Fyzikální stabilita farmaceutických disperzí

Možnosti podávání léků jsou každým dnem účinnější díky vývoji nových forem léčivých přípravků. Disperzní systémy, jako jsou emulze (jednoduché nebo vícečetné) nebo suspenze nanočástic (oxidy kovů apod.), se v současné době hojně využívají jako nosiče léčiv nebo léčivé přípravky. Tyto nové formy produktů umožňují lepší zacílení a vstřebatelnost pro pacienta a dávají vzniknout novým řešením ve vývoji léčiv. Stabilita těchto z podstaty nestabilních koloidních systémů však způsobuje problémy při jejich formulaci a studiu. Analyzátor Turbiscan® (Formulaction) umožňuje detekovat, kvalifikovat a kvantifikovat jakýkoliv destabilizační proces disperzí léčiv od vývoje nového produktu až po kontrolu jeho kvality.

Princip měření

Optický skenovací analyzátor Turbiscan® využívá detekční hlavy, která se pohybuje nahoru a dolů podél skleněné vialky s plochým dnem, viz obr. 1. Detekční hlava se skládá z pulzního zdroje blízkého infračerveného světla (λ = 880 nm) a dvou synchronních detektorů. Transmisní detektor (v úhlu 180°) přijímá světlo, které prochází vzorkem, zatímco detektor zpětného rozptylu (v úhlu 45°) přijímá světlo rozptýlené vzorkem zpět. Detekční hlava snímá celou výšku vzorku a každých 40 µm získává data o transmisi a zpětném rozptylu. Přístroj Turbiscan LAB® lze tepelně regulovat od 4 do 60 °C a propojit s plně automatizovanou stanicí pro stárnutí (Turbiscan AGS®) pro analýzy dlouhodobé stability. Zvyšování teploty je ideálním parametrem pro urychlení destabilizačních procesů při zachování realistických podmínek testování.

Obr.%201%20-%20Princip%20m%C4%9B%C5%99en

Obr. 1: Princip měření analyzátoru Turbiscan®

Přístroj Turbiscan® provádí snímání v různých naprogramovaných časech, profily se překrývají v jednom grafu. Grafy se obvykle zobrazují v referenčním režimu, kdy se první profil odečítá od všech ostatních profilů, aby se zdůraznily rozdíly ve stabilitě. U stabilního přípravku se všechny profily překrývají ve stejné křivce, nestabilní přípravek zobrazuje variace profilů. Zpětný rozptyl a/nebo transmisní toky jsou zobrazeny na ose y a výška vialky/vzdálenost ode dna na ose x. První profil je zobrazen modře, poslední červeně, viz obr. 2.

Obr.%202%20-%20P%C5%99%C3%ADklad%20sedim

Obr. 2: Příklad sedimentace a změny velikosti částic v průběhu analýzy

Princip měření je založen na vícenásobném rozptylu světla (MLS), kdy jsou fotony mnohokrát rozptýleny částicemi/kapičkami disperzí, než jsou detekovány detektorem zpětného rozptylu. Intenzita světla zpětně rozptýleného vzorkem závisí na třech parametrech: průměru částic, jejich objemovém podílu (koncentrace částic) a relativním indexu lomu mezi disperzní a kontinuální fází. Proto je optickým zařízením detekována jakákoliv změna způsobená změnou velikosti částic (flokulace, koalescence) nebo lokální změnou objemového podílu (migrační jevy: krémování, sedimentace).

Údaje o stabilitě a dispergovatelnosti se získávají sledováním vývoje intenzity zpětně rozptýleného a/nebo prošlého světla v čase. V některých případech však může být obtížné objektivně analyzovat data, například v případě současných destabilizačních jevů (např. sedimentace a agregace). Společnost Formulaction vyvinula jednoduché a robustní kritérium nazvané Turbiscan Stability Index (TSI), které umožňuje rychle porovnávat a charakterizovat stabilitu formulací. TSI je součtem všech časových a prostorových změn v posuzovaném období. Vzorek je stabilní, pokud je TSI blízké nule. Vyšší hodnota poukazuje na destabilizaci. Pomocí databáze byla nalezena souvislost s vizuálním pozorováním, viz tab. 1.

