Investigando el congelamiento

Sep 25, 2023

Publicado: 1 de marzo de 2023 | Henning Gieseler (FAU Erlangen-Nuremberg), Teresa Siegert (FAU Erlangen-Nuremberg) | Sin comentarios aún

En este artículo, Teresa Siegert y Henning Gieseler analizan los beneficios de aplicar la tomografía computarizada en la producción de productos farmacéuticos liofilizados, así como los obstáculos que deben superarse para aprovechar su potencial.

Las imágenes tridimensionales obtenidas mediante tomografía computarizada (TC) proporcionan información valiosa y no invasiva sobre la morfología interna de los productos liofilizados. Esta tecnología permite visualizar la estructura de los poros de forma similar a la microscopía electrónica de barrido. Permite la detección y trazabilidad de alteraciones estructurales y/o impurezas así como la verificación de la integridad del cierre del contenedor. Sin embargo, aún deben superarse los desafíos de la técnica, como el largo tiempo de medición para garantizar una resolución suficiente y las pérdidas de calidad del análisis no invasivo a través del vial de vidrio.

La CT industrial es un método establecido para el desarrollo confiable de productos y procesos, el monitoreo y la recalificación de procesos. Mientras que los métodos ópticos tradicionales sólo pueden evaluar la superficie, la tecnología de rayos X se puede utilizar para mostrar la estructura interna y, por tanto, detectar defectos y desviaciones en la geometría. Por este motivo, la TC ya se utiliza desde hace varios años en muchas ramas de la industria como método no destructivo para caracterizar mejor componentes o productos fabricados.

La tecnología de rayos X también se utiliza cada vez más en la I+D farmacéutica, en particular para examinar formas farmacéuticas sólidas, una aplicación para la que esta tecnología puede adoptarse sin problemas. Crear un perfil de las diferentes densidades dentro de una tableta permite examinar su estructura interna. Estas diferencias en la estructura son el resultado de la prensa de tabletas y, por lo tanto, brindan información sobre la calidad del proceso.1 Además, las imágenes de TC revelan la distribución de los ingredientes activos y ayudan a explicar el comportamiento de la fractura. También se pueden detectar impurezas, ya que suelen tener una densidad mayor que los ingredientes de las tabletas.2,3

La tomografía computarizada también se utiliza en el campo de la liofilización. Al visualizar la estructura interna de los poros, se pueden investigar los efectos de diferentes condiciones y/o situaciones de congelación.4 La velocidad de congelación influye en el tamaño y la distribución de los poros, que luego se detecta en la imagen 3D, lo que permite que los parámetros del proceso se adapten de manera óptima a las propiedades deseadas del producto final. Además, se puede utilizar para estimar la tasa de transferencia de masa durante el secado primario.5

Figura 1 : Imágenes de rayos X de viales con una solución de S-adenosil-L-metionina (100 mg/mL) que muestran diferentes grados de microcolapso de la torta. Imágenes tomadas en el microtomógrafo CTportable 25.50 (Fraunhofer IIS, Fürth, Alemania).

Sin embargo, existe una aplicación potencial mucho mayor, aunque a menudo pasada por alto, de la CT en la liofilización farmacéutica. Incluso con imágenes básicas de rayos X bidimensionales (2D), se pueden detectar estructuras de torta liofilizadas. Mientras que una torta elegante parece homogénea con una coloración uniforme, si se produce un microcolapso durante el secado, el material altamente poroso comienza a encogerse y se forma una estructura más heterogénea; estas áreas aparecen más oscuras en la imagen de rayos X. De este modo, es posible detectar imperfecciones estructurales que no son visibles desde la superficie y ajustar las condiciones de secado en consecuencia (Figura 1 ). Si se capturan reconstrucciones tridimensionales (3D) de las tortas, estos defectos se pueden identificar más claramente. La estructura de poros en forma de panal, que se puede ver en pasteles elegantes, se desvanece en una red irregular con estructuras en forma de varillas, que están parcialmente colapsadas y tienen extremos en forma de gota. Con esta tecnología, incluso los indicios más pequeños de microcolapso pueden detectarse sin un examen invasivo mediante microscopía electrónica de barrido.6

