Extended DoE-IVIVC model for the development of liraglutide sustained release injectable formulations

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Liraglutide, a potent glucagon-like peptide 1 (GLP-1) analogue, is one of the most common treatments for type 2 diabetes mellitus (T2DM) patients. Liraglutide selectively binds to GLP-1 receptor and enhances the secretion of insulin, which is a hormone to maintain an appropriate level of sugar in the human body. This study aimed to develop an extended design of experiment (DoE)-in vitro in vivo correlation (IVIVC) model that defines the relationship between the formulation composition, in vitro release, and in vivo pharmacokinetics of liraglutide. The sustained-release (SR) liraglutide injectable formulations were designed by applying DoE with the factors of lecithin, span 80, and benzyl alcohol. The in vitro release profile was determined by the test tube method. The maximum rate of drug release based on Michaelis-Menten kinetics (Vmax) was obtained to describe the effects of the sustained-release injectable formulations. DoE model was validated by comparing observed and predicted 1/Vmax, and the prediction error (PE%) was 1.40%. In vivo pharmacokinetics of three types of liraglutide SR injectable formulations (1 mg per injection) with different release rates were determined in SD rats. To estimate the in vivo release of liraglutide, a population pharmacokinetics (POP PK) model was developed, and level A IVIVC was established for liraglutide SR injectable formulations. Finally, by connecting the DoE model and IVIVC model, the extended DoE-IVIVC model has been established. Utilizing the extended DoE-IVIVC model, prediction of the in vivo pharmacokinetic parameters from the formulation composition could be performed. The extended IVIVC model was validated by comparing the observed and predicted maximum concentration of liraglutide in the plasma (Cmax) and the area under the plasma concentration vs. time profile (AUC), which were derived from internal validation. PE% was 0.77% to 4.44% for Cmax and 1.03% to 8.14% for AUC, satisfying the FDA criteria for the predictability of IVIVC. Applying the extended DoE-IVIVC model, the development of SR injectable formulations to acquire an optimal pharmacokinetic profile would be performed efficiently.

국문 초록 (Abstract)

리라글루티드는 글루카곤 양 펩타이드-1 의 일종으로, 제 2 형 당뇨병의 치료제로서 주로 사용되는 약물이다. 리라글루티드는 체내 글루카곤 양 펩타이드-1 수용체에 선택적으로 결합하여 체내 혈당을 조절하는 호르몬인 인슐린의 분비를 증가시켜 혈당을 적절하게 유지시킨다.
본 연구의 목적은 실험계획법 (Design of Experiment, DoE) 과 IVIVC (in vitro-in vivo correlation) 모델이 결합된 확장된 IVIVC 모델 (extended IVIVC model)을 개발하는 것으로, 이를 통해 리라글루티드 서방형 주사제의 조성으로부터 생체 내 약물동태를 예측할 수 있을 뿐만 아니라, 목표하는 약동학적 특성을 보이는 최적의 제제 조성을 예측할 수 있다.
리라글루티드 서방형 주사제의 조성은 실험계획법을 활용하여 설계되었으며, 제형의 방출 특성을 조절하기 위한 레시틴 (포스파티딜콜린), 스판 80 (소르비탄 모노올레이트), 벤질 알코올의 조성을 변경하였다. 서방형 주사제의 방출 특성은 일정한 온도에서 제형을 0.5% sodium lauryl sulfate 가 포함된 인산염완충식염수와 교반하며 평가하였다. 서방화 제제 방출특성은 Michaelis-Menten 속도식을 기초로 하여 산출된 최대 방출 속도(Vmax)를 파라미터로 나타내었으며, 각 파라미터와 제제조성 간의 상관관계는 양호한 상관성을 나타내었다 (r2 (adjust) > 99.91%). DoE 모델에서 예측된 Vmax 와 실측치 Vmax 와의 평균 예측오차 (prediction error, PE)는 1.40%로 나타났다.
IVIVC 모델 개발을 위한 약물의 약동학적 특성을 파악하기 위해서 DoE 모델 개발에 사용된 제형 중 서로 다른 방출속도를 나타내는 3 가지의 리라글루티드 서방형 주사제를 선정한 후 이를 제조하였다. 제조된 3 종의 서방형 주사제를 랫드에 투여한 후 생체 내에서의 흡수와 약물동태를 확인하였다. 생체 내 리라글루티드의 방출을 예측하기 위하여 약물의 방출 특성을 반영한 POP PK 모델이 개발되었고, 리라글루티드 서방형 주사제에 대한 Level A IVIVC 가 확립되었다. 최종적으로 DoE 와 IVIVC 모델을 연결하여 서방형 주사제의 조성으로부터 생체 내에서의 약물동태를 예측할 수 있는 확장된 DoE-IVIVC 모델을 확립하였다. 최종 모델의 검증을 위해 internal validation 을 수행하였고, 검증을 통해 확인된 Cmax 와 AUC 에 대한 예측 오차 (PE%)는 각각 0.77%에서 4.44%, 1.03%에서 8.14%의 범위로 FDA 에서 제시하는 IVIVC 모델의 예측 오차 기준을 충족하였다. 본 연구를 통해 개발된 확장된 DoE-IVIVC 모델을 활용하여 서방형 주사제 개발 시 소모되는 시간과 비용을 크게 절감할 수 있으며, 원하는 약물동태를 나타내는 제제를 보다 효율적으로 설계할 수 있을 것이다

