Рентгеновская дифрактометрия в фармацевтическом анализе: практика применения настольных дифрактометров "Дифрей"

Многочисленные научные и отраслевые публикации последнего времени [1–5] свидетельствуют о неуклонно растущем интересе мирового фармацевтического сообщества к рентгеновской дифрактометрии как мощному инструменту для фармацевтического анализа.

Метод XRD-анализа включен в ведущие мировые фармакопеи: американскую (USP 39, раздел 941), европейскую (Eur. Ph. 8, раздел 2.9.33), японскую (JP XVII, раздел 2.58) и российскую (ГФ XIII, ОФС.1.2.1.10011.15).

Рентгенодифракционный метод применяется на различных этапах производственного контроля фармпрепаратов: от входного контроля сырья до контроля готовой продукции, включая межоперационный (внутрипроизводственный) контроль. Это мониторинг механической и химической активации твердых веществ, мониторинг образования механокомпозитов с измененной реакционной способностью, твердофазных реакций, полиморфизма, изменения биологической активности веществ и лекарственных средств и т. д. Кроме того метод XRD-анализа применяют для определения подлинности фармацевтических субстанций лекарственных препаратов, полученных в виде кристаллических порошков [1–6].

В данной работе эти положения проиллюстрированы экспериментальными данными, полученными при помощи настольного дифрактометра "Дифрей" (производства АО "Научные приборы", Санкт-Петербург), в том числе совместно с ОАО "Мосхимфармпрепараты" им. Н.А. Семашко".

ДИФРАКТОМЕТРЫ СЕРИИ " ДИФРЕЙ "

Отличительной особенностью приборов серии "Дифрей" является использование изогнутого газонаполненного координатно-чувствительного детектора с большим углом одновременной регистрации рентгеновского излучения (43 град.) в сочетании с источником рентгеновского излучения малой мощности [7–9]. Применение такого детектора позволяет получить дифракционную картину в интервале углов 43 град. без сканирования, что резко сокращает время анализа по сравнению с традиционными дифрактометрами в 2–10 раз. В качестве источника рентгеновского излучения служит острофокусная рентгеновская трубка мощностью 200 Вт, обеспечивающая оптимальную плотность рентгеновского излучения на анализируемом объекте, что очень важно, особенно учитывая небольшие размеры таблеток. Автоматический загрузчик пробы и специализированное программное обеспечение позволяют автоматизировать процесс измерений. Прибор имеет настольное исполнение, радиационно безопасен, что позволяет его использовать в любых лабораторных помещениях [7–9].

Следует отметить, что метод рентгенодифракционного анализа, реализуемый при помощи дифрактометров "Дифрей", хорошо соответствует ключевым требованиям, предъявляемым к методам исследования (измерения), применяемым в производственном контроле:

– обеспечивает высокую надежность, достоверность, точность и воспроизводимость данных;

– обеспечивает экспрессность анализа (измерения проводятся оперативно и существенно не влияют на скорость всего технологического процесса);

– имеет технически несложное аппаратурное оформление, гарантирующее максимальную простоту эксплуатации; не требует специальной подготовки и аттестации аналитического персонала, ответственного за контроль;

– имеет низкую себестоимость процедуры анализа.

ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МЕТОДА XRD-АНАЛИЗА В ФАРМАЦЕВТИЧЕСКОЙ ОТРАСЛИ

Контроль качества

В USP 39 описано применение метода XRD-анализа для контроля качества субстанций амифо-стина, ритонавира, цефамексина и некоторых других; в Eur. Ph. 8 — для субстанции пантопразола [5]. В настоящее время наиболее активно развивается методическая база для использования XRD- анализа при контроле качества вспомогательного сырья для производства твердых лекарственных форм, таких, например, как тальк, сахарин, аэросил, стеарат магния, углеводы и т. д. На рис. 1 приведен пример дифрактограмм готового лекарственного продукта (ампицилина) и его двух составляющих — талька и стеарата кальция, полученных на дифрактометре серии "Дифрей". Рис. 1 иллюстрирует возможность идентификации всех кристаллических фаз образца методом "отпечатка" (сравнение с референтным образцом или с эталоном из базы дифракционных данных ICSD PDF2).

Помимо фазового анализа кристаллических материалов рентгенодифракционный анализ широко применяется для анализа аморфных веществ (рис. 2). Так, поливинилпирролидон (ПВП) (приводится в USP (The United State Pharmacopoeia) и BP (British Pharmacopoeia)) — связующее вспомогательное вещество, улучшающее растворение и биодоступность лекарственных веществ (антибиотиков, анальгетиков, химиотерапевтических средств) за счет образования водорастворимых комплексов [6], является рентгеноаморфным.

Рис. 1. Вспомогательные вещества — тальк и стеарат кальция, входящие в состав ампицилина.

