Εισαγωγή
Η σταθερότητα των API (δραστικών φαρμακευτικών συστατικών) και των εκδόχων σχετίζεται άμεσα με τις συνθήκες αποθήκευσης: Η αποθήκευση σε ακατάλληλη θερμοκρασία (πολύ ζεστή ή πολύ κρύα) μπορεί να επηρεάσει την αποτελεσματικότητα, την ασφάλεια και τη διάρκεια ζωής τους. Οι δοκιμές για τη σταθερότητα της φαρμακευτικής αποθήκευσης που περιγράφονται στις κατευθυντήριες γραμμές του ΠΟΥ (Παγκόσμιος Οργανισμός Υγείας) και του ICH (Διεθνές Συμβούλιο για την Εναρμόνιση των Τεχνικών Απαιτήσεων για Ανθρώπινη Χρήση) απαιτούν τουλάχιστον 6 μήνες για να ολοκληρωθούν. [1, 2]
Οι αρχικές πληροφορίες σχετικά με τη σταθερότητα μιας ουσίας υπό συγκεκριμένες συνθήκες θερμοκρασίας μπορούν να ληφθούν εντός των πρώτων ωρών. Για τον σκοπό αυτό, αξιολογείται η κινητική της διαδικασίας αποικοδόμησης της ουσίας (θερμική αποσύνθεση, αποδιάταξη, αφυδάτωση) και χρησιμοποιείται για τον προσδιορισμό της συμπεριφοράς της κατά τη διάρκεια ισόθερμων μακράς διάρκειας. Αυτό επιτρέπει την ταχεία διεξαγωγή της αρχικής διαλογής των API/εξαρτησιογόνων ουσιών.
Στη συνέχεια, καθορίζεται η κινητική της αντίδρασης αφυδάτωσης για το διυδρικό φωσφορικό άλας υδρογόνου ασβεστίου, CaHPO4-2H2O(επίσης αποκαλούμενο DCP). Για το σκοπό αυτό, χρησιμοποιούνται θερμοβαρυμετρικές μετρήσεις που πραγματοποιούνται σε διαφορετικούς ρυθμούς θέρμανσης για την αξιολόγηση της κινητικής της αντίδρασης μέσω του λογισμικού NETZSCH Kinetics Neo.
Συνθήκες μέτρησης
Το DCP είναι ένα πληρωτικό υλικό που χρησιμοποιείται συνήθως για την ταμπλετοποίηση. Η ουσία που χρησιμοποιήθηκε για τις μετρήσεις παραχωρήθηκε ευγενικά από την JRS Pharma (εμπορική ονομασία: Emcompress®). Οι πειραματικές συνθήκες συνοψίζονται στον πίνακα 1.
Πίνακας 1: Συνθήκες δοκιμής
Συσκευή | TG 209 F1 Nevio συζευγμένο με το FT-IR της Bruker Optics (PERSEUS® σύζευξη) | TG 209 F1 Nevio |
|---|---|---|
| Δείγμα | DCP Emcompress® (JRS Pharma) | |
| Μάζα δείγματος | 3.71 mg | 3.71 mg έως 4,30 mg |
| Χωνευτήρι | Κλειστό Concavus® (Al) με διάτρητο καπάκι | |
| Πρόγραμμα θερμοκρασίας | 30°C έως 300°C | |
| Ρυθμός θέρμανσης | 10 K/min | 1 K/min έως 20 K/min |
Αποτελέσματα μέτρησης
Μέτρηση TGA-FT-IR σε DCP
Στο Σχήμα 1 παρουσιάζεται η καμπύλη απώλειας μάζας (πράσινο) και το διάγραμμα Gram Schmidt (μαύρο) που προκύπτει από τη μέτρηση TGA-FTIR σε DCP. Η καμπύλη Gram Schmidt υποδεικνύει τις περιοχές θερμοκρασίας στις οποίες ανιχνεύθηκαν τα απελευθερούμενα αέρια. Μεταξύ της θερμοκρασίας δωματίου και των 300 °C είναι ορατά τρία στάδια απώλειας μάζας, που αντιστοιχούν σε τρία μέγιστα στο διάγραμμα Gram-Schmidt. Η μετρούμενη υπολειμματική μάζα 79% αντιστοιχεί στη θεωρητική υπολειμματική μάζα μετά την απώλεια 2H2Oαπό το DCP.
Τα φάσματα FT-IR των προϊόντων που απελευθερώνονται κατά τη θέρμανση αναλύονται για να ελεγχθεί αν απελευθερώνεται μόνο νερό ή και άλλα συστατικά σε αυτό το εύρος θερμοκρασιών. Στο Σχήμα 2 παρουσιάζονται τα φάσματα FT-IR των ουσιών που απελευθερώνονται κατά τη διάρκεια της μέτρησης σε τρισδιάστατη προβολή. Η εξαγωγή των φασμάτων σε διαφορετικές θερμοκρασίες δείχνει ότι τα ανιχνευόμενα στάδια απώλειας μάζας οφείλονται μόνο στην εξέλιξη του νερού (βλ. εικόνες 3Α, 3Β και 3Γ, φάσματα FT-IR των ουσιών που απελευθερώνονται στους 110°C, 159°C και 205°C καθώς και 3D, φάσμα σύγκρισης νερού από το EPA-NIST library).