Tab. 1: Hodnoty stabilitního indexu v závislosti na destabilizaci a vizuálním posouzení

Aplikační využití

Technologie Turbiscan® je jedinečný a kompletní nástroj, který umožňuje studovat stabilitu koloidních disperzí bez jakéhokoliv ředění nebo úpravy produktu. Destabilizační procesy lze snadno identifikovat a kvantifi kovat až 200krát dříve než pouhým okem. Stanovení skladovatelnosti lze zcela automatizovat. Metoda je nedestruktivní a lze ji použít pro jakoukoliv disperzi, tedy suspenzi, emulzi nebo pěnu. Spotřeba vzorku je velmi malá, stanovení probíhá ve vialkách o objemu 4 nebo 20 ml.

Disperzibilita a stabilita nově vyvíjeného produktu jsou jeho klíčové vlastnosti. Pro usnadnění jejich stanovení byl vytvořen nový model Turbiscan DNS® (Dispersibility & Stability), viz obr. 3, který umožňuje charakterizovat disperzi od první fáze vývoje formulace až po její finální podobu včetně doby skladovatelnosti. Klasický model měří v klidovém stavu, nový model umožňuje provádět měření za současného míchání (funkce T-MIX) nebo přivádět pomocí peristaltické pumpy do měřicí nádoby čerstvý roztok (funkce T-LOOP, cirkulace). Optimalizace složení, stanovení (re)dispergovatelnosti a stability probíhá v rámci jednoho přístroje.

Obr.%203%20-%20Nov%C3%BD%20Turbiscan%20D

Obr. 3: Nový Turbiscan DNS®, funkce T-MIX a T-LOOP

V následujících odstavcích jsou popsána možná využití analyzátoru Turbiscan® pro farmaceutické aplikace, která zahrnují:

Vakcíny: Kinetika agregace a sedimentace částic (adjuvancia, proteiny, oxidy kovů).
Dermatologická kosmetika: Detekce koalescence a krémování až 200x rychlejší než vizuální test.
Vývoj nových typů amorfních pevných disperzí.

Kvantifikace potenciálu redisperze hliníkových solí ve vakcínách [1]

Adjuvancia, jako je například hlinitá sůl, se běžně přidávají do vakcín za účelem zvýšení jejich imunitní odpovědi. Ta však mohou agregovat a následně se v průběhu času usazovat díky elektrickým nábojům. Vzniklý sediment může být více či méně kompaktní a obtížně redispergovatelný v závislosti na síle vazeb mezi částicemi. Pro tento účel byla vyvinuta rychlá ověřovací metoda (< 30 min) redispergovatelnosti sedimentu. Aby bylo zabráněno ztrátě imunogenicity, byl produkt podroben řízené fl okulaci změnou pH nebo iontové síly v přítomnosti modelového antigenu (BSA, lysozym). Výsledkem jsou slabě vázané částice, které tvoří vločky s nízkou hustotou díky vysokému obsahu vázané vody a lze je snadno redispergovat.

Obr.%204%20-%20Rychlost%20sedimentace%20

Obr. 4: Rychlost sedimentace roztoku AlPO4 v různých podmínkách zachycená snímkem po 25 minutách [1]

Charakterizace Pickeringových emulzí, využití TSI [2]

Pickeringovy emulze jsou emulze stabilizované pevnými částicemi (50–500 nm), které se adsorbují na rozhraní mezi oběma fázemi. Jsou používány v široké škále oblastí, jedná se například o podávání léčiv, vezikulární, vysoce citlivé a porézní materiály, katalytické usnadnění či zajištění bezpečnějšího složení kosmetických produktů díky jejich vysoké stabilitě ve srovnání se systémy stabilizovanými povrchově aktivními látkami. Nejčastěji používanými částicemi ve farmacii jsou oxid křemičitý, jíly, uhličitan vápenatý, oxid titaničitý nebo latex.

