Kokrystaly. Chemie a fyzika pevných léčiv. Praha 2014

Transkript

1 Kokrystaly Chemie a fyzika pevných léčiv Praha 2014

2 Chemické (fyzikální) typy léčivých látek Jedna molekula může vytvářet až 100 pevných forem

3 Farmaceutický kokrystal nová alternativa výběru pevné léčivé látky Farmaceutický kokrystal je stechiometrická multikomponentní sloučenina typu hostitel (aktivní molekula) : host (kokrystalizační partner) a, vytvořená ze dvou nebo více složek, které jsou v čistém stavu a za pokojové teploty pevné b - uznávaná definice C.B. Aakeröye. Stechiometrický poměr hostitel : host je většinou jednoduchý (1:1, 2:1, 3:1, 4:1, resp. 1:4) a I kokrystalizační partner může být aktivní molekula, např. kokrystal theofylin : nikotinamid (1:1) b Aakeröy C.B., Samon D.J.: CrystEngCommun. 7, 439 (2005).

4 Farmaceutický kokrystal příklad H-vazby kokrystal karbamazepin : sacharin (1:1) Karbamazepin vytváří s různými kokrystalizačními partnery asi 40 kokrystalů

5 Multikomponentní sloučeniny Velmi rozvětvené pojmosloví: směsné krystaly, klatráty, inkluzní sloučeniny, organické molekulární sloučeniny, směsné molekulární krystaly, molekulární komplexy, heteromolekulární krystaly, supramolekulární adukty a kokrystaly půvabné slovo cocrystal bylo poprvé použito v práci: Hoogsteen K.: Crystal and Molecular Structure of a Hydrogen-Bonded Complex Between 1-Methylthymine and 9-Methyladenine. Acta Crystallogr. 16, 907 (1963). O definici pojmu kokrystal se vedou diskuze, někteří autoři řadí mezi kokrystaly i hydráty (solváty) a soli solvent není za pokojové teploty pevný a hranice mezi kokrystalem a solí je neostrá! Bond A.D.: CrystEngComm 9, 833 (2007). ; Desiraju G.R.: CrystEngComm 5, 466 (2003), Stahly P.: Crystal Growth & Design. 7, 1007 (2007). Parkin A. et al.: Z. Kristallogr. 223, 430 (2008). Kokrystaly (ko-krystaly) pro farmaceutické aplikace zpopularizovali především: M.J. Zaworotko, C.B. Aakeröy, G.R. Desiraju, S.L. Childs a další

6 Proč je vznik kokrystalů zatím nejasný Bohužel neznáme do všech detailů proces krystalizace a povahu chemických vazeb

7 Why cocrystals are interesting for pharmacy? The first case study modification of the dissolutin profile Amorphous itraconazole (API) Sporanox (Salutas Pharma), antifungal drug Cocrystals of itraconazole with 1,4- dicarboxylic acids: L-malic, L-tartaric and succinic Example: cocrystal of itraconazole with succinic acid (2:1) sandwich structure

8 Kokrystaly modifikace disolučního profilu itrakonazol amorfní forma kokrystal itrakonazol : k. L-jablečná (2:1) kokrystal itrakonazol : k. L-vinná (2:1) kokrystal itrakonazol : k. jantarová (2:1) itrakonazol krystalická forma Kokrystaly mohou modifikovat rozpouštěcí rychlost pevné formy Morissete S.L. et al.: Advaced Drug Delivery Reviews 56, 275 (2004).

9 Proč jsou kokrystaly zajímavé pro farmacii? Druhá příkladová studie O NH 2 N Karbamazepin, léková forma Tegretol,(Novartis), léčba epilepsie API: krystalická forma karbamazepinu Karbamazepin, nepříznivé vlastnosti: tvoří 4 polymorfy náchylný k tvorbě různých solvátů a hydrátů většinou špatně rozpustné formy

10 Kokrystaly řešení problému polymorfismu Krystalová struktura stabilního polymorfu karbamazepinu Krystalová struktura kokrystalu karbamazepin:sacharin (1:1) O N NH 2 : O NH S O O Fleischman G.S. et al.: Crystal Growth & Design. 3, (2003). Tento kokrystal je monomorfní a nejsou známé žádné jeho solváty

11 Why cocrystals are interesting for pharmacy? The third case study the separating cocrystallization pregabalin (API) (S)-pregabalin dosage form Lyrica,(Pfizer), anticolvulsant Crystal structure of the cocrystal (S)-pregabalin : (S)-mandelic a. (1:1) Cocrystallization of pregabalin with (S)-mandelic acid separates only (S)- pregabalin from racemic mixture Samas B. et al.: Acta Crystallogr. E63, 3938 (2007).

