3. Polymorfismus I

Polymorfismus I - základní pojmy,
význam, teorie
Bohumil Kratochvíl
Předmět: Chemie a fyzika pevných léčiv, 2015
Historický úvod
Jean Baptiste Louis Romé de l´Isle (1730-1790): kuchyňská sůl krystaluje v přítomnosti
koňské moči spíše v oktaedrech než v krychlích
Chlorid sodný, NaCl: různý krystalový design (tvar, habitus) , ale stejná struktura !!!!
Původně:
Polymorfismus (z řec.: polys = mnohý, morfé = tvar) - určitá chemická
sloučenina může, v závislosti na krystalizačních podmínkách, krystalovat
v různých krystalových tvarech (habitech)
Dnes je tak definována : Krystalová morfologie
Mitscherlich, 1822 : polymorfismus fosforečnanů a arseničnanů a síry
Wöhler a Liebig, 1832: polymorfismus benzamidu
Polymorfismus vs. Krystalová morfologie
Krystalová morfologie (krystalový design) – určitá substance
může z různých rozpouštědel vykrystalizovat v různých tvarech, aniž se
změní její krystalová struktura (nejedná se o polymorfismus !)
Různé krystalové tvary acetylsalicylové kyseliny krystalované z různých rozpouštědel (převzato z Byrn R.
S., Pfeiffer R. R., Stowell G.J.: Solid-State Chemistry of Drugs, 2nd ed. SSCI, Inc. West Lafayette, Indiana
1999).
Současná definice polymorfismu ve farmacii
Dnes
Polymorfismus - určitá molekula, v závislosti na krystalizačních
podmínkách, může krystalovat ve více krystalových strukturách neboli
polymorfech (pokud je do struktury zahrnut i solvent: hovoříme o
solvátech (hydrátech), příp. solvatomorfech, pseudopolymorfech)
(alotropismus - prvek)
Změna krystalové struktury je obvykle doprovázena změnou makroskopické vlastnosti (rozpouštěcí
rychlost, příp. barva, krystalový tvar atd.)
Polymorfismus paracetamolu
Polymorf I – stabilní pro
formulace
Polymorf II - nestabilní
Polymorf III - nestabilní
Polymorfismus není pouze fyzikálně-chemický pojem
Polymorfismus krystalických API – určitá chemické entita (molekula) nemusí vytvářet jen
jednu krystalovou strukturu, ale více (nejčastěji dvě). V tomto případě hovoříme o
dimorfismu (obecně polymorfismu) krystalických API
Slovo polymorfismus nebo polymorfie znamená schopnost zaujímat více
forem od jedné entity:
Polymorfismus (v krystalografii, farmakologii, geochemii) – schopnost látky
(léčiva, minerálu) krystalovat v různých krystalových strukturách
genetický polymorfismus – proměnlivost určitých úseků genomu
jednonukleotidový polymorfismus – tzv. SNP, odlišnosti v jedné bázi
polymorfismus délky restrikčních fragmentů – odlišnosti v délce
řetězců DNA vzniklých štěpením specifickými enzymy
Polymorfismus (biologie) – proměnlivost buněčných kultur
polymorfismus (programování) – vlastnost programovacího jazyka
Polymorfie (psychologie) – proměnlivost nálad
http://www.acclaimimages.com/search_terms/stem.html
Vlastnosti polymorfů
Nejdůležitější rozdíly mezi polymorfy jsou v rozpouštěcí rychlosti
Základní strukturní typy polymorfismu molekulárních krystalů
Pakovací – molekula je rigidní, polymorfy se liší pouze jejím pakováním v krystalu
Polymorf I
Polymorf III
sulfapyridin
O
NH S
N
NH2
O
Polymorf II
4-amino-N-pyridin-2-yl-benzensulfonamid
Polymorf IV
Základní strukturní typy polymorfie molekulárních krystalů
Konformační – molekula je flexibilní a tvoří konformery, které krystalují v odlišných
polymorfech
L-glutamová kyselina
O
O
HO
OH
NH2
 - forma
forma
- -forma
Příklady polymorfismu
Látka
Počet
polymorfů
sulfid zinečnatý
uhličitan vápenatý
oxid zirkoničitý
oxid titaničitý
dusičnan amonný
chlorid titanitý
tetraethylolovo
sorbitol
aspirin
atorvastatin
sulfathiazol
sfalerit, wurzit
kalcit,aragonit,vaterit
monoklinický, tetragonální, kubický
rutil, anatas, brookit
5
4
6
2
4
okolo 50 forem
asi 120 forem
Aplikace
polovodič
plnivo do plastů
keramika
pigment
výbušnina, hnojivo
katalyzátor
palivové aditivum
sladidlo
léčivo
léčivo
léčivo
Např. ale sacharosa nebo naftalen jsou monomorfní!!!
