Hogyan segít a DSC a gyógyszerhatóanyagok jellemzésében?

Dr. Carsten Schauerte a SOLID-CHEM GmbH társalapítója és ügyvezető igazgatója a bochumi Biomedical Centerben, Németországban. Az esseni egyetemen szerzett kémiai diplomát, 2004-ben doktorált, és posztdoktorként dolgozott a frankfurti Goethe Egyetemen.

A 2010-ben alapított SOLID-CHEM GmbH-nál a kristályosodások, polimorfok, sók és társkristályok elemzési és fejlesztési módszerei, valamint az amorf "szűrések" és a részecskék azonosítása és jellemzése tartoznak a fókuszterületek közé. A SOLID-CHEM emellett analitikai módszerek széles skáláját kínálja a keresztkötéses szilárdtest-elemzéshez.

A betegségek kezelésére a gyógyszeripar folyamatosan kutatja az új gyógyszerhatóanyagokat (API-k), amelyek specifikus, célzott fizikai-kémiai tulajdonságokkal rendelkeznek, például képesek receptorfehérjékhez kapcsolódni, és ezáltal a kívánt sejtreakciókat kiváltani. Ha már megtalálták a hatóanyagot, a kihívás az, hogy azt a szervezet számára felszívódóvá tegyék. A kulcsfogalom itt az oldhatóság. Ezenkívül a hatóanyagot megfelelő adagolási formába, pl. tablettába, kapszulába vagy oldatba kell hozni. A gyógyszer formulája általában segédanyagokat is tartalmaz, amelyek olyan funkciókat látnak el, mint az oldhatóság vagy a stabilitás pozitív befolyásolása. Ebben a lépésben fontos szerepet játszik az anyagok jellemzése. A szilárd szerkezetek (polimorfok, hidrátok, szolvátok és amorf anyagok) széles választékából kell azonosítani azokat, amelyek garantálják a termék biológiai hozzáférhetőségét és biztonságosságát.

Az adott szilárd testforma jellemzésére gyakran különböző, egymást kiegészítő analitikai módszereket alkalmaznak. A hatóanyagok, segédanyagok és formulák termikus tulajdonságai DSC-vel detektálhatók. Ez magában foglalja az Olvadási hőmérsékletek és EnthalpiákEgy anyag fúziós entalpiája, más néven látens hő, annak az energiabevitelnek, jellemzően hőnek a mértéke, amely ahhoz szükséges, hogy egy anyag szilárd állapotból folyékony állapotba kerüljön. Egy anyag olvadáspontja az a hőmérséklet, amelyen szilárd (kristályos) állapotból folyékony (izotróp olvadék) állapotot vált.olvadáspont és az általános fázisátalakulások meghatározását, pl. a DSC endoterm jelek révén.

A kristályos anyagok polimorfizmusa - fontos a gyógyszerhatékonyság szempontjából

Sok kristályos anyag képes polimorfot képezni. A polimorfok azonos kémiai összetételű vegyületek, amelyeket szilárd állapotban a molekulák eltérő elrendeződése jellemez a kristályokon belül. Az olvadékból vagy oldatból történő kristályosítási folyamat során különböző paraméterek beállításával különböző polimorf formák hozhatók létre. Szilárd-szilárd fázisátalakulások révén is kialakulhatnak. Ezeknek kedvezhet a nedvesség vagy a különböző nyomások, de különösen bizonyos hőmérsékletek vagy hőmérsékleti gradiensek. A polimorfok közötti molekuláris szintű különbségek makroszkopikus szinten is okozhatnak különbségeket. A polimorfok így különböző fizikai tulajdonságokkal rendelkezhetnek különböző kristályos formáikban. Ezek közé tartozik többek között az eltérő oldhatóság és ezáltal a biológiai hozzáférhetőség esetlegesen megváltozott volta.

