phenyl]essigsäure, Natriumsalz der Summenformel C14H10Cl2 NaNO2 (Mrel 318.13) ist in der USP aufgelistet

3.2.1.2.1 Eigenschaften

D-Na ist ein synthetisches, weißes bis schwach gelbliches, geruchloses, kristallines Pulver mit

schwach hygroskopischen Eigenschaften. Es ist nur wenig löslich in Wasser, dafür aber löslich in Methanol und Ethanol. Der pH-Wert einer 1%igen Lösung in Wasser liegt zwischen 7.0 und 8.5 (pKa= 4).

Eine gepufferte Zubereitung mit einem pH zwischen 6.5 und 7.0 ist geeignet für die Lösung, Stabilisierung und okulare Applikation von D-Na in Form von Augentropfen. Bei diesem pH-Wert liegt eine relativ hohe Menge freie Säure vor, die unter diesen Bedingungen schwer von der Tränenflüssigkeit mit einer geringen Pufferkapazität deprotoniert werden kann [77].

3.2.1.2.2 Pharmakologie

D-Na, ein Arylessigsäurederivat, ist ein nichtsteroidaler, antiinflammatorischer Arzneistoff (NSAID) mit entzündungshemmenden, analgetischen und antipyretischen Eigenschaften [78]. Seine pharmakologischen Effekte werden, ebenso wie die anderer NSAID, auf die Hemmung der Prostaglandinsynthese zurückgeführt. Jedoch scheint D-Na insofern eine besondere Rolle innerhalb dieser Gruppe zu spielen, da es drei mögliche Angriffspunkte auf die Arachidon-säurekaskade besitzt, die für die pharmakologische Wirkung relevant sein können [78,79]. D-Na hemmt erstens den Cyclooxygenaseweg und reduziert dadurch die Bildung von Prosta-glandinen und Thromboxan [80], zweitens beobachtet man nach Gabe von D-Na eine Ver-minderung der Leukotrienproduktion, was auf eine Inhibition des Lipoxygenaseweges schließen lässt [80,81], und drittens ist der freie Arachidonsäurespiegel durch die Hemmung der Freisetzung und Stimulierung des Reuptake reduziert [80,81]. Inwieweit diese Effekte jedoch zur therapeutischen Wirkung beitragen, ist unbekannt.


22

Die therapeutisch genutzten, aber teilweise auch die Nebenwirkungen des D-Na werden, ebenso wie die anderer nichtsteroidaler Antirheumatika, im Wesentlichen durch die Hemmung der mikrosomalen, membrangebundenen Cyclooxygenase erklärt [82] (Abb. 8). Dieses Enzym katalysiert die Biosynthese von Prostaglandinen und anderen Eicosanoiden aus ihrer gemeinsamen Vorstufe Arachidonsäure (Abb. 8). Eicosanoide sind Gewebehormone, die in allen Körperzellen bei Bedarf synthetisiert und freigesetzt werden können und zahlreiche biologische Mediatorfunktionen erfüllen. Sie spielen als Vermittler der Entzündungsreaktion eine wesentliche Rolle.

Abb. 8: Hemmung der Prostaglandinsynthese durch Pharmaka [83]


23

D-Na-Augentropfen (Voltaren Ophtha®) werden zur Behandlung von Keratitis, Konjunktivitis und Uveitis angewendet [84,85,86]. Die prostaglandinsynthesehemmende Wirkung D-Na- haltiger Augentropfen wurde durch die Senkung konjunktivaler, perikeratischer und iridaler Hyperämien, die Prävention von Blut-Kammerwasser-Barrieredurchbrüchen [87,88] und die Hemmung von zellulärer Infiltration in die Zielgewebe nachgewiesen. Da D-Na inflam-matorischer Miosis vorbeugt, wird es außerdem zur Nachbehandlung okularer chirurgischer Eingriffe angewendet [89,90]. Eine topische Behandlung mit D-Na ist ohne Nebenwirkungen, wie sie von Kortikosteroiden hervorgerufen werden, wie z.B. eine Erhöhung des IOP, Linsen-trübung oder verzögerte Wundheilung, so dass D-Na eine gute Alternative darstellt.

