Распылительная сублимационная сушка в производстве фармацевтических препаратов

Распылительная сублимационная сушка в производстве фармацевтических препаратов

Heiko A. Schiffter, Институт биоинженерии, отдел технических наук, Оксфордский Университет

За последнее десятилетие разработка новых методов введения лекарственных препаратов и приспособлений для ингаляции сухих порошкообразных веществ и их безыгольной внутрикожной инжекции или пролонгированное парентеральное введение препаратов  привело к росту потребности в порошковой лекарственной форме, имеющей в своем составе активные фармацевтические ингредиенты (АФИ).

В отличие от производства и   приемов обращения с порошковыми формами, предназначенными для внутреннего употребления, методы изготовления стабильных биофармацевтических порошков сталкиваются с серьезными ограничениями, связанными с чувствительностью пептидов и протеинов   к условиям процесса измельчения до порошкообразного состояния. Более того, объемные свойства, такие, как распределение по размерам частиц   в конечном продукте или их плотность различаются в зависимости от приложения этого продукта. Частички сухого порошка   для ингаляции, например, должны быть менее 5 мкм в диаметре и незначительный разброс по величине, в то время как частички для безыгольной баллистической инжекции должны быть диаметром   30-60 мкм с и плотностью более 0.7 г/мл для успешного внутрикожного введения. Одним из наиболее часто используемых методов сушки белковых форм является сублимационная сушка, но, поскольку не предусматривается изготовление капельных форм, конечный продукт в виде т.н. «сухаря» [спекшейся массы после вакуумирования] может быть измельчен до частиц путем последующего механического перемалывания или растирания в порошок. Некоторые описанные недостатки, связанные с этим методом производства порошка, включают:

(1) получение частиц с диаметром более 1 мм ;

(2) большой разброс размеров частиц;

(3) изменения твердого состояния и распад пептида или белка под воздействием тепла, вырабатываемого при столкновении частиц между собой

Распылительная сушка, т.е. распыление жидкого раствора или суспензии в облако мелких капелек с тем, чтобы быстро испарить растворитель и сформировать частицы, - это сегодня устоявшийся метод п роизводства и   промышленной обработки стабильных белковых порошков™,   хотя чувствительные пептиды и белки могут инактивироваться в процессе обработки в связи с адсорбцией и денатурацией на границе соприкосновения воздуха с жидкостью, а также под воздействием   тепла при испарении! Стала также доступна такая производственная технология как надкритическая жидкостная, уже продемонстрировавшая свою полезность на практике. Распылительная сублимационная сушка это относительно новый метод производства биофармацевтических порошков, позволяющий повысить растворимость плохо растворимых химических соединений; это метод,   интерес к которому растет в течение   последних 7 лет.

Системы для распылительной    сублимационной сушки

Распылительная сублимационная сушка обычно включает:

1)    распыление жидкого раствора или суспензии с использованием одножидкостных, пневмо- или ультразвуковых распылителей для формирования капелек

2)    быстрое замораживание этих капелек в криогенном газе или жидкости

3)    сублимация замороженной воды с последующим получением конечных сухих частичек.

Термин распылительная сублимационная сушка охватывает различные производственные методики:

1)    замораживание орошением в пар над жидким криогеном

(2) замораживание орошением в жидкий криоген. Обе методики могут быть использованы с последующей вакуумной сублимационной сушкой (СС) или сублимационной сушкой при атмосферном или субатмосферном давлении (АтмСС).

Одна из первых публикаций , посвященных распылительной сублимационной сушке, датирована 1948 годом. Метод был использован Benson и Ellis для изучения площади поверхности белковых частиц, замороженных орошением в пару над жидким азотом с последующей вакуумной сублимационной сушкой. Этот метод, именуемый сегодня замораживание орошением в пар над жидким криогеном, является одним из самых широко используемых техник распылительной сублимационной сушки techniques. Порция жидкого материала распыляется в пар над криогенной жидкостью, такой, как жидкий азот или жидкий пропан с использованием либо пневмо- либо ультразвуковых распылителей. Капельки начинают замерзать во время пролета через холодную паровую фазу и полностью замерзают при соприкосновении с самой криогенной жидкой фазой. Находящиеся во взвеси замерзшие капельки можно собрать с помощью сепараторного сита или   дав возможность криогенной жидкости удалиться с кипением. В литературе описаны различные установки и разные геометрические формы контейнеров для сбора замороженных капелек во время   этого процесса.

