Когерентные антистоксовы комбинационное рассеяние (CARS) микроскопии Визуализирует Фармацевтические таблетки при растворении
Summary
Когерентная антистоксова комбинационного рассеяния (АВТОМОБИЛИ) микроскопия в сочетании с внутренней проточной установки для растворения, чтобы позволить на месте и в режиме реального времени визуализации поверхности фармацевтических таблеток, подвергающихся растворению. Используя этот изготовленный на заказ установку, можно соотнести АВТОМОБИЛИ видео с наркотиками профилей растворения, записанных с помощью встроенного абсорбционной спектроскопии УФ.
Abstract
Традиционные тесты на растворимость фармацевтические определить количество лекарственного средства, растворенного с течением времени путем измерения содержания лекарственного средства в среде для растворения. Этот метод дает мало прямую информацию о том, что происходит на поверхности растворения таблетки. Поскольку поверхность состав и структура таблетка может изменяться во время растворения, важно следить за ним во время тестирования растворения. В этой работе когерентного антистоксова комбинационного рассеяния микроскопии для изображения поверхности таблеток при растворении в то время как абсорбционной спектроскопии УФ одновременно обеспечивая встроенный анализ концентрации растворенного наркотиков для таблеток, содержащих 50% смесь теофиллина безводного и этилцеллюлозы. Измерения показали, что в точке АВТОМОБИЛЕЙ микроскопии способен избирательно изображений теофиллин в присутствии этилцеллюлозы. Кроме того, теофиллин безводный преобразованы в моногидрат теофиллина при растворении, с игольчатым крикомŠtāls растет на поверхности планшета при растворении. Превращение теофиллина безводного к моногидрата, в сочетании с уменьшенным воздействием лекарственного средства в текучей среде растворения привело к снижению скорости растворения. Наши результаты показывают, что на месте CARS микроскопии в сочетании с поглощения рядный УФ-спектроскопии может контролировать фармацевтическую растворение таблетки и корреляции поверхностных изменений с изменениями в скорости растворения.
Introduction
При разработке пероральных фармацевтических дозированных форм, таких как таблетки и капсулы есть сильный акцент на испытанию на растворение. Пероральные лекарственные формы являются обязательными для растворения, прежде чем они могут быть поглощены за терапевтической эффективности. Плохо растворимые препараты, как правило, вопросы достижения адекватной концентрации, что делает тест на растворимость особенно важно 1. Фармакопейные методы растворения чаще всего используются для анализа растворения. В большинстве случаев это требует подготовки препарата в виде таблетки или капсулы, который затем помещают в химический стакан проточной среды растворения. Концентрация растворенного препарата Затем определяют путем анализа образцов среды для растворения с использованием стандартной техники, такой как спектроскопический поглощения УФ-спектроскопии 2. Эти традиционные методы фармацевтической растворения не предоставляют никаких прямых анализ образца или любые изменения, которые могут быть происходящие на растворения поверхности лекарственной формы.Прямая анализ образца при растворении может обеспечить дополнительные сведения о растворение лекарственной формы и потенциально выявить проблемы вызывает ошибки теста растворения.
Прямая анализ растворения лекарственных форм требует использования в точке, аналитических методов, которые способны мониторинга процесса растворения. Для записи на месте во время растворения аналитический метод не должен зависеть от наличия среды для растворения и техника требует высокой временное разрешение надежно оценить изменения в растворение лекарственной формы в порядке секунд. Нарушенного полного отражения УФ-спектроскопии было показано, чтобы быть пригодным для измерения изменений во время растворения, но не хватает пространственное разрешение, предоставленную методов визуализации 3. Традиционные методы фармацевтической визуализации, такие как сканирующей электронной микроскопии (SEM) и спонтанного комбинационного отображение оба имеют ограничивающие факторы, предотвращающие их использование вСиту для растворения.