12 Proč jsou kokrystaly zajímavé pro farmacii? Paracetamol Čtvrtá příkladová studie Polymorf I stabilní, používá se pro formulaci Polymorf II - nestabilní Polymorf III - nestabilní paracetamol polymorf I paracetamol: theofylin (1:1) paracetamol: naftalen (2:1) paracetamol: k.šťavelová (1:1) paracetamol: fenantrolin (1:2) Kokrystaly paracetamolu vykazují lepší pevnosti tablet než samotný paracetamol (polymorf I) Jones W.: Multicomponent crystals in pharmaceuticals. 25.European Crystallographic Meeting.Istanbul 2009.

13 Proč jsou kokrystaly zajímavé pro farmacii? Další příklady Aktivní substance Kokrystalizační partner Zlepšený parametr ibuprofen 4,4-dipyridyl, nikotinamid rozpustnost indomethacin sacharin rozpouštecí rychlost, orální biodostupnost norfloxacin isonikotinamid, jantarová k., malonová k., maleinová k. rozpustnost kofein šťavelová k., malonová k. zamezení tvorby hydrátů kofeinu při vysoké RH P. Vishweshwar, J.A. McMahon, J.A. Bis, M.J. Zaworotko: J. Pharm. Sci. 95, 499 (2006). Kokrystaly nejsou farmakodynamicky účinnější než původní API, ale modifikují (optimalizují) technologické a funkční parametry nové API

14 Farmaceuticky akceptovatelní kokrystalizační partneři V USA schváleno okolo 50 kokrystalizačních partnerů, viz GRAS (Generally Recognized as Safe) a US EAFUS ("Everything" Added to Food in the United States) Karboxylové kyseliny : např. adipová k., benzoová k., kaprinová k. = dekanová k., kaprylová k. = oktanová k., citronová k., fumarová k., glutarová k., salicylová k., jantarová k., malonová k., maleinová k., hipurová k., suberová (korková) k. aj. 2. Amidy: např. nikotinamid, sacharin, močovina aj. 3. Alkoholy : např. manitol, sorbitol aj.

15 Systematika kokrystalů H 3 CTA bipy H 3 CTA Binární kokrystaly H 3 CTA bipy H 3 CTA bipy-eta H 3 CTA H 3 CTA bipy-eta Ternární kokrystaly H 3 CTA bipy-brete H 3 CTA Bipy-diBreta H 3 CTA H 3 CTA k. cyklohexantrikarboxylová bipy - bipyridin Kvarternární kokrystaly. Bhogala B.R. et al.: New J. Chem. 32, 800 (2008).

16 Jak drží kokrystaly pohromadě Vazba v kokrystalu mezi hostitelem (aktivní molekula) a hostem (kokrystalizační partner) je nekovalentní slabá interakce (většinou H- můstky) a vzniklé 0-D, 1-D a 2D útvary se v krystalu spojují především - interakcemi nebo VdW silami). H-můstky - teorie supramolekulárních synthonů Homosynthon karboxyl---karboxyl Heterosynthon karboxyl---pyridin Je popsáno > 120 různých homo a heterosynthonů v CSD (Cambridge Structural Je Database). popsáno okolo Energeticky 70 různých výhodnější homo a heterosyntonů. jsou heterosynthony, ale kompetici Energeticky synthonů výhodnější při tvorbě jsou krystalové heterosynthony. struktury je obtížné předpovědět

17 Jak drží kokrystaly pohromadě H-můstky H-můstky H-můstky H-můstky Kokrystal karbamazepin : sacharin (1:1) Vzniká nová krystalická fáze (kokrystal), která je odlišná od čistých fází složek, ze kterých vznikla Molekuly si v kokrystalu zachovávají svojí kovalentní identitu Zaworotko M.: Crystal engineering of cocrystals and their relevance to pharmaceutical and solid state chemistry. IUCr2008, KN32. Osaka 2008.

