Naproxen-Prodrugs 68 1

Ester des Naproxens als potentielle Prodrugs zur Haut 2. Mitt.: Penetrationseigenschaften an exzidierter Mausehaut Horst WebeP)’, Klaudia Meyer-Triimpenera) und Bemhard C. Lippoldb)

a) Institut fur Pharmazeutische Chemie der Heinrich-Heine-Universitat Dusseldorf, Universitatsstr. 1, D-40225 b) Institut fur Pharmazeutische Technologie der Heinrich-Heine-Universi~t Dusseldorf, Universitatsstr. 1,

I

Eingegangen am 2. Februar 1994

In einem in vifro Modell an exzidierter Haut von Nacktmausen wurden die Peiietrationseigenschaften ausgewahlter Naproxenester untersucht. Die Werte fur den jeweiligen Permeabi1it;itskoeffizienten und den maximalen Flux wurden ermittelt und mit den physikochemischen Eigenschaften der Substanzen korreliert. Dabei enveist sich neben der Octanollbslichkeit die Wasserloslichkeit als besonders wichtig. Ein Modell fur die Vorhersage des Penetrationsverhaltens wird vorgeschlagen.

Esters of Naproxen as Prodrugs for Skin Penetration, 11: Penetration Behaviour upon Excised Skin of Nude Mice Penetration Of various Naproxen esters was studied in an in vitro model

the S

33 Ester des nichtsteroidalen Antirheumatikums Naproxen [2-(6-Methoxy-2-naphthyl)propionsaure] wurden als poten- tielle Prodrugs zur percutanen Applikation synthetisiert und die wichtigsten physikochemischen Parameter dieser Modellverbindungen im Hinblick auf die Beeinflussung der percutanen Resorption ermittelt’). An ausgewahlten Bei- spielen wird nun das Resorptionsverhalten dieser Napro- xenester (Tab. 1 und 2) an einem in-vitro-Modell (exzidier- te Haut von Nacktmausen) untersucht.

Gerate urid Methoden

Gerafe

HPLC-Messungenc Pumpe Waters 5 10, Injektor Waters 700 Satellite WISP, Detektor Waters 490E Programmable Multiwavelength Detector, MeRwellenlinge 232 nm, Saule Kartusche Lichrosorb RP 18 (7 pm, I = 125 mm, 0 = 4 mm) + Vorslule, FlieBmittel Methanolmasser-Gemische, FluBrate 1-1.5 ml/min, Druck 400-700 PSI, (28.1-49.2 at). Raumtemp. Me- thanol wurde in einer Glasapparatur destilliert und danach durch ein 0.45 pm-Membranfilter filmert.

Demiromefrie: Auftragung auf die HPTLC-Platte (Kieselgel Merck Nr. 5642) mittels Camag Linomat IV, Auswenung der DC mit Camag TLC- Scanner I1 mit Integrator (Hewlett-Packard 3396 Serie 11) im Remissions- maximum be.i 232 nm.

Materialien

Donatorphase: Von den Modellsubstamen’) wurden Verreibungen (1:l) mit Lactose hergestellt, die in ein Hydroxyethylcellulosegel (2.0 g Tylose H loo00 Hoechst, 20 g Ethanol 96%, Aqua bidest. ad 100.0 g) eingearbei- tet wurden. Die Konzentration dieser Standardzubereitung (Donatorgel) wurde jeweils auf 2.58 (m/m) eingestellt.

Akzeptorphase: Eine Mischung gleicher Volumina Ethanol 96% und wariger Phosphatpuffer pH = 7.2 (0.5 mM NaH2P04, 0.5 mM Na2HP04, 0.15 M NaCI, konserviert mit Erythromycin 150 mg/l). Durch den Etha- nolgehalt in der Akzeptorphase ist die Uslichkeit der Modellsubstanzen

Tab. 1

FH3 ~ C H - C O O R

(3430

V&* R

1

2,3# 4s5

671 8

9

10

11

l2

13 I14

b 15

uber die gesamte Versuchsdauer gewahrleistet (sink-Bedingungen). Aukrdem wird durch den penetrationsbeschleunigenden Effekt des Etha- nols“ eine relativ kurze Versuchsdauer (24 h) ermbglicht.

