חבילה של כלים אנליטיים מבוססים כדי לחקור את השינוי במצב מוצק של חומרים פעילים מבוססי ליפידים

ליפידים הם סוג של חומרים המכילים פחמימנים אליפטיים ארוכי שרשרת ונגזרותיהם. הם מכסים מגוון רחב של מבנים כימיים, כולל חומצות שומן, אצילגליצרולים, סטרולים ואסטרים של סטרול, שעווה, פוספוליפידים וספינגוליפידים¹. השימוש בליפידים כחומרים פעילים פרמצבטיים החל בשנת 1960 להטמעת תרופות במטריצת שעווה כדי לספק פורמולציות בשחרור מושהה². מאז, חומרים פעילים מבוססי שומנים (LBEs) זכו לתשומת לב רבה עבור יישומים מגוונים, כגון שחרור תרופות מותאמות, מיסוך טעם, אנקפסולציה של תרופות וזמינות ביולוגית משופרת של תרופות. ניתן ליישם LBEs במגוון רחב של צורות מינון פרמצבטיות באמצעות תהליכי ייצור רב-תכליתיים, כלומר, ציפוי נמס חם, ייבוש בהתזה, שחול שומנים מוצקים, הדפסה תלת-ממדית, טאבלטים והומוגניות בלחץ גבוה, בין היתר. צורות מינון כגון טבליות, יריעות מתפרקות דרך הפה, מערכות מולטי-חלקיקי, ננו-חלקיקים, כדורים וצורות מודפסות בתלת-ממד הן התוצאה ^2,3,4.

LBEs הם בעלי מעמד “כללי מוכר כבטוח”, רעילות נמוכה, תאימות ביולוגית טובה וסובלנות משופרת של המטופלים. מקורם הטבעי וזמינותם הרחבה מאפשרים להם להעצים ייצור תרופות ירוק ובר קיימא. עם זאת, השימוש ב- LBEs נקשר לצורות מינון לא יציבות. שינויים בתכונות של מוצרים מבוססי שומנים לאחר אחסון דווחו באופן נרחב. המצב המוצק של LBEs וקיומו של פולימורפיזם שומנים נחשבים לסיבות העיקריות לחוסר היציבות של צורות מינון מבוססות שומנים 5,6,7,8.

התכונות המכניות והפיזיקליות של השומנים קשורות קשר הדוק לתכונות ההתגבשות שלהם ולמבנה רשת הגבישים שלהם, המציגה היררכיות מובחנות של ארגון מבני. כאשר שומנים משמשים בייצור מוצרים פרמצבטיים, המבנה הגבישי מושפע מפרמטרים של תהליך המיושם, כגון טמפרטורה, ממיסים אורגניים, גזירה וכוחות מכניים, אשר בתורם משפיעים על הביצועים של המוצר התרופתי 5,7,9,10,11,12 . כדי להבין את הקשר הזה בין מבנה לתפקוד, חשוב לדעת את המימון של התגבשות שומנים ומבנה גבישי ושיטות אנליטיות לסנן אותם.

ברמה המולקולרית, היחידה הקטנה ביותר של גביש שומנים נקראת “תא יחידה”. חזרה תלת-ממדית קבועה על תאי יחידה בונה את הסריגים הגבישיים, עם אינטראקציות מולקולריות חזקות יותר לצד הכיוונים הלטרליים שלהם מאשר אלה האורכיים, ומסבירה את הבנייה הרב-שכבתית של גבישי שומנים. האריזה החוזרת ונשנית של שרשראות פחמימנים נקראת תת-תא 1,12,13 (איור 1). Lamellae הם אריזה צידית של מולקולות שומנים. בחבילת הגבישים, הממשקים בין lamellae שונים עשויים מקבוצות קצה מתיל, בעוד שקבוצות הגליצרול הקוטבי ממוקמות בחלקים הפנימיים של lamella¹⁴. כדי להבדיל בין כל שרשרת של חומצות שומן בלמלה, נעשה שימוש במונח עלון, המייצג תת-שכבה המורכבת משרשראות בודדות של חומצות שומן. ניתן לסדר אצילגליצרולים באורך שרשרת עלונים כפול (2L) או משולש (3L)¹⁴. אנרגיית פני השטח של הלמלה מניעה אותם להיערם זה לזה באופן אפיטקסי, כדי לספק ננו-גבישיות. גורמי עיבוד שונים כגון טמפרטורת הקירור וקצב הקירור משפיעים על מספר הלמלות הערומות ובכך על עובי הגבישיות (~10-100 ננומטר). צבירה של גבישים מובילה להיווצרות של כדורוליטים בקנה מידה זעיר, וצבירה של כדורוליטים מספקת לרשת הגבישים של LBEs התנהגות מקרוסקופית מוגדרת¹³.

