Johdanto
Vaikuttavien lääkeaineiden (API) ja apuaineiden stabiilisuus on suoraan yhteydessä niiden säilytysolosuhteisiin: Varastointi väärässä lämpötilassa (liian kylmässä tai liian lämpimässä) voi vaikuttaa niiden tehoon, turvallisuuteen ja säilyvyyteen. WHO:n (Maailman terveysjärjestö) ja ICH:n (International Council for Harmonisation of Technical Requirements for Human Use) ohjeissa kuvattujen lääkkeiden varastointistabiilisuutta koskevien testien suorittaminen vaatii vähintään 6 kuukautta. [1, 2]
Alustavat tiedot aineen säilyvyydestä tietyissä lämpötilaolosuhteissa voidaan saada ensimmäisten tuntien aikana. Tätä varten arvioidaan aineen hajoamisprosessin kinetiikkaa (terminen HajoamisreaktioHajoamisreaktio on kemiallisen yhdisteen lämpöreaktio, jossa muodostuu kiinteitä ja/tai kaasumaisia tuotteita. hajoaminen, desolvaatio, dehydraatio) ja käytetään sen käyttäytymisen määrittämiseksi pitkäaikaisisotermien aikana. Näin voidaan nopeasti suorittaa API:iden/ apuaineiden alustava lajittelu.
Seuraavassa määritetään kalsiumvetyfosfaattidihydraatin, CaHPO4-2H2O(kutsutaan myös DCP:ksi), dehydraatioreaktion kinetiikka. Tätä varten reaktiokinetiikkaa arvioidaan eri lämmitysnopeuksilla suoritettujen termogravimetristen mittausten avulla NETZSCH Kinetics Neo -ohjelmiston avulla.
Mittausolosuhteet
DCP on täyteaine, jota käytetään yleisesti taulukoinnissa. Mittauksissa käytetty aine saatiin ystävällisesti JRS Pharmalta (kauppanimi: Emcompress®). Kokeelliset olosuhteet on esitetty taulukossa 1.
Taulukko 1: Testiolosuhteet
Laite | TG 209 F1 Nevio kytketty FT-IR-laitteeseen bruker Opticsin spektrometriin (PERSEUS® kytkentä) | TG 209 F1 Nevio |
|---|---|---|
| Näyte | DCP Emcompress® (JRS Pharma) | |
| Näytteen massa | 3.71 mg | 3.71 mg-4,30 mg |
| Upokas | Suljettu Concavus® (Al), jossa on lävistetty kansi | |
| Lämpötilaohjelma | 30°C-300°C | |
| Lämmitysnopeus | 10 K/min | 1 K/min - 20 K/min |
Mittaustulokset
DCP:n TGA-FT-IR-mittaus
Kuvassa 1 esitetään massahäviökäyrä (vihreä) ja Gram Schmidtin kuvaaja (musta), jotka ovat tulosta DCP:n TGA-FTIR-mittauksesta. Gram Schmidt -käyrä osoittaa lämpötila-alueet, joilla vapautuvia kaasuja havaittiin. Huoneenlämpötilan ja 300 °C:n välillä on havaittavissa kolme massahäviöaskelta, jotka vastaavat kolmea maksimia Gram-Schmidtin kuvaajassa. Mitattu jäännösmassa 79 % vastaa teoreettista jäännösmassaa sen jälkeen, kun DCP:stä on hävinnyt 2H2O:ta.
Kuumennuksen aikana vapautuvien tuotteiden FT-IR-spektrit analysoidaan sen tarkistamiseksi, vapautuuko tässä lämpötila-alueessa vain vettä vai myös muita komponentteja. Kuvassa 2 esitetään mittauksen aikana vapautuvien aineiden FT-IR-spektrit kolmiulotteisena näkymänä. Spektrien erottaminen eri lämpötiloissa osoittaa, että havaitut massahäviöaskeleet johtuvat ainoastaan veden kehittymisestä (ks. kuvat 3A, 3B ja 3C, 110 °C:n, 159 °C:n ja 205 °C:n lämpötiloissa vapautuvien aineiden FT-IR-spektrit sekä 3D, veden vertailuspektri EPA-NIST-kirjastosta).