Изображений СЭМ является высоким разрешением техника быстрого томография способна визуализации поверхности фармацевтических лекарственных форм. Тем не менее, изображения СЭМ обычно проводят в условиях вакуума и требует образец покрытия делает его непригодным для в визуализации месте растворения. Волоконно-связанных СКР спектроскопии в сочетании с потоком через ячейки и УФ проточного абсорбционной спектроскопии, была выполнена для мониторинга различных систем наркотиков в месте во время растворения, в том числе теофиллина 4, карбамазепин, и индометацин 5. Спектроскопии комбинационного рассеяния света была способна определять поверхностные изменения, происходящие во время растворения, но это не дало пространственную информацию о том, где изменения поверхности происходили. Спонтанное комбинационное отображение использует спектров комбинационного рассеяния и обеспечивает пространственную информацию о поверхности образца, но изображений принимает порядка нескольких минут до нескольких часов в зависимости от области изображения, делаяего непригодным для в визуализации месте растворения.
Когерентная антистоксова комбинационного рассеяния (АВТОМОБИЛИ) микроскопия является быстрое метод визуализации и в сочетании с поглощения рядный УФ-спектроскопии, это позволило нам разработать методику, способную на месте анализа растворения. АВТОМОБИЛИ микроскопия обеспечивает быстрое химически селективное изображений, которая не зависит от наличия среды растворения что делает его подходящим методом для на месте анализа растворения. Методы АВТОМОБИЛИ делятся примерно на две группы в зависимости от длительности импульса лазеров; один из которых узкополосных АВТОМОБИЛИ (пикосекундные импульсные лазеры), а другой широкополосной АВТОМОБИЛИ (фемтосекундных импульсных лазеров). Типичный АВТОМОБИЛИ микроскоп Система состоит из двух импульсных лазерных источников и инвертированного микроскопа. Для получения сигнала автомобили, один из импульсных лазеров должна быть перестраиваемый так что есть разность частот между двумя лазерами, который соответствует вибрацию комбинационного рассеяния. Кроме того,два лазера обязаны пересекаться в пространстве (пространственное) и время (временной), с импульсами от обоих лазеров, прибывающих в то же площади образца в то же время. Как колебания КР являются химически конкретные и АВТОМОБИЛИ сигнал генерируется только в фокальной объема микроскопом, АВТОМОБИЛИ микроскопии способен химически селективного изображений с разрешением до дифракционного предела.
Узкополосные АВТОМОБИЛИ микроскопии с использованием одного комбинационного моду колебаний позволяет о 100x быстрее изображений по сравнению с спонтанных методов отображения комбинационного 6. Широкополосные АВТОМОБИЛИ микроскопии изображений в более широком спектральном диапазоне (600-3,200 см -1 против ~ 4 см -1), но имеет более низкую спектральное разрешение (около 10 см -1 против ~ 4 см -1) и низкую скорость обработки изображений (50 мс / пиксел против ~ 5 мкс / пиксель) по сравнению с узкополосного CARS микроскопии 7.
Узкополосные АВТОМОБИЛИ микроскопии был использован для изображения друг-релиз от некоторых фармацевтических систем. В области фармацевтических составов, Kang и др.. 8-10 отображаемого наркотиков загружалась полимерные пленки. Первоначально они отображены распределение введенного лекарства за которым последовал визуализации выпуска наркотиков из неподвижной среде растворения. Юрна др.. 11 и Windbergs др.. 12 пошел еще дальше и отображаемого во-первых распределение теофиллин в липидных лекарственных форм с последующим визуализации растворение лекарственного средства с использованием динамической среды растворения.
Мы разработали новый аналитический метод, чтобы одновременно следить за изменениями поверхности, на планшете, перенесших растворение с узкополосных CARS микроскопии во время записи концентрации растворенного наркотиков с поглощения УФ-спектроскопии. Проиллюстрируем использование этого метода визуализации таблеток, содержащих модели наркотиков теофиллин в сочетании с этилцеллюлозу переживает растворение водой как среды растворения.
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
А.Ф. поддерживается голландской технологии Foundation STW, что прикладная наука разделение NWO, и технология Программы Министерства экономики. (STW ОТП 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).
