Tracing the crystallization of poorly soluble drugs by terahertz time-domain spectroscopy
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Philipps-Universität Marburg
Abstract
The aim of this thesis is to leverage and accentuate the capabilities of THz TDS for crystallinity analysis in the pharmaceutical context, particularly with regard to poorly soluble drugs. In the pharmaceutical industry, the low water solubility of many newly developed APIs has emerged as one of the biggest challenges. As high solubility in water and physiologically relevant fluids is an essential prerequisite for the pharmacological efficacy of an API, several strategies have been applied in recent years to overcome this discrepancy. One of these methods is the transformation of APIs to a better soluble solid-state form. Notably, the preparation of an amorphous form APIs has proven to be a promising approach. However, the underlying advantage of amorphous APIs, i.e. their high free energy, is accompanied by the main challenge in the development of amorphous drug formulations: the inherent thermodynamic instability of the amorphous state in relation to the crystalline, which engenders a risk of crystallization into a less soluble form. So far, the solid-state characterization of pharmaceuticals has mostly been performed by traditional and well established techniques, such as XRD or DSC. An emerging complementary technique for crystallinity analysis is THz TDS. It is highly sensitive to directly probe intermolecular vibrations and interactions and it can be used to resolve subtle differences in the structure of molecular solids. Therefore, the aim of this work is to exploit and highlight the potential of THz TDS in the pharmaceutical field, in particular to gain further insights into crystallization processes and stabilization mechanisms of amorphous or polymorphic forms of poorly soluble drugs. In the context of this work, three peer-reviewed articles have been published dealing with different aspects of this issue.
The first two subprojects focus on so-called smartFilms and paper tablets. SmartFilms are a novel and promising strategy for improved oral drug delivery and are based on cellulose-matrices in which APIs are incorporated in an amorphous form. In the first work, NIF is used as a model substance, as it is known to be very instable when in amorphous state. Hence, its stabilization against crystallization can pose a great challenge in the development of amorphous drug formulations. Both classical paper tablets as well as tablets containing PVP as a secondary carrier are studied. Overall, tablets containing additional PVP show an improved performance compared to conventional smartFilms with regard to the inhibition of crystallization of NIF. The addition of PVP as an extra carrier appears to be beneficial as it increases the ability to transfer NIF into its amorphous form. Furthermore, the capability to keep NIF amorphous and to prevent its crystallization over a period of six months can be improved. Notably, NIF was found to be completely amorphous after such elongated periods in formulations containing up to 10 w% of the API in the presence of PVP.
The second subproject focuses on wet granulation as an processing step in the industrially-feasible production of paper tablets. In this work, NOR is utilized as a model drug and both wet-granulated and non-granulated samples, i.e. directly compressed tablets, are examined. Moreover, the performance of THz TDS is compared to that of the gold-standard XRD. Indeed, the analysis by XRD turns out to be complicated as diffraction features related to the crystalline API partially overlap with signals based on crystalline sucrose, an excipient in the formulations needed for wet granulation. In contrast, THz TDS allows for unambiguous assignment of the absorption peaks corresponding to crystalline NOR and sucrose and consequently a more straightforward analysis of the samples. In addition, for the devices used and the formulations studied in this work, THz TDS has a lower limit of detection than XRD with regard to crystalline NOR. Consequently, by using THz TDS, it is furthermore possible to detect partial crystallization of the API after wet granulation, whereas this is not possible based on XRD.
As shown in the first two studies, precise crystallinity assessment is of great importance in the development of amorphous drug formulations. However, this can be very time-consuming, in particular with regard to systematic long-term stability studies. Hence, in the third subproject, a custom-build measurement platform, the so-called T-Box, is developed and tested. The T-Box allows for automated in-situ crystallinity analysis of multiple samples by THz TDS in transmission mode under temperature-controllable conditions. Using the platform, different storage temperatures can be simulated, enabling the monitoring of accelerated aging processes of amorphous APIs. In this work, neat amorphous NIF is used for model samples and the crystallization is examined for 144 h at 24 °C, 30 °C and 35 °C. All samples initially crystallize in the thermodynamically metastable beta-crystalline form, followed by a conversion to the stable alpha-crystalline form. Both the onset of crystallization as well as the conversion to alpha-NIF occur faster at higher temperatures. Hence, even though the storage temperatures differ only slightly, significant differences in the crystallization rate can be detected using the setup developed.
