溶解中にコヒーレント反ストークスラマン散乱（CARS）顕微鏡可視化薬錠

サマリー

コヒーレントアンチストークスラマン散乱（CARS）顕微鏡法は、 インサイチュー及び溶解を受けている医薬錠剤の表面のリアルタイム可視化を可能にする固有のフロースルー溶解セットアップと組み合わされる。この特注のセットアップを使用して、インラインUV吸収分光法を用いて記録薬物溶出プロファイルとCARSビデオを相関させることが可能である。

要約

伝統的な医薬の溶解試験は、溶解媒体中の薬物含量を測定することによって経時的に溶解した薬物の量を決定する。この方法は、溶解性錠剤の表面には何が起きているかについてはほとんど直接的な情報を提供します。錠剤表面の組成および構造は、溶解時に変更することができるように、溶解試験中にそれをモニターするために不可欠である。 UV吸収分光法が同時にテオフィリン無水物および酢酸セルロースの50％の混合物を含有する錠剤用に溶解し、薬物濃度のインライン分析を提供している間は、この研究では、コヒーレントアンチストークスラマン散乱顕微鏡法は、溶解時の錠剤表面に画像を形成するために使用される。測定は、 インサイチューで CARS顕微鏡法は、エチルセルロースの存在下で選択的にテオフィリン撮像することが可能であることを示した。さらに、テオフィリン無水物は、針状の叫びとともに、溶解中にテオフィリン一水和物に変換溶解中に錠剤表面上に成長するstals。流れる溶解媒体への薬剤の減少した露出と組み合わせる和物にテオフィリン無水の変換は、減少した溶解速度が得られた。我々の結果は、in situハイ CARS インライン UV吸収分光法と組み合わせた顕微鏡検査は、医薬錠剤の溶解をモニターし、溶出速度の変化に伴う表面変化を相関させることが可能であることを示している。

概要

錠剤およびカプセルなどの経口医薬剤形の開発中に溶解試験に重点がある。経口剤形は、それらが治療効果に吸収される前に溶解するために必要とされる。難溶性薬物は一般的に¹溶出試験が特に重要になり、十分な濃度に達する問題がある。薬局方の溶解方法は、最も一般的に溶解分析のために使用される。ほとんどの場合、これは次いで、溶解媒体を流すビーカー内に配置される錠剤またはカプセル剤等の薬剤の調製が必要である。溶解した薬物濃度は、その後、UV吸収分光法²のような標準的な分光技術を用いた溶解媒質の試料を分析することによって決定される。これらの伝統的な医薬品の溶解方法は、サンプルまたは剤形の溶解表面に発生する可能性のある変化の直接的な分析を提供していない。溶解中の試料の直接分析は、溶解剤形についての詳細を提供し、潜在的に溶出試験の失敗の原因となった問題を識別することができる。

剤形の溶解の直接分析は、溶解過程を監視することが可能な、その場での分析技術の使用を必要とする。溶解中にその場で記録するための分析技術は、溶出溶媒の存在によって影響されてはならず、技術は確実秒のオーダーの溶解剤形への変化を測定するために高い時間分解能が必要である。減衰全反射UV分光法は、溶解の間の変化を測定するのに適していることが示されますが、イメージング技術³によって提供される空間分解能を欠いてきた。このような走査電子顕微鏡（SEM）などの従来の薬学的イメージング技術、および自発的ラマンマッピングの両方がそれらの使用を防止する因子を制限している解散のその場。

SEM像は、医薬剤形の表面を撮像することが可能な高解像度の迅速なイメージング技術である。しかしながら、SEMイメージングは、一般に真空条件下で行われ、 その場で溶解用イメージングにおけるそれは不適当試料コーティングを必要とする。セルおよびフロースルーUV吸収分光法を通る流れと組み合わさファイバ結合自発ラマン分光法は、テオフィリン^4、カルバマゼピン、およびインドメタシン⁵を含む、溶解中にin situでの様々な薬物·システムを監視するために行われている。ラマン分光法は、溶解時に発生する表面の変化を同定することができたが、それは表面変化が発生した場所に関する空間的情報を与えなかった。自発的ラマンマッピングは、ラマンスペクトルを使用し、試料表面についての空間的情報を提供するが、撮像画像領域に応じて数分から数時間のオーダーで取り、製造その場での溶解イメージングでには適さないこと。

