Strategije za ublažavanje umrežavanja želatine u oralnoj isporuci krutih lijekova

Oralni čvrsti sustav za dostavu lijeka je istaknuti način primjene lijeka. Prepoznat je kao neinvazivan, sukladan pacijentu i praktičan; uporno udovoljavajući višestrukim zahtjevima tržišta putem svojih pionirskih metodologija.

Unatoč pojavi najsuvremenijih tehnika kao što su biološki lijekovi, molekularna isporuka i parenteralna primjena, prevalencija čvrstih sustava za isporuku i dalje prolazi kroz stalne inovacije. Od tradicionalnih pilula i kapsula do novih varijacija, kao što su gumene gume, mekane žvakaće bombone, granule, pastile i pastile, mehanizam za oralnu primjenu je revolucionirao farmaceutske formulacije, privlačeći pozornost i zdravstvenih radnika i potrošača. Njegova prilagodljivost, pristupačnost i učinkovitost izbacile su ga u prvi plan, nadmašujući čak i ustaljene parenteralne i intravenske puteve.

Bez obzira na vrstu proizvoda, temeljni cilj obrade oralnih krutih oblika doziranja (OSD) ostaje nepokolebljiv: stvoriti formulacije koje jamče dosljedno doziranje, pouzdanu distribuciju sastojaka te ravnomjerno otapanje i bioraspoloživost. Međutim, postizanje ovog cilja ovisi o korištenim oblicima doziranja, aktivnim tvarima i pomoćnim tvarima.

Želatina često služi kao ključna pomoćna tvar u OSD formulacijama. Bilo da inkapsulira aktivne sastojke unutar tvrdih ili mekih omotača ili služi kao sredstvo za oblaganje tableta ili sredstvo za želiranje u bilo kojim drugim formulacijama, želatina se pojavljuje kao temeljni sastojak u raznim formatima oralne primjene. Njegova svestranost nalazi primjenu u širokom rasponu formata doziranja.

Međutim, unatoč njegovoj širokoj upotrebi, proizvođači OSD-a bore se s upornim izazovom: umrežavanje želatine unutar formulacija, koje je prvobitno primijećeno 1974. za tvrde kapsule koje sadrže kloramfenikol. Ovaj fenomen predstavlja prijetnju otapanju farmaceutskih proizvoda, naglašavajući potrebu za strategijama za ublažavanje takvih prepreka. Dok se snalazimo u složenosti formulacija lijekova, rješavanje pitanja kao što je umrežavanje želatine postaje najvažnije u unapređenju učinkovitosti i pouzdanosti sustava za oralnu primjenu lijekova.

UMRIŽENO POVEZIVANJE U ŽELATINI

Nakon gutanja želatinskih kapsula ili želatino obloženih tableta, primarni cilj formulacije je otpuštanje unutarnjeg sadržaja u biološki medij. Međutim, često se primjećuje da formulacije na bazi želatine imaju tendenciju neuspješnog otapanja tijekom starenja, što se prvenstveno pripisuje umrežavanju u proizvodima koji sadrže želatinu pod stresom. Uzrokuje stvaranje natečene, tanke, žilave, gumene membrane netopljive u vodi, poznate kao pelikula 

(Slika 1).   

To može djelovati kao prepreka otpuštanju lijeka iz formulacije, što rezultira sporijim otpuštanjem punjene formulacije, što posljedično dovodi do smanjenja vrijednosti otapanja ili do potpunog izostanka otpuštanja u vitro studije. Stupanj umreženosti može varirati unutar i između kapsula, što otežava predviđanje opsega problema. Jednom kada se formiraju, te su pelikule nepovratne, čineći želatinu netopljivom. Kao posljedica toga, rezultati otapanja će imati veću varijabilnost kada su želatinske kapsule/obložene tablete umrežene. Ovaj fenomen – tijekom ranih faza ubacivanja lijekova na tržište – često rezultira neispunjavanjem regulatornih smjernica za vitro studije, zbog čega su regulatorna tijela povukla proizvod.

