Polymorfismus II příklady polymorfních systémů Bohumil Kratochvíl Předmět: Chemie a fyzika pevných léčiv, 2015
Chemické a fyzikální typy API, která má farmacie k dispozici pro formulace kresba: J.Budka kresba: J.Budka
Polymorfismus ranitidinu hydrochloridu Ranitidin hydrochlorid - léčba žaludečních vředů (polymorf I, polymorf II) polymorf I polymorf II
Polymorfismus ranitidinu hydrochloridu Originál od firmy GlaxoSmithKline Generika ranitidinu vyrábí 43 firema je registrováno 70 generických názvů Ramanova spektra polymorfů I a II
Polymorfismus ranitidinu hydrochloridu Polymorf I Polymorf II RTG difraktogram polymorf I RTG difraktogram polymorf II
Polymorfismus ritonaviru Ritonavir inhibitor HIV proteasy Ritonavir tvoří dva konformační polymorfy (forma II je stálejší a daleko pomaleji rozpustná než forma I)
Polymorfismus námelových alkaloidů trans-d-tergurid (5R,8S,10R) Forma A: tergurid. 2/3 H 2 O 1 F: tergurid. 2/3 H 2 O B: tergurid. H 2 O 2 E: tergurid. EtOH C: tergurid 1 (Schering,Teluron ) M: tergurid. MeOH 3 D: tergurid. H 2 O tergurid hydrogenmaleát monohydrát 4 (Zentiva, Mysalfon ) (5R,8S,10S)cis-tergurid 2-brombenzoát 5 1. Hušák M., Kratochvíl B., Císařová I., Cvak L., Jegorov A., Böhm: Coll. Czech. Chem.Commun. 67, 479 (2002). 2. Kratochvíl B., Ondráček J., Novotný J., Hušák M., Jegorov A., Stuchlík J.: Z.Kristallogr. 206, 77 (1993). 3. Kratochvíl B., Novotný J., Hušák M., Had J., Stuchlík J., Jegorov A.: Coll.Czech.Chem.Commun. 59, 149 (1994). 4. Hušák M., Kratochvíl B., Sedmera P., Stuchlík J., Jegorov A.: Coll.Czech.Chem.Commun. 58, 2944 (1993). 5. Hušák M., Kratochvíl B., Sedmera P., Havlíček V., Votavová H., Cvak L., Bulej P., Jegorov A.:Coll. Czech. Chem.Commun. 63, 425 (1998).
Pakovací polymorfismus námelového alkaloidu terguridu (parametry u formy F nejsou známy, tato fáze byla pouze identifikována z RTG difraktogramu) forma A: tegurid. 2/3H 2 O; forma B: tergurid. H 2 O; forma C A : tergurid nesolvatovaný a, Å 7,9340(2) 38,262(4) 8,1640(3) b, Å 12,8148(3) 7,834(3) 23,3159(6) c, Å 56,467(1) 13,497(2) 19,9975(8), o 90 90 90, o 90 101,69(2) 95,870(2), o 90 90 90 P.grupa P 2 1 2 1 2 1 C 2 P 2 1 forma D: tegurid.h 2 O; forma E: tegurid. EtOH; forma F: tegurid. 2/3H 2 O; forma M: tegurid. MeOH 10,637(1) 13,147(6)? 10,438(1) 13,529(2) 10,442(6)? 13,200(4) 14,103(3) 16.19(16)? 15,495(5) 90 90? 90 90 90? 90 90 90? 90 orthorombická orthorombická? P 2 1 2 1 2 1
Molekulární pakování krystalových forem trans-d-terguridu Tergurid (forma C) Tergurid. 2/3 H 2 O (forma A) Tergurid. H 2 O (forma B) Tergurid. MeOH (forma M) Celkem 12 symetricky nezávislých terguridových molekul
Flexibilita/rigidita trans-d-terguridové molekuly forma C: molekula 1 (světle červená) C: molekula 2 v1 a (tmavě zelená) C: molekula 2 v2 a (tmavě fialová) C: molekula 3 (světle modrá) C: molekula 4 (šedivá) A: molekula 1 (tmavě žlutá) A: molekula 2 (modrozelená) A: molekula 3 (světle fialová) B: molekula 1 (světle žlutá) B: molekula 2 (tmavě modrá) M: molekula v1 a (tmavě červená) M: molekula v2 a (světle zelená) a v1, v2 jsou neuspořádané ( disordrované ) formy Překryv 12 molekul Močovinový boční řetezec je flexibilní, ergolinový skelet je rigidní! Experimentální RTG data jsou v souhlase s ab-initio výpočtem
Polymorfní transformace v systému trans-d-terguridu E: tergurid. EtOH A: tergurid. 2/3 H 2 O M: tergurid. MeOH T> 40 o C suspenze ve vodě 1 hodina na vzduchu nebo 3 dny při 75% RH B: tergurid. H 2 O 6 hod, 70 o C suspenze ve vodě několik měsíců při 75% RH suspenze ve vodě C: tergurid D: tergurid. H 2 O F: tergurid. 2/3 H 2 O Stabilní fází v systému je monohydrát. Obecně ale neplatí, že solváty jsou stabilnější než ansolváty!!!
