Hvordan DSC hjælper med at karakterisere aktive farmaceutiske ingredienser

Dr. Carsten Schauerte er medstifter og administrerende direktør for SOLID-CHEM GmbH ved det biomedicinske center i Bochum, Tyskland. Han er uddannet i kemi fra universitetet i Essen, fik sin doktorgrad i 2004 og arbejdede som postdoc på Goethe-universitetet i Frankfurt am Main.

Hos SOLID-CHEM GmbH, der blev grundlagt i 2010, omfatter fokusområderne analyse- og udviklingsmetoder til krystalliseringer, polymorfer, salte og co-krystaller samt amorfe "screeninger" og partikelidentifikation og -karakterisering. SOLID-CHEM tilbyder desuden en bred vifte af analysemetoder til krydsbundet faststofanalyse.

Til behandling af sygdomme stræber medicinalindustrien hele tiden efter at forske i nye farmaceutiske ingredienser (API'er) med specifikke, formålsbestemte, fysisk-kemiske egenskaber som f.eks. evnen til at koble sig på receptorproteiner og dermed udløse ønskede cellereaktioner. Når man har fundet et aktivt lægemiddel, er udfordringen at få det til at blive optaget i kroppen. Nøgleordet her er opløselighed. Derudover skal den aktive ingrediens bringes i en passende doseringsform, f.eks. tablet, kapsel eller opløsning. Formuleringen af lægemidlet indeholder normalt også hjælpestoffer, som har en positiv indflydelse på opløseligheden eller stabiliteten. Materialekarakterisering spiller en vigtig rolle i dette trin. Blandt de mange forskellige faste strukturer (polymorfer, hydrater, solvater og amorfe materialer) skal de, der garanterer produktets biotilgængelighed og sikkerhed, identificeres.

Forskellige supplerende analysemetoder anvendes ofte til karakterisering af den respektive faste kropsform. De termiske egenskaber af aktive ingredienser, hjælpestoffer og formuleringer kan påvises ved hjælp af DSC. Dette omfatter bestemmelse af smeltepunktet og generelle fasetransformationer, f.eks. via endoterme signaler i DSC.

Polymorfisme af krystallinske stoffer - vigtigt for lægemidlers effektivitet

Mange krystallinske stoffer er i stand til at danne polymorfer. Polymorfer er forbindelser med samme kemiske sammensætning, der er kendetegnet ved et forskelligt arrangement af molekyler i krystallerne i fast tilstand. Forskellige polymorfe former kan genereres ved at indstille forskellige parametre under krystalliseringsprocessen fra smelten eller opløsningen. De kan også dannes ved faststof-faststof-fasetransformationer. Disse kan fremmes af fugtighed eller forskellige tryk, men især af bestemte temperaturer eller temperaturgradienter. Forskellene på molekylært niveau mellem polymorfer kan også forårsage forskelle på makroskopisk niveau. Polymorfer kan således udvise forskellige fysiske egenskaber i deres forskellige krystallinske former. Disse omfatter blandt andet forskellig opløselighed og dermed muligvis ændret biotilgængelighed.

Men det er meget tidskrævende at finde en stabil polymorf med de ønskede egenskaber. Selv når man finder et lovende stof, er det kun en ud af flere tusinde aktive ingredienser, der "overlever" testfasen og formår at blive et lægemiddel, der kan markedsføres. Sådanne lovende aktive ingredienser patenteres derfor også af medicinalvirksomheder for at garantere eksklusiv salgbarhed.

