Jak DSC pomáhá při charakterizaci účinných farmaceutických látek

Dr. Carsten Schauerte je spoluzakladatelem a jednatelem společnosti SOLID-CHEM GmbH v Biomedicínském centru v německé Bochumi. Vystudoval chemii na univerzitě v Essenu, v roce 2004 získal doktorát a pracoval jako postdoktorand na Goetheho univerzitě ve Frankfurtu nad Mohanem.

Ve společnosti SOLID-CHEM GmbH, která byla založena v roce 2010, se zaměřuje na analýzu a vývoj metod pro KrystalizaceKrystalizace je fyzikální proces tuhnutí při vzniku a růstu krystalů. Při tomto procesu se uvolňuje krystalizační teplo.krystalizace, polymorfy, soli a kokrystaly, jakož i na amorfní "screeningy" a identifikaci a charakterizaci částic. SOLID-CHEM navíc nabízí širokou škálu analytických metod pro analýzu zesíťovaných pevných látek.

Farmaceutický průmysl neustále usiluje o výzkum nových farmaceutických složek (API), které se vyznačují specifickými, účelově určenými fyzikálně-chemickými vlastnostmi, jako je schopnost navázat se na receptorové proteiny a vyvolat tak požadované buněčné reakce. Jakmile je nalezeno účinné léčivo, je třeba zajistit, aby bylo vstřebatelné pro tělo. Klíčovým pojmem je zde rozpustnost. Kromě toho musí být účinná látka převedena do vhodné lékové formy, např. tablety, tobolky nebo roztoku. Složení léčiva obvykle obsahuje také pomocné látky, které plní takové funkce, jako je pozitivní ovlivnění rozpustnosti nebo stability. V tomto kroku hraje důležitou roli charakterizace materiálu. Ze široké škály pevných struktur (polymorfů, hydrátů, solvátů a amorfních materiálů) je třeba určit ty, které zaručují biologickou dostupnost a bezpečnost přípravku.

Pro charakterizaci příslušné pevné tělesné formy se často používají různé doplňkové analytické metody. Tepelné vlastnosti účinných látek, pomocných látek a formulací lze zjišťovat pomocí DSC. To zahrnuje stanovení bodu tání a obecných fázových přeměn, např. prostřednictvím endotermických signálů v DSC.

Polymorfismus krystalických látek - důležitý pro účinnost léků

Mnoho krystalických látek je schopno tvořit polymorf. Polymorfy jsou sloučeniny stejného chemického složení, které se vyznačují odlišným uspořádáním molekul v krystalech v pevném stavu. Různé formy polymorfů mohou vznikat nastavením různých parametrů během procesu KrystalizaceKrystalizace je fyzikální proces tuhnutí při vzniku a růstu krystalů. Při tomto procesu se uvolňuje krystalizační teplo.krystalizace z taveniny nebo roztoku. Mohou také vznikat fázovými přeměnami v pevné a pevné fázi. Ty mohou být zvýhodněny vlhkostí nebo různými tlaky, ale zejména určitými teplotami nebo teplotními gradienty. Rozdíly na molekulární úrovni mezi polymorfy mohou způsobit i rozdíly na makroskopické úrovni. Polymorfy tak mohou v různých krystalických formách vykazovat různé fyzikální vlastnosti. Mezi ně patří mimo jiné rozdílná rozpustnost, a tím případně změněná biologická dostupnost.

Nalezení stabilního polymorfu s požadovanými vlastnostmi účinnosti je však časově velmi náročné. I když se podaří najít slibnou látku, pouze jedna z několika tisíc účinných látek "přežije" testovací fázi a podaří se jí stát se prodejným léčivem. Takové nadějné účinné látky si proto farmaceutické společnosti také patentují, aby si zajistily výhradní prodejnost.

Analýza jako užitečný nástroj pro řešení problémů ve výrobě léčiv

Podrobné laboratorní studie poskytují informace o optimálních parametrech zpracování pro každou polymorfní formu, jako je její rozpustnost, preferované krystalizační rozpouštědlo, optimalizované koncentrace ve směsných rozpouštědlových systémech, podmínky KrystalizaceKrystalizace je fyzikální proces tuhnutí při vzniku a růstu krystalů. Při tomto procesu se uvolňuje krystalizační teplo.krystalizace a další. Pokud však léčivo při použití nevykazuje požadovanou účinnost, je nutné objasnit, ve kterém bodě zpracování nebo přípravy k problémům dochází. Možná se účinná látka změnila na jinou polymorfní formu v důsledku výrobního procesu nebo nežádoucí interakce s pomocnými látkami, nebo je snad problém způsoben nečistotou v přípravku? V takových případech farmaceutické společnosti často využívají pomoci specializovaných smluvních laboratoří, jako je SOLID-CHEM GmbH v německé Bochumi. V jejich vlastní laboratoři jsou k dispozici rozsáhlé analytické metody, jako je rentgenová a laserová difrakce, vibrační spektroskopie a nukleární magnetická rezonance a mikroskopie, a také termická analýza pomocí termogravimetrie a diferenční skenovací kalorimetrie pomocí přístroje NETZSCH DSC 204 F1 Phoenix^®.

Jak může pomoci tepelná analýza?

Termická analýza zahrnuje řadu metod. Jednou z nich je diferenční skenovací kalorimetrie (DSC), která se používá k testování, zda v materiálu dochází k fázovým přechodům nebo chemickým reakcím. Za tímto účelem je vzorek podroben definovanému teplotnímu programu, tj. teplota na vzorku se zvyšuje nebo snižuje určitou rychlostí nebo se po určitou dobu ponechává konstantní. Měří se adsorbované (exotermické) nebo absorbované (endotermické) teplo. To umožňuje vyvozovat závěry o chemických a fyzikálních procesech, jako je tání, KrystalizaceKrystalizace je fyzikální proces tuhnutí při vzniku a růstu krystalů. Při tomto procesu se uvolňuje krystalizační teplo.krystalizace nebo polymorfní přeměny.

