Polymorfismus I - základní pojmy, význam, teorie. Bohumil Kratochvíl

Transkript

1 Polymorfismus I - základní pojmy, význam, teorie Bohumil Kratochvíl Předmět: Chemie a fyzika pevných léčiv, 2015

2 Historický úvod Jean Baptiste Louis Romé de l Isle ( ): kuchyňská sůl krystaluje v přítomnosti koňské moči spíše v oktaedrech než v krychlích Chlorid sodný, NaCl: různý krystalový design (tvar, habitus), ale stejná struktura!!!! Původně: Polymorfismus (z řec.: polys = mnohý, morfé = tvar) - určitá chemická sloučenina může, v závislosti na krystalizačních podmínkách, krystalovat v různých krystalových tvarech (habitech) Dnes je tak definována : Krystalová morfologie Mitscherlich, 1822 : polymorfismus fosforečnanů a arseničnanů a síry Wöhler a Liebig, 1832: polymorfismus benzamidu

3 Polymorfismus vs. Krystalová morfologie Krystalová morfologie (krystalový design) určitá substance může z různých rozpouštědel vykrystalizovat v různých tvarech, aniž se změní její krystalová struktura (nejedná se o polymorfismus!) Různé krystalové tvary acetylsalicylové kyseliny krystalované z různých rozpouštědel (převzato z Byrn R. S., Pfeiffer R. R., Stowell G.J.: Solid-State Chemistry of Drugs, 2nd ed. SSCI, Inc. West Lafayette, Indiana 1999).

4 Současná definice polymorfismu ve farmacii Dnes Polymorfismus - určitá molekula, v závislosti na krystalizačních podmínkách, může krystalovat ve více krystalových strukturách neboli polymorfech (pokud je do struktury zahrnut i solvent: hovoříme o solvátech (hydrátech), příp. solvatomorfech, pseudopolymorfech) (alotropismus - prvek) Změna krystalové struktury je obvykle doprovázena změnou makroskopické vlastnosti (rozpouštěcí rychlost, příp. barva, krystalový tvar atd.) Polymorfismus paracetamolu Polymorf I stabilní pro formulace Polymorf II - nestabilní Polymorf III - nestabilní

5 Polymorfismus není pouze fyzikálně-chemický pojem Polymorfismus krystalických API určitá chemické entita (molekula) nemusí vytvářet jen jednu krystalovou strukturu, ale více (nejčastěji dvě). V tomto případě hovoříme o dimorfismu (obecně polymorfismu) krystalických API Slovo polymorfismus nebo polymorfie znamená schopnost zaujímat více forem od jedné entity: Polymorfismus (v krystalografii, farmakologii, geochemii) schopnost látky (léčiva, minerálu) krystalovat v různých krystalových strukturách genetický polymorfismus proměnlivost určitých úseků genomu jednonukleotidový polymorfismus tzv. SNP, odlišnosti v jedné bázi polymorfismus délky restrikčních fragmentů odlišnosti v délce řetězců DNA vzniklých štěpením specifickými enzymy Polymorfismus (biologie) proměnlivost buněčných kultur polymorfismus (programování) vlastnost programovacího jazyka Polymorfie (psychologie) proměnlivost nálad

6 Vlastnosti polymorfů Nejdůležitější rozdíly mezi polymorfy jsou v rozpouštěcí rychlosti

7 Základní strukturní typy polymorfismu molekulárních krystalů Pakovací molekula je rigidní, polymorfy se liší pouze jejím pakováním v krystalu Polymorf I Polymorf III sulfapyridin N O NH S O NH 2 Polymorf II 4-amino-N-pyridin-2-yl-benzensulfonamid Polymorf IV

8 Základní strukturní typy polymorfie molekulárních krystalů Konformační molekula je flexibilní a tvoří konformery, které krystalují v odlišných polymorfech L-glutamová kyselina O O HO OH NH 2 - forma - - forma forma

9 Příklady polymorfismu Látka Počet Aplikace polymorfů sulfid zinečnatý sfalerit, wurzit polovodič uhličitan vápenatý kalcit,aragonit,vaterit plnivo do plastů oxid zirkoničitý monoklinický, tetragonální, kubický keramika oxid titaničitý rutil, anatas, brookit pigment dusičnan amonný 5 výbušnina, hnojivo chlorid titanitý 4 katalyzátor tetraethylolovo 6 palivové aditivum sorbitol 2 sladidlo aspirin 4 léčivo atorvastatin okolo 50 forem léčivo sulfathiazol asi 120 forem léčivo Např. ale sacharosa nebo naftalen jsou monomorfní!!! Polymorfismus ve farmaceutických aplikacích organické molekulární krystaly

