Πώς η DSC βοηθά στον χαρακτηρισμό των δραστικών φαρμακευτικών συστατικών

Ο Dr. Carsten Schauerte είναι συνιδρυτής και διευθύνων σύμβουλος της SOLID-CHEM GmbH στο Βιοϊατρικό Κέντρο στο Bochum της Γερμανίας. Αποφοίτησε με πτυχίο Χημείας από το Πανεπιστήμιο του Έσσεν, έλαβε το διδακτορικό του το 2004 και εργάστηκε ως μεταδιδακτορικός ερευνητής στο Πανεπιστήμιο Goethe στη Φρανκφούρτη.

Στην SOLID-CHEM GmbH, που ιδρύθηκε το 2010, οι τομείς εστίασης περιλαμβάνουν μεθόδους ανάλυσης και ανάπτυξης για κρυσταλλώσεις, πολυμορφές, άλατα και συγκρύσταλλοι, καθώς και άμορφες "διαλογές" και ταυτοποίηση και χαρακτηρισμό σωματιδίων. Η SOLID-CHEM προσφέρει επιπλέον ένα ευρύ φάσμα αναλυτικών μεθόδων για την ανάλυση διασταυρούμενων στερεών καταστάσεων.

Για τη θεραπεία των ασθενειών, η φαρμακευτική βιομηχανία προσπαθεί συνεχώς ναarch για νέα φαρμακευτικά συστατικά (APIs) που διαθέτουν συγκεκριμένες, καθορισμένες για το σκοπό αυτό, φυσικοχημικές ιδιότητες, όπως η ικανότητα πρόσδεσης σε πρωτεΐνες υποδοχείς και, συνεπώς, η ενεργοποίηση των επιθυμητών κυτταρικών αντιδράσεων. Μόλις βρεθεί ένα δραστικό φαρμακευτικό προϊόν, η πρόκληση είναι να γίνει απορροφήσιμο από τον οργανισμό. Ο όρος κλειδί εδώ είναι η διαλυτότητα. Επιπλέον, το δραστικό συστατικό πρέπει στη συνέχεια να μεταφερθεί σε κατάλληλη δοσολογική μορφή, π.χ. δισκίο, κάψουλα ή διάλυμα. Το σκεύασμα του φαρμάκου περιέχει συνήθως και έκδοχα, τα οποία εξυπηρετούν λειτουργίες όπως η άσκηση θετικής επιρροής στη διαλυτότητα ή τη σταθερότητα. Ο χαρακτηρισμός των υλικών διαδραματίζει σημαντικό ρόλο σε αυτό το στάδιο. Μεταξύ της μεγάλης ποικιλίας στερεών δομών (πολυμορφές, υδρίτες, διαλυτά και άμορφα υλικά) πρέπει να προσδιοριστούν εκείνες που εγγυώνται τη βιοδιαθεσιμότητα και την ασφάλεια του προϊόντος.

Για τον χαρακτηρισμό της εκάστοτε στερεάς μορφής σώματος χρησιμοποιούνται συχνά διάφορες συμπληρωματικές αναλυτικές μέθοδοι. Οι θερμικές ιδιότητες των δραστικών συστατικών, των εκδόχων και των σκευασμάτων μπορούν να ανιχνευθούν με τη βοήθεια της DSC. Αυτό περιλαμβάνει τον προσδιορισμό του σημείου τήξης και των γενικών μετασχηματισμών φάσης, π.χ. μέσω ενδοθερμικών σημάτων στο DSC.

Πολυμορφισμός των κρυσταλλικών ουσιών - σημαντικός για την αποτελεσματικότητα των φαρμάκων

Πολλές κρυσταλλικές ουσίες είναι ικανές να σχηματίζουν πολυμορφές. Τα πολύμορφα είναι ενώσεις της ίδιας χημικής σύνθεσης, που χαρακτηρίζονται από διαφορετική διάταξη των μορίων εντός των κρυστάλλων στη στερεά κατάσταση. Διαφορετικές πολυμορφικές μορφές μπορούν να δημιουργηθούν με τον καθορισμό διαφορετικών παραμέτρων κατά τη διαδικασία κρυστάλλωσης από το τήγμα ή το διάλυμα. Μπορούν επίσης να σχηματιστούν από μετασχηματισμούς φάσης στερεού-στερεού. Αυτοί μπορεί να ευνοούνται από την υγρασία ή τις διαφορετικές πιέσεις, αλλά κυρίως από ορισμένες θερμοκρασίες ή κλίσεις θερμοκρασίας. Οι διαφορές σε μοριακό επίπεδο μεταξύ των πολυμορφών μπορούν επίσης να προκαλέσουν διαφορές σε μακροσκοπικό επίπεδο. Τα πολυμορφήματα μπορούν έτσι να παρουσιάζουν διαφορετικές φυσικές ιδιότητες στις διάφορες κρυσταλλικές τους μορφές. Αυτές περιλαμβάνουν, μεταξύ άλλων, διαφορετική διαλυτότητα και, επομένως, ενδεχομένως μεταβαλλόμενη βιοδιαθεσιμότητα.