3.2.1.3 Mycophenolatmofetil

Eur. Ph. NT 2001/
USPXXVI:

 
Es existiert keine Monographie von Mycophenolatmofetil bzw. Mycophenolsäure.

Martindale:

Im Martindale ist Mycophenolatmofetil (MMF) aufgeführt, welches identisch ist mit 2-(4-Morpholin)ethyl-(E)-6-(1,3-dihydro-4-hydroxy-6-methoxy-7-methyl-3-oxo-5-isobenzo-furanyl)-4-methyl-hexanoat der Summenformel C23H31NO7 (Mrel 433.5).

Hagers Handbuch:

Hagers Handbuch führt Mycophenolsäure (MPA), 6-(4-Hydroxy-6-methoxy-7-methyl-3-oxo-1,3-dihydro-isobenzofuran-5-yl)-4-methyl-hex-4-ensäure als aktiven Metaboliten des MMF der Summenformel C17H20O6 (Mrel 320.3) auf.

3.2.1.3.1 Eigenschaften

MMF (Handelspräparat CellCept®) ist der Morpholino-Ethyl-Ester der MPA, eines Gärungs-produktes verschiedener Pilzarten der Gattung Penicillium. MPA wurde zunächst als Anti-biotikum und antitumorales Medikament geprüft, anschließend wurden klinische Studien für die Behandlung der Psoriasis durchgeführt. Die Entwicklung des Medikaments für diese Indi-kation wurde jedoch nicht abgeschlossen. Erst später erwachte auf der Suche nach einer Substanz mit selektiver antiproliferativer Wirkung auf Lymphozyten das Interesse an MPA wieder.


24

Abb. 9: Abbauprodukte von MMF [91]; 1=MPA, 2=MMF, 3=N-Oxid des MMF, 4=2-
Morpholino-ethanol, 5=MPA-Lactonanalogon, 6=MPA-Hydroxylactonanalogon, 7-
9=unbenannt

Es konnte gezeigt werden, dass eine Veresterung von MPA zum Morpholino-Ethyl-Ester MMF die Bioverfügbarkeit nach oraler Administration bei nicht-menschlichen Primaten durch verstärkte Absorption steigert [92]. Das Prodrug MMF ist ein weißes oder weißlich kristallines Pulver mit einer Wasserlöslichkeit von 43 µg/ml bei pH 7.4; die Löslichkeit nimmt bei pH 3.6 auf 4.27 mg/ml zu. Der VK (log P; Octanol/Wasser; pH 7.0) beträgt 0.47. MMF ist bei 25° C und atmosphärischem Druck stabil. Durch Wärme und Peroxide wird der Abbau von MMF zum Hauptspaltungsprodukt MPA katalysiert [91] (Abb.9).


25

3.2.1.3.2 Pharmakologie

MMF ist seit 10 Jahren das erste Medikament, das in den USA zur Prophylaxe gegen Ab-stoßungsreaktionen nach Nierentransplantation zugelassen wurde [93]. Die Substanz ist ein reversibler Inhibitor der Inosin-Monophosphat-Dehydrogenase (hohe Affinität zur Isoform II), eines Enzyms, das die Purinsynthese an zentraler Stelle kontrolliert [94]. MPA hemmt reversibel die De-novo-Bildung von Guanosin-Monophosphat [95]. Da Lymphozyten im Gegensatz zu anderen Körperzellen (welche über einen Salvage Pathway verfügen) über-wiegend von dieser De-novo-Synthese abhängig sind, wird die Purin-Biosynthese dieser Zellen nahezu selektiv gehemmt [96] (Abb.10).

Abb. 10: Ablauf der Immunkaskade mit Angriffsorten von Ciclosporin und MMF [26],
Hemmung durch MMF

Dieser zentrale Angriffspunkt führt zu einer Modulation verschiedenster Immunreaktionen wie:

  1. Inhibition der T- und B-Zellproliferation,
  2. Inhibition der Glykosylierung von Adhäsionsmolekülen,
  3. Inhibition der Antikörperreaktion,
  4. Inhibition der Produktion von Zytokinen (wie IL1 und IL6) [97].

