Un pacchetto di strumenti analitici consolidati per studiare l'alterazione allo stato solido degli eccipienti a base lipidica
Summary
Questa pubblicazione mostra l’applicazione della diffrazione a raggi X e della calorimetria differenziale a scansione come gold standard per lo studio dello stato solido degli eccipienti a base lipidica (LBE). Comprendere l’alterazione allo stato solido negli LBE e il suo effetto sulle prestazioni dei prodotti farmaceutici è il fattore chiave per la produzione di forme di dosaggio robuste a base lipidica.
Abstract
Gli eccipienti a base lipidica (LBE) sono a bassa tossicità, biocompatibili e a base naturale e la loro applicazione supporta la sostenibilità della produzione farmaceutica. Tuttavia, la sfida principale è il loro stato solido instabile, che influisce sulla stabilità del prodotto farmaceutico. Le proprietà fisiche critiche dei lipidi per la loro lavorazione – come la temperatura e la viscosità della fusione, la reologia, ecc. – sono legate alla loro struttura molecolare e alla loro cristallinità. Gli additivi, così come le sollecitazioni termiche e meccaniche coinvolte nel processo di fabbricazione, influenzano lo stato solido dei lipidi e quindi le prestazioni dei loro prodotti farmaceutici. Pertanto, comprendere l’alterazione nello stato solido è cruciale. In questo lavoro, la combinazione di diffrazione a raggi X in polvere e calorimetria differenziale a scansione (DSC) viene introdotta come gold standard per la caratterizzazione dello stato solido dei lipidi. La diffrazione a raggi X è il metodo più efficiente per schermare il polimorfismo e la crescita dei cristalli. La disposizione polimorfica e la lunghezza della lamella sono caratterizzate rispettivamente nelle regioni grandangolari e piccole della diffrazione dei raggi X. La regione di diffusione dei raggi X ad angolo piccolo (SAXS) può essere ulteriormente utilizzata per studiare la crescita dei cristalli. La transizione di fase e la separazione possono essere indicate. Il DSC viene utilizzato per esaminare il comportamento termico dei lipidi, stimare la miscibilità degli additivi e/o dei principi attivi farmaceutici (API) nella matrice lipidica e fornire diagrammi di fase. Vengono presentati quattro casi di studio in cui gli LBE sono utilizzati come materiale di rivestimento o come matrice di incapsulamento per fornire rispettivamente sistemi multiparticolati rivestiti di lipidi e nanosospensioni lipidiche. Lo stato solido lipidico e la sua potenziale alterazione durante lo stoccaggio sono studiati e correlati all’alterazione nel rilascio di API. I metodi microscopici qualitativi come la microscopia a luce polarizzata e la microscopia elettronica a scansione sono strumenti complementari per studiare la cristallizzazione a microlivello. Ulteriori metodi analitici dovrebbero essere aggiunti in base al processo di produzione selezionato. La relazione struttura-funzione-processabilità dovrebbe essere compresa attentamente per progettare prodotti farmaceutici a base lipidica robusti e stabili.
Introduction
I lipidi sono una classe di materiali che contengono idrocarburi alifatici a catena lunga e loro derivati. Coprono una vasta gamma di strutture chimiche, tra cui acidi grassi, acilgliceroli, steroli ed esteri sterolici, cere, fosfolipidi e sfingolipidi1. L’uso dei lipidi come eccipienti farmaceutici è iniziato nel 1960 per incorporare farmaci in una matrice di cera per fornire formulazioni a rilascio prolungato2. Da allora, gli eccipienti a base lipidica (LBE) hanno guadagnato ampia attenzione per diverse applicazioni, come il rilascio modificato del farmaco, il mascheramento del gusto, l’incapsulamento dei farmaci e una maggiore biodisponibilità dei farmaci. Gli LBE possono essere applicati in una vasta gamma di forme farmaceutiche attraverso processi di produzione versatili, vale a dire, rivestimento hot-melt, spray-drying, estrusione di lipidi solidi, stampa 3D, compresse e omogeneizzazione ad alta pressione, tra gli altri. Forme di dosaggio come compresse, film disintegranti per via orale, sistemi multiparticolati, nano e microparticelle, pellet e forme stampate in 3D sono il risultato 2,3,4.
Gli LBE possiedono lo stato “General Recognized as Safe”, bassa tossicità, buona biocompatibilità e una migliore tolleranza del paziente. La loro origine naturale e l’ampia disponibilità consentono loro di potenziare la produzione farmaceutica verde e sostenibile. Tuttavia, l’uso di LBE è stato associato a forme di dosaggio instabili. Le alterazioni delle proprietà dei prodotti a base lipidica dopo lo stoccaggio sono state ampiamente segnalate. Lo stato solido delle LBE e l’esistenza di polimorfismo lipidico sono considerati le ragioni principali dell’instabilità delle forme di dosaggio a base lipidica 5,6,7,8.