コヒーレントアンチストークスラマン散乱（CARS）顕微鏡法は、迅速な画像化技術とインラインUV吸収分光法と組み合わせて、それが私たちがその場で溶解分析で可能な技術の開発が可能になったである。 CARS顕微鏡検査は、 その場で溶解分析において好適な技術作る溶解媒体の存在によって影響されない迅速な化学選択的なイメージングを提供する。 CARS技術は、レーザーのパルス持続時間に基づいて2つのグループに大別され; 1狭帯域CARS（ピコ秒パルスレーザ）、および他のものの広帯域CARS（フェムト秒パルスレーザ）であること。典型的なCARS顕微鏡システムは、2つのパルスレーザ光源と倒立顕微鏡からなる。 CARS信号を生成するために、パルスレーザーの一方が調整可能である必要があるので、ラマン振動と一致するつのレーザ間の周波数差がある。さらに、つのレーザが両方のレーザからのパルスが同時に試料の同じ領域に到達すると、空間内の（空間）と重なると時間（時間）が要求される。ラマン振動が化学的に特異的であり、CARS信号のみ、顕微鏡の焦点体積内で生成されるように、CARS顕微鏡は、ダウン回折限界分解能で化学的に選択的な撮像が可能である。

シングルラマン振動モードを利用した狭帯域CARS顕微鏡は、自発ラマンマッピング技術⁶に比べて約100倍高速な画像化を可能にします。広いスペクトル範囲にわたってブロードバンドCARS顕微鏡像（600-3,200センチ^-1対約4 cm ^-1）であるが（10センチメートル^-1対〜4センチメートル^-1付近）低いスペクトル分解能と遅くイメージング速度が（50ミリ秒/ピクセル対〜5秒/ピクセル）狭CARS顕微鏡⁷に比べて。

狭帯域CARS顕微鏡画像DRUに使用されているいくつかの製薬システムからのGのリリース。医薬製剤の分野では、Kang ら ^8-10結像薬物担持ポリマーフィルム。最初に、それらは静的溶解媒体からの薬物放出の撮像を行ったロードされた薬剤の分布を画像化した。 Jurna ら ¹¹及びWindbergs ら ¹²歩行って、まず、動的な溶解媒体を使用して、薬物溶出を撮像し、続いて脂質剤形におけるテオフィリン分布を画像化した。

我々は、同時にUV吸収分光法で溶解薬物濃度を記録しながら、狭帯域CARS顕微鏡による溶解を受けているタブレットの表面変化を監視するための新しい分析方法を開発した。我々は、エチルセルロースを溶解媒体として水を用いて溶解を受けていると組み合わさモデル薬物テオフィリンを含有するこの方法撮像錠剤の使用を示す。

プロトコル

図1。溶解セットアップから本来の流れにCARS顕微鏡のセットアップを模式的に示す。この図は、ファッセルら ¹³から変更されている。

1。システム起動

1. 20ピコ秒パルス状1064 nmのCARSレーザーをオンにして、レーザー（約1.5時間）ウォームアップすることができます。
2. 重水素ランプ、UV光源をオンにし、それが（約10分）ウォームアップすることができます。
3. 「開放」するシャッタスイッチを設定することにより、重水素ランプ、UV光源のシャッターを開く。
4. 顕微鏡制御用PCの電源を入れ、顕微鏡制御ソフトウェアを起動します。
5. UV分光計用PCの電源を入れ、分光器制御ソフトウェアを開きます。

2。ミcroscopeセットアップ

1. 希望の顕微鏡対物レンズを選択します。本研究で示された結果を達成するために20X/0.5のNA対物レンズを使用してください。
2. 励起レーザを送信し、CARS信号を反射するフィルタセットタレットでフィルタを設定します。この研究で示された結果を複製する775 nmのロングパスダイクロイックミラーと650 nmのバンドパス40 nmのフィルタを選択します。
3. CARS信号とフィルタの不要な光を透過する光電子増倍管（PMT）検出器の前に置き、適切なフィルター。この研究で行われた実験を再現するために750nmのショートパスフィルタ及び650nmのバンドパス40nmのフィルタを用いて光をフィルタリングする。

