Mathematical characterization of skin absorption

Abstract

Work on the mathematical modeling and data analysis of skin absorption with focus on finite dosing is presented within this thesis. It could be shown that correction of experimental data based on the area of application should be taken into consideration depending on the drug's lipophilic character. Next, the influence of the lateral compartment for finite dose in-vitro skin mass balance was examined with the help of three mathematical models that could satisfyingly predict or describe the experimental data. Moreover, for two model drugs high amounts of substance could be found in the lateral skin compartment. Finally, a diffusion model was developed to predict in-vivo concentration-depth profiles (C-DP) with model input parameters gathered from in-vitro experiments. In addition, work on prediction of keratin binding is presented using an extended database. Furthermore, it could be shown that skin topography might have a considerable impact on skin absorption. Finally, a mathematical equation to correct Raman signal attenuation to improve non-invasive C-DPs of human skin is presented. In summary, it can be stated that the concepts and investigations at hand could improve experimental data, experimental setups and mathematical models in the field of skin absorption.

Arbeiten auf dem Gebiet der mathematischen Modellierung und Analyse von Hautabsorption, mit einem Fokus auf finite Dosierung, werden in dieser Arbeit vorgestellt. Es konnte gezeigt werden, dass abhängig von der Lipophilie der Substanz, die Korrektur experimenteller Daten, basierend auf der Applikationsfläche, in Betracht gezogen werden sollte. Der Einfluss des lateralen Kompartiments auf die in-vitro Massenbilanz bei finiter Dosierung wurde mit Hilfe dreier mathematischer Modelle untersucht, die experimentelle Daten befriedigend vorhersagen oder beschreiben konnten. Für zwei Modellsubstanzen konnten hohe Substanzmengen im lateralen Hautkompartiment gefunden werden. Zuletzt wurde ein Diffusionsmodell, basierend auf aus in-vitro Experimenten stammenden Modelleingabeparametern, entwickelt, um in-vivo Konzentrations-Schicht-Tiefenprofile (KST) vorherzusagen. In Ergänzung werden Arbeiten auf dem Gebiet der Vorhersage von Keratinbindung mit Hilfe einer erweiterten Datenbank vorgestellt. Außerdem konnte gezeigt werden, dass die Hauttopographie Auswirkungen auf die Hautabsorption haben kann. Abschließend wird eine mathematische Gleichung zur Signaldämpfungskorrektur bei Raman-Spektroskopie vorgestellt, um nichtinvasive Messungen von KST der menschlichen Haut zu verbessern. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die hier gezeigten Konzepte und Untersuchungen zur Verbesserung experimenteller Daten, Versuche und mathematischer Modelle im Bereich der Hautabsorption beigetragen konnten.