26

Bereits in den 70er bzw. 80er Jahren wurde MPA bei Patienten mit Psoriasis [98] und rheu-matoider Arthritis [99] eingesetzt, so dass hier schon Sicherheitsdaten gewonnen werden konnten.

Klinische Studien nach Nieren- [100,101,102] und Herztransplantationen [103] haben gezeigt, dass MMF in Dosen von 2-3 g pro Tag wirksam Abstoßungsreaktionen verhindern kann, ohne gleichzeitig die Inzidenz von Infektionen zu erhöhen [23]. In einem tierexperimentellen Modell der Hornhauttransplantation konnte der Nachweis erbracht werden, dass MMF das Transplantatüberleben signifikant verlängert [104]. Auch bei autoimmunologischen Prozes-sen, wie etwa im Modell der autoimmunen Uveoretinitis [105] oder dem experimentellen systemischen Lupus [106], konnte der therapeutische Nutzen von MMF nachgewiesen werden. Untersuchungen zur Immunbiologie der Keratoplastik belegen eine zentrale Rolle von T-Lymphozyten [107,108]. Bereits in der frühen, afferenten Phase einer Immunreaktion können Makrophagen und T-Lymphozyten im Transplantat nachgewiesen werden. Dieser initialen Sensibilisierungsphase schließt sich die Proliferation immunkompetenter Zellen an. Zytokine und Lymphokine werden durch diese Zellen freigesetzt und verstärken den Prozess. Schließlich erfolgt die Infiltration und Zerstörung des Transplantates (efferentes Stadium) [109,110]. MMF hat aufgrund seines Wirkmechanismus das Potential, diese Immunreak-tionen zu beeinflussen. MMF führt im Gegensatz zu alkylierenden Substanzen oder Antimetaboliten nicht zu Chromosomenbrüchen bzw. Miscoding und ist daher nicht karzi-nogen. Außerdem verfügt es über eine große therapeutische Breite.

Allerdings kann MMF direkt nach peroraler Gabe Diarrhöe, Übelkeit und Erbrechen verur-sachen [111] und nach längerer Anwendung zu reversiblen hämatologischen (z.B. Anämie, Leukopenie, Neutropenie) und auch neurologischen (z.B. Kopfschmerzen, Tinnitus, Schlaf-störungen) Nebenwirkungen führen [26,111].


27

3.2.2 Hilfsstoffe

3.2.2.1 Benzalkoniumchlorid (BAC)

Eur. Ph. NT 2001/
USPXXVI:

 
Benzalkoniumchlorid ist sowohl in der Eur. Ph. als auch im USP aufgeführt und ist ein Gemisch von Alkylbenzyldimethylammonium-chloriden, deren Alkylteil aus C8- bis C18-Ketten der Summenformel C17-27H30-50ClN (Mrel 354.0, berechnet als C22H40ClN ) besteht.

3.2.2.1.1 Eigenschaften

BAC, eine quartäre Ammoniumverbindung (Quat) oder auch Invertseife, ist ein weißes oder gelblich weißes, sehr bitteres, amorphes, hygroskopisches Pulver oder eine gelartige Masse von seifigem Griff und schwach aromatischem Geruch. Es ist in 1.5 Teilen Wasser, 2.5 Teilen Ethanol und 3.5 Teilen Chloroform löslich [32], wobei beim Schütteln einer wässrigen Lösung (pH 6.0-8.0) starke Schaumbildung eintritt, denn Quats sind, wie echte Seifen, grenz-flächenaktive Substanzen. BAC gilt als chemisch stabil. Eine Gehaltsabnahme kann in erster Linie durch Sorptionsverluste an Behältermaterialien, wie Naturgummi [112] oder gewissen PVC-Sorten [32], auftreten. Die Synthese von BAC erfolgt durch Benzylierung von Dime-thylalkylaminen.

