פיזור ראמאן (CARS) טבליות קוהרנטית אנטי סטוקס מדמיין מיקרוסקופית תרופות במהלך פירוק
Summary
מיקרוסקופיה קוהרנטית אנטי סטוקס פיזור ראמאן (CARS) בשילוב עם התקנת זרימה דרך פנימי פירוק כדי לאפשר באתר והדמיה של פני השטח של טבליות תרופות עוברות פירוק בזמן אמת. באמצעות התקנה שהותקן זה, זה אפשרי, כדי לקשר בין סרטוני מכוניות עם פרופילי פירוק תרופה שנרשמו באמצעות ספקטרוסקופיית ספיגת UV מוטבעת.
Abstract
בדיקות פירוק תרופות מסורתיות לקבוע את כמות התרופה מומסת לאורך זמן על ידי מדידת תכולת סמים במדיום הפירוק. שיטה זו מספקת מידע ישיר מועט על מה שקורה על פני השטח של לוח ההמסה. כרכב פני השטח הלוח והמבנה יכולים להשתנות במהלך פירוק, זה חיוני כדי לפקח על זה במהלך בדיקת פירוק. בעבודה זו מיקרוסקופיה אנטי סטוקס ראמאן קוהרנטי פיזור משמשת לתמונת פני השטח של טבליות במהלך פירוק תוך ספקטרוסקופיה קליטת UV היא בו זמנית לספק ניתוח מוטבע של ריכוז תרופה מומס לכמוסות המכילות תערובת 50% מanhydrate תאופילין ותאית אתיל. המדידות הראו כי במכוניות אתר מיקרוסקופיה מסוגלת הדמיה סלקטיבי תאופילין בנוכחות תאית אתיל. בנוסף, anhydrate תאופילין יומר למונוהידראט תאופילין במהלך פירוק, בקריאה בצורת מחטstals גובר על פני השטח הלוח בזמן הפירוק. המרה של anhydrate תאופילין למונוהידראט, בשילוב עם חשיפה מופחתת של התרופה למדיום הפירוק זורם הביאה שיעורי פירוק ירד. התוצאות שלנו מראות כי בשילוב במיקרוסקופיה מכוניות אתרו עם ספקטרוסקופיה קליטת UV המוטבעים הוא מסוגל ניטור פירוק לוח תרופות ומקשרים שינויי פני השטח עם שינויים בקצב פירוק.
Introduction
במהלך הפיתוח של צורות מינון תרופות אוראליות כגון טבליות וקפסולות יש דגש חזק על בדיקות פירוק. צורות מינון אוראלית נדרשות לפזר לפני שהם יכולים להיספג ליעילות טיפולית. יש תרופות מסיסים היטב בדרך כלל בעיות להגיע ריכוז נאות מה שהופך את בדיקת פירוק חשובה במיוחד 1. שיטות פירוק פרמקופאות הם נפוצים ביותר לניתוח פירוק. ברוב המקרים זה דורש הכנת התרופה כטבליות או כמוסה אשר ממוקמות אז לתוך כוס של זורם בינוני פירוק. ריכוז התרופה המומס נקבע אז על ידי ניתוח דגימות של מדיום הפירוק באמצעות טכניקה ספקטרוסקופיות סטנדרטית כגון ספיגת UV ספקטרוסקופיה 2. שיטות פירוק תרופות המסורתיות אלה אינם מספקים כל ניתוח ישיר של המדגם או כל שינוי שעשוי להיות המתרחש על פני השטח ההמסה של צורת המינון.ניתוח ישיר של המדגם במהלך הפירוק יכול לספק מידע נוסף על צורת מינון ההמסה ואפשרות לזהות בעיות גורם לכשל בבדיקת פירוק.
ניתוח ישיר של המסת צורות מינון מחייב שימוש בטכניקות אנליטיות אתרו שהם מסוגלים ניטור תהליך הפירוק. כדי להקליט באתר במהלך פירוק השיטה אנליטית לא חייבת להיות מושפעת על ידי נוכחותו של מדיום הפירוק והטכניקה צריכה רזולוציה גבוהה זמנית למדוד באופן מהימן את שינויים בצורת מינון ההמסה בסדר הגודל של שניות. סך הכל ספקטרוסקופיה UV ההחזרה נחלש הוכח להיות מתאים למדידת שינויים במהלך פירוק אך חסרת רזולוציה מרחבית הניתנת על ידי טכניקות הדמיה 3. טכניקות הדמיה תרופות מסורתיות כגון מיקרוסקופיה סריקת אלקטרונים (SEM), ומיפוי ראמאן ספונטני לשניהם יש גורמים מגבילים שימנעו את השימוש שלהם באתרו לפירוק.