A kívánt hatásossági tulajdonságokkal rendelkező stabil polimorf megtalálása azonban nagyon időigényes. Még ha sikerül is ígéretes anyagot találni, a több ezer hatóanyag közül csak egy "éli túl" a tesztelési fázist, és sikerül piacképes gyógyszerré válnia. Az ilyen ígéretes hatóanyagokat ezért a gyógyszeripari vállalatok szabadalmaztatják is, hogy garantálják a kizárólagos forgalmazhatóságot.

Az elemzés mint a gyógyszergyártás hibaelhárításának hasznos eszköze

A mélyreható laboratóriumi vizsgálatok információt nyújtanak az egyes polimorf formák optimális feldolgozási paramétereiről, például az oldhatóságról, az előnyben részesített kristályosítási oldószerről, a vegyes oldószeres rendszerekben optimális koncentrációkról, a kristályosítási feltételekről stb. Ha azonban egy gyógyszer a használat során nem mutatja a kívánt hatékonyságot, tisztázni kell, hogy a feldolgozás vagy az előállítás mely pontján jelentkeznek a problémák. Lehet, hogy a hatóanyag a gyártási folyamat vagy a segédanyagokkal való nemkívánatos kölcsönhatás következtében változott át egy másik polimorf formába, vagy esetleg a termékben lévő szennyeződés okozza a problémát? Ilyen esetekben a gyógyszeripari vállalatok gyakran veszik igénybe olyan speciális szerződéses laboratóriumok segítségét, mint a bochumi SOLID-CHEM GmbH. Házon belüli laboratóriumukban széleskörű vizsgálati módszerek állnak rendelkezésre, mint például röntgen- és lézerdiffrakció, RezgésA rezgés mechanikai folyamatát rezgésnek nevezzük. A rezgés olyan mechanikai jelenség, amelynek során egy egyensúlyi pont körül rezgések lépnek fel. A rezgés sok esetben nem kívánatos, energiát pazarol és nem kívánt hangot kelt. Például a motorok, villanymotorok vagy bármilyen működő mechanikus eszköz rezgő mozgása jellemzően nemkívánatos. Az ilyen rezgéseket a forgó alkatrészek kiegyensúlyozatlansága, az egyenetlen súrlódás vagy a fogaskerekek fogazása okozhatja. A gondos tervezés általában minimalizálja a nem kívánt rezgéseket.rezgés- és mágneses magrezonancia spektroszkópia, mikroszkópia, valamint termikus analízis termogravimetriával és differenciál pásztázó kalorimetria a NETZSCH DSC 204 F1 Phoenix^® segítségével.

Hogyan segíthet a hőelemzés?

A hőelemzés egy sor módszerből áll. Ezek egyike a differenciál pásztázó kalorimetria (DSC), amelyet annak vizsgálatára használnak, hogy egy anyagban fázisátalakulások vagy kémiai reakciók mennek-e végbe. Ehhez a mintát egy meghatározott hőmérsékleti programnak vetik alá, azaz a minta hőmérsékletét meghatározott ütemben növelik vagy csökkentik, vagy egy bizonyos ideig állandó értéken hagyják. Az adszorbeált (ExotermikusEgy mintaátalakulás vagy reakció exoterm, ha hő keletkezik.exotermikus) vagy abszorbeált (EndotermikusEgy mintaátalakulás vagy reakció endoterm, ha az átalakuláshoz hőre van szükség.endotermikus) hőt mérik. Ez lehetővé teszi az olyan kémiai és fizikai folyamatokra, mint az Olvadási hőmérsékletek és EnthalpiákEgy anyag fúziós entalpiája, más néven látens hő, annak az energiabevitelnek, jellemzően hőnek a mértéke, amely ahhoz szükséges, hogy egy anyag szilárd állapotból folyékony állapotba kerüljön. Egy anyag olvadáspontja az a hőmérséklet, amelyen szilárd (kristályos) állapotból folyékony (izotróp olvadék) állapotot vált.olvadás, KristályosodásA kristályosodás a kristályok kialakulása és növekedése során végbemenő fizikai folyamat. E folyamat során kristályosodási hő szabadul fel.kristályosodás vagy polimorf átalakulás, vonatkozó következtetések levonását.

