Utilización de la espectroscopia NIR en el análisis de identificación y control de calidad de productos farmacéuticos liofilizados

Abstract

Aquesta tesi aborda la millora de la qualitat dels productes farmacèutics liofilitzats. En termes generals, el procés de liofilització consisteix a eliminar, per sublimació i desorció, l’aigua de la solució de medicaments congelats. El contingut d’humitat residual (RMC) en un producte liofilitzat es considera un atribut crític de qualitat (CQA) i la quantificació d’aquest atribut proporciona informació sobre com s’ha desenvolupat el cicle de liofilització i sobre l’evolució de la qualitat del producte durant la seva vida útil. D’altra banda, les formulacions de productes farmacèutics liofilitzats que contenen biomolècules o molècules orgàniques grans sovint presenten una alta sensibilitat a l’oxigen; i un alt contingut d’aquesta molècula pot tenir efectes negatius sobre la qualitat del producte final: disminució de l’eficàcia, formació de subproductes que poden tenir alta toxicitat o canvi de coloració del producte. En aquesta tesi s’han desenvolupat mètodes analítics que permeten determinar i avaluar l’impacte de la humitat i l’oxigen en els productes liofilitzats. Tots els productes liofilitzats utilitzats han estat fabricats pels Laboratoris Reig Jofre. En un primer treball s’ha estudiat l’impacte de la humitat continguda en els taps en un producte liofilitzat hidrolitzable, que ha estat emmagatzemat durant 6 mesos en condicions d’estabilitat accelerada. Per a això, prèviament, ha estat necessari desenvolupar i validar, amb el rigor requerit en l’entorn farmacèutic, un mètode analític basat en la valoració culombimètrica de Karl Fischer, acoblada a un forn, per a la determinació de la humitat residual en els taps dels vials. L’estudi de la humitat i dels productes de degradació per hidròlisi en el decurs del temps ha permès deduir que la degradació per hidròlisi del producte està relacionada amb la quantitat d’humitat inicial dels taps. En el següent treball s’ha desenvolupat un mètode de quantificació de l’RMC en un altre producte liofilitzat . A partir de dades espectroscòpiques en l’infraroig proper (NIR), se ha confeccionat un model de regressió per mínims quadrats parcials (PLSR). Prèviament, ha estat necessari desenvolupar i validar el mètode analític de referència. El model multivariant s’ha validat seguint les directrius dels diferents organismes reguladors de la indústria farmacèutica. Finalment, s’ha aplicat a escala industrial per a realitzar un mapeig d’humitat, avaluant així l’homogeneïtat del procés d’assecat del cicle de liofilització. En el tercer treball s’ha configurat un mètode qualitatiu per relacionar el contingut d’oxigen en el headspace del vial amb l’espectre del producte liofilitzat adquirit en la regió visible del espectre electromagnètic per reflectància. S’ha realitzat la classificació amb PLS-DA de mostres amb alts i baixos continguts d’oxigen a partir d’un determinat llindar. El mètode ha estat validat i s’ha calculat els paràmetres de rendiment del mateix; la zona de baixa fiabilitat del mètode s’han calculat a partir de la corba característica de rendiment. En l’últim treball s’ha desenvolupat i validat un mètode per a la identificació, en el propi envàs, dels productes acabats abans de la seva distribució al mercat. S’ha utilitzat l’espectroscòpia NIR per a crear una biblioteca representativa dels espectres NIR de deu productes i s’ han utilitzat tècniques quimiomètriques de reconeixement de pautes per a la seva verificació i validació.

Esta tesis aborda la mejora de la calidad de productos farmacéuticos liofilizados. A grandes rasgos, el proceso de liofilización consiste en eliminar, por sublimación y desorción, el agua de la solución de medicamento congelada. El contenido de humedad residual (RMC) en un producto liofilizado se considera un atributo crítico de la calidad (CQA) y la cuantificación de este atributo aporta información sobre cómo se ha desarrollado el ciclo de liofilización y sobre la evolución de la calidad del producto durante su vida útil. Por otra parte, las formulaciones de productos farmacéuticos liofilizados que contienen biomoléculas o moléculas orgánicas de gran tamaño acostumbran a presentar una alta sensibilidad al oxígeno; un alto contenido de oxígeno puede tener efectos negativos en la calidad del producto final: disminución de la eficacia, formación de subproductos que pueden tener alta toxicidad o el cambio de coloración del producto.

En esta tesis se han desarrollado métodos analíticos para determinar y evaluar el impacto en el producto liofilizado de la humedad y el oxígeno. Todos los productos liofilizados utilizados han sido fabricados por Laboratorios Reig Jofre.

