Fabricação de Suspensões Aquosas Estéreis: Um Primer

Fonte: Pfizer CentreOne Contract Manufacturing

Por Omar A. Salman, Ph.D., Assessor de Pesquisa Sênior, Pfizer / Pfizer CentreOne 

A fabricação de suspensões aquosas estéreis requer um conhecimento profundo dos fatores que influenciam sua estabilidade física e química. A morfologia da partula do ingrediente farmactico activo (API) desempenha um factor chave na taxa de dissoluo do produto de fmaco, na capacidade de ressuspens e na seringabilidade. O tipo e a concentração de surfactantes utilizados na formulação ressuspendibilidade do produto de impacto e estabilidade química. Além disso, as tecnologias usadas na redução do tamanho de partículas API e na mistura de alto cisalhamento para a formulação de produtos farmacêuticos devem ser avaliadas devido ao seu impacto sobre os atributos API e de qualidade do medicamento.

Uma revisão concisa desses fatores é apresentada neste documento.

Processo de manufatura

Um diagrama de fluxo dos passos chave na fabricação de suspensões aquosas estéreis é ilustrado na Figura 1. O tamanho de partícula do API cristalizado assepticamente (não moído) é reduzido usando um moinho de jato de fluido, ou micronizador, para a distribuição de tamanho de partícula desejada perfil. Em um moinho de jato de fluido (Figura 2), a redução de tamanho é obtida pela colisão partícula-partícula. As partículas de pó são alimentadas na câmara de moagem por um sistema Venturi. O gás de jacto (azoto ou ar) entra através de um conjunto de bicos De-Laval que aumentam a aceleração das partículas para atingir a velocidade supersónica (300-500 m / s). A colisão entre as partículas que entram na câmara de moagem e as partículas que se movem em espiral dentro da câmara resulta na quebra de partículas. Devido à força centrífuga, Partículas mais finas saem pela parte central da câmara, enquanto partículas maiores na área do anel externo continuam a acelerar até que seu tamanho seja ainda mais reduzido por colisão [1]. Os principais parâmetros que afetam o tamanho das partículas são a taxa de alimentação do pó e a pressão do fluido no jato (pressão de moagem). Aumentar a taxa de alimentação aumenta a concentração do produto na câmara do micronizador, reduzindo assim o espaço de aceleração entre as partículas. Em geral, maiores taxas de avanço resultam em partículas mais grossas. Maior pressão de moagem significa maior energia de micronização, que produz partículas mais finas. Aumentar a taxa de alimentação aumenta a concentração do produto na câmara do micronizador, reduzindo assim o espaço de aceleração entre as partículas. Em geral, maiores taxas de avanço resultam em partículas mais grossas. Maior pressão de moagem significa maior energia de micronização, que produz partículas mais finas. Aumentar a taxa de alimentação aumenta a concentração do produto na câmara do micronizador, reduzindo assim o espaço de aceleração entre as partículas. Em geral, maiores taxas de avanço resultam em partículas mais grossas. Maior pressão de moagem significa maior energia de micronização, que produz partículas mais finas.

API micronizado é embalado em Tyvek ® bolsas e em seguida esterilizados usando um esterilizante de gás, por exemplo, óxido de etileno. Esterilização por irradiação gama ou feixe de elétrons pode ser usada somente se essas tecnologias não tiverem impacto na qualidade do produto. Por exemplo, geralmente, a irradiação não é viável para os corticosteróides devido à degradação radiolítica [2]. O API esterilizado terminal é então adicionado assepticamente numa área de Grau A ao veículo estéril, e a suspensão é misturada usando um misturador de alto cisalhamento para dispersar completamente e molhar as partículas.

A etapa final no processo de fabricação está sendo preenchida. Os frascos pré-esterilizados são, cada um, preenchidos com um volume fixo de suspensão, utilizando um sistema totalmente automatizado, depois selados com uma rolha e tampa. 

Figura 1: Fluxograma do processo de formulação da suspensão estéril

Figura 2: Diagrama esquemático do processo de micronização usando um moinho de jato de fluido [1]

Características da API

O tamanho das partículas desempenha um papel fundamental na estabilidade das suspensões. As partículas grandes têm uma taxa de sedimentação mais rápida, de acordo com a lei de Stokes, e podem obstruir a agulha durante a retirada da suspensão do frasco ou após a injeção, resultando em dosagem inadequada. As partículas finas, por outro lado, formam um bolo na parte inferior do frasco que é difícil de dispersar se não for devidamente ligado durante a formulação.