A polimorf formák előfordulása és felismerése a paracetamol példáján keresztül

A paracetamol hatóanyagnak, egy gyakori fájdalomcsillapítónak három polimorfja ismert:

1. Stabil I. forma (monoklin)
2. II. metastabil forma (orthorombikus) és
3. Instabil III. forma

A különböző polimorf formák DSC-elemzéssel jól megkülönböztethetők.

A következő példában 2,4 mg paracetamolt kétszer -20°C-ról 200°C-ra melegítettünk nitrogén atmoszférában alumíniumtégelyben. A közbeeső hűtési szakaszt szintén 10 K/perc sebességgel végeztük. Az első melegítésnél EndotermikusEgy mintaátalakulás vagy reakció endoterm, ha az átalakuláshoz hőre van szükség.endotermikus hatás figyelhető meg 169°C-os extrapolált kezdőhőmérséklettel. Ez jól korrelál az I. forma olvadáspontjával. Az ezt követő szabályozott hűtési lépés során (itt nem látható) nem történik KristályosodásA kristályosodás a kristályok kialakulása és növekedése során végbemenő fizikai folyamat. E folyamat során kristályosodási hő szabadul fel.kristályosodás. Ez azt jelenti, hogy a paracetamol a^2. fűtési lépés kezdetén még mindig amorf. A^2. fűtés során először az amorf állapot jellemzőjeként üvegesedési átmenet (small lépés EndotermikusEgy mintaátalakulás vagy reakció endoterm, ha az átalakuláshoz hőre van szükség.endotermikus irányban) következik be, amelyet egy ExotermikusEgy mintaátalakulás vagy reakció exoterm, ha hő keletkezik.exotermikus hatás követ (82 °C-os csúcshőmérséklettel), amely a hideg- vagy posztkristályosodási folyamathoz kapcsolódik. Párhuzamos XRD-vizsgálatok kimutatták, hogy itt a III. forma képződik. Ez a III. forma további melegítés hatására átalakul a II. formává (amit XRD-vizsgálatok is megerősítenek), amely végül 157°C-on (extrapolált kezdeti hőmérséklet) olvad meg. A 133°C-on (csúcshőmérséklet) bekövetkező ExotermikusEgy mintaátalakulás vagy reakció exoterm, ha hő keletkezik.exotermikus hatás a másik polimorf formává történő szerkezeti átalakulásnak köszönhető. Az extrapolált 157°C-os kezdeti hőmérséklet a II. formára jellemző.

Dr. Schauerte-nek feltettünk még néhány kérdést, hogy kiegészítsük a cikkét:

NETZSCH: Dr. Schauerte, Ön szorosan együttműködik a gyógyszeripari vállalatokkal, és támogatást nyújt a gyógyszeripari hatóanyagok fejlesztése és feldolgozása során felmerülő problémákban. Melyek a gyógyszeripari vállalatok által leggyakrabban feltett kérdések, és hogyan segíthetnek a (termikus) analitikai módszerek e problémák megoldásában?

Dr. Carsten Schauerte: A polimorf rendszerek tekintetében a leggyakrabban feltett kérdések a következők:

• Milyen szilárd formák léteznek?
• Milyen tulajdonságokkal rendelkeznek az egyes formák?

