Wpływ wody na stabilność systemów ko-amorficznych w farmacji

Jakie wyzwania wiążą się ze stabilizacją systemów ko-amorficznych?

Stabilność ko-amorficznych systemów lekowych przy hydratacji stanowi istotny element w formułowaniu preparatów o trudno rozpuszczalnych substancjach czynnych. Naukowcy coraz częściej wykorzystują formy amorficzne aktywnych substancji farmaceutycznych (API) zamiast ich krystalicznych odpowiedników, ze względu na zwiększoną szybkość rozpuszczania i poprawę rozpuszczalności amorficznej postaci. Jednak brak sieci krystalicznej sprawia, że amorficzne leki są wewnętrznie niestabilne, co prowadzi do krystalizacji. Systemy ko-amorficzne zostały opracowane jako strategia formulacyjna stabilizująca amorficzne API przed krystalizacją poprzez zastosowanie współformularza o niskiej masie cząsteczkowej.

Badacze z University of Copenhagen przeanalizowali wpływ wody na stabilność ko-amorficznego systemu flurbiprofen-lidokaina (FLB-LID) przy ułamku molowym lidokainy wynoszącym 0,8. Krystalizacja amorficznych leków jest regulowana przez nukleację i wzrost kryształów, na które wpływają zarówno czynniki kinetyczne (mobilność molekularna), jak i termodynamiczne (entalpia, entropia i energia swobodna Gibbsa). Globalna mobilność molekularna, zwykle określana jako relaksacja α, wynikająca z długozasięgowych ruchów kooperatywnych cząsteczek, jest odpowiedzialna za przejście szkliste. Powszechnie przyjmuje się, że zwiększona globalna mobilność molekularna może kinetycznie promować proces krystalizacji amorficznych leków. Dodatkowo, relaksacja Johariego-Goldsteina (β) wykazuje silną korelację z niestabilnością fizyczną amorficznych leków.

Czy woda działa jako plastyfikator czy anty-plastyfikator?

Woda, zazwyczaj działająca jako plastyfikator w amorficznych farmaceutykach, może również wykazywać efekt anty-plastyfikujący na niektóre leki i polimery, w tym lidokainę (LID) i prilokainę (PRL). Mechanizm anty-plastyfikującego efektu wody jest nadal badany w oparciu o właściwości strukturalne materiałów amorficznych. Temperatura przejścia szklistego (T_g) hydratowanej lidokainy liniowo wzrasta przy hydratacji do stosunku molowego woda-lek X_H2O ≤ 50%, a T_g hydratowanej lidokainy pozostaje stała przy X_H2O > 50%. Efekt anty-plastyfikujący wody związany jest ze specyficznym wzorem wiązania wodorowego między wodą a grupami karbonylowymi PRL i LID.

W omawianym badaniu analizowano efekt hydratacji na stabilność ko-amorficznego systemu FLB-LID przy trzech poziomach X_H2O = 0%, 10% i 50%. FLB został użyty jako modelowy lek ze względu na jego zdolność do współformułowania z LID. Ponieważ różnica ΔpKa między FLB (pKa = 4,42) a LID (pKa = 7,91) przekracza trzy, możliwy jest transfer protonu (tj. oddziaływania jonowe). Jednak badania wykazały, że oddziaływania molekularne między FLB a LID były głównie regulowane przez wiązania wodorowe (>99%) przy ułamku molowym LID wynoszącym 0,5, ułatwiane przez trzeciorzędową grupę aminową LID. Ponadto, ze względu na szybką krystalizację LID, możliwe było uzyskanie anhydrycznych ko-amorficznych systemów FLB-LID z ułamkami molowymi LID wynoszącymi 0,8 i poniżej.

Jakie metody badawcze stosujemy w analizie FLB-LID?

Preparaty przygotowano poprzez stopienie krystalicznych mieszanin FLB i LID, a następnie szybkie schłodzenie. Dla hydratowanych próbek ko-amorficznych FLB-LID, kropla wody została dodana do anhydrycznych krystalicznych mieszanin FLB i LID, a następnie monitorowano odparowanie wody na mikrowadze, aż do osiągnięcia pożądanej całkowitej masy. Właściwości w stanie stałym potwierdzono za pomocą dyfrakcji rentgenowskiej proszku (XRPD). Badania XRPD potwierdziły, że anhydryczne ko-amorficzne FLB-LID z ułamkami molowymi LID od 0,2 do 0,8 mogą być amorficzne w temperaturze pokojowej.

Zachowanie termiczne próbek ko-amorficznych mierzono za pomocą różnicowej kalorymetrii skaningowej (DSC). Temperatura przejścia szklistego (T_g) anhydrycznego ko-amorficznego systemu FLB-LID wynosiła 228,6 ± 0,2 K, natomiast T_g hydratowanych systemów przy X_H2O = 10% i X_H2O = 50% wynosiły odpowiednio 227,8 ± 0,2 K i 227,1 ± 1,0 K. Te minimalne zmiany T_g sugerują, że woda działa jednocześnie jako plastyfikator dla FLB i anty-plastyfikator dla LID. Teoretyczne T_g hydratowanego ko-amorficznego systemu FLB-LID, obliczone za pomocą rozszerzonej wersji równania Foxa, wykazywały lepsze dopasowanie, gdy woda była traktowana jako plastyfikator dla FLB i anty-plastyfikator dla LID, w porównaniu do podejścia, w którym woda była traktowana wyłącznie jako plastyfikator.

