En pakke med etablerte analyseverktøy for å undersøke faststoffendringen av lipidbaserte hjelpestoffer

Summary

Denne publikasjonen viser anvendelsen av røntgendiffraksjon og differensialskanningskalorimetri som gullstandarder for å undersøke fasttilstanden til lipidbaserte hjelpestoffer (LBE). Å forstå faststoffendringen i LBE og dens effekt på ytelsen til farmasøytiske produkter derav er nøkkelfaktoren for produksjon av robuste lipidbaserte doseringsformer.

Abstract

Lipidbaserte hjelpestoffer (LBE) er lavtoksiske, biokompatible og naturlig baserte, og deres anvendelse støtter bærekraften til farmasøytisk produksjon. Den største utfordringen er imidlertid deres ustabile faststoff, som påvirker stabiliteten til det farmasøytiske produktet. Kritiske fysiske egenskaper av lipider for deres behandling – som smeltetemperatur og viskositet, reologi, etc. – er relatert til deres molekylære struktur og deres krystallinitet. Tilsetningsstoffer, samt termisk og mekanisk stress involvert i produksjonsprosessen, påvirker fasttilstanden til lipider og dermed ytelsen til farmasøytiske produkter derav. Derfor er det viktig å forstå endringen i fasttilstanden. I dette arbeidet introduseres kombinasjonen av pulverrøntgendiffraksjon og differensialskanningskalorimetri (DSC) som gullstandarden for karakterisering av lipiders faste tilstand. Røntgendiffraksjon er den mest effektive metoden for å skjerme polymorfisme og krystallvekst. Det polymorfe arrangementet og lamelllengden er karakterisert i henholdsvis de brede og små vinkelområdene av røntgendiffraksjon. Den småvinklede røntgenspredningsregionen (SAXS) kan videre brukes til å undersøke krystallvekst. Faseovergang og separasjon kan angis. DSC brukes til å skjerme den termiske oppførselen til lipider, estimere blandbarheten av tilsetningsstoffer og / eller aktive farmasøytiske ingredienser (API) i lipidmatrisen, og gi fasediagrammer. Fire casestudier presenteres der LBE enten brukes som et beleggmateriale eller som en innkapslingsmatrise for å gi henholdsvis lipidbelagte multipartikkelsystemer og lipidnanosuspensioner. Lipid solid state og dens potensielle endring under lagring undersøkes og korreleres med endringen i API-utgivelsen. Kvalitative mikroskopiske metoder som polarisert lysmikroskopi og scanning elektronmikroskopi er komplementære verktøy for å undersøke krystallisering på mikronivå. Ytterligere analysemetoder bør legges til basert på den valgte produksjonsprosessen. Forholdet mellom struktur og funksjon og bearbeidbarhet bør forstås nøye for å designe robuste og stabile lipidbaserte farmasøytiske produkter.

Introduction

Lipider er en klasse av materialer som inneholder langkjedede alifatiske hydrokarboner og deres derivater. De dekker et bredt spekter av kjemiske strukturer, inkludert fettsyrer, acylglyceroler, steroler og sterolestere, voks, fosfolipider og sfingolipider¹. Bruken av lipider som farmasøytiske hjelpestoffer startet i 1960 for å legge inn medisiner i en voksmatrise for å gi vedvarende frigivelsesformuleringer². Siden da har lipidbaserte hjelpestoffer (LBE) fått omfattende oppmerksomhet for ulike applikasjoner, for eksempel modifisert legemiddelfrigivelse, smakmaskering, legemiddelinnkapsling og forbedret biotilgjengelighet av legemidler. LBE kan brukes i et bredt spekter av farmasøytiske doseringsformer via allsidige produksjonsprosesser, nemlig smeltebelegg, spraytørking, solid lipidekstrudering, 3D-utskrift, tableting og høytrykkshomogenisering, blant andre. Doseringsformer som tabletter, oralt desintegrerende filmer, multipartikulære systemer, nano- og mikropartikler, pellets og 3D-printede former er resultatet ^2,3,4.

LBE har statusen “General Recognized as Safe”, lav toksisitet, god biokompatibilitet og forbedret pasienttoleranse. Deres naturlige opprinnelse og brede tilgjengelighet gjør at de kan styrke grønn og bærekraftig farmasøytisk produksjon. Likevel har bruk av LBE vært assosiert med ustabile doseringsformer. Endringer i egenskapene til lipidbaserte produkter etter lagring har blitt mye rapportert. Fasttilstanden til LBE og eksistensen av lipidpolymorfisme regnes som hovedårsakene til ustabiliteten til lipidbaserte doseringsformer 5,6,7,8.

