Sustained drug delivery for local treatment of joint diseases

Abstract

Synovial joints allow local treatment of joint diseases via intra-articular administration. In this context, it is of great value to understand the transport and retention mechanisms of intra-articular administered drugs. The present work picks up these challenges in two major sections: The first part concerns the characterization of potential retention of compounds inside synovial joints. It was shown that increasing molecular weight of investigated compounds led to increased retention by the synovial membrane. In addition, a clear relation was observed between the positive charge of applied model compounds and the partition into cartilage tissue. Furthermore, fluorescence microscopy revealed that positively charged macromolecules (up to 233 kDa) penetrated deeply into the cartilage matrix. The second part investigated a modified USP apparatus IV for the assessment of the in vitro release of intra-articular depot formulations. It was demonstrated that the applied setup was able to discriminate between different formulation options and that the release setup has the potential to be further modified with regards to more bio-relevance. In summary, it was shown that positively charged macromolecules have the potential to enable prolonged drug exposure to synovial joints. Moreover, the modified USP apparatus IV was demonstrated to be a suitable and predictive tool for the characterization of the in vitro release of intra articular formulations.

Die Struktur synovialer Gelenke begünstigt die lokale Behandlung von Gelenkkrankheiten mittels intra-artikulärer Applikation. In diesem Zusammenhang spielt das Verständnis über relevante Transport und Retentionsmechanismen eine wichtige Rolle. Die vorliegende Arbeit greift diese Fragestellungen in zwei Abschnitten auf: Der erste Abschnitt beschäftigt sich mit der Charakterisierung synovialer Gelenke hinsichtlich ihres Retentionspotenzials. Es wurde gezeigt, dass die Synovialmembran größere Moleküle verstärkt zurück hält. Zudem wurde ein klarer Zusammenhang zwischen der positiven Ladung eines Moleküls und dessen Verteilungsverhalten in Knorpelgewebe gezeigt. Außerdem konnte mittels Fluoreszenzmikroskopie herausgefunden werden, dass positiv geladene Makromoleküle (bis zu 233 kDa) tief in Knorpelgewebe vordringen. Im zweiten Abschnitt wurde ein modifizierter USP Apparatus IV im Hinblick auf seine Eignung zur Bestimmung des Freisetzungsverhaltens intra-artikulärer Depot-Formulierungen untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass das System zwischen unterschiedlichen Formulierungen zu diskriminieren vermag und zudem das Potenzial besitzt, im Hinblick auf höhere Biorelevanz angepasst zu werden. Zusammen genommen konnte gezeigt werden, dass positiv geladene Makromoleküle das Potential besitzen, um verlängerte Wirkstoffexposition im Gelenk erreichen zu können und dass mit dem modifizierten USP IV Freisetzungssystem ein geeignetes Charakterisierungsinstrument zur Verfügung steht.