Níže je pomocí TSI (Turbiscan Stability Index) porovnána stabilita biokompatibilních nativních cyklodextrinů pro antimykotika na bázi soli ekonazolu určené k léčbě povrchových kožních infekcí. Všechny vzorky vykazovaly zvýšení intenzity signálu po celé výšce vzorku, což znamená, že dochází ke zvětšování kapek, intenzita těchto změn se však u jednotlivých vzorků liší, jinými slovy koalescence probíhá s různou intenzitou. Kinetiku destabilizace lze kvantifikovat pomocí TSI. Ten se vypočítá sečtením všech změn signálu zjištěných v důsledku destabilizačních jevů (sedimentace, čiření, změny velikosti atd.). Čím vyšší je TSI při dané době stárnutí, tím kratší je stabilita vzorku, viz obr. 5. Vyšší stabilitu vykazovaly vzorky obsahující isopropylmyristát a gama-dextrin.

Obr.%205%20-%20V%C3%BDvoj%20TSI%20v%20z%

Obr. 5: Vývoj TSI v závislosti na čase po dvou dnech analýzy Pickeringových emulzí o různém složení [2]

Vývoj nových typů léčiv a role stability koloidních disperzí [3]

Hodnocení fyzikální stability pomocí analyzátoru Turbiscan® bylo použito pro porovnání nově vyvinutých typů koloidních disperzí s ritonavirem jako modelovou sloučeninou. Fyzikální nestabilita kapiček obsahujících různé koncentrace ritonaviru byla sledována přímo v přítomnosti kandidátních polymerních přísad a bez nich při různých teplotách. Bylo potvrzeno, že mechanismus pozorované nestability spočívá v koalescenci kapiček kapaliny. Koalescence nanokapek se projevuje poklesem signálu transmitance a zpětně odraženého světla v čase, její kinetiku lze popsat pomocí exponenciálních funkcí rozpadu. Byla prokázána účinnější stabilizace s rostoucím množstvím povrchově aktivní látky nad kritickou koncentrací micel a efekt stabilizace přidáním dostatečného množství určitých polymerů, viz obr. 6.

Obr.%206%20-%20Vliv%20polymer%C5%AF%20a%

Obr. 6: Vliv polymerů a povrchově aktivních látek na kinetiku koalescence [3]

Mezi největší výhody analyzátoru Turbiscan® patří kvantifi kovatelné měření skutečné stability a její stanovení při skladování, zkrácení doby analýzy (až 200krát rychlejší než vizuální test), schopnost detekovat a kvantifi kovat různé typy destabilizačních procesů (sedimentace, fl okulace, krémování, aglomerace, změna velikosti), jednoduché stanovení stabilitního indexu (TSI) pro rychlé porovnání různých typů vzorků, úspora materiálu (minimální objem vzorku je 1 ml), možnost měření při vysokém tlaku pro inhalátory a jeho všestrannost umožňující analýzu všech druhů disperzí, tedy emulzí, suspenzí a pěn. Jedná se o univerzální nástroj umožňující popsat stabilitu celé řady produktů s využitím nedestruktivního principu měření.

Účinnost vakcín velmi závisí na stavu disperze přípravku v okamžiku podání, proto se vakcíny před použitím často rekonstituují. Fyzikální charakterizace vakcín lze dosáhnout měřením rychlosti migrace a fl okulace, a tak vyhodnotit stav disperze v čase. Analýza pomocí přístroje Turbiscan® je spolehlivá a velmi přesná pro optimalizaci složení vakcín za účelem zvýšení rovnoměrnosti dávky, dosažení požadované účinnosti a snadné rekonstituce. Pro urychlení vývoje nových přípravků lze s výhodou využít nový model Turbiscan DNS® a provádět analýzu stability a redispergovatelnosti za současného míchání (T-MIX) nebo online (T-LOOP).

Tento článek byl připraven s využitím materiálů poskytnutých společností Formulaction.

Literatura

[1] MUTHURANIA, K. Investigation of the Sedimentation Behavior of Aluminum Phosphate: Infl uence of pH, Ionic Strength, and Model Antigens. Pharmaceutical Research and Development; Pfi zer Inc., J Pharm Sci 2015, 104:3770–3781

[2] LECLERCQ, L. NARDELLO-RATAJ, V. Pickering Emulsions Based on Cyclodextrins: A Smart Solution for Antifungal Azole Derivatives Topical Delivery; Eur J Pharm Sci 2016, 82:126–137

[3] SUN, Y. Assesing Physical Stability of Colloidal Dispersions Using a Turbiscan Optical Analyzer; Mol. Pharmaceutics 2019, 16, 2, 877–885