Summary
Sammenhængende anti-Stokes Raman spredning (CARS) mikroskopi kombineres med en iboende gennemstrømning opløsning setup til at tillade in situ og real-time visualisering af overfladen af farmaceutiske tabletter gennemgår opløsning. Ved hjælp af denne specialbygget setup, er det muligt at korrelere CARS videoer med narkotika opløsningsprofiler optaget ved hjælp af inline UV-absorption spektroskopi.
Abstract
Traditionelle farmaceutiske opløsningstests bestemme mængden af lægemiddel opløst over tid ved at måle indholdet lægemidlet i opløsningsmediet. Denne metode giver lidt direkte information om hvad der sker på overfladen af den opløsende tablet. Som tabletoverfladen sammensætning og struktur kan ændres i løbet opløsning, er det vigtigt at overvåge den under opløsning test. I dette arbejde sammenhængende anti-Stokes Raman spredning mikroskopi anvendes til at afbilde overfladen af tabletter under opløsning, mens UV-absorptionsspektroskopi samtidig give inline analyse af koncentrationen af opløst stof til tabletter indeholdende en 50% blanding af theophyllin anhydrat og ethylcellulose. Målingerne viste, at mikroskopi situ CARS er i stand til billeddannelse selektivt theophyllin i nærværelse af ethyl-cellulose. Derudover theophyllin anhydratet omdannes til theophyllin-monohydrat under opløsning med nåleformede skrigstals vokser på tabletoverfladen under opløsning. Omdannelsen af theophyllin anhydrat til monohydrat, kombineret med reduceret eksponering af lægemidlet til det strømmende opløsningsmediet resulterede i reducerede opløsningshastigheder. Vores resultater viser, at in situ CARS mikroskopi kombineret med inline UV-spektroskopi er i stand til at overvåge farmaceutisk tablet opløsning og korrelere overflade ændringer med ændringer i opløsningshastighed.
Introduction
Under udviklingen af orale farmaceutiske doseringsformer, såsom tabletter og kapsler der er en stærk vægt på udløsningsundersøgelser. Orale doseringsformer er forpligtet til at opløse, før de kan blive absorberet for terapeutisk effekt. Tungtopløselige stoffer generelt har problemer nå en tilstrækkelig koncentration, der gør udløsningsundersøgelser særlig vigtig 1. Farmakopéen opløsningsprofiler metoder er mest brugt til opløsning analyse. I de fleste tilfælde kræver fremstilling af lægemidlet som en tablet eller kapsel, som derefter anbringes i et bægerglas af strømmende opløsningsmedium. Koncentrationen af opløst stof bestemmes derefter ved at analysere prøver af opløsningsmediet hjælp af en standard spektroskopisk teknik, såsom UV-absorption spektroskopi 2.. Disse traditionelle farmaceutiske opløsningshastigheder metoder giver ikke nogen direkte analyse af prøven eller eventuelle ændringer, der kan opstå på opløsende overflade af doseringsformen.Direkte analyse af prøven under opløsning kan give flere oplysninger om den opløsende doseringsform og potentielt identificere problemer forårsager opløsning test fiasko.
Direkte analyse af opløse doseringsformer kræver anvendelse af in situ analytiske teknikker, som er i stand til at overvåge opløsningsprocessen. At optage i situ under opløsning analyseteknikken må ikke påvirkes af tilstedeværelsen af opløsningsmediet og teknikken behov for en høj tidsopløsning til pålideligt at måle ændringer i den opløsende doseringsform i størrelsesordenen sekunder. Dæmpet totalreflektans UV-spektroskopi har vist sig at være egnet til måling af ændringer i opløsning, men mangler rumlig opløsning fra billeddannende teknikker 3. Traditionelle farmaceutiske billeddannende teknikker såsom scanning elektronmikroskopi (SEM), og spontan Raman kortlægning begge har begrænsende faktorer, der forhindrer deres anvendelse isitu til opløsning.