MEHANIZAM UMRIŽENJA ŽELATINE

Želatina, dobivena iz kolagena hidrolizom, topiva je proteinska smjesa koja se prvenstveno sastoji od aminokiselina (Slika 2). Te aminokiseline, povezane amidnim vezama, tvore linearni polimer s molekularnom težinom u rasponu od 15,000 250,000 do XNUMX XNUMX. Unakrsno povezivanje u želatini može nastati iz kemijskih interakcija između njenih peptidnih lanaca ili pojedinačnih aminokiselina. Ove interakcije mogu biti potaknute malim količinama aldehida koji su prisutni u pomoćnim tvarima ili API-jima. Također se mogu pojaviti zbog kvara komponenti formulacije ili materijala za pakiranje – ili izlaganja teškim uvjetima kao što su visoke temperature i vlaga.  

Slika 2: Struktura želatine.

U želatini su opažene dvije glavne vrste reakcija umrežavanja: unutarnje i vanjske. Unutarnje umrežavanje događa se kada su želatinske kapsule izložene visokim temperaturama i vlazi, prvenstveno utječući na njihove unutarnje površine. Nasuprot tome, vanjsko poprečno povezivanje događa se kada formulacije na bazi želatine, kao što su tvrde ili meke kapsule i tablete obložene želatinom, stupaju u interakciju sa tvarima kao što su aldehidi, peroksidi ili sulfonske kiseline.

Ove tvari uzrokuju kemijske promjene u molekulama želatine, pretvarajući ih iz nasumične konfiguracije zavojnice u strukturu trostruke spirale kolagena.

Mehanizam umrežavanja želatine uključuje tri različita puta, svaki vođen specifičnim molekularnim interakcijama i katalitičkim čimbenicima.

1. Unakrsno povezivanje unutar lanca i međulančanog lanca: reaktivnost želatine proizlazi iz interakcija među aminokiselinama unutar iste molekule želatine (intrastrand) ili između susjednih molekula (interstrand). Ključne aminokiseline uključene u ovaj proces (najviše lizin) pokazuju trifunkcionalna svojstva. Ostaci lizina u neposrednoj blizini podliježu oksidativnoj deaminaciji, dajući terminalne aldehidne skupine. Ove aldehidne skupine tada mogu reagirati sa susjednim ε-amino skupinama lizina, tvoreći iminske međuprodukte. Naknadne reakcije aldolne kondenzacije dovode do stvaranja umreženih produkata koji sadrže piridinijeve prstenove. Ovu kaskadu reakcija kataliziraju vanjski čimbenici kao što su toplina i relativna vlažnost ili prisutnost kemijskog agensa.
2. Reakcija s karbonilnim skupinama: Drugi mehanizam uključuje interakciju između lizilnih ε-amino skupina i aldehidnih nečistoća prisutnih kao kontaminanti. Ovom reakcijom nastaju hidroksimetilamino derivati, koji prolaze kroz dehidraciju i formiraju imine. Ti imini zatim ulaze u daljnje reakcije s ostacima hidroksimetil lizina, tvoreći dimetil eterske mostove. U konačnici, reakcije preraspodjele rezultiraju metilenskim vezama između lizil ε-amino skupina, olakšavajući stvaranje poprečnih veza. Slične reakcije mogu se dogoditi s aldoznim šećerima koji se obično nalaze u farmaceutskim formulacijama, gdje iminski međuprodukti reagiraju sa slobodnim amino skupinama dajući ketozne šećere. Naknadne reakcije između imina i šećera dovode do umrežavanja preko karbonilnih funkcionalnosti.
3. Formiranje aminala: Osim toga, do umrežavanja želatine može doći stvaranjem aminala, koji su aminski derivati ​​acetala. Na ovaj proces utječe pH okoline. Aminali formirani između lanaca želatine pridonose umrežavanju, dodatno poboljšavajući strukturni integritet mreže želatine.

ČIMBENICI KOJI DOPRINOSE UPREŽNOM POVEZIVANJU ŽELATINE

Unakrsno povezivanje u formulacijama želatine može proizaći iz različitih okolišnih i kemijskih čimbenika, što značajno utječe na njihovu stabilnost i učinkovitost (Tablica 1).

Tablica 1: Reprezentativna dvoslojna metoda otapanja.

