Ορολογία στη Φαρμακευτική - Η θερμική ανάλυση παρέχει τη συνολική εικόνα

Εισαγωγή

Στη συνέχεια, εξηγούνται ορισμένοι όροι που αφορούν ειδικά τον φαρμακευτικό τομέα:

• Θερμική σταθερότητα
• Συμβατότητα
• Πολυµορφισµός
• Ψευδοπολυµορφισµός

1. Θερμική σταθερότητα

Το πρότυπο ASTM E2550 περιγράφει τη θερμική σταθερότητα ενός υλικού ως τη "θερμοκρασία στην οποία το υλικό αρχίζει να αποσυντίθεται ή να αντιδρά και την έκταση της μεταβολής της μάζας με θερμοβαρυμετρία". Προσθέτει ότι "η απουσία αντίδρασης ή αποσύνθεσης χρησιμοποιείται ως ένδειξη της θερμικής σταθερότητας".

Στο Σχήμα 1 παρουσιάζεται η καμπύλη TGA του ακετυλοσαλικυλικού οξέος κατά τη θέρμανση στους 600°C σε ατμόσφαιρα αζώτου.

Εντοπίζονται δύο στάδια απώλειας μάζας, που είναι εύκολα αναγνωρίσιμα από τις δύο κορυφές στην καμπύλη DTG (^1η παράγωγος της καμπύλης TGA). Οι έρευνες TGA-FT-IR έδειξαν ότι κατά τη διάρκεια του πρώτου βήματος, αναπτύσσονται οξικό οξύ (κύριο μέρος) και σαλικυλικό οξύ. Κατά τη διάρκεια του δεύτερου σταδίου, απελευθερώνεται σαλικυλικό οξύ και_CO2 (που προκύπτει από την περαιτέρω διάσπαση του ακετυλοσαλικυλικού οξέος) [1].

Κάθε ένα από αυτά τα στάδια απώλειας μάζας καθορίζεται από:

• τη θερμοκρασία
• τη μεταβολή της μάζας

Θεωρητικά, μπορούν να εμφανιστούν τρεις θερμοκρασίες για ένα βήμα απώλειας μάζας:

• Θερμοκρασία κορυφής της DTG (1η παράγωγος της καμπύλης TGA)
• Θερμοκρασία εκκίνησης σύμφωνα με το πρότυπο ISO 11358-1. Πρόκειται για "το σημείο τομής της βασικής γραμμής στην αρχή της μέτρησης και της εφαπτομένης της καμπύλης TGA στο σημείο της μέγιστης κλίσης"

Θερμοκρασία έναρξης σύμφωνα με το πρότυπο ASTM E2550. Πρόκειται για το "σημείο της καμπύλης TGA όπου παρατηρείται για πρώτη φορά απόκλιση από την καθορισμένη γραμμή βάσης πριν από το θερμικό συμβάν"

Στο παρουσιαζόμενο παράδειγμα, το πρώτο βήμα απώλειας μάζας συμβαίνει στους 161°C (κορυφή της καμπύλης DTG, σχήμα 1), στους 143°C (εξωλογισμένη θερμοκρασία έναρξης της καμπύλης TGA, σχήμα 1) ή στους 102°C (θερμοκρασία έναρξης σύμφωνα με το ASTM E2550, σχήμα 2). Αυτή η τρίτη τιμή χρησιμοποιείται για την αξιολόγηση της θερμικής σταθερότητας.

Η μέθοδος περιορίζεται σε υλικά που αντιδρούν ή αποσυντίθενται στο υπό εξέταση εύρος θερμοκρασιών και δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί για εξάχνωση ή εξάτμιση.

Σημειώσεις σχετικά με τις συνθήκες μέτρησης:

Καθώς τα αποτελέσματα επηρεάζονται από τη μάζα του δείγματος, την ατμόσφαιρα (αέριο και ταχύτητα ροής), τον ρυθμό θέρμανσης και τον τύπο του χωνευτηρίου, είναι ζωτικής σημασίας να αναφερθούν οι συνθήκες μέτρησης. Για τον ίδιο λόγο, τα αποτελέσματα για δύο δείγματα μπορούν να συγκριθούν μόνο εάν οι μετρήσεις πραγματοποιούνται υπό τις ίδιες ακριβώς συνθήκες.