3.2.2.1.2 Anwendung und Wirkungsweise

BAC wird als Desinfektionsmittel für Instrumente und Flächen und als Antiseptikum ein-gesetzt. Häufig kommt es als Kombinationspartner für andere Desinfektionsmittel zur Erwei-terung des Wirkungsspektrums, insbesondere gegen einige Viren, bzw. als remanent wirk-same Komponente zum Tragen. Weiterhin wird es als Konservierungsmittel in Salben und Arzneilösungen, vorrangig aber zur Hände- und Hautantiseptik in Konzentrationen von 0.3-1.5% angewendet.

BAC wird als antimikrobielles Konservierungsmittel in Augentropfen, zumeist in einer Kon-zentration von 0.01%, eingesetzt. Es gehört international zu den am häufigsten verwendeten Konservierungsmitteln für Ophthalmika. Das Wirkungsspektrum umfasst die grampositiven und die weniger empfindlichen gramnegativen Keime, wobei aber einige Pseudomonas-Arten


28

resistent sind. Gegen Pilze und Viren ist BAC wenig wirksam, und Bazillensporen sind resistent. Durch Eiweiß, Eiter oder Serum kann BAC inaktiviert werden.

Der Wirkungsmechanismus beruht auf Anlagerung und Adsorption der Verbindung an die Oberfläche der Mikroorganismen, was zu einer Zerstörung des Aufbaus der Zytoplasmamem-bran führt. Wesentlich für die Wirkung sind der quartäre Stickstoff und eine oder mehrere lipophile Seitenketten, die mindestens acht Kohlenstoffatome enthalten müssen. Die hydro-phoben Seitenketten sind für die Wechselwirkung mit den Bakterienoberflächen verant-wortlich. Sie können in Membranen penetrieren und diese desintegrieren [113], so dass es zum Austritt von zytosolischem Material kommen kann. Die kationischen Köpfe können durch Ladungsneutralisation die Denaturierung von Proteinen bewirken.

In Draize-Tests wurde wiederholt die initiale Toxizität an Augengeweben und der Einfluss von BAC in Augentropfen auf die Heilung von verletzten Arealen am Auge geprüft. Dabei berichteten viele Wissenschaftler von einer toxischen Wirkung des Konservierungsmittels [114,115].

Von Richards und Mizhari [116] wurde gefunden, dass die Produkte verschiedener Pro-venienz nicht unbedingt dieselbe antimikrobielle Wirkungsstärke aufweisen, was auf die che-mische Zusammensetzung zurückgeführt wird. Am aktivsten soll das Tetradecyl-Homologe sein.

Die Wirkung ist im schwach sauren bis alkalischen Bereich optimal, zeigt aber insgesamt keine starke pH-Abhängigkeit. Citrat- und Phosphatpuffer, nicht aber Boratpuffer, können die Wirksamkeit gegen Pseudomonas herabsetzen [32]. Ein Zusatz von 0.1% EDTA kann resistente Pseudomonas-Stämme gegen BAC sensibilisieren [117,118], und Kombinationen mit einigen anderen Konservierungsmitteln können, insbesondere im Hinblick auf die Wirk-samkeit gegen Pseudomonaden, vorteilhaft sein. Die dreiteilige Kombination aus 0.01% BAC, 0.05% EDTA und 0.5-0.6% Benzylalkohol wurde als optimal wirksam in Augentropfen befunden [32].

BAC und andere Quats erhöhen die Permeabilität der Hornhaut für schlecht penetrierende Stoffe [119,120]. Bei Langzeitanwendung dieser Stoffe ist Vorsicht geboten, da Auswir-kungen auf den Tränenfilm und die corneo-konjunktivale Oberfläche beobachtet wurden [121,122].


29

Ein weiterer Aspekt, verglichen mit anderen Substanzen, ist die verstärkte Aufnahme von BAC in die Augengewebe. Green et al. [123] beobachteten eine Eliminierung von BAC aus dem Auge erst nach bis zu 48 h nach der Applikation, während andere ophthalmologische Substanzen schon nach 8-12 h nicht mehr in okularen Flüssigkeiten und Geweben nachzuweisen sind. BAC verbleibt z.T. in der Cornea, speziell im Epithel, welches somit als Reservoir für eine weitere Diffusion fungieren und zur Verlängerung der Wirkzeit führen kann.

