متماسكة لمكافحة ستوكس رامان نثر (CARS) الميكروسكوب يتصور أقراص الدوائية خلال حل
Summary
يتم الجمع بين متماسكة لمكافحة ستوكس رامان نثر (CARS) المجهري مع التدفق من خلال حل جوهري للسماح الإعداد في الموقع والتصور في الوقت الحقيقي من سطح أقراص الأدوية تمر الحل. باستخدام هذا الإعداد مبنية خصيصا، فمن الممكن لربط السيارات الفيديو مع ملامح حل المخدرات المسجلة باستخدام مضمنة طيف الامتصاص للأشعة فوق البنفسجية.
Abstract
الصيدلانية الاختبارات حل التقليدية تحديد كمية المخدرات المذاب مع مرور الوقت من خلال قياس محتوى المخدرات في المتوسطة حل. وهذه الطريقة توفر معلومات مباشرة قليلا عن ما يحدث على سطح اللوحة تذويب. كما تكوين سطح قرص وهيكل يمكن أن تتغير خلال حل، لا بد من مراقبة ذلك أثناء اختبار الحل. في هذا العمل يستخدم متماسكة لمكافحة ستوكس رامان نثر المجهري لصورة سطح أقراص أثناء الذوبان في حين الأشعة فوق البنفسجية امتصاص الطيفي هو توفير وقت واحد تحليل مضمنة من تركيز الدواء المنحل عن أقراص تحتوي على خليط من 50٪ من anhydrate الثيوفيلين وإيثيل السليلوز. أظهرت القياسات التي في الوضع الطبيعي CARS المجهري قادرة على التصوير بشكل انتقائي الثيوفيلين في وجود إيثيل السليلوز. بالإضافة إلى ذلك، تحويل anhydrate الثيوفيلين لالثيوفيلين مونوهيدرات خلال حل، مع صرخة على شكل إبرةستالز المتزايد على سطح قرص أثناء الذوبان. أدى تحويل الثيوفيلين anhydrate لمونوهيدرات، جنبا إلى جنب مع انخفاض التعرض للدواء إلى المتوسطة حل المتدفقة في انخفاض معدلات انحلال. نتائجنا تظهر أن CARS الموضع المجهري في جنبا إلى جنب مع امتصاص الأشعة فوق البنفسجية الطيفي مضمنة قادر على رصد الأدوية قرص حل وربط التغييرات السطح مع التغيرات في معدل انحلال.
Introduction
خلال تطوير أشكال الجرعات الدوائية عن طريق الفم مثل أقراص وكبسولات وهناك تركيز قوي على اختبار حل. ويلزم أشكال الدواء عن طريق الفم لتذوب قبل أن يمكن استيعابها عن الكفاءة العلاجية. الأدوية القابلة للذوبان ضعيفة عموما القضايا التوصل إلى تركيز كاف مما يجعل اختبار انحلال أهمية خاصة 1. وتستخدم أساليب حل الادوية الاكثر شيوعا لتحليل حل. في معظم الحالات وهذا يتطلب إعداد المخدرات باعتبارها قرص أو كبسولة الذي ثم توضع في كوب من حل تتدفق المتوسط. ثم يتم تحديد تركيز الدواء المنحل من خلال تحليل عينات من المتوسطة حل باستخدام تقنية التحليل الطيفي القياسية مثل امتصاص الأشعة فوق البنفسجية الطيفي 2. هذه الأساليب حل الأدوية التقليدية لا تقدم أي تحليل المباشر للعينة أو أي تغييرات التي قد تنتج على سطح تذويب للشكل جرعات.التحليل المباشر للعينة خلال حل يمكن أن توفر مزيد من المعلومات حول شكل تذويب الجرعة وربما تحديد المشاكل المسببة للفشل اختبار الحل.
التحليل المباشر لتذويب أشكال الدواء يتطلب استخدام في التقنيات التحليلية الموقعية التي هي قادرة على رصد عملية الحل. لتسجيل في الموقع خلال حل يجب أن لا تتأثر هذه التقنية التحليلية عن وجود وسيلة حل وتقنية يحتاج إلى قرار زمنية عالية لقياس موثوق التغييرات إلى النموذج تذويب الدواء في ترتيب ثواني. وقد تبين الموهن الانعكاس الطيفي للأشعة فوق البنفسجية الإجمالية لتكون مناسبة لقياس التغيرات خلال حل كنه يفتقر القرار المكانية التي تقدمها تقنيات التصوير 3. تقنيات التصوير الأدوية التقليدية مثل المسح الضوئي المجهر الإلكتروني (SEM)، ورسم الخرائط رامان عفوية لديهما الحد من العوامل التي تحول دون استخدامها فيالموقع للانحلال.
