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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.