3.2.2.2 Natriumedetat (EDTA)

Eur. Ph. NT 2001/
USPXXVI:

 
Sowohl in der Eur. Ph. als auch im USP ist Natriumedetat aufgeführt, und ist identisch mit (Ethylendinitrilo)tetraessigsäure, Dinatriumsalz, Dihydrat der Summenformel C10H14N2Na2O8 x2H2O (Mrel 372.2).

3.2.2.2.1 Eigenschaften

Der Chelatbildner EDTA besteht aus weißen, geruchlosen und schwach sauer schmeckenden Kristallen, deren 5%ige wässrige Lösung einen pH-Wert von 4-5.5 aufweist. EDTA ist in 11 Teilen Wasser löslich, wenig löslich in Ethanol und unlöslich in Chloroform und Ether.

EDTA bildet in wässriger Lösung mit zwei- oder mehrwertigen Metallionen 1:1-Komplexe, die als 4- oder 6-zähnige Chelate [chele (griechisch) = Kralle, Klaue] formuliert werden können (Abb. 11). Dabei wird das Metallion in einem inneren Ring gebunden und dadurch unwirksam. Der aufgebaute Komplex ist wasserlöslich und dissoziiert nicht wesentlich. Die Stabilität der Komplexe wird durch die Stabilitätskonstante K bzw. log K beschrieben:


30

Zur Herstellung von EDTA wird Ethylendiamin mit Formaldehyd und Blausäure umgesetzt. Das hierbei entstehende schwer lösliche Ethylendiamintetraacetonitril wird abgetrennt und durch alkalische Verseifung mit Natronlauge in Tetranatriumedetat überführt. Beim Ansäuern auf pH 5 entsteht das Dinatriumsalz, bei noch stärkerem Ansäuern die vierwertige Edetinsäure (pKa1=2.0, pKa2=2.67, pKa3=6.16, pKa4=10.26). Der Nachteil dieses Verfahrens liegt im tech-nischen Einsatz der sehr toxischen Blausäure, die auch korrodierend wirkt.

Abb. 11: Struktur eines EDTA-Metall(II)ion-Komplexes [60]

3.2.2.2.2 Anwendung und Wirkungsweise

EDTA wird aufgrund seiner komplexierenden Eigenschaften gegenüber zwei- oder mehr-wertigen Metallionen zur Entfernung dieser aus dem Körper genutzt. So wird der Chelat-bildner z.B. zur Therapie der Hypercalcämie [124], bei Erkrankungen mit Kalkablagerungen in den Gefäßen [125] (z.B. Herzkranzgefäße) [124], Haut (Sklerodermie) oder anderen Gewe-ben (z.B. Herzklappen) [124] eingesetzt. Weiterhin findet EDTA Anwendung zur Entcalci-fizierung der Niere, zur Behandlung von Hämochromatosen, Bleivergiftungen, zur Retention von radioaktiven Metallen im Körper, zur Kontrolle von durch Digitalis induzierten Herz-rhythmusstörungen und zur Behandlung der akuten Porphyrie [124].

Am Auge wird EDTA therapeutisch gegen Kalkverätzungen und zum Abbau endogener Kalkablagerungen verwendet. Ferner dient es zur Inaktivierung bakterieller Herde und wirkt als Synergist zum BAC. Als Hilfsstoff dient EDTA zur Komplexierung von Schwermetall-ionen zwecks Verhinderung der Oxidationskatalyse von Arzneistoffen, ferner als Nebenhilfs-stoff in einem Großteil der Kontaktlinsenflüssigkeiten.


31

3.2.2.2.3 Anwendungsbeispiele für BAC und EDTA in Augentropfen

Tabelle 2 zeigt zusammenfassend die Anwendung von BAC und EDTA in arzneistoffhaltigen Augentropfen. 79% aller wirkstoffhaltigen Präparate aus der Roten Liste [126] sind mit BAC konserviert, von denen 55% EDTA als Stabilisator enthalten.