Além disso, a distribuição do tamanho das partículas afeta a taxa de dissolução da substância, conforme descrito pela equação de Noyes-Whitney:

dC / dt = (C s -C) DA / Vh (1)

onde, dC / dt = taxa de dissolução, D = coeficiente de difusão, A = área superficial da partícula, C s = solubilidade, C = concentração no tempo t, V = volume da solução eh = espessura da camada limite. À medida que o tamanho das partículas é reduzido, a área superficial aumenta, aumentando assim a taxa de dissolução e, consequentemente, a biodisponibilidade.

Formulação de veículos

Os principais componentes de um veículo aquoso são:

• um agente umectante para substituir a interfase sólido-ar com uma interfase sólido-líquido
• um surfactante para formar uma suspensão termodinamicamente estável, superando as forças atrativas tipo Van Der Waals entre partículas
• cloreto de sódio para isotonicidade
• um conservante como o álcool benzílico
• antioxidante e
• um tampão se for necessário controle de pH 

O polietilenoglicol 3350 (PEG) é um tensoativo não-iônico solúvel em água que possui a fórmula química de HO (CH 2 CH 2 O) nH e é comumente usado na formulação de veículos para fornecer estabilização estérica da suspensão. Segmentos de polímero de PEG, referidos como cadeias de ancoragem, adsorvem à superfície de partículas API para formar uma camada de adsorção. A espessura desta camada depende de vários parâmetros, tais como concentração de polímero, solvência do meio, temperatura e peso molecular do polímero. Os outros segmentos, referidos como cadeias estabilizadoras ou "caudas", estendem-se para a solução [3]. Essas caudas se interconectam para fazer a ponte entre as partículas, resultando em floculação controlada. Uma comparação entre a distribuição do tamanho de partícula do API antes e depois da formulação ilustra claramente o fenômeno da ponte (Figura 3). Note que as suspensões que contêm partículas extremamente finas (nanopartículas) são geralmente estáveis ​​e não requerem a adição de surfactantes. O movimento Browniano das partículas neutraliza a força gravitacional de forma que as partículas permaneçam suspensas na mídia. À medida que as partículas se tornam mais grossas, elas se depositam e formam sedimentos compactos que são difíceis de dispersar novamente se nenhum surfactante for adicionado ao veículo [4]. Se for adicionado um agente tensioactivo, no entanto, o pó se deposita como partículas fracamente ligadas, que são fáceis de dispersar novamente. 

A concentração de surfactante desempenha um papel crítico na re-dispersibilidade do fármaco. Adicionando mais do que a quantidade ideal pode ter efeito adverso, como endurecimento. A Figura 4 compara a distribuição do tamanho de partícula de suspensões em níveis crescentes de um surfactante iônico. O tamanho médio de partícula da suspensão diminuiu de 23,5 µ para 9,2 µm e para 3,9 µ, à medida que a concentração de surfactante aumentou de 0,117 mg / mL para 0,233 mg / mL e 1,15 mg / mL, respectivamente. Uma tendência semelhante foi observada para a altura estabelecida da droga (SDH), definida como o volume de API estabilizado sobre o volume total da suspensão e é considerada um marcador de redensibilidade. O SDH diminuiu de 51% em uma concentração de surfactante de 0,117 mg / mL para 12% em uma concentração de surfactante de 1,165 mg / mL. Mais distante,

Figura 3: Distribuição do tamanho de partícula de API e suspensão

Figura 4: Distribuição granulométrica das suspensões em função da concentração de surfactante

PEG e surfactantes semelhantes, tais como polissorbatos, no entanto, são conhecidos por serem susceptíveis à auto-oxidação para formar hidroperóxidos, seguido por degradação da cadeia em subprodutos, tais como ácido fórmico. Donbrow et al. [5] mostraram que soluções aquosas de Polissorbato 20 degradam devido à auto-oxidação, e a degradação está associada com um aumento no número de peróxidos e uma queda no pH devido à formação de ácido. A taxa de formação de ácido aumentou a temperaturas mais altas. Em um estudo semelhante, Donbrow et al. [6] concluíram que os ácidos fórmico e acético foram formados devido à degradação da extremidade polioxietileno hidrofílica de surfactantes não-iônicos. Estes ácidos são formados no passo de terminação da degradação por radicais livres da porção oxietileno. Concluiu-se também que a taxa de formação de ácido aumentou em maior temperatura de incubação.