Γενικά, συνιστώνται οι ακόλουθες συνθήκες μέτρησης:

• Μάζα δείγματος: μεταξύ 1 και 10 mg, για παράδειγμα, 5 mg
• Ρυθμός θέρμανσης: 10 έως 20 K/min (χαμηλότερη για ενεργητικές αντιδράσεις: 1 έως 10 K/min)
• Ρυθμός ροής της ατμόσφαιρας: 20 έως 100 ml/min

Στο παρουσιαζόμενο παράδειγμα, η θερμική σταθερότητα στους 102°C για το ακετυλοσαλικυλικό οξύ δίνεται για μέτρηση σε δυναμική ατμόσφαιρα αζώτου (ροή αερίου: 40 ml/min) που πραγματοποιήθηκε σε δείγμα 5 mg με ρυθμό θέρμανσης 10 K/min (σχήμα 2).

Θερμική σταθερότητα και διάρκεια ζωής

Ανάλυση με κινητική Neo

Μια θερμοβαρυμετρική μέτρηση δείχνει την επίδραση της θερμοκρασίας σε ένα υλικό σε μια συγκεκριμένη ατμόσφαιρα. Εάν η παρατηρούμενη απώλεια μάζας εξαρτάται από τον ρυθμό θέρμανσης, τότε είναι δυνατόν να χρησιμοποιηθούν μετρήσεις TGA σε διαφορετικούς ρυθμούς θέρμανσης για να πραγματοποιηθεί κινητική ανάλυση της αντίδρασης. Για το σκοπό αυτό, το NETZSCH προσφέρει το λογισμικό Kinetics Neo. Επιτρέπει τη μοντελοποίηση της κινητικής αντιδράσεων ενός έως πολλών βημάτων. Αυτό το λογισμικό μπορεί να αντιστοιχίσει κάθε επιμέρους βήμα σε διαφορετικούς τύπους αντιδράσεων με δικές του κινητικές παραμέτρους, όπως η ενέργεια ενεργοποίησης, η σειρά αντίδρασης και ο προεκθετικός παράγοντας. Με βάση τα αποτελέσματα, το Kinetics Neo είναι σε θέση να προσομοιώνει την αντίδραση (ή τις αντιδράσεις) για προγράμματα θερμοκρασίας που καθορίζονται από τον χρήστη, για παράδειγμα για ισόθερμες μακράς διάρκειας. Γι' αυτό οι προβλέψεις που υπολογίζονται με το Kinetics Neo δίνουν πληροφορίες σχετικά με τη διάρκεια ζωής σε σχέση με τη θερμική σταθερότητα ενός υλικού, δηλαδή το χρονικό διάστημα που παραμένει σταθερό υπό συγκεκριμένες συνθήκες ατμόσφαιρας και θερμοκρασίας.

Προσδιορισμός της θερμικής σταθερότητας

Ένα παράδειγμα προσδιορισμού της διάρκειας ζωής σε σχέση με τη θερμική σταθερότητα ενός φαρμακευτικού προϊόντος εξηγείται στο NETZSCH Application Note 122 [2].

Σημειώσεις σχετικά με τον προσδιορισμό της διάρκειας ζωής ενός φαρμάκου σε σχέση με τη θερμική σταθερότητα:

1. Πραγματοποιήστε μετρήσεις TGA σε διαφορετικούς ρυθμούς θέρμανσης
2. Πραγματοποιήστε την αξιολόγηση της κινητικής με το Kinetics Neo
3. Χρησιμοποιήστε το μοντέλο κινητικής που προσδιορίστηκε για να προβλέψετε τη συμπεριφορά του δείγματος για συγκεκριμένες θερμοκρασίες και χρόνους
4. Επικυρώστε το κινητικό μοντέλο συγκρίνοντας μια μέτρηση σε ισόθερμη θερμοκρασία με την καμπύλη που υπολογίστηκε από το Kinetics Neo.