Nevertheless, further research is required to achieve a more profound comprehension of the effects that collectively contribute to the (de)stabilization of amorphous APIs. For instance, the advanced paper tablets approach could be tested to enhance the stability of APIs against crystallization during wet granulation. Moreover, the T-Box might be used for comparative stability studies of several amorphous drug formulations, such as paper tablets or ASDs prepared by different techniques. Additionally, the storage conditions inside the T-Box could be expanded. For example, the accessible storage temperature range could be extended and a humidity control unit might be installed. Such an extension to a climate chamber could lead to further unique insights into crystallization processes, polymorph transitions and (artificial) aging in general.
In summary, it is demonstrated that THz TDS provides an excellent probe for crystallinity determination in the pharmaceutical setting, particularly with regard to poorly soluble drugs. It can be used as a complementary technique for the identification and quantification of different solid-state forms of pharmaceuticals and can lead to valuable insights into crystallization processes and polymorph transitions. Along with the overall advantages of the technology, such as its fast data acquisition or the use of non-ionizing radiation, this can be of great interest in the development of pharmaceutical formulations containing amorphous drugs and beyond. Although this work focuses on the applicability of THz TDS for the investigation of amorphous APIs, the results presented are also relevant for other use cases. Possible fields of application could include crystal engineering, material characterization or materials science in general. Especially, due to its non-destructive nature, it can serve as a helpful tool in systematic stability studies, where the use of established tools, such as XRD or DSC, is more limited. With further development of affordable and user-friendly THz TDS devices as well as ongoing promotion of its capabilities outside the "THz-community", it is highly probable that the technique will become more prevalent in routine pharmaceutical applications, aiding in the development of safe and effective medicines for future generations.
Das Ziel dieser Arbeit ist es, das Leistungsvermögen der Terahertz (THz) Zeitbereichsspektroskopie (TDS, engl. time-domain spectroscopy) für die Kristallinitätsanalyse hervorzuheben mit dem Fokus auf schwerlöslichen Pharmazeutika. In der Pharmaindustrie hat sich die geringe Wasserlöslichkeit vieler neu entwickelter Wirkstoffe als eine der größten Herausforderungen offenbart. Da eine ausreichend hohe Löslichkeit in physiologisch relevanten Flüssigkeiten eine wesentliche Voraussetzung für die pharmakologische Wirksamkeit eines oral verabreichten Wirkstoffes ist, wurden in den letzten Jahren verschiedene Strategien zur Überwindung dieser Diskrepanz entwickelt. Eine dieser Methoden besteht darin, Wirkstoffe physikalisch zu modifizieren und sie in einen löslicheren Zustand zu überführen. Insbesondere die Herstellung von Wirkstoffen in amorpher Form hat sich als vielversprechender Ansatz erwiesen. Der grundlegende Vorteil amorpher Wirkstoffe geht jedoch mit der größten Herausforderung bei der Entwicklung amorpher Arzneimittelformulierungen einher: der inhärenten thermodynamischen Instabilität des amorphen Zustands im Vergleich zur kristallinen Phase und dem daraus resultierenden Risiko der Kristallisation in eine weniger lösliche Form. Bisher wurden Kristallinitätsanalysen von Pharmazeutika zumeist mit traditionellen, etablierten Verfahren wie der Röntgenpulverdiffraktometrie (XRD, engl. X-ray powder diffraction) oder Dynamischen Differenzkalorimetrie (DSC, engl. Differential scanning calorimetry) durchgeführt. Ein aufstrebendes komplementäres Verfahren zur Kristallinitätsanalyse ist die THz TDS. Diese Methode ermöglicht die direkte Untersuchung intermolekularer Wechselwirkungen, wie z.B. Phononen in Festkörpern. Ziel dieser Arbeit ist es daher, das Potential der THz TDS im pharmazeutischen Umfeld zu nutzen und hervorzuheben, insbesondere um weitere Erkenntnisse über Kristallisationsprozesse und Stabilisierungsmechanismen polymorpher Formen schwerlöslicher Wirkstoffe zu erhalten. Im Rahmen dieser Arbeit wurden drei referierte Artikel veröffentlicht, die sich mit verschiedenen Aspekten dieses Themas befassen.
