Summary
Sammenhengende anti-Stokes Raman spredning (CARS) mikroskopi er kombinert med en indre gjennomstrømningsoppløsnings oppsett for å gi in situ-og sanntids-visualisering av overflaten av farmasøytiske tabletter som gjennomgår oppløsning. Ved hjelp av denne spesialbygde oppsett, er det mulig å korrelere BILER videoer med medikamentutløsningen profiler registrert bruker inline UV absorpsjon spektroskopi.
Abstract
Tradisjonelle farmasøytiske oppløsningstester bestemme mengden av medikament oppløst over tid, ved å måle medikamentinnhold i oppløsningsmediet. Denne metoden gir liten direkte informasjon om hva som skjer på overflaten av den oppløsende tablettmatriks. Som tablettoverflatesammensetning og struktur kan endres under oppløsning, er det viktig å overvåke det under oppløsningstesting. I dette arbeidet sammenhengende anti-Stokes Raman spredning mikroskopi brukes for å bilde på overflaten av tablettene under oppløsning, mens UV-absorpsjonsspektroskopi er det samtidig er anordnet inline analyse av oppløst medikament-konsentrasjonen til tabletter inneholdende en 50% blanding av teofyllin anhydrat-og etyl-cellulose. Målingene viste at det in situ CARS mikros er i stand til selektivt å avbildning teofyllin i nærvær av etyl-cellulose. I tillegg, teofyllin anhydrat omdannet til teofyllin monohydrat under oppløsning, med nål-formede ropStals vokser på tabletten overflaten under oppløsning. Omdannelsen av teofyllin anhydrat til monohydrat, kombinert med redusert eksponering av stoffet til det strømmende oppløsningsmediet resulterte i redusert oppløsningshastigheter. Våre resultater viser at in situ CARS mikroskopi i kombinasjon med inline-UV-absorpsjonsspektroskopi er i stand til å overvåke farmasøytisk tablett oppløsning og korrelere overflateendringer med endring i oppløsningshastighet.
Introduction
Under utvikling av orale farmasøytiske doseringsformer slik som tabletter og kapsler, er det en sterk vekt på oppløsningstesting. Orale doseringsformer som er nødvendig for å løse opp, før de kan bli absorbert for terapeutisk effekt. Dårlig løselig narkotika generelt har problemer nådde en tilstrekkelig konsentrasjon som gjør oppløsning testing særlig viktig en. Farmakopé oppløsnings metoder er mest brukt for oppløsning analyse. I de fleste tilfeller krever dette fremstilling av medikamentet som en tablett eller kapsel som deretter plasseres i en beholder med rennende oppløsningsmediet. Det oppløste stoff-konsentrasjon blir deretter bestemt ved å analysere prøver av oppløsningsmediet ved hjelp av en standard spektroskopisk teknikk som for eksempel UV-absorpsjonsspektroskopi 2. Disse tradisjonelle farmasøytiske oppløsningsmetoder gir ikke noen direkte analyse av prøven, eller eventuelle endringer som kan fore på oppløsende overflate av doseringsformen.Direkte analyse av prøven under oppløsning kan gi mer informasjon om det oppløsende doseringsform og eventuelt identifisere problemer forårsaket oppløsning testfeil.
Direkte analyse av oppløsende doseringsformene krever bruk av in situ analytiske teknikker som er i stand til å overvåke oppløsningsprosessen. For å ta opp in situ ved oppløsning av analytisk teknikk må ikke påvirkes av nærværet av oppløsningsmediet, og teknikken krever en høy tidsmessig oppløsning på en pålitelig måte å måle endringer i den oppløsende doseringsformen i størrelsesorden sekunder. Attenuert total reflektans UV-spektroskopi har vist seg å være egnet for måling av forandringer i oppløsning, men mangler romlig oppløsning gitt av bildeteknikker 3. Tradisjonelle farmasøytiske avbildningsteknikker slik som scanning elektronmikroskopi (SEM), og spontan Raman kartlegging begge har begrensende faktorer som hindrer deres bruk isitu for oppløsning.
