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.
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.
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.
When performing CARS microscopic dissolution experiments there are a few critical aspects that need to be monitored during the experiment. Firstly, introducing the dissolution medium to the CARS flow cell causes the focus to move. This means that the image is immediately lost and it takes a few microns of objective adjustment to find the surface again. Secondly, there is risk of liquid leakage from the CARS flow cell if the glass cover breaks during the experiment. This can potentially cause liquid damage to the optics, so it is important to listen for any cracking sound that could mean the glass has broken. Finally, there is also a small chance that the piping can become blocked due to particulate matter in the system during the experiment, this can be seen as a sudden unusual change in the UV spectra and also through periodically checking the flow during the experiment.
Particulate blockage of the piping is mainly an issue with tablets that have been designed to disintegrate during dissolution. This is one of the limitations for this technique as this system requires the surface of the tablet to remain intact throughout the dissolution to allow imaging. In addition to disintegrating tablets, it is currently not possible to image tablets that are designed to swell during dissolution as this can lead to breakage of the CARS flow cell.
Imaging tablets during dissolution provides a greater understanding of what is occurring on the surface of a dissolving tablet. Conventional pharmaceutical dissolution methods focus only on the drug content dissolved in the dissolution medium which can identify whether the tablet passes or fails the required standard. However, in the case of a failed test it is difficult to determine what caused the failure. The case of a failed dissolution test is potentially where in situ dissolution analysis using CARS microscopy can provide answers.
Future applications for in situ dissolution analysis using CARS microscopy could include investigations using more complicated tablets containing more than one drug or excipient, in particular non-swelling sustained or controlled release dosage forms during formulation development. Additionally, it could be possible to investigate samples using biorelevant dissolution media creating conditions more closely related to in vivo.
In conclusion, this work shows that CARS microscopy is capable of rapid chemically specific imaging based on Raman vibrational frequencies allowing selective imaging of the drug in a tablet containing both drug and excipient. Additionally, CARS microscopy combined with inline UV absorption spectroscopy is a powerful tool capable of monitoring the surface of tablets undergoing dissolution and correlating surface changes seen using CARS with changes in dissolution rate.
The authors have nothing to disclose.
AF er støttet af den hollandske Højteknologifonden STW, som er anvendt videnskab opdeling af NWO, og teknologien program for Økonomiministeriet. (STW OTP 11114).
Name of the Material/Equipment | Company | Catlog number | Comments/Description | Website |
Paladin 1064nm laser | Coherent | N/A | Prototype model not for sale | http://www.coherent.com/ |
Levante Emerald Optical parametric oscillator | APE Berlin | N/A | http://www.ape-berlin.de/en/products/levante/levante-emerald-opo#block-views-products-block-1 | |
IX 71 Microscope | Olympus | N/A | http://www.olympusamerica.com/seg_section/product.asp?product=1023 | |
Fluoview 300 scanning unit | Olympus | N/A | http://www.olympusamerica.com/seg_section/seg_product_print.asp?product=133 | |
Photon multiplier tube R3896 | Hamamatsu | N/A | https://www.hamamatsu.com/jp/en/R3896.html | |
Free standing optics / filters | Thorlabs and Chroma | N/A | http://www.chroma.com/ | |
http://www.thorlabs.de/index.cfm? | ||||
Reglo peristaltic pump | ISMATEC | N/A | http://www.ismatec.com/int_e/pumps/t_reglo/reglo.htm | |
USB2000+ spectrometer | Ocean Optics | N/A | http://www.oceanoptics.com/products/usb2000+.asp | |
DT-MINI-2-GS light source | Ocean Optics | N/A | http://www.oceanoptics.com/Products/dtmini.asp | |
FIA-Z-SMA-TEF Z shaped flow cell | Ocean Optics | N/A | http://www.oceanoptics.com/Products/fiazsmaflowcells.asp | |
QP400-2-SR-BX optical fiber | Ocean Optics | N/A | http://www.oceanoptics.com/Products/premgradesol.asp | |
Plastic piping | ISMATEC | N/A | http://www.ismatec.com/int_e/tubing/misc/tubing_home.htm | |
CARS dissolution tablet flow cell | N/A | N/A | Homebuilt at university – designed to hold 12mm diameter, 3mm thick tablets. The flowcell has a channel depth of around 0.5mm. | |
Glass beakers | VWR | D108980 | https://us.vwr.com/store/catalog/product.jsp?product_id=4537423 | |
Theophylline anhydrate | BASF | 30058079 | http://www.basf.com/group/corporate/en/brand/THEOPHYLLINE | |
ethylcellulose | Colorcon | N/A | http://www.colorcon.com/products-formulation/all-products/film-coatings/sustained-release/ethocel |