18 Tvorba kokrystalů je aplikací krystalového inženýrství na supramolekulární systémy Přístup bottom up (zezdola nahoru) derivát melaminu barbital derivát melaminu barbital Vliv kokrystalizačního partnera (různé deriváty melaminu) na výsledný design kokrystalu s barbitalem. Kokrystalizační partneři se liší postraními řetězci, které se nezúčastní systému H-vazeb (pouze stérický efekt). Kryst. struktura vs. makroskop. vlastnosti P. Vishweshwar, J.A. McMahon, J.A. Bis, M.J. Zaworotko: J. Pharm. Sci. 95, 499 (2006).

19 Typy kokrystalů Kokrystaly Kokrystaly hydratované (solvatované) Kokrystaly ionizované (kokrystaly solí) Kokrystaly solí hydratované (solvatované) Polymorfy všech předchozích typů kokrystalů kokoko

20 Kokrystaly Piroxikam nesteroidní antirevmatikum s výrazným protizánětlivým účinkem, max. plazmatické koncentrace dosaženo za více než 2hod. po podání!!! třída II API (nízká rozpustnost a vysoká permeabilita) V pevné formě existuje tautomerní rovnováha: neionizovaná forma zwiterion Kokrystalizací piroxikamu s 23 farmaceuticky akceptovatelnými organickými kyselinami připraveno celkem 50 kokrystalů různé stechiometrie - piroxikam : kyselina (1:1, 2:1 a 4:1). Dále popsány 3 polymorfy, 2 solváty a 4 soli piroxikamu. Důvod screeningu : příprava materiálu pro testování rozpustnější formy piroxikamu Childs S.L., Hardcastle K. I.: Crystal Growth & Design 7, (2007).

21 Hydráty (solváty) kokrystalů Obecná tendence tvořit hydráty je dána snahou vysytit všechny dobré donory a akceptory protonu v molekule anhydrát dipikolinové k. hydrát dipikolinové k. Tendence kokrystalů tvořit hydráty (solváty) je slabá, protože většina jejich dobrých donorů a akceptorů protonů je vysycena kokrystalizací. Inspekcí v CSD (Cambridge Structural Database) bylo zjištěno, že kokrystaly jsou hydratovány (solvatovány) pouze asi z 5%. Pokud je výchozí aktivní molekula nebo kokrystalizační partner hydratován (solvatován), pak je pravděpodobné, že jejich kokrystal bude také hydratovaný (solvatovaný). Aakeröy Ch. B. et al.: Molecular Pharmaceutics 4, 317 (2007).

22 Solváty kokrystalů Pokud kokrystal obsahuje složku, která je za pokojové teploty kapalná, pak hovoříme o solvátu norfloxacin isonikotinamid H-můstek chloroform Kokrystal norfloxacin : isonikotinamid : chloroform (1:1:1) Basavoju S., Boström D., Velaga S.P.: Crystal Growth & Design 6, (2006).

23 Kokrystaly solí ionizované kokrystaly Hostitelem je ionizovaná forma - sůl fluoxetin hydrochlorid (antidepresivum), Prozac (výrobce Eli Lilly) fluoxetin hydrochlorid : k.benzoová (1:1) fluoxetin hydrochlorid : k.jantarová (2:1) fluoxetin hydrochlorid : k.fumarová (2:1) Childs S.L et al.: J. Amer. Chem. Soc. 126, (2004).

24 Kokrystaly solí ionizované kokrystaly Odlišná ionizace dvou molekul H 3 PO 4 Krystalizace aktivní molekuly se dvěma molekulami kyseliny trihydrogenfosforečné vliv krystalové struktury na ionizační stav aktivní molekula (drug candidate) Chen M.A. et al.: Chem. Commun. (2007) 419. Proton zůstane na kyselině: H 3 PO 4 O1 O2 Proton se přesune na kvartérní dusík: H 2 PO 4 Kokrystal dihydrogenfosforečnan aktivní molekuly : k.fosforečná (1:1)

