Hur DSC hjälper till att karakterisera aktiva läkemedelssubstanser

Dr. Carsten Schauerte är medgrundare och VD för SOLID-CHEM GmbH vid Biomedical Center i Bochum, Tyskland. Han har en examen i kemi från universitetet i Essen, doktorerade 2004 och arbetade som postdoktor vid Goethe-universitetet i Frankfurt am Main.

På SOLID-CHEM GmbH, som grundades 2010, ligger fokus på analys- och utvecklingsmetoder för kristalliseringar, polymorfer, salter och samkristaller samt amorfa "screenings" och identifiering och karakterisering av partiklar. SOLID-CHEM erbjuder dessutom ett brett utbud av analysmetoder för tvärbunden solid-state-analys.

För att behandla sjukdomar strävar läkemedelsindustrin ständigt efter att forska fram nya farmaceutiska ingredienser (API) med specifika, ändamålsbestämda, fysikalisk-kemiska egenskaper, t.ex. förmågan att docka på receptorproteiner och därmed utlösa önskade cellreaktioner. När man väl har hittat ett aktivt läkemedel är utmaningen att göra det absorberbart av kroppen. Nyckelbegreppet här är löslighet. Dessutom måste den aktiva ingrediensen sedan överföras till en lämplig doseringsform, t.ex. tablett, kapsel eller lösning. Läkemedelsformuleringen innehåller vanligtvis också hjälpämnen, som har till uppgift att påverka lösligheten eller stabiliteten positivt. Materialkarakterisering spelar en viktig roll i detta steg. Bland de många olika fasta strukturerna (polymorfa, hydrater, solvater och amorfa material) måste de som garanterar produktens biotillgänglighet och säkerhet identifieras.

Olika kompletterande analysmetoder används ofta för karakterisering av respektive fast kroppsform. De termiska egenskaperna hos aktiva ingredienser, hjälpämnen och formuleringar kan detekteras med hjälp av DSC. Detta inkluderar bestämning av smältpunkten och allmänna fasomvandlingar, t.ex. via endoterma signaler i DSC.

Polymorfism hos kristallina substanser - viktigt för läkemedelseffektivitet

Många kristallina ämnen kan bilda polymorfer. Polymorfer är föreningar med samma kemiska sammansättning, som kännetecknas av ett annat arrangemang av molekyler inom kristallerna i fast tillstånd. Olika polymorfa former kan genereras genom att ställa in olika parametrar under kristallisationsprocessen från smältan eller lösningen. De kan också bildas genom fast-fast-fasomvandlingar. Dessa kan gynnas av luftfuktighet eller olika tryck, men framför allt av vissa temperaturer eller temperaturgradienter. Skillnaderna på molekylär nivå mellan polymorfer kan också orsaka skillnader på makroskopisk nivå. Polymorfer kan således uppvisa olika fysikaliska egenskaper i sina olika kristallina former. Dessa inkluderar bland annat olika löslighet och därmed eventuellt förändrad biotillgänglighet.

Det är dock mycket tidskrävande att hitta en stabil polymorf med de önskade verkningsfulla egenskaperna. Även när en lovande substans hittas är det bara en av flera tusen aktiva ingredienser som "överlever" testfasen och lyckas bli ett läkemedel som kan säljas på marknaden. Sådana lovande aktiva substanser patenteras därför också av läkemedelsbolagen för att garantera exklusivitet på marknaden.

Analys som ett användbart verktyg för felsökning vid läkemedelstillverkning

Djupgående laboratoriestudier ger information om de optimala bearbetningsparametrarna för varje polymorf form, t.ex. dess löslighet, föredraget kristallisationslösningsmedel, optimerade koncentrationer i system med blandade lösningsmedel, kristallisationsförhållanden m.m. Om ett läkemedel emellertid inte uppvisar önskad effekt vid användning, är det nödvändigt att klargöra vid vilken punkt i bearbetningen eller beredningen som problemen uppstår. Kanske har den aktiva ingrediensen bytt till en annan polymorf form till följd av produktionsprocessen eller en oönskad interaktion med hjälpämnen, eller kanske orsakas problemet av en förorening i produkten? I sådana fall tar läkemedelsföretagen ofta hjälp av specialiserade kontraktslaboratorier som SOLID-CHEM GmbH i Bochum, Tyskland. I det egna laboratoriet finns omfattande analysmetoder tillgängliga, t.ex. röntgen- och laserdiffraktion, vibrations- och kärnmagnetisk resonansspektroskopi, mikroskopi samt termisk analys med termogravimetri och differential scanning calorimetry med hjälp av en NETZSCH DSC 204 F1 Phoenix^®.

Hur kan termisk analys vara till hjälp?

Termisk analys består av en rad olika metoder. En av dessa är differential scanning calorimetry (DSC), som används för att testa om FasövergångarBegreppet fasövergång (eller fasförändring) används oftast för att beskriva övergångar mellan fast, flytande och gasformigt tillstånd.fasövergångar eller kemiska reaktioner sker i ett material. För detta ändamål utsätts provet för ett definierat temperaturprogram, d.v.s. temperaturen vid provet ökas eller minskas med en specifik hastighet eller lämnas konstant under en viss tid. Den adsorberade (exotermiska) eller absorberade (endotermiska) värmen mäts. Detta gör det möjligt att dra slutsatser om kemiska och fysikaliska processer som Smälttemperaturer och entalpierEtt ämnes smältningsenthalpi, även kallad latent värme, är ett mått på den energitillförsel, vanligtvis värme, som krävs för att omvandla ett ämne från fast till flytande tillstånd. Ett ämnes smältpunkt är den temperatur vid vilken det ändrar tillstånd från fast (kristallin) till flytande (isotropisk smälta).smältning, kristallisation eller polymorfa omvandlingar.