Exzidierte Mausehauf

Bei den venvendeten Nacktmausen handelt es sich urn 10-14 Wochen alte, weibliche Han: NMRI nu/nu (Tierversuchsanlage der Heinrich-Heine-

Arch. Pharm. (Weinheim) 327,681-686 (1994) 0 VCH Verlagsgesellschaft mbH, D-69451 Weinheim, 1994 0365-6233/94/1111-0681 $5.00 + .25/0

682 Weber, Meyer-Triimpener und Lippold

Tab. 2

16 17 18

H OH 19 R

Universitat Dusseldorf, Zucht unter SPF-Bedingungen). Die gesamte Riickenhaut wurde in ihrer vollen Dicke entnommen und unmittelbar danach fiir die Penetrationsversuche verwendet.

Penetrarionszelle loid Penerrutionsniessung

Die Penetrationskammer (Abb. I ) vom Typ einer Franz-Zelle besteht aus Plexiglas und fa!3t ein Akzeptorvolumen von 49 ml. Die zur Penetrati- on zur Verfugung stehende Hautoberflache betragt 8 cm2. Fiir die Dauer des Versuchs wird die Zelle in einem Brutschrank (Heraeus) bei 32" f IoC tempenen und das Akzeptonnedium mit einem Magnetriihrer geriihrt.

Der Penetrationsversuch beginnt mit der Auftragung des Donatorgels (500 mg) und wird nach 24 h abgebrochen. Von jeder Modellverbindung werden mindestens drei Penetrationsmessungen durchgefiihrt, der Mittel- wen und die Standardabweichung werden berechnet. Die Akzeptorphase wurde zur Aufbereitung fur die HPLC-Analytik filbiert (0.2 pn Cellulose- nitratfilter + Glasfaservorfilter, Sartorius) und gegebenenfalls verdunnt. Die auf der Haut zuriickgebliebene Menge an Donatorgel wird rnit Ethanol 50% vorsichtig abgewaschen und der Gehalt der Modellsubstanzen in die- ser Waschfliissigkeit mittels quantitativer DC (Densitometrie) zur Kontrol- le der Massenbilanz bestimmt.

Abb. 1: Penetrationszelle aus Plexiglas, a) Donatorkompartiment, b) Akzeptorkompartiment

Resultate und Diskussion

Die Ergebnisse werden auf der Grundlage des Fickschen Gesetzes fur den Stofftransport durch eine Barriere (Stra- tum corneum) aus einem Vehikel (Su~pensionssalbe)~) dis-

kutiert. Als Kriterium fur den Stofftransport durch die Haut wurde zunachst der maximale Flux J,,, ermittelt.

Maximaler Flux

Der maximale Flux J,, berechnet sich nach G1. 1 aus der nach 24 h in der Akzeptorphase vorliegenden Substanzmen- ge m und der Hautoberflache F = 8 cm2 unter Vernachlassi- gung der lagtime. Die Substanzmenge m ergibt sich aus der Konzentration c (pg/ml) und dem Volumen der Akzeptor- flussigkeit mit m = c . 49 ml.

dm Am J,, = - - ~

F * d t - F - A t (Gl. 1)

Die Werte fur den maximalen Flux (Mittelwerte) mit dem dazugehorenden relativen Fehler sreI sind in Tab. 3 aufgeli- stet.

