Un paquete de herramientas analíticas establecidas para investigar la alteración en estado sólido de excipientes basados en lípidos

Los lípidos son una clase de materiales que contienen hidrocarburos alifáticos de cadena larga y sus derivados. Cubren una amplia gama de estructuras químicas, incluyendo ácidos grasos, acilgliceroles, esteroles y ésteres de esteroles, ceras, fosfolípidos y esfingolípidos¹. El uso de lípidos como excipientes farmacéuticos comenzó en 1960 para incrustar fármacos en una matriz de cera para proporcionar formulaciones de liberación sostenida². Desde entonces, los excipientes a base de lípidos (LBE) han ganado una gran atención para diversas aplicaciones, como la liberación modificada de fármacos, el enmascaramiento del sabor, la encapsulación de fármacos y la biodisponibilidad mejorada de fármacos. Los LBE se pueden aplicar en una amplia gama de formas farmacéuticas a través de procesos de fabricación versátiles, a saber, recubrimiento termofusible, secado por pulverización, extrusión de lípidos sólidos, impresión 3D, comprimidos y homogeneización a alta presión, entre otros. Formas farmacéuticas como tabletas, películas de desintegración oral, sistemas de multipartículas, nano y micropartículas, pellets y formas impresas en 3D son el resultado ^2,3,4.

Los LBE poseen el estado de “General Reconocido como Seguro”, baja toxicidad, buena biocompatibilidad y tolerancia mejorada del paciente. Su origen natural y su amplia disponibilidad les permiten potenciar la fabricación farmacéutica ecológica y sostenible. Sin embargo, el uso de LBE se ha asociado con formas de dosificación inestables. Las alteraciones en las propiedades de los productos a base de lípidos después del almacenamiento han sido ampliamente reportadas. El estado sólido de las EBL y la existencia de polimorfismo lipídico se consideran las principales razones de la inestabilidad de las formas de dosificación basadas en lípidos 5,6,7,8.

Las propiedades mecánicas y físicas de los lípidos están estrechamente relacionadas con sus propiedades de cristalización y la estructura de su red cristalina, que muestra distintas jerarquías de organización estructural. Cuando se utilizan lípidos en la fabricación de productos farmacéuticos, la estructura cristalina se ve afectada por los parámetros del proceso aplicados, como la temperatura, los disolventes orgánicos, el cizallamiento y las fuerzas mecánicas, lo que a su vez afecta el rendimiento del producto farmacéutico 5,7,9,10,11,12 . Para comprender esta relación estructura-función, es importante conocer los fundamentos de la cristalización lipídica y la estructura cristalina y los métodos analíticos para cribarlos.

A nivel molecular, la unidad más pequeña de un cristal lipídico se denomina “célula unitaria”. Una repetición tridimensional regular de células unitarias construye las redes cristalinas, con interacciones moleculares más fuertes junto con sus direcciones laterales que las longitudinales, lo que explica la construcción en capas de cristales lipídicos. El empaquetamiento transversal repetido de las cadenas de hidrocarburos se conoce como subcelda 1,12,13 (Figura 1). Las laminillas son el empaquetamiento lateral de las moléculas lipídicas. En el paquete de cristal, las interfaces entre diferentes laminillas están hechas de grupos extremos metilo, mientras que los grupos de glicerol polar se colocan en las partes interiores de la lámina¹⁴. Para diferenciar cada cadena de ácidos grasos en la lámina, se emplea el término folio, que representa una subcapa compuesta por cadenas individuales de ácidos grasos. Los acilgliceroles se pueden organizar en longitudes de cadena de foliolas dobles (2L) o triples (3L)¹⁴. La energía superficial de las laminillas las impulsa a apilarse epitaxialmente entre sí, para proporcionar nanocristalitos. Diferentes factores de procesamiento, como la temperatura y la velocidad de enfriamiento, afectan el número de laminillas apiladas y, por lo tanto, el grosor del cristalito (~ 10-100 nm). La agregación de cristalitos conduce a la formación de esferulitas a microescala, y la agregación de esferulitas proporciona a la red cristalina de LBE un comportamiento macroscópico definido¹³.

Las transiciones de estado sólido comienzan a nivel molecular. La transición geométrica de una subcélula a otra se llama polimorfismo. Tres polimorfos principales de forma α, β” y β se encuentran generalmente en los acilgliceroles, ordenados de acuerdo con el aumento de la estabilidad. La inclinación de la lámina con respecto a los grupos finales ocurre durante las transiciones polimórficas ^1,13. Las transiciones polimórficas mediadas por fusión y almacenamiento son experimentadas por LBE. Las transiciones de almacenamiento ocurren cuando la forma metaestable se almacena por debajo de su temperatura de fusión, mientras que las transiciones mediadas por fusión ocurren a medida que la temperatura aumenta por encima del punto de fusión de una forma metaestable provocando la fusión y la cristalización sucesiva de la forma más estable.

Además, la separación de fases y el crecimiento de cristales también pueden ocurrir. La separación de fases es impulsada por la cristalización multifásica inicial y el crecimiento de una fase o más. Las interacciones partícula-partícula, incluyendo la sinterización, las interacciones moleculares, las características microestructurales y los componentes extraños, también pueden desencadenar el crecimiento de cristales ^1,5.