Okolišni čimbenici

Povišena vlažnost, temperatura i intenzivno izlaganje svjetlu mogu potaknuti reakcije umrežavanja unutar formulacija na bazi želatine, što rezultira produljenim vitro vremena otapanja. Prisutnost visoke vlažnosti olakšava izravnu katalizu stvaranja imina, ključni korak u reakcijama unakrsnog povezivanja.

Osim toga, određeni ekscipijenti mogu proizvesti nusproizvode u vlažnom okruženju, dodatno potičući umrežavanje. Na primjer, kukuruzni škrob može sadržavati heksametil tetramin, koji se razgrađuje u vlazi, stvarajući amonijak i formaldehid, čime se olakšava umrežavanje u želatini. Štoviše, uvjeti visoke vlažnosti mogu inducirati arginin-arginin umrežavanje u želatini. Povišene temperature ubrzavaju brzinu reakcija umrežavanja, ubrzavajući stvaranje mreža netopljive želatine.

Izloženost vidljivom svjetlu ili ultraljubičastom (UV) zračenju može utjecati na svojstva otapanja. Intenzivno izlaganje svjetlu korelira sa smanjenim vitro brzine otapanja, što dodatno usložnjava pitanje umrežavanja želatine u farmaceutskim proizvodima.

Kemijski čimbenici

Nekoliko kemijskih čimbenika može pogoršati umrežavanje želatine u farmaceutskim formulacijama (Tablica 2).

Tablica 2: Uzročnici za umrežavanje.

Jedan istaknuti doprinos je formaldehid, koji se može osloboditi iz različitih izvora koji se obično nalaze u pomoćnim tvarima formulacije. Ti izvori uključuju plastifikatore, konzervanse i polietilenirane spojeve, poput polietilen glikola (PEG). Zanimljivo je da eteri PEG-a, alifatski alkoholi ili fenoli, polietilenirani gliceridi i neionski surfaktanti mogu pridonijeti otpuštanju formaldehida, potičući tako umrežavanje želatine. PEG-ovi, koji se često koriste kao otapala u farmaceutskim formulacijama, mogu otpustiti aldehide niske molekularne težine kada su izloženi aerobnim uvjetima, čime dodatno pojačavaju umrežavanje želatine. Dodatno, pokazalo se da aldehidi poput furfurala, koji se obično nalaze u bocama koje sadrže svitke od rajona, reagiraju sa želatinom, što rezultira stvaranjem netopivih umreženih proizvoda.

Kako bi se potvrdilo je li došlo do umrežavanja želatine, primijenjene su instrumentalne tehnike kao što su različite spektroskopije, uključujući nuklearnu magnetsku rezonancu (NMR), UV spektroskopiju pomoću testa 2, 4, 6-trinitrobenzen sulfonske kiseline (TNBS), fluorescentnu spektrofotometriju (FS) , bliski infracrveni (NIR) i Fourierova transformacija-infracrveni (FT-IR). Međutim, važno je napomenuti da ove spektroskopske tehnike mogu imati ograničenja za identifikaciju poprečnog povezivanja u želatinskim ljuskama kapsula kada formulacije dožive usporavanje otapanja zbog stres testova u studijama stabilnosti ili dugotrajnog skladištenja formulacija na tržištu.

STRATEGIJE ZA UBLAŽAVANJE IZAZOVA KOJI JE POSTAVLJENO UPREŽENIM POVEZIVANJEM U FORMULACIJAMA NA BAZI ŽELATINE

Prevladavanje izazova unakrsnog povezivanja u studiji otapanja ključno je za inovatore koji se suočavaju s preprekama u vitro procjena želatinskih formulacija. Srećom, postoji nekoliko načina za ublažavanje problema križnog povezivanja unutar formulacije. Jedan takav pristup uključuje korištenje različitih vrsta želatine, od kojih svaka pokazuje različita ponašanja u vezi s umrežavanjem. Naime, želatina tipa B pokazuje smanjeno umrežavanje u usporedbi s želatinom tipa A.

