Sex, Drugs and Excipients: PEG 400 enhances the bioavailability of BCS class III drugs via P-glycoprotein inhibition

Abstract

Sex, age, genetics, hormones, diet and disease can alter the activity of drugs through either or both their pharmacokinetic and pharmacodynamic parameters. Excipients can significantly affect the oral bioavailability of several drugs and their identification is crucial for the drug formulation process. Polyethylene glycol 400 (PEG 400) is widely used excipient in the pharmaceutical industry. It was previously found in humans that PEG 400 can change the oral bioavailability of ranitidine in a sex dependent way. At high doses, PEG 400, acts as an osmotic laxative reducing oral bioavailability of drugs in the sexes. However, at lower doses, PEG 400 significantly increased the bioavailability of ranitidine (BCS class III drug) in men but not women. This PhD thesis describes the experimental work which has been undertaken to further our understanding and elucidate the potential effects of low doses of PEG 400 in oral drug delivery and whether sex plays an important role. Ideally, such studies should be conducted in humans; however, this approach would be costly and impractical. A more efficient alternative was to conduct the in vivo studies in animals. An animal model was developed. The gastrointestinal tract of different animals was characterised (rat, rabbit and pig) and the rat was selected due to being relatively easy to handle and inexpensive (Chapter 1). Sex differences were subsequently identified in the rat gastrointestinal tract because the effect of PEG 400 on the oral bioavailability of ranitidine was found to be sex dependent (Chapter 2). Male and female rats were then administered ranitidine (Chapter 3) and cimetidine (Chapter 4) and different doses of PEG 400, to validate the rat as a suitable model. Both ranitidine and cimetidine followed the same trends in humans and in the proposed model: PEG 400 increased the oral bioavailability of ranitidine and cimetidine, in a dose dependent manner, in males but not females. A dose of PEG 400 was identified as yielding the highest increase in the oral bioavailability of ranitidine and cimetidine in male rats and was used in the subsequent work.

The mechanism behind the bioavailability enhancing effect of PEG 400 was unclear and as such further studies were conducted. We found that PEG 400 could increase the oral bioavailability of ranitidine and cimetidine by increasing the solubility of the active substances and/or by inhibiting the metabolism and/or excretion and/or increasing their absorption. From literature data and the work conducted it was considered that the interaction of PEG 400 with membrane transporters was more likely to affect the oral bioavailability of ranitidine and cimetidine as these two substances suffer extensive efflux at the small intestine.

Other BCS class III compounds were selected based on their affinity to different intestinal transporters: ranitidine, cimetidine, ampicillin and metformin (Chapter 5). These were orally administered to male and female rats in the absence and presence of PEG 400. We found that PEG 400 increased the AUC0-480 of ranitidine, cimetidine and ampicillin in male but not female rats. Metformin oral bioavailability was not affected by dosing with PEG 400 in either sex. A major transporter was identified as interacting with ranitidine, cimetidine and ampicillin, but not metformin, whose inhibition would lead to an increase of the bioavailability of these drugs: P-glycoprotein (P-gp). P-gp is an efflux pump at the intestinal lumen that prevents substances from being absorbed. PEGs are known to inhibit P-gp in a concentration-dependent manner. By inhibiting P-gp, the oral bioavailability of our compounds would predictably be increased. This was confirmed in the subsequent work (Chapter 6) where a mechanistic study was undertaken by using a well-established P-gp blocker, verapamil.

We found that verapamil increased the oral bioavailability of ranitidine in both sexes. However, the increase was much higher in male (+252%) than in female rats (+140%), suggesting a higher sensitivity to P-gp inhibition in males. PEG 400 did not affect the oral bioavailability of ranitidine in the sexes if P-gp was blocked by verapamil. These results support the hypothesis that the sex-specific effect of PEG 400 on the bioavailability of certain drugs is due to the interaction of PEG 400 with the efflux transporter P-gp. If ranitidine was administered intravenously the route of administration of PEG 400 (oral or IV) did not bear an impact on the bioavailability of ranitidine. This showed us that the effect of PEG 400 is predominantly located at the intestine.

Excipients are capable of changing drug disposition and their role should not be underestimated. The degree to which excipients modulate drug bioavailability may be modified by sex. It is important that regulatory authorities and pharmaceutical industry take this knowledge into account during the pharmaceutical development stages of pharmaceutical products.

A farmacocinética e farmacodinâmica dos fármacos pode ser afectada por diversos factores como sexo, idade, genética, dieta e estado de saúde. Os excipientes podem ter um efeito significativo na biodisponibilidade oral. Entender esses efeitos é fundamental para o processo de formulação. O Polietileno glicol (PEG) 400 é um excipiente comumente usado na indústria farmacêutica.

