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盐型化合物的pH-溶解度测定

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药事纵横
化合物
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2周前


1、引言



采用盐型化合物是改善可离子化的化合物成药性质的重要策略。盐型化合物可能改善化合物的结晶性能以利于合成或纯化,也可能提高生物利用度,改善稳定性、引湿性、溶解度、味道等理化性质进而提高化合物的可开发性。根据相关报道,约一半的上市药物是采用了盐型。在药物开发的处方前研究中,pH-溶解度测定是重要的研究内容,也是监管部门要求提交的重要数据,其可以评估吸收风险、指导溶出曲线开发等。盐型化合物的形成本身与pH相关,同时在体系中引入了反离子,相比于游离态复合物,其溶解行为更为复杂。不同来源的数据可能差距极大,实际测量的结果也可能存在重复性差等问题。为了获得高质量的pH-溶解度数据并对数据进行恰当的解读,需要对盐型化合物的在水溶液中的溶解过程有全面详细的认知,并对溶解过程的影响因素进行恰当的控制。


2、盐型化合物溶解的基本过程



溶解度最简单的定义是某种物质在溶液中,处于化学平衡状态下的物质(包括所有溶液种类)的量浓度,该溶液中含有过量的未溶物质。在目前的溶解测定方法中,pH-溶解度的测定一般采用“摇瓶法”。在特定的水溶液中加入固体粉末,再置于特定温度下振荡,在特定的时间取溶液测定目标化合物的浓度,一般需要测定不同时间段的结果以确定溶解过程是否达到平衡。

Noyes-Whitney方程式是描述溶解过程最为经典的模型之一。固体化合物中的分子首先在固液界面中与水分子发生相互作用,进而脱离晶格,进入扩散层,扩散层的分子再进入溶液相中。对于盐型化合物的溶解也遵循这一基本过程,但是由于其固相中至少存在两种离子,除了发生常规的水合作用,可能进一步发生去质子化或质子化,并且溶液相中的已有成分发生进一步相互作用。图1简要概括了,盐型化合物(碱)在溶液中的溶解过程(仅考虑生成游离态析出固体)。

图1. 盐型化合物溶解过程简图(引自参考文献【3】)

当化合物固体加入水溶液中,固体颗粒的表面被溶液润湿,固体晶格表面的离子与水分子发生相互作用,脱离晶格进入溶液相,这些刚进入溶液相的水合离子会在固液界面中短暂富集,形成一个所谓的“扩散层”,这个扩散层中盐型化合物的两种离子的浓度高于溶液相,这种浓度梯度促使离子进入溶液相。

一般而言,盐型化合物的晶格节点由阴阳离子占据,相比于不带电的游离态分子,带电离子和水分子之间可能存在更强的相互作用,更容易脱离晶格进入溶液,溶解过程可能更为顺利。

与游离态分子的晶体不同,盐型化合物中的阴阳离子二者进入溶液的速率可能存在显著差异,这可能导致固相界面可能甚至是固相本身发生晶型/盐型改变,进而改变溶解过程。一些优先进入溶液中的离子也可能快速改变扩散层或溶液的环境,进而影响后续溶解过程。

如果进入溶液中的离子是弱酸或者弱碱,例如常见的羧酸根离子或氨基离子,可能与氢离子或氢氧根离子发生作用,这可能使离子去质子化生成游离态分子,也可能改变扩散层的pH,进而影响剩余固体的进一步溶解。这些离子也可能与溶液中的其他组分发生作用,例如形成不溶性盐,直接沉淀在溶解底物的表面,进而抑制其溶解;有些则形成复合物,甚至自身形成复合物,进而促进底物溶解。

离子处于扩散层的时间可能较为短暂,其与扩散层中的成分相互作用并不充分,可能无法实现平衡,但其进入溶液相以后,这些离子通常有足够的时间与溶液相中的各种组成发生相互作用,可能实现溶解平衡。这些作用通常包括去离子化、形成新的复合物、产生沉淀等。需要注意的是,有些过程可能变化速率可能较慢,也可能需要一些偶然因素的影响。例如某些盐型化合物在溶液中会呈现出完全溶解再析出的过程,这是因为盐型的溶解速度大于沉淀生成的速度;饱和溶液的析出时间就存在一些不确定性。