Zachowanie krystalizacyjne anhydrycznych i hydratowanych systemów ko-amorficznych FLB-LID badano podczas izotermicznego wytrzymania w trzech określonych temperaturach (245 K, 249 K i 251 K). Ten zakres temperatur powyżej T_g został wybrany, ponieważ ko-amorficzny system FLB-LID wykazywał stosunkowo wysoką tendencję do krystalizacji w porównaniu do zachowania poniżej T_g. Badania XRPD po częściowej krystalizacji wykazały refleksy odpowiadające LID, wskazując, że składnik krystalizujący podczas izotermicznej krystalizacji składał się głównie z krystalicznej lidokainy.

Frakcje krystalizacji obliczono na podstawie pomiarów izotermicznej modulowanej różnicowej kalorymetrii skaningowej (iMDSC). Ta metoda okazała się korzystna w monitorowaniu procesu krystalizacji w porównaniu do konwencjonalnych pomiarów DSC. W pomiarach iMDSC, materiały amorficzne są utrzymywane w określonych temperaturach z modulacją temperatury przez dłuższy czas, co pozwala na pomiar zmian pojemności cieplnej podczas izotermicznej krystalizacji jako funkcji czasu. Średnie frakcje krystalizacji wynosiły 66,0 ± 2,5% dla X_H2O = 0%, 60,9 ± 1,2% dla X_H2O = 10% i 32,6 ± 5,1% dla X_H2O = 50%. Czas pełnej krystalizacji systemów zmniejszał się wraz ze wzrostem temperatury, ale przy stałej temperaturze czas ten wydłużał się przy hydratacji.

Do dopasowania frakcji krystalizacji zastosowano model Johnsona-Mehla-Avramiego (JMA), który jest szeroko stosowany do opisywania kinetyki krystalizacji, skupiając się na połączonym efekcie nukleacji i wzrostu kryształów. Wykładnik Avramiego (n) systemów podczas izotermicznej krystalizacji mieścił się w zakresie od 1,5 do 2,5, wskazując na małe wymiary nukleacji. W porównaniu z anhydrycznym systemem ko-amorficznym FLB-LID, wartości szybkości krystalizacji (k) zmniejszały się przy hydratacji, co wskazuje, że woda zmniejszała szybkość nukleacji i wzrostu kryształów podczas izotermicznej krystalizacji.

Pomiary dielektryczne anhydrycznych i hydratowanych próbek ko-amorficznych FLB-LID przeprowadzono za pomocą spektrometru dielektrycznego Alpha w zakresie częstotliwości od 10⁻¹ do 10⁶ Hz. Widma strat dielektrycznych rejestrowano od 178 K do 250 K. Czasy relaksacji α (τ_α) anhydrycznych i hydratowanych systemów ko-amorficznych określono za pomocą funkcji Havriliak-Negami. Ewolucja temperaturowa czasów relaksacji α (τ_α(T)) anhydrycznych i hydratowanych systemów ko-amorficznych FLB-LID została dopasowana za pomocą równania Vogel-Fulcher-Tammann (VFT). T_g określono w punkcie, w którym τ_α osiągnęło 100 s. T_g anhydrycznych i hydratowanych systemów ko-amorficznych FLB-LID wynosiły 226,4 K dla X_H2O = 0%, 226,5 K dla X_H2O = 10% i 227,3 K dla X_H2O = 50%, co było zgodne z T_g uzyskanymi z pomiarów DSC.

Badania wykazały, że mobilność molekularna anhydrycznych i hydratowanych systemów ko-amorficznych FLB-LID była podobna w stałych temperaturach, co sugeruje, że sama mobilność nie może wyjaśnić izotermicznego zachowania krystalizacyjnego systemu ko-amorficznego FLB-LID podczas hydratacji. Forma wody obecna w hydratowanym ko-amorficznym systemie FLB-LID została przypisana do wody niezmarzającej, która ściśle oddziałuje z systemem ko-amorficznym, wpływając na proces krystalizacji zarówno FLB, jak i LID w systemie.

Jak termodynamika konfiguracyjna wpływa na krystalizację?

Analiza termodynamiki konfiguracyjnej wykazała, że zmniejszona tendencja do krystalizacji hydratowanego ko-amorficznego systemu FLB-LID może być związana z większymi barierami entropowymi (ΔS) i termodynamicznymi barierami aktywacji ((TΔS)³/ΔG²) przy hydratacji. Różnica energii swobodnej Gibbsa (ΔG) między fazami amorficzną a krystaliczną jest termodynamiczną siłą napędową krystalizacji. Jednak w przypadku ponad dziesięciu związków amorficznych, większa różnica entropii (ΔS) między fazami amorficzną a krystaliczną wskazywała na zwiększoną stabilność, niezależnie od zaangażowanej siły termodynamicznej.

