Как DSC подпомага характеризирането на активните фармацевтични съставки

Д-р Карстен Шауерте е съосновател и управляващ директор на SOLID-CHEM GmbH в Биомедицинския център в Бохум, Германия. Той завършва химия в университета в Есен, защитава докторска степен през 2004 г. и работи като постдокторант в университета "Гьоте" във Франкфурт на Майн.

В SOLID-CHEM GmbH, основана през 2010 г., областите, върху които се фокусира, включват анализ и разработване на методи за кристализация, полиморфи, соли и ко-кристали, както и аморфни "скрининги" и идентификация и характеризиране на частици. SOLID-CHEM допълнително предлага широка гама от аналитични методи за анализ на омрежени твърди вещества.

За лечението на болести фармацевтичната индустрия непрекъснато се стреми към изследвания на нови фармацевтични съставки (API), които се отличават със специфични, определени от целта физикохимични свойства, като например способността да се свързват с рецепторни протеини и по този начин да предизвикват желаните клетъчни реакции. След като бъде открит активен фармацевтичен продукт, предизвикателството е да се направи така, че той да се усвоява от организма. Ключовият термин тук е разтворимост. Освен това активната съставка трябва да бъде приведена в подходяща лекарствена форма, напр. таблетка, капсула или разтвор. Формулата на лекарството обикновено съдържа и помощни вещества, които изпълняват такива функции като оказване на положително влияние върху разтворимостта или стабилността. Характеризирането на материалите играе важна роля в този етап. Сред голямото разнообразие от твърди структури (полиморфи, хидрати, солвати и аморфни материали) трябва да се определят тези, които гарантират бионаличност и безопасност на продукта.

За характеризиране на съответната твърда телесна форма често се използват различни допълващи се аналитични методи. Термичните свойства на активните съставки, помощните вещества и формулите могат да се определят с помощта на DSC. Това включва определяне на температурата на топене и общите фазови трансформации, например чрез ендотермични сигнали в DSC.

Полиморфизмът на кристалните вещества - важен за ефикасността на лекарствата

Много кристални вещества са способни да образуват полиморфи. Полиморфите са съединения с един и същ химичен състав, които се характеризират с различно разположение на молекулите в кристалите в твърдо състояние. Различни полиморфни форми могат да се генерират чрез задаване на различни параметри по време на процеса на кристализация от стопилката или разтвора. Те могат да се образуват и чрез фазови трансформации твърдо тяло-твърдо тяло. Те могат да бъдат благоприятствани от влажност или различни налягания, но особено от определени температури или температурни градиенти. Разликите на молекулярно ниво между полиморфите могат да предизвикат различия и на макроскопично ниво. По този начин полиморфите могат да проявяват различни физични свойства в различните си кристални форми. Те включват, наред с другото, различна разтворимост и по този начин евентуално променена бионаличност.

Намирането на стабилен полиморф с желаните свойства на ефикасност обаче отнема много време. Дори когато се открие обещаващо вещество, само една от многото хиляди активни съставки "оцелява" във фазата на изпитване и успява да се превърне в продаваемо лекарство. Поради това такива обещаващи активни съставки също се патентоват от фармацевтичните компании, за да се гарантира изключителна продаваемост.

Анализът като полезен инструмент за отстраняване на неизправности в производството на лекарства

Задълбочените лабораторни изследвания предоставят информация за оптималните параметри на обработка за всяка полиморфна форма, като например нейната разтворимост, предпочитан разтворител за кристализация, оптимизирани концентрации в системи със смесени разтворители, условия на кристализация и др. Ако обаче дадено лекарство не проявява желаната ефикасност при употреба, е необходимо да се изясни в кой момент от преработката или приготвянето възникват проблемите. Може би активната съставка е преминала в друга полиморфна форма в резултат на производствения процес или нежелано взаимодействие с помощните вещества, а може би проблемът е причинен от примес в продукта? В такива случаи фармацевтичните компании често прибягват до помощта на специализирани договорни лаборатории като SOLID-CHEM GmbH в Бохум, Германия. В тяхната вътрешна лаборатория са на разположение обширни методи за анализ, като рентгенова и лазерна дифракция, вибрационна спектроскопия и ядрено-магнитен резонанс, микроскопия, както и термичен анализ с термогравиметрия и диференциална сканираща калориметрия с помощта на NETZSCH DSC 204 F1 Phoenix^®.

Как може да помогне термичният анализ?

Термичният анализ включва редица методи. Един от тях е диференциалната сканираща калориметрия (ДСК), която се използва за проверка на това дали в даден материал се извършват фазови преходи или химични реакции. За тази цел пробата се подлага на определена температурна програма, т.е. температурата на пробата се увеличава или намалява с определена скорост или се оставя постоянна за определено време. Измерва се адсорбираната (екзотермична) или абсорбираната (ендотермична) топлина. Това позволява да се направят изводи за химични и физични процеси като топене, кристализация или полиморфни трансформации.

