Supercritical fluid extraction-supercritical fluid chromatography of saliva: Single-quadrupole mass spectrometry monitoring of caffeine for gastric emptying studies†

Saliva is an attractive sampling matrix for measuring various endogenous and exogeneous substances but requires sample treatment prior to chromatographic analysis. Exploiting supercritical CO2 for both extraction and chromatography simplifies sample preparation, reduces organic solvent consumption, and minimizes exposure to potentially infectious samples, but has not yet been applied to oral fluid. Here, we demonstrate the feasibility and benefits of online supercritical fluid extraction coupled to supercritical fluid chromatography and single-quadrupole mass spectrometry for monitoring the model salivary tracer caffeine. A comparison of 13C- and 32S-labeled internal standards with external standard calibration confirmed the superiority of stable isotope-labeled caffeine over nonanalogous internal standards. As proof of concept, the validated method was applied to saliva from a magnetic resonance imaging study of gastric emptying. After administration of 35 mg caffeine via ice capsule, salivary levels correlated with magnetic resonance imaging data, corroborating caffeine's usefulness as tracer of gastric emptying (R2 = 0.945). In contrast to off-line methods, online quantification required only minute amounts of organic solvents and a single manual operation prior to online bioanalysis of saliva, thus demonstrating the usefulness of CO2-based extraction and separation techniques for potentially infective biomatrices

Supercritical fluid extraction–supercritical fluid chromatography of saliva: Single‐quadrupole mass spectrometry monitoring of caffeine for gastric emptying studies †

Abstract Saliva is an attractive sampling matrix for measuring various endogenous and exogeneous substances but requires sample treatment prior to chromatographic analysis. Exploiting supercritical CO 2 for both extraction and chromatography simplifies sample preparation, reduces organic solvent consumption, and minimizes exposure to potentially infectious samples, but has not yet been applied to oral fluid. Here, we demonstrate the feasibility and benefits of online supercritical fluid extraction coupled to supercritical fluid chromatography and single‐quadrupole mass spectrometry for monitoring the model salivary tracer caffeine. A comparison of 13 C‐ and 32 S‐labeled internal standards with external standard calibration confirmed the superiority of stable isotope‐labeled caffeine over nonanalogous internal standards. As proof of concept, the validated method was applied to saliva from a magnetic resonance imaging study of gastric emptying. After administration of 35 mg caffeine via ice capsule, salivary levels correlated with magnetic resonance imaging data, corroborating caffeine's usefulness as tracer of gastric emptying ( R 2 = 0.945). In contrast to off‐line methods, online quantification required only minute amounts of organic solvents and a single manual operation prior to online bioanalysis of saliva, thus demonstrating the usefulness of CO 2 ‐based extraction and separation techniques for potentially infective biomatrices

Comparison of In Vitro and In Vivo Results Using the GastroDuo and the Salivary Tracer Technique: Immediate Release Dosage Forms under Fasting Conditions

The fasted state administration of immediate release (IR) dosage forms is often regarded as uncritical since physiological aspects seem to play a minor role for disintegration and drug release. However, recent in vivo studies in humans have highlighted that fasted state conditions are in fact highly dynamic. It was therefore the aim of this study to investigate the disintegration and drug release behavior of four different IR formulations of the probe drug caffeine under physiologically relevant conditions with the aid of the GastroDuo. One film-coated tablet and three different capsule formulations based on capsule shells either made from hard gelatin or hydroxypropylmethyl cellulose (HPMC) were tested in six different test programs. To evaluate the relevance of the data generated, the four IR formulations were also studied in a four-way cross-over study in 14 healthy volunteers by using the salivary tracer technique (STT). It could be shown that the IR formulations behaved differently in the in vitro test programs. Thereby, the simulated parameters affected the disintegration and dissolution behavior of the four IR formulations in different ways. Whereas drug release from the tablet started early and was barely affected by temperature, pH or motility, the different capsule formulations showed a longer lag time and were sensitive to specific parameters. However, once drug release was initiated, it typically progressed with a higher rate for the capsules compared to the tablet. Interestingly, the results obtained with the STT were not always in line with the in vitro data. This observation was due to the fact that the probability of the different test programs was not equal and that certain scenarios were rather unlikely to occur under the controlled and standardized conditions of clinical studies. Nonetheless, the in vitro data are still valuable as they allowed to discriminate between different formulations

In vivo- und In vitro-Untersuchungen zum Einfluss der Magenentleerung auf das Zerfalls- und Freisetzungsverhalten schnell freisetzender Arzneiformen nach nüchterner Applikation

