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

Význam tématu

Fourierova transformní infračervená (FTIR) mikroskopie nabízí rychlé spojení vysoce kvalitního vizuálního zobrazení s chemickou spektroskopií na mikrometrové škále. To je v oblasti farmaceutického výzkumu, vývoje a kontroly kvality zásadní: umožňuje identifikovat složky, sledovat jejich prostorové rozložení, detekovat aglomeráty či cizí částice a vyhodnocovat strukturální změny u biologik. Takové informace zkracují čas k uvedení produktu na trh, zlepšují reproducibilitu výroby a snižují riziko selhání výrobků.

Cíle a přehled studie / článku

Text popisuje praktické ukázky použití FTIR mikroskopie (Thermo Scientific Nicolet RaptIR) v třech kontextech: 1) vývoj inhalačních přípravků (MDI) pro zobrazení profilu naneseného aerosolu, 2) analýza tablet v kontrolních laboratořích pro mapování distribuce API a excipientů a 3) hodnocení formulací bioterapeutik (insulin) pro zjištění složení a signalizaci případného nesprávného skládání či separace složek. Cílem je demonstrovat, jak kombinace rychlého zobrazování, chemického mapování a pokročilého softwarového zpracování zlepšuje rozhodování v R&D i QC prostředí.

Použitá metodika a instrumentace

Klíčové postupy a přístupy použitá v ukázkách:

• Příprava vzorků: aktivace MDI na pozlacený sklíčko pro reflektivní měření; nanesení 1 µL komerčního inzulinu na okno z BaF2 s opakovanými nanášeními pro zvýšení signálu v reflektivním režimu; vizuální snímky vysušených depozit.
• Režimy měření: reflektance (velké oblasti MDI, insulin), Ge-ATR kontakt (tablety) pro vysoký signál/šum a vysoké prostorové rozlišení v ATR režimu.
• Mapování: příklady zahrnují mapy 1200×950 µm se step size 25 µm pro tablety a 10×10 mm plochu pro insulin; získávání více oblastí zájmu automaticky.
• Analytický software a zpracování: OMNIC Paradigm pro akvizici a vyhodnocení; multivariate curve resolution (MCR) pro dekompozici složených spekter do čistých komponent; multi-component search pro identifikaci směsných spektrogramů.

Specifická instrumentace:

• Thermo Scientific Nicolet RaptIR FTIR Microscope (vizuální i IR operace, vysoká rychlost mapování).
• Ge-ATR element pro kontaktální ATR měření.
• Barium fluoride (BaF2) okno pro transmission/reflection měření biologických vzorků.
• Pozlacené sklíčko pro zachycení aerosolu z MDI.
• OMNIC Paradigm software se moduly pro MCR a multi-component search.

Hlavní výsledky a diskuse

Významné poznatky z příkladů aplikace:

• MDI (spray profiling): širokoplošné zobrazení aerosolového nánosu ukázalo nerovnoměrné rozložení API v barvách indikujících vyšší koncentrace (zelená/červená). FTIR mapování poskytlo zároveň informace o krystalicitě a aglomeraci částic, což jsou faktory ovlivňující biologickou dostupnost.
• Tablety (QC): pomocí Ge-ATR mapování a MCR byly ve třech komponentech identifikovány acetaminofen, sodný hydrogencarbonát a škrob. MCR obrázky ukázaly rozdíly mezi dvěma tabletkami stejného složení — první tablet měl homogennější rozložení komponent než druhá, která vykazovala menší doménové velikosti a zřejmé rozdíly ve výrobním procesu (např. rozdílné tabletovací parametry či příprava směsi).
• Biologika (insulin): infrared mapování sušeného inzulinu odhalilo mozaikovité rozložení proteinu s oddělenými oblastmi glycerolu a fenolu; softwarová vícekomponentní identifikace potvrdila přítomnost inzulinu a pomocných látek (glycerol, fenol, meta-kresol). To poukazuje na možnost sledovat separaci excipientů během sušení, což může ovlivnit stabilitu proteinu.

Diskuse zdůrazňuje, že FTIR mikroskopie poskytuje informace, které tradiční metody (např. pouze vizuální inspekce nebo hmotnostní analýza) samy o sobě nedají — zejména prostorové chemické rozložení a polymorfní/krystalická data na sub-milimetrové škále. USP uznává mikroskopii jako podpůrnou metodu pro hodnocení velkých částic a aglomerátů v emisích MDI, i když preferovanou metodou pro distribuci částic zůstává kaskádový impaktor.

Přínosy a praktické využití metody

Hlavní přínosy pro farmaceutická pracoviště:

• Rychlá lokální identifikace API a excipientů bez nutnosti rozložení celé dávky.
• Detekce a identifikace cizích částic či aglomerátů, které mohou způsobit reklamační řízení nebo ohrozit bezpečnost léčiva.
• Podpora vývoje formulací a optimalizace procesů (kontrola homogenity, krystalinity, separace složek při sušení).
• Užitečné v QC a vyšetřování stížností díky automatizovanému sběru dat a přehledné chemické mapě.
• Možnost použití i pro biologika — analýza sekundární struktury a sledování změn vedoucích k denaturaci či fibrilaci proteinů, které ovlivňují účinnost.

Budoucí trendy a možnosti využití

Možné směry rozvoje a rozšíření aplikací FTIR mikroskopie ve farmacii:

• Integrace s pokročilými algoritmy (strojové učení, AI) pro automatickou klasifikaci map a detekci anomálií.
• Zvyšování prostorového rozlišení a citlivosti detektorů, včetně snížení limitů detekce pro stopové kontaminanty.
• Korrelativní metody (kombinace s elektronovou mikroskopií, Raman spektroskopií nebo hmotnostní spektrometrií) pro komplexnější chemicko-fyzikální charakterizaci.
• Automatizované workflow pro rutinní QC s validovaným softwarem a reportingem přijímaným regulačními orgány.
• Rozšířené použití pro biologika včetně sledování agregace, změn sekundární struktury a dlouhodobé stability formulací v podmínkách simulace skladování.

Závěr

FTIR mikroskopie na platformě Nicolet RaptIR ukazuje vysokou přidanou hodnotu pro farmaceutické aplikace: rychlé chemické mapování, identifikace složek a analýza mikrostruktury umožňují lepší kontrolu kvality, efektivnější vývoj formulací a rychlejší vyšetřování problémových případů. Kombinace výkonného hardware s nástroji jako MCR a multi-component search poskytuje praktické řešení pro R&D i QC laboratoře a současně nabízí cestu k další automatizaci a integraci s moderními datovými metodami.

Reference

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.