Ωστόσο, η εύρεση ενός σταθερού πολυμόρφου με τις επιθυμητές ιδιότητες αποτελεσματικότητας είναι πολύ χρονοβόρα. Ακόμη και όταν βρεθεί μια πολλά υποσχόμενη ουσία, μόνο ένα από τα πολλαπλάσια χιλιάδες δραστικά συστατικά "επιβιώνει" από τη φάση της δοκιμής και καταφέρνει να γίνει ένα φάρμακο που κυκλοφορεί στην αγορά. Τέτοια πολλά υποσχόμενα δραστικά συστατικά κατοχυρώνονται επομένως και με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας από τις φαρμακευτικές εταιρείες για να εξασφαλιστεί η αποκλειστική εμπορευσιμότητα.

Η ανάλυση ως χρήσιμο εργαλείο για την αντιμετώπιση προβλημάτων στην παρασκευή φαρμάκων

Εμπεριστατωμένες εργαστηριακές μελέτες παρέχουν πληροφορίες σχετικά με τις βέλτιστες παραμέτρους επεξεργασίας για κάθε πολυμορφική μορφή, όπως η διαλυτότητά της, ο προτιμώμενος διαλύτης κρυστάλλωσης, οι βέλτιστες συγκεντρώσεις σε συστήματα μεικτών διαλυτών, οι συνθήκες κρυστάλλωσης και άλλα. Εάν ένα φάρμακο, ωστόσο, δεν παρουσιάζει την επιθυμητή αποτελεσματικότητά του κατά τη χρήση, είναι απαραίτητο να διευκρινιστεί σε ποιο σημείο της επεξεργασίας ή της παρασκευής εμφανίζονται τα προβλήματα. Ίσως το δραστικό συστατικό έχει αλλάξει σε άλλη πολυμορφική μορφή ως αποτέλεσμα της διαδικασίας παραγωγής ή μιας ανεπιθύμητης αλληλεπίδρασης με τα έκδοχα, ή ίσως το πρόβλημα προκαλείται από ακαθαρσίες στο προϊόν Σε τέτοιες περιπτώσεις, οι φαρμακευτικές εταιρείες συχνά ζητούν τη βοήθεια εξειδικευμένων εργολαβικών εργαστηρίων όπως η SOLID-CHEM GmbH στο Bochum της Γερμανίας. Στο εσωτερικό τους εργαστήριο διατίθενται εκτεταμένες μέθοδοι ανάλυσης, όπως περίθλαση ακτίνων Χ και λέιζερ, φασματοσκοπία δονήσεων και πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού και μικροσκοπία, καθώς και θερμική ανάλυση με θερμοβαρυμετρία και θερμιδομετρία διαφορικής σάρωσης με τη βοήθεια ενός NETZSCH DSC 204 F1 Phoenix^®.

Πώς μπορεί να βοηθήσει η θερμική ανάλυση

Η θερμική ανάλυση περιλαμβάνει μια σειρά μεθόδων. Μία από αυτές είναι η θερμιδομετρία διαφορικής σάρωσης (DSC), που χρησιμοποιείται για να ελεγχθεί αν σε ένα υλικό συμβαίνουν μεταπτώσεις φάσεων ή χημικές αντιδράσεις. Για το σκοπό αυτό, το δείγμα υποβάλλεται σε ένα καθορισμένο πρόγραμμα θερμοκρασίας, δηλαδή η θερμοκρασία στο δείγμα αυξάνεται ή μειώνεται με συγκεκριμένο ρυθμό ή παραμένει σταθερή για ορισμένο χρονικό διάστημα. Μετράται η προσροφούμενη (εξώθερμη) ή η απορροφούμενη (ενδόθερμη) θερμότητα. Αυτό επιτρέπει την εξαγωγή συμπερασμάτων σχετικά με χημικές και φυσικές διεργασίες, όπως η τήξη, η κρυστάλλωση ή οι πολυμορφικοί μετασχηματισμοί.