El monitoreo de las transiciones de estado sólido de las EBL y su impacto en el rendimiento de las formas de dosificación es de gran importancia. Entre otros, la calorimetría diferencial de barrido (DSC) y la difracción de rayos X, específicamente la dispersión simultánea de rayos X pequeños y gran angular (SWAXS), son dos estándares de oro para evaluar el estado sólido lipídico.

DSC se usa comúnmente para medir los cambios de entalpía del material de interés asociado con el flujo de calor en función del tiempo y la temperatura. El método es ampliamente utilizado para la detección del comportamiento térmico de los lípidos, como las posibles vías de fusión y cristalización, la temperatura y la entalpía correspondientes de diferentes formas polimórficas, así como las fracciones menores y principales de las composiciones lipídicas. Estos datos pueden ser utilizados para representar la heterogeneidad, las fases múltiples y el polimorfismo lipídico ^5,7,13.

Las técnicas de difracción de rayos X son los métodos más poderosos para la determinación de estructuras en estado sólido. Al poseer una nanoestructura ordenada con laminillas repetidas, la reflexión del haz de rayos X de los cristales lipídicos se puede investigar utilizando la ley de Bragg:

d = λ/2sinθ (Ecuación 1)

donde λ es la longitud de onda de rayos X de 1.542 Å, θ es el ángulo de difracción del haz disperso, y d es el espaciado interplanar de capas repetidas, definida como longitud laminar en lípidos. La región de ángulo pequeño de la radiografía se puede utilizar perfectamente para detectar el patrón de espaciado largo y calcular la longitud de la lámina (d). Cuanto mayor sea la distancia repetida d, menor será el ángulo de dispersión (1-15°, región de ángulo pequeño) ya que d es inversamente proporcional al pecado θ. La disposición subcelular de los lípidos se puede caracterizar como el patrón de espaciado corto en la región gran angular de la difracción de rayos X. Tanto los patrones de espaciado largo como corto de los lípidos (longitud de la lámina y disposición de las subcélulas) se pueden usar para indicar la transformación polimórfica monotrópica. Por ejemplo, la forma α (hexagonal) puede modificarse a β (triclínica) debido a un cambio en el ángulo de inclinación de las cadenas, con alteraciones en la longitud de la lámina (patrón de espaciado largo, en la región de ángulo pequeño, 1-15°) y en el modo de empaquetamiento de sección transversal (patrón de espaciado corto, en la región gran angular, 16-25°) (Figura 2).

La información obtenida de la región SAXS se puede utilizar para investigar el crecimiento del cristal midiendo su espesor (D) a través de la ecuación de Scherrer¹⁵:

D = Kλ/FWHMcosθ (Ecuación 2)

Donde, FWHM es el ancho en radianes del máximo de difracción medido a una altura media entre el fondo y el pico, generalmente conocido como ancho completo a medio máximo (FWHM); θ es el ángulo de difracción; λ es la longitud de onda de rayos X (1.542 Å) y K (constante de Scherrer) es un número adimensional que proporciona información sobre la forma del cristal (en caso de ausencia de información detallada de la forma K = 0.9 es una buena aproximación). Tenga en cuenta que la ecuación de Scherrer se puede utilizar para estimar tamaños medios de cristal de hasta aproximadamente 100 nm, ya que el ensanchamiento del pico es inversamente proporcional al tamaño del cristalito. Por lo tanto, su aplicación es útil para determinar el grosor de las nanoplaquetas e, indirectamente, el número de laminillas agregadas. Ejemplos del uso de este enfoque bien conocido para la detección de las propiedades cristalinas de los lípidos en el desarrollo de la formulación farmacéutica y la inestabilidad correspondiente en el rendimiento del producto se pueden encontrar en 5,12,16,17,18.

El monitoreo del estado sólido de los LBE dentro de cada etapa de desarrollo a través de técnicas analíticas bien establecidas proporciona una estrategia efectiva para diseñar procesos de fabricación de alto rendimiento y productos farmacéuticos estables a base de lípidos.

Esta publicación presenta la aplicación crítica de un análisis exhaustivo de estado sólido de las EBL para monitorear los cambios en el estado sólido y su correlación con la alteración en el perfil de liberación del ingrediente farmacéutico activo (API) de la forma farmacéutica de dosificación. Los sistemas multiparticulados basados en cristales API recubiertos de lípidos mediante recubrimiento termofusible y las suspensiones de nanolípidos producidas mediante homogeneización a alta presión se toman como casos de estudio. El enfoque de esta publicación es la aplicación de la difracción de rayos X en polvo y DSC como herramientas analíticas. Los dos primeros ejemplos muestran el efecto de la transformación polimórfica y el crecimiento de cristales, respectivamente, en la alteración en la liberación de API de muestras recubiertas. El último ejemplo revela la correlación entre el estado sólido estable de los lípidos y el rendimiento estable del producto farmacéutico en sistemas multipartículas recubiertos de lípidos y en suspensiones de nanolípidos.