Είναι γνωστό από τη βιβλιογραφία [4] ότι το επιφανειακό νερό και το δομικό νερό αρχίζουν να εγκαταλείπουν την κρυσταλλική δομή γύρω στους 80°C, οπότε αρχίζει να σχηματίζεται μια άμορφη φάση. Η ποσότητα της ουσίας στην άμορφη φάση αυξάνεται κατά τη διάρκεια της αποσύνθεσης έως τους 200-220°C και μεταβάλλεται με το ρυθμό θέρμανσης.
Κινητική ανάλυση της διαδικασίας αφυδάτωσης
Στο Σχήμα 4 απεικονίζονται οι καμπύλες μέτρησης TGA για το DCP σε 6 διαφορετικούς ρυθμούς θέρμανσης μεταξύ 1 και 20 K/min. Όπως αναμενόταν για αυτή την κινητική διεργασία, τα στάδια απώλειας μάζας μετατοπίζονται σε υψηλότερες θερμοκρασίες με την αύξηση των ρυθμών θέρμανσης.
Αυτή η εξάρτηση των βημάτων απώλειας μάζας από τον ρυθμό θέρμανσης επιτρέπει τη χρήση των καμπυλών TGA για την κινητική ανάλυση της αφυδάτωσης. Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιήθηκε το λογισμικό Kinetics Neo (της NETZSCH-Gerätebau GmbH). Μπορεί να αντιστοιχίσει σε κάθε επιμέρους βήμα διαφορετικούς τύπους αντιδράσεων με δικές τους κινητικές παραμέτρους, όπως ενέργεια ενεργοποίησης, τάξη αντίδρασης και προεκθετικό παράγοντα. Με βάση τα αποτελέσματα, το Kinetics Neo είναι σε θέση να προσομοιώσει την αντίδραση (ή τις αντιδράσεις) για προγράμματα θερμοκρασίας που καθορίζονται από τον χρήστη, π.χ. ισόθερμες μακράς διάρκειας σε συγκεκριμένη θερμοκρασία.
Οι ακόλουθες παρατηρήσεις βοηθούν στον προσδιορισμό του αριθμού και του τύπου των κινητικών σταδίων.
- Η παρουσία τριών βημάτων απώλειας μάζας υποδηλώνει ότι η διαδικασία εξελίσσεται σε τουλάχιστον τρία στάδια.
- Το γεγονός ότι οι καμπύλες σε χαμηλό ρυθμό θέρμανσης παρεμβάλλονται με τις καμπύλες σε υψηλό ρυθμό θέρμανσης (βλ. εύρος θερμοκρασιών 150°C-190°C) αποτελεί ένδειξη ότι ένα βήμα αντίδρασης πρέπει να περιγράφεται από ένα μοντέλο ανταγωνιστικής ή παράλληλης αντίδρασης.
- Μετά το τρίτο βήμα απώλειας μάζας, η μάζα συνεχίζει να μειώνεται- αυτό μπορεί να περιγραφεί από ένα πρόσθετο βήμα στο μοντέλο κινητικής.
Τελικά, διαπιστώθηκε ότι το ακόλουθο μοντέλο περιγράφει καλύτερα τη διαδικασία:
- Το βήμα αντίδρασης A → B περιγράφει το πρώτο βήμα απώλειας μάζας της καμπύλης TGA και προέρχεται από την απελευθέρωση επιφανειακού νερού.
Τα βήματα αντίδρασης
B → C → D
C → E
μπορεί να αντιστοιχούν στα βήματα που περιγράφονται από τους Rabatin et al. [3]:
CaHPO4 - 2H2O→ CaHPO4- xH2O+ (2-x)H2O(I)
H2O(I) →H2O(g)
που οδηγεί στο σχηματισμό διαφορετικών στοιχειομετρικών ποσοτήτων νερού με CaHPO4 -H2O[προϊόν D] και CaHPO4 - yH2O[προϊόν E].
Επιπλέον, έχει αρχίσει ο σχηματισμός της άμορφης φάσης, ο οποίος εξαρτάται από το ρυθμό θέρμανσης. Όσο μικρότερος είναι ο ρυθμός θέρμανσης, τόσο μεγαλύτερη είναι η διάρκεια της άμορφης φάσης. Οι διαφορετικές διάρκειες της άμορφης φάσης που προκύπτουν από διαφορετικούς ρυθμούς θέρμανσης μπορεί να ευθύνονται για τις διαφορετικές τιμές TGA μετά το δεύτερο βήμα αποσύνθεσης στους 180°C και να ευθύνονται για την αποσύνθεση με παράλληλους τρόπους. Στην κινητική Neo, τα προϊόντα D και E περιγράφονται με με F (F = D + E). - Η θερμοκρασία ανίχνευσης του τρίτου βήματος απώλειας μάζας είναι σύμφωνη με τη μέτρηση DTA που περιγράφεται από τους Rabatin et al. [3], στην οποία ανιχνεύθηκε μια κορυφή στους 195°C. Οι συγγραφείς συνέδεσαν την κορυφή αυτή με τον ακόλουθο μηχανισμό: CaHPO4- xH2O→ CaHPO4 (άμορφο) + xH2O
Αυτό, με τη σειρά του, συσχετίστηκε με το βήμα F → G από την Kinetics Neo. - Το βήμα αντίδρασης G → H περιγράφει τη συνεχή μείωση της μάζας πάνω από τους 200°C.