Još jedan učinkovit pristup uključuje inhibiciju stvaranja aldehida, koji su ključni katalizatori za umrežavanje u kapsulama. Spojevi poput lizina, fenilalanina, glutamina, p-aminobenzojeve kiseline i glicina služe kao moćni čistači karbonilnih spojeva, ometajući interakciju aldehida sa želatinskom ovojnicom i time značajno smanjujući umrežavanje. Upotreba glicina za uklanjanje aldehida u formulaciji učinkovito neutralizira reaktivne aldehidne funkcionalne skupine, sprječavajući daljnje umrežavanje. Nadalje, kombinacija glicina s limunskom kiselinom pokazala se vrlo učinkovitom, nudeći dvostruku korist uklanjanjem aldehida i olakšavanjem pH manipulacije unutar formulacije.

Drugi inhibitori, poput semikarbazida, piperidina i hidroklorida, također mogu modificirati svojstva kapsule, učinkovito inhibirajući umrežavanje. Alternativni pristup uključuje korištenje ekscipijenata bez aldehida, što predstavlja obećavajući put za rješavanje problema otapanja. Važno je da će zaštita formulacija od vlage, temperaturnih fluktuacija i izloženosti svjetlu također igrati ključnu ulogu u održavanju stabilnosti i sprječavanju neželjenih reakcija unakrsnog povezivanja.

Zajednički napor između CDER-a američke FDA-e, Farmakopeje Sjedinjenih Američkih Država (USP) i akademske zajednice ranih 1990-ih dao je vrijedne uvide u neprilagođenost želatinskih kapsula tijekom testova otapanja i njihov utjecaj na bioraspoloživost.1 Naime, dok se križno povezivanje primarno događa vitro, ponašanje se značajno mijenja tijekom in vivo testiranje. Umrežene kapsule suočavaju se s minimalnim preprekama in vivo, što ukazuje na odstupanje između laboratorijskih i stvarnih rezultata. To je zbog prisutnosti enzima u gastrointestinalnom (GI) okolišu koji djeluju kao biološke škare, učinkovito razbijajući umrežene veze u ovojnici kapsule.

Ovo istraživanje dovelo je do razvoja dvoslojnog ispitivanja otapanja, koje u nekim slučajevima uključuje enzime u medij za otapanje kako bi se uzeli u obzir potencijalni in vivo aktivnost enzima, ističući važnost razmatranja obojega vitro i in vivo podatke pri ocjenjivanju sustava za isporuku lijekova. USP dvoslojna metoda otapanja nudi standardizirani pristup za rukovanje formulacijama koje ne prolaze početne procjene otapanja. Ova metodologija dobro je usklađena sa studijama bioekvivalencije, pojednostavljuje procese i smanjuje povezano vrijeme i troškove.

USP Opća poglavlja Otapanje <711> i Raspadanje i otapanje dijetetskih dodataka <2040> nude odredbe za uključivanje enzima u medij za otapanje kada oblici doziranja ne zadovoljavaju kriterije prihvatljivosti otapanja zbog umrežavanja želatine. Više od 25 farmaceutskih proizvoda koristilo je dvoslojne metode otapanja, prema FDA-ovoj bazi podataka o otapanju i USP standardima (Tablica 1). Konkretno, GI enzimi kao što su pepsin i pankreatin pokazali su se učinkovitima u razgradnji umrežene želatine u želucu, djelujući unutar specifičnih pH raspona za optimizaciju aktivnosti proteaze. Integriranjem ovih enzima u studije otapanja, uočeno sporo oslobađanje lijeka vitro može se učinkovito riješiti. Ovo strateško uključivanje osigurava da procjene otapanja točno odražavaju namjeravanu izvedbu formulacije, usklađujući se s regulatornim standardima i olakšavajući robusnu procjenu učinkovitosti proizvoda.

Provedba dvoslojnog ispitivanja otapanja – primarno predstavljenog u Prvom dodatku USP 24 – uključuje strateško dodavanje enzima mediju za otapanje. Pepsin, dodan u kisele medije ili vodu, cilja na razinu aktivnosti od 750,000 4 jedinica po litri ili manje. Međutim, pokazuje optimalnu proteolitičku aktivnost do pH 5.5 i smanjuje se iznad pH 4, što ga čini neprikladnim za dvoslojno ispitivanje otapanja kada medij prelazi pH XNUMX.