Σημαντικές παρατηρήσεις:

• Παράγοντες εκτός από τη θερμοκρασία και την ατμόσφαιρα επηρεάζουν επίσης τη διάρκεια ζωής ενός προϊόντος, π.χ. η υγρασία, το φως ή η απώλεια της αναμιξιμότητας στην περίπτωση των αλοιφών. Γι' αυτό οι προβλέψεις που πραγματοποιούνται με την TGA και το Kinetics Neo δεν παρέχουν πληροφορίες για την πλήρη διάρκεια ζωής ενός προϊόντος, αλλά μόνο για τη διάρκεια ζωής του όσον αφορά τη θερμική σταθερότητα.
• Οι προβλέψεις ισχύουν για ουσίες που βρίσκονται στην ίδια φυσική κατάσταση στη θερμοκρασία πρόβλεψης και στη θερμοκρασία έναρξης της αποσύνθεσης. Εάν ένα υλικό βρίσκεται σε στερεή κατάσταση σε θερμοκρασία δωματίου και λιώνει πριν αρχίσει να αποσυντίθεται, τότε η κινητική ανάλυση της αποσύνθεσης ισχύει μόνο για την υγρή κατάσταση. Σε μια τέτοια περίπτωση, δεν μπορεί να πραγματοποιηθεί καμία πρόβλεψη με τη χρήση του υπολογισμένου μοντέλου σε θερμοκρασίες κάτω από το σημείο τήξης.

2. Συμβατότητα

Γενικά, ένα φαρμακευτικό σκεύασμα περιέχει ένα δραστικό φαρμακευτικό συστατικό και διάφορα έκδοχα.

Το δραστικό φαρμακευτικό συστατικό, που ονομάζεται επίσης API (Active Pharmaceutical Ingredient), είναι η ουσία που έχει "άμεση επίδραση στη διάγνωση, τη θεραπεία, τον μετριασμό, τη θεραπεία ή την πρόληψη της νόσου" [3].

Υπάρχουν διαφορετικοί στόχοι για τα διάφορα έκδοχα: μπορούν να διευκολύνουν τη διαδικασία παρασκευής, να βελτιώσουν την εμφάνιση του τελικού προϊόντος (χρώμα, γεύση) και να βοηθήσουν το API να παραδοθεί σωστά.

Η παρουσία των εκδόχων στο σκεύασμα δεν πρέπει να επηρεάζει την αποτελεσματικότητα, τη σταθερότητα ή την ασφάλεια του φαρμάκου. Με άλλα λόγια, θα πρέπει να διασφαλίζεται ότι το API και τα έκδοχα είναι συμβατά.

Οι αρχικές πληροφορίες σχετικά με τη συμβατότητα ενός φαρμάκου και ενός έκδοχου μπορούν να ληφθούν με θερμική ανάλυση, πιο συγκεκριμένα με DSC και TGA.

Σημειώσεις σχετικά με τον προσδιορισμό των αλληλεπιδράσεων σε API και έκδοχο:

1. Εκτελέστε μετρήσεις DSC και TGA στο API και, χωριστά, στο έκδοχο
2. Ανάμειξη API και έκδοχου (50/50 βάρος)
3. Εκτελέστε μετρήσεις DSC και TGA στο μείγμα API+εξαρτησιογόνο

Καμπύλες DSC του API, του έκδοχου και των μειγμάτων

Το Σχήμα 3 δείχνει πώς οι καμπύλες DSC αποδίδουν πληροφορίες σχετικά με μια πιθανή αλληλεπίδραση μεταξύ δύο συστατικών. Μια προκύπτουσα καμπύλη DSC που δεν παρουσιάζει καμία αλληλεπίδραση μεταξύ API και έκδοχου (σχήμα 3γ) υποδεικνύει ότι το έκδοχο συνιστάται για το σκεύασμα που χρησιμοποιεί το API. Η εμφάνιση μιας νέας κορυφής στο μείγμα, η εξαφάνιση μιας κορυφής ή η αλλαγή της κορυφής τήξης (ως προς το σχήμα, τη θέση ή την ενθαλπία) θα υποδείκνυε ότι υπάρχει αλληλεπίδραση μεταξύ των δύο συστατικών (σχήμα 3d). Ωστόσο, αυτό δεν σημαίνει απαραίτητα ότι το φάρμακο και το έκδοχο δεν είναι συμβατά. Θα πρέπει να διεξαχθούν πρόσθετες έρευνες με άλλες τεχνικές (ακτίνες Χ, φασματοσκοπία, χρωματογραφία κ.λπ.) για να επιβεβαιωθεί η ασυμβατότητα.

