Rapid infrared microscopy in pharmaceutical product development, quality control and biologics formulation

Význam tématu

Fourierova transformní infračervená (FTIR) mikroskopie umožňuje rychlou a prostorově rozlišenou chemickou analýzu pevných a suchých vzorků, což je v farmacii klíčové pro vývoj formulací, kontrolu kvality i vyšetřování reklamací. Metoda poskytuje nejen mapy distribuce účinných látek a excipientů, ale i informace o krystalinitě, aglomeraci a přítomnosti cizorodých částic, které přímo ovlivňují bioaktivitu a stabilitu lékových forem.

Cíle a přehled studie / článku

Účelem prezentovaného materiálu je ukázat použití FTIR mikroskopie (Nicolet RaptIR) v konkrétních farmaceutických úlohách: analýza rozložení aerosolizovaných částic z MDI, porovnání homogeneity a distribuce složek v tabletech a hodnocení formulací biologik (např. inzulinu) se zřetelem na sekundární struktury a separaci excipientů při sušení. Studie demonstruje workflow od přípravy vzorku přes akvizici dat až po multivariační dekompozici spekter (MCR) a identifikaci složek.

Použitá metodika a instrumentace

Metody a postupy popsané v práci:

• Režimy měření: reflexe (reflection) pro aerosolové a vysušené biologické vzorky; kontaktní ATR (Ge ATR) pro mapování tablet s vysokým poměrem signál/šum.
• Příprava vzorků: nastřikování MDI na zlacené sklíčko; kapka 1 µL komerčního inzulinového roztoku sušená na BaF2 okénku (vícenásobné nanášení pro zvýšení signálu).
• Akvizice dat: mapování oblastí v rozměrech stovek až tisíců mikrometrů (příklad 1200×950 µm s krokem 25 µm pro Ge ATR); tvorba chemogramů a obrazů distribuce složek.
• Datová analýza: OMNIC Paradigm Software pro automatizovanou akvizici oblastí, vícesložkové vyhledávání a multivariační curve resolution (MCR) pro dekonvoluci složek a tvorbu barevně kódovaných distribučních map.

Použitá instrumentace

Hlavní přístroje a materiály uvedené v textu:

• Thermo Scientific Nicolet RaptIR FTIR Microscope (včetně vizuálních kamer a infračervených detektorů).
• Ge ATR element pro kontaktní měření s vysokým signál/šum.
• Zlatem pokovené sklíčko pro nastrikování aerosolů.
• Barium fluoridové (BaF2) okénko pro sušené kapkové depozice biologických vzorků.
• OMNIC Paradigm Software pro řízení měření a pokročilou chemometrickou analýzu (MCR, multicomponent search).

Hlavní výsledky a diskuse

Hlavní zjištění z ukázkových aplikací:

• MDI (produkt pro inhalační aplikaci): mapování reflexí ukázalo nerovnoměrné rozložení aerosolizovaného API v zasazených oblastech. Chemogramy odhalily oblasti s vyšší hustotou částic (barevně vyznačené), což indikuje nerovnoměrné dávkování a možné vlivy propelantů či procesu rozprašování na distribuci a krystalinitu částic.
• Tablety (QC příklad): pomocí Ge ATR a krokového mapování byly pořízeny vizuální i IR obrazy dvou tablet se stejným složením. MCR analýza oddělila tři komponenty, identifikované jako acetaminofen (API), jedlá soda (sodium bicarbonate) a škrob (excipient). Porovnání ukázalo, že jedna tableta měla homogennější distribuci složek než druhá, což poukazuje na rozdíly v procesu výroby (např. mísení, komprese).
• Biologika (inzulin): při mapování 10×10 mm oblasti v reflexním režimu a při vícenásobném nanášení se podařilo detekovat inzulin a excipienty (glycerol, fenol, meta-cresol). Distribuce ukázala částečné oddělení glycerolu od proteinového materiálu při sušení, což má význam pro interpretaci stability a případného shlukování nebo změn sekundární struktury proteinů.

Diskuse zdůrazňuje, že FTIR mikroskopie poskytuje dodatečné materiálové informace nad rámec běžných fyzikálních testů (např. kaskádový impaktor), zejména ohledně morfologie částic, rozsahu aglomerace, detekce cizorodých částic a změn krystalinity, které mohou ovlivnit výkon a stabilitu lékových forem.

Přínosy a praktické využití metody

Praktické přínosy pro farmaceutickou praxi:

• Rychlá lokalizovaná identifikace a mapování API, excipientů a kontaminantů přímo na mikroskopické úrovni.
• Možnost vykonávat reverse engineering složených vzorků a identifikovat nečekané složky pomocí MCR a multi-component search.
• Podpora vývoje inhalovaných léků: hodnocení distribuce částic z MDI, zjištění aglomerátů a změn krystalinity, které ovlivňují biologickou dostupnost.
• Kontrola kvality tablet: odhalení rozdílů v homogenitě mezi šaržemi či kusy a zjištění lokálních rozdílů způsobených výrobním procesem.
• Formulace biologik: sledování separace excipientů při sušení, identifikace možných změn struktury proteinů a včasná detekce fibrilace či nesprávného složení.

Budoucí trendy a možnosti využití

Očekávané směry rozvoje a aplikací:

• Integrace FTIR mikroskopie s pokročilou chemometrií a strojovým učením pro automatizovanou klasifikaci a rychlé rozhodování v QC.
• Zvýšení citlivosti a prostorového rozlišení (kombinace ATR, vylepšených detektorů a algoritmů zpracování) pro detekci menších částic a tenkých vrstev.
• Využití FTIR imagingu v regulovaném prostředí jako komplementární test k farmakopoejním metodám, zejména pro analýzu cizorodých částic a lokálních heterogenit.
• Rozvoj standardizovaných protokolů přípravy vzorků a interpretace výsledků pro lepší reprodukovatelnost mezi laboratořemi.

Závěr

FTIR mikroskopie (předvedená na přístroji Nicolet RaptIR) je univerzální analytický nástroj pro farmacii, který spojuje kvalitu vizuálního zobrazení s chemickou specificitou. Umožňuje rychlou identifikaci složek, mapování distribuce API/excipientů, sledování krystalinity a detekci cizorodých materiálů. Díky dostupným softwarovým nástrojům (MCR, multicomponent search) je použitelná v R&D i QC laboratořích a pro vyšetřování reklamací či reverse engineering. Další rozvoj v oblasti softwaru, citlivosti a standardizace postupu zvýší její přínos pro regulovanou farmaceutickou praxi.

Reference

1. Hannah Tiernan, et al. ATR-FTIR spectroscopy and spectroscopic imaging for the analysis of biopharmaceuticals, Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy, vol. 241, 2020, 118636.