Tabelle 2: Anwendung von BAC und EDTA in Augentropfen [126], exklusive Filmbildner-präparate

Konservierungsmittel und/oder Synergist

Fertigarzneimittel

BAC

Digophton® Augentropfen

Aquamycetin® N Augentropfen

Floxal® Augentropfen

Gent-Ophthal® Augentropfen

Kana-Stulln® Augentropfen

Ophtagram® Augentropfen

Refobacin® Augentropfen

Predni-POS® Augentropfen

BAC und EDTA in

Kombination

Albucid® liquidum 10% Augentropfen

Betam-Ophthal® Augentropfen

Chibroxin® Augentropfen

Ciloxan® Augentropfen

Dispagent® Augentropfen

Efflumidex® Augentropfen

Gentamycin-POS® Augentropfen

EDTA in Kombination mit anderen

Konservierungsmitteln (in Klammern)

oder in Antibiotikapräparaten

Combiamid® Augentropfen (Chlorobutanol)

Kombi-Stulln® Augentropfen (Antibiotika)

Dexagel® Augentropfen (Benzododeciniumchlorid)

Chibro-Cadon® Augentropfen (Benzododecinium-bromid)

Sophtal-POS® N Augentropfen (Chlorhexidindi-gluconat)


32

3.2.2.3 Hydroxypropyl-beta-cyclodextrin (HP-beta-CD)

Eur. Ph. NT 2001:

In der Eur. Ph. ist lediglich Betadex (Betacyclodextrin) als Cyclo-alpha-(1-4)-D-heptaglucopyranosid der Summenformel [C6H10O5]7 (Mrel 1135) aufgeführt.

3.2.2.3.1 Cyclodextrine allgemein

Native Cyclodextrine (CDe), auch Schardinger-Dextrine genannt, sind cyclische Oligosac-charide, die üblicherweise aus sechs bis acht 1,4-alpha-glykosidisch verknüpften Glucoseein-heiten bestehen (alpha-, beta- und gamma-CD). Die (Bio)synthese der nativen CDe erfolgt in der Regel aus Stärke durch Hydrolyse und anschließende Cyclisierung unter Einwirkung des bakteriellen Enzyms Glycosyltransferase.

Moleküle bzw. Molekülteile mit passenden molekularen Dimensionen, die größtenteils lipo-philen Charakter aufweisen, werden in den vom CD gebildeten, runden, leicht konischen Hohlraum eingeschlossen und unter Verminderung der Ringspannung durch hydrophobe Wechselwirkungen, van der Waals- oder Wasserstoffbrücken-Bindungen fixiert [127]. Die hydrophileren Hydroxylgruppen im CD-Molekül weisen dabei eine Auswärtsrichtung auf, die deutlich lipophileren Kohlenstoff- sowie Ethersauerstoff-Gruppierungen sind nach innen gerichtet. Die Durchmesser der von alpha-, beta- und gamma-CD gebildeten Kavitäten liegen zwischen 0.47 und 1.0 nm [128].


33

Infolge des löslichkeitsverbessernden Effekts kommt es in vielen Fällen zu einer Steigerung der in vivo-Resorption und damit Bioverfügbarkeit schwer wasserlöslicher Wirkstoffe. Von einem Enhancereffekt bestimmter CDe wird gesprochen, wenn CD-bedingte Membranveränderungen zu einer erhöhten Permeabilität führen. Ausgewählte CD-Derivate werden gezielt zur Penetrationsförderung eingesetzt [129,130,131,132].

Die Anfälligkeit von prädestinierten Verbindungen gegenüber hydrolytischem, oxidativem oder lichtinduziertem Abbau lässt sich durch CDe herabsetzen. Die physikalische und chemische Stabilität einer Substanz kann somit deutlich verbessert werden. Von besonderem pharmazeutisch-technologischem Interesse ist der Einsatz von CDen bei inkompatiblen, pulverförmigen Wirkstoffen. Weiterhin lassen sich Substanzen mit schlechtem Geruch oder Geschmack mit Hilfe von CDen zu Arzneiformen mit höherer Patientencompliance verarbeiten.