SEM billeddannelse er en høj opløsning hurtig billeddannelse teknik er i stand til at afbilde overfladen af farmaceutiske doseringsformer. Imidlertid er SEM billeddannelse udføres generelt under vakuum og kræver prøve belægning gør det uegnet til in situ-opløsning billeddannelse. Fiber-koblede spontan Raman spektroskopi kombineret med et flow gennem cellen og UV gennemstrømning absorptionsspektroskopi, er blevet udført for at overvåge forskellige systemer drug in situ under opløsning, herunder theophyllin 4, carbamazepin og indomethacin 5. Raman spektroskopi var i stand til at identificere overflade forandringer under opløsning, men det gav ingen geografisk information om, hvor overfladen ændringer var indtruffet. Spontan Raman kortlægning bruger Raman spektre og giver geografisk information om overfladen af prøven, men imaging tager i størrelsesordenen minutter til timer afhængig af billedet område, hvilket gørdet uegnet til in situ-opløsning billeddannelse.
Sammenhængende anti-Stokes Raman spredning (CARS) mikroskopi er en hurtig billedbehandling teknik og kombineret med inline UV-absorption spektroskopi, har det givet os mulighed for at udvikle en teknik, der kan in situ opløsning analyse. CARS mikroskopi giver hurtig kemisk selektiv billeddannelse som ikke er påvirket af tilstedeværelsen af opløsningsmediet gør det til et egnet teknik til in situ opløsning analyse. CARS teknikker er groft inddeles i to grupper baseret på impulsvarighed lasere; ene er smalbånd CARS (picosekund pulserende lasere), og den anden er bredbånds CARS (femtosekund pulserende lasere). Et typisk CARS mikroskop består af to pulserende laser kilder og et inverteret mikroskop. For at producere et CARS signal, en af de pulserende lasere skal være afstemmelige så der er en frekvens forskel mellem de to lasere, som matcher et Raman-vibration. Derudoverde to lasere er forpligtet til at overlappe i rummet (rumlige) og tid (tidsmæssigt) med impulser fra begge lasere ankommer på samme område af prøven på samme tid. Da Raman vibrationer er kemisk specifikke og CARS signal genereres kun i det centrale volumen af mikroskopet, CARS mikroskopi er i stand til kemisk selektiv billeddannelse med en opløsning ned til diffraktion grænse.
Smalbånd CARS mikroskopi ved hjælp af et enkelt Raman vibrationelle tilstand tillader omkring 100x hurtigere billedbehandling i forhold til spontane Raman kortlægningsteknikker 6. Bredbånd CARS mikroskopi billeder over et større spektralområde (600-3,200 cm -1 vs ~ 4 cm -1), men har en lavere spektral opløsning (ca. 10 cm -1 vs ~ 4 cm -1) og langsommere billedbehandling hastighed (50 msek / pixel vs ~ 5 usek / pixel) i forhold til smalbånd CARS mikroskopi 7.
Smalbånd CARS mikroskopi er blevet brugt til billede DRUg løsladelse fra nogle farmaceutiske systemer. På området farmaceutiske formuleringer, Kang et al. 8-10 afbildet lægemiddelholdige polymerfilm. I første omgang de afbildes fordelingen af den belastede stof, som blev efterfulgt af billeddannelse af lægemiddelfrigivelse fra en statisk opløsningsmedium. Jurna et al. 11 og Windbergs et al. 12 gik et skridt videre og filmede det første theophyllin distribution i lipid doseringsformer efterfulgt af imaging lægemidlet opløsning ved hjælp af en dynamisk opløsning medium.
Vi har udviklet en ny analysemetode til samtidigt at overvåge overflade ændringer på tabletten undergår opløsning med smalbånd CARS mikroskopi, mens koncentrationen af opløst stof med UV-absorption spektroskopi optagelse. Vi illustrerer brugen af denne metode imaging tabletter indeholdende modellen medicin theophyllin kombineret med ethylcellulose undergår opløsning med vand som opløsningsmedium.
Protocol
Figur 1.. Skematisk illustration af CARS mikroskop setup med den iboende flow gennem opløsning setup. Dette tal er blevet ændret fra Fussell et al 13.