Em experiencias anteriores descobriu-se que o PEG 400 era capaz de modular a biodisponibilidade oral da ranitidina dependendo do sexo dos voluntários. O PEG 400 é osmoticamente activo e como tal, em doses elevadas, funciona como um laxante reduzindo a biodisponibilidade oral de fármacos. No entanto, em doses baixas, o PEG 400 aumentou significativamente a biodisponibilidade oral da ranitidina em homens mas não em mulheres.

Nesta tese, procura-se obter uma melhor compreensão dos efeitos de doses baixas de PEG 400 na administração oral de fármacos, e se o sexo do individuo é um factor importante.

Idealmente estes estudos seriam conduzidos em humanos. No entanto seria demasiado caro e complexo. Como alternativa decidiu-se desenvolver um modelo animal para realizar o trabalho in vivo. O tracto gastrointestinal de vários animais (rato, coelho, porco) foi caracterizado (osmolalidade, pH, tensão superficial, capacidade tampão, solubilidade de dois fármacos modelo – prednisolona e 5-ASA) e optou-se pelo rato para continuar os trabalhos (Capitulo 1). Tendo em conta que estamos também a investigar efeitos relacionados com o sexo, o tracto gastrointestinal de ratos machos e fêmeas foi analisado (Capitulo 2). Para confirmar o modelo animal, foi administrada ranitidina (Capitulo 3) e cimetidina (Capitulo 4) a ratos machos e fêmeas na presença e ausência de PEG 400. Ambos os fármacos seguiram a mesma tendência em ratos e humanos: o PEG 400 aumentou a biodisponibilidade oral da ranitidina e da cimetidina, de um modo proporcional a dose administrada, em machos mas não em fêmeas. A dose de PEG 400 que levou ao maior aumento da biodisponibilidade oral destes fármacos foi selecionada para os estudos seguintes.

Nos estudos seguintes preocupámo-nos com o esclarecimento do mecanismo pelo qual o PEG 400 aumenta a biodisponibilidade destes fármacos em machos mas não em fêmeas. Várias explicações seriam possíveis mas a nossa hipótese suportada por dados acima e por literatura publicada prende-se com a capacidade do PEG 400 de interagir com transportadores membranares já que a ranitidina e a cimetidina sofrem efluxo a nível da mucosa intestinal, dificultando a sua absorção.

Outros fármacos cuja absorção é igualmente limitada por efluxo intestinal (Capitulo 5), ampicilina e metformina, foram administrados oralmente a machos e fêmeas na presença ausência de PEG 400. Descobrimos que o PEG 400 aumenta a AUC0-480 da ranitidina, cimetidina e ampicilina em machos e não em fêmeas. No entanto aparenta não ter efeito na biodisponibilidade da metformina, independentemente do sexo. Um transportador intestinal responsável pelo efluxo dos três primeiros fármacos mas não da metformina foi identificado: Glicoproteína P, P-gp. Esta, e responsável pelo efluxo de fármacos do epitélio intestinal para o lúmen, dificultando a absorção. Sabe-se que o PEG inibe a P-gp. A inibição da P-gp levaria a um aumento da absorção dos seus substratos, uma vez que não seriam secretados de volta para o lúmen intestinal. Este facto foi confirmado no Capitulo 6, onde os efeitos de um bloqueador da P-gp na biodisponibilidade da ranitidina foram estudados.

O PEG 400 não alterou a biodisponibilidade oral da ranitidina em ambos os sexos se a P-gp já tivesse sido bloqueada pelo verapamilo. Ora, isto significa que o efeito do PEG 400 está de facto relacionado com a P-gp e a sua inibição. Os nossos resultados demonstram que o verapamilo oral aumenta a biodisponibilidade oral da ranitidina em ambos os sexos. No entanto este aumento e substancialmente mais significativo nos machos (+252%) que nas fêmeas (+140%), sugerindo uma maior sensibilidade dos machos a inibição da P-gp que as fêmeas. Importa salientar ainda que quando a ranitidina foi administrada por via intravenosa o PEG 400 não afectou a sua biodisponibilidade, independentemente da via de administração do PEG (oral ou IV). Isto demonstra que o efeito do PEG se deve essencialmente a um efeito localizado a nível intestinal.

Com este trabalho, foi demonstrado que os excipientes podem alterar a biodisponibilidade de vários fármacos, afectando a sua absorção. Importa salientar que o grau de modulação da absorção oral de fármacos mediada por excipientes pode ser dependente do sexo do individuo. Como tal, as autoridades regulamentares e a indústria farmacêutica devem ter especial cuidado aquando da formulação e avaliação de medicamentos.