10 Polymorfismus ve farmacii pouze monitorujeme, zatím ho nedovedeme fundamentálně vysvětlit proč jsou některé farmaceutické molekuly polymorfní a některé monomorfní? Polymorfismus je pro farmaceutické firmy omezující fenomén Polymorfismus si farmaceutické firmy nemohou dovolit ignorovat Polymorfismus je sledovaným fenoménem ze strany regulačních (registračních) institucí

11 Příklady monomorfních systémů Monomorfismus: doposud je známa pouze jedna forma sacharosa Objektivně pro monomorfismus sacharosy není důvod protože obsahuje řadu donorů a akceptorů protonu, a tak mohou teoreticky být vytvářeny různé sítě H-vazeb (polymorfy)

12 Sacharosa je monomorfní!!! (pouze jedna krystalická a jedna amorfní (skelná) forma)

13 Rozšířený pojem polymorfismu ve farmacii čistý polymorfismus molekula krystaluje ve více strukturách bez solventu hydráty molekula vykazuje v krystalech různý stupeň hydratace solváty - molekula vykazuje v krystalech různý stupeň solvatace amorfní forma (formy) Při rozšířeném chápání pojmu polymorfismu ve farmacii pokládáme všechny tyto fáze za pevné formy jedné API a odlišně je označujeme (I,II, III ; A,B,C ;,, ; atd.) (FDA: Abbreviated New Drug Applications (ANDA))

14 Farmakodynamika a farmakokinetika farmakodynamika Při perorálním podání léčiva pacient neužívá izolovanou molekulu!!! Pacient většinou užívá krystalický polymorf!!! farmakokinetika Polymorfismus API ovlivňuje farmakokinetiku, nikoliv farmakodynamiku

15 Proč je nutné polymorfismus studovat a monitorovat? polymorfy mají rozdílné vlastnosti rozpouštěcí rychlost premafloxacin I/III chloramfenikol B/A se liší 10 x (obvyklý rozdíl mezi polymorfy je 2x) novobiocin amorf/kryst Farmakokinetický profil

16 Proč je nutné polymorfismus studovat a monitorovat? polymorfy mají rozdílné vlastnosti rozpouštěcí rychlost biodostupnost premafloxacin I/III chloramfenikol B/A se liší 10 x (obvyklý rozdíl mezi polymorfy je 1,5 x) novobiocin amorf/kryst Farmakokinetický profil Pudipeddi M. et al.: J.Pharm.Sci. 94, 929 (2005). Haleblian J. et al.: J.Pharm.Sci.58, 911 (1969).

17 Proč je nutné polymorfismus studovat a monitorovat? hlavně kvůli nekontrolovatelným polymorfním (fázovým) přechodům! v některých procesech výroby léčiva může dojít k nežádoucímu polymorfnímu přechodu finální krystalizace, homogenizace, vlhká granulace, tabletace. monitorování a dokladování polymorfní čistoty léčiv vyžadují regulační autority (SÚKL, EMA, FDA, FYI.) nežádoucí polymorf je klasifikován jako fázová (fyzikální) nečistota nežádoucí polymorf má jiný farmakokinetický profil (rozpouštěcí rychlost) v limitním případě může být neaktivní, resp. méně aktivní (zdraví poškozující???)

18 Základní otázky polymorfismu řešené ve farmaceutickém výzkumu, vývoji, výrobě a kontrole Jaká je frekvence výskytu polymorfů u určité, farmaceuticky zajímavé molekuly? Lze polymorfii teoreticky předpovědět? Jak připravit zvolený polymorf dostatečně robustní, kontrolovanou a reprodukovatelnou technologií? Jaké jsou podobnosti a rozdíly ve vlastnostech jednotlivých polymorfů od určité molekuly? Neohrozí záměna polymorfu zdraví pacienta? Jaké, dostatečně citlivé a validované analytické techniky se hodí k identifikaci, rozlišení a stanovení polymorfů?

19 Četnost polymorfismu Každá molekula je potenciálně polymorfní, počet polymorfů dané látky závisí pouze na množství peněz, času a energie investovaných do jejího výzkumu Walter McCrone, 1963 počet polymorfů molekulárního krystalu je teoreticky dán počtem možností vytvářet slabé interakce v krystalu (VdW, H-vazby, - ) ve farmacii je používáno asi 6500 molekul (AISLP, 2011) 87% aktivních substancí (API) existuje ve více než jedné pevné formě (nejčastější je dimorfismus) Polymorfismus je mezi léčivými látkami velmi rozšířen!

