Hohes Risiko später oder „just do it“?

Auf einer regulären Basis wird Particle Analytical von Kunden kontaktiert, die Ihre Stabilitätsstudien in Hinblick auf Kristallinität und Partikelgröße bei uns durchführen wollen. In diesen Fällen fragen wir ob sie Probleme mit Umwandlungen erwarten, d.h. ob sie wissen das Ihr Wirkstoff in einer relativ stabilen Form vorliegt.

In den meisten Fällen antworten Kunden damit, dass es sich “nur” um Phase I Studien handelt, oder das sie planen die Rechte am Produkt zu verkaufen, und es damit zurzeit nicht nötig ist eine Untersuchung zu veranlassen.

Allerdings, ist es unserer Meinung nach nie zu früh ein kleines Screening zu veranlassen, um spätere unschöne Überraschungen zu vermeiden. Wenn kein Screening durchgeführt wird, gibt es ein hohes Risiko des spontanen Übergangs in eine andere Kristallform, etwa nach Phase I, was zu einer Wiederholdung des vollständigen Entwicklungsprogramms führen würde! Die Wiederholung wäre nötig, da eine neue Kristallform unterschiedliche Eigenschaften in Hinblick auf die Stabilität und Bioverfügbarkeit aufweist. Ein frühes kleines Screening kann also viel Geld zu einem späteren Entwicklungszeitpunkt sparen.

Der gesamte Ansatz eine Polymorph Screenings ist es unterschiedliche Kristallisationsbedingungen herzustellen, um andere Kristallformen zu erhalten. Bei Particle Analytical wurde ein “kleines Screening Paket” entwickelt, indem der Wirkstoff unterschiedlichen Bedingungen ausgesetzt wird um neue Formen zu finden. Dieser Screen kann innerhalb weniger Wochen durchgeführt werden.

Nur die Vorstellungskraft setzt den experimentellen Bedingungen grenzen, die untersucht werden könnten. Eine kurze Beschreibung der Einflüsse verschiedener Parameter in der Kristallisation ist in den nächsten Absätzen zusammengefasst.

  • Lösungsmitteleigenschaften: Indem man das Lösungsmittel ändert, können andere Kristallformen auftreten. Eine Anordnung/Konformation kann bevorzugt in sehr polaren Lösungsmitteln gegenüber unpolaren Lösungsmitteln sein (polare Gruppen der Moleküle können entweder dem Lösungsmittel „zugewandt“ oder „abgewandt“ sein). In der Tabelle sind ausgewählte Lösungsmittel mit einigen ihrer physikalischen Eigenschaften aufgeführt. Eine rationale Versuchsplanung würde eine Auswahl von Lösungsmitteln mit sehr unterschiedlichen Eigenschaften im ersten Screening beinhalten, da dieses wahrscheinlich die am breitesten gefächerten Ergebnisse liefert. Darüber hinaus, sind einige Lösungsmittelmoleküle dazu geeignet Teil der Kristallgitter zu werden, also Solvate mit der Probe zu bilden. Die Möglichkeit Solvate zu bilden hängt von den physikalischen Eigenschaften der Lösungsmittel und insbesondere ihrer Größe ab. Typischerweise möchte man Solvate in der Entwicklung von Wirkstoffen vermeiden, außer in einigen Hydraten, aber sie stellen einen interessanten Startpunkt für weitere Studien dar.
  • Konzentration: Bei der Wahl der Lösungsmittel kann die Kristallisationskonzentration verändert werden: die Wirkstoffkonzentration hoch am Beginn der Kristallisation ist, verhält sich die Kristallbildung anders als bei einer geringen Konzentration. Wenn auch die Temperatur der Lösungsmittel variiert wird, kann das ebenfalls zu Konzentrationsgradienten führen, etwa lokale Übersättigung, die wichtig für die Kristallisationskeimbildung ist.
  • Temperatur: Temperatur hat einen großen Einfluss auf die Kristallisation. Verschiedene polymorphe/kristalline Strukturen sind bei verschiedenen Temperaturintervallen stabil. Eine ist stabil bei Raumtemperatur, aber wandelt sich spontan um, wenn erwärmt. Eine offensichtliche Methode diese thermalen Übergänge zu beobachten ist die systematische Erwärmung (etwa in einem DSC Experiment) und nach den Energieänderungen die Transformationen kennzeichnen zu suchen. Allerdings, sollte einem bewusst sein, dass die Übergangsenthalpie im Festkörper nicht direkt mit der thermodynamischen Übergansenthalpie korreliert. Die Übergangstemperatur sollte über Experimente in verschiedenen Lösungsmittel ermittelt werden, ein effizienter Ansatz ist hier das „Seeding“. Wenn man „Seeding“ oder Animpfen mit Kristallkeimen benutzt, überführt man kleinste Mengen einer Kristallform in eine Bedingung mit einer anderen Kristallform. Die Gesetze der Thermodynamik zwingen die weniger stabile Form in die Stabilere überzugehen.
  • The transformation temperature should be found from experiments in different solvents – und an
  • Verdampfungsrate: Verdampfungsraten beeinflussen die Kristallisation: wenn Moleküle mehr Zeit zur Kristallkeimung haben, führt das evtl. zu einer anderen Kristallform, im Gegensatz zu einer schnellen Keimung. Die Verdampfungsrate kontrolliert zu verändern kann ein effizienter Weg sein, neue Kristallformen zu erhalten. Schnelle Verdampfung kann man über eine erhöhte Oberfläche oder einen hohen Stickstofffluss über der Kristallisationsbedingung erreichen.
  • Mechanische Effekte: Kristallisation hängt auch signifikant von den mechanischen Bedingungen ab. Lokale Konzentrationen können etwa in nicht gerührten Bedingungen auftreten. Abhängig von den Bedingungen, etwa der Verdampfungsrate, kann dies auch zu neuen Kristallformen führen

Bei gegebener Temperatur gibt es nur eine stabile Form. Die anderen Formen sind metastabil und es ist nur eine Frage der Zeit bevor sie in die stabile Form mit den besten Bindungspartnern übergehen.

Wenn Sie mehr über dieses Thema lesen möchten empfehlen wir: Für eine Einführung in die grundlegende Theorie der Thermodynamischen Stabilität von Polymorphen: Burger & Ramberger: On the polymorphistm of pharmaceuticals and other molecular structures, Microchimica Acta, 1979, 259-271. Für mehr Information über die Lösungsmittelrolle in der Kristallisation: Threlfall: Crystallistation of polymorphs: Thermodynamic insight into the role of the solvent. Organic Process Research & Development, 2000, 4, 384-390