Die meisten der auf dem Markt befindlichen Arzneimittel sind so konzipiert, dass sie ihren Wirkstoff schnell und reproduzierbar im oberen Gastrointestinaltrakt abgeben, um die Absorption aus dem Dünndarm zu erlauben. Für das Zerfalls- und Freisetzungsverhalten dieser Arzneiformen spielt vor allem die gastrale Physiologie eine entscheidende Rolle. Das Zusammenspiel der Formulierung mit bestimmten Parametern des Magens, insbesondere der Magenentleerung, ist aber noch nicht völlig verstanden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde deshalb mit Hilfe von In vivo- und In vitro-Methoden untersucht, wie das Freisetzungsverhalten fester, oraler Arzneiformen nach nüchterner Applikation von der gastrointestinalen Physiologie beeinflusst wird. Im ersten Teil der Arbeit beschäftigten wir uns mit den Ergebnissen einer Bioäquivalenzstudie, in der von einem Industriepartner zwei schnell freisetzende N-Acetylcystein-Formulierungen untersucht wurden. Dabei wurde der Originator, eine schnell freisetzende Tablette eingenommen mit Wasser, mit einem Granulat verglichen, welches einmal mit Wasser und einmal trocken eingenommen wurde. In beiden Studienarmen der Granulat-Formulierung konnte die Bioäquivalenz zum Originator gezeigt werden. Darüber hinaus wurden die Bioäquivalenzkriterien ebenso für die beiden Granulat- Studienarme erfüllt. Aufgrund der guten Permeabilität und der hohen Wasserlöslichkeit des N-Acetylcysteins war ein Einfluss der begleitenden Wassergabe auf die Pharmakokinetik erwartet worden. Die Ursachen für das Abweichen von dieser Erwartung wurden mittels In vitro-Freisetzungsmethoden weiter untersucht. Um die komplexen Bedingungen des Magens In vitro simulieren zu können, wurde das von Garbacz und Weitschies entwickelte biorelevante Freisetzungsmodell Dynamic Open Flow-Through Test Apparatus zur Untersuchung der beiden Formulierungen angewendet. Dabei konnte durch Simulation von biorelevanten Magenentleerungsprofilen gezeigt werden, dass die Wassergabe einen geringen Beitrag zum Transport des Arzneistoffes in den Dünndarm hat. Aufgrund dieser In vitro-Versuche konnten die Ergebnisse der Bioäquivalenzstudie umfassender erklärt werden. Um die physiologischen Begebenheiten, welche für den Zerfall schnell freisetzender Arzneiformen kritisch sind, In vivo untersuchen zu können, wurde die Salivary Tracer Technique entwickelt. Diese Technik beruht auf der Einnahme einer geringen Dosis Koffein zusammen mit Wasser und anschließender Koffeinkonzentrationsmessung im Speichel. In einer MRT-Humanstudie konnten wir zeigen, dass die Entleerungskinetiken des eingenommenen Wassers aus dem Magen eng mit den Koffeinprofilen im Speichel korrelieren. Je nach Kinetik der Magenentleerung, erreichte gelöstes Koffein den Dünndarm und wurde dort schnell resorbiert und über das Blut in die Speicheldrüsen transportiert. Damit war die Magenentleerung der geschwindigkeitsbestimmende Schritt für das Anfluten von Koffein im Speichel. Somit war es möglich, indirekt, einfach und wenig kostenintensiv, die Magenentleerung einer akalorischen Flüssigkeit zu bestimmen, ohne auf die MRT mit entsprechend geschultem Personal zurückgreifen zu müssen. In einem nächsten Schritt wurde die Salivary Tracer Technique genutzt, um die In vivo-Zerfallszeiten von Hartgelatinekapseln zu bestimmen. Als Referenz- und Goldstandardmethode diente wiederum die MRT, da es durch die Zugabe von Eisenoxid im MRT möglich war, die Hartgelatinekapseln sichtbar zu machen und deren Integrität zu beurteilen. Um parallel den Zerfall mit der Salivary Tracer Technique zu bestimmen, wurden die Kapseln zusätzlich mit 50 mg Koffein befüllt. In einer Humanstudie wurden die mit den beiden Markersubstanzen beladenen Kapseln auf nüchternen Magen appliziert. Direkt im Anschluss wurden die Probanden im MRT platziert und Messungen in kurzen Zeitintervallen durchgeführt. Nach jeder Messung mussten die Probanden selbständig eine Speichelprobe von geringem Volumen abgeben. Sobald eine Koffeinkonzentration, die größer als die dreifache Bestimmungsgrenze der analytischen Methode war, in einer Speichelprobe nachgewiesen werden konnte, wurde dieser Zeitpunkt als Zerfallszeitpunkt bestimmt. Der statistische Vergleich der Zerfallszeitpunkte der beiden Methoden zeigte eine robuste Korrelation der Werte. Ein geringer Versatz der Zerfallszeitpunkte bei der Salivary Tracer Technique ließ sich dadurch erklären, dass mittels MRT der