25 Hranice mezi solí a kokrystalem nebo kontinuum sůl - kokrystal Reakce mezi karboxylovou kyselinou a bazickým N-heterocyklem, např. kyselina benzoová + 3,5-dichlorpyridin? 3,5-dichlorpyridinium benzoát nebo 3,5-dichlorpyridin : kyselina benzoová (1:1) 1,5 Å 1Å 1Å 1,5 Å sůl delší kratší Experimentální určení pozice protonu mezi kyselinou a bází! kokrystal Rozsáhlý strukturní výzkum produktů reakcí různých karboxylových kyselin s N-heterocyklickými bázemi Stanovení pozice protonu přímo: NMR spektroskopie, neutronová difrakce Stanovení pozice protonu nepřímo: (RTG difrakce) z délek vazeb a úhlů: rozdíl C-O(delší) C-O(kratší) ; C O( delší ) poměr C O( kratší) a úhel C-N-C delší kratší Sůl: C-O(delší) C-O(kratší) < 0,03Å ; C-O(delší)/C-O(kratší) =1,027(15) ; C-N-C > 120 o Kokrystal: C-O(delší) C-O(kratší) > 0,08 Å ; C-O(delší)/C-O(kratší) =1,081(12) ; C-N-C = 117,7-118,5 o

26 Predikce:sůl,kokrystal nebo kontinuum sůl-kokrystal Pro predikci je důležitá hodnota pk a = pk a (báze) - pk a (kyselina) Predikce Sůl : pk a = pk a (báze) - pk a (kyselina) > 3 ; Kokrystal: pk a = pk a (báze) - pk a (kyselina) < 0 Kontinuum sůl kokrystal: pk a = pk a ( báze) - pk a (kyselina) = 0 3, proton je sdílen a leží 1,25 Å 1,25 Å zhruba uprostřed O H - N Další vlivy na pozici protonu, kromě pk a Výchozí stechiometrický poměr složek: např. pyridin : 3,5-dinitrobenzoová k. (1:2) je kokrystal; pyridin : 3,5-dinitrobenzoová k. (1:1) je sůl (monohydrát) Polymorfismus výchozích složek a tvorba zwitteriontu: např. kokrystal piroxikam (polymorf I) : k. 4-hydroxybenzoová obsahuje neionizovaný tautomer piroxikamu a neionizovanou k. 4-hydroxybenzoovou; kokrystal piroxikam (polymorf II) : k. 4-hydroxybenzoová obsahuje zwitterion piroxikamu a neionizovanou k. 4-hydroxybenzoovou Childs S. L., Stahly P.G., Park A.: Molecular Pharmaceutics 4, 323 (2007). 1,309 Å 1,206 Å Teplota: O H - N (při 20K), 1,228 Å 1,306 Å O H - N (při 200K) pro kokrystal pentachlorofenol:4-methylpyridin Steiner T., Majerz I., Wilson C.C.: Angew. Chem. Int. Ed. 40, 2651 (2001).

27 Predikce založená na hodnotě pk a není ovšem jednoznačná SH OH Kyselejší sloučenina Lepší donor protonu pro H-vazbu Predikce založené na hodnotě pk a se týkají pouze jedné třídy sloučenin

28 Kokrystaly solí solvatované zolpidem kation tartarát anion zolpidem báze bis-methanol solvát kokrystal zolpidem hydrogentartarát : zolpidem báze bis-methanol solvát (1:1:2) solvatovaný kokrystal ion : molekula Čejka J., Jegorov A., Kratochvíl B. : Nepublikované výsledky (2007).

29 Polymorfismus kokrystalů Každá molekula je potenciálně polymorfní, počet polymorfů dané látky závisí pouze na množství peněz, času a energie investovaných do jejího výzkumu Walter McCrone, 1963 Zřejmě totéž platí i pro kokrystaly, polymorfismu kokrystalů nebyla dosud věnována systematická pozornost, ale jsou, a v budoucnu na ně určitě dojde V současnosti převažuje spíše snaha připravovat nové a nové kokrystaly, takže pokud se zjistí i jejich polymorfismus, tak je to zatím vedlejší produkt výzkumu (např.kokrystal kofein : glutarová k.(1:1) je dimorfní)

