Human Hemicornea Model for Drug Transport Testing and Screening of Excipients

Guzman Castro, Gustavo Adolfo

The present study is based on a three-dimensional human Hemicornea model (Hemicornea; HC), also known as Hemicornea construct, which has been developed by the Institut für Pharmazeutische Technologie, Technische Universität Braunschweig (TUBS). The first objective was to establish the HC construct at a biotech laboratory (Across Barriers GmbH) by transferring standardized protocols that have been developed and provided by TUBS. The successful transfer of the protocols was assessed on the basis of the barrier properties of the HC construct. The second aim of this study was to evaluate the intra- and interlaboratory reproducibility of the HC construct. The prevalidation phase involved the performance of permeability experiments with Na-FLU, FD-4, rhodamine B and four ophthalmic drugs, namely aciclovir, bimatoprost, dexamethasone and timolol maleate. The obtained permeation coefficients showed that the intra- and interlaboratory reproducibility of permeability experiments with the HC construct is considerably higher than that of experiments carried out with ex vivo rabbit cornea. Additional in vitro permeability studies were conducted with substances with a wide range of different physicochemical properties, and the results were compared to those previously reported for native corneal tissue of rabbit and human origin. The data demonstrated that the permeability of the HC construct is quite similar to that of rabbit cornea and almost equivalent to that of the human cornea. The third aim of the present study was to evaluate the influence of formulation parameters (i.e. pH, osmolality and excipients, such as EDTA and preservatives) on the barrier properties of the HC construct. The obtained data demonstrated that the barrier properties of the HC construct were not influenced by a wide range of pH values and osmolalities. Only extremely high pH values and osmolalities affected the barrier properties and permeability of the HC construct. However, the comparison of the obtained data with those of similar studies previously conducted with in vivo or ex vivo animal tissue showed that the results obtained with the HC construct and those reported for animal cornea are very similar. Despite some limitations, the HC construct appears to be a promising in vitro model which is suitable for reducing animal testing in the development of ophthalmic drugs.

Die vorliegende Studie basiert auf einem dreidimensionalen humanen Hemikorneamodell (Hemikornea; HK), auch als Hemikornea-Konstrukt bezeichnet, welches am Institut für Pharmazeutische Technologie der Technischen Universität Braunschweig (TUBS) entwickelt wurde. Das erste Ziel dieser Arbeit war die Etablierung dieses Modells in einem Biotech-Labor (Across Barriers GmbH) mithilfe des Transfers von standardisierten Protokollen, die von TUBS entwickelt und bereitgestellt wurden. Der Erfolg des Protokolltransfers wurde anhand der Barriereeigenschaften des HK-Konstrukts beurteilt. Das zweite Ziel dieser Untersuchung bestand in der Bewertung der Reproduzierbarkeit der mit dem HK-Konstrukt erzielten Ergebnisse (Intra- und Interlaborvarianz). Die Prevalisierungsphase umfasste die Durchführung von Permeationsversuchen mit Na-FLU, FD-4, Rhodamin B sowie den vier ophthalmologischen Arzneistoffen Aciclovir, Bimatoprost, Dexamethason und Timololmaleat. Die resultierenden Permeationskoeffizienten zeigten, dass die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse (Intra- und Interlaborvarianz) der mit dem HK-Konstrukt durchgeführten Permeationsversuche erheblich höher war als die von mit Ex-Vivo-Kaninchenkornea durchgeführten Versuchen. Es wurden weitere In-Vitro-Permeationsversuche mit Substanzen mit sehr unterschiedlichen physikochemischen Eigenschaften durchgeführt. Die Ergebnisse dieser Versuche wurden mit den Daten vorheriger Studien, die mit nativem kornealen Gewebe von Kaninchen oder Mensch durchgeführt wurden, verglichen. Dieser Vergleich zeigte, dass die Permeabilitätseigenschaften des HK-Konstrukts denen von Kaninchenkornea sehr ähneln und, dass die Permeabilitätseigenschaften des HK-Konstrukts und humaner Kornea nahezu äquivalent sind. Das dritte Ziel dieser Arbeit war die Untersuchung des Einflusses von Formulierungsparametern (d. h. pH-Werte, Osmolalitäten und Hilfsstoffe wie EDTA und Konservierungsmittel) auf die Barriereeigenschaften des HK-Konstrukts. Die gewonnenen Daten zeigten, dass ein breites Spektrum von pH-Werten und Osmolalitäten keinen Einfluss auf die Barriereeigenschaften des HK-Konstrukts hatte. Lediglich extrem hohe pH-Werte und Osmolalitäten beeinflussten die Barriere- und Permeabilitätseigenschaften des HK-Konstrukts. Ein Vergleich der gewonnenen Daten mit denen vergleichbarer Studien, die mit In-Vivo- bzw. Ex-Vivo-Gewebe tierischen Ursprungs durchgeführt wurden, zeigten, dass sehr ähnliche Ergebnisse erzielt wurden. Trotz gewisser Einschränkungen scheint das HK-Konstrukt ein vielversprechendes In-Vitro-Modell zu sein, das zur Reduzierung von Tierversuchen im Rahmen der Entwicklung ophthalmischer Arzneimittel eingesetzt werden kann.

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Guzman Castro, Gustavo: Human Hemicornea Model for Drug Transport Testing and Screening of Excipients. Braunschweig 2017.

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