Permeabilitat

Neben dem maximalen Flux ist die Permeabilitat P (cm/s) einer Substanz ein wichtiger Parameter zur Charakterisie- rung des Penetrationsverhaltens (Tab. 3). Sie gibt die Geschwindigkeit an, rnit der ein Stoff durch die Barriere (Stratum corneum) penetriert, und wird nach G1. 2 oder G1. 3 berechnet:

P=

P=

VK =

D =

d = csv =

csw =

V K - D d (Gl. 2)

(Gl. 3)

Verteilungskoeffizient zwischen Barriere und Vehi- kel Diffusionskoeffizient des Wirkstoffs im Stratum cor- neum Dicke des Stratum comeurns Sattigungskonzentration des Wirkstoffs im Vehikel (Donatorphase) Sattigungskonzentration des Wirkstoffs in Wasser

Die Sattigungskonzentration der Modellsubstanzen in dem als Donatorphase verwendeten ethanolhaltigen Gel ist unbekannt. Unter der Annahme, daB sich die Loslichkeit aller Substanzen durch diesen Ethanolzusatz um den glei- chen Faktor verbessert, wird zur Berechnung von P nach G1. 3 die Sattigungskonzentration in Wasser') csw einge- setzt.

Da im Versuchsmodell der Diffusionskoeffizient D und die Dicke des Stratum comeurns d als konstant betrachtet werden konnen, sollte sich ein hearer Zusammenhang von Permeabilitat P und Verteilungskoeffizient VK zwischen Barriere und Vehikel (VKBN) ergeben. Da letzterer nicht bekannt ist, wurde ersatzweise der Verteilungskoeffizient zwischen Octanol und Wasser (VKoN)') fur die Korrelati- on verwendet. Die doppeltlogarithmische Auftragung der

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Naproxen-Prodrugs 683

Tab. 3

Substanz

1

a 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19

12.4 50.4 19.4 22.7 19.1 22.5 6.1 17.4

59.1 11.0 42.6 27.4 35.4 9.5 24.3 4.0 41.9 42.4 38.8 10.1 43.7 7.0 13.0 43.5 11.2 10.6 3.3 35.9 5.6 13.9 8.5 15.5

17.3 7.2 2.4 29.4

C.0 [ml * 1-11

0.165 0.413 0.666 0.341 0.291 0.222 0.533 2.165 1.203 0.260 2.176 1.075 9.235 0.428 0.664 0.234 0.156 0.554 0.26 0.116

P [cm * s-*] 5.57 -104 2.12 * 10-4 7.44 - 10-4 3.38-

1 .z - lo4 9.70- 10-~ 1.69 1.08 - 10'3

1.60- lo5

1.54 - 10-3 5.23 * 10-4

1.27 - 2.13 - lo-'

8.46. lo-)

2.9s. lO-'

1.30. 1.24*104 6.22 - lV5

2.13 - 10" 9.03 10-5

k p

-3.26 -3.67 -3.13 -2.47 -1.89 -0.67 -3.90 -4.01

-2.97 -4.07 -4.79 -4.53 -2.81 -3.28 -2.89 -3.91 -4.21 -4.04 -5.67

-2.77

V h l w

3.352

4.602 4.775 5.288 6.845 3.053 3.731 4.760 4.063 3.642 2.646 3.794 4.705 4.493 4.962 3.541 3.607 3.142 2.012

a in 0.1 N-Salzsaure bestimmt b in Aqua bidest. bestimmt

experimentell ermittelten Daten (Abb. 2) ergibt auch unter Einbeziehung der sehr lipophilen Modellsubstanzen tatsachlich eine Gerade mit der Steigung von nahezu 1, so daB ein einfaches Lipid-Barriere-Model1 damit bestatigt wird.

Napmxa

-2

Abb. 2: Korrelation der Permeabilitat P mit dem Verteilungskoeffizient OctanolNasser VK, Geradengleichung: y = 0.857~ - 7.246, r = 0.956, n = 19

Dennoch ist die Permeabilitat offensichtlich kein ausrei- chendes Kriterium fur die nach der Hautpassage im Akzep- tormedium vorliegende Substanzmenge. So zeigt z.B. Ver- bindung 5 (Hexylester) die hijchste Permeabilitiit, d.h. diese Modellsubstanz hat die hochste Penetrationsgeschwindig- keit. Die in der Akzeptorphase vorliegende Substanzmenge, ausgedriickt durch den maximalen Flux, ist jedoch deutlich

geringer als bei Verbindung 11 (Glycerinester). die nur eine geringe Permeabilitait aufweist.

