Пакет установленных аналитических инструментов для исследования твердотельного изменения эксципиентов на основе липидов
Summary
В данной публикации показано применение рентгеновской дифракции и дифференциальной сканирующей калориметрии в качестве золотых стандартов для исследования твердого состояния эксципиентов на основе липидов (LBE). Понимание твердотельного изменения в LBE и его влияния на производительность фармацевтических продуктов является ключевым фактором для производства надежных лекарственных форм на основе липидов.
Abstract
Эксципиенты на основе липидов (LBE) являются низкотоксичными, биосовместимыми и натуральными, и их применение поддерживает устойчивость фармацевтического производства. Однако основной проблемой является их нестабильное твердотельное состояние, влияющее на стабильность фармацевтического продукта. Критические физические свойства липидов для их обработки, такие как температура расплава и вязкость, реология и т. Д., Связаны с их молекулярной структурой и кристалличностью. Добавки, а также термические и механические нагрузки, участвующие в производственном процессе, влияют на твердое состояние липидов и, следовательно, на производительность их фармацевтических продуктов. Поэтому понимание изменения в твердом теле имеет решающее значение. В данной работе комбинация порошковой рентгеновской дифракции и дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК) введена в качестве золотого стандарта характеристики твердого состояния липидов. Рентгеновская дифракция является наиболее эффективным методом скрининга полиморфизма и роста кристаллов. Полиморфное расположение и длина ламели характеризуются в широко- и малоугловых областях рентгеновской дифракции соответственно. Область малоуглового рентгеновского рассеяния (SAXS) может быть дополнительно использована для исследования роста кристаллов. Может быть указан фазовый переход и разделение. DSC используется для скрининга теплового поведения липидов, оценки смешиваемости добавок и/или активных фармацевтических ингредиентов (API) в липидной матрице и предоставления фазовых диаграмм. Представлены четыре тематических исследования, в которых LBE используются либо в качестве материала покрытия, либо в качестве инкапсуляционной матрицы для обеспечения многочастичных систем с липидным покрытием и липидных наносуспензий, соответственно. Липидное твердое состояние и его потенциальное изменение во время хранения исследуются и коррелируют с изменениями в выпуске API. Качественные микроскопические методы, такие как поляризованная световая микроскопия и сканирующая электронная микроскопия, являются взаимодополняющими инструментами для исследования кристаллизации на микроуровне. Дальнейшие аналитические методы должны быть добавлены на основе выбранного производственного процесса. Взаимосвязь структура-функция-технологичность должна быть тщательно понята для разработки надежных и стабильных фармацевтических продуктов на основе липидов.
Introduction
Липиды представляют собой класс материалов, которые содержат длинноцепочечные алифатические углеводороды и их производные. Они охватывают широкий спектр химических структур, включая жирные кислоты, ацилглицерины, стерины и сложные эфиры стеринов, воски, фосфолипиды и сфинголипиды1. Использование липидов в качестве фармацевтических вспомогательных веществ началось в 1960 году для встраивания лекарств в восковую матрицу для обеспечения составов с замедленным высвобождением2. С тех пор эксципиенты на основе липидов (LBE) привлекли широкое внимание для различных применений, таких как модифицированное высвобождение лекарств, маскировка вкуса, инкапсуляция лекарств и повышенная биодоступность лекарств. LBE могут применяться в широком спектре фармацевтических лекарственных форм с помощью универсальных производственных процессов, а именно, термоплавкого покрытия, распылительной сушки, экструзии твердых липидов, 3D-печати, таблетирования и гомогенизации под высоким давлением, среди прочих. Лекарственные формы, такие как таблетки, перорально распадающиеся пленки, системы с несколькими частицами, нано- и микрочастицы, гранулы и 3D-печатные формы, являются результатом 2,3,4.
LBE обладают статусом «Общепризнанный как безопасный», низкой токсичностью, хорошей биосовместимостью и улучшенной переносимостью пациентов. Их естественное происхождение и широкая доступность позволяют им расширять возможности зеленого и устойчивого фармацевтического производства. Тем не менее, использование LBE было связано с нестабильными лекарственными формами. Широко сообщалось об изменениях в свойствах продуктов на основе липидов после хранения. Твердое состояние LBE и существование липидного полиморфизма считаются основными причинами нестабильности липидных лекарственных форм 5,6,7,8.