3。システムテスト

1. 配管から前の液体をクリアするためにZ型のUVフローセルを数分間蠕動ポンプとポンプ溶解媒体をオンにします。
2. 2分でポンプで溶解媒体の量を計量することによりポンプの流量を決定します。ポンプ速度UNを調整ゴマ、所望の流量が達成される。この研究で報告された結果を達成するために、5ml /分の流速で溶出媒体ポンプ。

4。紫外線溶解測定

1. UV分光計制御用ソフトウェアは、すべての利用可能な分光器が一覧表示されますウィンドウを開くために「新しい吸光度測定」をクリックして「ファイル」メニューをクリックします。
2. 正しいUV分光計をクリックし、[データ収集パラメータを表示するウィンドウを開くには、「次へ」をクリックします。
3. 積分時間とスペクトル平均化の両方を定義します。この研究で示された結果を複製する200平均と150ミリ秒の積分時間を選択してください。
4. 参照スペクトルを記録するために使用される画面を表示し、「次へ」というボタンをクリックしてください。
5. 参照スペクトルを記録する黄色の電球のように表示されるボタンをクリックしてください。この測定中に連続的に溶解媒体をポンピング。
6. 「閉」にスイッチを設定することにより、重水素ランプ、UV光源のシャッターを閉じます。
7. 暗スペクトルを記録するために使用される画面を表示し、「次へ」というボタンをクリックしてください。
8. 暗スペクトルを記録する灰色の電球のように表示されるボタンをクリックしてください。この測定中に連続的に溶解媒体をポンピング。
9. 紫外線吸光度測定を開始するために「終了」というボタンをクリックします。

5。CARS溶解ビデオ

1. 「XYT「測定を選択しボタンをCARS顕微鏡制御ソフトウェアをクリックしてください。
2. ドロップダウンボックスをクリックして、ピクセル単位で画像サイズを選択します。この研究で報告された画像を再現するために512×512ピクセルの画像サイズを選択します。
3. 「高速」、「中」、または「遅い」の位置のいずれかに画像形成速度スライダをドラッグします。達成するために、高速なスキャン速度（画像ごとに1.12秒）を使用しますこの研究で示された結果。
4. ズームレベルを調整する「ズーム」と表示された矢印をクリックしてください。ビューのズームとフィールドのレベルを複製するために「2倍」ズームを選択し、これらの結果に使用（350 X 350ミクロン）。
5. ドロップダウンボックスをクリックし、使用目的を選択します。
6. 入力ボックスをクリックし、（実験の長さに応じて）車の溶解ビデオに必要なフレームの量を入力します。この研究で示された結果を再現するために900フレームを記録することによって、約15分間溶解を行う。

6。CARS波長チューニング

1. 光パラメトリック発振器を用いて（OPO）コントローラ所望のラマン周波数で最大レーザ出力に達するまで、温度、ピエゾ位置、リオフィルタ位置としてOPOの設定を調整する。 2960センチメートルにチューニングOPOを^-1この記事で紹介したものと同じ結果を記録する。

7。溶解実験

1. カスタム構築されたCARSフローセルの試料ホルダ内に錠剤を置き、試料ホルダは、漏れを防ぐために密閉スクリュー。
2. CARSは、溶解媒体および蠕動ポンプを入れたビーカーにフローセル接続CARSのフローセルに配管を取り付けます。
3. 顕微鏡ステージ上でタブレットを含むCARSフローセルを配置します。
4. CARSは、フローセルていることを確認し、溶解媒体ビーカー、蠕動ポンプ、Z字状のUVフローセルおよび廃棄物収集ビーカーに接続されている。
5. 連続スキャンモードで顕微鏡システムのスキャンを開始するには「XYリピート」ボタンをクリックします。
6. 錠剤の表面を顕微鏡制御コンピュータ画面上の視野内になるまで、対物レンズを移動させることにより、顕微鏡の焦点を調整する。
7. 「PMT」と表示され、顕微鏡制御ソフトウェアでスライダーをクリックしてください。 PMTまで電圧を増加/減少することによって検出器の感度を調整する良好な画像を（暗すぎたり、飽和でもない）画面に表示されている。注：高電圧を使用することにより、PMTに過負荷をかけないように注意してください。この作業のために、我々は600 Vの周りにPMT電圧を用いるが、これは使用されるPMTに応じて変えることができる。
8. 連続スキャンを停止するには、顕微鏡制御ソフトウェアで「停止」をクリックしてください。
9. 同時に（あるいは可能な限り一緒に近づけ）溶解媒質をポンピング開始、シングルXYTスキャンの記録を開始し、UV吸収スペクトルの収集を開始。
10. 溶解実験中は、録画を監視し、手動でタブレットにフォーカスが継続的にあることを確認するために顕微鏡の焦点を調整します。

