Пакет установленных аналитических инструментов для исследования твердотельного изменения эксципиентов на основе липидов

Липиды представляют собой класс материалов, которые содержат длинноцепочечные алифатические углеводороды и их производные. Они охватывают широкий спектр химических структур, включая жирные кислоты, ацилглицерины, стерины и сложные эфиры стеринов, воски, фосфолипиды и сфинголипиды¹. Использование липидов в качестве фармацевтических вспомогательных веществ началось в 1960 году для встраивания лекарств в восковую матрицу для обеспечения составов с замедленным высвобождением². С тех пор эксципиенты на основе липидов (LBE) привлекли широкое внимание для различных применений, таких как модифицированное высвобождение лекарств, маскировка вкуса, инкапсуляция лекарств и повышенная биодоступность лекарств. LBE могут применяться в широком спектре фармацевтических лекарственных форм с помощью универсальных производственных процессов, а именно, термоплавкого покрытия, распылительной сушки, экструзии твердых липидов, 3D-печати, таблетирования и гомогенизации под высоким давлением, среди прочих. Лекарственные формы, такие как таблетки, перорально распадающиеся пленки, системы с несколькими частицами, нано- и микрочастицы, гранулы и 3D-печатные формы, являются результатом ^2,3,4.

LBE обладают статусом «Общепризнанный как безопасный», низкой токсичностью, хорошей биосовместимостью и улучшенной переносимостью пациентов. Их естественное происхождение и широкая доступность позволяют им расширять возможности зеленого и устойчивого фармацевтического производства. Тем не менее, использование LBE было связано с нестабильными лекарственными формами. Широко сообщалось об изменениях в свойствах продуктов на основе липидов после хранения. Твердое состояние LBE и существование липидного полиморфизма считаются основными причинами нестабильности липидных лекарственных форм ^5,6,7,8.

Механические и физические свойства липидов тесно связаны с их кристаллизационными свойствами и структурой их кристаллической сети, которая показывает отчетливые иерархии структурной организации. Когда липиды используются в производстве фармацевтических продуктов, кристаллическая структура зависит от применяемых параметров процесса, таких как температура, органические растворители, сдвиг и механические силы, что, в свою очередь, влияет на производительность фармацевтического продукта 5,7,9,10,11,12 . Чтобы понять эту структурно-функциональную взаимосвязь, важно знать основы кристаллизации липидов и кристаллической структуры и аналитические методы их скрининга.

На молекулярном уровне наименьшая единица липидного кристалла называется «единичной клеткой». Регулярное трехмерное повторение единичных ячеек строит кристаллические решетки с более сильными молекулярными взаимодействиями наряду с их боковыми направлениями, чем продольные, объясняя послойное построение липидных кристаллов. Повторная поперечная упаковка углеводородных цепей известна как подячейка ^1,12,13 (рисунок 1). Ламели представляют собой боковую упаковку липидных молекул. В кристаллической упаковке интерфейсы между различными ламелями выполнены из метильных концевых групп, тогда как полярные глицериновые группы размещены во внутренних частях ламели¹⁴. Чтобы дифференцировать каждую цепь жирных кислот в ламели, используется термин листочек, который представляет собой подслой, состоящий из одиночных цепей жирных кислот. Ацилглицеролы могут быть расположены в двойных (2 л) или тройных (3 л) цепочках листовок длиной¹⁴. Поверхностная энергия ламелей заставляет их эпитаксиально складываться друг к другу, чтобы обеспечить нанокристаллиты. Различные факторы обработки, такие как температура и скорость охлаждения, влияют на количество укладываемых ламелей и, следовательно, на толщину кристаллита (~ 10-100 нм). Агрегация кристаллитов приводит к образованию сферулитов в микромасштабе, а агрегация сферулитов обеспечивает кристаллическую сеть LBE с определенным макроскопическим поведением¹³.

Твердотельные переходы начинаются на молекулярном уровне. Геометрический переход от одной подклеточки к другой называется полиморфизмом. Три основных полиморфа α-, β’- и β-формы обычно обнаруживаются в ацилглицеринах, упорядоченных в соответствии с повышенной стабильностью. Наклон ламели относительно концевых групп происходит при полиморфных переходах ^1,13. Хранение и полиморфные переходы, опосредованные расплавом, испытываются LBE. Переходы при хранении происходят, когда метастабильная форма хранится ниже температуры плавления, тогда как опосредованные расплавом переходы происходят, когда температура поднимается выше температуры плавления метастабильной формы, провоцируя плавление и последовательную кристаллизацию более стабильной формы.