Η εμφάνιση και η αναγνώριση των πολυμορφικών μορφών με το παράδειγμα της παρακεταμόλης

Για το δραστικό συστατικό παρακεταμόλη, ένα κοινό παυσίπονο, είναι γνωστά τρία πολύμορφα:

1. Σταθερή μορφή Ι (μονοκλινής)
2. Μετασταθερή μορφή ΙΙ (ορθορομβική) και
3. Ασταθής μορφή ΙΙΙ

Οι διάφορες πολυμορφικές μορφές μπορούν να διακριθούν καλά μέσω της ανάλυσης DSC.

Στο ακόλουθο παράδειγμα, 2,4 mg παρακεταμόλης θερμάνθηκαν δύο φορές από τους -20°C στους 200°C σε ατμόσφαιρα αζώτου σε χωνευτήρια αλουμινίου. Το ενδιάμεσο τμήμα ψύξης πραγματοποιήθηκε επίσης με ταχύτητα 10 K/min. Κατά την πρώτη θέρμανση, παρατηρείται ενδοθερμικό φαινόμενο με προεκτιμώμενη θερμοκρασία έναρξης 169°C. Αυτό συσχετίζεται καλά με το σημείο τήξης της μορφής Ι. Κατά τη διάρκεια του επόμενου ελεγχόμενου βήματος ψύξης (δεν παρουσιάζεται εδώ), δεν λαμβάνει χώρα κρυστάλλωση. Αυτό σημαίνει ότι η παρακεταμόλη εξακολουθεί να είναι άμορφη στην αρχή του^2ου βήματος θέρμανσης. Κατά τη διάρκεια της^2ης θέρμανσης, αρχικά λαμβάνει χώρα μια υαλώδης μετάβαση (small βήμα προς την ενδοθερμική κατεύθυνση) ως χαρακτηριστικό της άμορφης κατάστασης, ακολουθούμενη από ένα εξώθερμο φαινόμενο (με μέγιστη θερμοκρασία 82°C) που σχετίζεται με μια διαδικασία ψυχρής ή μετακρυστάλλωσης. Παράλληλες μελέτες XRD έδειξαν ότι εδώ σχηματίζεται η μορφή III. Αυτή η μορφή ΙΙΙ μετατρέπεται σε μορφή ΙΙ κατά την περαιτέρω θέρμανση (επιβεβαιώνεται επίσης από τις έρευνες XRD), η οποία τελικά τήκεται στους 157°C (εξωστρεφής θερμοκρασία έναρξης). Το εξώθερμο φαινόμενο στους 133°C (θερμοκρασία κορυφής) οφείλεται στον δομικό μετασχηματισμό στην άλλη πολυμορφική μορφή. Η εξαντλητική θερμοκρασία έναρξης των 157°C είναι χαρακτηριστική της μορφής ΙΙ.

Ζητήσαμε από τον Dr. Schauerte μερικές ακόμη ερωτήσεις για να συμπληρώσουμε το άρθρο του:

NETZSCH: Dr. Schauerte, Συνεργάζεστε στενά με φαρμακευτικές εταιρείες, παρέχοντας υποστήριξη σε προβλήματα που προκύπτουν κατά την ανάπτυξη και την επεξεργασία φαρμακευτικών δραστικών συστατικών. Ποιες είναι οι ερωτήσεις που θέτουν συχνότερα οι φαρμακευτικές εταιρείες και πώς μπορούν οι μέθοδοι (θερμικής) ανάλυσης να βοηθήσουν στην επίλυση αυτών των προβλημάτων

Dr. Carsten Schauerte: Όσον αφορά τα πολυμορφικά συστήματα, τα πιο συχνά ερωτήματα που τίθενται είναι:

• Ποιες στερεές μορφές υπάρχουν
• Ποιες είναι οι ιδιότητες των αντίστοιχων μορφών

Ειδικά για το πρώτο ερώτημα, η απάντηση δεν είναι εύκολη και πρέπει να προγραμματιστούν και να διεξαχθούν εκτεταμένα πειράματα με επακόλουθη ανάλυση διασταυρούμενων δεσμών, ώστε να περιγραφεί με τη μεγαλύτερη δυνατή ακρίβεια το τοπίο στερεάς κατάστασης ενός υποψήφιου φαρμάκου. Αυτό εξαρτάται πάντα από το πόσος χρόνος και ενέργεια (και οικονομικοί πόροι) πρόκειται να επενδυθούν. Οι αναλυτικές μέθοδοι είναι ιδιαίτερα χρήσιμες εδώ για τον εντοπισμό και τον χαρακτηρισμό νέων πολυμορφικών μορφών. Οι θερμικές αναλύσεις δείχνουν τη θερμική συμπεριφορά των διαφόρων μορφών (υαλώδεις μεταπτώσεις, τήξη και κρυστάλλωση, αλλά και εκροή υγρών), αλλά και αποδίδουν πληροφορίες σχετικά με τις πιθανές ιδιότητες μετασχηματισμού μεταξύ δύο ή περισσότερων μορφών. Επιπλέον, η DSC μπορεί, για παράδειγμα, να χρησιμοποιηθεί και ως προπαρασκευαστικό εργαλείο για τη δημιουργία νέων μορφών.