Die ersten beiden Teilprojekte konzentrieren sich auf sogenannte smartFilms und Tabletten aus Papier. SmartFilms sind eine neuartige und vielversprechende Strategie für eine verbesserte orale Arzneimittelaufnahme und basieren auf Cellulose-Matrizen, in die Wirkstoffe in amorpher Form eingebettet werden können. In der ersten Arbeit wird Nifedipin als Modellwirkstoff verwendet, da es im amorphen Zustand sehr instabil ist. Die Stabilisierung zur Vermeidung einer Kristallisation kann daher eine große Herausforderung bei der Entwicklung amorpher Arzneimittelformulierungen mit Nifedipin darstellen. Es werden sowohl klassische Papiertabletten als auch Tabletten mit Polyvinylpyrrolidon als sekundärem Träger untersucht. Insgesamt zeigen Tabletten, die Polyvinylpyrrolidon enthalten, eine verbesserte Leistung hinsichtlich der Hemmung der Kristallisation von Nifedipin im Vergleich zu herkömmlichen smartFilms. Die Zugabe von Polyvinylpyrrolidon als zusätzlichen Träger zur Cellulose-Matrix erweist sich als vorteilhaft, da es die Fähigkeit erhöht, Nifedipin in einer amorphen Form zu halten. Darüber hinaus ermöglicht die Zugabe von Polyvinylpyrrolidon die Vermeidung der (Re)kristallisation von Nifedipin über einen Zeitraum von sechs Monaten.
Das zweite Teilprojekt konzentriert sich auf die Nassgranulation als zusätzlichen Verarbeitungsschritt bei der industriell-realisierbaren Produktion von Papiertabletten. In dieser Arbeit wird Norfloxacin als Modellwirkstoff verwendet und es werden sowohl nassgranulierte als auch nicht granulierte, d. h. direkt gepresste Proben untersucht. Darüber hinaus wird die Leistungsfähigkeit der THz TDS mit der des Goldstandards XRD verglichen. Tatsächlich erweist sich die Analyse mittels XRD als kompliziert, da Beugungsreflexe, die mit dem kristallinen Wirkstoff in Zusammenhang stehen, teilweise mit den Signalen kristalliner Saccharose überlappen. Letztere ist den Formulierungen als Hilfsstoff zugesetzt und für eine Nassgranulierung erforderlich. Im Gegensatz dazu ermöglicht die THz TDS eine eindeutige Zuordnung der Absorptionsbanden von kristallinem Norfloxacin und kristalliner Saccharose und somit eine einfachere Analyse der Proben. Darüber hinaus hat die THz TDS für die in dieser Arbeit verwendeten Geräte und untersuchten Formulierungen ein niedrigeres Detektionslimit als XRD in Bezug auf kristallines Norfloxacin. Folglich ist es durch die Verwendung von THz TDS auch möglich, eine partielle Kristallisation des Wirkstoffs nach der Nassgranulierung zu detektieren, während dies mittels XRD nicht möglich ist.
