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Medicine

Analisi dinamica della diffusione della luce per la determinazione della dimensione delle particelle dei complessi ferro-carboidrati

Published: July 7, 2023 doi: 10.3791/63820

Summary

La diffusione dinamica della luce (DLS) è emersa come un test adatto per valutare la dimensione delle particelle e la distribuzione dei complessi ferro-carboidrati somministrati per via endovenosa. Tuttavia, i protocolli mancano di standardizzazione e devono essere modificati per ogni complesso ferro-carboidrati analizzato. Il presente protocollo descrive l'applicazione e le considerazioni speciali per l'analisi del saccarosio di ferro.

Abstract

I complessi di nanoparticelle ferro-carboidrati somministrati per via endovenosa sono ampiamente usati per trattare la carenza di ferro. Questa classe comprende diversi complessi di nanoparticelle strutturalmente eterogenei, che mostrano una sensibilità variabile alle condizioni richieste per le metodologie disponibili per caratterizzare fisicamente questi agenti. Attualmente, gli attributi critici di qualità dei complessi ferro-carboidrati non sono stati completamente stabiliti. La diffusione dinamica della luce (DLS) è emersa come un metodo fondamentale per determinare la dimensione e la distribuzione delle particelle intatte. Tuttavia, rimangono ancora sfide per quanto riguarda la standardizzazione delle metodologie tra i laboratori, le modifiche specifiche richieste per i singoli prodotti a base di carboidrati di ferro e il modo migliore per descrivere la distribuzione delle dimensioni. È importante sottolineare che le diluizioni diluente e seriali utilizzate devono essere standardizzate. L'ampia varianza negli approcci per la preparazione dei campioni e la segnalazione dei dati limita l'uso del DLS per il confronto degli agenti ferro-carboidrati. Qui, descriviamo in dettaglio un protocollo robusto e facilmente riproducibile per misurare le dimensioni e la distribuzione dimensionale del complesso ferro-carboidrati, il saccarosio di ferro, utilizzando la media Z e l'indice di polidispersità.

Introduction

Il saccarosio di ferro (IS) è una soluzione colloidale composta da nanoparticelle costituite da un complesso di un nucleo polinucleare di ferro-ossiidrossido e saccarosio. L'IS è ampiamente impiegato per trattare la carenza di ferro tra i pazienti con un'ampia varietà di stati patologici di base che non tollerano l'integrazione orale di ferro o per i quali il ferro orale non è efficace1. L'IS appartiene alla classe di farmaci complessi come definita dalla Food and Drug Administration (FDA), che è una classe di farmaci con chimica complessa commisurata ai biologici2. La valutazione regolatoria di farmaci complessi può richiedere ulteriori metodi fisico-chimici ortogonali e/o studi preclinici o clinici per confrontare accuratamente i farmaci complessi di follow-on 3,4. Questo è importante perché diversi studi hanno riportato che l'uso di IS rispetto a un prodotto IS di follow-on non produce gli stessi risultati clinici. Ciò sottolinea la criticità dell'uso di tecniche di caratterizzazione nuove e ortogonali che sono adatte a rilevare differenze nelle proprietà fisico-chimiche tra i prodotti IS 5,6.

La spiegazione accurata delle dimensioni e della distribuzione dimensionale dell'IS è di importanza clinica, poiché la dimensione delle particelle è un importante fattore influente nel tasso e nell'estensione dell'opsonizzazione - il primo passo critico nella biodistribuzione di questi farmaci complessi 7,8. Anche lievi variazioni nella dimensione delle particelle e nella distribuzione granulometrica sono state correlate a cambiamenti nel profilo farmacocinetico dei complessi di nanoparticelle ferro-ossido 9,10. Un recente studio di Brandis et al. ha mostrato che la dimensione delle particelle misurata dal DLS era significativamente diversa (14,9 nm ± 0,1 nm vs 10,1 nm ± 0,1 nm, p < 0,001) quando si confrontava un farmaco elencato di riferimento e un generico gluconato ferrico di sodio, rispettivamente11. La qualità, la sicurezza e l'efficacia costanti da lotto a lotto dei prodotti a base di carboidrati di ferro dipendono interamente dallo scale-up del processo di produzione e la potenziale deriva della produzione deve essere attentamente considerata9. Il processo di fabbricazione può causare saccarosio residuo e questo varierà in base al produttore12. Qualsiasi modifica nelle variabili del processo di fabbricazione può portare a cambiamenti significativi nel prodotto farmaceutico complesso finale per quanto riguarda la struttura, la stabilità complessa e la disposizione in vivo 9.

