Un ensemble d’outils analytiques établis pour étudier l’altération à l’état solide des excipients à base de lipides
Summary
Cette publication montre l’application de la diffraction des rayons X et de la calorimétrie différentielle à balayage comme étalons de référence pour étudier l’état solide des excipients à base de lipides (LBE). Comprendre l’altération à l’état solide dans les LBE et son effet sur la performance des produits pharmaceutiques est le facteur clé pour la fabrication de formes posologiques robustes à base de lipides.
Abstract
Les excipients à base de lipides (LBE) sont peu toxiques, biocompatibles et naturels, et leur application soutient la durabilité de la fabrication pharmaceutique. Cependant, le principal défi est leur état solide instable, affectant la stabilité du produit pharmaceutique. Les propriétés physiques critiques des lipides pour leur traitement – telles que la température de fusion et la viscosité, la rhéologie, etc. – sont liées à leur structure moléculaire et à leur cristallinité. Les additifs, ainsi que les contraintes thermiques et mécaniques impliquées dans le processus de fabrication, affectent l’état solide des lipides et donc la performance des produits pharmaceutiques de ceux-ci. Par conséquent, la compréhension de l’altération de l’état solide est cruciale. Dans ce travail, la combinaison de la diffraction des rayons X en poudre et de la calorimétrie différentielle à balayage (DSC) est présentée comme l’étalon-or pour la caractérisation de l’état solide des lipides. La diffraction des rayons X est la méthode la plus efficace pour cribler le polymorphisme et la croissance cristalline. L’arrangement polymorphe et la longueur des lamelles sont caractérisés dans les régions grand angle et petit angle de diffraction des rayons X, respectivement. La région de diffusion des rayons X aux petits angles (SAXS) peut être utilisée pour étudier la croissance des cristaux. La transition de phase et la séparation peuvent être indiquées. La DSC est utilisée pour analyser le comportement thermique des lipides, estimer la miscibilité des additifs et / ou des ingrédients pharmaceutiques actifs (API) dans la matrice lipidique et fournir des diagrammes de phase. Quatre études de cas sont présentées dans lesquelles les LBE sont utilisés soit comme matériau de revêtement, soit comme matrice d’encapsulation pour fournir des systèmes multiparticules enrobés de lipides et des nanosuspensions lipidiques, respectivement. L’état solide lipidique et son altération potentielle pendant le stockage sont étudiés et corrélés à l’altération dans la libération de l’IPA. Les méthodes microscopiques qualitatives telles que la microscopie à lumière polarisée et la microscopie électronique à balayage sont des outils complémentaires pour étudier la cristallisation au niveau micro. D’autres méthodes d’analyse doivent être ajoutées en fonction du procédé de fabrication choisi. La relation structure-fonction-traitabilité doit être comprise avec soin pour concevoir des produits pharmaceutiques à base de lipides robustes et stables.
Introduction
Les lipides sont une classe de matériaux qui contiennent des hydrocarbures aliphatiques à longue chaîne et leurs dérivés. Ils couvrent un large éventail de structures chimiques, y compris les acides gras, les acylglycérols, les stérols et les esters de stérols, les cires, les phospholipides et les sphingolipides1. L’utilisation des lipides comme excipients pharmaceutiques a commencé en 1960 pour intégrer des médicaments dans une matrice de cire afin de fournir des formulations à libération prolongée2. Depuis lors, les excipients à base de lipides (LBE) ont attiré l’attention pour diverses applications, telles que la libération de médicaments modifiés, le masquage du goût, l’encapsulation de médicaments et l’amélioration de la biodisponibilité des médicaments. Les LBE peuvent être appliqués dans une large gamme de formes pharmaceutiques via des procédés de fabrication polyvalents, à savoir le revêtement thermofusible, le séchage par atomisation, l’extrusion de lipides solides, l’impression 3D, le comprimé et l’homogénéisation à haute pression, entre autres. Les formes posologiques telles que les comprimés, les films à désintégration orale, les systèmes multiparticulaires, les nanoparticules et microparticules, les granulés et les formes imprimées en 3D en sont le résultat 2,3,4.
