DOI: https://doi.org/10.5599/admet.2603
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40161892
تاريخ النشر: 2025-01-18
المؤلف: Shiori Ishida وآخرون
الموضوع الرئيسي: الصيدلة والممارسات الطبية
نظرة عامة
تستكشف هذه الدراسة تأثير مخزن البيكربونات (BCB) على اختراق الأدوية عبر الغشاء بشكل سلبي، وهو موضوع لم يتم استكشافه سابقًا. باستخدام جهاز μFlux لقياسات النفاذية، طور الباحثون غطاءً عائمًا للحفاظ على درجة حموضة مستقرة في BCB أثناء التجارب. أجريت الدراسة تحت ظروف iso-pH (pH 6.5، BCB = 10 مليمول، سعة المخزن $\beta = 4.4$ مليمول pH$^{-1}$) وتمت مقارنتها مع مخزن الفوسفات (PPB) بنفس درجة الحموضة وسعة المخزن (PPB = 8 مليمول).
تشير النتائج الرئيسية إلى أن الغطاء العائم حد بشكل فعال من تقلبات درجة الحموضة إلى أقل من 0.1 على مدى 120 دقيقة. وُجد أن النفاذية الفعالة ($P_e$) للأدوية الضعيفة الحمضية والأساسية المحبة للدهون، مثل الكيتوبروفين، والنابروكسين، والبروبرانولول، كانت أقل في BCB مقارنة بـ PPB. على العكس من ذلك، لم تظهر نفاذية الأدوية غير القابلة للتأين (الكافيين والأنتيبيرين) والأدوية الضعيفة الأساسية المحبة للماء (المتوبولول والبروكاييناميد) أي اختلاف كبير بين المخزنين. يستنتج المؤلفون أن بطء اختراق الغشاء بشكل سلبي للأدوية الضعيفة الحمضية والأساسية المحبة للدهون في BCB يرجع على الأرجح إلى بطء معدل التعادل في BCB، مما يؤثر على درجة الحموضة عند سطح الغشاء.
مقدمة
تؤكد المقدمة على الدور الحاسم لتقييم امتصاص الأدوية عن طريق الفم خلال اكتشاف الأدوية وتطويرها، والذي يتأثر بشكل أساسي بعمليات الذوبان والنفاذية في الجهاز الهضمي (GI). تشمل العوامل الفسيولوجية الرئيسية التي تؤثر على هذه العمليات درجة الحموضة، وأنواع المخازن، وسعة المخزن، والقوة الأيونية، وتركيز الميسيلات الصفراوية. بينما يعتبر مخزن البيكربونات (BCB) ذا صلة فسيولوجية، غالبًا ما يُستخدم مخزن الفوسفات (PPB) في التجارب المعملية. لقد حسنت التطورات الحديثة، مثل طريقة الغطاء العائم، من الحفاظ على درجة حموضة BCB، مما يعالج القيود التي كانت موجودة في طرق شحن CO2 السابقة.
تسلط الدراسة الضوء على أن ديناميات درجة الحموضة في BCB تختلف عن تلك في PPB، مما يؤثر على ملفات الذوبان لمختلف الأدوية، وخاصة المركبات الضعيفة الحمضية والأساسية. من الجدير بالذكر أن درجة الحموضة عند سطح الجسيمات (pHps) ودرجة الحموضة في الطور الكلي (pHbulk) يمكن أن تؤدي إلى معدلات ذوبان أبطأ في BCB مقارنة بـ PPB، وهو أمر مهم لتقييمات التكافؤ الحيوي في تطوير الأدوية الجنيسة. تهدف الأبحاث الحالية إلى دراسة تأثير BCB وPPB على اختراق الأدوية عبر الغشاء بشكل سلبي باستخدام جهاز μFlux، مع استخدام أدوية نموذجية تمثل مجموعة من خصائص الحمض-القاعدة. تحدد الدراسة الظروف ذات الصلة لـ BCB وتستخدم غطاءً عائمًا لضمان استقرار درجة الحموضة أثناء قياسات النفاذية.
طرق
توضح قسم الطرق التجريبية الإجراءات والتقنيات المستخدمة في الدراسة للتحقيق في أسئلة البحث. تتفصل في تصميم التجارب، بما في ذلك اختيار المواد، وإعداد المعدات، والبروتوكولات المتبعة لضمان تكرارية وموثوقية النتائج. يتم وصف منهجيات محددة، مثل التحليلات الإحصائية وتدابير التحكم، للتحقق من صحة النتائج.
بالإضافة إلى ذلك، قد يسلط القسم الضوء على أي نهج مبتكر أو تعديلات على التقنيات القياسية التي تم تنفيذها لتعزيز دقة البيانات التي تم جمعها. يتم التأكيد على استخدام الضوابط المناسبة والتكرارات لدعم قوة الاستنتاجات المستخلصة من النتائج التجريبية. بشكل عام، يخدم هذا القسم لتقديم نظرة شاملة على الإطار المنهجي الذي يدعم البحث.