Per valutare la coerenza del farmaco e prevedere il comportamento in vivo del farmaco, sono necessarie metodologie analitiche ortogonali contemporanee per determinare le proprietà fisico-chimiche di nanofarmaci complessi. Tuttavia, vi è una mancanza di standardizzazione delle metodologie, che può comportare un elevato grado di variazione interlaboratorio nella comunicazione dei risultati13. Nonostante il riconoscimento di queste sfide da parte delle autorità di regolamentazione globali e della comunità scientifica14, la maggior parte delle caratteristiche fisico-chimiche dell'IS rimane scarsamente definita e non è stata definita la piena gamma di attributi critici di qualità nel contesto dei documenti di orientamento normativi disponibili15. La bozza di documenti guida specifici del prodotto emessi dalla FDA per i complessi ferro-carboidrato suggerisce DLS come procedura per valutare le dimensioni e la distribuzione delle dimensioni dei prodotti di follow-on16,17.

Diverse pubblicazioni hanno dettagliato i protocolli DLS stabiliti per determinare le dimensioni delle nanoparticelle IS13,18. Tuttavia, poiché la preparazione del campione, le condizioni della procedura, la strumentazione e i parametri di impostazione della strumentazione sono diversi tra i metodi pubblicati, i risultati DLS non possono essere confrontati direttamente in assenza di un metodo standardizzato per interpretare i risultati13,18. La diversità delle metodologie e degli approcci di comunicazione dei dati limita la valutazione appropriata di tali caratteristiche a fini comparativi19. È importante sottolineare che molti dei protocolli DLS precedentemente pubblicati per valutare l'IS non tengono conto dell'effetto della diffusione del saccarosio nella sospensione a causa della presenza di saccarosio libero, che ha dimostrato di elevare spuriamente i raggi idrodinamici calcolati in media Z delle nanoparticelle nelle soluzioni colloidali13,18. Il presente protocollo mira a standardizzare la metodologia per la misurazione della dimensione delle particelle e della distribuzione di IS. Il metodo è stato sviluppato e convalidato a tale scopo.