De mekaniske og fysiske egenskapene til lipider er nært knyttet til deres krystallisasjonsegenskaper og strukturen til deres krystallnettverk, som viser forskjellige hierarkier av strukturell organisasjon. Når lipider brukes til fremstilling av farmasøytiske produkter, påvirkes krystallstrukturen av prosessparametrene som påføres, for eksempel temperatur, organiske løsningsmidler, skjær og mekaniske krefter, noe som igjen påvirker ytelsen til det farmasøytiske produktet 5,7,9,10,11,12 . For å forstå dette struktur-funksjon-forholdet er det viktig å kjenne grunnlaget for lipidkrystallisasjon og krystallstruktur og analysemetoder for å screene dem.

På molekylært nivå kalles den minste enheten av en lipidkrystall en “enhetscelle”. En vanlig tredimensjonal repetisjon av enhetsceller bygger krystallgitterene, med sterkere molekylære interaksjoner sammen med deres laterale retninger enn de langsgående, og forklarer den lagdelte konstruksjonen av lipidkrystaller. Den gjentatte tverrsnittspakkingen av hydrokarbonkjeder er kjent som undercelle 1,12,13 (figur 1). Lamellae er lateral pakking av lipidmolekyler. I krystallpakken er grensesnittene mellom forskjellige lameller laget av metylendegrupper, mens de polare glyserolgruppene er plassert i de indre delene av lamellen¹⁴. For å skille hver fettsyrekjede i lamellen, brukes begrepet brosjyre, som representerer et underlag sammensatt av enkeltfettsyrekjeder. Acylglyceroler kan ordnes i doble (2L) eller trippel (3L) pakningskjedelengder¹⁴. Lamellenes overflateenergi driver dem til epitaksisk å stable til hverandre, for å gi nanokrystallitter. Ulike behandlingsfaktorer som kjøletemperatur og hastighet påvirker antall stablede lameller og dermed krystallitttykkelsen (~ 10-100 nm). Aggregering av krystallitter fører til dannelse av sfærulitter i mikroskala, og aggregering av sfærulitter gir krystallnettverket av LBE definert makroskopisk oppførsel¹³.

Solid-state overganger starter på molekylært nivå. Den geometriske overgangen fra en undercelle til en annen kalles polymorfisme. Tre store polymorfer av α-, β’-, og β-form finnes vanligvis i acylglyceroler, bestilt i henhold til økt stabilitet. Tilting av lamellen med hensyn til sluttgrupper skjer under polymorfe overganger ^1,13. Lagring og smeltemedierte polymorfe overganger oppleves av LBE. Lagringsoverganger oppstår når den metastabile formen lagres under smeltetemperaturen, mens smeltemedierte overganger skjer når temperaturen stiger over smeltepunktet til en metastabil form som fremkaller smelting og suksessiv krystallisering av den mer stabile formen.

Videre kan faseseparasjon og krystallvekst også forekomme. Faseseparasjon drives av innledende multifasisk krystallisering og vekst av en fase eller mer. Partikkel-partikkel-interaksjoner, inkludert sintring, molekylære interaksjoner, mikrostrukturelle egenskaper og utenlandske komponenter, kan også utløse krystallvekst ^1,5.

Overvåking av solid state-overgangene til LBE og deres innvirkning på ytelsen til doseringsformer er av betydelig betydning. Blant annet er differensialskanningskalorimetri (DSC) og røntgendiffraksjon, spesielt samtidig liten og vidvinkel røntgenspredning (SWAXS), to gullstandarder for vurdering av lipidfaststoff.

DSC brukes ofte til å måle entalpiendringene i materialet av interesse forbundet med varmestrømmen som en funksjon av tid og temperatur. Metoden er mye brukt til screening av termisk oppførsel av lipider, slik som mulige smelte- og krystalliseringsveier, tilsvarende temperatur og entalpi av forskjellige polymorfe former, samt mindre og hovedfraksjoner av lipidsammensetninger. Disse dataene kan brukes til å skildre heterogenitet, flere faser og lipidpolymorfisme ^5,7,13.

Røntgendiffraksjonsteknikker er de kraftigste metodene for strukturbestemmelse i fast tilstand. Har bestilt nanostruktur med gjentatte lameller, kan refleksjonen av røntgenstråle fra lipidkrystaller undersøkes ved hjelp av Braggs lov:

d = λ/2sinθ (ligning 1)

hvor λ er røntgenbølgelengden på 1,542 Å, θ er diffraksjonsvinkelen til den spredte strålen, og d er den interplanare avstanden mellom gjentatte lag, definert som lamelllengde i lipider. Den lille vinkelregionen av røntgenstrålen kan brukes perfekt til å oppdage langavstandsmønsteret og beregne lamelllengden (d). Jo større den gjentatte avstanden d, desto mindre er spredningsvinkelen (1-15°, småvinkelregionen) siden d er omvendt proporsjonal med sin θ. Undercellearrangementet av lipider kan karakteriseres som kortavstandsmønsteret i vidvinkelområdet av røntgendiffraksjonen. Både de lange og korte avstandsmønstrene til lipider (lamelllengde og undercellearrangement) kan brukes til å indikere den monotrope polymorfe transformasjonen. For eksempel kan α-formen (sekskantet) endres til β (triklinisk) på grunn av en endring i kjedevinkelen, med endringer i lamelllengden (langt avstandsmønster, i småvinkelområdet, 1-15 °) og i tverrsnittspakkemodus (kortavstandsmønster, i vidvinkelområdet, 16-25 °) (figur 2).