Maa с соавт. использовал трехлитровую флягу с круглым дном и двумя горлышками, заполненную жидким азотом, содержимое которой перемешивается с помощью магнитной мешалки. Чтобы обеспечить низкую температуру в системе, флягу погружали в закалочную ванну, заполненную жидким азотом. Распыление воздуха под высоким давлением из пневматического распылителя приводило к снижению уровня жидкого азота вследствие испарения, что компенсировалось постоянным поступлением во флягу жидкого азота. Для последующей сублимационной сушки содержимое фляги переливалось в металлические лотки.

Sonner с соавт. использовал для этого лабораторную установку собственной конструкц ии, состоящую из ультразвукового распылителя, установленного на высоте 100 мм над круглой металлической чашей, заполненной жидким азотом. Сама чаша, в свою очередь, была установлена на магнитной мешалке, и весь аппарат был накрыт, чтобы минимизировать потери жидкого азота. После окончания процесса замораживания орошением чаша доверху заполнялась жидким азотом и ставилась на предварительно охлажденные полки сублимационной сушилки.

Costantino с соавт. использовал пневматический распылитель с газообразным азотом для распыления в камеру из нержавеющей стали. Жидкий азот для замораживания капелек поступал через четыре одножидкостных распылителя под давлением в 22 фунта на кв. дюйм. Замороженную суспензию сбирали в стаканы из нержавеющей стали, а для сублимационной сушки затем выливали в стеклянные блюда. Для использования стандартных сосудов для сублимационной сушки, Webb с соавт. переливал суспензию замороженных капель в жидком азоте в резервуар для охлаждения, заполненный сухим льдом, чтобы дать возможность выкипеть остаткам   жидкого азота. Суспензию замороженных капель затем переливали в предварительно охлажденные сосуды для сублимационной сушки с помощью предварительно охлажденных пластиковых щипцов и ложки.

Усовершенствованная конструкция лабораторных весов с переносом суспензии замороженных капель в 20-миллилитровые стандартные сосуды для сублимационной сушки была предложена Gieseler в 2004 году. Он использовал чашу в форме делительной воронки диаметром 220 мм , заполняемую криогенной жидкостью через изогнутую медную трубу у дна воронки. Это обеспечивало постоянный поток жидкого азота и движение замороженных капелек и позволяло избежать сдвигового напряжения плиты магнитной мешалки, сосуды были прочно прикреплены к концу чаши и погружены в охлаждающую ванну с жидким азотом. Перенос замороженных капелек в стандартные сосуды для сублимационной сушки позволил отслеживать температуру продукта и скорость сублимации во время   последующего цикла сублимационной сушки путем помещения термопары в сосуд или используя   микровесы для сублимационной сушки. После процедуры заморозки и сбора соответствующие контейнеры, содержащие замороженные капельки, помещались на предварительно охлажденные полки при температуре между -45°C и -50°C и подвергались лиофилизации в эмпирически подобранном цикле замораживания-высушивания. Два самых коротких описанных в литературе цикла   длились 16 часов 27 мин. и 50 часов 5 мин. в целом, в то время как типичный полный цикл лиофилизации составлял 7-10 дней.

В качестве альтернативы вакуумному замораживанию-высушиванию для сублимации замороженной воды было разработано оборудование с последующим замораживанием-высушиванием при атмосферном или субатмосферном давлении. Leuenberger с соавт. сконструировал сушилку с кипящим слоем для распылительной сублимационной сушки и сопоставил сушильные характеристики капелек,   замороженных орошением   в новом оборудовании с таковыми при классическом замораживании-высушивании. Использование сушилки с кипящим слоем дает более короткое время сушки и позволяет добиться более совершенной формы частиц и ее унификации. Выявлены были та кже проблемы, а именно малый выход   во время первичной фазы сушки   и сильные электростатические эффекты во время вторичной сушки. Wang и соавт. разработали установку, объединяющую фазу замораживания-высушивания и обработку в кипящем слое с использованием прямоточной транспортировки для направления порошка из замороженных капель к выходному фильтру. Эта модификация позволила обойти трудности образования суспензии и получения клейкого порошка из субстрата путем очистки фильтрованием, а также позволила завершить процесс сушки за   1-2 часа.

Замораживание орошением в жидкость   -   это весьма новая технология распыления и создания частиц, при которой порция жидкости: либо водный раствор, либо раствор, содержащий воду и органические сорастворители, а также активный (АФИ) и формообразующие наполнители, распыляется под поверхностью сжатой жидкости, такой, например, как сжатый жидкий CO, гелий, пропан, этан, или криогенные жидкости азот, аргон или гидрофторэфиры. Азот является криогеном выбора, потому что он недорогой, не агрессивен по отношению к окружающей среде и инертен.