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Protocol

1. Utilizzo della macchina

  1. Avviamento della macchina e del software
    NOTA: la figura supplementare S1A-D descrive i passaggi per l'avvio della macchina e del software.
    1. Accendere lo strumento almeno 30 minuti prima di iniziare le misurazioni, quindi avviare il PC.
    2. Fare doppio clic sull'icona del software dello strumento per avviare il programma.
    3. Inserisci il nome utente e la password nella finestra di login. Assicurati che ogni utente abbia il proprio account.
    4. Attendere che tutte e tre le barre nere nell'angolo in basso a destra si illuminino di verde, indicando che l'unità è pronta per l'uso.
    5. In caso di lunghi periodi di inattività, quando l'utente viene automaticamente disconnesso, in Sicurezza, fare clic su Login e immettere nuovamente la password.
  2. Creazione di un file di misurazione
    NOTA: all'inizio di ogni giorno di misurazione viene creato un nuovo file di misurazione. Tutte le misurazioni sono elencate e memorizzate nel file di misurazione. Per informazioni dettagliate su questa procedura, vedere la figura supplementare S2A-B.
    1. Creare un nuovo file di misurazione facendo clic su File | Novità | File di misurazione. Nella finestra aperta, selezionare la posizione di memorizzazione e assegnare un nome al file di misurazione. Conferma i dettagli facendo clic su Salva.
    2. Per aprire un file, fare clic su File | Aperto | File di misurazione. Selezionare il file di misurazione nella finestra aperta, confermare i dettagli facendo clic su Apri, selezionare il nome del file e fare clic su Salva.
  3. Stampa dei risultati
    1. Stampare o salvare i risultati del test di idoneità del sistema (SST) (vedere il punto 1.5) e il valore medio della misurazione del campione secondo la figura supplementare S3.
    2. Contrassegnare le misurazioni nella vista Record del file di misurazione.
    3. Fare clic con il pulsante destro del mouse su Batch Print e attendere l'apertura di un'altra piccola finestra.
    4. Selezionare il rapporto Intensità PSD dalle scelte e confermarlo facendo clic su OK.
  4. Procedura generale per avviare una misurazione
    NOTA: La procedura per iniziare una misurazione è descritta nella figura supplementare S4A-D. Seguire il percorso descritto di seguito per il file dei parametri di unità richiesto (denominato SOP):
    1. Selezionare la SOP richiesta dall'elenco a discesa. Poiché nell'elenco vengono visualizzate le SOP utilizzate più di recente, se è necessaria una SOP precedente, selezionare Cerca SOP e confermare facendo clic sulla freccia verde. Una volta aperta la posizione di memorizzazione delle SOP, procedere con il passaggio 1.4.2.
      NOTA: Per i dettagli degli importanti parametri di sistema specifici per il saccarosio di ferro (ad esempio, tempo di equilibrio di un attenuatore), vedere la Tabella 1.
    2. Nella finestra aperta, creare le voci richieste in Nome e note di esempio. Confermare facendo clic su OK e attendere che la finestra di misurazione si apra automaticamente.
    3. Avviare la misurazione facendo clic sul pulsante verde Start .
    4. Una volta che un segnale acustico suona alla fine della misurazione, chiudere la finestra di misurazione .
  5. Misurazione del test di idoneità del sistema (SST)
    NOTA: Non toccare la parte inferiore della cuvetta (zona di misurazione). All'inizio e alla fine della sequenza, misurare lo standard di particelle a 20 nm.
    1. Riempire ~ 1 mL della particella standard non diluita in una cuvetta di polistirolo e chiudere con il coperchio.
      NOTA: Lo standard diluito preparato al punto 1.5.1 può essere utilizzato per 1 mese.
    2. Dopo il riempimento, chiudere la cuvetta e verificare la presenza di bolle d'aria. Rimuovere le bolle d'aria toccando leggermente la cuvetta.
    3. Posizionare la cuvetta nel supporto della cella dello strumento con il segno di freccia rivolto in avanti e chiudere il coperchio della camera di misurazione.
    4. Caricare il parametro di unità SOP e immettere i seguenti dati nella finestra iniziale:
      Nome campione: SST 20 nm Particle Standard
      Quindi, aggiungi una nota: numero identificativo e data di scadenza dello standard
    5. Avviare la misurazione.
    6. Dopo la fine della misurazione, quando suona il segnale acustico, chiudere la finestra di misurazione.
    7. Stampare la relazione (cfr. punto 1.1.3).
      NOTA: L'SST viene superato se la dimensione delle particelle Z-media corrisponde al valore del certificato di analisi ± 10%.
  6. Misurazione della soluzione di saccarosio di ferro
    1. Pipettare 0,5 mL di una soluzione IS con un contenuto di ferro del 2% m/V in un matraccio tarato da 25 mL e riempire fino al volume con acqua a basso contenuto di particelle (ad esempio appena deionizzata e filtrata [dimensione dei pori 0,2 μm]); questa soluzione contiene 0,4 mg di Fe/ml.
      NOTA: la preparazione del campione nel passaggio 1.6.1. Con questa diluizione specifica è stata stabilita durante lo sviluppo del metodo, e questo è stato determinato come la diluizione ottimale per questo scopo.
    2. Per la pulizia preliminare, riempire la cuvetta di polistirolo per circa 3/4 con la soluzione di misurazione preparata, ruotare delicatamente e quindi svuotare il più completamente possibile.
      NOTA: Non toccare la parte inferiore della cuvetta (zona di misurazione) ed evitare bolle d'aria non scuotendo la cuvetta.
    3. Per la misurazione, pipettare 1 mL della soluzione di misurazione nella cuvetta e mettere su un coperchio.
    4. Controllare la soluzione di misurazione nella cuvetta per le bolle d'aria. Se ci sono bolle d'aria, rimuoverle picchiettando leggermente la cuvetta.
  7. Esecuzione della misurazione
    1. Posizionare la cuvetta di plastica con la soluzione di misurazione nel dispositivo con il segno di freccia rivolto in avanti e chiudere il coperchio.
    2. Caricare la SOP dei parametri (vedere il passaggio 1.4.1) e immettere i seguenti dati nella finestra iniziale:
      Nome campione: Numero di lotto
    3. Avviare la misurazione.
    4. Dopo la fine della misurazione, quando suona il segnale acustico, chiudere la finestra di misurazione .
    5. Calcolare il valore medio delle sei singole misurazioni secondo la figura supplementare S5. Contrassegnare le singole misurazioni nella vista Record del file di misurazione, fare clic con il pulsante destro del mouse su Crea risultato medio, aggiungere il nome del valore medio in Nome campione e confermare facendo clic su OK.
    6. Attendere che il software crei un nuovo record alla fine dell'elenco e cercare il nome immesso e il risultato medio in quel record.
    7. Stampare il report (vedere il passaggio 1.1.3).

