Come il DSC aiuta a caratterizzare i principi attivi farmaceutici

Carsten Schauerte è cofondatore e amministratore delegato di SOLID-CHEM GmbH presso il Centro Biomedico di Bochum, in Germania. Si è laureato in Chimica all'Università di Essen, ha conseguito il dottorato nel 2004 e ha lavorato come postdoc presso la Goethe University di Francoforte sul Meno.

Presso SOLID-CHEM GmbH, fondata nel 2010, le aree di interesse includono metodi di analisi e sviluppo per cristallizzazioni, polimorfi, sali e co-cristalli, nonché "screening" amorfi e identificazione e caratterizzazione di particelle. SOLID-CHEM offre inoltre un'ampia gamma di metodi analitici per l'analisi dello stato solido reticolato.

Per il trattamento delle malattie, l'industria farmaceutica è alla continua ricerca diarch nuovi ingredienti farmaceutici (API) caratterizzati da proprietà fisico-chimiche specifiche, determinate dallo scopo, come la capacità di agganciarsi alle proteine recettoriali e quindi di innescare le reazioni cellulari desiderate. Una volta trovato un farmaco attivo, la sfida consiste nel renderlo assorbibile dall'organismo. Il termine chiave è solubilità. Inoltre, l'ingrediente attivo deve essere inserito in una forma di dosaggio appropriata, ad esempio una compressa, una capsula o una soluzione. La formulazione del farmaco contiene solitamente anche eccipienti, che svolgono funzioni quali l'influenza positiva sulla solubilità o sulla stabilità. La caratterizzazione dei materiali svolge un ruolo importante in questa fase. Tra l'ampia varietà di strutture solide (polimorfi, idrati, solvati e materiali amorfi), devono essere identificate quelle che garantiscono la biodisponibilità e la sicurezza del prodotto.

Per la caratterizzazione della rispettiva forma solida vengono spesso utilizzati diversi metodi analitici complementari. Le proprietà termiche di principi attivi, eccipienti e formulazioni possono essere rilevate mediante DSC. Ciò include la determinazione del Temperature di fusione ed entalpieL'entalpia di fusione di una sostanza, nota anche come calore latente, è una misura dell'apporto di energia, tipicamente calore, necessario per convertire una sostanza dallo stato solido a quello liquido. Il punto di fusione di una sostanza è la temperatura alla quale essa cambia stato da solido (cristallino) a liquido (fusione isotropa).punto di fusione e delle trasformazioni di fase generali, ad esempio attraverso segnali endotermici nel DSC.

Polimorfismo delle sostanze cristalline - Importante per l'efficacia dei farmaci

Molte sostanze cristalline sono in grado di formare polimorfi. I polimorfi sono composti della stessa composizione chimica, caratterizzati da una diversa disposizione delle molecole all'interno dei cristalli allo stato solido. Forme polimorfe diverse possono essere generate impostando parametri diversi durante il processo di CristallizzazioneLa cristallizzazione è il processo fisico di indurimento durante la formazione e la crescita dei cristalli. Durante questo processo viene rilasciato il calore di cristallizzazione.cristallizzazione dallaTemperature di fusione ed entalpieL'entalpia di fusione di una sostanza, nota anche come calore latente, è una misura dell'apporto di energia, tipicamente calore, necessario per convertire una sostanza dallo stato solido a quello liquido. Il punto di fusione di una sostanza è la temperatura alla quale essa cambia stato da solido (cristallino) a liquido (fusione isotropa). fusione o dalla soluzione. Possono anche formarsi per trasformazioni di fase solido-solido. Queste possono essere favorite dall'umidità o da pressioni diverse, ma soprattutto da determinate temperature o gradienti di temperatura. Le differenze a livello molecolare tra i polimorfi possono causare differenze anche a livello macroscopico. I polimorfi possono quindi presentare proprietà fisiche diverse nelle loro varie forme cristalline. Queste includono, tra l'altro, una diversa solubilità e quindi una possibile alterazione della biodisponibilità.

