Crashkurs in Feststoffanalyse

1. Stunde: Warum sollte man sich mit Feststoffanalyse beschäftigen?

Feststoffanalyse – die auch als Partikel- oder Pulveranalyse bekannt ist, ist wesentlich für das Verständnis und die Kontrolle eines Pharmakons in der Entwicklung.

Die Abwesenheit von Kontrolle über die Partikel eines Pharmakons erhöht das Risiko plötzlicher Umwandlungen, welches zu Änderungen in der Stabilität und Substanzeigenschaften führen. Diese Änderungen können große Auswirkungen des Verhaltens der Substanz während der Herstellung, Handhabung und letztendlich in vivo haben. Das heißt, das Risiko Partikelanalysen nicht durchzuführen zu lassen, kann bedeuten das analytische Programm (wo die Stabilität überprüft wird) und die klinischen Studien (in der das Pharmakon Menschen verabreicht wird) müssten evtl. wiederholt werden, was einen erheblichen finanziellen Aufwand darstellt.

Abbildung: Plasmaprofil (Blutkonzentration eines Pharmakons) eines virtuellen Patienten – um die gewünschte Wirkung eines Pharmakons zu erhalten sollte das optimale Plasmaprofil erreicht werden (hier rot dargestellt). Zu geringe Blutkonzentration führt zum Ausbleiben des Effekts (violette Kurve), eine zu hohe Konzentration zu unerwünschten toxikologischen Wirkungen (hellblaue Kurve).

Bei Ritonavir, einem HIV Proteaseinhibitor, fand spontan eine „Kristallumwandlung“ statt. Eine Kristallumwandlung ist eine Änderung betreffend der partikelinternen Ordnung. Je stärker diese Interaktionen zwischen den einzelnen Molekülen, desto schwerer sind sie aufzulösen, d.h. voneinander zu trennen. Und nur die gelöste Form des Wirkstoffes ist wirksam.

Für Ritonavir bedeutete diese Kristallumwandlung, dass die resultierenden Partikel sehr schwer löslich sind. Das wiederum führte dazu, dass der Wirkstoff nicht wirkte, was fatale Folgen für die Patienten, die von der Therapie abhängig waren hatte.

Letztendlich wurde das Produkt vom Markt genommen, da der Herstellungsprozess nicht mehr zuverlässig die richtige Kristallform liefern konnte. Ultimately, the pharmaceutical product was withdrawn from the market because the manufacturing process was no longer able to reliably produce the desired crystal form. Schließlich konnte das Produkt mit dem stabilsten Polymorph neu formuliert werden und wurde wiedereingeführt.

2. Stunde: Was ist ein Kristall?

Diamant und Graphit (etwa in der Bleistiftmine) sind verschiedene Kristallformen des gleichen Elements (Kohlenstoff). Die einzige Unterschied ist das Kohlenstoff auf der molekularen Ebene eine andere Anzahl von Nachbarn hat! Je stärker die Bindungen zwischen Nachbarn sind, desto schwerer ist es sie voneinander zu trennen.

In einem Kristall sind alle Moleküle ähnlich miteinander verbunden. Alle Moleküle haben unterschiedliche Formen der Bindung. Das heißt für Pharmakonkristalle, das fast immer mehrere Kristallformen vorkommen. Unterschiedliche Kristallformen nennt man auch Polymorphe (lesen Sie mehr).

 

Je nachdem, welche Bedingungen während der Herstellung eines Materials vorliegen, ordnet es sich verschieden an. Analog wie Menschen in einem Bus, verteilen sich diese sich leicht und entspannt auf die Sitzplätze, wenn viel Platz ist. In einem überfüllten Bus stehen die Leute wesentlich dichter zusammen. Für alle Materialien gilt: bei einer bestimmten Temperatur und einem bestimmten Druck gibt es eine stabilste Form. Das heißt, über die Zeit wird jede andre Form in diese Stabilste übergehen. Im Busbild bedeutet das, dass wenn wieder weniger Leute mitfahren, diese lieber sitzen.