Analyse som et nyttigt værktøj til fejlfinding i lægemiddelproduktion

Grundige laboratorieundersøgelser giver oplysninger om de optimale forarbejdningsparametre for hver polymorf form, såsom dens opløselighed, foretrukne krystalliseringsopløsningsmiddel, optimerede koncentrationer i blandede opløsningsmiddelsystemer, krystalliseringsbetingelser og meget mere. Hvis et lægemiddel imidlertid ikke udviser den ønskede effekt ved brug, er det nødvendigt at afklare, på hvilket tidspunkt i forarbejdningen eller fremstillingen problemerne opstår. Måske har den aktive ingrediens ændret sig til en anden polymorf form som følge af produktionsprocessen eller en uønsket interaktion med hjælpestoffer, eller måske skyldes problemet en urenhed i produktet? I sådanne tilfælde får lægemiddelvirksomheder ofte hjælp fra specialiserede kontraktlaboratorier som SOLID-CHEM GmbH i Bochum, Tyskland. I deres in-house laboratorium er der omfattende analysemetoder til rådighed, såsom røntgen- og laserdiffraktion, vibrations- og kernemagnetisk resonansspektroskopi og mikroskopi samt termisk analyse med termogravimetri og differentiel scanningskalorimetri ved hjælp af en NETZSCH DSC 204 F1 Phoenix^®.

Hvordan kan termisk analyse hjælpe?

Termisk analyse omfatter en række metoder. En af dem er differential scanning calorimetry (DSC), som bruges til at teste, om der sker FaseovergangeUdtrykket faseovergang (eller faseændring) bruges oftest til at beskrive overgange mellem fast, flydende og gasformig tilstand.faseovergange eller kemiske reaktioner i et materiale. Til det formål udsættes prøven for et defineret temperaturprogram, dvs. at temperaturen i prøven øges eller sænkes med en bestemt hastighed eller holdes konstant i et bestemt tidsrum. Den adsorberede (eksoterme) eller absorberede (endoterme) varme måles. Det gør det muligt at drage konklusioner om kemiske og fysiske processer som f.eks. Smeltetemperaturer og entalpierEt stofs fusionsenthalpi, også kendt som latent varme, er et mål for den energitilførsel, typisk varme, der er nødvendig for at omdanne et stof fra fast til flydende tilstand. Et stofs smeltepunkt er den temperatur, hvor det skifter tilstand fra fast (krystallinsk) til flydende (isotropisk smelte).smeltning, KrystalliseringKrystallisering er den fysiske hærdningsproces under dannelse og vækst af krystaller. Under denne proces frigives krystallisationsvarme.krystallisering eller polymorfe transformationer.

Forekomst og genkendelse af polymorfe former med paracetamol som eksempel

Der kendes tre polymorfer for det aktive stof paracetamol, som er et almindeligt smertestillende middel:

1. Stabil form I (monoklin)
2. Metastabil form II (orthorhombisk) og
3. Ustabil form III

De forskellige polymorfe former kan skelnes godt fra hinanden ved hjælp af DSC-analyse.

I det følgende eksempel blev 2,4 mg paracetamol opvarmet to gange fra -20 °C til 200 °C i en nitrogenatmosfære i aluminiumdigler. Det mellemliggende kølesegment blev også udført ved 10 K/min. Ved den første opvarmning kan man se en endotermisk effekt med en ekstrapoleret begyndelsestemperatur på 169 °C. Dette korrelerer godt med smeltepunktet for form I. Under det efterfølgende kontrollerede køletrin (ikke vist her) sker der ingen KrystalliseringKrystallisering er den fysiske hærdningsproces under dannelse og vækst af krystaller. Under denne proces frigives krystallisationsvarme.krystallisering. Det betyder, at paracetamol stadig er amorf ved begyndelsen af det^andet opvarmningstrin. Under den^anden opvarmning sker der først en glasovergang (small trin i EndotermEn prøveovergang eller en reaktion er endoterm, hvis der er brug for varme til omdannelsen.endoterm retning), som er karakteristisk for den amorfe tilstand, efterfulgt af en EksotermEn prøveovergang eller en reaktion er eksoterm, hvis der udvikles varme.eksoterm effekt (med en toptemperatur på 82 °C), der er relateret til en kold- eller postkrystallisationsproces. Parallelle XRD-undersøgelser har vist, at form III dannes her. Denne form III omdannes til form II ved yderligere opvarmning (også bekræftet af XRD-undersøgelser), som til sidst smelter ved 157 °C (ekstrapoleret begyndelsestemperatur). Den eksoterme effekt ved 133 °C (spidstemperatur) skyldes den strukturelle omdannelse til den anden polymorfe form. Den ekstrapolerede begyndelsestemperatur på 157 °C er karakteristisk for form II.