Különösen az első kérdésre nem könnyű a válasz, és kiterjedt kísérleteket kell tervezni és elvégezni az ezt követő keresztkötéses elemzéssel, hogy a lehető legpontosabban leírjuk egy gyógyszerjelölt szilárd halmazállapotú tájképét. Ez mindig attól függ, hogy mennyi időt és energiát (és pénzügyi forrást) kell befektetni. Az analitikai módszerek itt különösen hasznosak az új polimorf formák azonosítására és jellemzésére. A termikus elemzések megmutatják a különböző formák termikus viselkedését (üvegesedés, Olvadási hőmérsékletek és EnthalpiákEgy anyag fúziós entalpiája, más néven látens hő, annak az energiabevitelnek, jellemzően hőnek a mértéke, amely ahhoz szükséges, hogy egy anyag szilárd állapotból folyékony állapotba kerüljön. Egy anyag olvadáspontja az a hőmérséklet, amelyen szilárd (kristályos) állapotból folyékony (izotróp olvadék) állapotot vált.olvadás és KristályosodásA kristályosodás a kristályok kialakulása és növekedése során végbemenő fizikai folyamat. E folyamat során kristályosodási hő szabadul fel.kristályosodás, valamint a folyadékok kiáramlása), de információt szolgáltatnak a két vagy több forma közötti lehetséges átalakulási tulajdonságokról is. Ezen túlmenően a DSC például új formák előállítására szolgáló preparatív eszközként is használható.

NETZSCH: A gyógyszergyártó cégeknél a piacképes hatóanyag megtalálásáig felmerülő magas beruházási kiadások miatt a szabadalmi jogi kérdések is az Ön hatáskörébe tartoznak. Elmagyarázná röviden, hogy miről van szó elsősorban, és hogy a (termikus) analitikai módszerek milyen módon járulnak hozzá e problémák megoldásához is?

Dr. Carsten Schauerte: A polimorf szilárd formára vonatkozó szabadalmi kérelmeket általában egy anyagszabadalom lejárta után nyújtják be, és gyakran a hatóanyag szabadalmi oltalmának meghosszabbítására szolgálnak. Más vállalatok ezt követően megtámadhatják ezt az új szabadalmat, vagy egy alternatív, nem védett formát hozhatnak forgalomba, esetleg maguk is védetté tehetik azt. A termikus elemzések itt is hozzájárulnak a formák jellemzéséhez és egyértelmű hozzárendeléséhez. Sőt, például az Olvadási hőmérsékletek és EnthalpiákEgy anyag fúziós entalpiája, más néven látens hő, annak az energiabevitelnek, jellemzően hőnek a mértéke, amely ahhoz szükséges, hogy egy anyag szilárd állapotból folyékony állapotba kerüljön. Egy anyag olvadáspontja az a hőmérséklet, amelyen szilárd (kristályos) állapotból folyékony (izotróp olvadék) állapotot vált.olvadáspont meghatározásával tisztázhatják egy új forma döntő előnyét más formákkal szemben, ami szabadalmaztatáshoz vezethet.

NETZSCH: Még egy utolsó kérdés Önhöz, Dr. Schauerte: A differenciál pásztázó kalorimetria az egyik leggyakrabban alkalmazott hőelemzési módszer. Ön hol látja a DSC erősségét az alkalmazásokban?

Dr. Carsten Schauerte: Bármennyire is fontosak és értékesek a röntgendiffrakciós, mikroszkópiai és rezgésspektroszkópiai módszerek, ezek általában csak egy pillanatfelvételt adnak, míg a hőelemzési módszerek egy meghatározott hőmérséklet-tartományban dinamikus képet mutatnak. Ez számunkra rendkívül fontos, mivel a hatóanyagokat nem csak egy nagyon meghatározott hőmérsékleten, hanem az idő múlásával több hőmérsékleten is kezelik: Vannak olyan gyártási és formulázási folyamatok, valamint tárolási és szállítási útvonalak, amelyek során az adott hatóanyag magasabb vagy alacsonyabb hőmérsékletnek van kitéve, és a kiválasztott szilárd halmazállapotú formának ezeknek ellen kell állnia. Ennek biztosításához a lehető legpontosabban ismernünk és leírnunk kell a hatóanyag vagy polimorf hőviselkedését, hogy megelőzhessük a nemkívánatos fázisátalakulásokat.

NETZSCH: Dr. Schauerte, köszönjük szépen ezt az izgalmas betekintést a munkájába!