Rogers и сотр. описали две разных установки   для замораживания орошением в жидкий криоген:

(1) конструкция по типу лабораторных весов (объем раствора < 50 мл) с использованием шприцевого насоса под высоким давлением   и ванночка для раствора.

(2) Пилотная установка в масштабе (объем раствора > 50 ml) с   изолированным полиэфирэфиркетоновым штутцером с внутренним диаметром 127 мкм длиной 150 мм с постоянным давлением 13.4 МПа, создаваемым ВЭЖХ насосом для доставки жидкости.

Соударение жидкости с жидкостью, когда две жидкости сталкиваются, приводит к интенсивному распылению   мелких капелек, которые немедленно замерзают. Суспензия из замороженных капель затем переливается в   300- миллилитровые сосуды и помещается на предварительно охлажденные   ( -80°C )   полки, чтобы дать возможность жидк ому азоту выкипеть, или ее собирают с помощью сепарационного сита с ячейками калибром 150. Последующий процесс замораживания-высушивания занимает от 52 до 72 часов до получения конечного порошкообразного продукта. Rogers   с соавт. успешно использовал замораживание-высушивание при атмосферном давлении atmospheric freeze-drying (АТМ) скорость переноса массы при сублимации в сочетании с замораживанием орошением в жидкий криоген.

Характеристика   продуктов распылительной   сублимационной сушки

В одном из первых исследований Maa с соавт.  постулированы высокие аэрозольные характеристики легких и пористых частичек, полученных первым методом   по сравнению с частицами порошка, полученными,   распылительной сушкой. «При одинаковых условиях распыления, частички, полученные первым методом были крупнее и менее плотные, и площадь поверхности у них была примерно в 40 раз больше, чем у частичек, полученных распылительной сушкой». Фракция мелких частиц порошка, полученного методом распылительной сублимационной сушки, была лучше, чем таковая, полученная методом замораживания-высушивания, благодаря своим лучшим аэродинамическим свойствам.

Влияние условий распыления и неоднородности лекарственной формы в плане размера частиц и их стабильности   были изучены Costantino с соавт., которые показали, что размер частиц, с одной стороны, и удельная площадь их поверхности и количество образующихся агрегатов бычьего альбумина, с другой стороны находится в обратно пропорциональной зависимости. Было обнаружено, что трипсиноген теряет примерно 15% своей сходной ферментативной активности при первом методе, причем агрегация его только маргинальная -   1.4%. Природу инактивации трипсиногена нельзя связать с адсорбцией белка на границе воздух / жидкость или с   фазовым переходом и замораживанием жидких капелек, и выходит, что она наступает на более позднем этапе – при сублимационной сушке. В противоположность этому результату Webb с соавт. показал, что адсорбция рекомбинантного человеческого г-интерферона (рчг-ИФН) происходит на границе соприкосновения воздух/жидкость и лед-жидкость. Адсорбция рчг-ИФН на границе соприкосновения воздух/жидкость была порядка 4.5 mg/m 2 при площади поверхности 0.12 mVg для раствора (капельки 50 мкм) и в 4 раза больше, чем на границе соприкосновения   лед/жидкость. Потеря белка составила около 12% для исходного раствора   5 мг/мл, что хорошо согласовывалось с данными измерения количества белка на поверхности порошкообразного рчг-ИФН. Добавка 0.12% полисорбата снижала поверхностную адсорбцию белка и также снижала,   но не могла полностью предотвратить агрегацию рчг-ИФН.

Yu с соавт .  широко исследовал стабильность лизоцима в процессе первого и второго методов сублимационной сушки. В ходе обоих процессов продуцировались высокопористые агрегаты протеиновых частичек. В порошке, полученном вторым методом, содержались более мелкие частички, степень агрегации белка и потеря ферментативной активности была меньшей, чем в порошках, полученных первым методом, в основном, благодаря меньшему избытку лизоцима на поверхности при втором методе, чем при первом при распылении. Капельки при первом методе начинают замерзать во время полета, на протяжении фазы криогенного пара и полностью замерзают при контакте с жидкой фазой криогенного вещества. Морфология частиц не фиксируется, пока капли полностью   не затвердеют, и следовательно, два важных фактора могут оказать неблагоприятное влияние на распределение частиц по размерам, в то время как распыленные капельки проходят через газовую брешь над криогенной жидкостью: (1) столкновение и   слияние капелек и (2) ратворенные вещества могут преципитировать и накапливаться в незамерзших участках капелек. На основании предыдущих сообщений, самые высокие скорости охлаждения могут быть достигнуты при непосредственном погружении порции жидкости в криоген. Максимальные скорости охлаждения в жидком криогене порядка 103 К/сек при размерах капелек порядка 10 um. Высокие скорости охлаждения потенциально могут свести к минимуму формирование ледяных ядер и, следовательно, затормозить рост ледяных кристаллов, а также привести к образованию   стекловидной структуры прежде, чем белок подвергнется агрегации в концентрированном еще вследствие замораживания раствора или успеет адсорбироваться при соприкосновении со льдом или   стекловидной водой. Формирование аморфной структуры   может также замедлить релаксационные процессы , которые могут привести к денатурации обрабатываемого пептида или белка. Независимо от нестабильностей, вызываемых адсорбцией на границе взаимодействия, остаточное напряжение в стекле во время цикла лиофилизации может оказать отрицательное влияние на стабильность пептида или белка. Технология замораживания орошением жиким криогеном выигрывает от   взаимодействия жидкость-жидкость, которое происходит, когда две жидкости сталкиваются – высокие числа Рейндольса Вебера ведут к интенсивному распылению в мельчайшие капельки непосредственно внутри жидкого криогенна и позволяют избежать механизмов   роста капелек / частичек в паровой фазе замораживания.