Механические и физические свойства липидов тесно связаны с их кристаллизационными свойствами и структурой их кристаллической сети, которая показывает отчетливые иерархии структурной организации. Когда липиды используются в производстве фармацевтических продуктов, кристаллическая структура зависит от применяемых параметров процесса, таких как температура, органические растворители, сдвиг и механические силы, что, в свою очередь, влияет на производительность фармацевтического продукта 5,7,9,10,11,12 . Чтобы понять эту структурно-функциональную взаимосвязь, важно знать основы кристаллизации липидов и кристаллической структуры и аналитические методы их скрининга.
На молекулярном уровне наименьшая единица липидного кристалла называется «единичной клеткой». Регулярное трехмерное повторение единичных ячеек строит кристаллические решетки с более сильными молекулярными взаимодействиями наряду с их боковыми направлениями, чем продольные, объясняя послойное построение липидных кристаллов. Повторная поперечная упаковка углеводородных цепей известна как подячейка 1,12,13 (рисунок 1). Ламели представляют собой боковую упаковку липидных молекул. В кристаллической упаковке интерфейсы между различными ламелями выполнены из метильных концевых групп, тогда как полярные глицериновые группы размещены во внутренних частях ламели14. Чтобы дифференцировать каждую цепь жирных кислот в ламели, используется термин листочек, который представляет собой подслой, состоящий из одиночных цепей жирных кислот. Ацилглицеролы могут быть расположены в двойных (2 л) или тройных (3 л) цепочках листовок длиной14. Поверхностная энергия ламелей заставляет их эпитаксиально складываться друг к другу, чтобы обеспечить нанокристаллиты. Различные факторы обработки, такие как температура и скорость охлаждения, влияют на количество укладываемых ламелей и, следовательно, на толщину кристаллита (~ 10-100 нм). Агрегация кристаллитов приводит к образованию сферулитов в микромасштабе, а агрегация сферулитов обеспечивает кристаллическую сеть LBE с определенным макроскопическим поведением13.
Твердотельные переходы начинаются на молекулярном уровне. Геометрический переход от одной подклеточки к другой называется полиморфизмом. Три основных полиморфа α-, β’- и β-формы обычно обнаруживаются в ацилглицеринах, упорядоченных в соответствии с повышенной стабильностью. Наклон ламели относительно концевых групп происходит при полиморфных переходах 1,13. Хранение и полиморфные переходы, опосредованные расплавом, испытываются LBE. Переходы при хранении происходят, когда метастабильная форма хранится ниже температуры плавления, тогда как опосредованные расплавом переходы происходят, когда температура поднимается выше температуры плавления метастабильной формы, провоцируя плавление и последовательную кристаллизацию более стабильной формы.
Кроме того, также может происходить разделение фаз и рост кристаллов. Разделение фаз обусловлено начальной многофазной кристаллизацией и ростом одной фазы или более. Взаимодействия частицы-частицы, включая спекание, молекулярные взаимодействия, микроструктурные особенности и чужеродные компоненты, также могут вызывать рост кристаллов 1,5.
Значительное значение имеет мониторинг твердотельных переходов LBE и их влияния на производительность лекарственных форм. Среди прочего, дифференциальная сканирующая калориметрия (DSC) и рентгеновская дифракция, в частности, одновременное малое и широкоугольное рентгеновское рассеяние (SWAXS), являются двумя золотыми стандартами для оценки липидного твердого состояния.
DSC обычно используется для измерения изменений энтальпии интересующего материала, связанных с тепловым потоком, в зависимости от времени и температуры. Метод широко используется для скрининга теплового поведения липидов, таких как возможные пути плавления и кристаллизации, соответствующие температуры и энтальпии различных полиморфных форм, а также второстепенные и основные фракции липидных композиций. Эти данные могут быть использованы для изображения гетерогенности, множественных фаз и полиморфизма липидов 5,7,13.