Polymorfismus atorvastatinu vápenatého (v příbalovém letáku se uvádí: sůl, hydrát; neuvádí se polymorf, amorfát) Do 12/2010 asi patentováno 70 krystalických forem + 30 patentů na amorfní formu Stabilní forma: atorvastatin vápenatý. 3H2O (forma I) Sortis (Pfizer), originál expirace 36 měsíců (forma I) Torvacard (Zentiva) expirace 18 měsíců (amorfát) Atorvastatin Actavis (Actavis) Atorvastatin Phab (Lek) Atorvastatin AV MED (Krka) Atorvastatin-Krka (Krka) Atorvastatin-Ratiopharm (Hoechst-Biotika) Atoris (Krka) Tulip (Lek) Triglyx (Teva) Hájková M., Kratochvíl B., Rádl S: Chem. Listy 102, 3 (2008). expirace 36 měsíců expirace 24 měsíců expirace 18 měsíců expirace 24 měsíců expirace 24 měsíců expirace 18, 24 měsíců expirace 24 měsíců expirace 24 měsíců
Příklady polymorfních systémů teoreticky zajímavé a prakticky důležité dimorfní kyselina acetylsalycilová Forma I Forma II Wishweshwar P. et al.:jacs 127, 16802 (2005).
Prakticky důležité a teoreticky zajímavé polymorfní systémy Teoreticky zajímavé O HO O O Nízkoteplotní polymorfy simvastatinu: O H 261 K 223 K Room Temp. fáze nízkoteplotní fáze I nízkoteplotní fáze II P 2 1 2 1 2 1 P 2 1 2 1 2 1 P 2 1 Hušák M., Kratochvíl B., Jegorov A.: Acta Crystallogr. A64, C211 (2008).
Příklady polymorfních přechodů Prakticky důležité Monotropní ( solvent mediated ) přechod mezi dvěma fázemi nicergolinu (směsný pakovací a konformační polymorfismus): polymorf I, krystaluje z polárních rozpouštědel (methanol, ethanol) polymorf II, krystaluje z nepolárních rozpouštědel (toluen) Překryv tří krystalograficky nezávislých molekul nicergolinu (červená polymorf I, molekula 1, žlutá polymorf I, molekula 2, zelená polymorf II)
Námelový alkaloid nicergolin Léková forma: Sermion (Pfizer) Nicergolin - léčba příznaků mozkové ischémie Nicergolin je dimorfní
Polymorfismus nicergolinu prakticky důležité (terapeuticky využívána forma I, forma II nečistota) Struktura formy I, krystaluje z polárních rozpouštědel (ethanol, methanol) Struktura formy II, krystaluje z nepolárních rozpouštědel (toluen) Stanovení forem I a II ve směsi metodou RTG práškové analýzy
Flexibilita/rigidita nicergolinové molekuly Překryv tří krystalograficky nezávislých molekul nicergolinu (červená polymorf I molekula 1, žlutá polymorf I molekula 2, zelená polymorf II)
Nepeptidické námelové alkaloidy cabergolin Lékové formy: Dostinex (Pharmitalia), Cabaser (Pharmacia & Upjohn) léčba poruch menstruačního cyklu a infertility způsobené zvýšenou hladinou prolaktinu