Polymorfismus ve farmaceutických aplikacích – organické molekulární
krystaly
Polymorfismus ve farmacii pouze monitorujeme, zatím
ho nedovedeme fundamentálně vysvětlit –
proč jsou některé farmaceutické molekuly polymorfní a
některé monomorfní?
•
Polymorfismus je pro farmaceutické firmy omezující fenomén
•
Polymorfismus si farmaceutické firmy nemohou dovolit ignorovat
•
Polymorfismus je sledovaným fenoménem ze strany regulačních
(registračních) institucí
Příklady monomorfních systémů
Monomorfismus: „doposud“ je známa pouze jedna forma
sacharosa
Objektivně pro monomorfismus sacharosy není důvod protože
obsahuje řadu donorů a akceptorů protonu, a tak mohou
teoreticky být vytvářeny různé sítě H-vazeb (polymorfy)
Sacharosa je monomorfní !!!
(pouze jedna krystalická a jedna amorfní (skelná) forma)
Rozšířený pojem polymorfismu ve farmacii
•
„ čistý polymorfismus“ – molekula krystaluje ve více strukturách
bez solventu
•
hydráty – molekula vykazuje v krystalech různý stupeň hydratace
•
solváty - molekula vykazuje v krystalech různý stupeň solvatace
•
amorfní forma (formy)
Při rozšířeném chápání pojmu polymorfismu ve farmacii
pokládáme všechny tyto fáze za pevné formy jedné API
a odlišně je označujeme (I,II, III…; A,B,C…; ,,; atd.)
(FDA: Abbreviated New Drug Applications (ANDA))
Farmakodynamika a farmakokinetika
farmakodynamika
Pacient většinou užívá
krystalický polymorf !!!
Při perorálním podání léčiva
pacient neužívá izolovanou
molekulu !!!
farmakokinetika
Polymorfismus API ovlivňuje „farmakokinetiku“, nikoliv farmakodynamiku
Proč je nutné polymorfismus studovat a monitorovat ?
polymorfy mají rozdílné vlastnosti  rozpouštěcí rychlost
premafloxacin I/III
chloramfenikol B/A
novobiocin amorf/kryst
se liší 10 x (obvyklý rozdíl mezi polymorfy je 2x)
Farmakokinetický profil
Proč je nutné polymorfismus studovat a monitorovat ?
polymorfy mají rozdílné vlastnosti  rozpouštěcí rychlost  biodostupnost
premafloxacin I/III
chloramfenikol B/A
novobiocin amorf/kryst
se liší 10 x (obvyklý rozdíl mezi polymorfy je 1,5 x)
Farmakokinetický profil
Pudipeddi M. et al.: J.Pharm.Sci. 94, 929 (2005).
Haleblian J. et al.: J.Pharm.Sci.58, 911 (1969).
Proč je nutné polymorfismus studovat a monitorovat ?
– hlavně kvůli nekontrolovatelným polymorfním
(fázovým) přechodům !
v některých procesech výroby léčiva může dojít k
nežádoucímu polymorfnímu přechodu
finální krystalizace, homogenizace, vlhká granulace, tabletace ….
monitorování a dokladování polymorfní čistoty léčiv vyžadují
regulační autority (SÚKL, EMA, FDA, FYI ….)
nežádoucí polymorf je klasifikován jako fázová (fyzikální) nečistota
nežádoucí polymorf má jiný farmakokinetický profil (rozpouštěcí
rychlost)
v limitním případě může být neaktivní, resp. méně aktivní (zdraví poškozující???)
Základní otázky polymorfismu řešené ve farmaceutickém
výzkumu, vývoji, výrobě a kontrole

Jaká je frekvence výskytu polymorfů u určité, farmaceuticky
zajímavé molekuly?

Lze polymorfii teoreticky předpovědět?

Jak připravit zvolený polymorf dostatečně robustní,
kontrolovanou a reprodukovatelnou technologií?

Jaké jsou podobnosti a rozdíly ve vlastnostech jednotlivých
polymorfů od určité molekuly? Neohrozí záměna
polymorfu zdraví pacienta?

Jaké, dostatečně citlivé a validované analytické techniky se hodí
k identifikaci, rozlišení a stanovení polymorfů?
Četnost polymorfismu
„Každá molekula je potenciálně polymorfní,
počet polymorfů dané látky závisí pouze
na množství peněz, času a energie
investovaných do jejího výzkumu”
Walter McCrone, 1963
 počet polymorfů molekulárního krystalu je teoreticky dán počtem
možností vytvářet slabé interakce v krystalu (VdW, H-vazby, -…)
 ve farmacii je používáno asi 6500 molekul (AISLP, 2011)
 87% aktivních substancí (API) existuje ve více než jedné pevné
formě (nejčastější je dimorfismus)
Polymorfismus je mezi léčivými látkami velmi rozšířen !