Kirjallisuudesta [4] tiedetään, että pintavesi ja rakenteellinen vesi alkavat poistua kiderakenteesta noin 80 °C:n lämpötilassa, jolloin alkaa muodostua amorfinen faasi. Aineen määrä amorfisessa faasissa kasvaa hajoamisen aikana 200-220 °C:een asti ja vaihtelee lämmitysnopeuden mukaan.
Dehydraatioprosessin kineettinen analyysi
Kuvassa 4 esitetään DCP:n TGA-mittauskäyrät kuudella eri lämmitysnopeudella välillä 1-20 K/min. Kuten tässä kineettisessä prosessissa odotetaankin, massan häviämisvaiheet siirtyvät korkeampiin lämpötiloihin lämmitysnopeuden kasvaessa.
Tämä massahäviön vaiheiden riippuvuus lämmitysnopeudesta mahdollistaa TGA-käyrien käytön dehydraation kinetiikan analyysissä. Tähän käytettiin Kinetics Neo -ohjelmistoa ( NETZSCH-Gerätebau GmbH). Ohjelmalla voidaan määrittää kullekin yksittäiselle vaiheelle erilaisia reaktiotyyppejä, joilla on omat kineettiset parametrit, kuten aktivoitumisenergia, reaktiojärjestys ja esieksponentiaalikerroin. Tulosten perusteella Kinetics Neo pystyy simuloimaan reaktion (reaktiot) käyttäjän määrittelemille lämpötilaohjelmille, esim. pitkäaikaisisotermit tietyssä lämpötilassa.
Seuraavat havainnot auttavat määrittämään kinetiikan vaiheiden määrän ja tyypin.
- Kolmen massahäviön vaiheet viittaavat siihen, että prosessi etenee vähintään kolmen vaiheen aikana.
- Se, että käyrät pienellä lämmitysnopeudella leikkaavat käyrät suurella lämmitysnopeudella (ks. lämpötila-alue 150 °C-190 °C), on osoitus siitä, että reaktiovaihetta olisi kuvattava kilpailevalla tai rinnakkaisella reaktiomallilla.
- Kolmannen massahäviöaskeleen jälkeen massa jatkaa vähenemistään; tätä voidaan kuvata kinetiikan mallissa olevalla lisäaskeleella.
Lopulta todettiin, että seuraava malli kuvaa prosessia parhaiten:
- Reaktiovaihe A → B kuvaa TGA-käyrän ensimmäistä massahäviöaskelta ja johtuu pintaveden vapautumisesta.
Reaktiovaiheet
B → C → D
C → E
voivat vastata Rabatin et al. kuvaamia vaiheita. [3]:
CaHPO4 - 2H2O→ CaHPO4- xH2O+ (2-x)H2O(I)
H2O(I) →H2O(g)
, mikä johtaa erilaisten stoikiometristen vesimäärien muodostumiseen CaHPO4 -H2O:n kanssa [tuote D] ja CaHPO4 - yH2O:n kanssa [tuote E].
Lisäksi on alkanut kuumenemisnopeudesta riippuva amorfisen faasin muodostuminen. Mitä alhaisempi lämmitysnopeus on, sitä pidempään amorfinen faasi kestää. Eri lämmitysnopeuksista johtuva amorfisen faasin erilainen kesto voi olla syynä erilaisiin TGA-arvoihin 180 °C:ssa tapahtuneen toisen hajoamisvaiheen jälkeen, ja se voi olla syynä rinnakkaiseen hajoamiseen. Osoitteessa Kinetics Neo tuotteet D ja E kuvataan F:llä (F = D + E). - Kolmannen massahäviämisvaiheen havaintolämpötila on yhdenmukainen Rabatinin et al. [3] kuvaaman DTA-mittauksen kanssa, jossa havaittiin piikki 195 °C:ssa. Kirjoittajat yhdistivät tämän piikin seuraavaan mekanismiin: CaHPO4- xH2O→ CaHPO4 (amorfinen) + xH2O
Tämä puolestaan korreloi vaiheen F → G kanssa osoitteesta Kinetics Neo. - Reaktiovaihe G → H kuvaa jatkuvaa massan vähenemistä yli 200 °C:n lämpötilassa.
