Miten DSC auttaa vaikuttavien farmaseuttisten ainesosien karakterisoinnissa?

Tohtori Carsten Schauerte on SOLID-CHEM GmbH: n toinen perustaja ja toimitusjohtaja Bochumin biolääketieteellisessä keskuksessa Saksassa. Hän valmistui kemian kandidaatiksi Essenin yliopistosta, väitteli tohtoriksi vuonna 2004 ja työskenteli post doc -tutkijana Goethe-yliopistossa Frankfurt am Mainissa.

Vuonna 2010 perustetussa SOLID-CHEM GmbH:ssa painopistealueisiin kuuluvat kiteytymien, polymorfien, suolojen ja yhteiskiteiden analyysi- ja kehitysmenetelmät sekä amorfiset "seulonnat" ja hiukkasten tunnistaminen ja karakterisointi. SOLID-CHEM tarjoaa lisäksi laajan valikoiman analyysimenetelmiä ristisilloitetun kiinteän tilan analyyseihin.

Sairauksien hoitamiseksi lääketeollisuus pyrkii jatkuvasti tutkimaan uusia farmaseuttisia ainesosia (API), joilla on erityisiä, tarkoituksenmukaisia fysikaalis-kemiallisia ominaisuuksia, kuten kyky kiinnittyä reseptoriproteiineihin ja siten laukaista haluttuja solureaktioita. Kun aktiivinen lääkeaine on löydetty, haasteena on saada se imeytymään elimistöön. Avainsana tässä on liukoisuus. Lisäksi vaikuttava aine on saatava sopivaan annostelumuotoon, esim. tablettiin, kapseliin tai liuokseen. Lääkeaineen formulaatio sisältää yleensä myös apuaineita, jotka vaikuttavat esimerkiksi liukoisuuteen tai stabiilisuuteen. Materiaalien karakterisoinnilla on tärkeä rooli tässä vaiheessa. Monista erilaisista kiinteistä rakenteista (polymorfit, hydraatit, solvaatit ja amorfiset materiaalit) on tunnistettava ne, jotka takaavat valmisteen biologisen hyötyosuuden ja turvallisuuden.

Eri täydentäviä analyysimenetelmiä käytetään usein kunkin kiinteän olomuodon karakterisointiin. Vaikuttavien ainesosien, apuaineiden ja valmisteiden lämpöominaisuudet voidaan havaita DSC:n avulla. Tähän sisältyy sulamispisteen ja yleisten faasimuunnosten määrittäminen esimerkiksi DSC:n endotermisten signaalien avulla.

Kiteisten aineiden polymorfismi - tärkeää lääkkeen tehon kannalta

Monet kiteiset aineet pystyvät muodostamaan polymorfioita. Polymorfit ovat kemialliselta koostumukseltaan samanlaisia yhdisteitä, joille on ominaista molekyylien erilainen sijoittuminen kiteiden sisällä kiinteässä tilassa. Erilaisia polymorfimuotoja voidaan tuottaa asettamalla erilaisia parametreja kiteytymisprosessin aikana sulasta tai liuoksesta. Ne voivat muodostua myös kiinteän aineen ja kiinteän aineen faasimuunnosten kautta. Näitä voivat edistää kosteus tai erilaiset paineet, mutta erityisesti tietyt lämpötilat tai lämpötilagradientit. Polymorfien väliset molekyylitason erot voivat aiheuttaa eroja myös makroskooppisella tasolla. Polymorfit voivat siis eri kidemuodoissaan osoittaa erilaisia fysikaalisia ominaisuuksia. Näihin kuuluvat muun muassa erilainen liukoisuus ja siten mahdollisesti muuttunut biologinen hyötyosuus.

Sellaisen vakaan polymorfin löytäminen, jolla on halutut teho-ominaisuudet, on kuitenkin hyvin aikaa vievää. Vaikka lupaava aine löytyisikin, vain yksi monista tuhansista vaikuttavista aineista "selviää" testivaiheesta ja onnistuu tulemaan myyntikelpoiseksi lääkkeeksi. Lääkeyritykset patentoivat siksi myös tällaiset lupaavat vaikuttavat aineet, jotta voidaan taata yksinomainen markkinoitavuus.