20 Četnost polymorfismu Každá molekula je potenciálně polymorfní - dimorfismus (90,7%), trimorfismus (8,4%), tetramorfismus (0,9%), pentamorfismus (0,1%). ROY 5-methyl-2-[(2-nitrofenyl)amino]-3-thiofenkarbonitril, intermediát olanzapinu dekamorfismus (6 makroskopických polymorfů a 4 mikroskopické!!!) Yu L. et al : J.Am.Chem.Soc. 56, 436 (2000).

21 Predikce polymorfismu - není zatím obecně možná predikce krystalové struktury (výpočet mřížkové energie při 0K identifikace správného řešení? chyby výpočtu jsou srovnatelné s energetickými rozdíly mezi polymorfy! ) predikce krystalizačních podmínek Teoretický výpočet mřížkových energií možných struktur molekulární simulace Cerius/Materials Studio - Polymorph Predictor předpověd existence paracetamolu formy III předpověď existence aspirinu formy II Predikce polymorfie se při patentových sporech neuznává (Lee, 2002)!

22 Kdy se rohoduje o vzniku určitého polymorfu při krystalizaci Etter, 1991: A + A = 2A, 2A + A = 3A... (n-1)a + A= n (kritický agregát - nukleus molekul) Nukleace proteinu apoferritinu při stoupajícím přesycení roztoku (a d). Mikroskopie AFM. Yau S.T., Vekilov P.G.: J.Am.Chem.Soc. 123, 1080 (2001). O vzniku určitého polymorfu se rozhoduje již v prenukleačním (agregačním) stadiu na základě kompetice kinetických a termodynamických faktorů při krystalizaci

23 Co ovlivňuje krystalizaci polymorfů (termodynamické a kinetické faktory)? Přechod z laboratorního na poloprovozní a provozní měřítko (scale up)

24 Polymorfní přechody chtěné a nechtěné G = H TS, H = U + pv G = U + pv TS Polymorfní přeměna je fázovým přechodem 1. řádu: ( G/ T)p = -S; ( G/ p)t = V Enantiotropní fázový přechod v pevné fázi Monotropní fázový přechod přes kapalnou fázi ( solvent mediated ) Nestabilní polymorfy přechází na stabilní polymorf (nižší G)

25 Polymorfní systém a transformace polymorfů V polymorfním systému existuje termodynamická hierarchie stability polymorfů: stabilní polymorf a metastabilní (nestabilní) polymorfy Stabilní polymorf je charakterizován: nejnižší Gibbsovou energií nejnižší rozpustností v libovolném rozpouštědle nejnižší rozpouštěcí rychlostí nejnižší biodostupností nejnižší reaktivitou Pro formulaci se dají použít nestabilní, ale stálé polymorfy

26 Nekontrolovatelné polymorfní přechody - neštěstí farmacie (hysterezní, špatně definované, často probíhají přes kapalnou fázi) Kde může ve farmaceutické výrobě dojít k polymorfní přeměně: při finální krystalizaci aktivní substance ( disappearing polymorph ) při dlouhodobém stání produktu v matečném roztoku při sušení produktu při mikronizaci (homogenizaci) při vhlké granulaci při tabletaci v lékové formě (tabletě - vliv excipientů)

27 Jak mít polymorfní přechody (alespoň částečně) pod kontrolou? screening počtu polymorfů AstraZeneca Krystalizační automat několik set až tisíc krystalizací při použití až 20 rozpouštědel a jejich směsí screening polymorfních přechodů Skanovací transitiometrie: Spojení kalorimetrie a dilatometrie. Kontinuálně se mění tlak a/nebo teplota a měří se objemové, entalpické a tlakové změny indikující fázové přechody. Randzio S.L.: Thermochim. Acta 375, 107 (2000).