SEM avbildning er en høy-oppløsning hurtig avbildningsteknikk i stand til å avbilde en overflate på farmasøytiske doseringsformer. Imidlertid er SEM-avbildning generelt utføres under vakuumbetingelser, og krever prøvebelegg slik at det er uegnet for in situ oppløsningsavbildning. Fiber-koblet spontan Raman-spektroskopi i kombinasjon med en strøm gjennom cellen og UV-gjennomstrømnings absorpsjonsspektroskopi, har blitt utført for å overvåke forskjellige medikamentsystemer in situ under oppløsning, inkludert teofyllin 4, karbamazepin, og indometacin 5. Raman spektroskopi var i stand til å identifisere overflate endringene som skjer under oppløsning, men det ga ingen romlig informasjon om hvor de overflateforandringer ble forekommende. Spontan Raman kartlegging anvender Raman-spektra, og gir romlige informasjon om overflaten av prøven, men avbildning skjer på ordre fra minutter til timer, avhengig av bildeområde, noe som gjørdet uegnet for in situ oppløsningsavbildning.
Sammenhengende anti-Stokes Raman spredning (CARS) mikroskopi er en rask avbildningsteknikk og kombinert med inline UV absorpsjon spektroskopi, har det mulig for oss å utvikle en teknikk som kan in situ oppløsning analyse. CARS mikros gir rask kjemisk selektiv avbildning som ikke er påvirket av nærværet av oppløsningsmediet slik at det er en egnet teknikk for in situ oppløsningsanalyse. CARS teknikker deles grovt i to grupper basert på en pulsvarighet på lasere; en blir smal CARS (picosecond pulserende lasere), og den andre er bredbånds CARS (femtosecond pulserende lasere). En typisk CARS mikroskopsystem består av to pulsede laserkilder og et invertert mikroskop. For å produsere en CARS-signal, en av de pulserende lasere må være fleksibel slik at det er en frekvensforskjell mellom de to lasere som matcher et Raman vibrasjon. I tilleggde to lasere er nødvendig for å overlappes i rom (romlig) og tid (tidsmessig), med pulser fra begge lasere ankommer på samme område av prøven samtidig. Som Raman vibrasjoner er kjemisk spesifikke og CARS signal genereres bare innenfor det sentrale volumet av mikroskopet er CARS mikros i stand til kjemisk selektiv avbildning med en oppløsning ned til diffraksjon grensen.
Smal CARS mikroskopi ved hjelp av en enkelt Raman vibrasjonsmodus tillater ca 100x raskere bildebehandling i forhold til spontane Raman kartlegging teknikker seks. Bredbånd CARS mikroskopi bilder over et bredere spektralområde (600-3,200 cm -1 vs ~ 4 cm -1), men har en lavere spektral oppløsning (rundt 10 cm -1 vs ~ 4 cm -1) og tregere bildehastighet (50 msek / pixel vs ~ 5 usekunder / pixel) sammenlignet med smal CARS mikros 7.
Smal CARS mikroskopi har blitt brukt til bilde drug utgivelse fra noen farmasøytiske systemer. I området av farmasøytiske formuleringer, Kang et al. 8-10 avbildes medikament lastet polymerfilmer. Først de avbildes fordelingen av den innlastede stoffet, som ble etterfulgt av avbildning av medikamentfrigjøring fra en statisk oppløsningsmediet. Jurna et al. 11 og Windbergs et al. 12. gikk et skritt videre og avbildes først fordelingen teofyllin i lipid doseringsformer etterfulgt av tenkelig medikamentoppløsningen ved hjelp av en dynamisk oppløsningsmediet.
Vi har utviklet en ny analysemetode for å samtidig overvåke overflateforandringer på tabletten som gjennomgår oppløsning med smal CARS mikroskopi mens du tar opp det oppløste stoffet konsentrasjonen med UV absorpsjon spektroskopi. Vi illustrerer bruken av denne metoden avbildnings tabletter inneholdende produktet medikament teofyllin i kombinasjon med etylcellulose som gjennomgår oppløsning med vann som oppløsningsmedium.
