Как ДСК помогает в определении характеристик активных фармацевтических ингредиентов

Доктор Карстен Шауэрте является соучредителем и управляющим директором компании SOLID-CHEM GmbH в Биомедицинском центре в Бохуме, Германия. Он окончил Эссенский университет по специальности "химия", получил докторскую степень в 2004 году и работал постдоком в Университете Гете во Франкфурте-на-Майне.

В компании SOLID-CHEM GmbH, основанной в 2010 году, основное внимание уделяется анализу и разработке методов кристаллизации, полиморфов, солей и сокристаллов, а также аморфному "скринингу", идентификации и характеризации частиц. Кроме того, SOLID-CHEM предлагает широкий спектр аналитических методов для анализа сшитых твердых тел.

Для лечения заболеваний фармацевтическая промышленность постоянно стремится к исследованиюarch новых фармацевтических ингредиентов (API), обладающих специфическими физико-химическими свойствами, такими как способность прикрепляться к рецепторным белкам и тем самым вызывать желаемые клеточные реакции. После того как активное лекарственное средство найдено, необходимо сделать так, чтобы оно усваивалось организмом. Ключевой термин здесь - растворимость. Кроме того, активный ингредиент необходимо перевести в соответствующую лекарственную форму, например, таблетку, капсулу или раствор. В состав препарата обычно входят вспомогательные вещества, которые выполняют такие функции, как положительное влияние на растворимость или стабильность. На этом этапе важную роль играет характеристика материала. Из всего многообразия твердых структур (полиморфы, гидраты, сольваты и аморфные материалы) необходимо выделить те, которые гарантируют биодоступность и безопасность препарата.

Для характеристики соответствующей формы твердого тела часто используются различные дополнительные аналитические методы. Термические свойства активных ингредиентов, вспомогательных веществ и рецептур могут быть определены с помощью ДСК. Это включает определение температуры плавления и общих фазовых превращений, например, по эндотермическим сигналам в ДСК.

Полиморфизм кристаллических веществ - важно для эффективности лекарств

Многие кристаллические вещества способны образовывать полиморфы. Полиморфы - это соединения одного и того же химического состава, характеризующиеся различным расположением молекул внутри кристаллов в твердом состоянии. Различные формы полиморфов могут быть получены путем задания различных параметров в процессе кристаллизации из расплава или раствора. Они также могут образовываться в результате фазовых превращений твердое тело-твердое тело. Этому могут способствовать влажность, различные давления, но особенно - определенные температуры или температурные градиенты. Различия между полиморфами на молекулярном уровне могут также вызывать различия на макроскопическом уровне. Таким образом, полиморфы могут проявлять различные физические свойства в своих различных кристаллических формах. К ним относятся, в частности, различная растворимость и, следовательно, возможная измененная биодоступность.

Однако поиск стабильного полиморфа с желаемыми эффективными свойствами занимает очень много времени. Даже если найдено перспективное вещество, только один из нескольких тысяч активных ингредиентов "выживает" на этапе тестирования и становится доступным на рынке лекарством. Поэтому такие перспективные активные ингредиенты также патентуются фармацевтическими компаниями, чтобы гарантировать эксклюзивное право на продажу.

Анализ как полезный инструмент для устранения неполадок в производстве лекарств

Углубленные лабораторные исследования позволяют получить информацию об оптимальных параметрах обработки каждой полиморфной формы, таких как растворимость, предпочтительный растворитель для кристаллизации, оптимальные концентрации в смешанных системах растворителей, условия кристаллизации и многое другое. Если же препарат не проявляет желаемой эффективности при использовании, необходимо выяснить, на каком этапе обработки или приготовления возникли проблемы. Может быть, активный ингредиент перешел в другую полиморфную форму в результате производственного процесса или нежелательного взаимодействия с вспомогательными веществами, а может быть, проблема вызвана наличием примесей в продукте? В таких случаях фармацевтические компании часто прибегают к помощи специализированных контрактных лабораторий, таких как SOLID-CHEM GmbH в Бохуме, Германия. В их лаборатории доступны такие обширные методы анализа, как рентгеновская и лазерная дифракция, спектроскопия колебаний и ядерного магнитного резонанса, микроскопия, а также термический анализ с помощью термогравиметрии и дифференциальной сканирующей калориметрии на приборе NETZSCH DSC 204 F1 Phoenix^®.

Чем может помочь термический анализ?

Термический анализ включает в себя ряд методов. Один из них - дифференциальная сканирующая калориметрия (ДСК) - используется для проверки того, происходят ли в материале фазовые переходы или химические реакции. Для этого образец подвергается определенной температурной программе, то есть температура на образце повышается или понижается с определенной скоростью или остается постоянной в течение определенного времени. При этом измеряется адсорбированное (экзотермическое) или поглощенное (эндотермическое) тепло. Это позволяет сделать выводы о химических и физических процессах, таких как плавление, кристаллизация или полиморфные превращения.