Les LBE possèdent le statut « General Recognized as Safe », une faible toxicité, une bonne biocompatibilité et une tolérance améliorée des patients. Leur origine naturelle et leur grande disponibilité leur permettent de favoriser une fabrication pharmaceutique verte et durable. Néanmoins, l’utilisation de LBE a été associée à des formes posologiques instables. Des altérations des propriétés des produits à base de lipides après stockage ont été largement rapportées. L’état solide des LBE et l’existence d’un polymorphisme lipidique sont considérés comme les principales raisons de l’instabilité des formes posologiques à base de lipides 5,6,7,8.
Les propriétés mécaniques et physiques des lipides sont étroitement liées à leurs propriétés de cristallisation et à la structure de leur réseau cristallin, qui montre des hiérarchies distinctes d’organisation structurelle. Lorsque les lipides sont utilisés dans la fabrication de produits pharmaceutiques, la structure cristalline est affectée par les paramètres du procédé appliqués, tels que la température, les solvants organiques, le cisaillement et les forces mécaniques, ce qui affecte à son tour la performance du produit pharmaceutique 5,7,9,10,11,12 . Pour comprendre cette relation structure-fonction, il est important de connaître les fondements de la cristallisation des lipides et de la structure cristalline et les méthodes analytiques pour les dépister.
Au niveau moléculaire, la plus petite unité d’un cristal lipidique est appelée « cellule unitaire ». Une répétition tridimensionnelle régulière des cellules unitaires construit les réseaux cristallins, avec des interactions moléculaires plus fortes le long de leurs directions latérales que les longitudinales, expliquant la construction en couches des cristaux lipidiques. Le tassement transversal répété des chaînes d’hydrocarbures est connu sous le nom de sous-cellule 1,12,13 (Figure 1). Les lamelles sont l’emballage latéral des molécules lipidiques. Dans l’emballage cristallin, les interfaces entre les différentes lamelles sont constituées de groupes méthyliques, tandis que les groupes glycérol polaire sont placés dans les parties intérieures de la lamelle14. Pour différencier chaque chaîne d’acides gras dans la lamelle, le terme foliole est utilisé, qui représente une sous-couche composée de chaînes d’acides gras simples. Les acylglycérols peuvent être disposés en longueurs de chaîne de folioles doubles (2L) ou triples (3L)14. L’énergie de surface des lamelles les pousse à s’empiler épitaxialement les unes aux autres, pour fournir des nano-cristallites. Différents facteurs de traitement tels que la température et la vitesse de refroidissement affectent le nombre de lamelles empilées et, par conséquent, l’épaisseur de cristallite (~10-100 nm). L’agrégation des cristallites conduit à la formation de sphérulites à l’échelle microscopique, et l’agrégation des sphérulites fournit au réseau cristallin des LBE un comportement macroscopique défini13.
Les transitions à l’état solide commencent au niveau moléculaire. La transition géométrique d’une sous-cellule à une autre est appelée polymorphisme. Trois polymorphes majeurs de α, β’-, et β-formes se trouvent généralement dans les acylglycérols, ordonnés en fonction d’une stabilité accrue. L’inclinaison de la lamelle par rapport aux groupes terminaux se produit lors des transitions polymorphes 1,13. Les BLBE subissent des transitions polymorphes de stockage et de fusion médiées par la fusion. Les transitions de stockage se produisent lorsque la forme métastable est stockée en dessous de sa température de fusion, tandis que les transitions médiées par fusion se produisent lorsque la température s’élève au-dessus du point de fusion d’une forme métastable, provoquant la fusion et la cristallisation successive de la forme plus stable.
En outre, la séparation de phase et la croissance cristalline peuvent également se produire. La séparation de phase est entraînée par la cristallisation multiphasique initiale et la croissance d’une phase ou plus. Les interactions particule-particule, y compris le frittage, les interactions moléculaires, les caractéristiques microstructurales et les composants étrangers, peuvent également déclencher la croissance cristalline 1,5.
