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Development of dry powders for inhalation based on a combination of synergistic active drugs in the maintenance treatment of asthma and chronic obstructive pulmonary disease

par Menchi, Elena
Président du jury Vermijlen, David
Promoteur Amighi, Karim
Co-Promoteur Wauthoz, Nathalie
Publication Non publié, 2023-06-28

Thèse de doctorat

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Résumé :

SUMMARY: Asthma and chronic obstructive pulmonary disease (COPD) are high-burden chronic respiratory diseases. Each currently affects more than 300 million people worldwide involving large socio-economic costs. Therefore, the prevention and control of these diseases are among World Health Organization (WHO)'s priorities. Despite a wide therapeutic arsenal being available, these diseases are poorly controlled. The main reasons seem to be related to adherence problems (e.g., long-term treatment, high administration frequency, use of several devices) and crucial errors made when handling the device (e.g., not piercing the capsule) or in inhalation technique (e.g., exhalation into the device). Moreover, the inhaled formulations available on the market are based on micronized drugs blended with carriers. This leads to a lung deposited dose that varies with patient inspiratory airflows or humidity. However, the association of drugs used in maintenance therapy (e.g., inhaled corticosteroids (ICS) with a long-acting β2-agonist (LABA) in asthma therapy) has shown a significant improvement in symptoms and pulmonary function. Similarly, a synergistic effect has been demonstrated and reported in the literature for the association of LABAs and long-acting muscarinic antagonists (LAMAs). Therefore, the current research project aimed to enhance the therapeutic potential of the associated drugs by developing inhalable combinations of two to three drugs with appropriate lung deposition and release properties. In addition, the combinations were formulated to be delivered once daily by a single dry powder inhaler. As the co-administration of a LABA with a LAMA could provide a synergistic benefit for airway smooth muscle (ASM) relaxation, the first part of this work was dedicated to studying the pharmacological interaction between these two classes of bronchodilators ex vivo. For this purpose, tiotropium (TIO) was combined with either formoterol (FOR) or indacaterol (IND). Experimental models of isolated perfused tracheal rings from rats and guinea pigs were used to find the dose ratios generating strong synergistic interactions following a three-step refinement methodology. These dose ratios were used for the combinations formulated later. Recorded data were analyzed with two widely used pharmacological models, the Bliss Independence (BI) theory and the Unified Theory (UT). These respectively enable the identification of the synergy by an accurate statistical analysis and a quantification of the level of interaction. Several synergistic interactions were found among the dose ratios tested, but with different interaction magnitudes. The dose ratio showing synergy and leading to the best dose reduction when compared to the same drugs as monotherapy was chosen to be formulated. In this regard, the FOR/TIO 2:1 (w/w) combination was selected although the IND/TIO 10:1 (w/w) combination also proved to be a good candidate for formulation. However, this synergy at the selected dose ratio required confirmation on a preclinical model of asthma and COPD diseases after formulation as a dry powder for inhalation.The development of inhalable microparticles constituted the second section of this work. It included the development of microparticles comprising the FOR/TIO 2:1 (w/w) combination on the one hand and the development of ICS-based microparticles on the other hand. Inhalable microparticles containing the FOR/TIO combination at the selected dose ratio were produced using the spray-drying technique according to a drug-drug co-formulation strategy. This is to promote the co-deposition and co-dissolution of both drugs into the lung, from the trachea to the terminal bronchioles, allowing them to express their full synergistic activity. One formulation was selected based on several criteria (i.e., production yield, residual solvent content, crystalline solid state, and particle size distribution) from multiple