Le proprietà meccaniche e fisiche dei lipidi sono strettamente correlate alle loro proprietà di cristallizzazione e alla struttura della loro rete cristallina, che mostra distinte gerarchie di organizzazione strutturale. Quando i lipidi vengono utilizzati nella produzione di prodotti farmaceutici, la struttura cristallina è influenzata dai parametri di processo applicati, come temperatura, solventi organici, taglio e forze meccaniche, che a loro volta influenzano le prestazioni del prodotto farmaceutico 5,7,9,10,11,12 . Per comprendere questa relazione struttura-funzione, è importante conoscere i fondamenti della cristallizzazione lipidica e della struttura cristallina e i metodi analitici per esaminarli.
A livello molecolare, la più piccola unità di un cristallo lipidico è definita “cellula unitaria”. Una regolare ripetizione tridimensionale di cellule unitarie costruisce i reticoli cristallini, con interazioni molecolari più forti lungo le loro direzioni laterali rispetto a quelle longitudinali, spiegando la costruzione stratificata dei cristalli lipidici. L’impacchettamento ripetuto della sezione trasversale delle catene idrocarburiche è noto come sottocella 1,12,13 (Figura 1). Le lamelle sono l’impacchettamento laterale delle molecole lipidiche. Nel pacchetto cristallino, le interfacce tra le diverse lamelle sono costituite da gruppi terminali metilici, mentre i gruppi glicerolo polare sono posizionati nelle parti interne della lamella14. Per differenziare ogni catena di acidi grassi nella lamella, viene impiegato il termine foglietto, che rappresenta un sottostrato composto da singole catene di acidi grassi. Gli acilgliceroli possono essere disposti in doppie (2L) o triple (3L) lunghezze di catena di foglietti14. L’energia superficiale delle lamelle le spinge a impilarsi epitassialmente l’una con l’altra, per fornire nanocristalliti. Diversi fattori di lavorazione come la temperatura e la velocità di raffreddamento influenzano il numero di lamelle impilate e, quindi, lo spessore della cristallite (~ 10-100 nm). L’aggregazione dei cristalliti porta alla formazione di sferuliti su micro-scala, e l’aggregazione delle sferuliti fornisce alla rete cristallina di LBE un comportamento macroscopico definito13.
Le transizioni allo stato solido iniziano a livello molecolare. La transizione geometrica da una sottocella all’altra è chiamata polimorfismo. Tre polimorfi principali della forma α, β’ e β si trovano solitamente negli acilgliceroli, ordinati in base alla maggiore stabilità. L’inclinazione della lamella rispetto ai gruppi terminali avviene durante le transizioni polimorfiche 1,13. Le transizioni polimorfiche mediate da stoccaggio e fusione sono sperimentate dagli LBE. Le transizioni di immagazzinamento si verificano quando la forma metastabile è immagazzinata al di sotto della sua temperatura di fusione, mentre le transizioni mediate dalla fusione si verificano quando la temperatura sale al di sopra del punto di fusione di una forma metastabile provocando fusione e successiva cristallizzazione della forma più stabile.
Inoltre, possono verificarsi anche la separazione di fase e la crescita dei cristalli. La separazione di fase è guidata dalla cristallizzazione multifasica iniziale e dalla crescita di una fase o più. Le interazioni particella-particella, tra cui la sinterizzazione, le interazioni molecolari, le caratteristiche microstrutturali e i componenti estranei, possono anche innescare la crescita dei cristalli 1,5.
Il monitoraggio delle transizioni allo stato solido degli LBE e del loro impatto sulle prestazioni delle forme di dosaggio è di notevole importanza. Tra gli altri, la calorimetria differenziale a scansione (DSC) e la diffrazione dei raggi X, in particolare lo scattering simultaneo di raggi X a piccolo e grandangolo (SWAXS), sono due standard di riferimento per la valutazione dello stato solido lipidico.
Il DSC è comunemente usato per misurare le variazioni entalpiche del materiale di interesse associate al flusso di calore in funzione del tempo e della temperatura. Il metodo è ampiamente utilizzato per lo screening del comportamento termico dei lipidi, come le possibili vie di fusione e cristallizzazione, la corrispondente temperatura ed entalpia di diverse forme polimorfiche, nonché frazioni minori e principali di composizioni lipidiche. Questi dati possono essere utilizzati per rappresentare l’eterogeneità, le fasi multiple e il polimorfismo lipidico 5,7,13.
