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Probenvorbereitung in der Pharmaforschung

Polymorphien von Medikamentenkandidaten bestimmen

| Autor / Redakteur: Alison Wake* / Marc Platthaus

Abb.1: Mithilfe des Exalt-Systems können über gezielte Kristallisationen Polymorphismenuntersuchungen im Rahmen der Medikamentenentwicklung durchgeführt werden.
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Abb.1: Mithilfe des Exalt-Systems können über gezielte Kristallisationen Polymorphismenuntersuchungen im Rahmen der Medikamentenentwicklung durchgeführt werden. (Bild: Genevac, part of SP Scientifc)

Bei der Analyse von Wirkstoffkandidaten muss oftmals der Umweg über eine Kristallvariante des Moleküls gegangen werden. Die Herstellung solcher Kristalle ist zeitaufwändig und komplex. Mit einer neuen Technologie gelingt die Kristallisation schneller und kontrollierter.

Während der Medikamentenentwicklung wird bei der Identifikation eines neuen pharmazeutischen Wirkstoffs (API) häufig zunächst die amorphe Form der Verbindung hergestellt. Natürlich kristalline Verbindungen nehmen jedoch häufig verschiedene kristalline Formen oder Polymorphien an. Die abweichenden physikalischen Eigenschaften dieser Polymorphien können sowohl auf den Herstellungsprozess als auch die Wirksamkeit des Medikaments Einfluss nehmen, sodass eine ursprüngliche Untersuchung der amorphen Form zu Fehlschlüssen führen kann, da sich durch Kristallisation Eigenschaften wie Auflösungsgeschwindigkeit oder biologische Aktivität ändern können.

Somit ist die Polymorphieuntersuchung bei der Medikamentenentwicklung ein unvermeidbarer Schritt, in dessen Rahmen die unterschiedlichen Kristallstrukturen untersucht werden, die ein Wirkstoff annehmen kann. Die somit gewonnenen Daten werden zur Optimierung der physikalischen Eigenschaften der Wirkstoffverbindung genutzt, was Wirksamkeit sowie konsistente Rezeptur und Herstellung gewährleistet.

Im Rahmen dieser Studie bewerteten Arzneimittelchemiker eines japanischen Unternehmens aus dem Bereich Pharmazie das Genevac-System „Exalt“ für kontrollierte Kristallisation als Verfahren für Polymorphieuntersuchung im Rahmen der Medikamentenentwicklung. Zur Beurteilung des Verfahrens wurde eine gängige Verbindung, Piroxicam, gewählt, von der drei verschiedene Polymorphien [1] bekannt sind.

Methode

Bei Exalt handelt es sich um ein von Genevac zum Zweck der Verdunstungskristallisation entwickeltes System, das eine gleichzeitige Verdunstung von API-Lösungen in einer großen Auswahl Lösungsmittel ermöglicht, sodass zeitgleich langsam Kristalle entstehen. Das Exalt-System verfügt über einen speziellen Vialhalter, auf die verschiedene Umlenkbleche gesetzt werden können, die die Verdunstung flüchtiger Lösungsmittel verlangsamen (s. Abb. 1). Die Anzahl und Größe der gewählten Umlenkbleche sollte für die flüchtigsten Lösungsmittel so einschränkend wie möglich ausfallen, für weniger flüchtige Lösungsmittel hingegen weniger einschränkend. Anschließend wird der Halter in einem Genevac-Verdampfer der Serie HT platziert, der sich unter Atmosphäre und bei etwas geringerem Druck während des Verdunstungsprozesses dreht.

Piroxicam-Lösungen wurden mittels unterschiedlicher Lösungsmittel hergestellt (s. Tab. 1), das Mischverhältnis betrug 2 mg/ml.

3 ml jeder Lösung wurden in je ein Vial gegeben und mit einer Säule abgeschlossen, die wie von Genevac empfohlen mit Umlenkblechen ausgestattet war [2]. Aufgrund der geringeren Flüchtigkeit von sechs Lösungsmitteln war für diese keine Säule erforderlich. Zudem wurde das ursprüngliche Volumen von drei der Lösungsmittel reduziert, um eine vollständige Verdunstung bei Zyklusende zu gewährleisten (die Konzentration dieser Lösungen wurde auf 6 mg pro Vial angehoben). Die bestückten Halter wurden anschließend im Genevac-Verdunster HT-4X platziert und das Exalt-Programm für eine Dauer von 72 Stunden ausgeführt.