Wie in den ersten beiden Studien gezeigt wurde, ist eine präzise Kristallinitätsbewertung bei der Entwicklung amorpher Arzneimittelformulierungen von großer Bedeutung. Dies kann, insbesondere im Hinblick auf systematische Langzeitstabilitätsstudien, sehr zeitaufwendig sein. Daher wird im dritten Teilprojekt eine spezielle Messplattform, die sogenannte T-Box, entwickelt und getestet. Die T-Box ermöglicht eine automatisierte und temperaturkontrollierte in-situ Kristallinitätsanalyse mehrerer Proben mittels THz TDS in Transmissions-Geometrie. Mit der Plattform können verschiedene Lagerungstemperaturen simuliert werden, wodurch beispielsweise beschleunigte Alterungsprozesse von amorphen pharmazeutischen Wirkstoffen überwacht werden können. In dieser Arbeit wird reines amorphes Nifedipin als Modellsubstanz verwendet und die Kristallisation für 144 Stunden bei 24 °C, 30 °C und 35 °C untersucht. Alle Proben kristallisieren zunächst in einer thermodynamisch metastabilen beta-kristallinen Form, gefolgt von einer Umwandlung in die stabile alpha-kristalline Form. Sowohl das Einsetzen der Kristallisation als auch die Umwandlung in alpha-Nifedipin erfolgen schneller bei erhöhter Temperatur. Mit dem entwickelten Aufbau können daher bereits bei nur geringfügig abweichenden Lagertemperaturen erhebliche Unterschiede in der Kristallisationsrate detektiert werden.
Weitere Forschungsarbeiten sind erforderlich, um ein noch tiefgreifenderes Verständnis der Effekte zu erlangen, die zur (De)stabilisierung amorpher pharmazeutischer Wirkstoffe beitragen. So könnte beispielsweise der Ansatz der erweiterten Papiertabletten getestet werden, um die Stabilität von pharmazeutischen Wirkstoffen gegen Kristallisation während der Nassgranulation zu verbessern. Darüber hinaus könnte die T-Box für vergleichende Stabilitätsstudien mehrerer amorpher pharmazeutischer Formulierungen verwendet werden, wie zum Beispiel Papiertabletten oder Feststoffdispersionen, die mit unterschiedlichen Techniken hergestellt wurden. Ebenso könnten die realisierbaren Bedingungen innerhalb der T-Box erweitert werden. Beispielsweise könnte der Lagerungstemperaturbereich ausgeweitet und eine Feuchtigkeitsregelung installiert werden. Eine solche Erweiterung zu einer leicht integrierbaren Klimakammer könnte zu weiteren einzigartigen in-situ Einblicken in Kristallisationsprozesse, Phasenumwandlungen oder (künstliche) Alterungsprozesse im Allgemeinen beitragen.
Insgesamt hat diese Arbeit erfolgreich das Vermögen der THz TDS als hervorragend geeignete Technik zur Bestimmung der Kristallinität aufgezeigt, insbesondere im Hinblick auf schwerlösliche Wirkstoffe. Die THz TDS kann als ergänzende Technik zur Identifizierung und Quantifizierung verschiedener Festkörperformen von Pharmazeutika eingesetzt werden und wertvolle Erkenntnisse über Kristallisationsprozesse amorpher pharmazeutischer Wirkstoffe liefern. Neben den allgemeinen Vorteilen der Technologie, wie der schnellen Datenerfassung oder der Verwendung nichtionisierender Strahlung, kann dies bei der Entwicklung von pharmazeutischen Formulierungen, die amorphe Pharmazeutika enthalten, und darüber hinaus von großer Bedeutung sein. Auch wenn sich diese Arbeit auf die Anwendung der THz TDS für die Untersuchung amorpher Wirkstoffe fokussiert, werden die gewonnenen Erkenntnisse ebenfalls für weitere Anwendungsfälle nützlich sein. Dies gilt unter anderem für das „Crystal-Engineering" als wichtiges Teilgebiet der Materialwissenschaften. Insbesondere aufgrund der Möglichkeit der zerstörungsfreien Messung kann die THz TDS als hilfreiches Werkzeug in systematischen Stabilitätsstudien dienen, bei denen der Einsatz etablierter Messtechniken wie der XRD oder DSC eingeschränkt ist. Mit der anhaltenden Hervorhebung des Potenzials außerhalb der „THz-Gemeinschaft" sowie der Weiterentwicklung kostengünstiger, benutzerfreundlicher Geräte wird diese Technik in pharmazeutischen Routineanwendungen an Bedeutung gewinnen und entscheidend zur Entwicklung sicherer und wirksamer Medikamente beitragen.