מעברי מצב מוצק מתחילים ברמה המולקולרית. המעבר הגיאומטרי מתת-תא אחד למשנהו נקרא פולימורפיזם. שלושה פולימורפים עיקריים של צורות α, β’-, ו-β נמצאים בדרך כלל באצילגליקרולים, מסודרים על פי יציבות מוגברת. הטיה של הלמלה ביחס לחבורות קצה מתרחשת במהלך מעברים פולימורפיים ^1,13. מעברים פולימורפיים בתיווך אחסון ונמסים נחווים על ידי LBEs. מעברי אחסון מתרחשים כאשר הצורה המטא-יציבה מאוחסנת מתחת לטמפרטורת ההיתוך שלה, ואילו מעברים בתיווך נמס מתרחשים כאשר הטמפרטורה עולה מעל נקודת ההיתוך של צורה מטא-יציבה המעוררת התכה והתגבשות רצופה של הצורה היציבה יותר.

יתר על כן, הפרדת פאזות וצמיחת גבישים יכולה להתרחש גם כן. הפרדת פאזות מונעת על ידי התגבשות רב-פאזית ראשונית וצמיחה של שלב אחד או יותר. אינטראקציות בין חלקיקים לחלקיקים, כולל סינטר, אינטראקציות מולקולריות, תכונות מיקרו-מבניות ורכיבים זרים, יכולות גם הן לגרום לצמיחת גביש ^1,5.

לניטור מעברי המצב המוצק של LBEs והשפעתם על הביצועים של צורות מינון יש חשיבות משמעותית. בין היתר, קלורימטריה של סריקה דיפרנציאלית (DSC) ודיפרקציה של קרני רנטגן, במיוחד פיזור קרני רנטגן קטן ורחב זווית בו זמנית (SWAXS), הם שני תקני זהב להערכת מצב מוצק שומנים.

DSC משמש בדרך כלל למדידת השינויים האנתלפיים של החומר המעניין הקשור לזרימת החום כפונקציה של זמן וטמפרטורה. השיטה נמצאת בשימוש נרחב לסינון התנהגות תרמית של שומנים, כגון מסלולים אפשריים של התכה והתגבשות, טמפרטורה מתאימה ואנתלפיה של צורות פולימורפיות שונות, כמו גם שברים קלים ועיקריים של הרכבי שומנים. ניתן להשתמש בנתונים אלה כדי לתאר את ההטרוגניות, שלבים מרובים ופולימורפיזם שומנים ^5,7,13.

טכניקות עקיפה של קרני רנטגן הן השיטות החזקות ביותר לקביעת מבנה במצב מוצק. בעל ננו-מבנה מסודר עם למלה חוזרת ונשנית, ניתן לחקור את השתקפות קרן הרנטגן מגבישי שומנים באמצעות חוק בראג:

d = λ/2sinθ (משוואה 1)