Обозначена штрих-диаграмма талька из базы дифракционных данных (PDF2)

Рис. 2. Дифрактограммы поливинилпирролидона (ПВП) и схема разделения в пространстве главных компонент (врезка) образцов двух производителей: ООО "АК Синтвита" (кружки) и Вируд ГмбХ — Германия (квадраты)

Дифракционные спектры поливинилпирроли-дона двух производителей идентичны и представляют собой гало без четко выраженных максимумов, разделить которые по происхождению можно только методами статистического анализа в пространстве главных компонент (рис. 2) [10].

Данный подход может быть использован не просто для контроля подлинности компонента лекарственного средства, но и для контроля его происхождения с точки зрения конкретного производителя и/или технологии производства, что отвечает современным международным требованиям GMP.

Контроль качества готовой фармацевтической продукции, во многих случаях, осуществляется не только самими производителями, но и различными сторонними организациями в рамках обязательных мероприятий по выборочному контролю, государственной фармацевтической экспертизе, судебной экспертизе, сертификации, работе с рекламациями, надзору за соблюдением лицензионных требований, выявлению фальсификата лекарственных средств.

Методы исследования твердых лекарственных средств, основанные на XRD-анализе с использованием дифрактометров "Дифрей" и последующей статистической (хемометрической) обработкой спектральных данных являются мощными инструментами для решения и этих задач.

В данном контексте нельзя не упомянуть о некоторой аналогии между дифрактометрическим и спектральным в ближней ИК области (так называемая БИК-спектроскопия) методами исследования фармацевтических препаратов. Оба метода, несмотря на принципиальные фундаментальные различия, имеют много общего. Методы обладают высокой специфичностью, позволяющей определить подлинность лекарственных средств, возможностью использования для контроля качества лекарственных средств, в том числе без нарушения целостности упаковки. Они позволяют выявить тонкие структурные различия между кристаллическими веществами и на основании этого сделать надежные выводы о качестве препаратов, их серийной принадлежности и происхождению, соответствием партий готовой продукции партиям сырья и т. д.

Технологический контроль

Технологический (внутрипроизводственный, межоперационный) контроль — не менее важный элемент фармацевтического производства, позволяющий вести комплексный мониторинг получения лекарственного средства, принимать

Рис. 3. Дифрактограммы четырех образцов таблеток анальгина разных производителей и штрих-диаграмма анальгина из БДД.

На врезке — графическое разделение образцов анальгина в пространстве главных компонент; цифрами обозначены зоны, относящиеся к разным условиям получения: 1 — три разных производителя; 2, 3, 4 — один производитель, 2 — сырьевая смесь, 3 — гранулят высокой влажности, 4 — гранулят после сушки

Рис. 4. Дифрактограмма образца фурасемида.

На врезке — графическое разделение образцов фурасемида в пространстве главных компонент; цифрами обозначены зоны, относящиеся к разным условиям сушки: 1 — таблетированные формы; 2, 3, 4 — гранулят; 2 — сразу после сушки; 3 — через 12 ч; 4 — через 3 ч

оперативные решения о продолжении (прекращении, корректировке) производственного процесса, контролировать технологическую дисциплину персонала, своевременно диагностировать неисправности и сбои в работе оборудования и инженерных систем. Удовлетворительные данные производственного контроля являются объективными свидетельствами надлежащего обеспечения качества препарата на стадии его производства.

Так, например, определение доминирующей полиморфной модификации активного компонента, контроль полноты смешения и эффективности грануляции таблет-массы и многие другие показатели вполне могут быть задачами производственного контроля, успешно решаемыми методом XRD-анализа.

На рис. 3 и 4 приведены примеры разделения внешне одинаковых спектров с помощью хемометрической обработки спектральных данных. Показано, что в пространстве главных компонент легко можно выделить характерные зоны, относящиеся к той или иной технологической операции, не прибегая к сложному структурному анализу анализируемых образцов.

Кроме того, метод XRD-анализа является надежным инструментом и для выявления фактов нарушения технологической дисциплины и дальнейшей мотивации сотрудников к недопущению этих нарушений. Дело в том, что структура твердого вещества существенно зависит от условий его получения. Данная зависимость зачастую может быть очень тонкой и не выявляться стандартными методами, тогда как хемометрические методы обработки спектральных данных в XRD-анализе способны обеспечить выявление наиболее значимых технологических отклонений.

Нами получены дифрактограммы таблеток анальгина, изготовленные из одного сырья, но на разных прессах (рис. 5). Дифрактограммы таблеток однозначно разделяются в пространстве главных компонент, т. е. влияние прессового оборудования (ПРТ и Fette) на тонкую структуру кристаллитов очевидно.