这些相互作用会在固相、溶液相及其界面中持续进行,这些转变过程又相互关联,每个过程变化速率可能不同,因此会展现出不同的宏观现象。此外,在实际的试验测量过程中,由于时间尺度问题,我们是否能够获得平衡状态下的数据实际上是存在疑问的,也可能无法观察到整个溶解变化过程。

从以上的过程分析可知,很多盐型化合物的在水溶液中的溶解过程极为复杂。对于很多难溶性药物来说,尤其是盐型化合物来说,测定不同pH下的饱和溶解度十分困难,很多测定数据无法提供有用信息,甚至是没有任何意义。一方面,溶解过程可能非常慢,在可以接受的测定时间范围内无法达到溶解平衡;另一方面,在溶解过程中,盐型转变过程是极为常见的情况,固相中的盐型完全发生改变(转化为其他盐型或游离态),这时测定的溶解度已经不能成为该盐型化合物的溶解度。对于这些化合物,进行溶解度研究并非要获得其真实的溶解度数值,这个数据可能对制剂开发过程没有任何意义。

在实际的研究中,我们仍然需要评估溶解过程,并测定溶解度,获取相关数据。在试验设计和数据解读上,需要基于pH-溶解度测定的最终目的。首先,我们需要明确试验过程中存在的转变,对关键因素进行控制,以获得可靠的高质量数据;其次,结合试验中各个组分的转变,采用这些数据指导制剂处方工艺开发,例如溶出风险评估、溶出条件开发、工艺过程开发等。


3 试验设计的考虑



ICH的指导原则M9《基于生物药剂学分类系统的生物等效性豁免》、中国法规《人体生物等效性试验豁免》从较为详细地描述了以判断“生物药剂学分类”为目的pH-溶解度测定要求。USP<1236>对采用“摇瓶法”测定饱和溶解度的过程进行了较为详细的试验叙述,具体可以参见参考文献1,本文不再赘述。
目前,“摇瓶法”是pH-溶解度测定最为常用的方法,但是对于盐型化合物,为了获得更为可靠的试验结果,需要在常规的摇瓶法在试验设计上需要做更多的考虑。

(1)溶解度测定试验中需要关注的常规问题仍然需要考虑。首先是温度控制,对于口服制剂,相关的指导原则均是要求37℃的溶解度,但是对于注射剂的开发可能需要考虑其他温度下的溶解度;其次是考虑稳定性,化合物在溶液中应该有足够的稳定性(ICH指导原则规定,降解程度>10%),否则无法测得溶解度或测定结果没有任何意义;在试验开始前,需要确定检测方法是合适。通常,对于盐型化合物的溶解度,一般随pH变化而产生剧烈的变化,分析方法需要有良好的适用性。

(2)原料药的本身的质量情况可能影响溶解过程和溶解度。因此,在进行pH-溶解度测定的试验中应当根据试验目的,恰当选择原料药的批次。此外,应收集与溶解度相关的数据,例如晶型/晶癖、有关物质、含量、残留溶剂、粒径等,这可能为后续研究中可能的差异分析提供重要的支持。

(3)化合物进入溶液中可能影响溶液的pH,进而影响化合物的溶解度。因此在测定溶解度的同时,应当同时测定溶液pH。有些情况下,需要对pH进行调节,以获得特定pH下的溶解度。但需要注意的是,酸碱平衡可能需要时间,pH调节完成后,需要经过适当搅拌,经过一段时间后再次确认pH,有时候可能需要对pH进行反复调节。此外,应当注意pH调节溶液的选择,一般选择对固体溶解影响更小的强碱强酸溶液进行调节,也要注意选择合适的酸碱浓度,调节过程中可能存在局部pH变化过大形成沉淀,这些沉淀再次溶解可能较为困难,因而导致试验失败。在某些时候,溶液的离子强度可能对溶解过程造成影响,如果多次调节才能实现最终的pH,可以考虑重新选择初始溶液的pH,并重新试验。