S druge strane, pankreatin USP, uključen u medije na ili iznad pH 6.8, cilja na razinu aktivnosti proteaze koja ne prelazi 1,750 jedinica po litri. Pankreatin, poznat po svojoj širokoj specifičnosti supstrata, može se pohvaliti enzimima kao što su tripsin, α-kimotripsin, karboksipeptidaza, lipaza i amilaza, što mu omogućuje učinkovitu hidrolizu proteina, masti i polisaharida. S povoljnim rasponom proteolitičke aktivnosti oko pH 6-8, pankreatin predstavlja svestranu opciju za rješavanje poprečnog povezivanja želatine tijekom ispitivanja otapanja.

Dok pepsin i pankreatin nude vrijedna rješenja za vitro izazove rastapanja, važno je priznati njihova ograničenja u oponašanju in vivo uvjetima u potpunosti. Čimbenici kao što su prisutnost žučnih soli i pokretljivost želuca, ključni in vivo mehanizama, teško je točno ponoviti u rutinskom testiranju otapanja. U ovom trenutku, enzimi kao što su papain i bromelain, dobiveni iz papaje i ananasa, mogu se uzeti u obzir. Ovi enzimi, koji se prirodno ne nalaze u ljudskom tijelu, prvenstveno se koriste za probavu umrežene želatine tijekom testova otapanja. Papain, s optimalnim rasponom pH od 4-7, i bromelain, s optimalnim pH 4.5-7.5, pokazuju snažnu aktivnost proteaze i mogu se procijeniti korištenjem slučaja u testu probavne moći, kao što je navedeno u USP monografijama.

Iako ovi lijekovi obećavaju u rješavanju problema umrežavanja, potrebno je pažljivo razmotriti upozorenje u vezi s upotrebom drugih komponenata aditivnih medija pri projektiranju medija za otapanje. Na primjer, uključivanje površinski aktivnih tvari kao što je natrijev lauril sulfat za povećanje topljivosti može ugroziti aktivnost enzima, uvodeći složenost u dvoslojnu studiju otapanja (Tablica 1). U takvim slučajevima, razborit pristup uključuje prethodnu obradu umreženih želatinskih kapsula s medijem koji sadrži enzime bez surfaktanata. Time se osigurava održavanje enzimske aktivnosti, čime se čuva točnost ispitivanja otapanja. Pažljivim upravljanjem ovim zamršenostima, istraživači bi mogli optimizirati protokole otapanja kako bi oponašali fiziološke uvjete, čime bi još bolje povećali pouzdanost svojih nalaza.

SAŽETAK

Iako umrežavanje u lijekovima na bazi želatine može predstavljati izazove za otapanje tijekom vitro studije, važno je napomenuti da in vivo otapanje je često nepromijenjeno. To je zbog enzimske aktivnosti unutar GI trakta koja učinkovito probavlja umreženo, pomažući otapanje. Ipak, unatoč ovom prirodnom procesu, potrebno je poduzeti nekoliko mjera opreza kako bi se osiguralo regulatorno prihvaćanje proizvoda.

Postoje različite strategije za sprječavanje umrežavanja tijekom faze formulacije. To uključuje prilagođavanje želatinskih formulacija određenim stupnjevima, uključivanje inhibitora unakrsnog povezivanja, integriranje pojačivača stabilnosti ili istraživanje alternativnih pomoćnih tvari manje sklonih unakrsnom povezivanju. Ovi pristupi učinkovito ublažavaju probleme unakrsnog povezivanja.

Međutim, ako dođe do umrežavanja tijekom formulacije, strateška uporaba USP dvoslojne metode otapanja bila bi ključna, posebno u formulacijama kapsula. Optimiziranje studija otapanja na ovaj način može poboljšati farmaceutske procjene, podupirući pouzdanost i učinkovitost procesa razvoja lijekova. Kroz ove proaktivne mjere, istraživači mogu pouzdano i precizno upravljati složenošću umrežavanja u farmaceutskim proizvodima na bazi želatine.

REFERENCA

1. Aikman M et al, “Kolaborativni razvoj dvoslojnog ispitivanja otapanja za želatinske kapsule i želatino obložene tablete korištenjem medija koji sadrže enzime”. Farmakopejski forum, Vol 24(5), rujan-listopad 1998.