Protocol
Figur 1. Skjematisk illustrerer CARS mikroskop oppsett med den iboende flyten gjennom oppløsning oppsett. Dette tallet har blitt forandret fra Fussell et al 13.
En. System Startup
- Slå på 20 psec pulset 1064 nm CARS laser og at laseren til å varme opp (ca. 1,5 timer).
- Slå på deuterium lampe UV lyskilde og la den varmes opp (ca. 10 min).
- Åpne lukkeren på deuterium lampe UV lyskilde ved å sette lukker bryteren til "åpen".
- Slå på mikroskopet kontroll PC og åpne mikroskop kontrollprogramvare.
- Slå på UV-spektrometer PC og åpne spektrometer kontrollprogramvare.
2. Microscope Setup
- Velg mikroskopobjektiv ønsket. Bruk en 20X/0.5 NA mål å oppnå de resultatene som presenteres i dette arbeidet.
- Sett filtrene i filtersettet turret å overføre eksitasjon lasere og reflektere CARS signal. Velg en 775 nm lange-pass dichroic speil og en 650 nm band-pass 40 nm filter for å gjenskape resultatene vist i dette arbeidet.
- Sett egnede filtre foran fotomultiplikatorrør (PMT) detektor som overfører CARS signal og filtrere uønskede lys. Filtrere lyset med en 750 nm kort-pass filter og en 650 nm band-pass 40 nm filter for å reprodusere eksperimentene utført i dette arbeidet.
Tre. System Testing
- Slå på den peristaltiske pumpe og pumpeoppløsningsmediet i noen minutter gjennom en Z-formet UV strømningscellen for å fjerne foregå væske fra rørledningen.
- Bestem strømningshastigheten for pumpen ved å veie mengden av oppløsningsmediet pumpes i 2 min. Juster pumpehastighet unTil ønsket strømningshastighet er oppnådd. Pump oppløsningen medium ved en strømningshastighet på 5 ml / min for å oppnå de resultater som er rapportert i dette arbeidet.
4. UV Oppløsning Måling
- I UV-spektrometer kontroll programvare, klikker du på "File"-menyen og klikk på "Ny absorbans måling" for å åpne et vindu som viser alle tilgjengelige spektrometre.
- Klikk på riktig UV-spektrometer, og klikk deretter på "Next" for å åpne et vindu som viser datainnsamling parametere.
- Definer både integrering tid og spektral gjennomsnitt. Velg en integrasjon tid på 150 msek med 200 gjennomsnitt for å gjenskape resultatene vist i dette arbeidet.
- Klikk på knappen merket "Next" for å få opp skjermbildet som brukes til å spille inn referansen spekteret.
- Klikk på knappen som ser ut som en gul lyspære til å spille inn en referanse spektrum. Pump oppløsingsmedium kontinuerlig i løpet av denne målingen.
- Steng lukkeren på deuterium lampe UV lyskilde ved å sette bryteren til "lukket".
- Klikk på knappen merket "Next" for å få opp skjermbildet som brukes til å ta opp den mørke spekteret.
- Klikk på knappen som ser ut som en grå lyspære til å spille inn en mørk spektrum. Pump oppløsingsmedium kontinuerlig i løpet av denne målingen.
- Klikk på knappen som sier "Finish" for å starte UV absorpsjonsmålingene.
5. CARS oppløsning Video
- I BILER mikroskop kontroll programvare klikk på knappen som velger en "XYT" måling.
- Klikk på drop-down boksen og velg bildestørrelsen i piksler. Velg en bildestørrelse på 512 x 512 piksler til å gjengi bildene rapportert i dette arbeidet.
- Dra bildehastigheten glidebryteren til enten "fast", "medium" eller "sakte". Bruk rask skanning hastighet (1,12 sek per bilde) for å oppnåde som er vist i dette arbeidet resultater.
