Cómo ayuda la DSC a caracterizar los principios activos farmacéuticos

El Dr. Carsten Schauerte es cofundador y director gerente de SOLID-CHEM GmbH en el Centro Biomédico de Bochum (Alemania). Se licenció en Química por la Universidad de Essen, se doctoró en 2004 y trabajó como posdoctorando en la Universidad Goethe de Fráncfort del Meno.

En SOLID-CHEM GmbH, fundada en 2010, las áreas de interés incluyen métodos de análisis y desarrollo de cristalizaciones, polimorfos, sales y co-cristales, así como "screenings" amorfos e identificación y caracterización de partículas. SOLID-CHEM ofrece además una amplia gama de métodos analíticos para el análisis de sólidos reticulados.

Para el tratamiento de las enfermedades, la industria farmacéutica se esfuerza continuamente en la investigación de nuevos ingredientes farmacéuticos (API) que presenten propiedades fisicoquímicas específicas, determinadas por su finalidad, como la capacidad de acoplarse a las proteínas receptoras y desencadenar así las reacciones celulares deseadas. Una vez encontrado un principio activo farmacéutico, el reto consiste en conseguir que el organismo lo absorba. El término clave es solubilidad. Además, el principio activo debe introducirse en una forma farmacéutica adecuada, por ejemplo, comprimidos, cápsulas o soluciones. La formulación del fármaco suele contener también excipientes, que cumplen funciones tales como ejercer una influencia positiva sobre la solubilidad o la estabilidad. La caracterización de los materiales desempeña un papel importante en este paso. De entre la amplia variedad de estructuras sólidas (polimorfos, hidratos, solvatos y materiales amorfos), deben identificarse aquellas que garanticen la biodisponibilidad y la seguridad del producto.

Para la caracterización de la respectiva forma sólida del cuerpo se utilizan con frecuencia diferentes métodos analíticos complementarios. Las propiedades térmicas de los principios activos, excipientes y formulaciones pueden detectarse mediante DSC. Esto incluye la determinación del Temperaturas y entalpías de fusiónLa entalpía de fusión de una sustancia, también conocida como calor latente, es una medida del aporte de energía, normalmente calor, que es necesario para convertir una sustancia del estado sólido al líquido. El punto de fusión de una sustancia es la temperatura a la que cambia de estado sólido (cristalino) a líquido (fusión isotrópica).punto de fusión y las transformaciones de fase generales, por ejemplo, mediante señales endotérmicas en el DSC.

Polimorfismo de las sustancias cristalinas: importante para la eficacia de los fármacos

Muchas sustancias cristalinas son capaces de formar polimorfos. Los polimorfos son compuestos de la misma composición química, caracterizados por una disposición diferente de las moléculas dentro de los cristales en estado sólido. Se pueden generar diferentes formas polimorfas estableciendo distintos parámetros durante el proceso de CristalizaciónLa cristalización es el proceso físico de endurecimiento durante la formación y el crecimiento de cristales. Durante este proceso se libera calor de cristalización.cristalización a partir de la masa fundida o la disolución. También pueden formarse por transformaciones de fase sólido-sólido. Éstas pueden verse favorecidas por la humedad o por diferentes presiones, pero sobre todo por determinadas temperaturas o gradientes de temperatura. Las diferencias a nivel molecular entre polimorfos también pueden provocar diferencias a nivel macroscópico. Así, los polimorfos pueden presentar propiedades físicas diferentes en sus distintas formas cristalinas. Éstas incluyen, entre otras, una solubilidad diferente y, por tanto, una biodisponibilidad posiblemente alterada.

Sin embargo, encontrar un polimorfo estable con las propiedades de eficacia deseadas lleva mucho tiempo. Incluso cuando se encuentra una sustancia prometedora, sólo uno de los múltiples miles de principios activos "sobrevive" a la fase de prueba y consigue convertirse en un fármaco comercializable. Por ello, las empresas farmacéuticas también patentan estos principios activos prometedores para garantizar su comercialización exclusiva.

