Študij vpliva zgradbe in oblike kristalov na fizikalno-kemijske lastnosti zdravilnih učinkovinBukovec, Polona (Avtor) Vrečer, Franc (Mentor) farmacevtska tehnologijafarmacevtske oblikezdravilne učinkovinetopnoststabilnostfizikalno-kemijske lastnostikristalioblikakristalni habituskristalizacijasimvastatindisertacijePri večini predvsem novejših zdravilnih učinkovin se v fazi razvoja farmacevtskih oblik srečujemo s problemom slabe topnosti in hitrosti raztapljanja v biorelevantnih medijih predvsem kadar razvijamo formulacije, ki vsebujejo slabo topne zdravilne učinkovine, pri katerih je izrednega pomena dobro poznavanje in razumevanje njihove fizikalno-kemijske narave. Z namenom zagotavljanja ponovljive kakovosti, torej ustreznih fizikalno-kemijskih lastnosti zdravilne učinkovine, ki jih pogojuje končna farmacevtska oblika, je potrebno zdravilno učinkovino najprej dobro okarakterizirati in kasneje ustrezno specificirati njene ključne parametre. Večina zdravilnih učinkovin je prisotnih v obliki molekulskih kristalov. Urejenost molekul v kristalu in kristalni habitus pogojuje fizikalno-kemijske lastnosti zdravilne učinkovine in tako vpliva na učinkovitost končne zdravilne oblike predvsem v smislu hitrosti raztapljanja, stabilnosti in procesibilnosti. Ustrezno in vivo obnašanje končne farmacevtske oblike lahko dosežemo na več načinov. Poleg formulacijskih pristopov, povečevanja specifične površine oz. zmanjševanja velikosti delcev ali spreminjanja notranje strukture kristalov je eden izmed uporabnih pristopov tudi spreminjanje kristalnega habitusa, ki ga lahko dosežemo prek specifično vodene kristalizacije. Obstoj različnih kristalnih habitusov nam torej lahko omogoči, da lahko samo s spremembami delcev zdravilne učinkovine reguliramo hitrost raztapljanja le-te iz končne farmacevtske oblike brez prilagajanja sestave formulacije oz. prilagajanja drugih fizikalnih lastnosti, kot sta velikost delcev ali specifična površina. To je še posebej ugodno, kadar imamo določene fizikalne lastnosti zdravilne učinkovine oz. sestavo formulacije že definirano na takem nivoju, da spremembe niso več možne oz. niso zaželene. V delu so opisani koncept in teorija kristalnega inženiringa ter razprava o potencialnih metodah, prednostih in slabostih, ki jih prinaša preučevan način povečevanja hitrosti raztapljanja. Osredotočili smo se na vpliv pogojev kristalizacije na zunanjo obliko kristalov in dokazali, da lahko oblika signifikantno vpliva na hitrost raztapljanja in posledično predvidoma tudi na peroralno absorpcijo. V raziskovalnem delu smo na molekularnem nivoju razložili, zakaj oz. kako lahko z variacijo oblike kristalov (kristalnega habitusa) ob nespremenjeni kristalni obliki, ohranjeni velikosti delcev in vrednosti specifične površine reguliramo hitrost raztapljanja modelne zdravilne učinkovine. Raziskavo smo izvedli na primeru simvastatina, katerega topnost v vodi je zelo nizka (30 μg/mL). Pri simvastatinu je namreč hitrost raztapljanja ključen omejitveni faktor za dosego ustrezne biološke uporabnosti. Glede na to, da simvastatin nad temperaturo 0 °C ne izkazuje polimorfizma, je poleg amorfizacije, mikronizacije ali formulacijskih sprememb eden izmed možnih načinov povečanja njegove hitrosti raztapljanja tudi sprememba kristalnega habitusa kristalov. Da bi potrdili to hipotezo, smo z različnimi tehnikami prekristalizacije iz neobdelanega simvastatina