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Representative Results

Il metodo descritto è stato convalidato secondo ICH Q2(R1)20, che ha comportato la misurazione di soluzioni di prova in condizioni variabili. La precisione era solo dello 0,5% RSD per la dimensione media Z, mentre un massimo del 3,5% RSD è stato calcolato per il PDI. I risultati medi di diversi analisti e giorni differivano solo dello 0,4% per la dimensione media Z e dell'1,5% per il PDI. Le statistiche sono state calcolate da 12 misurazioni eseguite da due analisti in giorni diversi. Né le variazioni della concentrazione di prova nell'intervallo 50%-200% né la conservazione delle soluzioni di prova per un massimo di 5 giorni in condizioni refrigerate hanno avuto un impatto sul risultato finale.

Parametri analizzati
Dimensione media Z
Il diametro idrodinamico è indicato come dimensione media delle particelle Z e il metodo per determinarlo è definito nella norma ISO 22412:201717. La dimensione media Z è un parametro noto anche come media cumulante. La Z-average è il parametro di dimensione DLS preferito, poiché il calcolo della Z-average è matematicamente stabile e il risultato Z-average è insensibile al rumore. Secondo l'EMA e la FDA, la dimensione media Z insieme al PDI sono i valori raccomandati per la caratterizzazione dei nanofarmaci15,16,21. La dimensione media delle particelle Z è paragonabile alla dimensione misurata con altre tecniche solo se il campione è di forma monomodale, sferica o quasi sferica, è monodisperso ed è preparato in un disperdente adatto. Questo perché la dimensione media delle particelle Z-average è sensibile anche a piccoli cambiamenti nella preparazione del campione. La dimensione media delle particelle Z è un parametro idrodinamico ed è, quindi, valida solo per particelle in dispersione o per molecole in soluzione.

Indice di polidispersità
Questo indice è un numero calcolato da un semplice adattamento a due parametri ai dati di correlazione (l'analisi cumulante). L'indice di polidispersione è adimensionale e scalato in modo tale che valori inferiori a 0,05 siano raramente visti, tranne che in standard altamente monodispersi. Valori superiori a 0,7 indicano che il campione ha una distribuzione granulometrica molto ampia e probabilmente non è adatto alla tecnica DLS. Vari algoritmi di distribuzione delle dimensioni possono funzionare con dati che rientrano tra questi due estremi. I calcoli per questi parametri sono definiti nel documento standard ISO 22412:201717.

Distribuzione dimensionale per intensità/volume/numero
I tipici grafici di distribuzione delle dimensioni (intensità, volume, numero) sono rappresentati nella Figura 1. I grafici dei risultati mostrano sei campioni preparati in modo indipendente di 605211 batch IS ad una concentrazione di 0,4 mg Fe/ml. Per la visualizzazione nella Figura 1, i dati grezzi presi dal software DLS sono stati tracciati con software statistico senza ulteriori modifiche9. Una distribuzione dimensionale per intensità influenzata da un secondo picco è fornita come esempio di un risultato negativo nella Figura 1A. La Figura 2 mostra dati di scarsa qualità che mostrano un segnale aggiuntivo a 5.000 nm.