Polymorfní systém cabergolinu prakticky důležité I (ansolvát, P21), II (ansolvát, P212121), VII (ansolvát, P21), VIII (tert-butylmethylether solvát 1:1), IX (toluen solvát 1:1), XV (cyklohexan solvát 1:1), XVI (p-xylen solvát 1:1), XVII (1,2,4-trimethyl benzen solvát 1:1) VII (ansolvát, P21), linkování N1-H O24i I (ansolvát, P21) linkování N1-H N6i IX (toluen solvát 1:1, P212121) analogické formě II, linkování N1-H N6i
Překryv molekul cabergolinu ve formách I (zelená), II (černá) a VII (červená a modro-žlutě neuspořádaná ( disorderovaná )) Hodnoty torzního úhlu C7-C8-C20-N22 (I: 174 o, II: 151 o, VII: 63 o a 88 o )
Intensity / cps Teoretické práškové difrakční záznamy 6000 5000 4000 Cyklohexan solvát 3000 Toluen solvát 2000 TBE solvát 1000 forma II 0 10 15 20 25 30 35 2θ / forma I
Kombinace polymorfního složení Prakticky důležité Dostinex, Pfizer (příbalová informace, PIL neuvádí polymorfy): Léčivou látkou je cabergolinum 0,5 mg v jedné tabletě. Pomocnými látkami jsou laktosa (plnivo, pojivo) a leucin (ochucovadlo) Cabergolin 3 polymorfy (I, II, VII) Lék pro regulaci tvorby mléka u žen Laktosa 2 polymorfy (, ) Pro polymorfní složení Dostinexu připadá v úvahu 6 kombinací
Cabergolin efekt solventu na distorzi kruhů C a D (vzdálenost atomu od roviny) 1 C 4 D: nejlepší rovina proložená atomy N6, C10, C9, C7 E 3 C: nejlepší rovina proložená atomy C3, C4, C5, C10, C11 Vzdálenost, Å: rovina v kruhu C C10: XVII (-0,094) > XVI (-0,108) > IX (-0,179) > > VIII (-0,192) > XV (-0,195) Vzdálenost, Å: rovina v kruhu D C8: XVII (-0,686) > XVI (-0,700) >IX (-0,711) > > VIII (-0,716) > XV (-0,737) Nalezení cabergolinového solvátu jehož desolvatací vzniká forma I
Čistý pakovací polymorfismus sulfathiazolu Prakticky důležité
Polymorfismus cyklosporinů CsA = cyclo(-mebmt 1 -Abu 2 -Sar 3 -MeLeu 4 -Val 5 -MeLeu 6 -Ala 7 -D-Ala 8 -MeLeu 9 - MeLeu 10 -MeVal 11 -) cyklický undekapetid Přírodní cyklosporiny, kromě Cs A, formulované jako jeho substituční deriváty
Polymorfismus cyklosporinu A chemický a molekulární skelet CsA
Působení komplexu droga/receptor Receptor: Cyklofilin A Princip zámku a klíče droga receptor Cyklosporin A Mechanismus účinku: konformační změna vyvolá biochemickou reakci: komplex cyklosporin A / cyklofilin A blokuje produkci interleukinu-2,který je růstovým faktorem T-lymfocytů. T-lymfocyty (bílé krvinky) jsou odpovědné za imunitu organismu.
