Coherent anti-Stokes Raman Scattering (CARS) Microscopía visualiza Tablets Farmacéuticos durante la disolución
Summary
Anti-Stokes dispersión Raman (CARS) microscopía coherente se combina con una configuración de disolución de flujo a través intrínseca para permitir in situ y visualización en tiempo real de la superficie de comprimidos farmacéuticos sometidos a la disolución. Utilizando esta configuración a la medida, es posible correlacionar COCHES vídeos con perfiles de disolución de fármacos grabados mediante espectroscopía de absorción UV inline.
Abstract
Ensayos de disolución farmacéuticas tradicionales determinan la cantidad de fármaco disuelto en el tiempo mediante la medición de contenido de fármaco en el medio de disolución. Este método proporciona poca información directa sobre lo que ocurre en la superficie de la tableta de disolución. Como la composición de la superficie de la tableta y la estructura pueden cambiar durante la disolución, es esencial para su seguimiento durante la prueba de disolución. En este trabajo de microscopía coherente dispersión anti-Stokes Raman se utiliza para la imagen de la superficie de las tabletas durante la disolución, mientras que la espectroscopia de absorción de rayos UV está proporcionando simultáneamente análisis en línea de la concentración de fármaco disuelto para las tabletas que contienen una mezcla de 50% de anhidrato de teofilina y etilcelulosa. Las mediciones mostraron que en CARS in situ microscopía es capaz de formación de imágenes selectivamente teofilina en presencia de acetato de celulosa. Además, el anhidrato de la teofilina convierte en monohidrato de teofilina durante la disolución, con grito forma de agujaStals que crece en la superficie del comprimido durante la disolución. La conversión de la teofilina anhidrato de monohidrato, combinado con la exposición reducida del fármaco al medio de disolución que fluye dio lugar a velocidades de disolución disminuyó. Nuestros resultados muestran que en CARS in situ microscopía combina con espectroscopia de absorción UV en línea es capaz de supervisar la disolución de la tableta farmacéutica y correlacionar cambios en la superficie con los cambios en la velocidad de disolución.
Introduction
Durante el desarrollo de formas farmacéuticas orales tales como comprimidos y cápsulas hay un fuerte énfasis en las pruebas de disolución. Se requieren formas de dosificación orales para disolver antes de que puedan ser absorbidos para la eficacia terapéutica. Los medicamentos poco solubles generalmente tienen problemas alcanzando una concentración adecuada que hace que las pruebas de disolución particularmente importante 1. Métodos de disolución de la farmacopea son los más utilizados para el análisis de la disolución. En la mayoría de los casos esto requiere la preparación de la droga en forma de tabletas o cápsula que se coloca luego en un vaso de precipitados de fluir medio de disolución. La concentración de fármaco disuelto se determina entonces mediante el análisis de muestras del medio de disolución usando una técnica espectroscópica estándar tales como espectroscopía de absorción UV 2. Estos métodos de disolución farmacéutica tradicionales no proporcionan ningún análisis directo de la muestra o cualquier cambio que pudiera estar ocurriendo en la superficie de disolución de la forma farmacéutica.El análisis directo de la muestra durante la disolución puede dar más información acerca de la forma de dosificación de disolución y potencialmente identificar los problemas que causa el fracaso ensayo de disolución.
El análisis directo de la disolución de formas de dosificación requiere el uso de técnicas de análisis in situ en la que son capaces de vigilar el proceso de disolución. Para grabar in situ durante la disolución de la técnica analítica no debe ser influenciada por la presencia del medio de disolución y la técnica necesita una alta resolución temporal para medir de forma fiable cambios en la forma de dosificación de disolución en el orden de segundos. Espectroscopía de reflectancia total atenuada UV ha demostrado ser adecuado para medir cambios durante la disolución, pero carece de la resolución espacial proporcionada por técnicas de imagen 3. Técnicas de imagen farmacéutica tradicionales como la microscopía electrónica de barrido (SEM), y el mapeo Raman espontánea ambos tienen factores que impiden su uso en la limitaciónsitu para la disolución.