1.. Systemstart
- Tænd 20 psec pulseret 1.064 nm CARS laser og tillader laseren at varme op (ca. 1,5 time).
- Tænd deuterium lampe UV-lyskilde, og lad den varme op (ca. 10 min.)
- Åbn lukkeren på deuterium lampe UV-lyskilde ved at indstille lukker kontakten til "åbne".
- Tænd mikroskopet kontrol pc'en og åbn mikroskop kontrol software.
- Tænd for UV spektrometer pc'en og åbn spektrometer kontrol software.
2.. Mistativet for opsætning
- Vælg den ønskede mikroskop mål. Brug en 20X/0.5 NA målsætning at opnå de resultater, der præsenteres i dette arbejde.
- Sæt filtrene i filteret sæt tårn for at transmittere excitation lasere og afspejler CARS signal. Vælg et 775 nm long-pass dichroisk spejl og et 650 nm band-pass 40 nm filter for at gentage resultaterne er vist i dette arbejde.
- Placer passende filtre foran fotomultiplierrøret (PMT) detektor, der overfører CARS signal og filtrere uønsket lys. Filtreres lys med en 750 nm kort-pass filter og en 650 nm band-pass 40 nm filter at reproducere eksperimenter i dette arbejde.
3.. System Test
- Tænd den peristaltiske pumpe og pumpe opløsningsmedium for et par minutter gennem Z-formede UV flowcellen for at fjerne tidligere væske fra røret.
- Bestem strømningshastigheden for pumpen ved at veje mængden af opløsning pumpede medium i 2 min. Juster pumpens hastighed unthe ønskede flow er nået. Pump opløsningsmediet ved en strømningshastighed på 5 ml / min for at opnå de resultater rapporteret i dette arbejde.
4.. UV Opløsning Måling
- I UV spektrometer kontrol software, klik på menuen "Filer" og derefter klikke på "Ny absorbansmåling" for at åbne et vindue, som viser alle tilgængelige spektrometre.
- Klik på den rigtige UV spektrometer, og klik derefter på "Næste" for at åbne et vindue, der viser datafangst parametre.
- Definer både integrationen tid, og den spektrale gennemsnit. Vælg en integration på 150 msek med 200 gennemsnit at replikere resultaterne vist i dette arbejde.
- Klik på knappen "Næste" for at bringe skærmen bruges til at optage referencespektret op.
- Klik på den knap, der vises som en gul pære til at optage en henvisning spektrum. Pumpe opløsningsmedium kontinuerligt under denne måling.
- Luk lukkeren på deuterium lampe UV-lyskilde ved at sætte kontakten til "lukket".
- Klik på knappen "Næste" for at bringe skærmen bruges til at registrere den mørke spektrum op.
- Klik på den knap, der vises som en grå pære at optage en mørk spektrum. Pumpe opløsningsmedium kontinuerligt under denne måling.
- Klik på den knap, der siger "Afslut" for at begynde UV absorbansmålinger.
5. CARS Opløsning Video
- I CARS mikroskop kontrol software klik på den knap, der vælger en "XYT" måling.
- Klik på drop-down boksen og vælge det billede størrelse i pixels. Vælg et billede på 512 x 512 pixels til at gengive billederne rapporteret i dette arbejde.
- Træk skyderen billedbehandling hastighed til enten "hurtig", "middel" eller "langsom". Brug den hurtige scanning hastighed (1,12 sek pr billede) for at opnåde resultater, der er vist i dette arbejde.
- Klik på pilene mærket "zoom" for at justere zoom-niveau. Vælg "2x" zoom til at replikere niveauet af zoom og synsfelt (350 x 350 mM), der anvendes til disse resultater.
- Klik på drop-down boksen og vælg det mål anvendes.
- Klik på indtastningsfeltet, og indtast mængden af rammer, der kræves for CARS opløsning video (afhængigt af længden af eksperimentet). Gennemføre opløsning i ca 15 minutter ved at optage 900 frames til at reproducere de resultater, der er vist i dette arbejde.