Фармацевтическая разработка

В свете основных положений ICH Q8 под фармацевтической разработкой, как правило, понимается любая деятельность фармпроизводителя, ориентированная:

– на разработку и постановку на производство новой продукции (в т. ч. новых лекарственных форм и их составов);

– на разработку, оптимизацию и валидацию технологий производства лекарственных средств;

– на модернизацию производства путем внедрения в технологический процесс новых единиц производственного оборудования;

– на разработку, освоение и валидацию новых методов и методик контроля качества и производственного контроля;

– на проведение доклинических, клинических, токсикологических исследований лекарственных средств, изучение биодоступности и биоэквивалентности препаратов;

– на научно-исследовательские работы по исследованию физических, химических, физикохимических, биологических и иных свойств лекарственных средств, исследование стабильности;

– на пострегистрационные исследования.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На этапе научно-исследовательских и опытнопромышленных работ, а также подбора производственного оборудования формируются ключевые особенности технологии будущего серийного производства, а также природы и свойств получаемого продукта.

Рис. 5. Дифрактограммы образцов таблеток анальгина, полученных на разных прессах (Fette и ПРТ).

На врезке — графическое разделение восьми образцов таблеток в пространстве главных компонент

Тщательное изучение тонкой структуры твердых тел (активных фармацевтических субстанций, вспомогательных веществ, порошков, таблеток, технологических сред и т. д.) в тех случаях, когда она может влиять на свойства продукции, несомненно, должно предполагать использование такого инструмента, как рентгенодифракционный анализ. Многочисленные научные данные об исследовании лекарственных препаратов методом XRD-анализа однозначно свидетельствуют о масштабности данной задачи.

Одной из важнейших, но не всегда очевидных, задач фармацевтической разработки может являться также обеспечение патентной чистоты лекарственного средства. Известно, что многие химические вещества могут находиться в разных полиморфных формах, зависящих от условий их получения и обладающих разными физикохимическими и биологическими свойствами. Терапевтический эффект каждой полиморфной формы конкретного препарата при этом также оказывается различным. Данный нюанс зачастую используется разработчиками для защиты интеллектуальной собственности при патентовании инновационных лекарственных средств и технологий их производства, а также накладывает жесткие правовые обязательства на конкретных производителей для последующего внедрения и реализации разработок.

Не менее интересным является также устойчивый спрос на разработку инновационных лекарственных средств (в первую очередь фармацевтических субстанций) с заданными параметрами размерности твердых частиц. С каждым годом в фарминдустрии растет число примеров, когда биологическая активность и терапевтические свойства препаратов оказываются в существенной зависимости от степени кристалличности и величины измельчения активных веществ. Данная тенденция успешно объясняется механизмом их селективного связывания с таргет-рецепторами в организмах пациентов. Данный механизм обеспечивает высокую терапевтическую активность препарата, а также возможность снижения его дозировки и, как следствие, уменьшение токсического воздействия на организм и случаев побочного действия. В то же время, ориентация фармразработки на данную группу препаратов накладывает серьезные требования на методы контроля степени кристалличности активных веществ на всех этапах их производства (включая входной контроль сырья, внутрипроизводственный контроль и контроль качества готовой продукции).

Роль метода рентгеновской дифрактометрии в контексте решения данных задач трудно переоценить. Из всего доступного фармацевтам арсенала физико-химических и физических методов анализа и исследования XRD-анализ является, пожалуй, единственным высоконадежным методом, позволяющим исследовать тонкую кристаллическую структуру твердой субстанции и оценить долю нужной полиморфной формы.

Данный тезис подтверждается тем обстоятельством, что метод рентгенодифракционного анализа недавно нашел свое отражение и в Государственной фармакопее РФ, введенной в действие в 2015 г. В ГФ XIII присутствует общая фармакопейная статья ОФС.1.2.1.1.0011.15 (введена впервые), посвященная методу XRD-анализа [4], а также фармакопейные статьи ОФС.1.1.0017.15 "Полиморфизм" [11] и ОФС.1.1.0018.15 "Кристалличность" [12], содержащие упоминание XRD-анализа как одного из ключевых методов контроля соответствующих параметров качества лекарственных средств. Также в ГФ XIII нормируется применение рентгеновской дифракции как метода контроля содержания асбеста в тальке (ФС.2.2.0017.15) [13].

Стремление к конкурентоспособности как на отечественном, так и на мировом фармацевтических рынках в условиях членства России в ВТО, а также устойчивый тренд по международной гармонизации регуляторных фармацевтических требований и подходов, очевидно, приведут российских фармпроизводителей к пониманию необходимости соответствовать передовым трендам в области контроля и обеспечения качества лекарственных средств, в том числе в части внедрения и повсеместного применения метода XRD-анализа.