8。ポスト解散

1. 電源を切ることによって、蠕動ポンプを停止します。
2. 「ファイル」メニューをクリックして、ビデオなどのスキャンXYTを保存するために、顕微鏡制御ソフトウェアの「ビデオとして保存」をクリックしてください。
3. 「ファイル」メニューをクリックし、「クリック保存」とクリックして "UV吸収スペクトルの収集を停止するように分光器制御ソフトウェアの停止エクスポート」。
4. CARSは、顕微鏡ステージからフローセル車フローセルから錠剤を削除。
5. CARSは、水とエタノールを用いてフローセル洗浄し、次いでティッシュペーパーを用いて乾燥させる。

結果

その場で CARS顕微鏡を用いて溶出分析は、溶解媒体として5ml /分でポンプ蒸留水でモデル薬物テオフィリン無水物および酢酸セルロースの50:50混合物を含有する錠剤（フラットフェイス直径12mm）を行った。 CARS画像（512×512画素）2960センチメートル^-1溶解実験の期間中、錠剤中のテオフィリンのコンテンツに対して選択的である。2ショー溶解ビデオからフレームを選択している図形ラマン振動周波数でのすべての1.12秒を収集した。解散の始まり（ 図2、時間0秒）で、タブレットのテオフィリン内容を示す緑の領域がありますし、錠剤の表面上に存在するセルロースのみエチルがある暗い部分もあります。錠剤の表面上の暗い領域では、ほのかにエチ​​ルセルロースの含有量を表示することが可能である。ことが報告されているからであるエチルcelluloSEは最大値の周りに2930と2975センチメートル^{-1 14}ラマン振動数を持っています。約60秒後のフレームの中心（ 図2、時間60秒）に少なくとも一つの結晶核から外側に成長する狭い針状結晶として見ることができる表面上テオフィリン一水和物の結晶成長の開始が存在するようである。一水和物の結晶成長がはるかに明確に130秒（ 図2、時間130秒）後に見ることができる。また、130秒時点でそれが水和物結晶が錠剤の表面を横切って完全に広がっていないことが分かる。エチルセルロース領域の存在は、物理的に一水針の延長をブロックしたかのように見えます。 250秒後に、表面の水和物カバレッジが一水和物結晶自体が溶解し始めていることを示唆しているような顕著ではないことが分かる。

CARS溶解ビデオから図2。フレーム。選択したCARS画像（2960センチメートル^-1）エチルセルロースタブレットでテオフィリン無水の溶解ビデオから。 60、130、および250秒の画像は、試料の別の領域に記録されている間0秒像が試料の一領域に記録される。 CARSビデオは補足情報として提供されています。スケールバーは50μmである。

紫外（UV）分光法は、励起光源としてUV光を用いた吸収分光法の形態である。 UV分光法測定値は、基底状態から励起状態¹⁵への遷移を電子。テオフィリンは、エチルセルロースが溶解媒体に実質的に不溶性がそのように記録されたUVスペクトルに貢献することが期待されていないしながら270nmで中心とする広いピークを有する。 dissoの分析インラインZ字形UVフローセルを用いlution媒体が定量的に溶解中に溶解した薬物の量を決定することを可能にする。 図3は、エチルセルロース錠とテオフィリン無水物の溶解のためのUV-溶解プロファイルを示している。紫外線溶解プロファイル（ 図3）は、テオフィリン無水和物の溶解が急速に120秒以内に約90μgの/ mlの最大濃度に達し始まることを示している。この時点の後に溶解速度が減少し始める。溶解速度の減少は、テオフィリン一水和物の存在下、25°Cで^16（溶解度は12 mg / mlのテオフィリン無水物よりも溶解性が低い表面上に結晶（25°C ¹⁶での溶解度が6 mg / ml）である可能性があり）と明らかにこの時点でCARS溶解映像（ 図2）に見られる。漸減溶解速度はまた、部分bを説明することができる流通媒体へのテオフィリンエクスポージャー屋の減少。テオフィリンは、残りのエチルセルロースを溶解媒体へのテオフィリン曝露を妨げるように溶解エチルセルロースは、水にほとんど溶けないため、この減少が起こる。