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1. Introduction 13
• 1.1. Sustained-release formulations 13
• 1.2. Injectable liquid crystal 14
• 1.3. Design of experiment (DoE) 15
• 1.4. In vitro-in vivo correlation (IVIVC) 17
• 1.5. Liraglutide 20
• Chapter 2. Rationale and aims of the research 21
• 2.1. Rationale 21
• 2.2. Aims of the study 23
• Chapter 3. Materials and methods 24
• 3.1. Materials 24
• 3.1.1. Reagents and chemicals 24
• 3.1.2. Instruments 25
• 3.1.3. Animals 26
• 3.2. LC-MS/MS analysis of liraglutide 27
• 3.2.1. LC-MS/MS conditions 27
• 3.2.2. Sample preparation of liraglutide in release medium 30
• 3.2.3. Sample preparation of liraglutide in rat plasma 31
• 3.2.4. Assay validation 33
• 3.3. DoE model development 34
• 3.3.1. Experimental design for liraglutide SR injectable formulations 34
• 3.3.2. Preparation of liraglutide SR injectable formulations 37
• 3.3.3. Evaluation of in vitro release 39
• 3.3.4. Mathematical equation of DoE 40
• 3.3.5. DoE model validation 40
• 3.4. Evaluation of in vivo pharmacokinetics 41
• 3.4.1. Animal study 41
• 3.4.2. Non-compartmental analysis 45
• 3.5. Development of an extended IVIVC model 46
• 3.5.1. Development of a population pharmacokinetic model 48
• 3.5.2. Development of IVIVC model 51
• 3.5.3. Development of an extended IVIVC 52
• 3.5.4. Validation of an extended IVIVC model 52
• Chapter 4. Results and discussion 53
• 4.1. Mass spectrometry 53
• 4.2. Quantitative analysis of liraglutide in the release medium 55
• 4.3. Quantitative analysis of liraglutide in rat plasma 58
• 4.3.1. Sample preparation and chromatography 58
• 4.3.2. LC-MS/MS assay validation 60
• 4.3.2.1. Assay specificity, linearity, and sensitivity 60
• 4.3.2.2. Accuracy and precision 63
• 4.3.2.3. Process efficiency 65
• 4.3.2.4. Stability 67
• 4.4. Preparation of liraglutide SR injectable formulations by applying DoE 69
• 4.4.1. In vitro release 69
• 4.4.2. Effect of formulation composition on in vitro release 72
• 4.4.3. Validation of the experimental design model 78
• 4.5. Development of IVIVC model 80
• 4.5.1. Pharmacokinetics of liraglutide in rats 80
• 4.5.2. Development of a population pharmacokinetic model 86
• 4.5.3. Development of a POP PK-IVIVC model 90
• 4.6. Establishment of an extended IVIVC 96
• 4.6.1. Integration of a mathematical model from DoE with IVIVC model 96
• 4.6.2. Validation of an extended IVIVC model 98
• Chapter 5. Conclusions 103
• Chapter 6. References 105
• 국문초록 108