productions of inhalable microparticles containing either mannitol or lactose as excipient. The selected formulation was based on lactose, used as a bulking and potentially stabilizing agent for amorphous content. This showed a moisture content of 3.2 ± 0.3% (w/w, n=3) and an interesting aerodynamic performance with co-deposition of FOR and TIO through the low resistance RS01 dry powder inhaler at 100 L/min airflow with a fine particle fraction (FPF) from the nominal dose of 40 ± 4% (w/w, n=3) and 43 ± 5% (w/w, n=3) for FOR and TIO, respectively. After six months storage in a desiccator at room temperature (RT), the moisture content was 3.28 ± 0.02% (w/w, n=3) and the FPF was 46 ± 2% (w/w, n=3) and 38 ± 3% (w/w, n=3) for FOR and TIO, respectively. Dissolution tests showed that FOR and TIO are co-dissolved as they have similar release profiles. Furthermore, differential scanning calorimetry, X-ray powder diffraction, and scanning electron microscopy analyses showed that this formulation was amorphous for at least six months under various temperature and humidity conditions when stored in desiccator, but that recrystallisation appeared already after one month without desiccant. The spray-drying technique was also used to produce controlled and sustained release ICS-based dry powders for inhalation using budesonide (BUD). The formulation strategy is based on a patent application (EP3673895A1, Dry powder inhalation formulation and its use for the therapeutic treatment of lungs). The aim was to control the release of BUD in the lung fluid while avoiding the rapid elimination of the microparticles by the non-absorptive mechanisms in order to deliver it once daily into the deep lung. To do so, hydrogenated castor oil (HCO) was selected as the main component to form the lipid matrix entrapping BUD after being compared with tristearin, as it generated microparticles with better aerodynamic properties. Tocopherol polyethylene glycol 1000 succinate (TPGS) was added in small proportion (1% (w/w) or 5% (w/w) of the excipients) for its potential to extend lung retention and its surfactant properties affecting the release of BUD. The formulations with the higher FPFs and slow drug release properties were selected. These had a BUD content comprised between 5% (w/w) to 20% (w/w). The BUD controlled released-dry powder for inhalation (BUD CR-DPI) showed a moisture content < 0.1% (w/w, n=3) and a good aerodynamic performance through the low resistance RS01 dry powder inhaler at 100 L/min airflow with a FPF from the nominal dose ranging between 49 ± 10% (w/w, n=3) and 58 ± 1% (w/w, n=3) for all formulations. After six months storage in a desiccator at RT, the moisture content was maintained < 0.1% (w/w, n=3). Similarly, the FPF range was between 54.3 ± 0.2% (w/w, n=3) and 58 ± 1% (w/w, n=3) for all formulations. Dissolution tests showed non-similar dissolution profiles between the different slow drug release profiles according to the difference (f1) and the similarity (f2) factors calculation. This means that BUD release can be controlled over 24 hours depending on the composition of the lipid matrix for a once daily administration. Furthermore, X-ray powder diffraction analyses showed stable patterns except for formulations with a higher content of BUD that recrystallized within three months when stored at 40 ± 2 °C, 75 ± 5% relative humidity (RH) with or without desiccant. In addition, BUD dry powder blends (DPBs) were prepared by addition of lactose as diluent and carrier. These were characterized in vitro for a future assessment of the slow drug release properties in vivo through a pharmacokinetic study by endotracheal administration of selected formulations to healthy rats.The third part of this work focused on the development of a guinea pig model of asthma for the preclinical assessment of the synergistic potential of the FOR/TIO 2:1 (w/w) combination found in the ex vivo study and the efficacy assessment of the formulations. The anatomical, physiological, and pharmacological relevance of guinea pigs as an animal model of asthma and its specificity in allergen-induced bronchoconstriction makes them suitable to assess drug efficacy. Generation of asthma was done using clinically relevant allergens and routes of exposure. Ovalbumin (OVA) antigen, house dust mite (HDM) extract, and natural allergens from mold spores of Alternaria