Proyección de imagen SEM es una técnica de imagen de alta resolución rápida capaz de visualizar la superficie de formas de dosificación farmacéuticas. Sin embargo, las imágenes de SEM se realiza generalmente bajo condiciones de vacío y requiere recubrimiento de la muestra lo que es inadecuado para la formación de imágenes en la disolución in situ. Espectroscopía Raman espontánea de fibra acoplado combinado con un flujo a través de la célula y la espectroscopia de absorción de flujo a través de los rayos UV, se ha realizado para supervisar varios sistemas de fármacos in situ durante la disolución, incluyendo teofilina 4, carbamazepina, indometacina y 5. Espectroscopia Raman fue capaz de identificar los cambios superficiales que ocurren durante la disolución, pero no dio ninguna información espacial sobre dónde se estaban produciendo los cambios en la superficie. Mapeo Raman espontánea utiliza los espectros de Raman y proporciona información espacial sobre la superficie de la muestra, pero toma de imágenes en el orden de minutos a horas dependiendo de área de la imagen, haciendoinadecuado para imágenes en disolución situ.
Anti-Stokes Raman (CARS) microscopía coherente es una técnica de imagen rápida y en combinación con la espectroscopia de absorción UV en línea, que ha permitido desarrollar una técnica capaz de disolución en el análisis in situ. CARS microscopía proporciona una rápida formación de imágenes químicamente selectivo que no está influenciada por la presencia de medio de disolución por lo que es una técnica adecuada para el análisis en disolución in situ. Técnicas de los coches se dividen a grandes rasgos en dos grupos en función de la duración del pulso de los láseres; uno de ellos CARS banda estrecha (picosegundos láseres pulsados), y los otros coches de banda ancha son (láseres pulsados de femtosegundos). Un sistema típico microscopio CARS consta de dos fuentes de láser de impulsos y un microscopio invertido. Para producir una señal CARS, uno de los láseres pulsados necesita ser sintonizable de modo que hay una diferencia de frecuencia entre los dos láseres que empareja una vibración de Raman. Además,se requieren los dos láseres para solapar en el espacio (espacial) y el tiempo (temporal), con impulsos de ambos láseres que llegan a la misma zona de la muestra al mismo tiempo. Como vibraciones Raman son específicos químicamente y la señal CARS sólo se genera dentro del volumen focal del microscopio, la microscopía CARS es capaz de formación de imágenes químicamente selectivo con una resolución de hasta el límite de difracción.
Banda estrecha CARS microscopía utilizando un único modo vibracional Raman permite obtener imágenes sobre 100 veces más rápido en comparación con las técnicas de mapeo Raman espontánea 6. COCHES Broadband imágenes de microscopía en un rango espectral más amplia (600-3,200 cm -1 vs ~ 4 cm-1), pero tiene una menor resolución espectral (alrededor de 10 cm -1 vs ~ 4 cm -1) y más lenta la velocidad de imagen (50 ms / pixel vs ~ 5 microsegundos / pixel) en comparación con la microscopía CARS banda estrecha 7.
Banda estrecha CARS microscopía se ha utilizado para la imagen drug liberación de algunos sistemas farmacéuticos. En el área de las formulaciones farmacéuticas, Kang et al. 8-10 películas poliméricas cargadas con el fármaco de imágenes. Inicialmente se tomó imágenes de la distribución del fármaco cargado, que fue seguido por formación de imágenes de la liberación del fármaco desde un medio de disolución estática. Jurna et al. 11 y Windbergs et al. 12 Yendo un paso más allá y va a examinar en primer lugar la distribución de la teofilina en las formas de dosificación de lípidos, seguido de imágenes de la disolución del fármaco utilizando un medio de disolución dinámica.
Hemos desarrollado un nuevo método analítico para monitorear simultáneamente cambios en la superficie sobre la tableta se someten a la disolución con los coches de banda estrecha microscopía durante la grabación de la concentración de fármaco disuelto con espectroscopia de absorción UV. Se ilustra el uso de este método de formación de imágenes comprimidos que contienen el fármaco modelo teofilina combinada con etil celulosa de someterse a la disolución con agua como medio de disolución.
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 es apoyada por la Fundación holandesa Tecnología STW, que es la división de ciencia aplicada de la NWO, y el Programa de Tecnología del Ministerio de Asuntos Económicos. (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 | |
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