Tuttavia, trovare un polimorfo stabile con le proprietà di efficacia desiderate richiede molto tempo. Anche quando si trova una sostanza promettente, solo uno su migliaia di principi attivi "sopravvive" alla fase di test e riesce a diventare un farmaco commercializzabile. Tali principi attivi promettenti vengono quindi brevettati dalle aziende farmaceutiche per garantirne l'esclusiva commerciabilità.

L'analisi come strumento utile per la risoluzione dei problemi nella produzione di farmaci

Approfonditi studi di laboratorio forniscono informazioni sui parametri di lavorazione ottimali per ciascuna forma polimorfa, come la solubilità, il solvente di CristallizzazioneLa cristallizzazione è il processo fisico di indurimento durante la formazione e la crescita dei cristalli. Durante questo processo viene rilasciato il calore di cristallizzazione.cristallizzazione preferito, le concentrazioni ottimizzate in sistemi di solventi misti, le condizioni di CristallizzazioneLa cristallizzazione è il processo fisico di indurimento durante la formazione e la crescita dei cristalli. Durante questo processo viene rilasciato il calore di cristallizzazione.cristallizzazione e altro ancora. Se un farmaco, tuttavia, non mostra l'efficacia desiderata durante l'uso, è necessario chiarire in quale punto della lavorazione o della preparazione si verificano i problemi. Forse l'ingrediente attivo è passato a un'altra forma polimorfa a causa del processo di produzione o di un'interazione indesiderata con gli eccipienti, o forse il problema è causato da un'impurità nel prodotto? In questi casi, le aziende farmaceutiche ricorrono spesso all'assistenza di laboratori specializzati a contratto, come SOLID-CHEM GmbH di Bochum, in Germania. Nel loro laboratorio interno sono disponibili numerosi metodi di analisi, come la diffrazione a raggi X e laser, la spettroscopia a VibrazioniUn processo meccanico di oscillazione è chiamato vibrazione. La vibrazione è un fenomeno meccanico in cui si verificano oscillazioni intorno a un punto di equilibrio. In molti casi, le vibrazioni sono indesiderate, perché sprecano energia e creano suoni indesiderati. Ad esempio, i movimenti vibratori dei motori, dei motori elettrici o di qualsiasi dispositivo meccanico in funzione sono tipicamente indesiderati. Tali vibrazioni possono essere causate da squilibri nelle parti rotanti, da attriti non uniformi o dall'ingranamento dei denti degli ingranaggi. In genere, una progettazione accurata riduce al minimo le vibrazioni indesiderate.vibrazione e a risonanza magnetica nucleare, la microscopia e l'analisi termica con termogravimetria e calorimetria differenziale a scansione mediante un DSC 204 NETZSCH F1 Phoenix^® .

Come può essere utile l'analisi termica?

L'analisi termica comprende una serie di metodi. Uno di questi è la calorimetria differenziale a scansione (DSC), utilizzata per verificare se in un materiale avvengono Transizioni di faseIl termine transizione di fase (o cambiamento di fase) è più comunemente usato per descrivere le transizioni tra gli stati solido, liquido e gassoso.transizioni di fase o reazioni chimiche. A tal fine, il campione viene sottoposto a un programma di temperatura definito, cioè la temperatura del campione viene aumentata o diminuita a una velocità specifica o lasciata costante per un certo tempo. Viene misurato il calore adsorbito (EsotermicoUna transizione campionaria o una reazione è esotermica se viene generato calore.esotermico) o assorbito (EndotermicoUna transizione campionaria o una reazione è endotermica se per la conversione è necessario il calore.endotermico). Ciò consente di trarre conclusioni su processi chimici e fisici come laTemperature di fusione ed entalpieL'entalpia di fusione di una sostanza, nota anche come calore latente, è una misura dell'apporto di energia, tipicamente calore, necessario per convertire una sostanza dallo stato solido a quello liquido. Il punto di fusione di una sostanza è la temperatura alla quale essa cambia stato da solido (cristallino) a liquido (fusione isotropa). fusione, la CristallizzazioneLa cristallizzazione è il processo fisico di indurimento durante la formazione e la crescita dei cristalli. Durante questo processo viene rilasciato il calore di cristallizzazione.cristallizzazione o le trasformazioni polimorfiche.