La surveillance des transitions à l’état solide des ELB et de leur impact sur la performance des formes posologiques revêt une importance considérable. Entre autres, la calorimétrie différentielle à balayage (DSC) et la diffraction des rayons X, en particulier la diffusion simultanée des rayons X à petit et grand angle (SWAXS), sont deux étalons de référence pour évaluer l’état solide lipidique.
DSC est couramment utilisé pour mesurer les changements d’enthalpie du matériau d’intérêt associés au flux de chaleur en fonction du temps et de la température. La méthode est largement utilisée pour le criblage du comportement thermique des lipides, tels que les voies possibles de fusion et de cristallisation, la température et l’enthalpie correspondantes de différentes formes polymorphes, ainsi que les fractions mineures et principales des compositions lipidiques. Ces données peuvent être utilisées pour décrire l’hétérogénéité, les phases multiples et le polymorphisme lipidique 5,7,13.
Les techniques de diffraction des rayons X sont les méthodes les plus puissantes pour la détermination de la structure à l’état solide. Possédant une nanostructure ordonnée avec des lamelles répétées, la réflexion du faisceau de rayons X à partir de cristaux lipidiques peut être étudiée en utilisant la loi de Bragg:
d = λ/2sinθ (Équation 1)
où λ est la longueur d’onde des rayons X de 1,542 Å, θ est l’angle de diffraction du faisceau diffusé, et d est l’espacement interplanaire des couches répétées, défini comme la longueur des lamelles dans les lipides. La région à petit angle de la radiographie peut être parfaitement utilisée pour détecter le long espacement et calculer la longueur de la lamelle (d). Plus la distance répétée d est grande, plus l’angle de diffusion est petit (1-15°, région à petit angle) puisque d est inversement proportionnel à sin θ. L’arrangement sous-cellulaire des lipides peut être caractérisé comme le motif d’espacement court dans la région grand angle de la diffraction des rayons X. Les modèles d’espacement long et court des lipides (longueur des lamelles et disposition des sous-cellules) peuvent être utilisés pour indiquer la transformation polymorphe monotropique. Par exemple, la forme α (hexagonale) peut être modifiée en β (triclinique) en raison d’un changement de l’angle d’inclinaison des chaînes, avec des modifications de la longueur des lamelles (long espacement, dans la région du petit angle, 1-15°) et du mode de tassement transversal (espacement court, dans la région grand angle, 16-25°) (figure 2).
Les informations obtenues à partir de la région SAXS peuvent en outre être utilisées pour étudier la croissance cristalline en mesurant son épaisseur (D) via l’équation de Scherrer15:
D = Kλ/FWHMcosθ (Équation 2)
Où, FWHM est la largeur en radians de la diffraction maximale mesurée à mi-hauteur entre le bruit de fond et le pic, généralement appelée pleine largeur à demi-maximum (FWHM); θ est l’angle de diffraction; λ est la longueur d’onde des rayons X (1,542 Å) et K (constante de Scherrer) est un nombre sans dimension qui fournit des informations sur la forme du cristal (en l’absence d’informations détaillées sur la forme, K = 0,9 est une bonne approximation). Veuillez noter que l’équation de Scherrer peut être utilisée pour estimer des tailles cristallines moyennes allant jusqu’à environ 100 nm puisque l’élargissement du pic est inversement proportionnel à la taille de la cristallite. Par conséquent, son application est utile pour déterminer l’épaisseur des nanoplaquettes et, indirectement, le nombre de lamelles agrégées. Des exemples d’utilisation de cette approche bien connue pour le criblage des propriétés cristallines des lipides dans le développement de la formulation pharmaceutique et l’instabilité correspondante dans les performances du produit peuvent être trouvés dans 5,12,16,17,18.
