Hoe DSC helpt bij het karakteriseren van werkzame farmaceutische bestanddelen

Dr. Carsten Schauerte is medeoprichter en directeur van SOLID-CHEM GmbH in het Biomedisch Centrum in Bochum, Duitsland. Hij studeerde af als chemicus aan de Universiteit van Essen, promoveerde in 2004 en werkte als postdoc aan de Goethe Universiteit in Frankfurt am Main.

Bij SOLID-CHEM GmbH, opgericht in 2010, ligt de focus op analyse- en ontwikkelingsmethoden voor kristallisaties, polymorfen, zouten en co-kristallen, evenals amorfe "screenings" en deeltjesidentificatie en -karakterisering. SOLID-CHEM biedt bovendien een breed scala aan analysemethoden voor cross-linked solid-state analyse.

Voor de behandeling van ziekten streeft de farmaceutische industrie voortdurend naar onderzoek naar nieuwe farmaceutische ingrediënten (API's) met specifieke, doelgerichte fysisch-chemische eigenschappen, zoals het vermogen om te koppelen aan receptoreiwitten en zo de gewenste celreacties teweeg te brengen. Als er eenmaal een actief farmaceutisch middel is gevonden, is de uitdaging om het opneembaar te maken voor het lichaam. De sleutelterm hier is oplosbaarheid. Bovendien moet het actieve ingrediënt dan in een geschikte doseringsvorm worden gebracht, bijvoorbeeld tablet, capsule of oplossing. De formulering van het geneesmiddel bevat meestal ook hulpstoffen, die bijvoorbeeld een positieve invloed hebben op de oplosbaarheid of stabiliteit. Materiaalkarakterisatie speelt een belangrijke rol in deze stap. Uit de grote verscheidenheid aan vaste structuren (polymorfen, hydraten, solventen en amorfe materialen) moeten die worden geïdentificeerd die de biologische beschikbaarheid en veiligheid van het product garanderen.

Er worden vaak verschillende aanvullende analysemethoden gebruikt om de betreffende vaste lichaamsvorm te karakteriseren. De thermische eigenschappen van actieve ingrediënten, hulpstoffen en formuleringen kunnen worden gedetecteerd met DSC. Dit omvat bepaling van het Smelttemperaturen en -getallenDe enthalpie van fusie van een stof, ook wel latente warmte genoemd, is een maat voor de energie-input, meestal warmte, die nodig is om een stof om te zetten van vaste naar vloeibare toestand. Het smeltpunt van een stof is de temperatuur waarbij de toestand verandert van vast (kristallijn) naar vloeibaar (isotroop smeltpunt).smeltpunt en algemene fasetransformaties, bijvoorbeeld via endotherme signalen in de DSC.

Polymorfisme van kristallijne stoffen - belangrijk voor de werkzaamheid van geneesmiddelen

Veel kristallijne stoffen kunnen polymorfen vormen. Polymorfen zijn verbindingen met dezelfde chemische samenstelling die gekenmerkt worden door een verschillende rangschikking van moleculen binnen de kristallen in vaste toestand. Verschillende polymorfe vormen kunnen worden gegenereerd door verschillende parameters in te stellen tijdens het kristallisatieproces vanuit de smelt of de oplossing. Ze kunnen ook gevormd worden door vast-vaste fase transformaties. Deze kunnen worden bevorderd door vocht of verschillende drukken, maar vooral door bepaalde temperaturen of temperatuurgradiënten. De verschillen op moleculair niveau tussen polymorfen kunnen ook verschillen op macroscopisch niveau veroorzaken. Polymorfen kunnen dus verschillende fysische eigenschappen vertonen in hun verschillende kristallijne vormen. Deze omvatten onder andere een verschillende oplosbaarheid en dus mogelijk een veranderde biologische beschikbaarheid.

Het vinden van een stabiele polymorf met de gewenste werkzaamheidseigenschappen is echter zeer tijdrovend. Zelfs als er een veelbelovende stof wordt gevonden, "overleeft" slechts één van de vele duizenden actieve ingrediënten de testfase en slaagt erin om een verkoopbaar geneesmiddel te worden. Zulke veelbelovende actieve ingrediënten worden daarom ook gepatenteerd door farmaceutische bedrijven om exclusieve verkoopbaarheid te garanderen.