(4)化合物的溶解过程中可能存在晶型、盐型转变,因此应当对溶液残余固体进行分析,以确认固体成分是否发生变化。一般而言,PXRD和DSC是用于确定晶型是否发生改变的重要方法。若为了进一步盐型转变情况,则可以采用粒子色谱、HPLC、核磁等手段具体分析溶液中固体的组成进行分析。一旦溶液中残余的固体发生变化,那么这意味着此时测定的溶解度不再是初始固体粉末的溶解度,但这仍然反映其在溶液的中的溶解情况,这往往能够反映药物制剂在胃肠道中可能存在的风险,最为常见的例子是碱性化合物在酸性环境溶解进入肠道高pH的环境析出。此外,结合其他一些溶解过程监测手段的数据,例如IDR,有利于更好地确认溶解过程中发生的转变

(5)固定溶液相和固体相的用量是必要的。固体化合物加入的量可能影响溶液的组成,进而影响溶解度。例如盐型中的反离子如果是弱酸碱离子,其可能进入溶液后会改变pH,同时这种弱碱离子在水溶液中的溶解度可能远大于化合物的离子,不同盐型化合物的加入量能够溶解进入溶液中的弱碱离子的量显示不同;个别化合物在高浓度下形成复合物实现溶解,而低浓度时却析出为沉淀。参考文献【5】中提供了一个加入固体量影响溶解度的案例。因此,在试验设计时慎重考虑化合物的加入量是必要的。在很多时候,获得饱和溶解度数值并没有实际意义,我们关心的是特定的量的化合物是否可以在溶液溶解,例如BCS分类的溶解度限度、溶出考察的漏槽条件、注射溶液浓度是否恰当等,根据具体的试验目的,可以确定合理的化合物加入量。

(6)为了获得特定的pH,常常选用缓冲盐,需要注意缓冲盐溶液中的离子成分是否会与盐型化合物中的离子发生相互作用。盐型化合物溶解后形成的离子常常与溶液中的离子发生盐型转变,形成沉淀可能造成溶解度的低估;而形成可溶性复合物,则可能造成溶解度高估。此外,反离子效应也可能影响溶解度。

(7)应当试验设计的时间范围内,溶解体系是否达到平衡,若有必要应当采取措施加速溶解过程,促进溶液达到平衡。一般而言,分子量越大的化合物,疏水性越强的化合物溶解越困难,分子进入溶液的难度越大,达到溶解平衡的时间越长,对于这些化合物很可能在常规的试验时间(24h,48h或72h等)无法达到溶解平衡。然而,化合物进入溶液后的行为往往有较大的意义,因此有些研究者测定难溶性化合物的溶解度时会考虑加速溶解过程,例如尽可能进行粒径,甚至加入适当的有机溶剂。在使用这些数据评估某些问题时,需要特别注意这些数据是否能够提供足够的支撑。


4. 总结



盐型化合物在水溶液中的溶解过程十分复杂,详细测定pH-溶解度数据有利于提升对化合物性质的认知,从而减小制剂处方工艺开发的风险。但需要注意的是数据本身并不是试验的唯一目标,只有合理的设计试验过程才能够获得高质量的数据,并恰当地对数据结果进行解读,进一步在此基础合理的使用数据结果。


参考文献
【1】Mzwinsuny, USP<1236>告诉你溶解度究竟该怎么测,药事纵横;
【2】ICH,M9:基于生物药剂学分类系统的生物等效性豁免;
【3】Yan He & Edward Orton et.al, Measurement and Accurate Interpretation of theSolubility of Pharmaceutical Salts, Journal of Pharmaceutical Sciences 106(2017) 1190-1196;
【4】Ron Liu, Water-Insoluble DrugFormulation(Third Edition), Chapter 15.
【5】ZEREN WANG, LANA S. BURRELL, WILLIAM J. LAMBERT,Solubility of E2050 at Various pH: A Case in Which Apparent Solubility IsAffected by the Amount of Excess Solid, JOURNAL OF PHARMACEUTICAL SCIENCES,VOL. 91, NO. 6, JUNE 2002


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