La surveillance de l’état solide des LBE à chaque stade de développement à l’aide de techniques analytiques bien établies fournit une stratégie efficace pour concevoir des procédés de fabrication performants et des produits pharmaceutiques stables à base de lipides.
Cette publication présente l’application critique d’une analyse complète à l’état solide des ELB pour surveiller les changements à l’état solide et sa corrélation avec la modification du profil de libération de l’ingrédient pharmaceutique actif (IPA) de la forme posologique pharmaceutique. Les systèmes multiparticules basés sur des cristaux d’API enrobés de lipides via un revêtement thermofusible et les suspensions nanolipidiques produites par homogénéisation à haute pression sont pris comme études de cas. Cette publication se concentre sur l’application de la diffraction des rayons X en poudre et de la DSC comme outils analytiques. Les deux premiers exemples montrent l’effet de la transformation polymorphe et de la croissance cristalline, respectivement, sur l’altération de la libération d’API à partir d’échantillons revêtus. Le dernier exemple révèle la corrélation entre l’état solide stable des lipides et la performance stable du produit pharmaceutique dans les systèmes multiparticules enrobés de lipides et dans les suspensions nanolipidiques.
Protocol
Representative Results
Discussion
La diffraction des rayons X en poudre et la DSC ont été décrites dans ce manuscrit comme des étalons-or pour l’analyse à l’état solide des LBE. La diffraction des rayons X en poudre présente l’avantage exceptionnel de traiter les mesures in situ, avec une manipulation minimale des échantillons à l’état solide pendant les mesures. De plus, les mêmes capillaires remplis peuvent être stockés dans différentes conditions après les mesures initiales pour étudier l’altération de l’état sol…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Le Centre de Recherche en Génie Pharmaceutique (RCPE) est financé dans le cadre de COMET – Centres de Compétence pour les Technologies d’Excellence par BMK, BMDW, Land Steiermark et SFG. Le programme COMET est géré par la FFG.
Materials
| CaCl2·2H2O | Sigma-Aldrich | 223506 | |
| Cassettes with a cellulose membrane bag with a cut-off of 7000 Da, Thermo Scientific Slide-A-Lyzer 7K | Fisher Scientific Inco, USA | ||
| Control software of x-ray system | HECUS dedicated house equipment | ||
| Control unit of x-ray system | HECUS dedicated house equipment | ||
| Differential scanning calorimeter (DSC) aluminum crucibles and lids | Netzsch, Germany | ||
| Differential scanning calorimeter DSC 204 F1 Phoenix (NETZSCH, Germany). | Netzsch, Germany | ||
| Dipalmitoylphosphatidylcholine (DPPC) | Sigma-Aldrich | 850355P | |
| Dissolution paddle apparatus II, Erweka DT 828 LH | Erweka GmbH, Langen, Germany | ||
| Dynasan 116 | IOI OLEO | Tripalmitin | |
| Geleol | Gattefosse | Glyceryl monosterarate | |
| KCl | Sigma-Aldrich | 529552 | |
| KH2PO4 | Sigma-Aldrich | P0662 | |
| Kolliphor P 188 | BASF Chem Trade | Poloxamer 188 | |
| MgCl2·6H2O | Sigma-Aldrich | M2670 | |
| Na2HPO4·2H2O | Sigma-Aldrich | S9763 | |
| NaCl | Sigma-Aldrich | S9888 | |
| Netzsch DSC 204F1 Software Version 8.0.1 | Netzsch, Germany | 6.239.2-64.51.00 | |
| Origin Pro (OriginLab, Northampton, MA) (statistical software | OriginLab, Northampton, MA | ||
| Proteous Analysis Software | Netzsch, Germany | ||
| Tween 65 | Polysorbate 65 | ||
| Witepsol PMF 1683 | IOI OLEO | Triglycerol ester of stearatic/palmitic acid (partially esterified) | |
| Witepsol PMF 282 | IOI OLEO | Diglycerol ester of stearic acid | |
| X-ray HECUS system composed of a point-focusing camera and two linearly positioned sensitive detectors | HECUS dedicated house equipment |
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