כאשר λ הוא אורך גל קרני הרנטגן של 1.542 Å, θ הוא זווית הדיפרקציה של הקרן המפוזרת, ו-d הוא הריווח הבין-מישורי של שכבות חוזרות, המוגדר כאורך למלה בליפידים. האזור בעל הזווית הקטנה של הרנטגן יכול לשמש באופן מושלם כדי לזהות את תבנית הריווח הארוך ולחשב את אורך הלמלה (d). ככל שהמרחק החוזר d גדול יותר, כך זווית הפיזור קטנה יותר (1-15°, אזור בעל זווית קטנה) מכיוון ש-d הוא ביחס הפוך לחטא θ. ניתן לאפיין את סידור תת-התא של השומנים כתבנית הריווח הקצר באזור רחב הזווית של עקיפת קרני הרנטגן. ניתן להשתמש הן בתבניות הריווח הארוכות והן בתבניות הריווח הקצרות של השומנים (אורך למלה וסידור תת-התא) כדי לציין את הטרנספורמציה הפולימורפית המונוטרופית. לדוגמה, ניתן לשנות את צורת α (משושה) לצורת β (טריקליניקה) עקב שינוי בזווית ההטיה של השרשראות, עם שינויים באורך הלמלה (תבנית ריווח ארוך, באזור הזווית הקטנה, 1-15°) ובמצב אריזת החתך (תבנית ריווח קצר, באזור הזווית הרחבה, 16-25°) (איור 2).

המידע המתקבל מאזור SAXS יכול לשמש גם כדי לחקור את גדילת הגביש על ידי מדידת עוביו (D) באמצעות משוואת שרר¹⁵:

D = Kλ/FWHMcosθ (משוואה 2)

כאשר, FWHM הוא הרוחב ברדיאנים של מקסימום עקיפה הנמדד בגובה של חצי כיוון בין הרקע לשיא, הידוע בדרך כלל כרוחב מלא בחצי מקסימום (FWHM); θ היא זווית עקיפה; λ הוא אורך הגל של קרני הרנטגן (1.542 Å) ו- K (קבוע שרר) הוא מספר חסר ממדים המספק מידע על צורת הגביש (במקרה של היעדר מידע צורה מפורט K = 0.9 הוא קירוב טוב). שים לב שניתן להשתמש במשוואת שרר כדי להעריך גדלים גבישיים ממוצעים של עד כ-100 ננומטר מכיוון שהרחבת השיא היא ביחס הפוך לגודל הגבישי. לכן, היישום שלה שימושי לקביעת עובי של ננו-טסיות, ובעקיפין, את מספר lamellae מצטבר. דוגמאות לשימוש בגישה ידועה זו לסינון התכונות הגבישיות של שומנים בפיתוח פורמולציה פרמצבטית וחוסר היציבות המקביל בביצועי המוצר ניתן למצוא ב^– 5,12,16,17,18.

ניטור המצב המוצק של LBEs בכל שלב התפתחותי באמצעות טכניקות אנליטיות מבוססות היטב מספק אסטרטגיה יעילה לתכנון תהליכי ייצור בעלי ביצועים גבוהים ומוצרים פרמצבטיים יציבים מבוססי שומנים.

פרסום זה מציג את היישום הקריטי של ניתוח מקיף של מצב מוצק של LBEs לניטור השינויים במצב מוצק והמתאם שלו לשינוי בפרופיל השחרור של חומר תרופתי פעיל (API) מצורת המינון הפרמצבטי. מערכות מולטי-חלקיקים המבוססות על גבישי API מצופים שומנים באמצעות ציפוי נמס חם, ותרחיפים ננו-ליפידים המיוצרים באמצעות הומוגניזציה בלחץ גבוה נלקחים כמקרי בוחן. המוקד של פרסום זה הוא היישום של עקיפת רנטגן אבקה ו- DSC ככלים אנליטיים. שתי הדוגמאות הראשונות מראות את ההשפעה של טרנספורמציה פולימורפית וצמיחת גבישים, בהתאמה, על השינוי בשחרור API מדגימות מצופות. הדוגמה האחרונה חושפת את המתאם בין המצב המוצק היציב של השומנים לבין הביצועים היציבים של המוצר התרופתי במערכות מולטי-חלקיקים מצופות ליפידים ובמתלי ננו-ליפידים.