Figure 1
Figura 1: Distribuzione dimensionale . (A) intensità, (B) volume e (C) numero13. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

Figure 2
Figura 2: Dati rappresentativi di scarsa qualità. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

La soluzione di prova del lotto IS 0371022A (0,4 mg Fe/ml), che è stata conservata per 5 giorni a temperatura ambiente, ha mostrato un segnale aggiuntivo a ~5.000 nm, che è indicativo di alcune particelle aggiuntive (ad esempio, polvere o precipitazione). Di conseguenza, il PDI originariamente determinato a 0,130 è stato spostato a 0,184, mentre la media Z era ancora vicina al valore originale (cioè 11,33) a 11,99 nm (dati non pubblicati).

La precisione è stata testata da due tecnici di laboratorio in giorni separati. Il valore medio di 12 repliche era di 11,32 nm con un RSD dello 0,4% e 0,125 con un RSD dell'1,5% per la media Z e la PDI, rispettivamente, per i due tecnici. I criteri di accettazione sono stati soddisfatti (NMT 5% per la media Z, NMT 20% per il PDI) (dati non pubblicati).

Confronto dei parametri analizzabili
Oltre a calcolare i parametri di base – la Z-media e la polidispersità – il software del dispositivo DLS permette anche il calcolo delle distribuzioni dimensionali che possono essere pesate in base all'intensità del segnale del rivelatore o al volume (o numero) delle particelle di diffusione. L'importanza del confronto di questi parametri è evidente nei risultati delineati nella tabella 2. Mentre la distribuzione dimensionale per numero differiva fino a un fattore 2 dalla media Z basata sull'intensità proposta, solo valori leggermente inferiori sono stati calcolati dalla distribuzione dimensionale in volume. Va notato, tuttavia, che la segnalazione dei risultati basata sull'intensità può essere imprecisa se le soluzioni complesse ferro-carboidrati contengono particelle o aggregati più grandi13.

Tabella 1: Parametri di sistema per il DLS. Abbreviazioni: RI = indice di rifrazione; DLS = diffusione dinamica della luce13. Clicca qui per scaricare questa tabella.

Tabella 2: Esempi di come la determinazione della dimensione delle particelle da parte dell'IS è influenzata dall'approccio di segnalazione dei dati. Questo tavolo è adattato da Di Francesco e Borchard13. Abbreviazioni: SD = deviazione standard; RSD = deviazione standard relativa; PDI = indice di polidispersità; IS = ferro-saccarosio. Clicca qui per scaricare questa tabella.

Figura supplementare S1: Fasi operative del sistema. Clicca qui per scaricare questo file.

Figura supplementare S2: Creazione di un file di misurazione. Clicca qui per scaricare questo file.

Figura supplementare S3: Test di idoneità del sistema. Clicca qui per scaricare questo file.

Figura supplementare S4: Avvio di una nuova misurazione. Clicca qui per scaricare questo file.

Figura supplementare S5: Calcolo delle misurazioni. Clicca qui per scaricare questo file.

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Discussion

Il DLS è diventato un test fondamentale per la determinazione delle dimensioni e della distribuzione dimensionale delle nanoparticelle per applicazioni nello sviluppo di farmaci e nella valutazione normativa. Nonostante i progressi nelle tecniche DLS, esistono ancora sfide metodologiche per quanto riguarda la selezione del diluente e la preparazione del campione, che sono particolarmente rilevanti per i complessi ferro-carboidrati nelle soluzioni colloidali. È importante sottolineare che i metodi DLS per i nanofarmaci ferro-carboidrati non sono ancora stati studiati estensivamente nell'ambiente biologico (ad esempio, il plasma)22. Pertanto, rimane ancora una necessità critica per l'armonizzazione dei protocolli di best practice a seconda della selezione del diluente. La scelta del diluente è importante, poiché l'uso di acqua purificata rispetto a soluzioni saline isotoniche può influire sulla stabilità della sospensione colloidale16.