Методы дифракции рентгеновских лучей являются наиболее мощными методами определения структуры в твердом состоянии. Обладая упорядоченной наноструктурой с повторяющимися ламелями, отражение рентгеновского пучка от липидных кристаллов можно исследовать, используя закон Брэгга:
d = λ/2sinθ (уравнение 1)
где λ — длина волны рентгеновского излучения 1,542 Å, θ — угол дифракции рассеянного пучка, а d — межпланарное расстояние между повторяющимися слоями, определяемое как длина ламели в липидах. Малоугловая область рентгеновского снимка может быть идеально использована для обнаружения длинного интервала и расчета длины ламели (d). Чем больше повторяющееся расстояние d, тем меньше угол рассеяния (1-15°, область малого угла), так как d обратно пропорционален sin θ. Субклеточное расположение липидов можно охарактеризовать как короткораспространенную картину в широкоугольной области рентгеновской дифракции. Как длинные, так и короткие интервалы липидов (длина ламелей и расположение субклеток) могут быть использованы для указания на монотропное полиморфное превращение. Например, форма α (шестиугольная) может быть изменена на β (триклинную) из-за изменения угла наклона цепей, с изменением длины ламели (рисунок длинного расстояния, в области малого угла, 1-15°) и в режиме поперечного сечения упаковки (рисунок короткого расстояния, в широкоугольной области, 16-25°) (рисунок 2).
Информация, полученная из области SAXS, может быть дополнительно использована для исследования роста кристалла путем измерения его толщины (D) с помощью уравнения Шеррера15:
D = Kλ/FWHMcosθ (уравнение 2)
Где FWHM – ширина в радианах дифракционного максимума, измеренного на половинной высоте между фоном и пиком, обычно известная как полная ширина при половинном максимуме (FWHM); θ — угол дифракции; λ — длина волны рентгеновского излучения (1,542 Å), а K (постоянная Шеррера) — безразмерное число, предоставляющее информацию о форме кристалла (в случае отсутствия подробной информации о форме K = 0,9 — хорошее приближение). Обратите внимание, что уравнение Шеррера может быть использовано для оценки средних размеров кристаллов до 100 нм, поскольку пиковое расширение обратно пропорционально размеру кристаллита. Поэтому его применение полезно для определения толщины нанопластинок и, косвенно, количества агрегированных ламелей. Примеры использования этого хорошо известного подхода для скрининга кристаллических свойств липидов при разработке фармацевтической рецептуры и соответствующей нестабильности в характеристиках продукта можно найти в 5,12,16,17,18.
Мониторинг твердого состояния LBE на каждом этапе разработки с помощью хорошо зарекомендовавших себя аналитических методов обеспечивает эффективную стратегию для разработки высокопроизводительных производственных процессов и стабильных фармацевтических продуктов на основе липидов.
В данной публикации представлено критическое применение комплексного твердотельного анализа LBE для мониторинга изменений в твердотельном состоянии и его корреляции с изменением профиля высвобождения активного фармацевтического ингредиента (АФИ) из лекарственной лекарственной формы. В качестве тематических исследований берутся многочастичные системы, основанные на кристаллах API с липидным покрытием через термоплавкое покрытие, и нанолипидные суспензии, полученные путем гомогенизации под высоким давлением. Основное внимание в данной публикации уделяется применению порошковой рентгеновской дифракции и ДСК в качестве аналитических инструментов. Первые два примера показывают влияние полиморфной трансформации и роста кристаллов, соответственно, на изменение высвобождения API из образцов с покрытием. Последний пример показывает корреляцию между стабильным твердым состоянием липидов и стабильными характеристиками фармацевтического продукта в многочастичных системах с липидным покрытием и в нанолипидных суспензиях.
Protocol
Representative Results
Discussion
Порошковая рентгеновская дифракция и DSC были описаны в этой рукописи как золотые стандарты для твердотельного анализа LBE. Порошковая рентгеновская дифракция имеет выдающееся преимущество в обработке измерений in situ, с минимальными твердотельными манипуляциями с образцами во врем…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Исследовательский центр фармацевтической инженерии (RCPE) финансируется в рамках COMET – Центров компетенций по отличным технологиям BMK, BMDW, Land Steiermark и SFG. Программа COMET управляется 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 |
Referenzen
- Sato, K. Crystallization behaviour of fats and lipids a review. Chemical Engineering Science. 56 (7), 2255-2265 (2001).