CDe und deren Derivate sind aus toxikologischer Sicht, von wenigen Ausnahmen abgesehen, als weitgehend unbedenklich einzustufen. Sie besitzen jedoch in unterschiedlichem Ausmaß die Fähigkeit, Membranbestandteile, wie z.B. Cholesterol, Phosphatidylcholin oder Shingo-myelin zu komplexieren, diese aus der Membran herauszulösen [133] und dadurch die Mem-branfluidität derart zu erhöhen, dass es zu einer Zell-Lyse kommen kann [134]. Untersuchun-gen von nativen CDen haben ergeben, dass sie eine hämolytische Aktivität an Erythrozyten aufweisen [135]. Dagegen wird das hämolytische Potential bestimmter modifizierter beta-CD-Derivate, wie HP-beta-CD [136,137] oder Hydroxyethyl-beta-CD (HE-beta-CD) [134], als vergleichs-weise gering beurteilt.

Die im Vergleich zum nativen beta-CD wesentlich besser wasserlöslichen beta-CD-Derivate HP-beta-CD und HE-beta-CD gelangen in zunehmendem Maße bei pharmazeutisch-technologischen Problemstellungen zum Einsatz. Angaben zum durchschnittlichen molekularen Substitutions-grad (MS-Grad) und zur Wasserlöslichkeit der verwendeten Verbindungen sind Tabelle 3 zu entnehmen.

3.2.2.3.2 HP-beta-CD in Ophthalmika

Die Verwendung okular gut verträglicher CDe als Vehikel in ophthalmologischen Formu-lierungen, vor allem hinsichtlich einer Verbesserung der Löslichkeit schlecht wasserlöslicher


34

bzw. zur Stabilisierung hydrolyseempfindlicher Wirkstoffe, hat in den letzten Jahren zuneh-mend an Bedeutung gewonnen. Besonderes Augenmerk gilt in diesem Zusammenhang der reizlosen Verträglichkeit dieser Hilfsstoffgruppe, speziell im Hinblick auf die Integrität des Corneaepithels. Weiterhin von Interesse ist das Verhalten von CD-haltigen Wirkstofflösungen an der Cornea.

Tabelle 3: Eigenschaften und Toxizität modifizierter beta-CDe [138]

 

Durchschnitt. MS-Grad

Wasserlöslich-keit (25°C) [g/l]

Reizpotential (Kaninchenauge)

Absorption/Metabolismus

HP-beta-CD

0.8 - 1.0

500

12.5%: keine Reizung

geringe Absorption;
unveränderte Ausscheidung

HE-beta-CD

0.8 - 1.2

650

keine Angabe

keine Angabe

M-beta-CD

1.7 - 1.9

>750

nicht irritierend (EEC), irritierend (OECD)

durchschnittlich 5% werden intestinal absorbiert; keine Metabolisierung

Bei Untersuchungen zur okularen Toxizität von CD-haltigen Zubereitungen stehen die Wechselwirkungen mit der Cornea bzw. mit dem cornealen Epithel im Vordergrund. Mit Hilfe biomikroskopischer Untersuchungsverfahren (Slit lamp microscopy und Raster-Elek-tronenmikroskopie) war nach Ein- und Mehrfachapplikation von HP-beta-CD (12.5%) keine Schädigung der cornealen Oberfläche zu erkennen [139]. Dagegen zeigten mehrfach methylierte beta-CDe, wie beispielsweise Dimethyl-beta-CD, bereits in Konzentrationen von 5% einen schädigenden Einfluss auf die Zellschichten des Kaninchencorneaepithels [139]. Eine mögliche Ursache dafür ist die Extraktion von Cholesterol, Phospholipiden, Gallensalzen oder Proteinen aus den biologischen Membranen [140]. Wichtige physikalisch-chemische Kenn-größen modifizierter beta-CD-Derivate und Angaben zur Toxizität dieser Verbindungen sind aus Tabelle 3 zu entnehmen.

Die corneale Permeabilität bestimmter Wirkstoffe kann durch CDe beeinflusst werden, da einige Vertreter dieser Hilfsstoffgruppe eine Schädigung der Epithelzellschichten verursachen können.