Zerfall direkt im Magen bestimmt wurde, während für den Koffeinnachweis im Speichel noch das Verteilen, das Lösen und/oder die Entleerung des Koffeins aus dem Magen mit anschließender Resorption im Dünndarm erfolgen muss. Trotz des Versatzes der beiden Methoden von circa 4 min konnte die Studie belegen, dass die Salivary Tracer Technique geeignet ist, mit einer robusten Korrelation zu etablierten Methoden und mit moderatem Studienaufwand den Zerfall schnell freisetzender Arzneiformen zu bestimmen. Besonders der relative Vergleich mehrerer verschiedener Formulierungen in einem Cross-over-Design erscheint mit der Salivary Tracer Technique sinnvoll, da hierbei der Einfluss der Magenentleerung auf die Zerfallszeiten der verschiedenen Formulierungen gleichbleibend sein sollte. Da eine In vivo-Testung von (Entwicklungs-)Formulierungen, trotz der vereinfachten Methodik, nicht immer möglich und angemessen ist, wurde das Fed Stomach Model als In vitro-Freisetzungsmodell im Rahmen dieser Arbeit weiterentwickelt. Die wesentlichen Modifizierungen des GastroDuos gegenüber dem Fed Stomach Model sind die dünnwandige, transparente Magenzelle, welche geringe Volumina von bis zu 25 mL simulieren kann sowie biorelevante Temperaturprofile des eingebrachten Mediums. Weiterhin wurde die Möglichkeit geschaffen, diese Medien anzusäuern und so verschiedene pH-Profile zu simulieren. Eine weitere Neuheit des GastroDuo ist die Fähigkeit der kontinuierlichen Konzentrationsmessung direkt am Ausgang über ein UV- Lichtleitersystem. Das System eignet sich somit dazu, Druck, Bewegung, pH-Wert, Temperatur und Hydrodynamik in physiologisch relevanter Weise zu simulieren. Diese Parameter werden in sechs Testprogrammen, welche sowohl die mittleren Bedingungen im Magen simulieren als auch die physiologischen Extrema berücksichtigen, in unterschiedlicher Weise abgebildet. In einer ersten Studie wurde das GastroDuo genutzt, um das Freisetzungsverhalten von vier schnell freisetzenden Arzneiformen genauer zu untersuchen. Weiterhin wurden vergleichende Freisetzungsdaten mittels kompendialer Methoden erhoben. In diesem Screening wurde der Zerfall und die Freisetzung von Koffein aus einer Hartgelatinekapsel, zwei verschiedenen HPMC-Kapseln sowie einer Filmtablette verglichen. Die Auswertung der Freisetzungsuntersuchungen zeigte, dass manche Formulierungen empfindlich gegenüber bestimmten Parametern waren, während eine andere Formulierung dies für diesen Parameter nicht war. Im erstellten Datensatz ergab sich so ein sehr heterogenes Bild der Freisetzungsdaten, das abhängig vom Testprogramm und der jeweiligen Formulierung war. Im Folgenden sollte untersucht werden, ob die in vitro generierten Daten prädiktiv für das Verhalten der Arzneiformen im Menschen waren. Dafür wurden dieselben vier Formulierungen in einer „4-Wege cross-over“- Humanstudie, mit Hilfe der Salivary Tracer Technique, auf ihr In vivo-Verhalten untersucht. Es ließ sich feststellen, dass das GastroDuo in der Lage war zwischen den Arzneiformen zu unterscheiden, die auch in vivo Unterschiede aufweisen. Dies war mit kompendialen Methoden nicht immer möglich. Der signifikante Vorteil des GastroDuo gegenüber anderen Systemen ist die Möglichkeit, physiologische Extrema getrennt voneinander darzustellen und ihren Einfluss zu quantifizieren. Daher bietet das GastroDuo ein wertvolles Werkzeug, um den Zerfall und die Freisetzung von schnell freisetzenden Arzneiformen besser zu verstehen. Abschließend lässt sich sagen, dass es uns in der vorliegenden Arbeit gelungen ist, wichtige Hilfsmittel für das Verständnis des Zerfalls- und Freisetzungsverhalten von schnell freisetzender Arzneiformen im nüchternen Magen weiterzuentwickeln. Es ist uns gelungen, bestehende In vitro-Modelle technisch zu verbessern, eine neue In vivo-Methode zu entwickeln und zu valideren, welche eine sinnvolle Ergänzung zu bereits bestehenden In vivo- Methoden darstellt.The following dissertation investigates in a biopharmaceutical context the influence of gastric emptying on the disintegration behaviour of immediate release dosage forms. The in vivo tool Salivary Tracer Technquie was developed to investigate gastric emptying and the disintegration behaviour of dosage forms. These results were used to evaluate the in vitro tool GastroDuo. These two new tools are suitable to improve the understanding of the disintegration behaviour of dosage forms in an fasting stomach