- Becker, K., Salar-Behzadi, S., Zimmer, A. Solvent-free melting techniques for the preparation of lipid-based solid oral formulations. Pharmaceutical Research. 32 (5), 1519-1545 (2015).
- Rosiaux, Y., Jannin, V., Hughes, S., Marchaud, D. Solid lipid excipients – Matrix agents for sustained drug delivery. Journal of Controlled Release. 188, 18-30 (2014).
- Siepmann, J., et al. Lipids and polymers in pharmaceutical technology: lifelong companions. International Journal of Pharmaceutics. 558, 128-142 (2019).
- Lopes, D., et al. Microphase separation in solid lipid dosage forms as the cause of drug release instability. International Journal of Pharmaceutics. 517 (1-2), 403-412 (2017).
- Reitz, C., Kleinebudde, P. Solid lipid extrusion of sustained release dosage forms. European Journal of Pharmaceutics and Biopharmaceutics. 67 (2), 440-448 (2007).
- Salar-Behzadi, S., Corzo, C., Schaden, L., Laggner, P., Zimmer, A. Correlation between the solid state of lipid coating and release profile of API from hot melt coated microcapsules. International Journal of Pharmaceutics. 565, 569-578 (2019).
- Windbergs, M., Gueres, S., Strachan, C. J., Kleinebudde, P. Two-step solid lipid extrusion as a process to modify dissolution behavior. AAPS PharmSciTech. 11 (1), 2-8 (2010).
- Schertel, S., Salar-Behzadi, S., Zimmer, A. Impact of surface properties of core material on the stability of hot melt-coated multiparticulate systems. Pharmaceutics. 13 (3), 366 (2021).
- Tang, D., Marangoni, A. G. Microstructure and fractal analysis of fat crystal networks. Journal of the American Oil Chemists’ Society. 83, 377-388 (2006).
- Corzo, C., et al. Lipid-microparticles for pulmonary delivery of active pharmaceutical ingredients: Impact of lipid crystallization on spray-drying processability. International Journal of Pharmaceutics. 610, 121259 (2021).
- Acevedo, N. C., Marangoni, A. G. Characterization of the nanostructure of triacylglycerol crystal networks. Structure-Function Analysis of Edible Fats. , (2012).
- Marangoni, A. G. Structure-function analysis of edible fats. Structure-Function Analysis of Edible Fats. , (2018).
- Sato, K., Sato, K. Crystallization of lipids. Fundamentals and Applications in Food, Cosmetics, and Pharmaceuticals. , (2018).
- Acevedo, N. C., Marangoni, A. G. Toward nanoscale engineering of triacylglycerol crystal networks. Crystal Growth and Design. 10 (8), 3334-3339 (2010).
- Lopes, D. G., et al. Role of lipid blooming and crystallite size in the performance of highly soluble drug-loaded microcapsules. Journal of Pharmaceutical Sciences. 104 (12), 4257-4265 (2015).
- Salar-Behzadi, S., et al. Novel approach for overcoming the stability challenges of lipid-based excipients. Part 2: Application of polyglycerol esters of fatty acids as hot melt coating excipients. European Journal of Pharmaceutics and Biopharmaceutics. 148, 107-117 (2020).
- Corzo, C., Meindl, C., Lochmann, D., Reyer, S., Salar-Behzadi, S. Novel approach for overcoming the stability challenges of lipid-based excipients. Part 3: Application of polyglycerol esters of fatty acids for the next generation of solid lipid nanoparticles. European Journal of Pharmaceutics and Biopharmaceutics. 152, 44-55 (2020).
- Tylor, A. K., Rowe, R. C., Sheskey, P. J., Quinn, M. E. Glyceryl monostearate. Handbook of Pharmaceutical Excipients. , 290-293 (2009).
- Lutton, R. S., Jackson, F. L. The polymorphism of 1- monostearin and 1-monopalmitin. Journal of the American Chemical Society. 70 (7), 2445-2449 (1948).
- Fang, W., Mayama, H., Tsujii, K. Spontaneous formation of fractal structures on triglyceride surfaces with reference to their super water-repellent properties. The Journal of Physical Chemistry. B. 111 (3), 564-571 (2007).
- Maleky, F., Marangoni, A. Nanoscale effects on oil migration through triacylglycerol polycrystalline colloidal networks. Soft Matter. 7, 6012-6024 (2011).