L'occorrenza e il riconoscimento di forme polimorfiche con l'esempio del paracetamolo

Sono noti tre polimorfi del principio attivo paracetamolo, un comune antidolorifico:

1. Forma stabile I (monoclino)
2. Forma metastabile II (ortorombica) e
3. Forma instabile III

Le diverse forme polimorfiche possono essere ben distinte mediante analisi DSC.

Nell'esempio seguente, 2,4 mg di paracetamolo sono stati riscaldati due volte da -20°C a 200°C in atmosfera di azoto in crogioli di alluminio. Anche il segmento di raffreddamento intermedio è stato effettuato a 10 K/min. Nel primo riscaldamento, si può notare un effetto EndotermicoUna transizione campionaria o una reazione è endotermica se per la conversione è necessario il calore.endotermico con una temperatura di insorgenza estrapolata di 169°C. Questo dato si correla bene con laTemperature di fusione ed entalpieL'entalpia di fusione di una sostanza, nota anche come calore latente, è una misura dell'apporto di energia, tipicamente calore, necessario per convertire una sostanza dallo stato solido a quello liquido. Il punto di fusione di una sostanza è la temperatura alla quale essa cambia stato da solido (cristallino) a liquido (fusione isotropa). temperatura di fusione. Questo valore corrisponde al Temperature di fusione ed entalpieL'entalpia di fusione di una sostanza, nota anche come calore latente, è una misura dell'apporto di energia, tipicamente calore, necessario per convertire una sostanza dallo stato solido a quello liquido. Il punto di fusione di una sostanza è la temperatura alla quale essa cambia stato da solido (cristallino) a liquido (fusione isotropa).punto di fusione della forma I. Durante la successiva fase di raffreddamento controllato (non mostrata qui), non avviene alcuna CristallizzazioneLa cristallizzazione è il processo fisico di indurimento durante la formazione e la crescita dei cristalli. Durante questo processo viene rilasciato il calore di cristallizzazione.cristallizzazione. Ciò significa che il paracetamolo è ancora amorfo all'inizio della^seconda fase di riscaldamento. Durante il^secondo riscaldamento, si verifica dapprima una transizione vetrosa (small passo in direzione endotermica) come caratteristica dello stato amorfo, seguita da un effetto EsotermicoUna transizione campionaria o una reazione è esotermica se viene generato calore.esotermico (con un picco di temperatura di 82°C) legato a un processo diCristallizzazioneLa cristallizzazione è il processo fisico di indurimento durante la formazione e la crescita dei cristalli. Durante questo processo viene rilasciato il calore di cristallizzazione. cristallizzazione a freddo o Post-cristallizzazione (cristallizzazione a freddo)La post-cristallizzazione delle plastiche semicristalline avviene principalmente a temperature elevate e con una maggiore mobilità molecolare al di sopra della transizione vetrosa.post-cristallizzazione. Studi paralleli di XRD hanno dimostrato che qui si forma la forma III. Questa forma III si trasforma in forma II con un ulteriore riscaldamento (confermato anche dalle indagini XRD), che infine fonde a 157°C (temperatura di insorgenza estrapolata). L'effetto EsotermicoUna transizione campionaria o una reazione è esotermica se viene generato calore.esotermico a 133°C (temperatura di picco) è dovuto alla trasformazione strutturale nell'altra forma polimorfica. La temperatura iniziale estrapolata di 157°C è caratteristica della forma II.

Abbiamo posto al Dr. Schauerte alcune altre domande a completamento del suo articolo:

NETZSCH: Dottor Schauerte, Lei collabora strettamente con le aziende farmaceutiche, fornendo assistenza per i problemi incontrati durante lo sviluppo e la lavorazione dei principi attivi farmaceutici. Quali sono le domande più frequenti delle aziende farmaceutiche e come i metodi di analisi (termica) possono aiutare a risolvere questi problemi?