نتائج
في هذه الدراسة، تم تقييم فعالية الغطاء العائم في الحفاظ على مستويات درجة الحموضة أثناء قياسات التدفق، وخاصة في سياق μFlux. أشارت النتائج إلى أن الغطاء العائم نجح في كبح الزيادات في درجة الحموضة بسبب فقدان CO2، مما حافظ على قيمة درجة الحموضة عند 6.5 ± 0.0 لمدة 120 دقيقة. ومع ذلك، لاحظت الدراسة أن الحفاظ على درجة الحموضة يصبح أكثر تحديًا مع نسب السطح إلى الحجم الأصغر. وُجد أن النفاذية الفعالة (Pe) للأدوية الضعيفة الحمضية والأساسية المحبة للدهون، مثل الكيتوبروفين، والنابروكسين، والبروبرانولول، كانت أقل في BCB مقارنة بـ PPB، بينما كانت قيم Pe للأدوية غير القابلة للتأين والأدوية الضعيفة الأساسية المحبة للماء متشابهة في كلا الوسطين.
تشير النتائج إلى أن الاختلافات في Pe تعود إلى التأثيرات المتفاوتة لـ BCB وPPB على درجة الحموضة المجاورة لسطح الغشاء (pHms). وفقًا لنظرية تقسيم درجة الحموضة، يمكن فقط للأنواع غير المؤينة أن تخترق الأغشية الدهنية، وأظهرت الدراسة أن اختراق الغشاء للأدوية الضعيفة الحمضية غير المؤينة ينخفض مع زيادة pHms بسبب بطء معدل التعادل في BCB. لوحظت هذه الظاهرة أيضًا بالنسبة للأدوية الضعيفة الأساسية، حيث ساهمت إزالة البروتونات أثناء الاختراق أيضًا في زيادة pHms. بشكل عام، تسلط الدراسة الضوء على أهمية الحفاظ على درجة الحموضة في تقييمات نفاذية الأدوية وتأثيرات تفاعلات الأغشية على ديناميات نقل الأدوية.
مناقشة
في هذا القسم، يناقش المؤلفون المواد والطرق المستخدمة لقياس تدفق الأدوية عبر غشاء دهني في نظام μFlux، مع التركيز بشكل خاص على الغطاء العائم المصنوع من رغوة البوليسترين والمواد الكيميائية المختلفة المستخدمة، بما في ذلك ليسيثين فول الصويا والعديد من الأدوية. تم إجراء قياسات التدفق تحت ظروف iso-pH (pH 6.5) مع تعديلات دقيقة للحفاظ على درجة الحموضة المطلوبة في كل من حلول المانح والمستقبل. وُجد أن النفاذية الفعالة (Pe) للأدوية الضعيفة الأساسية المحبة للماء، مثل المتوبولول والبروكاييناميد، كانت مشابهة في كلا الشرطين المخزنين (BCB وPPB)، مما يشير إلى أن اختراقها عبر الغشاء لا يمكن تفسيره فقط من خلال نظرية تقسيم درجة الحموضة. بدلاً من ذلك، يقترح المؤلفون أن نقل الأيونات مع الفوسفوليبيدات السالبة قد يلعب دورًا كبيرًا في اختراقها.
تكشف النتائج أن اختراق الغشاء للأدوية الضعيفة الحمضية والأساسية المحبة للدهون يمكن أن يكون أبطأ في BCB مقارنة بـ PPB، ويعزى ذلك إلى بطء معدل التعادل في درجة الحموضة عند سطح الغشاء. تسلط هذه الدراسة الضوء على تعقيد آليات اختراق الأدوية والفروق المحتملة بين الظروف المعملية والظروف الحية، خاصة فيما يتعلق بدرجة الحموضة الدقيقة بالقرب من الأغشية الظهارية. هناك حاجة إلى مزيد من التحقيقات لاستكشاف مدى صلة هذه النتائج بالنماذج الخلوية وتأثيراتها على أنظمة توصيل الأدوية.
DOI: https://doi.org/10.5599/admet.2603
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40161892
Publication Date: 2025-01-18
Author(s): Shiori Ishida et al.
Primary Topic: Pharmacy and Medical Practices
Overview
This study investigates the impact of bicarbonate buffer (BCB) on the passive membrane permeation of drugs, a topic that has not been previously explored. Utilizing the μFlux apparatus for permeability measurements, the researchers developed a floating lid to maintain a stable pH in the BCB during experiments. The study was conducted under iso-pH conditions (pH 6.5, BCB = 10 mM, buffer capacity $\beta = 4.4$ mM pH$^{-1}$) and compared with phosphate buffer (PPB) at the same pH and buffer capacity (PPB = 8 mM).