Četnost polymorfismu
Každá molekula je potenciálně polymorfní - dimorfismus (90,7%), trimorfismus
(8,4%), tetramorfismus (0,9%), pentamorfismus (0,1%) ….
„ROY“ 5-methyl-2-[(2-nitrofenyl)amino]-3-thiofenkarbonitril, intermediát olanzapinu
– dekamorfismus (6 makroskopických polymorfů a 4 mikroskopické !!!)
Yu L. et al : J.Am.Chem.Soc. 56, 436 (2000).
Predikce polymorfismu - není zatím obecně možná
 predikce krystalové struktury
(výpočet mřížkové energie při 0K
identifikace správného řešení?
chyby výpočtu jsou srovnatelné
s energetickými rozdíly mezi polymorfy! )
 predikce krystalizačních podmínek
Teoretický výpočet mřížkových
energií možných struktur
 molekulární simulace
Cerius/Materials Studio - Polymorph Predictor
předpověd existence paracetamolu formy III
předpověď existence aspirinu formy II
Predikce polymorfie se při patentových sporech neuznává (Lee, 2002)!
Kdy se rohoduje o vzniku určitého polymorfu při krystalizaci
Etter, 1991: A + A = 2A, 2A + A = 3A ... (n-1)A + A= n (kritický agregát - nukleus  10 -103 molekul)
Nukleace proteinu apoferritinu při
stoupajícím přesycení roztoku (a d).
Mikroskopie AFM.
Yau S.T., Vekilov P.G.: J.Am.Chem.Soc.
123, 1080 (2001).
O vzniku určitého polymorfu se rozhoduje již v prenukleačním (agregačním) stadiu
na základě kompetice kinetických a termodynamických faktorů při krystalizaci
Co ovlivňuje krystalizaci polymorfů
(termodynamické a kinetické faktory) ?
Přechod z laboratorního na poloprovozní a provozní měřítko (scale up)
Polymorfní přechody chtěné a nechtěné
G = H – TS, H = U + pV  G = U + pV – TS
Polymorfní přeměna je fázovým přechodem 1. řádu: (G/T)p = -S; (G/p)T = V
Enantiotropní fázový přechod v pevné fázi
Monotropní fázový přechod přes kapalnou fázi
(„solvent mediated“)
Nestabilní polymorfy přechází na stabilní polymorf (nižší G)
Polymorfní systém a transformace polymorfů
V polymorfním systému existuje termodynamická hierarchie stability
polymorfů: stabilní polymorf a metastabilní (nestabilní) polymorfy
Stabilní polymorf je charakterizován:
 nejnižší Gibbsovou energií
 nejnižší rozpustností v libovolném rozpouštědle
 nejnižší rozpouštěcí rychlostí
 nejnižší biodostupností
 nejnižší reaktivitou
Pro formulaci se dají použít nestabilní, ale stálé polymorfy
Nekontrolovatelné polymorfní přechody - neštěstí farmacie
(hysterezní, špatně definované, často probíhají přes kapalnou fázi)
Kde může ve farmaceutické výrobě dojít k polymorfní přeměně:
 při finální krystalizaci aktivní substance („disappearing polymorph“)
 při dlouhodobém stání produktu v matečném roztoku
 při sušení produktu
 při mikronizaci (homogenizaci)
 při vhlké granulaci
 při tabletaci
 v lékové formě (tabletě - vliv excipientů)
Jak mít polymorfní přechody (alespoň částečně) pod kontrolou?
AstraZeneca
• „screening“ počtu polymorfů
Krystalizační automat
• „screening“ polymorfních
přechodů
několik set až tisíc krystalizací
při použití až 20 rozpouštědel
a jejich směsí
Skanovací transitiometrie:
Spojení kalorimetrie a
dilatometrie. Kontinuálně se
mění tlak a/nebo teplota a
měří se objemové, entalpické
a tlakové změny indikující
fázové přechody.
Randzio S.L.: Thermochim. Acta 375, 107 (2000).
Jak mít polymorfní přechody (alespoň částečně) pod kontrolou?