Η δυνατότητα υπέρθεσης στο λογισμικό αξιολόγησης του NETZSCH επιτρέπει την απεικόνιση της καμπύλης που θα λαμβανόταν για ένα μείγμα εάν δεν υπήρχε αλληλεπίδραση μεταξύ των δύο συστατικών. Για να πραγματοποιηθεί αυτό, οι καμπύλες των επιμέρους ουσιών φορτώνονται στο λογισμικό αξιολόγησης και υπολογίζεται η καμπύλη "υπέρθεσης". Στη συνέχεια, είναι πολύ εύκολο να γίνει σύγκριση μεταξύ της μετρούμενης καμπύλης του μείγματος και της καμπύλης που υπολογίζεται μέσω της υπέρθεσης.

Τα σχήματα 4 και 5 δείχνουν πώς να προχωρήσετε με το παράδειγμα της νατριούχου δικλοφενάκης και του στεατικού μαγνησίου. Πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις DSC και TGA. Στα σχήματα 4α και 5α παρουσιάζονται οι καμπύλες DSC και TGA, αντίστοιχα, των δύο ουσιών κατά τη θέρμανση.

Η ενδοθερμική κορυφή μεταξύ θερμοκρασίας δωματίου και 130 °C που ανιχνεύεται στην καμπύλη DSC του στεατικού μαγνησίου (σχήμα 4α, κόκκινη καμπύλη, επάνω) οφείλεται εν μέρει στην εξάτμιση του νερού. Αντιστοιχεί σε μια απώλεια μάζας στην καμπύλη TGA (4,1%) για αυτό το εύρος θερμοκρασιών. Η κορυφή της έκλυσης νερού επικαλύπτεται από την τήξη του στεατικού μαγνησίου [9].

Η νατριούχος δικλοφενάκη (σχήμα 4α, μπλε καμπύλη, παρακάτω) παρουσιάζει μια ενδοθερμική κορυφή στους 291°C, που αντιστοιχεί στην τήξη της. Μια εξώθερμη διεργασία αμέσως μετά την τήξη συνδέεται με απώλεια μάζας 46% και προκύπτει από τη διάσπαση της δικλοφενάκης.

Η εφαρμογή της SuperPosition (σχήματα 4β, 5β) επιτρέπει τη σύγκριση της μετρούμενης καμπύλης του μείγματος με την υπολογισμένη καμπύλη που θα λαμβανόταν στην περίπτωση που δεν υπήρχε αλληλεπίδραση. Καμία διαφορά μεταξύ των δύο καμπυλών δεν υποδηλώνει συμβατό μείγμα.

Σε αυτό το παράδειγμα, η αποσύνθεση του μείγματος αρχίζει στους 278°C, δηλαδή σε χαμηλότερη θερμοκρασία από ό,τι για το έκδοχο μόνο του (σχήμα 5γ). Η κορυφή τήξης που είναι χαρακτηριστική για τη δικλοφενάκη δεν εμφανίζεται πλέον στο μείγμα. Αντ' αυτού, ανιχνεύεται μια ευρεία ενδοθερμική κορυφή στους 264°C (σχήμα 4γ).

Το γεγονός ότι ανιχνεύονται διαφορές στο παράδειγμα υποδηλώνει ότι υπάρχει αλληλεπίδραση μεταξύ του νατρίου δικλοφενάκης και του στεατικού μαγνησίου (σχήματα 4c και 5c).

Ένα ακόμη παράδειγμα μελέτης συμβατότητας της νατριούχου δικλοφενάκης με διάφορα έκδοχα μέσω DSC και TGA παρατίθεται στο NETZSCH Application Note 120 [4].

3. Πολυμορφισμός

Πολυμορφισμός είναι η ικανότητα ενός υλικού να υπάρχει σε περισσότερες από μία κρυσταλλικές μορφές. Οι διάφορες πολυμορφικές μορφές μιας φαρμακευτικής ουσίας ονομάζονται συνήθως α, β, ... ή Ι, ΙΙ, ... ή Α, Β, ..., όπου η τροποποίηση α/Ι/Α είναι η πιο σταθερή.