- Klikk på pilene merket "zoom" for å justere zoomnivået. Velg "2x" zoom til å gjenskape nivået av zoom og synsfelt (350 x 350 mm) som brukes for disse resultatene.
- Klikk på drop-down boksen og velg objektiv brukt.
- Klikk på boksen og skriv mengden av rammer som kreves for CARS oppløsning video (avhengig av lengden på forsøket). Gjennomføre oppløsning i ca 15 min med opptak 900 rammer for å reprodusere resultatene vist i dette arbeidet.
6. CARS Wavelength Tuning
- Bruke den optiske parametrisk oscillator (OPO) kontrolleren justere innstillingene for OPO som temperatur, piezo posisjon, og Lyot filterposisjonen inntil maksimal laserutskrifter på ønsket Raman frekvens er nådd. Tune OPO til 2960 cm -1 for å registrere de samme resultatene som de presentert i denne artikkelen.
7. Oppløsningen Experiment
- Plasser en tablett inn i prøve innehaver av spesialtilpassede BILER flyt celle, skru prøveholderen lukket tett for å unngå lekkasje.
- Fest rørene til bilene flyte celle kobler bilene flyte celle til begeret inneholder oppløsningsmediet og den peristaltiske pumpen.
- Plasser CARS flyt celle som inneholder en tablett på mikroskopet scenen.
- Kontroller at bilene strømningscellen er koblet til oppløsningsmediet begerglasset, den peristaltiske pumpe, er Z-formet UV strømningscelle, og det avfalls-beger.
- Klikk på "XY repeat"-knappen for å starte mikroskop system skanning i en kontinuerlig skannemodus.
- Juster fokus av mikroskopet ved å bevege objektivet til overflaten av tabletten ligger i synsfeltet på mikroskopet kontrolldataskjermen.
- Klikk på glidebryteren i mikroskopet kontroll programvare merket "PMT". Juster detektoren følsomhet ved å øke / senke PMT spenning tilet tilfredsstillende bilde (verken for mørk eller mettet) er synlig på skjermen. MERK: Pass på å ikke overbelaste PMT ved hjelp av høy spenning. For dette arbeidet har vi brukt en PMT spenning rundt 600 V, men dette kan variere avhengig av PMT brukt.
- Klikk på "Stop" i mikroskop kontroll programvare for å stoppe kontinuerlig skanning.
- Samtidig (eller så nær hverandre som mulig) begynne å pumpe oppløsningsmediet, starte innspillingen av et enkelt XYT scan, og begynne å samle UV absorbans spektra.
- Under oppløsningen eksperiment, overvåke video-opptak og manuelt justere mikroskop fokus for å sikre at tabletten er stadig i fokus.
8. Post Oppløsning
- Stopp den peristaltiske pumpen ved å slå den av.
- Klikk på "File"-menyen og klikk deretter "Lagre som video" på mikroskopet kontroll programvare for å redde XYT scan som en video.
- Klikk på "File"-menyen, klikk deretter "Lagre "og deretter" Stop Export "på spektrometeret kontroll programvare for å stoppe innsamling av UV-absorpsjon spektra.
- Fjern bilene flyte celle fra mikroskopet scenen og ta tabletten fra CARS strømningscellen.
- Vask CARS strømningscelle ved hjelp av vann og etanol, og deretter tørket ved hjelp av tissue-papir.