alternata and Aspergillus fumigatus were administered according to different exposure schemes. At the end of each exposure scheme, responsiveness under provocative conditions was assessed and samples were collected to assess cellular recruitment (i.e., total and differential cell counts in the bronchoalveolar lavage fluid (BALF) and lung histology) and to quantify cytokines in the lung tissue by real-time quantitative polymerase chain reaction (RT-qPCR) analysis. Nevertheless, the initial results were inconsistent and highlighted the need for further optimization before using the model to assess efficacy of the combination and/or formulations.This work highlights the need for rational development of formulations involving combinations of drugs. The consideration of the pharmacological interactions between drugs provides a basis for improving therapeutic approaches in asthma and COPD. This in conjunction with an appropriate formulation design provides an added value for optimization of the therapeutic potential of drugs. The provided results with the FOR/TIO combination and the BUD CR-DPI are promising and set the stage for further investigations and optimizations on this topic and its application to other drug combinations. Furthermore, future research should perform and assess the blending of inhalable microparticles with an appropriate carrier for delivery through a suitable device. This would provide robust DPBs over a wide range of inspiratory airflows and RH, as further optimization. RESUME: L’asthme et la bronchopneumopathie chronique obstructive (COPD) sont des maladies respiratoires chroniques à taux de morbidité élevé. Chacune d’elles touchent actuellement plus de 300 millions de personnes dans le monde entraînant des coûts socio-économiques importants. La prévention et le contrôle de ces maladies font donc partie des priorités de l’Organisation Mondiale de la Santé (WHO). Malgré l’existence d’un large arsenal thérapeutique, ces maladies sont mal contrôlées. Les principales raisons semblent être liées aux problèmes d’observance (par exemple, traitement de longue durée, fréquence d’administration élevée, utilisation de plusieurs dispositifs) et aux erreurs cruciales commises lors de la manipulation du dispositif (par exemple, ne pas percer la capsule) ou dans la technique d’inhalation (par exemple, expiration dans le dispositif). De plus, les formulations inhalées disponibles sur le marché sont basées sur des principes actifs micronisés mélangés à des transporteurs. Cela conduit à une dose déposée dans les poumons qui varie en fonction des débits d’air inspirés par le patient ou de l’humidité. Cependant, l’association de principes actifs utilisés dans le cadre d’un traitement d’entretien (par exemple, un corticostéroïde inhalé (ICS) avec un β2-agoniste à longue durée d’action (LABA) dans le traitement de l’asthme) a montré une amélioration significative des symptômes et de la fonction pulmonaire. De même, un effet synergique a été démontré et rapporté dans la littérature pour l’association d’un LABA et d’un antagoniste muscarinique à longue durée d’action (LAMA). Par conséquent, le projet de recherche vise à améliorer le potentiel thérapeutique des principes actifs associés en développant des combinaisons inhalables de deux à trois principes actifs avec une déposition pulmonaire et des propriétés de libération appropriées. De plus, les combinaisons sont destinées à être formulées pour être administrées une fois par jour par un seul inhalateur à poudre sèche.Comme l’administration conjointe d’un LABA et d’un LAMA pourrait avoir un effet synergique sur la relaxation des muscles lisses des voies respiratoires, la première partie de ce travail a été consacrée à l’étude de l’interaction pharmacologique entre ces deux classes de bronchodilatateurs en utilisant une technique ex vivo. Pour se faire, le tiotropium (TIO) a été associé soit au formotérol (FOR), soit à l’indacatérol (IND). Des modèles expérimentaux d’anneaux trachéaux isolés et perfusés de rats et de cochons d’Inde ont été utilisé pour mettre en évidence les rapports de dose générant de fortes interactions synergiques en suivant une méthodologie de raffinement en trois étapes. Ces rapports de dose pourraient être utilisés dans les futures combinaisons formulées. Les données enregistrées ont été analysées avec deux modèles pharmacologiques largement utilisés, la