Key findings indicate that the floating lid effectively limited pH fluctuations to less than 0.1 over 120 minutes. The effective permeability ($P_e$) of lipophilic weakly acidic and basic drugs, such as ketoprofen, naproxen, and propranolol, was found to be lower in BCB compared to PPB. Conversely, the permeability of unionizable drugs (caffeine and antipyrine) and hydrophilic weakly basic drugs (metoprolol and procainamide) showed no significant difference between the two buffers. The authors conclude that the slower passive membrane permeation of lipophilic weakly acidic and basic drugs in BCB is likely due to the slower neutralization rate of BCB, which affects the pH at the membrane surface.
Introduction
The introduction emphasizes the critical role of assessing oral drug absorption during drug discovery and development, primarily influenced by dissolution and permeation processes in the gastrointestinal (GI) tract. Key physiological factors affecting these processes include pH, buffer species, buffer capacity, ionic strength, and bile micelle concentration. While bicarbonate buffer (BCB) is physiologically relevant, phosphate buffer (PPB) is often used in in vitro assays. Recent advancements, such as the floating lid method, have improved the maintenance of BCB’s pH, addressing limitations of previous CO2 charging methods.
The study highlights that the pH dynamics of BCB differ from those of PPB, affecting the dissolution profiles of various drugs, particularly weakly acidic and basic compounds. Notably, the pH at the particle surface (pHps) and the bulk phase pH (pHbulk) can lead to slower dissolution rates in BCB compared to PPB, which is significant for bioequivalence assessments in generic drug development. The current research aims to investigate the impact of BCB and PPB on the passive membrane permeation of drugs using a μFlux apparatus, employing model drugs that represent a range of acid-base properties. The study sets relevant conditions for BCB and employs a floating lid to ensure pH stability during permeability measurements.
Methods
The section on Experimental Methods outlines the procedures and techniques employed in the study to investigate the research questions. It details the design of the experiments, including the selection of materials, the setup of equipment, and the protocols followed to ensure reproducibility and reliability of results. Specific methodologies, such as statistical analyses and control measures, are described to validate the findings.
Additionally, the section may highlight any innovative approaches or modifications to standard techniques that were implemented to enhance the accuracy of the data collected. The use of appropriate controls and replicates is emphasized to support the robustness of the conclusions drawn from the experimental results. Overall, this section serves to provide a comprehensive overview of the methodological framework that underpins the research.
Results
In this study, the effectiveness of a floating lid in maintaining pH levels during flux measurements was evaluated, particularly in the context of μFlux. The results indicated that the floating lid successfully suppressed pH increases due to CO2 loss, maintaining the pH value at 6.5 ± 0.0 for 120 minutes. However, the study noted that maintaining pH becomes more challenging with smaller surface-to-volume ratios. The effective permeability (Pe) of lipophilic weakly acidic and basic drugs, such as ketoprofen, naproxen, and propranolol, was found to be lower in BCB compared to PPB, while the Pe values for unionizable and hydrophilic weakly basic drugs were similar in both media.
The findings suggest that the differences in Pe are attributed to the varying impacts of BCB and PPB on the pH adjacent to the membrane surface (pHms). According to the pH partition theory, only unionized species can permeate lipid membranes, and the study demonstrated that the membrane permeation of unionized weakly acidic drugs decreases as pHms increases due to the slower pH neutralization rate in BCB. This phenomenon was similarly observed for weakly basic drugs, where the removal of protons during permeation also contributed to an increase in pHms. Overall, the study highlights the importance of pH maintenance in drug permeability assessments and the implications of membrane interactions on drug transport dynamics.
Discussion
In this section, the authors discuss the materials and methods used for measuring drug flux through a lipid membrane in a μFlux system, specifically focusing on the floating lid made from polystyrene foam and the various chemicals utilized, including soybean lecithin and several pharmaceuticals. The flux measurements were conducted under iso-pH conditions (pH 6.5) with careful adjustments to maintain the desired pH in both donor and acceptor solutions. The effective permeability (Pe) of hydrophilic weakly basic drugs, such as metoprolol and procainamide, was found to be similar in both buffered conditions (BCB and PPB), indicating that their membrane permeation cannot be solely explained by pH partition theory. Instead, the authors suggest that ion-pair transport with anionic phospholipids may play a significant role in their permeation.
The findings reveal that the membrane permeation of lipophilic weakly acidic and basic drugs can be slower in BCB compared to PPB, attributed to the slower pH neutralization rate at the membrane surface. This study highlights the complexity of drug permeation mechanisms and the potential discrepancies between in vitro and in vivo conditions, particularly regarding microclimate pH near epithelial membranes. Further investigations are warranted to explore the relevance of these results to cellular models and the implications for drug delivery systems.