Zusammenhiinge zwischen maximalem Flux und physikochemischen Eigenschafen

Fur die spatere Verwendung der Modellsubstanzen als Prodrug ist jedoch nicht die Permeabilitat (Durchtrittsge- schwindigkeit) sondem die nach Uberwindung der Hautbar- riere im Akzeptormedium vorliegende Substanzmenge, die durch den maximalen Flux (24 h) charakterisiert wird, von grol3er Bedeutung. Der Flux sollte nach G1. 4 in einem linearen Zusammenhang mit der Sattigungskonzentration in der Barriere c,B stehen, die hier hilfsweise durch die Los- lichkeit in Octano14) cs0 ersetzt wird.

Die Sattigungskonzentration in Octanol cso wurde nach G1. 5 berechnet und ist in Tab. 3 angegeben:

(Gl. 4)

cso = VK - c,W (GI. 5)

In Abb. 3 sind die experimentell ermittelten Werte fur den maximalen Flux entsprechend G1. 4 gegen die Liislichkeit in Octanol aufgetragen. Im unteren Bereich der Auftragung (bis ca. 0.8 molA) entsprechen die gefundenen Werte diesen ijberlegungen. Es fdllt jedoch auf, dai3 der maximale Flux

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Weber, Meyer-Triimpener und Lippold

sich durch eine Erhohung der Loslichkeit in Octanol uber ca. 0.8 mol/l nicht steigern IaBt. Daraus kann abgeleitet werden, daB die extrem gute Liislichkeit einiger Verbindun- gen in Octanol fur einen hohen maximalen Flux zwar for- derlich, jedoch keineswegs immer notwendig oder ausrei- chend ist.

i! c,

70 1

60- 0 Homologe Alkylestere

50 - Naproxen.

0 2 4 6 8 10

CsOctanol

Abb. 3: Korrelation des maximalen Fluxes J,,, mit der Loslichkeit in Octanol q0 Geradengleichung: y = 3.592~ + 19.496, r = 0.436, n = 20, nicht linear

Uberraschenderweise ergibt sich bei der Korrelation des Fluxes J,,, mit der Liislichkeit in Wasser ein ih l i ches Bild (Abb. 4). Fur extrem schlecht wasserlosliche Ester (cSw < 5 . mol/l) scheint ein Zusammenhang zwischen dem maximalen Flux J,,,, und cSw zu bestehen. Jenseits dieses Bereiches wird ein Grenzwert fur J,,, erreicht. Auffallig ist dabei, daB die Ester mit hohem maximalen Flux sowohl in Octanol als auch in Wasser verhaltnismafiig gut loslich sind.

70 Naproxen

llomologe Alkylatrr

b 20 !! 10

0 0.001 0.002 0.003

Cs Wasser Abb. 4: Korrelation des maximalen Fluxes J,,,, mit der Loslichkeit in Wasser cSw Geradengleichung: y = 9433.9~ + 20.92. r = 0.349, n = 20, nicht linear

Daraus kann gefolgert werden, daB fur die untersuchte Substanzgruppe bei geniigender Loslichkeit in Octanol ( c , ~ > 0.1-0.3 mol/l) auch die Liislichkeit in Wasser einen groBen EinffuS auf den Substanzdurchtritt, ausgedruckt durch den maximalen Flux, besitzt.

Die gefundenen Zusammenhange lassen sich anhand eines Mehrschicht-Membranm~dells~) vereinfacht erklaren:

An jeder Grenzflache zwischen einer Membran (Haut, lipophil) und der sie beruhrenden Phase (Akzeptor- und Donatorphase, hydrophil) kommt es zur Ausbildung einer adharierenden Schicht der Phase, die zusatzlich von der penetrierenden Substanz uberwunden werhen mu13. Diese Anordnung kann sich unter physiologischen Bedingungen

[Verwendung der gesamten Haut (full-thickness-skin)1 durchaus mehrfach wiederholen.