Възникване и разпознаване на полиморфни форми на примера на парацетамол

Известни са три полиморфа на активната съставка парацетамол - често срещано болкоуспокояващо средство:

1. Стабилна форма I (моноклинна)
2. Метастабилна форма II (орторомбична) и
3. Нестабилна форма III

Различните полиморфни форми могат да бъдат добре разграничени чрез DSC анализ.

В следващия пример 2,4 mg парацетамол се нагрява два пъти от -20 °C до 200 °C в азотна атмосфера в алуминиеви тигли. Междинният етап на охлаждане също е извършен със скорост 10 K/min. При първото нагряване може да се наблюдава ендотермичен ефект с екстраполирана начална температура от 169°C. Това добре корелира с температурата на топене на форма I. По време на последващия контролиран етап на охлаждане (не е показан тук) не се извършва кристализация. Това означава, че в началото на^{втората} стъпка на нагряване парацетамолът все още е аморфен. По време на^{второто} нагряване най-напред настъпва стъкловиден преход (small стъпка в ендотермична посока), характерен за аморфното състояние, последван от екзотермичен ефект (с максимална температура 82 °C), свързан с процес на студена или посткристализация. Паралелните XRD изследвания показват, че тук се образува форма III. Тази форма III се трансформира във форма II при по-нататъшно нагряване (също потвърдено от XRD изследванията), която накрая се разтопява при 157°C (екстраполирана начална температура). Екзотермичният ефект при 133°C (пикова температура) се дължи на структурната трансформация в другата полиморфна форма. Екстраполираната начална температура от 157°C е характерна за форма II.

Зададохме на д-р Шауерте още няколко въпроса, за да допълним статията му:

NETZSCH: Д-р Шауерте, Вие работите в тясно сътрудничество с фармацевтични компании, като оказвате подкрепа при проблеми, възникнали по време на разработването и обработката на фармацевтични активни съставки. Кои са най-често задаваните въпроси от фармацевтичните компании и как методите за (термичен) анализ могат да помогнат за решаването на тези проблеми?

Д-р Карстен Шауерте: По отношение на полиморфните системи най-често задаваните въпроси са:

• Какви твърди форми съществуват?
• Какви са свойствата на съответните форми?

Особено за първия въпрос отговорът не е лесен и трябва да се планират и проведат обширни експерименти с последващ анализ на кръстосаните връзки, за да се опише възможно най-точно пейзажът на твърдото състояние на кандидата за лекарство. Това винаги зависи от това колко време и енергия (и финансови ресурси) ще бъдат инвестирани. Аналитичните методи тук са особено полезни за идентифициране и характеризиране на нови полиморфни форми. Термичните анализи показват термичното поведение на различните форми (стъкловидни преходи, топене и кристализация, а също и изпускане на течности), но също така дават информация за потенциалните свойства на трансформация между две или повече форми. Освен това DSC може например да се използва и като подготвителен инструмент за генериране на нови форми.

NETZSCH: Големите инвестиционни разходи, които фармацевтичната компания прави, докато открие продаваема активна съставка, означават, че въпросите на патентното право също са част от вашия обхват. Бихте ли обяснили накратко за какво основно става въпрос и по какъв начин (термичните) аналитични методи също допринасят за решаването на тези проблеми?

Д-р Карстен Шауерте: Заявките за патенти за полиморфна твърда форма обикновено се подават като последващи действия след изтичането на патент за вещество и често служат за удължаване на патентната защита на активното вещество. След това други компании могат да оспорят този нов патент или да пуснат на пазара алтернативна, незащитена форма, като евентуално дори самите те могат да я защитят. Тук термичните анализи също допринасят за характеризирането и ясното определяне на формите. Нещо повече, чрез определяне на температурата на топене например те могат да изяснят решаващото предимство на новата форма пред други форми, което може да доведе до патентоване.

NETZSCH: Един последен въпрос към Вас, д-р Шауерте: Диференциалната сканираща калориметрия е един от най-често използваните методи за термичен анализ. Къде виждате силната страна на DSC във вашите приложения?

Д-р Карстен Шауерте: Колкото и важни и ценни да са методите на рентгеновата дифракция, микроскопията и вибрационната спектроскопия, те обикновено предоставят само моментна снимка, докато методите за термичен анализ представят динамична картина в определен температурен диапазон. Това е от изключителна важност за нас, тъй като активните съставки се обработват не само при една много специфична температура, но и при множество температури в течение на времето: Съществуват процеси на производство и формулиране, както и на съхранение и транспортиране, по време на които съответната активна съставка е изложена на по-високи или по-ниски температури, а избраната твърдотелна форма трябва да издържи на тях. За да гарантираме това, трябва да познаваме и описваме термичното поведение на активната съставка или полиморфа възможно най-точно, за да можем да предотвратим нежелани фазови трансформации.

NETZSCH: Д-р Шауерте, много Ви благодаря за този вълнуващ поглед към Вашата работа!