Informasjonen hentet fra SAXS-regionen kan videre brukes til å undersøke krystallveksten ved å måle tykkelsen (D) via Scherrer-ligningen¹⁵:

D = Kλ/FWHMcosθ (ligning 2)

Hvor FWHM er bredden i radianer av diffraksjonsmaksimumet målt i halvveishøyde mellom bakgrunnen og toppen, vanligvis kjent som full bredde ved halvmaksimum (FWHM); θ er diffraksjonsvinkelen; λ er røntgenbølgelengden (1,542 Å) og K (Scherrer-konstant) er et dimensjonsløst tall som gir informasjon om krystallets form (i tilfelle fravær av detaljert forminformasjon er K = 0,9 en god tilnærming). Vær oppmerksom på at Scherrer-ligningen kan brukes til å estimere gjennomsnittlige krystallstørrelser på opptil ca. 100 nm siden topputvidelsen er omvendt proporsjonal med krystallittstørrelsen. Derfor er applikasjonen nyttig for å bestemme tykkelsen på nanoplater og indirekte antall aggregerte lameller. Eksempler på bruk av denne velkjente tilnærmingen for screening av krystallegenskapene til lipider i den farmasøytiske formuleringsutviklingen og den tilsvarende ustabiliteten i produktets ytelse finnes i 5,12,16,17,18.

Overvåking av fasttilstanden til LBE innenfor hvert utviklingsstadium gjennom veletablerte analytiske teknikker gir en effektiv strategi for å designe høyytelsesproduksjonsprosesser og stabile lipidbaserte farmasøytiske produkter.

Denne publikasjonen presenterer den kritiske anvendelsen av en omfattende solid state-analyse av LBE for overvåking av endringene i faststoff og dens korrelasjon til endringen i frigivelsesprofilen til aktiv farmasøytisk ingrediens (API) fra den farmasøytiske doseringsformen. Multipartikulære systemer basert på lipidbelagte API-krystaller via smeltebelegg, og nano-lipid suspensjoner produsert via høytrykkshomogenisering er tatt som casestudier. Fokus for denne publikasjonen er anvendelsen av pulverrøntgendiffraksjon og DSC som analyseverktøy. De to første eksemplene viser effekten av henholdsvis polymorf transformasjon og krystallvekst på endringen i API-frigjøring fra belagte prøver. Det siste eksemplet avslører sammenhengen mellom den stabile fasttilstanden av lipid og den stabile ytelsen til det farmasøytiske produktet i lipidbelagte multipartikkelsystemer og i nano-lipidsuspensjoner.

Protocol

1. Differensiell skanning kalorimetri (DSC) Forberedelse av instrumenterBruk et differensialskanningskalorimeter utstyrt med en intrakjøler, en automatisk prøvetaker og programvaren for instrumentkontroll og dataanalyse. Slå på nitrogengassforsyningen og still inn trykket mellom 0,2–0,5 bar og slå på DSC-instrumentet og den automatiske prøveveksleren. Åpne programvaren og aktiver standby-modus ved å klikke på Ja-knappen . Tillat likevek…

Representative Results

Korrelasjon mellom polymorf overgang av lipid og API-frigjøring i lipidbelagte API-krystaller:API-krystaller belagt med glyserolmonostearat måles via DSC og røntgen rett etter belegging og etter 3 måneders lagring under akselererte forhold (40 °C, 75 % relativ fuktighet)7. Glyserynmonostearat er et multifasisk system som inneholder 40% -55% monoglyserider, 30% -45% diglyserider og 5% -15% glyserider, hovedsakelig tristearin19. De polymorfe…

Discussion

Pulverrøntgendiffraksjon og DSC ble beskrevet i dette manuskriptet som gullstandarder for faststoffanalyse av LBE. Pulverrøntgendiffraksjon har den enestående fordelen av å behandle målingene in situ, med minimal solid state manipulering av prøver under målingene. Videre kan de samme fylte kapillærene lagres under forskjellige forhold etter innledende målinger for å undersøke solid state-endringen under lagring. I dette arbeidet fokuserte vi på de brede og små vinkelområdene til røntgen, slik at v…

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