Многочисленные недавние исследования показали, что оба этих метода могут оказаться очень эффективны, если вы хотите производить   порошкообразные формы плохо растворимых в воде   фармацевтических соединений с хорошей смачиваемостью и улучшить характеристики их растворимости, которыми они обязаны своей аморфности.

Rogers с соавт.      продемонстрировал, что замораживание орошением в жидкий криоген позволяло генерировать комплексы включения Даназол / гидроксипропил-б-циклодекстрин, которые растворялись быстрее и в большей степени, чем полученные по традиционным технологиям, таким, как совместное размалывание или медленное замораживание. Сходные результаты были получены Hu с соавт., которые показали, что их   комплекс Даназол/ Полоксамер 407, изготовенный по второй технологии растворялся на 99% в течение десяти минут, в то время как растворимость физической смеси составила только   48% в час. Еще позже   Hu с соавт.  разработали органическую систему для дальнейшего улучшения показателей растворимости частичек, полученных замораживанием орошением в жидкий криоген. В конечных продуктах - порошках высокой мощности действия из смеси Даназол / PVP K-15 в ацетонитриле обнаружилась 95% растворимость даназола уже в течение двух минут. Фармакокинетический анализ in vivo   этих лекарственных форм даназола, показал возросшую оральную биодоступность и б ольшие значения площади под кривой (AUC) , чем у коммерческого продукта просто массы кристаллического даназола. Распыленные лекарственные формы итраконазола, полученные этим методом, также обнаруживали высокую биодоступность и высокую эффективность против грибковых инфекций in vivo, что выразилось в более высоком проценте выживаемости при испытаниях на животных. По крайней мере, Rogers с соавт. использовал эту систему, чтобы затем получить порошки даназола с усиленной растворимостью. Они установили, что чрезвычайно мелкодисперсные порошки, получаемые из эмульсий, обладали такой же усиленной растворимостью, как порошки, полученные из растворов, но более высокое содержание АФИ может быть получено с помощью замораживания орошением в жидкий криоген из эмульсий.

Применение распылительной сублимационной сушки

По Leuenberger, распылительная сублимационная сушка является технологическим процессом выбора, если от продукта требуются следующие свойства:

(1) пористая структура с большой удельной площадью поверхности

(2) свободно текущий порошок для употребления в качестве   конечного или промежуточного продукта

(3) улучшение биодоступности чрезвычайно плохо растворимых в воде соединений

Увеличение скорости растворения и, тем самым, биодоступности   плохо растворимых в воде АФИ подробно обсуждено выше. В одном из первых исследований Maa с соавт. успешно использовал первый метод для производства белковых порошков, содержащих рекомбинантную человеческую дезоксирибонуклеазу (рч ДНА) моноклональные антитела против IgG (МКАТ анти-IgG) для ингаляции в виде сухих порошков. Применяемый им метод позволяет производить большие (-8-10 мкм) и более пористые частицы по сравнению с мелкими (-3 мкм), плотными частицами, полученными горячей сушкой распылением при тех же условиях распыления. Значительно лучшая фракция мелких частичек (ФМЧ) порошка, полученная с помощью этого метода по сравнению с сушкой распылением отличалась в лучшую сторону, в первую очередь, своими аэродинамическими свойствами и подтверждала концепцию, что пористые частицы имеют малые аэродинамические размеры. Чтобы разработать лекарственную форму, сухой порошок для ингаляций из цетрореликса Zijlstra с соавт. сравнивали разные технологии производства частичек и влияние этих технологий на ингаляционные характеристики порошка. Они сумели произвести частички, похожие на те, которые производили Maa с соавт. и Costantino с соавт. в плане размеров, площади поверхности и пористости. Однако, ФМЧ и рабочие характеристики частиц, полученных методом замораживанием орошением в пар наджидким криогеном были хуже, чем у частиц, полученных сушкой распылением и перемалыванием. Zijlstra с соавт. объясняет эти результаты пористой и хрупкой структурой частиц, которая не позволяет им вынести производственный процесс адгезивного смешивания, когда   частички цетрореликса, полученные методом распылительной сублимационной сушки, подвергаются воздействию толчковой силы при столкновении с лактозой. Фрагменты раздавленных частичек це трореликса прикреплялись к носителю и, прикрепившись, могли быть вновь разделены лишь с большим трудом. В результате показатель сепарации оказался относительно низким, чем и объясняется низкая - 25% - процентная доля ФМЧ по данным каскадного импакторного анализа по сравнению с   66% для сушки распылением.