Кроме того, также может происходить разделение фаз и рост кристаллов. Разделение фаз обусловлено начальной многофазной кристаллизацией и ростом одной фазы или более. Взаимодействия частицы-частицы, включая спекание, молекулярные взаимодействия, микроструктурные особенности и чужеродные компоненты, также могут вызывать рост кристаллов ^1,5.

Значительное значение имеет мониторинг твердотельных переходов LBE и их влияния на производительность лекарственных форм. Среди прочего, дифференциальная сканирующая калориметрия (DSC) и рентгеновская дифракция, в частности, одновременное малое и широкоугольное рентгеновское рассеяние (SWAXS), являются двумя золотыми стандартами для оценки липидного твердого состояния.

DSC обычно используется для измерения изменений энтальпии интересующего материала, связанных с тепловым потоком, в зависимости от времени и температуры. Метод широко используется для скрининга теплового поведения липидов, таких как возможные пути плавления и кристаллизации, соответствующие температуры и энтальпии различных полиморфных форм, а также второстепенные и основные фракции липидных композиций. Эти данные могут быть использованы для изображения гетерогенности, множественных фаз и полиморфизма липидов ^5,7,13.

Методы дифракции рентгеновских лучей являются наиболее мощными методами определения структуры в твердом состоянии. Обладая упорядоченной наноструктурой с повторяющимися ламелями, отражение рентгеновского пучка от липидных кристаллов можно исследовать, используя закон Брэгга:

d = λ/2sinθ (уравнение 1)

где λ — длина волны рентгеновского излучения 1,542 Å, θ — угол дифракции рассеянного пучка, а d — межпланарное расстояние между повторяющимися слоями, определяемое как длина ламели в липидах. Малоугловая область рентгеновского снимка может быть идеально использована для обнаружения длинного интервала и расчета длины ламели (d). Чем больше повторяющееся расстояние d, тем меньше угол рассеяния (1-15°, область малого угла), так как d обратно пропорционален sin θ. Субклеточное расположение липидов можно охарактеризовать как короткораспространенную картину в широкоугольной области рентгеновской дифракции. Как длинные, так и короткие интервалы липидов (длина ламелей и расположение субклеток) могут быть использованы для указания на монотропное полиморфное превращение. Например, форма α (шестиугольная) может быть изменена на β (триклинную) из-за изменения угла наклона цепей, с изменением длины ламели (рисунок длинного расстояния, в области малого угла, 1-15°) и в режиме поперечного сечения упаковки (рисунок короткого расстояния, в широкоугольной области, 16-25°) (рисунок 2).

Информация, полученная из области SAXS, может быть дополнительно использована для исследования роста кристалла путем измерения его толщины (D) с помощью уравнения Шеррера¹⁵:

D = Kλ/FWHMcosθ (уравнение 2)

Где FWHM – ширина в радианах дифракционного максимума, измеренного на половинной высоте между фоном и пиком, обычно известная как полная ширина при половинном максимуме (FWHM); θ — угол дифракции; λ — длина волны рентгеновского излучения (1,542 Å), а K (постоянная Шеррера) — безразмерное число, предоставляющее информацию о форме кристалла (в случае отсутствия подробной информации о форме K = 0,9 — хорошее приближение). Обратите внимание, что уравнение Шеррера может быть использовано для оценки средних размеров кристаллов до 100 нм, поскольку пиковое расширение обратно пропорционально размеру кристаллита. Поэтому его применение полезно для определения толщины нанопластинок и, косвенно, количества агрегированных ламелей. Примеры использования этого хорошо известного подхода для скрининга кристаллических свойств липидов при разработке фармацевтической рецептуры и соответствующей нестабильности в характеристиках продукта можно найти в 5,12,16,17,18.

Мониторинг твердого состояния LBE на каждом этапе разработки с помощью хорошо зарекомендовавших себя аналитических методов обеспечивает эффективную стратегию для разработки высокопроизводительных производственных процессов и стабильных фармацевтических продуктов на основе липидов.

В данной публикации представлено критическое применение комплексного твердотельного анализа LBE для мониторинга изменений в твердотельном состоянии и его корреляции с изменением профиля высвобождения активного фармацевтического ингредиента (АФИ) из лекарственной лекарственной формы. В качестве тематических исследований берутся многочастичные системы, основанные на кристаллах API с липидным покрытием через термоплавкое покрытие, и нанолипидные суспензии, полученные путем гомогенизации под высоким давлением. Основное внимание в данной публикации уделяется применению порошковой рентгеновской дифракции и ДСК в качестве аналитических инструментов. Первые два примера показывают влияние полиморфной трансформации и роста кристаллов, соответственно, на изменение высвобождения API из образцов с покрытием. Последний пример показывает корреляцию между стабильным твердым состоянием липидов и стабильными характеристиками фармацевтического продукта в многочастичных системах с липидным покрытием и в нанолипидных суспензиях.