Summary

Un pacchetto di strumenti analitici consolidati per studiare l'alterazione allo stato solido degli eccipienti a base lipidica

Published: August 09, 2022
doi:

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

1. Calorimetria differenziale a scansione (DSC) Preparazione dello strumentoUtilizzare un calorimetro differenziale a scansione dotato di un intracooler, un autocampionatore e il software per il controllo dello strumento e l’analisi dei dati. Accendere l’alimentazione del gas azoto e impostare la pressione tra 0,2 e 0,5 bar e accendere lo strumento DSC e lo scambiatore automatico di campioni. Aprire il software e attivare la modalità standby facendo clic sul pulsa…

Representative Results

Correlazione tra transizione polimorfica dei lipidi e rilascio di API in cristalli di API rivestiti di lipidi:I cristalli di API rivestiti con glicerolo monostearato vengono misurati tramite DSC e raggi X direttamente dopo il rivestimento e dopo 3 mesi di conservazione in condizioni accelerate (40 °C, 75% di umidità relativa)7. Il gliceril monostearato è un sistema multifasico contenente il 40% -55% di monogliceridi, il 30% -45% di digliceridi e il 5% -15% di glice…

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 …

Divulgazioni

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

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Citazione di questo articolo
Salar-Behzadi, S., Corzo, C., Laggner, P. A Package of Established Analytical Tools to Investigate the Solid-State Alteration of Lipid-Based Excipients. J. Vis. Exp. (186), e63993, doi:10.3791/63993 (2022).

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