pripravili manjše kristale, ki so se razlikovali v kristalnem habitusu, kar smo dosegli z uporabo topil z različno hidrofilnostjo oz. polarnostjo. Iz mešanice hidrofilnih topil so kristalizirali paličasti kristali, medtem ko so iz mešanice hidrofobnih topil kristalizirali ploščati kristali. Kristali so imeli enako notranjo strukturo in se niso bistveno razlikovali v velikost oz. specifični površini, izmerjeni na materialu »in-bulk«, a so se kljub temu raztapljali z različno hitrostjo. Da bi si lahko nastale razlike razložili na molekularnem nivoju, smo v drugem delu iz enakih kombinacij topil s prilagojenimi pogoji kristalizacije izolirali tudi večje kristale, ki so izkazovali enake razlike v kristalnem habitusu kot majhni kristali. Z namenom popolne izključitve vpliva velikosti oz. specifične površine na rezultate raztapljanja smo razlike v hitrosti raztapljanja spremljali s testom intrinzične hitrosti raztapljanja na izoliranih majhnih kristalih »in-bulk« ter spremljali hitrost raztapljanja velikih monokristalov s pomočjo mikroskopa na atomsko silo. Hitrost raztapljanja paličastih kristalov, izoliranih iz hidrofilne zmesi topil, je bila bistveno višja v primerjavi s ploščatimi kristali, izoliranimi iz hidrofobne zmesi topil. Na velikih monokristalih smo indeksirali posamezne kristalne ploskve, na katerih smo nato spremljali razlike v raztapljanju s pomočjo mikroskopa na atomsko silo, ki postaja pri razvoju končnih farmacevtskih oblik vse širše uporabljena tehnika za raziskavo lastnosti trdnih delcev zdravilnih učinkovin in pomožnih snovi na nanonivoju. To nam je omogočilo, da smo lahko primerjalno za vsako posamezno kristalno ploskev določili kinetiko raztapljanja. S pomočjo mikroskopa na atomsko silo smo določili tudi razlike v mehanskih lastnostih posameznih kristalnih ploskev, ki prav tako lahko vplivajo na hitrost sproščanja zdravilne učinkovine iz končne oblike, saj razlika v elastičnosti materiala lahko zelo vpliva na razpadnost končne farmacevtske oblike in posredno na hitrost raztapljanja zdravilne učinkovine iz nje. Hitrejše raztapljanje paličastih kristalov smo tako lahko povezali z večjo pojavnostjo hidrofilnih ploskev, torej ploskev, na katerih so prisotne bolj hidrofilne funkcionalne skupine simvastatinskih molekul. Te ploskve se bolj izrazijo med kristalizacijo iz hidrofilnega topilnega sistema, posledično kristali rastejo izraziteje tudi v tretjo dimenzijo (globino). V raziskavi smo eliminirali vse ostale fizikalne parametre, ki bi potencialno lahko imeli vpliv na hitrost raztapljanja, in povezali razlike v hitrosti raztapljanja izključno z razliko v obliki kristalov oz. kristalnem habitusu kot posledica različne hitrosti rasti posameznih kristalnih ploskev zaradi uporabe zmesi topil, ki sta se razlikovali v polarnosti oz. relativni hidrofilnosti. Ugotovili smo, da je sprememba kristalnega habitusa, ki jo lahko dosežemo z izborom ustreznih kristalizacijskih oz. prekristalizacijskih topil, ena izmed metod, s katero lahko učinkovito reguliramo hitrost raztapljanja slabo topnih zdravilnih učinkovin in vplivamo na mehanske lastnosti kristalov. Potrdili smo, da nam le celosten pristop k razvoju zdravilnih oblik od razvoja zdravilne učinkovine do njenega formuliranja v končno formulacijo omogoča razvoj kakovostne, učinkovite in varne farmacevtske oblike. [P. Bukovec]20152023-01-11 10:16:54Doktorska disertacija143751sl