Analyse als een nuttig hulpmiddel voor probleemoplossing bij de productie van geneesmiddelen

Diepgaande laboratoriumstudies geven informatie over de optimale verwerkingsparameters voor elke polymorfe vorm, zoals de oplosbaarheid, het kristallisatieoplosmiddel dat de voorkeur heeft, de optimale concentraties in gemengde oplosmiddelsystemen, kristallisatiecondities en meer. Als een geneesmiddel echter niet de gewenste werkzaamheid vertoont tijdens het gebruik, is het noodzakelijk om te verduidelijken op welk punt van de verwerking of bereiding de problemen zich voordoen. Misschien is het actieve ingrediënt veranderd in een andere polymorfe vorm als gevolg van het productieproces of een ongewenste interactie met hulpstoffen, of misschien wordt het probleem veroorzaakt door een onzuiverheid in het product? In dergelijke gevallen roepen farmaceutische bedrijven vaak de hulp in van gespecialiseerde contractlaboratoria zoals SOLID-CHEM GmbH in Bochum, Duitsland. In hun eigen laboratorium zijn uitgebreide analysemethoden beschikbaar, zoals röntgen- en laserdiffractie, trillings- en kernspinresonantiespectroscopie en microscopie, maar ook thermische analyse met thermogravimetrie en differentiële scanning calorimetrie met behulp van een NETZSCH DSC 204 F1 Phoenix^®.

Hoe kan thermische analyse helpen?

Thermische analyse omvat een reeks methoden. Een daarvan is differential scanning calorimetrie (DSC), die gebruikt wordt om te testen of er FaseovergangenDe term faseovergang (of faseverandering) wordt meestal gebruikt om overgangen tussen de vaste, vloeibare en gasvormige toestand te beschrijven.faseovergangen of chemische reacties optreden in een materiaal. Hiertoe wordt het monster onderworpen aan een gedefinieerd temperatuurprogramma, d.w.z. de temperatuur bij het monster wordt verhoogd of verlaagd met een specifieke snelheid of constant gehouden gedurende een bepaalde tijd. De geadsorbeerde (ExothermEen monsterovergang of een reactie is exotherm als er warmte wordt opgewekt.exotherm) of geabsorbeerde (EndothermEen monsterovergang of reactie is endotherm als er warmte nodig is voor de omzetting.endotherm) warmte wordt gemeten. Dit maakt het mogelijk om conclusies te trekken over chemische en fysische processen zoals Smelttemperaturen en -getallenDe enthalpie van fusie van een stof, ook wel latente warmte genoemd, is een maat voor de energie-input, meestal warmte, die nodig is om een stof om te zetten van vaste naar vloeibare toestand. Het smeltpunt van een stof is de temperatuur waarbij de toestand verandert van vast (kristallijn) naar vloeibaar (isotroop smeltpunt). smelten, KristallisatieKristallisatie is het fysieke proces van verharding tijdens de vorming en groei van kristallen. Tijdens dit proces komt kristallisatiewarmte vrij.kristallisatie of polymorfe transformaties.

Het voorkomen en herkennen van polymorfe vormen met het voorbeeld van paracetamol

Er zijn drie polymorfen bekend voor het actieve ingrediënt paracetamol, een veelgebruikte pijnstiller:

1. Stabiele vorm I (monoklien)
2. Metastabiele vorm II (orthorhombisch) en
3. Instabiele vorm III

De verschillende polymorfe vormen kunnen goed worden onderscheiden met behulp van DSC-analyse.

In het volgende voorbeeld werd 2,4 mg paracetamol tweemaal verhit van -20 °C tot 200 °C in een stikstofatmosfeer in aluminium kroezen. Het tussenliggende koelsegment werd ook uitgevoerd bij 10 K/min. Bij de eerste verhitting is een EndothermEen monsterovergang of reactie is endotherm als er warmte nodig is voor de omzetting.endotherm effect met een geëxtrapoleerde begintemperatuur van 169 °C te zien. Dit komt goed overeen met het Smelttemperaturen en -getallenDe enthalpie van fusie van een stof, ook wel latente warmte genoemd, is een maat voor de energie-input, meestal warmte, die nodig is om een stof om te zetten van vaste naar vloeibare toestand. Het smeltpunt van een stof is de temperatuur waarbij de toestand verandert van vast (kristallijn) naar vloeibaar (isotroop smeltpunt).smeltpunt van vorm I. Tijdens de daaropvolgende gecontroleerde afkoelingsstap (hier niet getoond) vindt geen KristallisatieKristallisatie is het fysieke proces van verharding tijdens de vorming en groei van kristallen. Tijdens dit proces komt kristallisatiewarmte vrij.kristallisatie plaats. Dit betekent dat paracetamol nog amorf is aan het begin van de^2e verwarmingsstap. Tijdens de^2e verhittingsstap treedt eerst een glasovergang op (small stap in de endotherme richting) als kenmerk van de amorfe toestand, gevolgd door een ExothermEen monsterovergang of een reactie is exotherm als er warmte wordt opgewekt.exotherm effect (met een piektemperatuur van 82°C) gerelateerd aan een koude- of postkristallisatieproces. Parallelle XRD-studies hebben aangetoond dat hier vorm III wordt gevormd. Deze vorm III verandert in vorm II bij verdere verhitting (ook bevestigd door XRD-onderzoek), die uiteindelijk smelt bij 157°C (geëxtrapoleerde begintemperatuur). Het exotherme effect bij 133°C (piektemperatuur) is te wijten aan de structurele transformatie in de andere polymorfe vorm. De geëxtrapoleerde begintemperatuur van 157°C is karakteristiek voor vorm II.