Analyysi hyödyllisenä työkaluna lääkkeiden valmistuksen vianmäärityksessä

Perusteelliset laboratoriotutkimukset antavat tietoa kunkin polymorfisen muodon optimaalisista käsittelyparametreista, kuten liukoisuudesta, suositeltavasta kiteytysliuottimesta, optimoiduista pitoisuuksista sekaliuotinjärjestelmissä, kiteytysolosuhteista ja muusta. Jos lääkkeen teho ei kuitenkaan ole toivottu käytössä, on selvitettävä, missä käsittely- tai valmistuskohdassa ongelmat ilmenevät. Ehkä vaikuttava aine on muuttunut toiseen polymorfiseen muotoon tuotantoprosessin seurauksena tai ei-toivotun vuorovaikutuksen seurauksena apuaineiden kanssa, tai kenties ongelma johtuu tuotteessa olevasta epäpuhtaudesta? Tällaisissa tapauksissa lääkeyritykset turvautuvat usein erikoistuneiden sopimuslaboratorioiden, kuten Bochumissa, Saksassa sijaitsevan SOLID-CHEM GmbH:n, apuun. Yrityksen omassa laboratoriossa on käytettävissä laajoja analyysimenetelmiä, kuten röntgen- ja laserdiffraktio, värähtely- ja ydinmagneettisen resonanssin spektroskopia, mikroskopia sekä lämpöanalyysi termogravimetrialla ja differentiaalinen pyyhkäisykalorimetria NETZSCH DSC 204 F1 Phoenix^®-laitteella.

Miten lämpöanalyysi voi auttaa?

Lämpöanalyysi käsittää useita menetelmiä. Yksi niistä on differentiaalinen pyyhkäisykalorimetria (DSC), jolla testataan, tapahtuuko materiaalissa faasisiirtymiä tai kemiallisia reaktioita. Tätä varten näytteeseen sovelletaan määriteltyä lämpötilaohjelmaa, eli näytteen lämpötilaa nostetaan tai lasketaan tietyllä nopeudella tai se jätetään vakioksi tietyksi ajaksi. Adsorboitunut (EksoterminenNäytteen siirtyminen tai reaktio on eksoterminen, jos siinä syntyy lämpöä.eksoterminen) tai absorboitunut (EndoterminenNäytteen siirtyminen tai reaktio on endoterminen, jos muuntumiseen tarvitaan lämpöä.endoterminen) lämpö mitataan. Näin voidaan tehdä päätelmiä kemiallisista ja fysikaalisista prosesseista, kuten sulamisesta, kiteytymisestä tai polymorfisista muunnoksista.

Polymorfisten muotojen esiintyminen ja tunnistaminen parasetamolin esimerkin avulla

Paracetamolin, joka on yleinen kipulääke, vaikuttavasta aineesta tunnetaan kolme polymorfia:

1. Vakaa muoto I (monokliininen)
2. Metastabiili muoto II (ortorhombinen) ja
3. Epävakaa muoto III

Eri polymorfiset muodot voidaan hyvin erottaa toisistaan DSC-analyysin avulla.

Seuraavassa esimerkissä 2,4 mg parasetamolia kuumennettiin kahdesti -20 °C:sta 200 °C:seen typpi-ilmakehässä alumiinisissa upokkaissa. Välissä oleva jäähdytysjakso suoritettiin myös nopeudella 10 K/min. Ensimmäisessä lämmityksessä voidaan havaita EndoterminenNäytteen siirtyminen tai reaktio on endoterminen, jos muuntumiseen tarvitaan lämpöä.endoterminen vaikutus, jonka ekstrapoloitu alkamislämpötila on 169 °C. Tämä korreloi hyvin muodon I sulamispisteen kanssa. Seuraavassa kontrolloidussa jäähdytysvaiheessa (ei kuvassa) ei tapahdu kiteytymistä. Tämä tarkoittaa, että parasetamoli on edelleen amorfinen^toisen lämmitysvaiheen alussa.^Toisen lämmityksen aikana tapahtuu ensin lasisiirtymä (small askel endotermiseen suuntaan), joka on ominaista amorfiselle tilalle, ja sen jälkeen EksoterminenNäytteen siirtyminen tai reaktio on eksoterminen, jos siinä syntyy lämpöä.eksoterminen vaikutus (huippulämpötila 82 °C), joka liittyy kylmä- tai jälkikiteytymisprosessiin. Rinnakkaiset XRD-tutkimukset ovat osoittaneet, että tässä muodostuu muoto III. Tämä muoto III muuttuu muotoon II kuumentuessaan edelleen (myös XRD-tutkimukset vahvistavat tämän), joka lopulta sulaa 157 °C:ssa (ekstrapoloitu alkamislämpötila). EksoterminenNäytteen siirtyminen tai reaktio on eksoterminen, jos siinä syntyy lämpöä.Eksoterminen vaikutus 133 °C:ssa (huippulämpötila) johtuu rakenteellisesta muuntumisesta toiseen polymorfiseen muotoon. Ekstrapoloitu alkulämpötila 157 °C on ominaista muodolle II.

Kysyimme tohtori Schauertea muutamalla lisäkysymyksellä, jotka täydentävät hänen artikkeliaan:

NETZSCH: Tohtori Schauerte, Teet tiivistä yhteistyötä lääkeyritysten kanssa ja tarjoat tukea lääkkeiden vaikuttavien aineiden kehittämisen ja käsittelyn aikana ilmeneviin ongelmiin. Mitkä ovat lääkeyritysten yleisimmät kysymykset ja miten (lämpö)analyysimenetelmät voivat auttaa näiden ongelmien ratkaisemisessa?