Das ist auch der Fall für Kohlenstoffatome in Graphit und Diamant, wo Graphit die stabilere Form ist: wenn man lange genug wartet wandeln sich Diamanten in Graphit um (über Tausende Jahre bei Normalbedingungen). Das gleiche gilt für Pharmakons, die stabilste Form ist immer bevorzugt, allerdings kann der Übergang kinetisch gehemmt sein. Die weniger stabile Form kann ebenfalls ausreichende stabil für Anwendung und Handhabung sein. Oft ist die stabilste Form eine langsamere Auflösungsrate und ist damit weniger gut als Pharmakon geeignet und sollte in diesen Fällen abgewählt werden.

3. Stunde: Wie kann man feststellen, dass ein Material tatsächlich kristallin vorliegt?

Es reicht nicht aus, die Partikel visuell zu untersuchen um Kristallinität festzustellen. Die weitverbreitetste Methode zur Kristallinitätsbestimmung ist die Röntgenpulverdiffraktometrie (XRPD). Wenn ein Material gerichteter Röntgenstrahlung ausgesetzt wird, kann man ein „Signal“ darüber bekommen, ob es kristallin vorliegt. Wenn keine interne Fernordnung vorliegt (es amorph ist), wird das Diffraktogramm (das Ergebnis des XRPD Experiments) nur eine erhöhte Basislinie zeigen. Nur beim Vorliegen von Kristallen, sind Reflexe (Peaks) erkennbar.

Alle Kristallformen haben ein einzigartiges Muster, so dass unterschiedliche Kristallformen unterschieden werden können. Zur Identifikation von kristallinem Material ist das XRD somit perfekt geeignet. Allerdings, um Stoffe zu quantifizieren, also den „Grad der Kristallinität“ zu bestimmen, muss mehr Aufwand betrieben werden. Ein Standardexperiment gibt keine Information über die Menge des kristallinen Stoffes. Es ist möglich, aber andere Methoden sind besser geeignet. Zur Quantifizierung eignen sich: FTIR, DVS und DSC (differential scanning calorimetry).

4. Stunde: Was ist mit Partikelgrößen?

In den vorangegangenen Abschnitt lag der Fokus auf der Kristallinität der Partikel. Allerdings, gibt es eine weitere entscheidende Eigenschaft von Partikeln für die Prüfung eines Pharmakons, die Partikelgröße. In der endgültigen Tablette, welche die typische Darreichungsform von Pharmaka darstellt, werden alle Inhaltsstoffe gepresst um eine glatte Oberfläche zu erhalten. Genaugenommen besteht die Tablette aber aus kleineren Partikeln und die Größe dieser ist entscheidend für Stabilität und Löslichkeit.

Der Zusammenhang zwischen Partikelgröße und Löslichkeit ist leicht zu veranschaulichen: kleinere Partikel haben „mehr Kontakt“ zum umgebenden Wasser und können somit schneller aufgelöst werden. Außerdem kann die Partikelgröße die Stabilität beeinflussen, wiederum darüber wieviel Oberfläche zugänglich ist. Kleinere Partikel haben durch ihre größere Oberfläche „mehr Kontakt“ zu anderen Inhaltsstoffen der Tablette, was zu einem schnelleren Abbau führen kann.

Darüber hinaus, ist die Partikelgröße entscheidend in der Herstellungsphase. Es ist leicht vorzustellen, dass Mischungseigenschaften, Agglomeratbildung, und „Klebrigkeit“ durch die Partikelgröße beeinflusst werden. Das heißt, es ist wünschenswert eine enge Partikelgrößenverteilung, bzw. eine gleiche Größe der Partikel bei jeder Herstellungscharge und –Ort zu gewährleisten.

Allerdings, ist es nicht so einfach die Partikelgrößenbestimmung durchzuführen. Man kann sie nicht, wie makroskopische Würfel messen, etwa 1 mm x 2 mm x 6 mm. Echte Partikel haben unterschiedlichste und komplexe Formen und können nicht auf eine Dimension reduziert werden (lesen Sie mehr)