Kuvasta 5 käy ilmi, että mitatut TGA-käyrät sopivat hyvin yhteen Kinetics Neo laskettujen käyrien kanssa käyttäen kuvattua kinetiikkamallia. Mitattujen ja laskettujen käyrien välinen korrelaatiokerroin on 0,999.
Kunkin reaktiovaiheen parametrit, jotka on laskettu Kinetics Neo -ohjelmalla, on esitetty taulukossa 2.
Taulukko 2: Reaktiovaiheiden kineettiset parametrit
| Reaktiovaihe | A → B | B → C | C → D | D → E | F (D+E) → G | G → H |
| Reaktiotyyppi | n:nnen kertaluvun kanssa autokatalyysi | n:s järjestys | n:s järjestys | n:s järjestys | diffuusio | n:nnen kertaluvun |
| Aktivoitumisenergia [kJ-mol-1] | 144.8 | 104.2 | 111.3 | 50.7 | 611.9 | 19.9 |
| Log (esieksponentiaalinen tekijä) | 17.9 | 11.5 | 11.9 | 0.5 | 67.2 | 4.1 |
| Reaktiojärjestys | 1.59 | 0.43 | 0.91 | 0.01 | - | 3.17 |
| Maksu | 0.063 | 0.067 | 0.150 | 0.235 | 0.495 | 0.182 |
Kinetiikan arvioinnista näytteen käyttäytymisen ennustamiseen
Reaktiokinetiikan tunteminen mahdollistaa dehydraatioprosessin simuloinnin mille tahansa valitulle lämpötilaohjelmalle, mukaan lukien pitkäaikaiset isotermit.
Kuvassa 6 esitetään DCP:n dehydraatio kahden vuoden aikana eri varastointilämpötiloissa. Tämän simulaation mukaan massahäviö on yli 3 % kuuden kuukauden kuluttua 30 °C:n varastointilämpötilassa (punainen käyrä). Sen sijaan 50 °C:n lämpötilassa massahäviö on jo yli 5 % samassa ajassa (vaaleanoranssi).
Lisäksi osoitteessa Kinetics Neo on ilmastokartta, jossa otetaan huomioon viime vuosien keskimääräiset lämpötilamallit maailman eri alueilla, mukaan lukien lämpötilan vaihtelut vuoden aikana. Näiden tietojen avulla Kinetics Neo pystyy mukauttamaan näytteenottokäyttäytymistä koskevaa ennustettaan tietyn maan osalta. Esimerkiksi kuvissa 7 ja 8 esitetään kalsiumvetyfosfaattidihydraatin ennustekäyrät kahden vuoden ajalta Pariisissa (Ranska) ja Jakartassa (Indonesia). Odotetusti näytteen käyttäytyminen eroaa suuresti näiden kahden kaupungin välillä. Dehydraatio tapahtuu Jakartassa nopeammin korkeampien lämpötilojen vuoksi kuin Pariisissa.
Päätelmä
Termogravimetrian ja Kinetics Neo yhdistelmä on tehokas väline, jonka avulla saadaan alustavaa tietoa aineen stabiilisuudesta tietyissä varastointilämpötiloissa.
Sitä voidaan käyttää vaikuttavien farmaseuttisten aineiden (API) ja apuaineiden seulontaan uuden lääkevalmisteen kehittämisen aikana, jotta voidaan tehdä esivalinta pidempikestoisia säilyvyystutkimuksia varten.