Establishment of an in vitro test strategy for orally inhaled drug products

Abstract

This thesis describes and evaluates three animal experiment free approaches for the safety and efficacy assessment of pulmonary drug formulation in the pre-clinical phase. In the first approach the complex cell culture system MucilAir™ was exposed to pollen through the Vitrocell® Powder Chamber to simulate in vitro an allergic reaction and predict drug safety. However, cytokine response was not sufficient, and the setup has to be optimized for safety studies. Two in vitro setups were further developed for estimating drug safety and inflammatory response. For safety studies, an in vitro model should predict human data by using approved FDA excipient concentrations. From these excipients the in vitro IC50 was determined with pulmonary cell lines and ranked in the thus established SAFE classification. Consequently, SAFE allows for predicting human safety data by in vitro testing. For estimating potential inflammatory reactions located in the respiratory area, the alveolar cell line hAELVi was exposed to the pro-inflammatory cytokines TNF-α and IFN-γ. Similar to an inflammatory in vivo reaction, a loss of epithelial barrier function was observed. Furthermore, the anti-inflammatory response to hydrocortisone of the stimulated model underlines its po-tential for in vitro drug testing. The described in vitro models are a promising tool for replacing animal experiments, whereby their standardization and validation are future challenges according to recognized guidelines

Diese Arbeit beschreibt und bewertet drei tierversuchsfreie Ansätze zur Sicherheits- und Wirk-samkeitsbewertung von Inhalativa in der präklinischen Phase. Im ersten Ansatz wurde das Zellsystem MucilAir™ durch die Vitrocell® Powder Chamber Pol-len ausgesetzt, um in vitro eine allergische Reaktion zu simulieren. Die Zytokinreaktion war jedoch nicht ausreichend und der Aufbau muss für Sicherheitsstudien optimiert werden. Folg-lich wurden zwei in vitro Modelle entwickelt, um die Arzneimittelsicherheit und Entzündungs-reaktion abzuschätzen. Für eine Sicherheitsbewertung sollte ein in vitro Modell Humandaten unter Verwendung von FDA-Hilfsstoffkonzentrationen vorhersagen. Aus diesen Hilfsstoffen wurde der in vitro IC50 Wert für Lungenzellen bestimmt und in die etablierte SAFE-Klassifi-kation eingestuft. SAFE ermöglicht so die Vorhersage von Humandaten durch in vitro Tests. Zur Bewertung von Entzündungen wurden hAELVi Zellen den Zytokinen TNF-α und IFN-γ ausgesetzt. Ähnlich wie bei einer entzündlichen in vivo Reaktion wurde ein Verlust der epithe-lialen Barrierefunktion beobachtet. Darüber hinaus unterstreicht die entzündungshemmende Reaktion des Modells auf Hydrocortison sein Potenzial für eine in vitro Sicherheitsbewertungen von potenziellen Wirkstoffen. Die etablierten in vitro Modelle bieten einen vielversprechenden Ansatz, um Tierversuche zu ersetzen, wobei ihre Standardisierung und Validierung künftige Herausforderungen zur Auf-nahme in anerkannten Richtlinien darstellen.