溶解実験の間、溶解媒体中でのテオフィリン濃度を示すエチルセルロース錠と組み合わせテオフィリン無水用対時間プロット図3 UV溶解プロフィール。濃度。

ディスカッション

CARS顕微鏡溶出実験を行う場合、実験中に監視する必要がある重要な側面がいくつかあります。まず、溶出培地をCARSフローセルに導入すると、焦点が移動します。これは、画像がすぐに失われ、表面を再び見つけるまでに数ミクロンの客観的な調整が必要であることを意味します。第二に、実験中にガラスカバーが破損すると、CARSフローセルから液体が漏れるリスクがあります。これにより、光学系に液体が損傷する可能性があるため、ガラスが割れたことを意味する可能性のあるひび割れ音に耳を傾けることが重要です。最後に、実験中にシステム内の粒子状物質によって配管が詰まる可能性もわずかですが、これは紫外線スペクトルの突然の異常な変化と見なすことができ、実験中に定期的に流れをチェックすることによっても見ることができます。

配管の粒子の詰まりは、主に溶解中に崩壊するように設計された錠剤の問題です。このシステムでは、イメージングを可能にするために溶解中ずっと錠剤の表面が無傷のままである必要があるため、これはこの技術の制限の1つです。錠剤の崩壊に加えて、溶解中に膨潤するように設計された錠剤は、CARSフローセルの破損につながる可能性があるため、現在、画像化することはできません。

溶解中の錠剤のイメージングにより、溶解錠剤の表面で何が起こっているかをより深く理解できます。従来の医薬品溶解方法は、溶解培地に溶解した薬物含有量のみに焦点を当てており、錠剤が必要な基準に合格するか不合格かを識別できます。ただし、テストに失敗した場合、失敗の原因を特定することは困難です。溶出試験に失敗した場合、CARS顕微鏡を使用した その場溶 出分析が答えを提供できる可能性があります。

CARS顕微鏡を使用した in situ 溶出分析の将来のアプリケーションには、複数の薬物または賦形剤を含むより複雑な錠剤、特に製剤開発中の非膨潤性徐放性または制御放出剤形を使用した調査が含まれる可能性があります。さらに、生体関連溶解培地を使用してサンプルを調査し、 in vivoとより密接に関連する条件を作り出すことが可能になる可能性があります。

結論として、この研究は、CARS顕微鏡がラマン振動周波数に基づいて化学的に特異的に迅速にイメージングすることができ、薬物と賦形剤の両方を含む錠剤中の薬物の選択的イメージングを可能にすることを示しています。さらに、CARS顕微鏡とインラインUV吸収分光法を組み合わせることは、溶解中の錠剤の表面を監視し、CARSを使用して見られる表面変化と溶解速度の変化を相関させることができる強力なツールです。

材料

この記事で使用された材料の一覧

名前	会社	カタログ番号	コメント
Paladin 1,064 nm レーザー	Coherent		試作機 非売
品 レバンテ エメラルド 光学パラメトリック発振器	APE ベルリン
IX71 顕微鏡	オリンパス
Fluoview 300 スキャニングユニット	オリンパス
光電子増倍管 R3896	浜松
自立型光学系 / フィルター	ThorlabsとChroma
Reglo 蠕動ポンプ	ISMATEC
USB2000+ 分光計	オーシャンオプティクス
DT-MINI-2-GS 光源	オーシャンオプティクス
FIA-Z-SMA-TEF Z 字型フローセル	オーシャンオプティクス
QP400-2-SR-BX 光ファイバー	オーシャンオプティクス
プラスチック配管	ISMATEC
CARS溶解錠剤フローセル			大学で自作 - 直径12mm、厚さ3mmの錠剤を保持するように設計されています。フローセルのチャネル深さは約0.5mmです。
ガラスビーカー	VWR	D108980
テオフィリン無水物	BASF	30058079
エチルセルロース	カラコン