- Corzo, C., et al. Novel approach for overcoming the stability challenges of lipid-based excipients. Part 1: Screening of solid-state and physical properties of polyglycerol esters of fatty acids as advanced pharmaceutical excipients. European Journal of Pharmaceutics and Biopharmaceutics. 148, 134-147 (2020).
- Gordillo-Galeano, A., Mora-Huertas, C. E. Solid lipid nanoparticles and nanostructured lipid carriers: A review emphasizing on particle structure and drug release. European Journal of Pharmaceutics and Biopharmaceutics. 133, 285-308 (2018).
- Fan, Y., Marioli, M., Zhang, K. Analytical characterization of liposomes and other lipid nanoparticles for drug delivery. Journal of Pharmaceutical and Biomedical Analysis. 192, 113642 (2021).
- Peyronel, F., Pink, D. A., Marangoni, A. G. Triglyceride nanocrystal aggregation into polycrystalline colloidal networks: Ultra-small angle X-ray scattering, models and computer simulation. Current Opinion in Colloid & Interface Science. 19 (5), 459-470 (2014).
- Acevedo, N. C., Marangoni, A. G. Functionalization of non-interesterified mixtures of fully hydrogenated fats using shear processing. Food and Bioprocess Technology. 7 (2), 575-587 (2014).
- Dong, Y. D., Boyd, B. J. Applications of X-ray scattering in pharmaceutical science. International Journal of Pharmaceutics. 417 (1-2), 101-111 (2011).
- Di Cola, E., Grillo, I., Ristori, S. Small angle X-ray and neutron scattering: Powerful tools for studying the structure of drug-loaded liposomes. Pharmaceutics. 8 (2), 10 (2016).
- Lopez, C., Lesieur, P., Bourgaux, C., Ollivin, M. Thermal and structural behavior of anhydrous milk fat. 3. Influence of cooling rate. Journal of Dairy Science. 88 (2), 511-526 (2005).
- Kalnin, D., Garnaud, G., Amenitsch, H. Ollivon. Monitoring fat crystallization in aerated food emulsions by combined DSC and time-resolved synchrotron X-ray diffraction. Food Research International. 35 (10), 927-934 (2002).
- Bugeat, S., et al. Unsaturated fatty acid enriched vs. control milk triacylglycerols: Solid and liquid TAG phases examined by Synchrotron radian X-ray diffraction coupled with DSC. Food Research International. 67, 91-101 (2015).
- Brubach, J. B., et al. Structural and thermal characterization of glyceryl behenate by X-ray diffraction coupled to differential calorimetry and infrared spectroscopy. International Journal of Pharmaceutics. 336 (2), 248-256 (2007).
- Chong, C. L., et al. Thermal and structural behaviour of crude palm oil: Crystallisation at very low cooling rate. European Journal of Lipid Science and Technology. 109 (4), 410-421 (2007).
- Askin, S., et al. A simultaneous differential scanning calorimetry-X-ray diffraction study of olanzapine crystallization from amorphous solid dispersions. Molecular Pharmaceutics. 17 (11), 4364-4374 (2020).
- Clout, A., et al. Simultaneous differential scanning calorimetry – synchrotron X-ray powder diffraction: A powerful technique for physical form characterization in pharmaceutical materials. Analytical Chemistry. 88 (20), 10111-10117 (2016).
- Jendrzejewska, I., Goryczka, T., Pietrasik, E., Klimontko, J., Jampilek, J. X-ray and thermal analysis of selected drugs containing acetaminophen. Molecules. 25 (24), 5909 (2020).
- Righetti, M. C. Crystallization of Polymers Investigated by Temperature-Modulated DSC. Materials. 10 (4), 442 (2017).
- Sauer, B. B., Kampert, W. G., Neal Blanchard, E., Threefoot, S. A., Hsiao, B. S. Temperature modulated DSC studies of melting and crystallization in polymers exhibiting multiple endotherms. Polymer. 41 (3), 1099-1108 (2000).
- Ali, F., Kumar, R., Lal Sahu, P., Singh, G. N. Physicochemical characterization and compatibility study of roflumilast with various pharmaceutical excipients. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry. 130, 1627-1641 (2017).
