Stanovení ideální rozpustnosti kandidátů na léčiva pomocí DSC

Úvod

Diferenciální skenovací kalorimetrie (DSC) je ve farmaceutickém průmyslu široce používanou analytickou technikou pro zkoumání tepelných vlastností léčivých látek. Jednou z klíčových aplikací DSC je stanovení ideální rozpustnosti léčiva, což je zásadní pro vývoj účinných a bezpečných farmaceutických přípravků. V této aplikační poznámce se budeme zabývat tím, jak lze DSC použít ke stanovení ideální rozpustnosti léčiv, a faktory, které mohou chování rozpustnosti ovlivnit.

Klasifikace léčiv na základě rozpustnosti

Rozpustnost ve vodě má zásadní význam pro to, aby léčivo dosáhlo svého terapeutického cíle, vzhledem k tomu, že rychlost rozpouštění přímo ovlivňuje biologickou dostupnost léčiva. Lékopis Spojených států a Evropský lékopis klasifikují léčiva na základě jejich přibližného rozpětí rozpustnosti v mg/ml. Například 100 až 1000 mg/ml je rozmezí rozpustnosti pro molekulu považovanou za volně rozpustnou a 0,1 až 1 mg/ml je rozmezí pro molekulu léčiva vyznačující se velmi malou rozpustností ve vodě. Stanovení rozpustnosti ve vodě a mimo vodu proto určí nejlepší možný formulační přístup pro dobrý kandidát na léčivo.

Ideální rozpustnost udává nasycenou koncentraci rozpuštěné látky v molárním zlomku při použití ideálního rozpouštědla, tj. teoretický případ, kdy se rozpuštěná látka rozpouští v rozpouštědle bez ztráty energie během procesu rozpouštění. V praxi toho nelze dosáhnout, protože interakce mezi rozpouštědlem a rozpuštěnou látkou obvykle není ideální a chemická interakce mezi rozpuštěnou látkou a rozpouštědlem může proces rozpouštění brzdit. Příkladem těchto mezimolekulárních interakcí jsou vodíkové vazby, dielektrické vlastnosti a dipólový moment.

Zatímco metodou volby pro stanovení rozpustnosti molekuly je UV spektrofotometrie, ideální rozpustnost lze vypočítat, pokud je znám bod tání a entalpie tání látky.

Co však znamená ideální rozpustnost v termodynamice?Termínech?

V procesu rozpouštění musí dojít k přerušení vazeb mezi rozpuštěnou látkou a rozpuštěným roztokem. Energie potřebná k přerušení těchto vazeb se rovná energii potřebné k roztavení pevné látky, tj. entalpii tání(_ΔHf). Na druhé straně se musí také přerušit vazby rozpouštědlo-rozpouštědlo a zároveň se musí vytvořit vazby roztok-rozpouštědlo. Energii vynaloženou na tento poslední krok lze nazvat entalpií míchání(_ΔHmix). Entalpie rozpouštění je tedy součtem entalpie slučování a entalpie míchání:

_ΔHsol = _ΔHf + _ΔHmix

Pokud se entalpie míchání rovná nule, pak se entalpie rozpouštění(_ΔHsol) rovná entalpii tání:

_ΔHsol = _ΔHf

To jsou hlavní termodynamické předpoklady pro ideální rozpouštění krystalického materiálu. Ideální rozpouštění vede k ideální rozpustnosti.

Další předpoklady jsou, že _ΔHf je kladná (fúze je endotermický děj) a stejně tak _ΔHsol. Aby však spontánní reakce proběhla, musí být Gibbsova energie(ΔG = _ΔHf - _TΔS ) záporná; entropie(S) tedy musí být kladná. Vzhledem k tomu, že teplota tání a entalpie tání jsou nezávislé na experimentální teplotě a že rozpuštění poskytne nasycený roztok, lze Van't Hoffovu rovnici použít takto:

Kde

_x2 = nasycená koncentrace léčiva v jednotkách molárního zlomku
_ΔHf = entalpie tání (J/mol)
R = plynová konstanta (J/K∙mol)
T = daná teplota (K)
_Tm = teplota tání (K)

Výsledkem je nasycená koncentrace rozpuštěné látky v ideálním rozpouštědle v molárním zlomku. Jinými slovy, jedná se o maximální dosažitelnou koncentraci léčiva v nejlepším možném rozpouštědle. Aultonova kniha Pharmaceutics [1] uvádí příklad kyseliny acetylsalicylové. (Vypočtená) ideální rozpustnost kyseliny acetylsalicylové je 0,037 molárního zlomku; nejlepším uvedeným rozpouštědlem je tetrahydrofuran (THF), jehož experimentálně stanovená rozpustnost je 0,036 molárního zlomku. THF se tedy blíží ideálnímu rozpouštědlu pro kyselinu acetylsalicylovou. Je však třeba mít na paměti, že mezimolekulární interakce mohou rovněž podporovat rozpouštění, což vede k experimentální rozpustnosti, která je pravděpodobně vyšší než rozpustnost odhadovaná podle Van't Hoffovy rovnice.

Křivka DSC pro kyselinu acetylsalicylovou s experimentálními hodnotami teploty tání, (extrapolované) teploty nástupu a entalpie tání (plocha pod píkem) jsou uvedeny na obrázku 1. Obě hodnoty se velmi dobře shodují s referenčními hodnotami udávanými Národním institutem pro standardy a technologie (NIST), jak je patrné z tabulky 1.

Tabulka 1: Experimentální a referenční hodnoty Teploty tání a entalpieEntalpie tání látky, známá také jako latentní teplo, je mírou dodané energie, obvykle tepla, která je nutná k přeměně látky z pevného skupenství na kapalné. Teplota tání látky je teplota, při které se mění skupenství z pevného (krystalického) na kapalné (izotropní tavenina).teploty tání a entalpie tání kyseliny acetylsalicylové

* https://webbook.nist.gov/cgi/cbook.cgi?ID=C50782&Units=SI&Mask=4#Thermo-Phase

Je třeba dbát na to, aby analyzovaná látka během měření DSC případně nepodléhala tepelné degradaci. V případě příkladu kyseliny acetylsalicylové uvedené na obrázku 2 byl pomocí termováhy NETZSCH, TGA, stanoven hmotnostní úbytek 1,01 %. Tato hodnota je přijatelná, protože norma ASTM E928-08 stanoví 1 % jako maximální hmotnostní úbytek v oblasti tání. Pokud není k dispozici TGA, je nejlepším způsobem, jak sledovat hmotnostní úbytek, zvážení kelímku a vzorku před měřením a po něm.

Fázové přechodyTermín fázový přechod (nebo fázová změna) se nejčastěji používá pro popis přechodů mezi pevným, kapalným a plynným skupenstvím.Fázové přechody, interakce pevné látky s pevnou látkou, změny chemického složení a Purity Determination jsou příklady aplikací DSC - citlivé techniky, která poskytuje přesné a precizní výsledky.

Souhrn

Závěrem lze říci, že využití termoanalytických metod z portfolia NETZSCH může významně přispět ke stanovení ideální rozpustnosti léčiv v procesu vývoje léčiv. Tím, že poskytují cenné poznatky o tepelných vlastnostech léčivých látek, mohou DSC a TGA pomoci formulátorům a vědcům optimalizovat lékové formulace pro zlepšení biologické dostupnosti a účinnosti.