Výskyt a rozpoznávání polymorfních forem na příkladu paracetamolu

U účinné látky paracetamolu, běžného léku proti bolesti, jsou známy tři polymorfní formy:

1. Stabilní forma I (monoklinická)
2. Metastabilní forma II (ortorhombická) a
3. Nestabilní forma III

Různé polymorfní formy lze dobře rozlišit pomocí DSC analýzy.

V následujícím příkladu bylo 2,4 mg paracetamolu dvakrát zahřáto z -20 °C na 200 °C v dusíkové atmosféře v hliníkových kelímcích. Chladicí úsek mezi nimi byl rovněž prováděn rychlostí 10 K/min. Při prvním zahřívání lze pozorovat endotermický efekt s extrapolovanou teplotou nástupu 169 °C. Ta dobře koreluje s teplotou tání formy I. Během následného řízeného chladicího kroku (zde není zobrazen) nedochází ke krystalizaci. To znamená, že paracetamol je na začátku^druhého kroku zahřívání stále amorfní. Během^2. ohřevu dochází nejprve ke skelnému přechodu (small krok v endotermním směru), který je charakteristický pro amorfní stav, a následně k exotermnímu jevu (s vrcholovou teplotou 82 °C), který souvisí s procesem chladové nebo postkrystalizace. Paralelní studie XRD ukázaly, že zde vzniká forma III. Tato forma III se při dalším zahřívání mění na formu II (rovněž potvrzeno XRD vyšetřeními), která se nakonec taví při 157 °C (extrapolovaná teplota nástupu). Exotermický efekt při 133 °C (teplota vrcholu) je způsoben strukturní přeměnou na druhou polymorfní formu. Extrapolovaná počáteční teplota 157 °C je charakteristická pro formu II.

Dr. Schauertemu jsme položili několik dalších otázek, které doplňují jeho článek:

NETZSCH: Dr. Schauerte, úzce spolupracujete s farmaceutickými společnostmi a poskytujete jim podporu při řešení problémů, které se vyskytnou při vývoji a zpracování farmaceutických účinných látek. Jaké otázky si farmaceutické společnosti nejčastěji kladou a jak mohou metody (termické) analýzy pomoci tyto problémy řešit?

Dr. Carsten Schauerte: Pokud jde o polymorfní systémy, nejčastěji kladené otázky jsou následující:

• Jaké pevné formy existují?
• Jaké jsou vlastnosti jednotlivých forem?

Zejména u první otázky není odpověď jednoduchá a je třeba naplánovat a provést rozsáhlé experimenty s následnou analýzou příčných vazeb, aby bylo možné co nejpřesněji popsat krajinu pevného stavu kandidáta na léčivo. Vždy záleží na tom, kolik času a energie (a finančních prostředků) je třeba investovat. Analytické metody jsou zde obzvláště užitečné pro identifikaci a charakterizaci nových polymorfních forem. Termické analýzy ukazují tepelné chování různých forem (skelné přechody, tání a KrystalizaceKrystalizace je fyzikální proces tuhnutí při vzniku a růstu krystalů. Při tomto procesu se uvolňuje krystalizační teplo.krystalizace a také odplyňování kapalin), ale také přinášejí informace o potenciálních transformačních vlastnostech mezi dvěma nebo více formami. Kromě toho lze DSC použít například také jako přípravný nástroj pro tvorbu nových forem.

NETZSCH: Vysoké investiční výdaje, které farmaceutické společnosti vynakládají do doby, než naleznou účinnou látku vhodnou k prodeji, znamenají, že součástí vaší působnosti jsou také otázky patentového práva. Mohl byste stručně vysvětlit, o co se jedná především a jakým způsobem k řešení těchto problémů přispívají také (termické) analytické metody?

Dr. Carsten Schauerte: Žádosti o patenty na polymorfní pevnou formu se obvykle podávají v návaznosti na vypršení platnosti patentu na látku a často slouží k prodloužení patentové ochrany účinné látky. Ostatní společnosti pak mohou tento nový patent napadnout nebo uvést na trh alternativní, nechráněnou formu, případně ji dokonce samy nechat chránit. K charakterizaci a jasnému přiřazení forem zde přispívají také termické analýzy. Navíc mohou například stanovením bodu tání objasnit rozhodující výhodu nové formy oproti jiným formám, což může vést k patentování.

NETZSCH: Poslední otázka pro vás, pane doktore Schauerte: Diferenciální skenovací kalorimetrie je jednou z nejčastěji používaných metod termické analýzy. V čem vidíte sílu DSC ve svých aplikacích?

Dr. Carsten Schauerte: Jakkoli jsou metody rentgenové difrakce, mikroskopie a vibrační spektroskopie důležité a cenné, obvykle poskytují pouze okamžitý obraz, zatímco metody termické analýzy představují dynamický obraz v definovaném teplotním rozsahu. To je pro nás nesmírně důležité, protože s účinnými látkami se nepracuje pouze při jedné zcela konkrétní teplotě, ale při více teplotách v průběhu času: Při výrobě a formulaci, jakož i při skladování a přepravě je příslušná účinná látka vystavena vyšším nebo nižším teplotám a vybraná forma v pevném stavu jim musí odolávat. Abychom to mohli zaručit, musíme co nejpřesněji znát a popsat tepelné chování účinné látky nebo polymorfu, abychom mohli zabránit nežádoucím fázovým přeměnám.

NETZSCH: Dr. Schauerte, děkuji Vám za tento zajímavý pohled na Vaši práci!