Van Drooge с соавт. открыл, что этот путь из смеси воды и четвертичного бутанола является подходящим технологическим процессом для включения лиофильных лекарственных препаратов, таких, как   тетрагидроканнабинол (ТГК) в инулиновые стеклянные   матрицы для создания порошка, пригодного для ингаляции. ТГК более эффективно удавалось стабилизировать с помощью именно этого метода, чем с помощью медленного замораживания-высушивания и ФМЧ, что указывало на пригодность для ингаляций. Costantino с соавт. и Wang с соавт. Использовали частицы, полученные первым методом, как промежуточный пористый продукт с большой площадью поверхности для последующей микроинкапсуляции в   разлагаемые микроорганизмами полимерные (лактид-ко-глюколид ) микросферы.

Wang с соавт. сумел сохранить более 90% целостности иммуноглобулина G при этом методе, когда лекарственная форма была стабилизирована маннитолом и трегалозой. Полученные микрочастички иммуноглобулина G потом были успешно микроинкапсулированы в полимерные микросферы с использованием процедуры инкапсуляции, именуемой   «сохранение твердости в воде и масле»».

В 2004 году Maa с соавт. опубликовал исследование, посвященное разработке процесса изготовления с помощью замораживания орошением в пар над жиким криогеном противогриппозной вакцины в форме сухого порошка для внутрикожной иммунизации путем безыгольного баллистического введения. Они сумели переформулировать коммерческую противогриппозную вакцину методом распылительной сублимационной сушки высококонцентрированного жидкого раствора (35% воды), содержащего трегалозу, маннитол и декстран (lOkDa), чтобы получить частички, содержащие 45микрограмм вакцины на миллиграмм порошка для успешного   баллистического введения. В отличие от мелких и весьма пористых частичек с плотностью утряски, не превышающей 0.01 г/мл -   идеальных для такого применения частички для успешного безыгольного баллистического введения были размером между 30-60 мкм среднего диаметра и плотность их утряски примерно 0.7 г/мл. Указанные порошковые формы, полученные этим методом в дальнейшем успешно прошли доклиническую I фазу испытаний на людях. В недавних исследованиях изучалось   использование трегалозы, маннитола и гидроксиэтил-крахмала, как неживотного происхождения заменителей декстрана для создания порошков, подходящих для безыгольного баллистического введения каталазы.

В области технологий наночастиц, Leach с соавт. изготовил наноструктурированные белковые микрочастицы с использованием замораживания орошением в жидкий криоген процедуры с последующим расщеплением этих высокопористых и хрупких агрегатов белковых частиц на субмикронные частицы. Полученные наночастицы были потом инкапсулированы в полимер с помощью безводной технологии, именуемой «сохранение твердости в масле и в масле»». (т/м/м). Размерная эксклюзионная хроматография указывала только на легкие потери BSA (бычьего сывороточного альбумина) мономера, соответствующие 3.9% инкапсулированного белка.

Вывод

Пригодность процесса для получения определенных конкретных частиц и порошковой формы и соответствующий выбор основывается на потребностях для конкретного применения. Критериями оценки являются размер частиц, распределение их по размеру, текучесть порошка, эффективность процесса и выход продукта, масштабируемость, долгосрочная физическая стабильность порошка и его долгосрочная биохимическая стабильность. Показано, что распылительная сублимационная сушка является приемлемым методом, если значимыми критериями являются хороший контроль размера частиц, сферическая форма частиц и большой выход продукта. Более того, это может оказаться технологией выбора при необходимости повышения биодоступности плохо растворимых в воде фармацевтических препаратов.

Печатается по материалам журнала
«European Pharmaceutical Review»,
выпуск 3, 2007