Development of a physiology based diffusion model to predict dermal absorption using experimental input parameters

Abstract

A physiology-based diffusion model is developed to predict drug transport across human skin. It features the "brick-and-mortar';-geometry with homogeneous lipid and corneocyte phases, accessible corneocytes and a homogeneous viable skin layer compartment. Methods are developed to determine all relevant input parameters. Partition and diffusion coefficients are measured using human abdominal skin or are estimated from experimental data, if not directly accessible. Caffeine (CAF) and flufenamic acid (FFA) serve as model drugs. The quality of the model is evaluated by comparing experimental and predicted concentration-depth-profiles. For both CAF and FFA it is found that the corneocytes have a decisive influence on stratum corneum affinity and transport. Therefore, mechanisms of corneocyte-interactions are investigated experimentally and theoretically for the model drugs CAF, FFA, and testosterone (TST). For the non-protein binding CAF the impact of the aqueous compartment on stratum corneum partitioning is successfully modelled after introducing a bound water fraction that is non-accessible for compound dissolution. For the lipophilic, keratin binding compounds (FFA, TST) interactions are probably confined to the corneocyte surface. Binding to intracellular keratin is limited by their low aqueous solubility.

Ein Physiologie-basiertes Diffusionsmodell zur Vorhersage des Hauttransports wird entwickelt. Die Geometrie basiert auf dem Ziegelstein-Mörtel-Modell, wobei Lipide und Corneocyten sowie die lebenden Hautschichten als homogen und zugänglich für Substanzen angenommen werden. Es werden Methoden entwickelt, um alle relevanten Eingangsparameter für das Modell experimentell zu bestimmen. Verteilungs- und Diffusionskoeffizienten werden an humaner Abdominalhaut gemessen oder, sofern nicht direkt zugänglich, aus experimentellen Daten abgeschätzt. Als Modellsubstanzen dienen Koffein (CAF) und Flufenaminsäure (FFA). Die Modellqualität wird im Vergleich von experimentellen und errechneten Schichttiefenprofilen überprüft. Dies ergab, dass die Corneocyten für sowohl CAF als auch FFA eine entscheidende Rolle bei der Affinität der Substanzen zum stratum corneum sowie bei dem Transport über das stratum corneum spielen. Daher werden die Mechanismen der Wechselwirkung mit den Corneocyten für die Modellsubstanzen CAF, FFA und Testosteron (TST) experimentell und theoretisch untersucht. Um die Verteilung von CAF, das nicht an Proteine bindet, in das stratum corneum erfolgreich zu modellieren, muss eine gebundene, unzugängliche Wasserphase berücksichtigt werden. Für lipophile, keratinbindende Substanzen (FFA, TST) sind Interaktionen mit den Corneocyten wahrscheinlich begrenzt auf deren Oberfläche. Die Bindung an intrazelluläres Keratin ist aufgrund ihrer geringen Wasserlöslichkeit limitiert.