Förekomst och igenkänning av polymorfa former med exemplet paracetamol

Tre polymorfer är kända för den aktiva ingrediensen paracetamol, ett vanligt smärtstillande medel:

1. Stabil form I (monoklin)
2. Metastabil form II (orthorhombisk) och
3. Instabil form III

De olika polymorfa formerna kan väl särskiljas med hjälp av DSC-analys.

I följande exempel upphettades 2,4 mg paracetamol två gånger från -20°C till 200°C i en kväveatmosfär i aluminiumdeglar. Kylsegmentet däremellan utfördes också med 10 K/min. Vid den första uppvärmningen kan man se en endotermisk effekt med en extrapolerad starttemperatur på 169°C. Detta korrelerar väl med smältpunkten för form I. Under det efterföljande kontrollerade kylningssteget (visas inte här) sker ingen KristalliseringKristallisation är den fysiska processen av härdning under bildandet och tillväxten av kristaller. Under denna process frigörs kristallisationsvärme.kristallisering. Detta innebär att paracetamol fortfarande är amorft vid början av det^andra uppvärmningssteget. Under den^andra uppvärmningen sker först en glasövergång (small steg i endotermisk riktning) som är karakteristisk för det amorfa tillståndet, följt av en ExotermEn provövergång eller en reaktion är exoterm om värme genereras.exotermisk effekt (med en topptemperatur på 82°C) relaterad till en kall- eller postkristallisationsprocess. Parallella XRD-studier har visat att form III bildas här. Denna form III omvandlas till form II vid ytterligare uppvärmning (vilket också bekräftas av XRD-undersökningar), som slutligen smälter vid 157°C (extrapolerad starttemperatur). Den exotermiska effekten vid 133°C (topptemperatur) beror på strukturomvandlingen till den andra polymorfa formen. Den extrapolerade initialtemperaturen på 157°C är karakteristisk för form II.

Vi ställde ytterligare några frågor till Dr. Schauerte för att komplettera hans artikel:

NETZSCH: Dr Schauerte, du har ett nära samarbete med läkemedelsföretag och ger stöd vid problem som uppstår under utveckling och bearbetning av aktiva läkemedelssubstanser. Vilka är de vanligaste frågorna från läkemedelsföretagen och hur kan (termiska) analysmetoder hjälpa till att lösa dessa problem?

Dr. Carsten Schauerte: När det gäller polymorfa system är de vanligaste frågorna följande:

• Vilka fasta former finns det?
• Vilka är egenskaperna hos respektive form?

Särskilt när det gäller den första frågan är svaret inte enkelt och omfattande experiment med efterföljande tvärbindningsanalys måste planeras och genomföras för att beskriva en läkemedelskandidats fasta tillstånd så exakt som möjligt. Detta beror alltid på hur mycket tid och energi (och ekonomiska resurser) som ska investeras. Analytiska metoder är här särskilt användbara för att identifiera och karakterisera nya polymorfa former. Termiska analyser visar det termiska beteendet hos de olika formerna (glasövergångar, Smälttemperaturer och entalpierEtt ämnes smältningsenthalpi, även kallad latent värme, är ett mått på den energitillförsel, vanligtvis värme, som krävs för att omvandla ett ämne från fast till flytande tillstånd. Ett ämnes smältpunkt är den temperatur vid vilken det ändrar tillstånd från fast (kristallin) till flytande (isotropisk smälta).smältning och kristallisation och även avgasning av vätskor), men ger också information om potentiella omvandlingsegenskaper mellan två eller flera former. Dessutom kan DSC t.ex. användas som ett förberedande verktyg för att skapa nya former.

NETZSCH: De höga investeringskostnader som ett läkemedelsföretag har fram till dess att en säljbar aktiv ingrediens hittas innebär att patenträttsliga frågor också ingår i ditt ansvarsområde. Kan du kortfattat förklara vad detta huvudsakligen handlar om och på vilket sätt (termiska) analysmetoder också bidrar till att lösa dessa problem?

Dr. Carsten Schauerte: Ansökningar om patent på en polymorf fast form lämnas vanligen in som uppföljning till att ett substanspatent löpt ut och tjänar ofta till att förlänga patentskyddet för den aktiva substansen. Andra företag kan då utmana detta nya patent eller marknadsföra en alternativ, oskyddad form, och kanske till och med själva ha den skyddad. Termiska analyser bidrar också här till karakterisering och tydlig tilldelning av former. Genom att t.ex. bestämma smältpunkten kan de dessutom klargöra den avgörande fördelen med en ny form jämfört med andra former, vilket kan leda till patentering.

NETZSCH: En sista fråga till er, Dr Schauerte: Differentiell scanningkalorimetri är en av de mest använda metoderna för termisk analys. Var ser du styrkan med DSC i dina tillämpningar?

Dr. Carsten Schauerte: Även om metoderna röntgendiffraktion, mikroskopi och vibrationsspektroskopi är viktiga och värdefulla ger de oftast bara en ögonblicksbild, medan metoderna för termisk analys ger en dynamisk bild över ett definierat temperaturområde. Detta är av yttersta vikt för oss eftersom aktiva ingredienser inte bara hanteras vid en mycket specifik temperatur, utan vid flera olika temperaturer under en längre tid: Det finns tillverknings- och formuleringsprocesser samt lagrings- och transportvägar under vilka respektive aktiv ingrediens utsätts för högre eller lägre temperaturer, och den valda fasta formen måste klara dessa. För att garantera detta måste vi känna till och beskriva det termiska beteendet hos den aktiva ingrediensen eller polymorfen så exakt som möjligt för att kunna förhindra oönskade fasomvandlingar.

NETZSCH: Dr Schauerte, tack så mycket för den här spännande inblicken i ditt arbete!