Dr. Carsten Schauerte: In termini di sistemi polimorfici, le domande più frequenti sono:

• Quali forme solide esistono?
• Quali sono le proprietà delle rispettive forme?

Soprattutto per la prima domanda, la risposta non è facile e occorre pianificare ed eseguire esperimenti approfonditi con successiva analisi dei legami incrociati per descrivere il paesaggio allo stato solido di un candidato farmaco nel modo più accurato possibile. Ciò dipende sempre dalla quantità di tempo ed energia (e di risorse finanziarie) da investire. I metodi analitici sono particolarmente utili per identificare e caratterizzare nuove forme polimorfiche. Le analisi termiche mostrano il comportamento termico delle diverse forme (transizioni vetrose, fusione eCristallizzazioneLa cristallizzazione è il processo fisico di indurimento durante la formazione e la crescita dei cristalli. Durante questo processo viene rilasciato il calore di cristallizzazione. cristallizzazione e anche degassamento dei liquidi), ma forniscono anche informazioni sulle potenziali proprietà di trasformazione tra due o più forme. Inoltre, la DSC può essere utilizzata, ad esempio, come strumento preparatorio per la generazione di nuove forme.

NETZSCH: Le elevate spese di investimento sostenute da un'azienda farmaceutica fino all'individuazione di un principio attivo commercializzabile fanno sì che anche le questioni di diritto brevettuale rientrino nel vostro campo di applicazione. Potrebbe spiegare brevemente di cosa si tratta e in che modo i metodi analitici (termici) contribuiscono a risolvere questi problemi?

Dr. Carsten Schauerte: Le domande di brevetto per una forma solida polimorfa vengono solitamente presentate in seguito alla scadenza del brevetto di una sostanza e spesso servono a estendere la protezione del brevetto per il principio attivo. Altre aziende possono quindi contestare questo nuovo brevetto o commercializzare una forma alternativa, non protetta, eventualmente anche protetta da loro stesse. Anche le analisi termiche contribuiscono alla caratterizzazione e alla chiara assegnazione delle forme. Inoltre, determinando il Temperature di fusione ed entalpieL'entalpia di fusione di una sostanza, nota anche come calore latente, è una misura dell'apporto di energia, tipicamente calore, necessario per convertire una sostanza dallo stato solido a quello liquido. Il punto di fusione di una sostanza è la temperatura alla quale essa cambia stato da solido (cristallino) a liquido (fusione isotropa).punto di fusione, ad esempio, possono chiarire il vantaggio decisivo di una nuova forma rispetto ad altre, che può portare al brevetto.

NETZSCH: Un'ultima domanda, dottor Schauerte: la calorimetria differenziale a scansione è uno dei metodi di analisi termica più utilizzati. Dove vede la forza della DSC nelle sue applicazioni?

Dr. Carsten Schauerte: Per quanto importanti e preziosi siano i metodi di diffrazione dei raggi X, microscopia e spettroscopia vibrazionale, di solito forniscono solo un'istantanea, mentre i metodi di analisi termica presentano un quadro dinamico in un intervallo di temperatura definito. Questo aspetto è di estrema importanza per noi, poiché gli ingredienti attivi non vengono trattati solo a una temperatura specifica, ma a più temperature nel corso del tempo: Ci sono processi di produzione e formulazione, nonché percorsi di stoccaggio e trasporto durante i quali il rispettivo principio attivo è esposto a temperature più o meno elevate, e la forma allo stato solido selectdeve resistere a queste. Per garantire ciò, è necessario conoscere e descrivere il comportamento termico del principio attivo o del polimorfo nel modo più preciso possibile, per poter prevenire trasformazioni di fase indesiderate.

NETZSCH: Dottor Schauerte, la ringrazio per questo interessante approfondimento sul suo lavoro!