NETZSCH: Οι υψηλές επενδυτικές δαπάνες που πραγματοποιεί μια φαρμακευτική εταιρεία μέχρι να βρεθεί ένα ενεργό συστατικό που μπορεί να διατεθεί στην αγορά σημαίνουν ότι τα θέματα του δικαίου των διπλωμάτων ευρεσιτεχνίας αποτελούν επίσης μέρος του πεδίου εφαρμογής σας. Θα μπορούσατε να εξηγήσετε εν συντομία περί τίνος πρόκειται κυρίως και τους τρόπους με τους οποίους οι (θερμικές) αναλυτικές μέθοδοι συμβάλλουν επίσης στην επίλυση αυτών των προβλημάτων

Dr. Carsten Schauerte: Οι αιτήσεις για διπλώματα ευρεσιτεχνίας για μια πολυμορφική στερεά μορφή υποβάλλονται συνήθως ως συνέχεια της λήξης ενός διπλώματος ευρεσιτεχνίας ουσίας και συχνά χρησιμεύουν για την παράταση της προστασίας του διπλώματος ευρεσιτεχνίας για τη δραστική ουσία. Άλλες εταιρείες μπορούν στη συνέχεια να αμφισβητήσουν αυτό το νέο δίπλωμα ευρεσιτεχνίας ή να διαθέσουν στην αγορά μια εναλλακτική, μη προστατευόμενη μορφή, ενδεχομένως ακόμη και να την έχουν οι ίδιες προστατεύσει. Οι θερμικές αναλύσεις συμβάλλουν και εδώ στον χαρακτηρισμό και τη σαφή απόδοση των μορφών. Επιπλέον, με τον προσδιορισμό του σημείου τήξης, για παράδειγμα, μπορούν να αποσαφηνίσουν το αποφασιστικό πλεονέκτημα μιας νέας μορφής έναντι άλλων μορφών, το οποίο μπορεί να οδηγήσει σε κατοχύρωση πατέντας.

NETZSCH: Μια τελευταία ερώτηση προς εσάς, Dr. Schauerte: Η θερμιδομετρία διαφορικής σάρωσης είναι μια από τις πιο συχνά χρησιμοποιούμενες μεθόδους θερμικής ανάλυσης. Πού βλέπετε τα δυνατά σημεία της DSC στις εφαρμογές σας

Dr. Carsten Schauerte: Όσο σημαντικές και πολύτιμες και αν είναι οι μέθοδοι της περίθλασης ακτίνων Χ, της μικροσκοπίας και της φασματοσκοπίας δονήσεων, συνήθως παρέχουν μόνο ένα στιγμιότυπο, ενώ οι μέθοδοι θερμικής ανάλυσης παρουσιάζουν μια δυναμική εικόνα σε ένα καθορισμένο εύρος θερμοκρασιών. Αυτό είναι εξαιρετικά σημαντικό για εμάς, δεδομένου ότι τα δραστικά συστατικά δεν αντιμετωπίζονται μόνο σε μια πολύ συγκεκριμένη θερμοκρασία, αλλά σε πολλαπλές θερμοκρασίες κατά τη διάρκεια του χρόνου: Υπάρχουν διαδικασίες παρασκευής και σύνθεσης, καθώς και διαδρομές αποθήκευσης και μεταφοράς κατά τις οποίες το εκάστοτε δραστικό συστατικό εκτίθεται σε υψηλότερες ή χαμηλότερες θερμοκρασίες, και η στερεά μορφή selectπρέπει να αντέχει σε αυτές. Για να το εγγυηθούμε αυτό, πρέπει να γνωρίζουμε και να περιγράφουμε τη θερμική συμπεριφορά του δραστικού συστατικού ή του πολυμόρφου με τη μεγαλύτερη δυνατή ακρίβεια, ώστε να είμαστε σε θέση να αποτρέψουμε ανεπιθύμητους μετασχηματισμούς φάσεων.

NETZSCH: Δρ Schauerte, σας ευχαριστώ πολύ για αυτή τη συναρπαστική εικόνα της εργασίας σας!