théorie « Bliss Independence » (BI) et la « Unified Theory » (UT). Cela permet respectivement l’identification de la synergie par une analyse statistique précise et la quantification du niveau d’interaction. Plusieurs interactions synergiques ont été trouvées parmi les rapports de dose testés, mais avec des amplitudes d’interaction différentes. Le rapport de dose montrant une synergie et conduisant à la meilleure réduction de dose en comparaison avec les mêmes principes actifs en monothérapie a été choisi pour être formulé. À cet égard, la combinaison FOR/TIO 2:1 (m/m) a été sélectionnée bien que la combinaison IND/TIO 10:1 (m/m) ait également été révélée comme un bon candidat pour la formulation. Cependant, cette synergie au rapport de dose sélectionné devra être confirmée sur des modèles précliniques d’asthme et de BPCO après formulation sous forme de poudre sèche pour inhalation.Le développement de microparticules inhalables fait partie de la deuxième section de ce travail. Il comprend le développement de microparticules comprenant la combinaison FOR/TIO 2:1 (m/m) d’une part et le développement de microparticules à base d’un corticostéroïde d’autre part. Des microparticules inhalables contenant la combinaison FOR/TIO au rapport de dose sélectionné ont été produites à l’aide de la technique de séchage par pulvérisation selon une stratégie de co-formulation. Cette stratégie vise à promouvoir la co-déposition et la co-dissolution des deux principes actifs dans le poumon, de la trachée jusqu’au bronchioles terminales, leur permettant d'exprimer pleinement leur activité synergique. Une formulation a été sélectionnée sur la base de plusieurs critères (c’est-à-dire le rendement de production, la teneur en solvant résiduel, l’état solide cristallin et la distribution de la taille des particules) parmi plusieurs productions de microparticules inhalables contenant soit du mannitol soit du lactose comme excipient. La formulation sélectionnée était à base de lactose employé comme agent de charge et potentiellement stabilisant du contenu amorphe. Cette formulation a montré une teneur en humidité de 3,2 ± 0,3% (m/m, n=3) et une performance aérodynamique intéressante via l’inhalateur à poudre sèche RS01 à faible résistance avec une co-déposition de FOR et de TIO à un débit d’air de 100 L/min avec une fraction de particules fines (FPF) par rapport à la dose nominale de 40 ± 4% (m/m, n=3) et 43 ± 5% (m/m, n=3) pour le FOR et le TIO, respectivement. Après six mois de stockage dans un dessiccateur à température ambiante (RT), la teneur en humidité était de 3,28 ± 0,02% (m/m, n=3) et la FPF était de 46 ± 2% (m/m, n=3) et 38 ± 3% (m/m, n=3) pour le FOR et le TIO, respectivement. Les tests de dissolution ont montré que le FOR et le TIO sont co-dissous car ils ont des profils de libération similaires. En outre, des analyses par calorimétrie différentielle à balayage, diffraction des rayons X sur poudre et microscopie électronique à balayage ont montré que cette formulation était amorphe pendant au moins six mois dans diverses conditions de température et d’humidité lorsqu’elle était conservée dans un dessiccateur, mais qu’une recristallisation apparaissait déjà après un mois sans dessiccateur. En outre, la technique de séchage par pulvérisation a également été utilisée pour produire une poudre sèche à base de corticostéroïde à libération contrôlée et prolongée pour l’inhalation en utilisant du budésonide (BUD). La stratégie de formulation est basée sur une demande de brevet (EP3673895A1, « Dry powder inhalation formulation and its use for the therapeutic treatment of lungs »). L’objectif est de contrôler la libération du BUD dans le fluide pulmonaire tout en évitant l’élimination rapide des microparticules par les mécanismes de non-absorption afin de permettre une délivrance journalière. A cette fin, l’huile de ricin hydrogénée (HCO) a été choisie comme composant principal pour former la matrice lipidique piégeant le BUD après avoir été comparée à la tristéarine car elle a générée des microparticules avec de meilleures propriétés aérodynamiques. Du tocophérol polyéthylène glycol 1000 succinate (TPGS) a été ajouté en faible proportion (1% (m/m) ou 5% (m/m) des excipients) pour sa capacité à prolonger la rétention pulmonaire et ses propriétés tensioactives affectant la libération du BUD. Les formulations présentant les FPFs les plus