ההדמיה SEM היא טכניקת הדמיה מהירה ברזולוציה גבוהה מסוגלת הדמיה פני השטח של צורות מינון תרופות. עם זאת, ההדמיה SEM מבוצעת בדרך כלל בתנאי ואקום ודורשת ציפוי מדגם שהופך אותו מתאים בתחום ההדמיה פירוק אתרו. ספקטרוסקופיית ראמאן הספונטנית מצמידים סיבים בשילוב עם זרימה דרך התא וספקטרוסקופיה קליטת זרימה דרך UV, שבוצעה כדי לפקח על מערכות סמים שונות באתרו במהלך פירוק, כולל תאופילין 4, קרבמזפין, וindomethacin 5. ספקטרוסקופיית ראמאן הייתה מסוגלת לזהות שינויי פני השטח מתרחשים במהלך פירוק אבל זה לא נתן שום מידע מרחבי על איפה שינויי פני השטח היו מתרחשים. מיפוי ראמאן ספונטני משתמש בספקטרום ראמאן ומספק מידע מרחבי על פני השטח של המדגם אבל הדמיה לוקחת בסדר הגודל של דקות עד שעות, תלוי באזור בתמונה, מה שהופךזה לא מתאים להדמית פירוק אתרו.
מיקרוסקופיה קוהרנטית אנטי סטוקס פיזור ראמאן (CARS) היא טכניקת ההדמיה מהירה ושילוב עם ספקטרוסקופיה קליטת UV מוטבע, זה אפשר לנו לפתח טכניקה מסוגלת בניתוח פירוק אתרו. מיקרוסקופיה מכוניות מספקת הדמיה כימי סלקטיבית מהירה שאינו מושפעת על ידי הנוכחות של מדיום פירוק מה שהופך את שיטה למתאימה לניתוח בפירוק אתרו. טכניקות מכוניות מחולקות באופן גס לשתי קבוצות על בסיס משך הפעימה של הלייזרים; אחד להיות מכוניות צר (לייזרים פעמו picosecond), ומכוניות האחרות להיות בפס רחב (לייזרים פעמו femtosecond). מערכת מיקרוסקופ מכוניות טיפוסית מורכבת משני מקורות לייזר פעם ומיקרוסקופ הפוכה. כדי לייצר אות מכוניות, אחד מהלייזרים פעמו צריך להיות מתכונן כך יש הבדל בתדר בין שני הלייזרים התואמים רטט ראמאן. בנוסף,שני הלייזרים נדרשים חפיפה במרחב (מרחבי) וזמן (זמני), עם פולסים משני הלייזרים המגיעים באותו האזור של המדגם באותו הזמן. כתנודות ראמאן הן כימיים ספציפיות ואות מכוניות נוצרה רק בתוך נפח המוקד של מיקרוסקופ, מיקרוסקופית מכוניות מסוגל הדמיה כימית סלקטיבית עם רזולוציה עד לגבול ההשתברות.
מיקרוסקופיה המכוניות צר באמצעות מצב רטט ראמאן בודד מאפשרת הדמיה על 100x מהר יותר בהשוואה לטכניקות מיפוי ראמאן הספונטניות 6. תמונות מיקרוסקופית מכוניות בפס רחב על פני טווח רחב יותר של רוח רפאים (600-3,200 -1 סנטימטר לעומת ~ 4 סנטימטר -1) אך יש לו רזולוציה נמוכה יותר של רוח רפאים (כ -1 סנטימטר לעומת 10 ~ 4 -1 סנטימטר) ומהירות איטית הדמיה (50 אלפיות השני / פיקסל לעומת 5 ~ μsec / פיקסל) בהשוואה למיקרוסקופיה מכוניות צרת 7.
מיקרוסקופיה המכוניות צר כבר בשימוש לDRU תמונהשחרור גרם מכמה מערכות תרופות. באזור של ניסוחים תרופות, קאנג et al. 8-10 סרטי פולימר סמים נטענים הדמיה. בתחילה הם צילמו את ההפצה של התרופה הטעונה, אשר בעקבות הדמיה של שחרור התרופה ממדיום פירוק סטטי. Jurna et al. 11 וWindbergs et al. 12 הלכו צעד אחד קדימה וצלמו ראשית את התפלגות תאופילין בצורות מינון שומנים בדם ואחרי ההדמיה פירוק התרופה באמצעות מדיום פירוק דינמי.
פיתחנו שיטה אנליטית חדשה כדי לפקח בו זמנית משטח שינויים בלוח עוברים פירוק עם מיקרוסקופיה מכוניות צר בעת הקלטת ריכוז התרופה מומסת עם ספקטרוסקופיה קליטת UV. אנו מדגימים את השימוש בטבליות הדמיה בשיטה זו המכילות תאופילין תרופת המודל בשילוב עם תאית אתיל עוברת פירוק במים כמדיום פירוק.
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
AF נתמך על ידי ההולנדים הטכנולוגיה הקרן STW, המהווה את חטיבת המדע היישומי של NWO, וטכנולוגית התכנית של המשרד לענייני כלכלה. (STW OTP 11114).
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).