El análisis como herramienta útil para la resolución de problemas en la fabricación de medicamentos

Los estudios de laboratorio en profundidad proporcionan información sobre los parámetros de procesamiento óptimos para cada forma polimórfica, como su solubilidad, el disolvente de CristalizaciónLa cristalización es el proceso físico de endurecimiento durante la formación y el crecimiento de cristales. Durante este proceso se libera calor de cristalización.cristalización preferido, las concentraciones optimizadas en sistemas de disolventes mixtos, las condiciones de CristalizaciónLa cristalización es el proceso físico de endurecimiento durante la formación y el crecimiento de cristales. Durante este proceso se libera calor de cristalización.cristalización, etc. Sin embargo, si un fármaco no muestra la eficacia deseada durante su uso, es necesario aclarar en qué punto del procesamiento o la preparación se producen los problemas. ¿Quizá el principio activo ha cambiado a otra forma polimórfica como resultado del proceso de producción o de una interacción indeseable con los excipientes, o tal vez el problema se debe a una impureza en el producto? En estos casos, las empresas farmacéuticas suelen recurrir a la ayuda de laboratorios especializados como SOLID-CHEM GmbH de Bochum (Alemania). En su laboratorio interno disponen de numerosos métodos de análisis, como difracción de rayos X y láser, espectroscopia de vibraciones y de resonancia magnética nuclear, y microscopia, así como análisis térmicos con termogravimetría y calorimetría diferencial de barrido mediante un NETZSCH DSC 204 F1 Phoenix^®.

¿Cómo puede ayudar el análisis térmico?

El análisis térmico comprende una serie de métodos. Uno de ellos es la calorimetría diferencial de barrido (DSC), utilizada para comprobar si en un material se producen Transiciones de faseEl término transición de fase (o cambio de fase) se utiliza más comúnmente para describir las transiciones entre los estados sólido, líquido y gaseoso.transiciones de fase o reacciones químicas. Para ello, la muestra se somete a un programa de temperatura definido, es decir, la temperatura de la muestra aumenta o disminuye a un ritmo específico o se mantiene constante durante un tiempo determinado. Se mide el calor adsorbido (ExotérmicoUna transición de muestra o una reacción es exotérmica si se genera calor.exotérmico) o absorbido (EndotérmicoUna transición de muestra o una reacción es endotérmica si se necesita calor para la conversión.endotérmico). Esto permite extraer conclusiones sobre procesos químicos y físicos como la fusión, la CristalizaciónLa cristalización es el proceso físico de endurecimiento durante la formación y el crecimiento de cristales. Durante este proceso se libera calor de cristalización.cristalización o las transformaciones polimórficas.

Aparición y reconocimiento de formas polimórficas con el ejemplo del paracetamol

Se conocen tres polimorfos del principio activo paracetamol, un analgésico común:

1. Forma estable I (monoclínica)
2. Forma metaestable II (ortorrómbica) y
3. Forma inestable III

Las diferentes formas polimórficas pueden distinguirse bien mediante el análisis DSC.

En el siguiente ejemplo, 2,4 mg de paracetamol se calentaron dos veces de -20°C a 200°C en atmósfera de nitrógeno en crisoles de aluminio. El segmento de enfriamiento intermedio también se llevó a cabo a 10 K/min. En el primer calentamiento se observa un efecto EndotérmicoUna transición de muestra o una reacción es endotérmica si se necesita calor para la conversión.endotérmico con una temperatura de inicio extrapolada de 169°C. Esto se correlaciona bien con el Temperaturas y entalpías de fusiónLa entalpía de fusión de una sustancia, también conocida como calor latente, es una medida del aporte de energía, normalmente calor, que es necesario para convertir una sustancia del estado sólido al líquido. El punto de fusión de una sustancia es la temperatura a la que cambia de estado sólido (cristalino) a líquido (fusión isotrópica).punto de fusión de la forma I. Durante el siguiente paso de enfriamiento controlado (no mostrado aquí), no se produce CristalizaciónLa cristalización es el proceso físico de endurecimiento durante la formación y el crecimiento de cristales. Durante este proceso se libera calor de cristalización.cristalización. Esto significa que el paracetamol sigue siendo amorfo al comienzo del^segundo paso de calentamiento. Durante el^2º calentamiento, se produce primero una transición vítrea (small paso en la dirección endotérmica) como característica del estado amorfo, seguida de un efecto ExotérmicoUna transición de muestra o una reacción es exotérmica si se genera calor.exotérmico (con una temperatura pico de 82°C) relacionado con un proceso de frío o Postcristalización (cristalización en frío)La postcristalización de los plásticos semicristalinos se produce principalmente a temperaturas elevadas y una mayor movilidad molecular por encima de la transición vítrea.postcristalización. Estudios paralelos de DRX han demostrado que aquí se forma la forma III. Esta forma III se transforma en forma II al seguir calentándose (también confirmado por las investigaciones XRD), que finalmente funde a 157°C (temperatura de inicio extrapolada). El efecto ExotérmicoUna transición de muestra o una reacción es exotérmica si se genera calor.exotérmico a 133°C (temperatura de pico) se debe a la transformación estructural en la otra forma polimórfica. La temperatura inicial extrapolada de 157°C es característica de la forma II.