6.. CARS Bølgelængde Tuning
- Brug af det optiske parametrisk oscillator (OPO) controller justere indstillingerne af OPO såsom temperatur, piezo position, og Lyot filter position, indtil maksimal laseroutput ved den ønskede Raman frekvens er nået. Tune OPO til 2.960 cm -1 til at registrere de samme resultater som dem, der præsenteres i denne artikel.
7. Den Dissolution Experiment
- Placer en tablet i holderen prøve af specialbygget CARS flow celle, skrue prøveholderen lukkes tæt for at forebygge lækage.
- Fastgør rørene til CARS flow celle, der forbinder CARS flow celle til bæger indeholdende opløsningen mediet og peristaltisk pumpe.
- Placer CARS flow celle, der indeholder en tablet på mikroskop scenen.
- Kontroller, at CARS strømningscelle er forbundet til opløsningsmediet bægerglas den peristaltiske pumpe, Z-formede UV flowcellen og affaldsindsamling bægerglas.
- Klik på "XY repeat"-knappen for at starte mikroskop systemet scanning i en kontinuerlig scanning.
- Justere fokus af mikroskopet ved at flytte målet, indtil overfladen af tabletten er i synsfeltet på mikroskopet kontrol computerskærmen.
- Klik på skyderen i mikroskopet kontrol software mærket "PMT". Juster detektor følsomhed ved at øge / faldende PMT spænding indtilet tilfredsstillende billede (hverken for mørkt eller mættet) er synlig på skærmen. BEMÆRK: Pas på ikke at overbelaste PMT ved hjælp af høj spænding. For dette arbejde, vi anvendte en PMT spænding omkring 600 V, men dette kan variere afhængigt af PMT anvendes.
- Klik på "Stop" i mikroskopet kontrol software til at stoppe den løbende scanning.
- Samtidig (eller så tæt sammen som muligt) begynder at pumpe opløsningsmedium, begynde at optage et enkelt XYT scanning, og begynde at indsamle UV absorbansspektre.
- Under opløsningen eksperiment overvåge videooptagelse og manuelt justere mikroskopet fokuseres for at sikre tabletten er løbende i fokus.
8.. Indlæg Opløsning
- Stop peristaltikpumpen ved at slukke det.
- Klik på menuen "Filer" og derefter klikke på "Gem som video" på mikroskopet kontrol software for at gemme XYT scanningen som en video.
- Klik på menuen "Filer", og klik derefter på "Gem "og derefter klikke på" Stop Export "på spektrometer kontrol software til at stoppe indsamlingen af UV-absorption spektre.
- Fjern CARS flow celle fra mikroskopbordet og fjerne tabletten fra CARS flow celle.
- Vask CARS flow celle ved hjælp af vand og ethanol, og derefter tørre med silkepapir.
Representative Results
In situ-opløsning analyse ved hjælp CARS mikroskopi blev udført på tabletter (12 mm i diameter, flad) indeholder en 50:50 blanding af modellen stof theophyllin anhydrat og ethylcellulose med destilleret vand, der pumpes ved 5 ml / min som opløsningsmediet. CARS billeder (512 x 512 pixels) blev opsamlet hver 1,12 sek ved Raman vibrationsfrekvens 2.960 cm -1, som er selektiv for theophyllin indhold i tabletten for varigheden af opløsning eksperiment Figur 2 viser udvalgte billeder fra opløsningen video.. Ved begyndelsen af opløsningen (figur 2, er 0 sek) der er områder af grøn viser indholdet af tabletten theophyllin og der er også mørke områder, hvor der kun ethylcellulose til stede på overfladen af tabletten. I de mørke områder på overfladen af tabletten er det muligt at ane indhold ethylcellulose. Dette er fordi det er rapporteret, at ethyl CelluloSE har Raman vibrationelle frekvenser med maxima omkring 2.930 og 2.975 cm -1 14. Efter ca 60 sek der synes at være begyndelsen af theophyllin monohydrat krystalvækst på overfladen, som kan ses som smalle nåleformede krystaller vokser udad fra mindst en krystal kerne i midten af rammen (figur 2, tid 60 sek) . Monohydratet krystalvækst kan være meget mere tydeligt ses efter 130 sekunder (figur 2, tiden 130 sek.) Derudover, på tidspunkt 130 sek kan det ses, at monohydratet krystal ikke har spredt sig helt på tværs af overfladen af tabletten. Det ser ud som om tilstedeværelsen af ethylcellulosen regioner fysisk har blokeret forlængelse af Monohydratet nåle. Efter 250 sek, kan det ses, at monohydratet dækning af overfladen er ikke så fremtrædende som antyder, at monohydratkrystaller er selv begynder at opløses.