Validation of the salivary tracer technique for the determination of the in vivo disintegration of hard gelatin capsules

The process of disintegration is a crucial step in oral drug delivery with immediate release dosage forms. In this work, the salivary tracer technique was applied as a simple and inexpensive method for the investigation of the in vivo disintegration time of hard gelatin capsules filled with caffeine. The disintegration times observed with the salivary tracer technique were verified by magnetic resonance imaging (MRI). After an overnight fast of at least 10 h and caffeine abstinence of minimum 72 h, conventional hard gelatin capsules containing 50 mg caffeine and 5 mg iron oxide were administered to 8 healthy volunteers. For the period of 1 h after capsule intake, subjects were placed in supine position in the MRI scanner, and scans were performed in short time intervals. Each MRI measurement was directly followed by saliva sampling by drooling. Salivary caffeine concentrations were determined by high performance liquid chromatography followed by mass spectrometric detection (LC/MS-MS). The time point of capsule disintegration was determined by visual inspection of the MR images as well as by an increase in the salivary caffeine concentration. The results indicated that the difference in mean disintegration times of the capsules as determined by the two in vivo methods was around 4 min (8.8 min for MRI vs 12.5 min for saliva). All disintegration times determined by the salivary tracer technique were slightly higher. This delay could be explained by the fact that the appearance of caffeine in saliva required drug absorption in the small intestine. Because capsule disintegration happened mainly in the stomach, the exact site of disintegration as well as the processes of gastric mixing and gastric emptying contributed to the delay between the two methods. This work demonstrated the feasibility of the salivary tracer technique to investigate the in vivo disintegration of immediate release dosage forms in a simple and reliable manner

Disturbance type and species life history predict mammal responses to humans

Human activity and land use change impact every landscape on Earth, driving declines in many animal species while benefiting others. Species ecological and life history traits may predict success in human- dominated landscapes such that only species with - winning- combinations of traits will persist in disturbed environments. However, this link between species traits and successful coexistence with humans remains obscured by the complexity of anthropogenic disturbances and variability among study systems. We compiled detection data for 24 mammal species from 61 populations across North America to quantify the effects of (1) the direct presence of people and (2) the human footprint (landscape modification) on mammal occurrence and activity levels. Thirty- three percent of mammal species exhibited a net negative response (i.e., reduced occurrence or activity) to increasing human presence and/or footprint across populations, whereas 58% of species were positively associated with increasing disturbance. However, apparent benefits of human presence and footprint tended to decrease or disappear at higher disturbance levels, indicative of thresholds in mammal species- capacity to tolerate disturbance or exploit human- dominated landscapes. Species ecological and life history traits were strong predictors of their responses to human footprint, with increasing footprint favoring smaller, less carnivorous, faster- reproducing species. The positive and negative effects of human presence were distributed more randomly with respect to species trait values, with apparent winners and losers across a range of body sizes and dietary guilds. Differential responses by some species to human presence and human footprint highlight the importance of considering these two forms of human disturbance separately when estimating anthropogenic impacts on wildlife. Our approach provides insights into the complex mechanisms through which human activities shape mammal communities globally, revealing the drivers of the loss of larger predators in human- modified landscapes.Human activity and land use change are driving declines in many animal species while benefiting others, but predicting which species will successfully coexist with humans remains a challenge. We compiled detection data for 24 mammal species from 61 populations across North America and showed that species life history traits were strong predictors of their responses to human footprint (landscape modification), with increasing footprint favoring smaller, less carnivorous, faster- reproducing species. Positive and negative effects of direct human presence (e.g., recreation, hunting) were distributed more randomly across species, with apparent winners and losers across a range of body sizes and dietary guilds.Peer Reviewedhttp://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/2027.42/168486/1/gcb15650.pdfhttp://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/2027.42/168486/2/gcb15650_am.pd