Como complemento a su artículo, hemos planteado al Dr. Schauerte algunas preguntas más:

NETZSCH: Dr. Schauerte, usted colabora estrechamente con las empresas farmacéuticas, prestando apoyo a los problemas que surgen durante el desarrollo y el procesamiento de principios activos farmacéuticos. ¿Cuáles son las preguntas más frecuentes de las empresas farmacéuticas y cómo pueden ayudar los métodos de análisis (térmico) a resolver estos problemas?

Dr. Carsten Schauerte: En cuanto a los sistemas polimórficos, las preguntas más frecuentes son:

• ¿Qué formas sólidas existen?
• ¿Cuáles son las propiedades de cada forma?

Especialmente en el caso de la primera pregunta, la respuesta no es fácil y deben planificarse y llevarse a cabo amplios experimentos con el subsiguiente análisis reticulado para describir el panorama del estado sólido de un candidato a fármaco con la mayor precisión posible. Esto depende siempre de cuánto tiempo y energía (y recursos financieros) se vayan a invertir. Los métodos analíticos son especialmente útiles en este caso para identificar y caracterizar nuevas formas polimórficas. Los análisis térmicos muestran el comportamiento térmico de las distintas formas (transiciones vítreas, fusión y CristalizaciónLa cristalización es el proceso físico de endurecimiento durante la formación y el crecimiento de cristales. Durante este proceso se libera calor de cristalización. cristalización y también desgasificación de líquidos), pero también aportan información sobre las posibles propiedades de transformación entre dos o más formas. Además, el DSC puede utilizarse, por ejemplo, como herramienta preparatoria para la generación de nuevas formas.

NETZSCH: Los elevados gastos de inversión en los que incurre una empresa farmacéutica hasta encontrar un principio activo comercializable implican que las cuestiones relacionadas con el derecho de patentes también forman parte de su ámbito de actuación. ¿Podría explicarnos brevemente de qué se trata principalmente y de qué manera contribuyen también los métodos analíticos (térmicos) a resolver estos problemas?

Dr. Carsten Schauerte: Las solicitudes de patentes sobre una forma sólida polimórfica suelen presentarse como seguimiento a la expiración de la patente de una sustancia y a menudo sirven para ampliar la protección de la patente para la sustancia activa. A continuación, otras empresas pueden impugnar esta nueva patente o comercializar una forma alternativa no protegida, e incluso protegerla ellas mismas. Los análisis térmicos también contribuyen aquí a la caracterización y asignación clara de formas. Además, al determinar el Temperaturas y entalpías de fusiónLa entalpía de fusión de una sustancia, también conocida como calor latente, es una medida del aporte de energía, normalmente calor, que es necesario para convertir una sustancia del estado sólido al líquido. El punto de fusión de una sustancia es la temperatura a la que cambia de estado sólido (cristalino) a líquido (fusión isotrópica).punto de fusión, por ejemplo, pueden aclarar la ventaja decisiva de una nueva forma frente a otras, lo que puede dar lugar a la obtención de una patente.

NETZSCH: Una última pregunta para usted, Dr. Schauerte: la calorimetría diferencial de barrido es uno de los métodos de análisis térmico más utilizados. ¿Dónde ve usted la fuerza de la DSC en sus aplicaciones?

Dr. Carsten Schauerte: Por muy importantes y valiosos que sean los métodos de difracción de rayos X, microscopía y espectroscopia vibracional, normalmente sólo proporcionan una instantánea, mientras que los métodos de análisis térmico presentan una imagen dinámica en un intervalo de temperatura definido. Esto es de suma importancia para nosotros, ya que los principios activos se manipulan no sólo a una temperatura muy específica, sino a múltiples temperaturas a lo largo del tiempo: Hay procesos de fabricación y formulación, así como rutas de almacenamiento y transporte, durante los cuales el principio activo respectivo está expuesto a temperaturas más altas o más bajas, y la forma en estado sólido seleccionada debe soportarlas. Para garantizar esto, necesitamos conocer y describir el comportamiento térmico del ingrediente activo o polimorfo con la mayor precisión posible para poder prevenir transformaciones de fase no deseadas.

NETZSCH: Dr. Schauerte, ¡muchas gracias por esta apasionante visión de su trabajo!