We hebben Dr. Schauerte nog een paar vragen gesteld als aanvulling op zijn artikel:

NETZSCH: Dr. Schauerte, U werkt nauw samen met farmaceutische bedrijven en biedt ondersteuning bij problemen die zich voordoen tijdens de ontwikkeling en verwerking van farmaceutische actieve ingrediënten. Wat zijn de meest gestelde vragen door farmaceutische bedrijven en hoe kunnen (thermische) analysemethoden helpen bij het oplossen van deze problemen?

Dr. Carsten Schauerte: Op het gebied van polymorfe systemen zijn de meest gestelde vragen:

• Welke vaste vormen bestaan er?
• Wat zijn de eigenschappen van de respectieve vormen?

Vooral voor de eerste vraag is het antwoord niet eenvoudig en moeten er uitgebreide experimenten met daaropvolgende cross-linked analyses gepland en uitgevoerd worden om het landschap in vaste toestand van een kandidaat-geneesmiddel zo nauwkeurig mogelijk te beschrijven. Dit hangt altijd af van hoeveel tijd en energie (en financiële middelen) er geïnvesteerd moet worden. Analysemethoden zijn hier vooral nuttig voor het identificeren en karakteriseren van nieuwe polymorfe vormen. Thermische analyses tonen het thermische gedrag van de verschillende vormen (glasovergangen, Smelttemperaturen en -getallenDe enthalpie van fusie van een stof, ook wel latente warmte genoemd, is een maat voor de energie-input, meestal warmte, die nodig is om een stof om te zetten van vaste naar vloeibare toestand. Het smeltpunt van een stof is de temperatuur waarbij de toestand verandert van vast (kristallijn) naar vloeibaar (isotroop smeltpunt). smelten en KristallisatieKristallisatie is het fysieke proces van verharding tijdens de vorming en groei van kristallen. Tijdens dit proces komt kristallisatiewarmte vrij.kristallisatie en ook uitgassing van vloeistoffen), maar geven ook informatie over potentiële transformatie-eigenschappen tussen twee of meer vormen. Daarnaast kan DSC bijvoorbeeld ook worden gebruikt als een voorbereidend hulpmiddel voor het genereren van nieuwe vormen.

NETZSCH: De hoge investeringskosten die een farmaceutisch bedrijf maakt totdat een verkoopbaar actief ingrediënt is gevonden, betekenen dat octrooirechtelijke kwesties ook tot uw werkterrein behoren. Kunt u in het kort uitleggen waar dit voornamelijk over gaat en op welke manieren (thermische) analytische methoden ook bijdragen aan het oplossen van deze problemen?

Dr. Carsten Schauerte: Octrooiaanvragen voor een polymorfe vaste vorm worden meestal ingediend als vervolg op het verlopen van een stoffenoctrooi en dienen vaak om de octrooibescherming voor de werkzame stof te verlengen. Andere bedrijven kunnen dit nieuwe patent dan aanvechten of een alternatieve, onbeschermde vorm op de markt brengen, die mogelijk zelfs zelf beschermd is. Thermische analyses dragen hier ook bij aan de karakterisering en duidelijke toewijzing van vormen. Door bijvoorbeeld het Smelttemperaturen en -getallenDe enthalpie van fusie van een stof, ook wel latente warmte genoemd, is een maat voor de energie-input, meestal warmte, die nodig is om een stof om te zetten van vaste naar vloeibare toestand. Het smeltpunt van een stof is de temperatuur waarbij de toestand verandert van vast (kristallijn) naar vloeibaar (isotroop smeltpunt).smeltpunt te bepalen, kunnen ze bovendien het beslissende voordeel van een nieuwe vorm ten opzichte van andere vormen verduidelijken, wat kan leiden tot octrooiering.

NETZSCH: Een laatste vraag voor u, Dr. Schauerte: Differentiële scanning calorimetrie is een van de meest gebruikte thermische analysemethoden. Waar ziet u de kracht van DSC in uw toepassingen?

Dr. Carsten Schauerte: Hoe belangrijk en waardevol röntgendiffractie, microscopie en vibratiespectroscopie ook zijn, ze geven meestal slechts een momentopname, terwijl thermische analysemethoden een dynamisch beeld geven over een gedefinieerd temperatuurbereik. Dit is voor ons van het grootste belang omdat actieve ingrediënten niet alleen bij één specifieke temperatuur worden verwerkt, maar bij meerdere temperaturen in de loop van de tijd: Er zijn productie- en formuleringsprocessen en opslag- en transportroutes waarbij de betreffende werkzame stof wordt blootgesteld aan hogere of lagere temperaturen en de geselecteerde vaste vorm moet hiertegen bestand zijn. Om dit te garanderen moeten we het thermische gedrag van de werkzame stof of polymorf zo nauwkeurig mogelijk kennen en beschrijven om ongewenste fasetransformaties te kunnen voorkomen.

NETZSCH: Dr. Schauerte, hartelijk dank voor dit boeiende inzicht in uw werk!