28 Jak mít polymorfní přechody (alespoň částečně) pod kontrolou? výběr nejstabilnějšího polymorfu nebo nejstabilnějšího hydrátu (solvátu) polymorfy: stabilní (hůře rozpustné, dlouhá expirace, robustní technologie) metastabilní (dobře rozpustné, kratší expirace, obtížná robustní technologie) nestabilní amorfní a semikrystalické fáze (dobře rozpustné, horší anal. stanovení) (eventualita u generických výrobců) výběr soli (kokrystalu) místo báze tergurid báze krystaluje v 7 formách tergurid hydrogen maleát (sůl) krystaluje v 1 formě jako monohydrát (Mysalfon, dříve vyráběla Teva) acetaminofen (paracetamol) 3 formy kokrystal acetaminofen-piperazin (1:1) 1 forma trans-d-tergurid přísná technologická kázeň (GMP) sterilní filtrace

29 Příklad nežádoucího polymorfního přechodu ve výrobě Disappearing polymorph (Dunitz J., Bernstein J.: Accts. Chem Res. 28, 193 (1995).) Ritonavir, inhibitor HIV-proteasy (Norvir, Abbot Laboratories) v roce 1996 uveden na trh (nestabilní polymorf I, zjištěno později) v roce 1998 zjištěn druhý polymorf (stabilní polymorf II) jiný disoluční profil V neúspěšná snaha o zvládnutí tohoto polymorfního systému v roce 1999 přeformulování na novou lékovou formu (měkké želatinové kapsle + roztok) polymorf I polymorf II Making Crystals by Design: Braga D. and Grepioni F. (Eds). Wiley-VCH Weinheim 2007.

30 Volba polymorfu pro formulaci Pro formulaci se dají použít i nestabilní, ale stálé polymorfy Nestabilní polymorf (amorfní fáze) musí být v lékové formě stabilizován, např. vytvořením pevné suspenze ve vhodném polymeru (polyvinylpyrrolidon (PVP) nebo kyselina polyakrylová (PAA) stabilizují amorfní acetaminofen (paracetamol). Stabilizační efekt spočívá v antiplastickém efektu polymeru (fázový přechod je spojen s plastickou deformací materiálu). Obejití problému polymorfismu Místo polymorfní báze nebo kyseliny je možné zvolit monomorfní sůl, hydrát nebo kokrystal (např. tergurid tergurid hydrogenmaleát nebo acetaminofen (paracetamol) kokrystal acetaminofen : piperazin (1:1) aj.)

31 Analytické techniky stanovení polymorfů v aktivní substanci a v lékové formě Směrnice regulačních autorit: RTG prášková analýza (RTG strukturní analýza) Spektroskopie pevného stavu (NMR, IČ, Ramanova) Termální analýza (TGA, DCS, mikrokalorimetrie) Mikroskopie (optická, termooptická, SEM, AFM) Mikrometrie (granulometrie, povrch částic, porozita, hustota) Stanovení rozpustnosti a rozpouštěcí rychlosti Sorpce/desorpce vlhkosti Měření in situ! ( v krystalizačním důlku, kapiláře apod.)

32 Jak mít polymorfní přechody (alespoň částečně) pod kontrolou? výběr nejstabilnějšího polymorfu nebo nejstabilnějšího hydrátu (solvátu) polymorfy: stabilní (hůře rozpustné, dlouhá expirace, robustní technologie) metastabilní (dobře rozpustné, kratší expirace, obtížná robustní technologie) nestabilní amorfní a semikrystalické fáze (dobře rozpustné, horší anal. stanovení) (velmi oblíbené u generických výrobců) výběr soli (kokrystalu) místo báze tergurid báze krystaluje v 7 formách tergurid hydrogen maleát krystaluje v 1 formě jako monohydrát (Mysalfon, Zentiva) acetaminofen (paracetamol) 3 formy kokrystal acetaminofen-piperazin (1:1) 1 forma trans-d-tergurid přísná technologická kázeň (GMP) sterilní filtrace

33 Vlastnosti polymorfů ( v čem se liší) Ritonavir, inhibitor HIV-proteasy (Norvir, Abbot Laboratories) v roce 1996 uveden na trh v roce 1998 zjištěn druhý polymorf v roce 1999 přeformulování na novou lékovou formu (měkké želatinové kapsle + roztok)

34 Závěry Polymorfismus je ve farmacii velmi rozšířený jev, který umíme popsat, ale neumíme předpovědět a fundamentálně vysvětlit Polymorfismus je vlastností pevné krystalické fáze Pro farmaceutické firmy je polymorfismus nevítaným ale i vítaným fenoménem (viz originální a generické firmy) Každá farmaceutická firma musí důkladně monitorovat polymorfismus svých substancí Pro farmacii je nejdůležitější, že se polymorfy jedné substance se mohou významně lišit ve svém disolučním profilu Existence polymorfismu je ideální kontrolní prvek pro regulační autority Pro monitorování polymorfismu je k dispozici řada analytických metod, nejčastěji používané jsou: PXRD, DSC/MTDSC a FT-IR