Vi stillede Dr. Schauerte nogle flere spørgsmål som supplement til hans artikel:

NETZSCH: Dr. Schauerte, du arbejder tæt sammen med medicinalvirksomheder og yder støtte til problemer, der opstår under udviklingen og forarbejdningen af farmaceutiske aktive ingredienser. Hvad er de mest almindelige spørgsmål fra medicinalvirksomhederne, og hvordan kan (termiske) analysemetoder hjælpe med at løse disse problemer?

Dr. Carsten Schauerte: Med hensyn til polymorfe systemer er de mest almindelige spørgsmål:

• Hvilke faste former findes der?
• Hvad er egenskaberne for de respektive former?

Især for det første spørgsmål er svaret ikke let, og omfattende eksperimenter med efterfølgende tværbundet analyse skal planlægges og udføres for at beskrive faststoflandskabet for en lægemiddelkandidat så nøjagtigt som muligt. Det afhænger altid af, hvor meget tid og energi (og økonomiske ressourcer) der skal investeres. Analytiske metoder er her særligt nyttige til at identificere og karakterisere nye polymorfe former. Termiske analyser viser de forskellige formers termiske opførsel (glasovergange, Smeltetemperaturer og entalpierEt stofs fusionsenthalpi, også kendt som latent varme, er et mål for den energitilførsel, typisk varme, der er nødvendig for at omdanne et stof fra fast til flydende tilstand. Et stofs smeltepunkt er den temperatur, hvor det skifter tilstand fra fast (krystallinsk) til flydende (isotropisk smelte).smeltning og KrystalliseringKrystallisering er den fysiske hærdningsproces under dannelse og vækst af krystaller. Under denne proces frigives krystallisationsvarme.krystallisering og også afgasning af væsker), men giver også oplysninger om potentielle transformationsegenskaber mellem to eller flere former. Derudover kan DSC f.eks. også bruges som et forberedende værktøj til generering af nye former.

NETZSCH: De store investeringsudgifter, som en farmaceutisk virksomhed har, indtil der er fundet en salgbar aktiv ingrediens, betyder, at patentretlige spørgsmål også er en del af dit arbejdsområde. Kan du kort forklare, hvad det hovedsageligt handler om, og hvordan (termiske) analysemetoder også bidrager til at løse disse problemer?

Dr. Carsten Schauerte: Ansøgninger om patent på en polymorf fast form indsendes normalt som opfølgning på udløbet af et stofpatent og tjener ofte til at udvide patentbeskyttelsen for det aktive stof. Andre virksomheder kan så udfordre dette nye patent eller markedsføre en alternativ, ubeskyttet form og måske endda selv få den beskyttet. Termiske analyser bidrager også her til karakterisering og klar tildeling af former. Ved f.eks. at bestemme smeltepunktet kan de desuden afklare den afgørende fordel ved en ny form i forhold til andre former, hvilket kan føre til patentering.

NETZSCH: Et sidste spørgsmål til dig, Dr. Schauerte: Differentialscanningskalorimetri er en af de mest anvendte termiske analysemetoder. Hvor ser du styrken ved DSC i dine applikationer?

Dr. Carsten Schauerte: Uanset hvor vigtige og værdifulde metoderne røntgendiffraktion, mikroskopi og vibrationsspektroskopi er, giver de normalt kun et øjebliksbillede, mens termiske analysemetoder giver et dynamisk billede over et defineret temperaturområde. Dette er yderst vigtigt for os, da aktive ingredienser ikke kun håndteres ved en meget specifik temperatur, men ved flere temperaturer i løbet af tiden: Der er fremstillings- og formuleringsprocesser samt opbevarings- og transportruter, hvor det pågældende aktive stof udsættes for højere eller lavere temperaturer, og den valgte faststofform skal kunne modstå disse. For at sikre dette er vi nødt til at kende og beskrive den aktive ingrediens eller polymorfs termiske opførsel så præcist som muligt for at kunne forhindre uønskede fasetransformationer.

NETZSCH: Dr. Schauerte, mange tak for dette spændende indblik i dit arbejde!