Το Σχήμα 5 δείχνει την καλή προσαρμογή μεταξύ των μετρούμενων καμπυλών TGA και εκείνων που υπολογίστηκαν από το Kinetics Neo χρησιμοποιώντας το περιγραφόμενο μοντέλο κινητικής. Ο συντελεστής συσχέτισης μεταξύ των μετρούμενων και των υπολογιζόμενων καμπυλών ανέρχεται σε 0,999.
Οι παράμετροι κάθε βήματος αντίδρασης που υπολογίστηκαν από το Kinetics Neo συνοψίζονται στον πίνακα 2.
Πίνακας 2: Κινητικές παράμετροι των σταδίων της αντίδρασης
| Βήμα αντίδρασης | A → B | B → C | C → D | D → E | F (D+E) → G | G → H |
| Τύπος αντίδρασης | n-οστής τάξης με αυτοκατάλυση | nth order | nth order | nth order | διάχυση | nth order |
| Ενέργεια ενεργοποίησης [kJ-mol-1] | 144.8 | 104.2 | 111.3 | 50.7 | 611.9 | 19.9 |
| Log (προεκθετικός παράγοντας) | 17.9 | 11.5 | 11.9 | 0.5 | 67.2 | 4.1 |
| Σειρά αντίδρασης | 1.59 | 0.43 | 0.91 | 0.01 | - | 3.17 |
| Συνεισφορά | 0.063 | 0.067 | 0.150 | 0.235 | 0.495 | 0.182 |
Από τηναξιολόγηση της κινητικής στην πρόβλεψη της συμπεριφοράς του δείγματος
Η γνώση της κινητικής της αντίδρασης επιτρέπει την προσομοίωση της διαδικασίας αφυδάτωσης για οποιοδήποτε πρόγραμμα θερμοκρασίας selected, συμπεριλαμβανομένων των ισόθερμων μακράς διάρκειας.
Το Σχήμα 6 δείχνει την αφυδάτωση του DCP κατά τη διάρκεια δύο ετών για διαφορετικές θερμοκρασίες αποθήκευσης. Σύμφωνα με αυτή την προσομοίωση, θα υπάρξει απώλεια μάζας άνω του 3% μετά από 6 μήνες σε θερμοκρασία αποθήκευσης 30°C (κόκκινη καμπύλη). Στους 50°C, ωστόσο, η απώλεια μάζας θα είναι ήδη πάνω από 5% μέσα στην ίδια περίοδο (ανοιχτό πορτοκαλί χρώμα).
Επιπλέον, το Kinetics Neo περιέχει έναν κλιματικό χάρτη, ο οποίος λαμβάνει υπόψη τις μέσες θερμοκρασιακές μεταβολές κατά τη διάρκεια των τελευταίων ετών για τις διάφορες περιοχές του κόσμου, συμπεριλαμβανομένων των διακυμάνσεων της θερμοκρασίας κατά τη διάρκεια του έτους. Χρησιμοποιώντας αυτές τις πληροφορίες, το Kinetics Neo είναι σε θέση να προσαρμόσει την πρόβλεψη της συμπεριφοράς του δείγματος για μια δεδομένη χώρα. Για παράδειγμα, τα σχήματα 7 και 8 παρουσιάζουν τις καμπύλες πρόβλεψης για το διυδρικό φωσφορικό ασβέστιο υδρογόνου για δύο έτη στο Παρίσι (Γαλλία) και την Τζακάρτα (Ινδονησία), αντίστοιχα. Όπως ήταν αναμενόμενο, η συμπεριφορά του δείγματος διαφέρει σημαντικά μεταξύ των δύο πόλεων. Η αφυδάτωση εξελίσσεται ταχύτερα στην Τζακάρτα λόγω των υψηλότερων θερμοκρασιών σε σύγκριση με αυτές στο Παρίσι.
Συμπέρασμα
Ο συνδυασμός θερμοβαρυμετρίας και Kinetics Neo είναι ένα ισχυρό εργαλείο για την απόκτηση αρχικών πληροφοριών σχετικά με τη σταθερότητα μιας ουσίας για συγκεκριμένες θερμοκρασίες αποθήκευσης.
Μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον έλεγχο των APIs (δραστικών φαρμακευτικών συστατικών) και των εκδόχων κατά την ανάπτυξη ενός νέου φαρμακευτικού προϊόντος, προκειμένου να γίνει μια προ-selectιον για μελέτες σταθερότητας μεγαλύτερης διάρκειας.