Ein EinfluB der Uslichkeit in der adharierenden Schicht (hier: Wasser bzw. EthanoWasser-Mischung) auf den maximalen Flux muB sich somit zwangslaufig zeigen.

In der Literatur wird von vielen Autoren ein Zusammen- hang zwischen dem maximalen Flux und weiteren physiko- chemischen Parametern einer Verbindung wie Schmelz- punk@ und Schmelzenthalpie postuliert.

Aus dem Schmelzpunkt T und der Schmelzenthalpie AH kann nach der Hildebrand-Scarchard-Gleichung') die reale Loslichkeit einer Verbindung berechnet werden. Dabei gilt: je groBer beide Parameter sind, desto kleiner wird die Los- lichkeit der Substanz. Daraus mussen sich zwangslaufig Konsequenzen fur die percutane Resorption ergeben. So wurde in der Tat eine negative Beeinflussung des maxima- len Fluxes durch hohe Schmelzpunkte und Schmelzenthal- pien nachgewiesen (Abb. 5a,b).

1.8 -I n

0.2 ' 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05

T-' Abb. 5a: Korrelation des Logarithmus des maximalen Fluxes [lg J,,,] mit dem reziproken Schmelzpunkt l / r ["C-'1 Geradengleichung: y = 20.744~ + 0.923, r = 0.452, n = 19

2- Napmxen

Homologe Alkylester 0

I'o -0 I

I -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10

-AH

Abb. 5b: Korrelation des Logarithmus des maximalen Fluxes [Ig J,,,] mit der Schmelzenthalpie -AH [kJ/mol] Geradengleichung: y = 0 . 0 2 9 ~ + 2.123, r = 0.661, n = 18

Andere Autoren4) fanden zusatzlich eine Beziehung zwi- schen dem Diffusionskoeffizient in der Barriere und dem Molekulvolumen. Da der EinfluB des Diffusionskoeffizien- ten bislang vernachlassigt blieb, wurden alle Ester auf einen Zusammenhang zwischen FluB und Molekulvolumen unter- sucht. Dazu wurde nach fruheren Untersuchungen8), die eine indirekte Proportionalitat zwischen dem Diffusionsko- effizient D in Membranen und der Quadratwurzel der Molekulmasse nachgewiesen haben, dieser Term zur Korre- lation mit dem maximalen Flux verwendet (Abb. 5c). Die

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Naproxen-Prodrugs 685

Modellsubstanzen mit hoherer Molekulmasse [ Urnr) ist klein] zeigen wie erwartet einen geringeren maximalen Flux als die Ester rnit kleinerer Molekulmasse.

Betrachtet man jeden der aufgefiihrten Parameter fur sich, so lassen sich die beschriebenen Zusammenhange zwar ansatzweise erkennen, gleichzeitig findet man stets aber auch einen deutlichen EinfluB der anderen physikochemi- schen Parameter.

0.04 0.05 1 0.06 0.07

&olekiilmasse '

Abb. 5c: Korrelation des maximalen Flux J,,, mit der Molekulmasse

Geradengleichung: y = 1946.4~ - 88.18, r = 0.466, n = 19

So sollten z.B. Verbindungen rnit niedrigern Schmp. und kleinem Molekiilvolumen fur den Hautdurchtritt begiinstigt sein. Doch auch fur Substanzen, die diese Bedingung nicht erfullen, konnen relativ hohe Werte fur den maximalen Flux gefunden werden, wenn sie gleichzeitig eine genugend hohe Loslichkeit in Wasser aufwiesen. Diese Beziehung konnte auch in der umgekehrten Reihenfolge gefunden wer- den, d.h. relativ schlecht wasserlosliche Verbindungen rnit niedrigem Schrnp. zeigen ebenfalls einen relativ hohen maximalen Flux.