Ergebnisse

In Tabelle 1 sind die 20 untersuchten Lösungen sowie Säulenkonfiguration und physikalisches Erscheinungsbild nach 72-stündiger Verdunstung aufgeführt.

Tabelle 1: Untersuchte Lösungen, Exalt-Konfiguration und physikalisches Erscheinungsbild nach 72-stündiger Verdunstung
Tabelle 1: Untersuchte Lösungen, Exalt-Konfiguration und physikalisches Erscheinungsbild nach 72-stündiger Verdunstung (Bild: Genevac, part of SP Scientifc)

Aus sieben Vials verdunstete die Flüssigkeit nicht vollständig, sie mussten einer weiteren Verdunstung in der HT-4X-Einheit unterzogen werden. 19 der 20 Lösungen enthielten nach vollständiger Verdunstung einen kristallinen Feststoff, der sich für eine Röntgendiffraktions-Analyse eignete. Die Ergebnisse (s. Abb. 2) zeigen, dass mittels des Exalt-Untersuchungsverfahrens Polymorphien des Typs I, II und III ermittelt werden konnten (s. Tab. 2). Bei drei Lösungen waren die Ergebnisse nicht eindeutig. Zwar wird angenommen, dass es sich hierbei um Solvate handelte, es sind jedoch weitere Untersuchungen erforderlich.

Tabelle 2: Kristallpolymorphien, bestimmt anhand von Röntgendiffraktometrie
Tabelle 2: Kristallpolymorphien, bestimmt anhand von Röntgendiffraktometrie (Bild: Genevac, part of SP Scientifc)

Diskussion

Die kontrollierte Kristallisation mit dem Exalt-System ermöglicht die schnelle und einfache Untersuchung eines API bei minimaler Verbindungsmenge (6 mg pro
Vial). Anhand von 20 Lösungsmitteln wurde der Wirkstoff Piroxicam untersucht, es konnten mittels lediglich 150 mg der Verbindung drei Polymorphien identifiziert werden. Zudem handelt es sich um ein zerstörungsfreies Verfahren, sodass die Verbindung im Falle einer fehlgeschlagenen Kristallisation erneut gelöst werden kann. Neue, durch Umkehrphasen-Chromatographie gereinigte und durch Zentrifugalverdampfung getrocknete Verbindungen sind häufig amorph. Bei einer Kristallisation ändern sich Eigenschaften wie Auflösungsgeschwindigkeit und biologische Aktivität, sodass vor der weiteren Verarbeitung der Verbindung Polymorphien bestimmt werden sollten. In der Praxis wird die Erstuntersuchung jedoch häufig an amorphen Verbindungen durchgeführt. Irrtümlich aus diesen amorphen Verbindungen abgeleitete Eigenschaften können dazu führen, dass API grundlos abgelehnt werden oder eine Weiterentwicklung erfolgt, bei der sich die kristalline Form unter Umständen als instabil erweist. Die Möglichkeit, Kristalle in den Anfangsstadien der Medikamentenentwicklung bei minimalem Produkteinsatz herzustellen, ermöglicht die Identifikation von Polymorphien die zuverlässigere Bestimmung möglicher Wirkstoffkandidaten sowie die Gewinnung von Kristall- und Lösungsmitteldaten für weitere Entwicklungen.

Literatur

[1] Vrecer F, Vrbinc M, Moden A (2003). Characterization of Piroxicam Crystal Modifications. International Journal of Pharmaceutics, Ausgabe 256(1–2), 3–15.

[2] Darrington R (2014). New technology for pharma small-molecule crystallisation. Lab Product News, http://www.labcanada.com/features/pharmaceutical-small-molecule-crystallization/.

* *A. Wake: Genevac, part of SP Scientific, IP1 5AP Ipswich/Großbritannien

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