Figur 2.. Rammer fra CARS opløsning video. Udvalgte personvogn Billeder (2.960 cm -1) fra en opløsning video til en theophyllin anhydratet med ethylcellulose tablet. De 0 sek billedet er indspillet i et område af prøven, mens de 60, 130, og 250 sek billeder optages på et andet område af prøven. Den CARS video er tilgængelig som supplerende oplysninger. Målestokken er 50 um.
Ultraviolet (UV) spektroskopi er en form for absorptionsspektroskopi med UV-lys som ekscitationskilden. UV spektroskopi foranstaltninger elektronovergange fra grundtilstanden til en ophidset tilstand 15. Theophyllin har en bred top centreret omkring 270 nm, mens ethylcellulose er praktisk talt uopløseligt i opløsningsmediet, så der ikke forventes at bidrage til UV-spektret registreres. Analyse af dissolution medium ved anvendelse af inline z-formet UV flowcellen giver os mulighed for kvantitativt at bestemme mængden af lægemiddel opløst under opløsningen 3 viser UV-opløsningsprofil til opløsning af theophyllin anhydratet med ethylcellulose tablet. Figur. UV opløsning profil (Figur 3) viser, at opløsningen af theophyllin anhydratet begynder hurtigt at nå en maksimal koncentration på omkring 90 mg / ml inden for 120 sek; efter dette tidspunkt opløsningshastigheden begynder at falde. Faldet i opløsningshastigheden kan skyldes tilstedeværelsen af theophyllin-monohydrat (opløselighed 6 mg / ml ved 25 ° C 16) krystaller på overfladen, som er mindre opløselige end theophyllin anhydrat (opløselighed 12 mg / ml ved 25 ° C 16 ) og klart ses i CARS opløsning video (figur 2) på dette tidspunkt. Den gradvist at reducere opløsningshastighed kan også delvis forklares bya reduktion theofyllineksponering til det strømmende medium. Denne reduktion sker, fordi ethylcellulose er praktisk taget uopløseligt i vand, så som theophyllin opløser resterende ethylcellulose hindrer theofyllineksponering til opløsningsmediet.
Figur 3. UV opløsningsprofil. Koncentration vs tidsplot til theophyllin anhydrat kombineret med ethylcellulose tablet med koncentrationen af theophyllin i opløsningsmediet under opløsningen eksperimentet.
Disclosures
Forfatterne erklærer, at de ikke har nogen konkurrerende finansielle interesser.
Acknowledgments
AF er støttet af den hollandske Højteknologifonden STW, som er anvendt videnskab opdeling af NWO, og teknologien program for Økonomiministeriet. (STW OTP 11114).
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Paladin 1,064 nm laser | Coherent | Prototype model not for sale | |
| Levante Emerald Optical parametric oscillator | APE Berlin | ||
| IX71 Microscope | Olympus | ||
| Fluoview 300 scanning unit | Olympus | ||
| Photomultiplier tube R3896 | Hamamatsu | ||
| Free standing optics / filters | Thorlabs and Chroma | ||
| Reglo peristaltic pump | ISMATEC | ||
| USB2000+ spectrometer | Ocean Optics | ||
| DT-MINI-2-GS light source | Ocean Optics | ||
| FIA-Z-SMA-TEF Z shaped flow cell | Ocean Optics | ||
| QP400-2-SR-BX optical fiber | Ocean Optics | ||
| Plastic piping | ISMATEC | ||
| CARS dissolution tablet flow cell | Homebuilt at university - designed to hold 12 mm diameter, 3 mm thick tablets. The flowcell has a channel depth of around 0.5 mm. | ||
| Glass beakers | VWR | D108980 | |
| Theophylline anhydrate | BASF | 30058079 | |
| Ethyl cellulose | Colorcon |
References
- Ku, M. Use of the Biopharmaceutical Classification System in Early Drug Development. The AAPS Journal. 10, 208-212 (2008).