O seguinte mecanismo foi sugerido:

Iniciação	RH → R . + H .
Propagação	R . + O 2 → ROO .  ROO . + RH → ROOH + R .
Terminação	2ROO . → Produtos inativos  ROO . + R → Produtos inativos

Na etapa de iniciação, os radicais livres são formados devido à luz, calor, iniciadores químicos ou catalisadores. No segundo passo, a propagação, a base de carbono radical (R . ) Reage com o oxigénio, formando um peróxido orgânico (ROO . ), O qual reage com o substrato (RH) para produzir um ácido e um novo radical de carbono de repetir os passos de propagação . Na etapa de terminação, os radicais livres são desativados por colisões bimoleculares [5-7].

Além da queda de pH, a degradação do surfactante pode resultar em espessamento da suspensão, levando a problemas de uniformidade de conteúdo. Para abordar a queda de pH causada pela degradação oxidativa do PEG, o ar no espaço superior do frasco é substituído por nitrogênio, ou um agente tamponante é adicionado à formulação.

Mistura de alto cisalhamento

De modo a molhar completamente e dispersar o API no veículo, é necessária uma mistura de alto cisalhamento para que os surfactantes possam efectivamente adsorver na superfície de cada partícula. Vários tipos de misturadores de alto cisalhamento podem ser usados. Em lote tipo rotor-estator misturadores (por exemplo, de IKA ® , Silverson ® , Ystral ® ) são geralmente utilizados em laboratório, piloto e recipientes de produção de pequeno volume. Para equipamentos de grande porte, misturadores do tipo em linha, como Tri-Blender ® ou Ystral TDS ®(sistema de transporte e distribuição) são utilizados. No projeto Tri-Blender [8], uma bomba centrífuga é usada para puxar o pó de uma tremonha localizada na parte superior através de um tubo difusor para uma câmara de mistura onde o impulsor está localizado. O veículo é bombeado do tanque de formulação e entra tangencialmente através de um tubo externo para a câmara de mistura. A suspensão é então devolvida ao tanque. No sistema TDS [9], o pó é introduzido verticalmente por alto vácuo gerado por um rotor de alta velocidade. O líquido (veículo) é retirado do fundo do tanque de formulação para a câmara de distribuição do lado oposto da entrada de pó. Na câmara de dispersão, o pó é disperso no líquido sob taxas de cisalhamento muito elevadas e a suspensão é reciclada para o tanque.            

Uma nova tecnologia promissora que pode ser usada para misturas de alto cisalhamento e redução de tamanho de partículas é o Microfluidizer ®Processador. Uma das principais vantagens dessa tecnologia é a eliminação da etapa de micronização intensiva em mão-de-obra. Por conseguinte, a redução de tamanho e a formulação podem ser realizadas num único passo. O componente central desta tecnologia é a câmara de interação. A câmara possui microcanais com dimensões tão pequenas quanto 50µ, através das quais o fluido flui a velocidades de até 500 m / s. O exterior da câmara é feito de aço inoxidável, enquanto o interior é feito de diamante ou cerâmica. Um diagrama esquemático do Processador de Microfluidificador é mostrado na Figura 5 [10]. O ve�ulo e as part�ulas API grosseiras s� adicionados a um recipiente de alimenta�o. A bomba intensificadora empurra a suspensão através da câmara de interação a pressões de até 40.000 psi. As altas forças de cisalhamento, colisão partícula-partícula e colisão de parede partícula resultam na redução do tamanho das partículas. A suspens arrefecida por um permutador de calor e recolhida num recipiente receptor ou reciclada para o recipiente de alimentao para mais passagens, dependendo do tamanho das partulas alvo. Esta tecnologia pode reduzir o tamanho das partículas para menos de 1µ.      

Figura 5: Diagrama esquemático do processador do microfluidificador [10]

Um exemplo típico sobre a aplicação do processador de microfluidificação na fabricação de suspensão é discutido aqui. O veículo e o pó API grosseiro não moído foram adicionados a um recipiente de alimentação agitado do Processador Microfluidizador de escala piloto modelo 110-EH. A suspensão foi recirculada através da câmara de interação H10Z que possui micro-canais de 100µ a uma pressão de 20.000 psi por 6 minutos. As amostras foram removidas após 2, 4 e 6 minutos de recirculação para medir a distribuição do tamanho das partículas por difração de laser. Para medir o tamanho das partículas primárias, as amostras foram sonicadas durante 30 segundos para quebrar a ponte entre as partículas. Os resultados são mostrados na Figura 6. O tamanho médio de partícula diminuiu de 157,71 µ para o API não moído para 5,89 µ após apenas 2 minutos de recirculação. Após 4 e 6 minutos de recirculação, o tamanho médio de partícula caiu para 3,35µ e 2,73µ, respectivamente. A suspensão final apresentou excelente redispersibilidade, exigindo apenas 1 inversão para suspender completamente o API após 24 horas de assentamento. Além disso, a suspensão passou no teste de seringabilidade padrão. A ligao das partulas na suspens final est claramente ilustrada na Figura 7. O tamanho mio de partula da suspens antes da sonicao (como est) foi de 12,31. Após sonicação, o tamanho médio das partículas foi de 2,73µ, o que representa o tamanho das partículas primárias. A ligao das partulas na suspens final est claramente ilustrada na Figura 7. O tamanho mio de partula da suspens antes da sonicao (como est) foi de 12,31. Após sonicação, o tamanho médio das partículas foi de 2,73µ, o que representa o tamanho das partículas primárias. A ligao das partulas na suspens final est claramente ilustrada na Figura 7. O tamanho mio de partula da suspens antes da sonicao (como est) foi de 12,31. Após sonicação, o tamanho médio das partículas foi de 2,73µ, o que representa o tamanho das partículas primárias. 