Στη φαρμακευτική βιομηχανία, ο πολυμορφισμός αποτελεί μεγάλη πρόκληση, διότι, παρόλο που δύο πολυμορφικές ουσίες έχουν την ίδια χημική σύνθεση, διαφέρουν ως προς τις ιδιότητές τους. Επειδή μια πολυμορφική ουσία μπορεί να αλλάξει τη δομή της με την πάροδο του χρόνου, μπορεί να προκύψουν απροσδόκητες αλλαγές στη βιοδιαθεσιμότητα, τις φυσικές ιδιότητες, τη σταθερότητα κ.λπ. κατά τη διάρκεια της αποθήκευσης. Για το λόγο αυτό, καθώς και όσον αφορά την κατοχύρωση διπλωμάτων ευρεσιτεχνίας, είναι ζωτικής σημασίας να γνωρίζετε και να είστε γνώστες της ύπαρξης όλων των πιθανών τροποποιήσεων μιας πολυμορφικής ουσίας και των ιδιοτήτων, της σταθερότητας και της ποιότητας της καθεμιάς.

Στο σχήμα 6 απεικονίζεται η μέτρηση DSC στην παρακεταμόλη. Αυτό το API (ενεργό φαρμακευτικό συστατικό) έχει τρεις τροποποιήσεις που ονομάζονται I, II και III. Η τροποποίηση III είναι ασταθής και συνεπώς δύσκολο να χαρακτηριστεί. Οι τροποποιήσεις I και II διαφέρουν ως προς τη θερμοδυναμική τους σταθερότητα και τις ικανότητες συμπίεσης. Μπορούν εύκολα να αναγνωριστούν με τη βοήθεια της DSC, επειδή η θερμοκρασία τήξης ανιχνεύεται σε διαφορετικές θερμοκρασίες. Η κορυφή τήξης στους 169°C (εξωστρεφής θερμοκρασία έναρξης, πράσινη καμπύλη) είναι χαρακτηριστική για τη μονοκλινή μορφή. Είναι η τροποποίηση με το υψηλότερο σημείο τήξης και επίσης η πιο σταθερή. Η κορυφή στους 157°C (προεκτιμώμενη θερμοκρασία έναρξης, μπλε καμπύλη) ανήκει στην ορθορομβική μορφή που διαθέτει καλύτερες ιδιότητες συμπίεσης [5, 6].

Παρόλο που η μορφή ΙΙ θα μπορούσε να συμπιεστεί απευθείας χωρίς την προσθήκη ενός έκδοχου για τη βελτίωση της συμπιεστότητας, η παρακεταμόλη του εμπορίου παρασκευάζεται από τη μονοκλινή μορφή (μορφή Ι) λόγω της καλύτερης σταθερότητάς της [7, 8].

Άλλα παραδείγματα χαρακτηρισμού διαφόρων τροποποιήσεων μιας πολυμορφικής ουσίας παρατίθενται στο NETZSCH Application Note 127 [10].

4. Ψευδοπολυμορφισμός

Δύο ψευδοπολυμορφικές τροποποιήσεις έχουν διαφορετικές κρυσταλλικές μορφές που προκύπτουν από ενυδάτωση ή διαλυτοποίηση.

Σε ένα διαλυτό, τα μόρια του διαλύτη εγκλωβίζονται στην κρυσταλλική δομή της ουσίας. Εάν αυτό περιέχει περισσότερους από δύο διαλύτες, αναφέρεται ως ετεροδιαλυτό.

Σε ένα ένυδρο, ο διαλύτης σε ένωση με το φάρμακο είναι το νερό.

Ο χαρακτηρισμός των διαλυτών και των υδριτών πραγματοποιείται με θερμοβαρυμετρία, ενδεχομένως σε συνδυασμό με ανάλυση εξελιγμένων αερίων. Μια μέτρηση TGA παρέχει πληροφορίες σχετικά με την ποσότητα του διαλύτη/νερού που υπάρχει σε ένα δείγμα και, συνεπώς, σχετικά με τον βαθμό διαλυτοποίησης/υδάτωσης. Η σύζευξη επιτρέπει τον προσδιορισμό των διαλυτών που απελευθερώνονται κατά τη θέρμανση.

Συμπέρασμα

Με τη βοήθεια της θερμικής ανάλυσης, ιδίως της DSC και της TGA, μπορούν να διερευνηθούν οι διαφορετικές ιδιότητες της δραστικής ουσίας και των εκδόχων. Αυτό, με τη σειρά του, επιτρέπει τον προσδιορισμό της θερμικής σταθερότητας, της συμβατότητας και του πολυμορφισμού και ψευδοπολυμορφισμού των φαρμακευτικών προϊόντων.