Prinzipiell ist davon auszugehen, dass CDe und deren Wirkstoff-Einschlusskomplexe aufgrund ihrer molekularen Ausdehnung und ihres hydrophilen Charakters nicht oder nur sehr schwer in der Lage sind, biologische Membranen und somit die Cornea zu durchdringen.

Permeationsstudien mit alpha-CD (13.92%) und HE-beta-CD (22.08%) durch Rinderhornhäute, durchgeführt in unserer Arbeitsgruppe [74], ergaben, dass nur alpha-CD die Cornea in einer


35

erfassbaren Konzentration passieren kann. Nach 300 min betrug die Permeationsrate von alpha-CD 15%, während der permeierte Anteil HE-beta-CD vernachlässigbar klein war.

Abb. 12: Corneale Permeationswege für Wirkstoffe in Anwesenheit von CDen [141]; (Df )
freier Wirkstoff, (CDf) freies CD, (D.CD) Wirkstoff-CD-Komplex, (C)
Komponenten des Tränenfilms, (K) Komplexstabilitätskonstante

In Abb. 12A wird die Bildung eines Wirkstoff-CD-Komplexes (D.CD) gezeigt und verdeut-licht, dass große Mengen an freiem Wirkstoff (Df) und gebundenem Wirkstoff durch die nasolacrimale Drainage einer cornealen Resorption entzogen werden können. Auffällig ist auch, dass Komponenten des Tränenfilms (C) mit dem Wirkstoff um den CD-Einschluss konkurrieren (Abb. 12B). Überschüssiges CD führt in vielen Fällen zu einer Verlagerung des Gleichgewichtes zur Komplexseite und damit zu einer vermehrten Ausschwemmung des CD-Wirkstoff-Komplexes (Abb. 12C). Um die corneale Verweildauer zu erhöhen, kann schließ-lich die nasolacrimale Drainage durch Zusatz viskositätserhöhender Makromoleküle in ent-scheidendem Maße zurückgedrängt werden. In Abb. 12D ist dieser Sachverhalt durch im


36

Vergleich zu Abb. 12A dünner gezeichnete Pfeile für die nasolacrimale Drainage dargestellt. Die corneale Verfügbarkeit eines Wirkstoffs in Anwesenheit von CD hängt somit einerseits davon ab, inwieweit das CD die Löslichkeit des Arzneistoffs zu erhöhen vermag. Andererseits spielen bereits oben angesprochene vorübergehend auftretende oder dauerhafte Veränder-ungen des cornealen Gewebes durch CD eine wichtige Rolle.

Sowohl mit Hilfe von in vivo- als auch unterschiedlicher in vitro-Modelle wurde in der Vergangenheit versucht, den Effekt von CDen auf die corneale Verfügbarkeit, vornehmlich schlecht wasserlöslicher, lipophiler Wirkstoffe, zu erfassen. Ausgewählte Arzneistoffe, die mit dem für die vorliegende Dissertation relevanten HP-beta-CD zur Testung gelangten, sind in Tabelle 4 zusammengestellt.

Tabelle 4: In vitro- und in vivo-Untersuchungen zur ophthalmologischen Anwendung von
Wirkstoff/HP-beta-CD Komplexen

Wirkstoff

Literatur

Pilocarpin-HCl

[74,142]

Diclofenac-Na

[77]

Indometacin

[143]

Dexamethason, Dexamethasonacetat

[144,145]

Acetazolamid, Ethoxyzolamid

[146,147]

Methazolamid

[148]

Arachidonylethanolamid

[149]

Anandamid

[150]

Dipivefrin (Dipivalylepinephrin)-HCl

[151]

Loteprednol-Etabonat

[152]

Von P-HCl und Dipivefrin-HCl abgesehen, besitzen die aufgeführten Stoffe, die mit HP-beta-CD wechselwirken, lipophile Eigenschaften. Eine Folge dieser Komplexbildung in vitro ist in der Regel eine verminderte Wirkstoffverfügbarkeit, die sich vorrangig auf eine verzögerte Dissoziation des Arzneistoff-CD-Komplexes zurückführen lässt.


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