Wartości ΔG anhydrycznych i hydratowanych systemów ko-amorficznych FLB-LID zmniejszały się wraz ze wzrostem temperatury, zbliżając się do zera w punkcie topnienia. W całym zakresie temperatur, wartości ΔG anhydrycznych i hydratowanych systemów ko-amorficznych FLB-LID były uszeregowane jako X_H2O = 50% > X_H2O = 0% > X_H2O = 10%. Wyższa wartość ΔG wskazuje, że hydratowany ko-amorficzny system FLB-LID z X_H2O = 50% wykazywał wyższą termodynamiczną siłę napędową w kierunku krystalizacji w porównaniu z innymi systemami. To odkrycie jest sprzeczne ze zmniejszoną tendencją do krystalizacji ko-amorficznego systemu FLB-LID przy hydratacji, wskazując, że ich tendencje krystalizacyjne nie mogą być wyjaśnione wyłącznie przez wartość ΔG.

Stwierdzono, że w większości zakresu temperatur, wartości ΔS i (TΔS)³/ΔG² anhydrycznych i hydratowanych systemów ko-amorficznych FLB-LID mogły być uszeregowane jako X_H2O = 50% > X_H2O = 10% ≈ X_H2O = 0%, co było zgodne z rzeczywistymi tendencjami krystalizacyjnymi tych systemów. Ogólnie, analiza termodynamiki konfiguracyjnej wskazała, że zmniejszona tendencja do krystalizacji hydratowanego ko-amorficznego systemu FLB-LID może być związana z większymi barierami entropowymi i termodynamicznymi barierami aktywacji krystalizacji.

Jakie znaczenie mają wyniki badań dla terapii farmakologicznej?

Podsumowując, w ko-amorficznym systemie FLB-LID, woda działała jako plastyfikator dla FLB, jednocześnie wykazując efekt anty-plastyfikujący na LID. Tendencja do krystalizacji systemu ko-amorficznego FLB-LID zmniejszała się przy dodawaniu wody. Mobilność molekularna nie była dominującym czynnikiem stabilizującym system ko-amorficzny FLB-LID przy hydratacji. Z pomiarów termodynamicznych wykazano, że hydratowany system ko-amorficzny FLB-LID wykazywał wyższe wartości ΔS i (TΔS)³/ΔG² w porównaniu z systemem anhydrycznym. Dlatego zmniejszenie tendencji do krystalizacji systemu ko-amorficznego FLB-LID przy hydratacji było związane z wyższymi barierami entropowymi i termodynamicznymi barierami aktywacji krystalizacji.

Wyniki te mają istotne znaczenie dla opracowywania stabilnych formulacji leków o słabej rozpuszczalności w wodzie, co może prowadzić do skuteczniejszych terapii farmakologicznych poprzez poprawę biodostępności i kontrolę uwalniania substancji czynnych. Zrozumienie mechanizmów stabilizacji amorficznych form leków może pomóc w projektowaniu bardziej efektywnych preparatów farmaceutycznych, zwłaszcza dla trudno rozpuszczalnych substancji leczniczych. Badania te otwierają nowe możliwości wykorzystania lidokainy jako współformularza w preparatach zawierających flurbiprofen, co może znacząco wpłynąć na ich trwałość i efektywność terapeutyczną.

Podsumowanie

Badania koncentrowały się na analizie wpływu wody na stabilność ko-amorficznego systemu flurbiprofen-lidokaina (FLB-LID). Kluczowe ustalenia obejmują:

– Woda działa jednocześnie jako plastyfikator dla flurbiprofenu i anty-plastyfikator dla lidokainy
– Hydratacja zmniejsza tendencję do krystalizacji systemu ko-amorficznego
– Mobilność molekularna nie jest głównym czynnikiem stabilizującym przy hydratacji
– Wyższe bariery entropowe i termodynamiczne bariery aktywacji przy hydratacji przyczyniają się do zwiększonej stabilności
– System wykazuje różne frakcje krystalizacji: 66% dla X₂O=0%, 60,9% dla X₂O=10% i 32,6% dla X₂O=50%

Wyniki mają istotne znaczenie dla rozwoju stabilnych formulacji leków o słabej rozpuszczalności w wodzie, co może przyczynić się do poprawy ich biodostępności i skuteczności terapeutycznej.

Bibliografia

Xu Xiaoyue, Grohganz Holger, Knapik-Kowalczuk Justyna, Paluch Marian and Rades Thomas. Mechanistic Investigation into Crystallization of Hydrated Co-Amorphous Systems of Flurbiprofen and Lidocaine. Pharmaceutics 2025, 17(2), 1-12. DOI: https://doi.org/10.3390/pharmaceutics17020175.