30 Příprava kokrystalů klasické techniky (jednoduché stechiometrické poměry mezi složkami) Společná krystalizace (kokrystalizace) složek z roztoku Společné mletí Společná sublimace Krystalizace ze společné taveniny Společné zahřívání Z pouhé existence výchozích složek nelze s určitostí předpovědět, zda mezi nimi dojde ke kokrystalizaci (i když máme k dispozici kritérium pk a )

31 Ternární diagram kokrystalizace z roztoku Diagram je symetrický aktivní substance a kokrystalizační partner jsou v daném rozpouštědle stejně rozpustné Diagram je nesymetrický aktivní substance a kokrystalizační partner nejsou v daném rozpouštědle stejně rozpustné

32 Společné mletí teoreticky 100% výtěžek je typickou reakcí v pevné fázi mezi aktivní substancí a kokrystalizačním partnerem, produkty této reakce nejsou obecně stejné jako při kokrystalizaci z roztoku! Mlýnek pro reakce v pevné fázi (mletí bez solventu, se solventem - molekulární mazivo, kryomletí potlačuje teplotně iniciované degradační reakce)

33 Vliv různých efektů na výsledek kokrystalizace Společná krystalizace složek z roztoku versus společné mletí N N (vliv podmínek intenzita mletí, očkovaná krystalizace ) N N O O kofein + k.mravenčí; + k. octová; + k. trifluoroctová 1. Kofein + k. mravenčí = kokrystal kofein : k.mravenčí (1:1) společná krystalizace nebo společné mletí vede ke stejnému kokrystalu 2. Kofein + k.octová = vzniknou dva kokrystaly, které se liší stechiometrií: kofein:k.octová (1:1) (krystalizace) ; kokrystal kofein:k.octová (1:2) (mletí) 3. Kofein + k. trifluorooctová = vzniknou různé polymorfy kokrystalu kofein : k.trifluorooctová (1:1) - orthorombický polymorf nebo monoklinický polymorf (záleží na podmínkách syntézy - očkovaná krystalizace nebo mletí, použité množství k.trifluoroctové) Friščic' T.: Mechanochemical approaches for the construction and discovery of API cocrystals. 24. European Crystallographic Meeting. Marrakech 2007.

34 Preparation of cocrystals 2) Advanced cocrystallization strategies Liquid assisted solid-state grinding, cryogrinding Cocrystallization in suspension Sonococrystallization Slow or quench solution cooling Cocrystallization from gels, ionic liquids, polymers, supercritic fluids etc. Cocrystallization in twin screw extruder Spray drying cocrystallization Universal cocrystallization strategy does not exist

35 Vliv různých efektů na výsledek kokrystalizace Efekt přikapávaného rozpouštědla ( molekulárního maziva ) při společném mletí - urychlení kokrystalizační kinetiky OH O O OH N N k. cyklohexantrikarboxylová bipyridin HO O společné mletí společné mletí s přikapáváním MeOH (pár kapek) Částečná konverze na kokrystal (1:1) za 1 hod Kompletní konverze na kokrystal (1:1) do 20 min Shan N., Toda F., Jones W.: Chem. Commun. 20, 2372 (2002).

36 Vliv různých efektů na výsledek kokrystalizace Efekt přikapávaného rozpouštědla při společném mletí - vznik polymorfů Kokrystal kofein : k.glutarová (1:1) polymorf I přikapáván cyklohexan N N N N O kofein O + HO O OH O k.glutarová přikapáván chloroform Kokrystal kofein : k.glutarová (1:1) polymorf II Trask A.V. et al.: Chem. Commun. 2004, 890.

37 Vliv různých efektů na výsledek kokrystalizace Efekt methylové skupiny výchozí aktivní molekuly na uspořádání kokrystalu N N N O N O nebo + pk a = 8,8 N N H N O N O k. šťavelová kofein theofylin Kokrystal kofein : k. šťavelová (2:1) Strukturním motivem je izolovaný útvar Kokrystal theofylin : k. šťavelová (2:1) Strukturním motivem je nekonečný řetězec Friščic' T.: Mechanochemical approaches for the construction and discovery of API cocrystals. 24. European Crystallographic Meeting. Marrakech 2007.