• výběr nejstabilnějšího polymorfu nebo nejstabilnějšího hydrátu (solvátu)
polymorfy: stabilní (hůře rozpustné, dlouhá expirace, robustní technologie)
metastabilní (dobře rozpustné, kratší expirace, obtížná robustní technologie)
nestabilní
amorfní a semikrystalické fáze (dobře rozpustné, horší anal. stanovení)
(eventualita u generických výrobců)
• výběr soli (kokrystalu) místo báze
tergurid báze krystaluje v 7 formách
tergurid hydrogen maleát (sůl) krystaluje v 1 formě
jako monohydrát (Mysalfon®, dříve vyráběla Teva)
acetaminofen (paracetamol) – 3 formy
kokrystal acetaminofen-piperazin (1:1) – 1 forma
• přísná technologická kázeň (GMP)
sterilní filtrace
trans-D-tergurid
Příklad nežádoucího polymorfního přechodu ve výrobě
„Disappearing polymorph”
(Dunitz J., Bernstein J.: Accts. Chem Res. 28, 193 (1995).)
Ritonavir, inhibitor HIV-proteasy (Norvir, Abbot
Laboratories)
polymorf I
v roce 1996 uveden na trh (nestabilní polymorf I,
zjištěno později)
v roce 1998 zjištěn druhý polymorf (stabilní
polymorf II) – jiný disoluční profil
V 1998-99 neúspěšná snaha o zvládnutí tohoto
polymorfního systému
v roce 1999 přeformulování na novou lékovou
formu (měkké želatinové kapsle + roztok)
polymorf II
Making Crystals by Design: Braga D. and Grepioni F. (Eds).
Wiley-VCH Weinheim 2007.
Volba polymorfu pro formulaci
Pro formulaci se dají použít i nestabilní, ale stálé polymorfy
Nestabilní polymorf (amorfní fáze) musí být v lékové formě stabilizován,
např. vytvořením pevné suspenze ve vhodném polymeru
(polyvinylpyrrolidon (PVP) nebo kyselina polyakrylová (PAA) stabilizují
amorfní acetaminofen (paracetamol). Stabilizační efekt spočívá v
antiplastickém efektu polymeru (fázový přechod je spojen s plastickou
deformací materiálu).
Obejití problému polymorfismu
Místo polymorfní báze nebo kyseliny je možné zvolit monomorfní sůl, hydrát nebo
kokrystal (např. tergurid – tergurid hydrogenmaleát nebo acetaminofen
(paracetamol) – kokrystal acetaminofen : piperazin (1:1) aj.)
Analytické techniky stanovení polymorfů v aktivní substanci a v
lékové formě
Směrnice regulačních autorit:
 RTG prášková analýza (RTG strukturní analýza)
 Spektroskopie pevného stavu (NMR, IČ, Ramanova)
 Termální analýza (TGA, DCS, mikrokalorimetrie)
 Mikroskopie (optická, termooptická, SEM, AFM)
 Mikrometrie (granulometrie, povrch částic, porozita, hustota)
 Stanovení rozpustnosti a rozpouštěcí rychlosti
 Sorpce/desorpce vlhkosti
Měření in situ! ( v krystalizačním důlku, kapiláře apod.)
Jak mít polymorfní přechody (alespoň částečně) pod kontrolou?
• výběr nejstabilnějšího polymorfu nebo nejstabilnějšího hydrátu (solvátu)
polymorfy: stabilní (hůře rozpustné, dlouhá expirace, robustní technologie)
metastabilní (dobře rozpustné, kratší expirace, obtížná robustní technologie)
nestabilní
amorfní a semikrystalické fáze (dobře rozpustné, horší anal. stanovení)
(velmi oblíbené u generických výrobců)
• výběr soli (kokrystalu) místo báze
tergurid báze krystaluje v 7 formách
tergurid hydrogen maleát krystaluje v 1 formě
jako monohydrát (Mysalfon®, Zentiva)
acetaminofen (paracetamol) – 3 formy
kokrystal acetaminofen-piperazin (1:1) – 1 forma
• přísná technologická kázeň (GMP)
sterilní filtrace
trans-D-tergurid
Vlastnosti polymorfů ( v čem se liší)
Ritonavir, inhibitor HIV-proteasy (Norvir,
Abbot Laboratories)
v roce 1996 uveden na trh
v roce 1998 zjištěn druhý polymorf
v roce 1999 přeformulování na novou
lékovou formu (měkké želatinové kapsle +
roztok)
Závěry
 Polymorfismus je ve farmacii velmi rozšířený jev, který umíme popsat, ale neumíme
předpovědět a fundamentálně vysvětlit
 Polymorfismus je vlastností pevné krystalické fáze
 Pro farmaceutické firmy je polymorfismus nevítaným ale i vítaným fenoménem (viz
originální a generické firmy)
 Každá farmaceutická firma musí důkladně monitorovat polymorfismus svých substancí
 Pro farmacii je nejdůležitější, že se polymorfy jedné substance se mohou významně lišit
ve svém disolučním profilu
 Existence polymorfismu je ideální kontrolní prvek pro regulační autority
 Pro monitorování polymorfismu je k dispozici řada analytických metod, nejčastěji
používané jsou: PXRD, DSC/MTDSC a FT-IR