En un primer trabajo se ha estudiado el impacto de la humedad contenida en los tapones sobre un producto liofilizado hidrolizable, el cual ha sido almacenado durante 6 meses en condiciones de estabilidad acelerada. Para ello, previamente ha sido necesario desarrollar y validar, con la rigurosidad exigida en el entorno farmacéutico, un método analítico basado en la valoración culombimétrica de Karl Fischer, acoplada a un horno, para la determinación de la humedad residual en los tapones de los viales. El estudio de la humedad y de los productos de degradación por hidrólisis a lo largo de los meses, ha permitido deducir que la degradación por hidrólisis del producto está relacionada con la cantidad de humedad inicial de los tapones.

En el siguiente trabajo se ha desarrollado un método de cuantificación de RMC en otro producto liofilizado. A partir de medidas espectroscópicas en el infrarrojo cercano (NIR), se ha realizado un modelo de regresión por mínimos cuadrados parciales (PLSR). Previamente, ha sido necesario la puesta a punto y validación del método analítico de referencia. El modelo multivariante se ha validado siguiendo las directrices de las diferentes agencias regulatorias de la industria farmacéutica. Finalmente, se ha aplicado a escala industrial para realizar un mapeo de humedad, evaluando la homogeneidad del proceso de secado del ciclo de liofilización.

En el tercer trabajo se ha puesto a punto un método cualitativo para la relacionar el contenido de oxígeno en el headspace del vial con el espectro de reflectancia en el visible del producto. Se ha realizado la clasificación con PLS-DA de muestras con alto y bajo contenido de oxígeno a partir de un cierto valor umbral. El método se ha validado y se han calculado los parámetros de rendimiento de éste; la zona de falta de fiabilidad del método se ha calculado a partir la curva característica de rendimiento.

En el último trabajo se ha desarrollado y validado un método para la identificación, en el propio envase, de productos terminados antes de su liberación. Se ha utilizado la espectroscopia NIR para crear una biblioteca representativa de los espectros NIR de diez productos y se han utilizado técnicas quimiométricas de reconocimiento de pautas para su verificación y validación.

This doctoral thesis presents new solutions to improve the quality of the lyophilized pharmaceutical products. From a general point of view, the lyophilization process consists of removing, by sublimation and desorption, the water from the frozen pharmaceutical solution. The residual moisture content (RMC) in a lyophilized product is considered a critical quality attribute (CQA) and the quantification of this attribute provides information on the suitability of the lyophilization cycle parameters and the evolution of the product quality throughout the drug product shelf life. On the other hand, lyophilized pharmaceutical product formulations containing biomolecules or large organic molecules tend to have a high sensitivity to oxygen. Thus, a high oxygen content can have negative effects on the quality of the final product: decreased efficacy, formation of by-products that can have high toxicity or a change in the color of the drug product.

In this doctoral thesis, analytical methods have been developed to determine and evaluate the impact of humidity and oxygen on lyophilized drug products. All the lyophilized products analyzed have been manufactured by Laboratorios Reig Jofre.

In a first study, the impact of the moisture contained in the stoppers on a hydrolysable lyophilized drug product has been studied. The samples were stored for 6 months under accelerated stability conditions. To do this, it was previously required to develop and validate, with the rigor required in the pharmaceutical environment, an analytical method for the determination of residual moisture in the stoppers of the vials based on the Karl Fischer coulometric titration coupled to an oven. The study of the moisture and the hydrolysis related degradation products throughout months allowed us to conclude that the degradation by hydrolysis of the product is related to the amount of initial moisture in the stoppers.

In the following experimental study, an RMC quantification method has been developed for another lyophilized drug product. From near-infrared (NIR) spectroscopic measurements, a partial least square regression (PLSR) model was built. Previously, it was necessary to set up and validate the analytical reference method. The multivariate model was validated following the guidelines of the different regulatory agencies of the pharmaceutical industry. Finally, the PLSR model was applied on an industrial scale to carry out a moisture mapping of the freeze-dryer, evaluating the homogeneity of the drying process of the lyophilization cycle.

In the third study, a qualitative method that relates the oxygen content in the headspace of the vials with the lyophilized products reflectance spectra in the visible portion of the electromagnetic spectrum has been set up. First, PLS-DA classification of samples with high and low oxygen content from a certain threshold value was done. Afterwards, the method was validated, and its performance parameters were calculated; the unreliable zone of the method was calculated from the performance characteristic curve.

In the last study, a method for the identification of finished products inside their own container before their release to the market has been developed and validated. NIR spectroscopy was used to create a representative library of the NIR spectra of ten products and chemometric pattern recognition techniques were used for the verification and validation of this library.