Dr. Carsten Schauerte: Polymorfisten järjestelmien osalta yleisimmät kysymykset ovat seuraavat:

• Mitä kiinteitä muotoja on olemassa?
• Mitkä ovat kyseisten muotojen ominaisuudet?

Erityisesti ensimmäiseen kysymykseen vastaaminen ei ole helppoa, ja lääkekandidaatin kiinteän olomuodon kuvaamiseksi mahdollisimman tarkasti on suunniteltava ja tehtävä laajoja kokeita, joihin liittyy myöhempi ristisilloitusanalyysi. Tämä riippuu aina siitä, kuinka paljon aikaa ja energiaa (ja taloudellisia resursseja) on tarkoitus käyttää. Analyyttiset menetelmät ovat tässä yhteydessä erityisen hyödyllisiä uusien polymorfisten muotojen tunnistamisessa ja luonnehtimisessa. Lämpöanalyysit osoittavat eri muotojen lämpökäyttäytymisen (lasisiirtymät, Sulamislämpötilat ja lämpöarvotAineen fuusioentalpia, joka tunnetaan myös latenttina lämpönä, on mitta, jolla mitataan energiapanosta, yleensä lämpöä, joka tarvitaan aineen muuttamiseksi kiinteästä olomuodosta nestemäiseksi. Aineen sulamispiste on lämpötila, jossa aine vaihtaa olomuotoaan kiinteästä olomuodosta (kiteinen) nestemäiseksi olomuodoksi (isotrooppinen sula).sulaminen ja KiteytyminenKiteytyminen on fysikaalinen kovettumisprosessi, joka tapahtuu kiteiden muodostuessa ja kasvaessa. Tämän prosessin aikana vapautuu kiteytymislämpöä.kiteytyminen sekä nesteiden kaasunpoisto), mutta antavat myös tietoa mahdollisista transformaatio-ominaisuuksista kahden tai useamman muodon välillä. Lisäksi DSC:tä voidaan käyttää esimerkiksi preparatiivisena välineenä uusien muotojen tuottamisessa.

NETZSCH: Koska lääkeyritykselle aiheutuu suuria investointikustannuksia siihen asti, kunnes markkinoille saatava vaikuttava aine on löydetty, myös patenttioikeudelliset kysymykset kuuluvat toimialaanne. Voisitteko lyhyesti selittää, mistä tässä pääasiassa on kyse ja millä tavoin (lämpö)analyyttiset menetelmät auttavat myös näiden ongelmien ratkaisemisessa?

Tohtori Carsten Schauerte: Polymorfista kiinteää muotoa koskevat patenttihakemukset jätetään yleensä ainepatentin voimassaolon päättymisen jälkeen, ja niiden tarkoituksena on usein pidentää vaikuttavan aineen patenttisuojaa. Muut yritykset voivat sitten kiistää tämän uuden patentin tai markkinoida vaihtoehtoista, suojaamatonta muotoa ja mahdollisesti jopa suojata sen itse. Lämpöanalyysit edistävät myös tässä yhteydessä muotojen luonnehdintaa ja selkeää osoittamista. Lisäksi esimerkiksi sulamispisteen määrittämisen avulla ne voivat selventää uuden muodon ratkaisevaa etua muihin muotoihin nähden, mikä voi johtaa patentointiin.

NETZSCH: Viimeinen kysymys teille, tohtori Schauerte: Differentiaalinen pyyhkäisykalorimetria on yksi yleisimmin käytetyistä lämpöanalyysimenetelmistä. Missä näette DSC:n vahvuuden sovelluksissa?

Tohtori Carsten Schauerte: Niin tärkeitä ja arvokkaita kuin röntgendiffraktio-, mikroskopia- ja värähtelyspektroskopiamenetelmät ovatkin, ne antavat yleensä vain tilannekuvan, kun taas lämpöanalyysimenetelmät antavat dynaamisen kuvan määritellyllä lämpötila-alueella. Tämä on meille erittäin tärkeää, koska tehoaineita ei käsitellä vain yhdessä tietyssä lämpötilassa vaan useissa eri lämpötiloissa ajan kuluessa: On olemassa valmistus- ja formulointiprosesseja sekä varastointi- ja kuljetusreittejä, joiden aikana vaikuttava aine altistuu korkeammille tai matalammille lämpötiloille, ja valitun kiinteän olomuodon on kestettävä nämä lämpötilat. Tämän takaamiseksi meidän on tunnettava ja kuvattava vaikuttavan aineen tai polymorfin lämpökäyttäytyminen mahdollisimman tarkasti, jotta voimme estää ei-toivotut faasimuunnokset.

NETZSCH: Tohtori Schauerte, kiitos paljon tästä jännittävästä näkemyksestä työhönne!