- The United States Pharmacopeia. United States Pharmacopeial Convention 32nd ed. , Rockville, MD. 1-8 (2009).
- Florence, A. J., Johnston, A. Applications of ATR UV/vis spectroscopy in physical form characterisation of pharmaceuticals. Spectrosc. Eur. 4, John Wiley & Sons Ltd. (2004).
- Aaltonen, J., et al. In situ measurement of solvent-mediated phase transformations during dissolution testing. J. Pharm. Sci. 95, 2730-2737 (2006).
- Savolainen, M., et al. Better understanding of dissolution behaviour of amorphous drugs by in situ solid-state analysis using Raman spectroscopy. European Journal of Pharmaceutics and Biopharmaceutics. 71, 71-79 (2009).
- Slipchenko, M. N., et al. Vibrational imaging of tablets by epi-detected stimulated Raman scattering microscopy. Analyst. 135, 2613-2619 (2010).
- Parekh, S. H., Lee, Y. J., Aamer, K. A., Cicerone, M. T. Label-Free Cellular Imaging by Broadband Coherent Anti-Stokes Raman Scattering Microscopy. Biophys. J. 99, 2695-2704 (2010).
- Kang, E., et al. In Situ Visualization of Paclitaxel Distribution and Release by Coherent Anti-Stokes Raman Scattering Microscopy. Anal. Chem. 78, 8036-8043 (2006).
- Kang, E., Robinson, J., Park, K., Cheng, J. -X. Paclitaxel distribution in poly(ethylene glycol)/poly(lactide-co-glycolic acid) blends and its release visualized by coherent anti-Stokes Raman scattering microscopy. J. Controlled Release. 122, 261-268 (2007).
- Kang, E., et al. Application of coherent anti-stokes Raman scattering microscopy to image the changes in a paclitaxel-poly(styrene-b-isobutylene-b-styrene) matrix pre- and post-drug elution. Journal of Biomedical Materials Research Part A. 87A, 913-920 (2008).
- Jurna, M., et al. Coherent anti-Stokes Raman scattering microscopy to monitor drug dissolution in different oral pharmaceutical tablets. Journal of Innovative Optical Health Sciences. 2, 37-43 (2009).
- Windbergs, M., et al. Chemical Imaging of Oral Solid Dosage Forms and Changes upon Dissolution Using Coherent Anti-Stokes Raman Scattering Microscopy. Anal. Chem. 81, 2085-2091 (2009).
- Fussell, A., Garbacik, E., Offerhaus, H., Kleinebudde, P., Strachan, C. In situ dissolution analysis using coherent anti-Stokes Raman scattering (CARS) and hyperspectral CARS microscopy. European Journal of Pharmaceutics and Biopharmaceutics. 85, 1141-1147 (2013).
- Lua, Y. -Y., Cao, X., Rohrs, B. R., Aldrich, D. S. Surface Characterizations of Spin-Coated Films of Ethylcellulose and Hydroxypropyl Methylcellulose Blends. Langmuir. 23, 4286-4292 (2007).
- Skoog,, Holler, F. J., Crouch, S. R. Principles of Instrument analysis. 6 ed. , Thomson Brooks/Cole. (2007).
- Rodríguez-Hornedo, N., Lechuga-Ballesteros, D., Hsiu-Jean, W. Phase transition and heterogeneous/epitaxial nucleation of hydrated and anhydrous theophylline crystals. Int. J. Pharm. 85, 149-162 (1992).