Le tecniche di diffrazione dei raggi X sono i metodi più potenti per la determinazione della struttura allo stato solido. Possedendo una nanostruttura ordinata con lamelle ripetute, la riflessione del fascio di raggi X dai cristalli lipidici può essere studiata usando la legge di Bragg:
d = λ/2sinθ (equazione 1)
dove λ è la lunghezza d’onda dei raggi X di 1,542 Å, θ è l’angolo di diffrazione del fascio diffuso e d è la spaziatura interplanare degli strati ripetuti, definita come lunghezza della lamella nei lipidi. La regione a piccolo angolo della radiografia può essere perfettamente utilizzata per rilevare il modello di spaziatura lunga e calcolare la lunghezza della lamella (d). Maggiore è la distanza ripetuta d, minore è l’angolo di scattering (1-15°, regione ad angolo piccolo) poiché d è inversamente proporzionale al peccato θ. La disposizione subcellulare dei lipidi può essere caratterizzata come il modello di spaziatura corta nella regione grandangolare della diffrazione dei raggi X. Entrambi i modelli di spaziatura lunga e corta dei lipidi (lunghezza della lamella e disposizione delle sottocellule) possono essere utilizzati per indicare la trasformazione polimorfica monotropica. Ad esempio, la forma a α (esagonale) può essere modificata in β (triclino) a causa di un cambiamento nell’angolo di inclinazione delle catene, con alterazioni nella lunghezza della lamella (schema di spaziatura lunga, nella regione ad angolo piccolo, 1-15°) e nella modalità di impacchettamento della sezione trasversale (modello di spaziatura corta, nella regione grandangolare, 16-25°) (Figura 2).
Le informazioni ottenute dalla regione SAXS possono essere ulteriormente utilizzate per studiare la crescita dei cristalli misurando il suo spessore (D) tramite l’equazione di Scherrer15:
D = Kλ/FWHMcosθ (equazione 2)
Dove, FWHM è la larghezza in radianti del massimo di diffrazione misurata a metà strada tra lo sfondo e il picco, generalmente noto come larghezza intera a metà massimo (FWHM); θ è l’angolo di diffrazione; λ è la lunghezza d’onda dei raggi X (1,542 Å) e K (costante di Scherrer) è un numero adimensionale che fornisce informazioni sulla forma del cristallo (in caso di assenza di informazioni dettagliate sulla forma K = 0,9 è una buona approssimazione). Si noti che l’equazione di Scherrer può essere utilizzata per stimare le dimensioni medie dei cristalli fino a circa 100 nm poiché l’allargamento del picco è inversamente proporzionale alla dimensione del cristallite. Pertanto, la sua applicazione è utile per determinare lo spessore delle nanopiastrine e, indirettamente, il numero di lamelle aggregate. Esempi di utilizzo di questo approccio ben noto per lo screening delle proprietà cristalline dei lipidi nello sviluppo della formulazione farmaceutica e la corrispondente instabilità nelle prestazioni del prodotto possono essere trovati in 5,12,16,17,18.
Il monitoraggio dello stato solido degli LBE all’interno di ogni fase di sviluppo attraverso tecniche analitiche consolidate fornisce una strategia efficace per la progettazione di processi di produzione ad alte prestazioni e prodotti farmaceutici stabili a base lipidica.
Questa pubblicazione presenta l’applicazione critica di un’analisi completa dello stato solido degli LBE per il monitoraggio dei cambiamenti nello stato solido e la sua correlazione con l’alterazione del profilo di rilascio del principio attivo farmaceutico (API) dalla forma di dosaggio farmaceutica. I sistemi multiparticolati basati su cristalli API rivestiti di lipidi tramite rivestimento hot-melt e le sospensioni nanolipidiche prodotte tramite omogeneizzazione ad alta pressione sono presi come casi di studio. Il focus di questa pubblicazione è l’applicazione della diffrazione dei raggi X delle polveri e della DSC come strumenti analitici. I primi due esempi mostrano l’effetto della trasformazione polimorfica e della crescita dei cristalli, rispettivamente, sull’alterazione del rilascio di API da campioni rivestiti. L’ultimo esempio rivela la correlazione tra lo stato solido stabile dei lipidi e le prestazioni stabili del prodotto farmaceutico nei sistemi multiparticolati rivestiti di lipidi e nelle sospensioni nanolipidiche.
Protocol
Representative Results
Discussion
La diffrazione dei raggi X in polvere e il DSC sono stati descritti in questo manoscritto come gold standard per l’analisi allo stato solido degli LBE. La diffrazione a raggi X in polvere ha l’eccezionale vantaggio di elaborare le misure in situ, con una minima manipolazione allo stato solido dei campioni durante le misurazioni. Inoltre, i capillari riempiti possono essere conservati in condizioni diverse dopo le misurazioni iniziali per studiare l’alterazione dello stato solido durante lo stoccaggio. In questo …
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Il Centro di Ricerca Ingegneria Farmaceutica (RCPE) è finanziato nell’ambito dei COMET – Competence Centers for Excellent Technologies di BMK, BMDW, Land Steiermark e SFG. Il programma COMET è gestito dalla 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 |
References
- 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).