SEM التصوير عالية الدقة تقنية التصوير السريع قادرة على تصوير سطح أشكال الجرعات الدوائية. ومع ذلك، يتم تنفيذ SEM التصوير عموما في ظل ظروف الفراغ ويتطلب عينة طلاء مما يجعلها غير صالحة للانحلال في الموضع التصوير. يقترن الألياف رامان الطيفي عفوية جنبا إلى جنب مع تدفق من خلال خلية والأشعة فوق البنفسجية التدفق من خلال امتصاص الطيفي، وقد تم تنفيذ نظم لمراقبة المخدرات المختلفة في الموقع خلال حل، بما في ذلك الثيوفيلين 4، كاربامازيبين، وإندوميثاسين 5. كان رامان الطيفي قادرة على تحديد التغيرات التي تحدث أثناء السطح حل ولكنه لم يقدم أي معلومات حول مكان المكاني التغييرات السطحية كانت تحدث. يستخدم لرسم الخرائط رامان عفوية أطياف رامان ويوفر المعلومات المكانية عن سطح العينة ولكنه يأخذ التصوير بناء على أمر من دقائق إلى ساعات اعتمادا على مساحة الصورة، مما يجعلانها غير صالحة للانحلال في الموضع التصوير.
متماسكة لمكافحة ستوكس رامان نثر (CARS) المجهري هو أسلوب التصوير السريع وجنبا إلى جنب مع امتصاص الأشعة فوق البنفسجية مضمنة التحليل الطيفي، وانه سمح لنا لتطوير تقنية قادرة على تحليل انحلال في الموقع. يوفر سيارات المجهري السريع التصوير انتقائية كيميائيا والتي لا تتأثر وجود حل المتوسطة مما يجعل من تقنية مناسبة لتحليل حل في الموقع. وتنقسم CARS تقنيات تقريبا إلى مجموعتين على أساس مدة نبض أشعة الليزر؛ واحد يجري CARS الضيق (بيكو ثانية ليزر نابض)، ويجري CARS النطاق العريض الأخرى (ليزر نابض الفيمتو ثانية). يتكون نظام CARS المجهر نموذجية اثنين من مصادر الليزر النبضي ومجهر مقلوب. لإنتاج إشارة سيارات، واحدة من الليزر النبضي يجب أن يكون الانضباطي حتى لا يكون هناك فرق التردد بين اثنين من الليزر الذي يطابق الاهتزاز رامان. بالإضافة إلى ذلك،يطلب من الليزر لاثنين تتداخل في الفضاء (المكاني) والوقت (الزمانية)، مع نبضات الليزر على حد سواء من وصوله إلى نفس المنطقة من العينة في نفس الوقت. كما الاهتزازات رامان محددة كيميائيا ويتم إنشاء CARS إشارة فقط داخل الحجم البؤري المجهر، سيارات المجهري قادر على التصوير انتقائية كيميائيا مع قرار وصولا الى الحد الحيود.
الضيق سيارات المجهري باستخدام وضع الذبذبات رامان واحد يسمح التصوير حول 100X أسرع مقارنة مع تقنيات رسم الخرائط رامان عفوية 6. النطاق العريض CARS الصور المجهري على نطاق أوسع الطيفية (600-3،200 سم -1 مقابل ~ 4 سم -1) ولكن لديه دقة أقل الطيفية (حوالي 10 سم -1 مقابل ~ 4 سم -1) وأبطأ سرعة التصوير (50 ميللي ثانية / بكسل مقابل 5 ~ μsec / بكسل) مقارنة CARS الضيق المجهري 7.
وقد استخدم الضيق سيارات المجهري لصورة دروز الإفراج عن بعض النظم الدوائية. في مجال المستحضرات الصيدلانية، كانغ وآخرون. 8-10 تصوير المخدرات تحميل الأفلام البلاستيكية. في البداية أنها تصوير توزيع المخدرات محملة، الذي تبعه التصوير لإطلاق سراح المخدرات من حل متوسطة ثابت. Jurna وآخرون 11 وWindbergs وآخرون 12 ذهب خطوة أبعد وتصويرها أولا توزيع الثيوفيلين في أشكال الدواء الدهون تليها التصوير انحلال المخدرات باستخدام وسيلة حل ديناميكية.
قمنا بتطوير طريقة تحليلية جديدة لرصد التغيرات في وقت واحد على سطح قرص تمر حل مع CARS الضيق المجهري في حين تم تسجيل تركيز الدواء المنحل مع امتصاص الأشعة فوق البنفسجية الطيفي. نحن لتوضيح استخدام هذا الأسلوب أقراص التصوير التي تحتوي على الثيوفيلين المخدرات نموذج جنبا إلى جنب مع إيثيل السليلوز تمر انحلال بالماء كما حل متوسطة.
Protocol
Representative Results
Discussion
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.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
ويدعم AF من قبل الهولنديين تكنولوجيا مؤسسة موطني، الذي هو تقسيم العلوم التطبيقية من NWO، وبرنامج التكنولوجيا التابعة لوزارة الشؤون الاقتصادية. (STW 11114 مكتب المدعي العام).
Materials
| 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 | |
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. , 1-8 (2009).
- Florence, A. J., Johnston, A. Applications of ATR UV/vis spectroscopy in physical form characterisation of pharmaceuticals. Spectrosc. Eur. 4, (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, F. J., Holler, S. R., Crouch, . Principles of Instrument analysis. 6 ed. , (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).