Es stellte sich somit die Frage, ob rnit einer Kombination dieser einzelnen Faktoren (Loslichkeit in Wasser, Schmel- zenthalpie, Molekiilgewicht) eine bessere Beschreibung des beobachteten maximalen Flux moglich ist. Wie in Abb. 6 gezeigt, ergibt sich eine lineare Beziehung zwischen dem maximalen Flux und einem aus den einzelnen Parametern zusammengesetzten empirischen Term [-AH lg c , ~ * lg (Urnr). Damit erhalt man die Moglichkeit, die Hautpenetration der Modellverbindungen groRenordnungsmal3ig abzuschatzen,

I / 4 3

0.2 ' I -300 -250 -200 -150 -100 -50

Abb. 6: Korrelation des maximalen Fluxes [lg J,,,] rnit dem empirischen Term aus Schmelzenthalpie, Llislichkeit in Wasser und Molekiilmasse Geradengleichung: y = 0.0057~ + 2.149, r = 0.808, n = 18

wenn die folgenden physikochernischen Parameter bekannt bzw. einfach zu bestimrnen sind

- Loslichkeit in Wasser csw [molfi] - Schmelzenthalpie AH [kJ/mol] - Molekiilmasse M, [D] Danach kann die Auswahl geeigneter Verbindungen aus den vorliegenden Modellsubstanzen fur eine in-vitro-Pene- trationsstudie wesentlich vereinfacht werden.

Ergebnisse und SchluJbetrachtungen

Fur ein potentielles Prodrug fur Naproxen ergeben sich folgende Anforderungen an die physikochemischen Eigen- schaften, die in Hinblick auf eine gunstige Penetration durch die hier verwendete Haut der Nacktmause moglichst gleichzeitig erfullt sein sollten: - ausreichende Loslichkeit in Octanol (cso > 0.1-0.3 mol/l), - relativ gute Loslichkeit in Wasser (csw > 10-5-10-4 mol/l), - moglichst geringe Schmelzenthalpie AH und - moglichst kleine Molekulmasse M,. Aufgrund der hier vorgestellten Ergebnisse mu8 festgehal- ten werden, dal3 eine blol3e Steigerung der Lipophilie (= Steigerung des VK) zwar die Permeabilitat der Lipidbar- riere erhoht, jedoch nicht die Hautpenetration im Sinne der maximalen transdermalen Resorption verbessert, wie dies in der Vergangenheit oft aus Versuchen an offensichtlich zu einfachen Modellen abgeleitet wurde.

Betrachtet man die Struktur der gepriiften Ester rnit hoher transdermaler Resorption (= hoher maximaler Flux), so ergibt sich folgender Zusammenhang (Tab. 4): Tab. 4

Verbindung R

6 -CHz-C%-OH 59.1 86.7

7 -C%-C%-CHz-OH 42.6 63.0

10 -C€$-CHOH-CH, 41.9 64.2

12 -(c~)z-@(cH2)2-oH 43.7 72.1

11 -CHz-CHOHCH20H 38.8 U . 8

Der Alkohol-Anteil des Esters umfal3t 2 bis 4 C-Atome und enthalt mindestens 1 bis maximal 2 Hydroxylgruppen. Eine der beiden OH-Gruppen kann dabei durch eine Ether- briicke ersetzt werden. Durch die Einfuhrung dieser Struk- turelemente in die Modellsubstanzen werden deren Eigen- schaften im gewiinschten Sinne beeinfluat. So wird die Loslichkeit in Wasser deutlich gesteigert, ohne dal3 sich dadurch die Losungseigenschaften in Octanol entscheidend verschlechtern. Aul3erdem tragt die vergleichsweise geringe Molekulmasse dieser Ester ebenfalls zu der besseren Haut- penetration bei.

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Literatur

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