Imunosupresivum cyklosporin A (Cs A) Cyklosporin A v krystalickém dihydrátu a konformace jeho molekuly Lékové formy
Identifikace krystalické fáze v tobolce CsA Dimethylisorbid (DMI) uvažovaná komponenta do mikroemulze Nežádoucí krystalická fáze v tobolce Krystalický Cs A. DMI solvát Změna konformace molekuly CsA.DMI proti CsA.2H 2 O
Analýza kavit - screening solvátů cyklosporinů Struktura Cs A di-n-butylether solvátu Kavita je obklopena 6 molekulami Cs A Rozložení kavit v krystalové struktuře Vyplnění kavity molekulou di-n-butyletheru
Polymorfismus Cs A CsA monohydrát, prostorová grupa P 2 1 2 1 2 1 CsA dihydrát P 4 1 CsA monohydrát bis(aceton) solvát P 4 1 CsA dimethylisosorbid P 2 1 CsA di-n-butylether solvát P 2 1 CsA tetrahydrofuran solvát P 2 1 CsA ( )-n-butyl-laktát P 2 1 cyklosporinové klatráty cyklosporinové klatráty Dva konformační typy skeletu Cs A
Polymorfismus Cs A Cs A. 2H2O Cs A. dimethylisosorbid Konformace Cs A v krystalickém dihydrátu (vlevo) a v krystalickém dimethylisosorbidu (vpravo)
Polymorfismus Cs E Me Skelet Cs E Srovnání skeletů Cs A a Cs E CsE monohydrát bis(2-butanol) solvát PG P 2 1 CsE monohydrát aceton solvát P 2 1 cyklosporinové klatráty CsE ( )-n-butyl-laktát P 2 1 Imunosupresivita Cs E je ve srovnání s Cs A asi 20%
Přístup k polymorfismu cyklosporinů molekuly solventu obsazují cyklosporinové kavity Kavita ve struktuře Cs E monohydrátu aceton solvátu
Vznik kavit stanovení pozice malého solventu vedle velké organické molekuly na mapě elektronové hustoty (např. Cs A má 85 non-h atomů; di-n-butylether 9 non-h atomů) Cs A di-n-butylether solvát, hydrofóbní povrch CsA Kavita ve struktuře Cs A di-n-butylether solvátu je obklopena 6 molekulami Cs A
Lokalizace solventu v kavitě výpočet diferenční mapy elektronové hustoty pouze pro předpokládanou oblast lokalizace solventu (kavitu) Lokalizace di-n-butyletheru v kavitě, P 21/c (jasný případ)
Lokalizace solventu v kavitě Lokalizace dimethylisosorbidu v kavitě, P 21/c (zapeklitější případ)
Velikost kavity a její tvar je výsledkem experimentálního stanovení rozložení elektronové hustoty a nikoliv modelování Řez kavitou v Cs A di-n-butylether solvátu tvořenou VdW sférami atomů Cs A, intenzita modré barvy značí stupeň hydrofobicity
Rozložení kavit v krystalové struktuře a vyplňování kavit molekulami solventů Rozložení kavit ve struktuře CsA di-n-butylether solvátu prostorová grupa P 2 1, Z=2 Skutečný počet non H-atomů solventu v kavitě: 9 atomů Teoretická kapacita kavity (pro pakovací koeficient 19,4 pro CSD): 17 atomů Teoretická kapacita kavity (pro pakovací koeficient 21,15 pro Cs): 9 atomů
Cyklosporinové klatráty vyplňování kavit molekulami solventů CsA.H2O CsA.2H2O CsA. H2O CsA. dime CsA.di-n Bu CsA. di-n Bu CsA.butyl bis(aceton) isosorbid ether(150k) ether(293k) laktát Buňka V (Å 3 ) 7216 7896 7751 4121 3961 4144 3987 Všech non-h atomů v buňce 341 373 366 194 187 196 188 Atomů solventu v kavitách buňky (341-4*85) = 1 (373-4*85) = 33 (366-4*85) = 26 (194-2*85) = 24 (187-2*85) = 17 (196-2*85) = 26 (188-2*85) = 18 Atomů v kavitě teor. pro 21.15 Atomů v kavitě teor. pro 19.4 Realita atomů solventu 1/4 33/4 = 8 32/4 = 8 67/4 = 17 26/4 = 7 60/4 = 15 24/2 = 12 42/2 = 21 17/2 = 9 34/2 = 17 26/2 = 13 43/2 = 21 18/2 = 9 35/2 = 17 1 2 9 12 9 9 10 Průměrný pakovaci koeficient pro cyklosporiny (21.0+20.6+21.2+21.1+22.0+21.0)/6=21.15
Závěr Polymorfní systémy jsou z hlediska farmaceutického vývoje buď prakticky důležité nebo teoreticky zajímavé Pro rozlišení polymorfů od jedné chemické entity může být užita celá plejáda analytických technik pro identifikaci a stanovení polymorfů vedle sebe Obejití problému polymorfismu spočívá ve výběru jiné pevné fyzikální nebo chemické formy aktivní molekuly Je třeba rozlišovat čistý polymorfismus a všechny pevné formy aktivní molekuly