élevées et des propriétés de libération lente du principe actif ont été sélectionnées. Elles ont une teneur en BUD comprise entre 5% (m/m) et 20% (m/m). La poudre sèche pour inhalation à libération contrôlée de BUD (BUD CR-DPI) a montré une teneur en humidité < 0,1% (m/m, n=3) et une bonne performance aérodynamique via l’inhalateur à poudre sèche RS01 à faible résistance à un débit d’air de 100 L/min avec une FPF de la dose nominale compris entre 49 ± 10% (m/m, n=3) et 58 ± 1% (m/m, n=3) pour toutes les formulations. Après six mois de stockage dans un dessiccateur à RT, la teneur en humidité est restée < 0,1% (m/m, n=3). De même, la fourchette de FPF était comprise entre 54,3 ± 0,2% (m/m, n=3) et 58 ± 1% (m/m, n=3) pour toutes les formulations. Les tests de dissolution ont montré des profils de dissolution non similaires entre les différents profils de libération lente du principe actif selon le calcul des facteurs de différence (f1) et de similarité (f2). Cela signifie que la libération de BUD peut être contrôlée sur 24 heures en fonction de la composition de la matrice lipidique pour une administration quotidienne unique. En outre, les analyses de diffraction des rayons X sur poudre ont montré des profils stables, sauf pour les formulations à teneur plus élevée en BUD qui ont recristallisé dans les trois mois qui ont suivi leur stockage à 40 ± 2 °C, 75 ± 5% d’humidité relative (HR) avec ou sans dessiccant. De plus, des mélanges de poudres sèches à base de BUD (DPBs) ont été préparés en ajoutant du lactose comme diluant et transporteur. Celles-ci ont été caractérisées in vitro en vue d’une évaluation future des propriétés de libération lente du principe actif in vivo par le biais d’une étude pharmacocinétique par administration endotrachéale des formulations sélectionnées à des rats sains.La troisième partie de ce travail se concentre sur le développement d’un modèle d’asthme chez le cochon d’Inde pour l’évaluation préclinique du potentiel synergique de la combinaison FOR/TIO 2:1 (w/w) mise en évidence dans l’étude ex vivo et l’évaluation de l’efficacité des formulations. La pertinence anatomique, physiologique, et pharmacologique du cochon d’Inde en tant que modèle animal de l'asthme et sa spécificité dans la bronchoconstriction induite par les allergènes le rendent approprié pour évaluer l'efficacité de principes actifs. L'asthme a été généré en utilisant des allergènes et des voies d'exposition cliniquement pertinents. L'antigène ovalbumine (OVA), l'extrait d'acarien « house dust mite » (HDM) et les allergènes naturels provenant de spores de moisissures d'Alternaria alternata et d'Aspergillus fumigatus ont été administrés selon différents schémas d'exposition. À la fin de chaque schéma d'exposition, la réactivité dans des conditions de provocation bronchique a été évaluée et des échantillons ont été prélevés pour évaluer le recrutement cellulaire (c'est-à-dire dénombrement total et différentiel de cellules dans le liquide de lavage broncho-alvéolaire (BALF) et histologie pulmonaire) et quantifier les cytokines dans le tissu pulmonaire par l’analyse de réaction en chaîne par polymérase quantitative en temps réel (RT-qPCR). Néanmoins, les premiers résultats étaient incohérents et ont mis en évidence la nécessité d'une optimisation supplémentaire avant de l’utiliser pour évaluer l’efficacité de la combinaison et/ou des formulations. Ce travail souligne la nécessité d'un développement rationnel des formulations impliquant des combinaisons de principe actifs. La prise en compte des interactions pharmacologiques entre les principes actifs fournit une base pour améliorer les approches thérapeutiques dans l'asthme et la BPCO. Associée à une conception appropriée de la formulation, cette approche apporte une valeur ajoutée pour l'optimisation du potentiel thérapeutique des principe actifs. Les résultats obtenus avec l'association FOR/TIO et le BUD CR-DPI sont prometteurs et ouvrent la voie à de nouvelles recherches et optimisations concernant ce domaine et son application à d'autres associations de principe actifs. En outre, à titre de perspectives, le mélange de microparticules inhalables avec un transporteur approprié pour l'administration via un dispositif adéquat devrait être réalisé et évalué. Cela permettrait d'obtenir des DPBs robustes sur une large gamme de flux inspiratoires et de RH, comme optimisation supplémentaire.