Figura 6: Distribuição do tamanho de partícula da suspensão formulada usando o Processador Microfluidificador

Figura 7: Distribuição do tamanho de partícula de partículas primárias e em ponte

Simulação de dinâmica molecular

A simulação de dinâmica molecular (MD) é um método em mecânica estatística que envolve a solução da segunda lei de movimento de Newton sob certas restrições para todos os átomos e moléculas no sistema em estudo. Simulações MD podem ser usadas para prever o mecanismo de adsorção e a cinética de um surfactante na superfície dos cristais API. Utilizando o campo de força CHARMM36 [11] e o servidor CgenFF [12] para os parâmetros e arquivos de topologia do PEG e as simulações API, MD foram realizadas para investigar a adsorção de cadeias de PEG 25-meros na superfície de um cristal corticosteróide. Instantâneos de moléculas de PEG com todos os seus átomos em vermelho em uma solução aquosa no tempo = 0 e após 6 nanossegundos são ilustrados na Figura 8 (superior) e (inferior), respectivamente. Grânulos cinzentos representam átomos nas moléculas de corticosteróides em placas de cristal em ambos os lados. Moléculas de água não são mostradas para maior clareza. Estas simulações apoiam claramente o mecanismo discutido anteriormente. Um lado da molécula de PEG (mais provavelmente o hidrofóbico) adsorve na superfície do cristal enquanto o outro lado (mais provavelmente o hidrofílico) se estende no líquido.    

Figura 8: Adsorção da cadeia PEG de 25 meros (vermelho) no cristal API (pilhas cinzas em ambos os lados)

Resumo

As principais operações unitárias no fabrico de suspensões aquosas estéreis são a redução do tamanho das partículas, a formulação do veículo, a esterilização e a mistura de alto cisalhamento. Todas essas operações podem afetar as propriedades, bem como a estabilidade das suspensões. A taxa de dissolução da substância medicamentosa e a taxa de sedimentação são uma função do tamanho das partículas. O tipo e concentração de surfactantes utilizados na formulação influenciam a ressuspendibilidade da suspensão. A mistura de alto cisalhamento é essencial para molhar e dispersar as partículas durante a formulação.

Referências

1. www.dec-group.net
2. MP Kane, K. Tsuji. Esquema de degradação radiolítica para 60 corticosteróides co-irradiados. Journal of Pharmaceutical Sciences, 72 (1), 1983.
3. T. Tadros. Forças de interação entre partículas contendo camadas poliméricas enxertadas ou adsorvidas. Avanços na ciência da interface coloidal, 104, 2003.
4. T. Tadros. Controle de estabilidade / floculação e reologia de suspensões concentradas. Pure & Appl. Chem., 64 (11), 1992.
5. M. Danbrow, E. Azaz, A. Pillersdrof. Autoxidação de Polissorbatos. J. Pharm. Sci., 67 (12), 1978.
6. M. Danbrow, R. Hamburger, E. Azaz, Pillersdorf. Desenvolvimento de Acidez em Surfactantes Não Iônicos: Ácido Fórmico e Acético. Analyst, 103, 1978.
7. B. Kerwin. Polissorbato 20 e 80 Utilizados na Formulação de Bioterápicos de Proteínas: Estruturas e Estradas de Degradação. J. Pharm. Sci, 97 (8), 2008.
8. Boletim técnico. Tri-Clover, Inc.
9. http://ystral.com/
10.  www.microfluidicscorp.com .
11. http://mackerell.umaryland.edu/charmm_ff.shtml#gromacs
12. https://cgenff.paramchem.org/

Fonte: Pfizer CentreOne Contract Manufacturing