38 Cocrystallization screening on microfluid chips Combinatorial cocrystallization screening by solution technique 240 µg of API + cocrystal former (partner) Chip wells is resistant to organic Used in solvents early development Analysis Tested on on-chip model via API: Raman caffeine, spectroscopy which crystallizes in well situ Goyal, S.; Thorson, M. R. et al: Cryst. Growth Des. 12, 6023 (2012).

39 Screening kokrystalů

40 Závěry Kokrystaly jsou výrazným rozšířením portfolia možných API od určité aktivní molekuly. Představují novou možnost jak optimalizovat technologické a funkční parametry nové API. V současné době se aktivní molekula může teoreticky vyskytovat až ve 100 farmaceuticky akceptovatelných pevných formách (polymorfy, hydráty, soli), zahrnutím kokrystalů se toto číslo zvětší zhruba na 300. Vznik určitého kokrystalu nelze jednoznačně předpovědět. Na trhu zatím neexistuje lék formulovaný z kokrystalu. Kokrystaly se ale intenzivně zkoumají na akademických pracovištích a pracovištích V& V farmaceutických firem a jsou podávány patenty (karbamazepin:sacharin). Některé registrované soli by měly být, na základě strukturních experimentů (pozice protonu mezi kyselinou a bází), překvalifikovány na kokrystaly. Volba API jako kokrystalu může být pro generické firmy výhodná při patentových sporech. S kokrystalem se do výsledné lékové formulace vnáší farmakodynamicky balastní další chemikálie.

41 Analytické techniky charakterizace kokrystalů Hodí se všechny pevnolátkové techniky DSC, IR, Raman, NMR, RTG difrakce a další Stanovení krystalové struktury monokrystalová a prášková RTG difrakce Monokrystalový difraktogram Práškový difraktogram RTG strukturní analýza malých molekul (do atomů v molekule) RTG monokrystalová strukturní analýza pro studim struktury kokrystalů vzniklých kokrystalizací složek z roztoku RTG prášková (XRPD) strukturní analýza pro studium struktury kokrystalů vzniklých společným mletím složek Kratochvíl B., Hušák M., Brynda J., Sedláček J.:. Chem. Listy 102, 889 (2008). ; Hušák M., Rohlíček J., Čejka J., Kratochvíl B.: Chem. Listy 101, (2007).

42 Výchozí materiál pro strukturní studie 10-1 mm mm monokrystal prášek + Laboratorní monokrystalový RTG difraktometr rutinní technika s velkou pravděpodobností úspěšného řešení. Hlavní omezení příprava monokrystalu. PED RTG práškový difraktometr připojený na synchrotron nestandardní technika s menší pravděpodobností úspěšného řešení. Hlavní omezení hodí se na jednoduché a nepříliš flexibilní molekuly. Účinnější je kombinace XRPD+PED (precesní elektronová difrakce)!

43 Řešení krystalové struktury z RTG práškových dat! monokrystal dat ze 3 dimenzí, R 5% prášek dat z jedné dimenze, R 15% Základní předpoklady úspěchu při řešení struktury z prášku: známe chemické složení často známe strukturu jiného polymorfu v CSD je možné najít strukturu podobné látky strukturu molekuly můžeme modelovat (Hyperchem) molekula nesmí být příliš flexibilní (5 torzních úhlů) a příliš velká (do 100 nevodíkových atomů), s elementární buňkou do objemu 2500 Å 3

44 RTG fázová (prášková) analýza experiment Vstupní materiál : prášek o zrnitosti mm plíšek, plocha, vrstva, kapilára Přístrojová technika: práškový RTG difraktometr doba měření řádově min. až desítky min. (několik reflexí z jedné dimenze)

45 RTG fázová (prášková) analýza geometrie experimentu optika & monochromátor RTG lampa 2 hkl detektor Bragg-Brentano reflexní geometrie plošný vzorek detektor Debye-Scherrer transmisní geometrie zrcadlo & monochromátor 2 hkl rotující kapilára se vzorkem RTG lampa

46 Řešení krystalové struktury z RTG práškových dat! Nejedná se o pozice atomů, ale o pozici a orientaci molekuly v elementární buňce Pro řešení struktury z prášku potřebujeme znát tvar molekuly

47 Výsledek řešení struktury z prášku