Representative Results
In situ-oppløsningsanalyse ved hjelp av CARS mikroskopi ble utført på tabletter (12 mm diameter, flat-møtt) inneholdende en 50:50 blanding av modellen medikament teofyllin anhydrat-og etyl-cellulose med destillert vann, pumpet på 5 ml / min som oppløsningsmedium. CARS bilder (512 x 512 piksler) ble oppsamlet hvert 1,12 sek ved Raman vibrasjonsfrekvens 2960 cm -1 som er selektiv for teofyllin-innhold i tabletten for varigheten av oppløsnings eksperimentet. Figur 2 viser utvalgte bilder fra oppløsningen video. Ved begynnelsen av oppløsningen (figur 2, tiden 0 sek) det er områder av grønt viser teofyllin-innhold av tabletten, og det er også mørke områder der det er bare etylcellulose til stede på overflaten av tabletten. I de mørke områder på overflaten av tabletten er det mulig å svakt se etylcellulose innhold. Dette er fordi det er rapportert at etyl celluloseSE har Raman vibrasjonsfrekvenser med maxima rundt 2930 og 2975 cm -1 14. Etter omtrent 60 sek det synes å være begynnelsen av teofyllin monohydrat krystallvekst på overflaten, noe som kan ses som smale nål-formede krystaller som vokser utover fra i det minste en krystallkjerne på midten av rammen (fig. 2, tid 60 sek) . Den monohydrat krystallvekst kan være mye mer tydelig etter 130 sek (figur 2, tid 130 sekunder). I tillegg, ved punkt 130 sek kan det ses at monohydratet krystaller ikke har spredd helt over overflaten av tabletten. Det synes som om tilstedeværelsen av etyl-cellulose-regionene er fysisk blokkert forlengelsen av monohydratet nåler. Etter 250 sekunder, kan det sees at monohydratet dekning av overflaten ikke er så fremtredende som antyder at de monohydrat krystallene seg selv begynner å løse seg opp.
Figur 2. Rammer fra CARS oppløsning video. Valgte biler bilder (2960 cm -1) fra en oppløsning video for en teofyllin anhydrate med etylcellulose tablett. Den 0 sek bildet er tatt opp på ett område av utvalget, mens de 60, 130, og 250 sek bilder opp på et annet område av prøven. Den CARS video er tilgjengelig som tilleggsinformasjon. Scale bar er 50 mikrometer.
Ultrafiolett (UV)-spektroskopi er en form for absorpsjon-spektroskopi ved bruk av UV-lys som eksitasjon kilde. UV-spektroskopi måler elektron overganger fra grunntilstanden til en opphisset tilstand 15. Teofyllin har en bred topp sentrert rundt 270 nm, mens etylcellulose er praktisk talt uoppløselig i oppløsningsmediet, så er ikke forventet å bidra til den UV-spektrum registrert. Analyse av ble løstlution medium ved hjelp av inline-z-formet UV strømningscelle tillater oss å kvantitativt bestemme mengden av medikament oppløst i oppløsningen. Figur 3 viser UV-oppløsningsprofil for oppløsningen av teofyllin anhydrat med etylcellulose tablett. Den UV-oppløsningsprofil (fig. 3) viser at oppløsningen av teofyllin anhydrat starter raskt og nådde en maksimal konsentrasjon på omtrent 90 mikrogram / ml i løpet av 120 sek; etter dette tidspunkt oppløsningshastigheten begynner å synke. Nedgangen i oppløsnings-hastighet kan være på grunn av tilstedeværelsen av teofyllin-monohydrat (oppløseligheten til 6 mg / ml ved 25 ° C 16) krystaller på overflaten, noe som er mindre oppløselige enn teofyllin anhydrat (oppløselighet 12 mg / ml ved 25 ° C 16 ) og tydelig sees i CARS oppløsnings video (figur 2) på dette tidspunkt. Den gradvis redusere oppløsningshastighet kan også delvis forklares bya reduksjon av teofyllin eksponering mot det strømmende medium. Denne reduksjon skjer fordi etylcellulose er praktisk talt uoppløselig i vann, så som teofyllin oppløser det gjenværende etyl-cellulose hindrer teofyllin eksponering til oppløsningsmediet.
Fig. 3. UV oppløsningsprofil. Konsentrasjon plottet mot tid for en teofyllin anhydrat kombinert med etylcellulose tablett som viser konsentrasjonen av teofyllin i oppløsningsmediet i løpet av oppløsnings eksperimentet.
Disclosures
Forfatterne hevder at de ikke har noen konkurrerende finansielle interesser.
Acknowledgments
AF er støttet av den nederlandske Technology Foundation STW, som er anvendt vitenskap delingen av NWO, og Technology Programme of Ministry of Economic Affairs. (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).