Возникновение и распознавание полиморфных форм на примере парацетамола

Известны три полиморфа активного ингредиента парацетамола, распространенного болеутоляющего средства:

1. Стабильная форма I (моноклинная)
2. Метастабильная форма II (орторомбическая) и
3. Нестабильная форма III

Различные полиморфные формы можно хорошо различить с помощью анализа ДСК.

В следующем примере 2,4 мг парацетамола дважды нагревали от -20°C до 200°C в атмосфере азота в алюминиевых тиглях. Сегмент охлаждения между ними также проводился со скоростью 10 К/мин. При первом нагревании наблюдается эндотермический эффект с экстраполированной температурой начала нагревания 169°C. Это хорошо соотносится с температурой плавления формы I. Во время последующего контролируемого охлаждения (здесь не показано) кристаллизация не происходит. Это означает, что в начале^2-го этапа нагревания парацетамол все еще находится в аморфном состоянии. Во время^2-го нагревания сначала происходит стеклование (small шаг в эндотермическом направлении), характерное для аморфного состояния, а затем экзотермический эффект (с пиковой температурой 82°C), связанный с холодным или посткристаллизационным процессом. Параллельные XRD-исследования показали, что здесь образуется форма III. При дальнейшем нагревании эта форма III превращается в форму II (также подтверждено рентгеноструктурными исследованиями), которая в итоге плавится при 157°C (экстраполированная температура начала кристаллизации). Экзотермический эффект при 133°C (пиковая температура) обусловлен структурным превращением в другую полиморфную форму. Экстраполированная начальная температура 157°C характерна для формы II.

Мы задали доктору Шауэрте еще несколько вопросов в дополнение к его статье:

NETZSCH: Доктор Шауэрте, вы тесно сотрудничаете с фармацевтическими компаниями, оказывая поддержку в решении проблем, возникающих в процессе разработки и переработки фармацевтических активных ингредиентов. Какие вопросы чаще всего задают фармацевтические компании и как методы (термического) анализа могут помочь в решении этих проблем?

Д-р Карстен Шауэрте: Что касается полиморфных систем, то наиболее часто задаваемые вопросы таковы:

• Какие твердые формы существуют?
• Каковы свойства соответствующих форм?

Особенно на первый вопрос ответить непросто, и для максимально точного описания твердофазного ландшафта лекарственного кандидата необходимо планировать и проводить обширные эксперименты с последующим анализом поперечных связей. Это всегда зависит от того, сколько времени и энергии (а также финансовых ресурсов) необходимо вложить. Аналитические методы особенно полезны для выявления и характеристики новых полиморфных форм. Термические анализы показывают тепловое поведение различных форм (стеклование, плавление и кристаллизация, а также газовыделение жидкостей), а также дают информацию о потенциальных свойствах превращения между двумя или более формами. Кроме того, ДСК может использоваться, например, в качестве подготовительного инструмента для получения новых форм.

NETZSCH: Высокие инвестиционные затраты, которые несет фармацевтическая компания, пока не будет найден востребованный активный ингредиент, означают, что вопросы патентного права также входят в сферу вашей деятельности. Не могли бы вы вкратце объяснить, с чем это связано и каким образом (термические) аналитические методы также способствуют решению этих проблем?

Д-р Карстен Шауэрте: Заявки на патентование полиморфной твердой формы обычно подаются в связи с истечением срока действия патента на вещество и часто служат для продления патентной защиты активного вещества. Другие компании могут оспорить этот новый патент или выпустить на рынок альтернативную, незащищенную форму, возможно, даже получив ее самостоятельно. Термические анализы также способствуют определению характеристик и четкому распределению форм. Более того, определяя, например, температуру плавления, они могут прояснить решающее преимущество новой формы перед другими формами, что может привести к патентованию.

NETZSCH: И последний вопрос, доктор Шауэрте: Дифференциальная сканирующая калориметрия - один из наиболее часто используемых методов термического анализа. В чем вы видите сильные стороны ДСК в ваших приложениях?

Д-р Карстен Шауэрте: Какими бы важными и ценными ни были методы рентгеновской дифракции, микроскопии и колебательной спектроскопии, они обычно дают лишь моментальный снимок, в то время как методы термического анализа представляют динамическую картину в определенном диапазоне температур. Это очень важно для нас, поскольку активные ингредиенты обрабатываются не только при одной конкретной температуре, но и при нескольких температурах в течение определенного времени: Существуют процессы производства и составления рецептур, а также хранения и транспортировки, во время которых соответствующий активный ингредиент подвергается воздействию более высоких или более низких температур, и selectв твердом состоянии должен выдерживать их. Чтобы гарантировать это, мы должны знать и описывать термическое поведение активного ингредиента или полиморфа как можно точнее, чтобы иметь возможность предотвратить нежелательные фазовые превращения.

NETZSCH: Доктор Шауэрте, большое спасибо за этот интересный рассказ о вашей работе!