Va anche notato che i complessi ferro-carboidrati non dovrebbero essere diluiti al di sotto delle raccomandazioni informative sulla prescrizione nel tentativo di mitigare le sfide di avere una soluzione scura e opaca. Diluizioni eccessive non sono biorilevanti e possono influire sulla stabilità della sospensione colloidale attraverso cambiamenti nella schermatura ionica, che possono portare a potenziali precipitazioni e rapporti imprecisi dei risultati. Durante lo sviluppo di questo metodo sono state testate varie diluizioni e diluenti (dati non pubblicati) e la preparazione del campione descritta nella fase 1.6.1 del protocollo è stata determinata e convalidata come diluizione ottimale per l'IS. Diverse modifiche devono essere considerate per l'analisi DLS dei complessi ferro-carboidrati. Ad esempio, la preparazione delle soluzioni di prova deve essere eseguita in assenza di qualsiasi tipo di agitazione ad alta velocità. L'uso di miscelatori a vortice dovrebbe essere evitato, in quanto ciò induce la creazione di aggregati ferro-saccarosio. Per la preparazione delle soluzioni di prova, le soluzioni IS vengono miscelate delicatamente in acqua con una pipetta automatica. Inoltre, quando si eseguono i campioni per l'analisi DLS, la funzione di calibrazione automatica deve essere disattivata.

Ci sono diversi limiti intrinseci dell'analisi DLS per le nanoparticelle di ferro-carboidrati. A causa della natura degli angoli di diffusione della luce e dell'uscita media Z, i diametri idrodinamici riportati sono orientati verso particelle più grandi nella soluzione di misura. Pertanto, la dimensione delle particelle può essere sovrastimata e la vera distribuzione della dimensione delle particelle può essere sottostimata13. Le tecniche di segnalazione dei risultati dovrebbero essere considerate nel contesto di quanto siano grandi le particelle complesse ferro-carboidrati e del potenziale di aggregazione nelle condizioni sperimentali. Va inoltre tenuto conto del fatto che i risultati delle distribuzioni dimensionali ponderate in termini di intensità, volume e numero possono differire notevolmente tra le diverse unità DLS dello stesso produttore o di produttori diversi, poiché produttori diversi utilizzano algoritmi diversi per il calcolo. Pertanto, ISO22412 raccomanda solo l'uso della media Z e della polidispersità, poiché l'algoritmo per il loro calcolo è standardizzato. Le agenzie di regolamentazione hanno anche raccomandato la segnalazione delle dimensioni medie Z16. Va inoltre notato che saranno necessarie modifiche minori (ad esempio, la gestione del software, la procedura di misurazione e la preparazione dei dati) quando questo protocollo viene applicato ad altri strumenti.

Anche alla luce delle sfide associate alla DLS, questa tecnica rappresenta un progresso significativo rispetto alle precedenti metodologie analitiche e aggiunge dati convincenti alla caratterizzazione dei complessi ferro-carboidrati. È stato approvato da scienziati collaborativi e agenzie di regolamentazione16,18,19,21. Gli sforzi futuri nell'applicazione dell'analisi DLS ai complessi ferro-carboidrati dovrebbero concentrarsi soprattutto sull'armonizzazione globale dei protocolli per la loro applicazione allo sviluppo di farmaci e alla valutazione normativa, compresa la garanzia della bioequivalenza. Nel complesso, il protocollo analitico qui descritto mira a standardizzare la metodologia per la misura della dimensione delle particelle e della distribuzione dell'IS e può essere uno strumento utile per la valutazione della qualità dell'IS.

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Disclosures

M.B., E.P., M.W. e A.B. sono dipendenti di Vifor Pharma. G.B. è consulente di Vifor Pharma.

Acknowledgments

Nessuno

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Equipment
Zetasizer Nano ZS Malvern NA equipped with Zetasizer software 7.12, Helium Neon laser (633 nm, max. 4 mW) and 173° backscattering geometry
Materials
Disposable plastic cuvettes 
LLG-Disposable plastic cells LLG labware LLG-Küvetten, Makro, PS; Order number 9.406011
low-particle water  (The use of freshly deionized and filtered (pore size 0.2 μm) water is recommended).
Microlitre pipette
Venofer 100 mg/5 mL Vifor Pharma
Volumetric flask 25 mL
Nanosphere Thermo 3020A Particle Standard
Software
Origin Pro v.8.5  Origin Lab Corporation

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References

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Analisi dinamica della diffusione della luce per la determinazione della dimensione delle particelle dei complessi ferro-carboidrati
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Burgert, M., Marques, C. B.,More

Burgert, M., Marques, C. B., Borchard, G., Philipp, E., Wilhelm, M., Alston, A., Digigow, R. Dynamic Light Scattering Analysis for the Determination of the Particle Size of Iron-Carbohydrate Complexes. J. Vis. Exp. (197), e63820, doi:10.3791/63820 (2023).

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