De manera similar a las tabletas, también se podría realizar una inspección de impurezas en los productos liofilizados. Debido al bajo contenido de sólidos en la torta liofilizada y la baja densidad asociada, la torta se distingue bien de las impurezas (Figura 2 ). Estas contaminaciones a veces se introducen en el vial durante el proceso de fabricación; por ejemplo, se pueden introducir partículas de silicona o metal a través del tapón. Si se rompe el vidrio, también puede haber contaminación por pequeñas partículas de vidrio. Dado que estas partículas suelen ser muy pequeñas y se encuentran dentro de la torta, no pueden detectarse durante la inspección óptica convencional, lo que supone un gran riesgo potencial para los pacientes. Una inspección 100 por ciento automatizada utilizando tecnología de rayos X podría detectar y rechazar viales contaminados antes de ingresar al mercado. Si determinadas contaminaciones se producen con mayor frecuencia y, por lo tanto, indican un dispositivo defectuoso, los pasos del proceso defectuosos se pueden detectar y prevenir lo antes posible.

Figura 2 : Reconstrucción 3D de un vial con formulación de manitol de 50 mg/ml y impurezas de caucho de etileno-propileno-dieno añadidas. Se pueden observar las impurezas, así como la estructura heterogénea de la torta y la piel formada en la parte superior. Grabado y reconstruido por C. Schulbert (Geozentrum Nordbayern, Erlangen, Alemania) en el Phoenix V|tome|xs (Waygate Technology, Hürth, Alemania).

La microscopía de liofilización por tomografía de coherencia óptica (OCT-FDM)7 también podría utilizarse basándose en la tomografía computarizada, lo que permitiría observar y visualizar en 3D los cambios estructurales dentro de la torta durante el secado. Esto proporciona información sobre el comportamiento de la formulación durante la liofilización en un entorno de medición realista. La temperatura de colapso determinada por esta técnica también está más cerca del comportamiento real del producto que, por ejemplo, con una medición DSC.7 Estos conocimientos se pueden utilizar para optimizar los parámetros de secado.

Otra posible aplicación de la TC es verificar el sellado de los viales tras el cierre con tapas de aluminio. Para garantizar la esterilidad, el vial debe estar debidamente sellado. Un cierre defectuoso de las cápsulas de aluminio se pudo detectar mediante imágenes de rayos X a partir de diferencias de densidad entre el vial, el tapón y la cápsula. Si, por ejemplo, la cápsula de aluminio queda torcida sobre el tapón o no cierra correctamente el borde del vial, esto se detectará en la TC.

…La tomografía computarizada (TC) podría permitir una caracterización completamente automatizada de los viales en el futuro”.

Los ejemplos antes mencionados ilustran que la TC podría permitir una caracterización completamente automatizada de los viales en el futuro. Dado que la inspección visual tradicional ya puede ser reemplazada por sistemas de cámaras automatizadas,8 la TC podría conducir a una reducción de fallas por inspección humana, ahorros de costos y una mayor calidad de los productos liofilizados.

Antes de que se pueda aplicar CT en la liofilización industrial, se deben superar varios desafíos. En primer lugar, la solución deseable sigue siendo un problema. La visualización precisa de la estructura de los poros internos requiere un tamaño de píxel suficientemente pequeño. Sin embargo, con una buena resolución, el parámetro del tiempo se vuelve crucial. Cuanto mejor sea la resolución, más tardará la medición. Por ejemplo, una medición de alta resolución en el micro tomógrafo SkyScan 1275 (Bruker MicroCT, Kontich, Bélgica) con un tamaño de píxel de 18 µm y un paso de rotación de 0,25° tarda aproximadamente una hora y media.6

Antes de que se pueda aplicar CT en la liofilización industrial, se deben superar varios desafíos. En primer lugar, la solución deseable sigue siendo un problema. La visualización precisa de la estructura de los poros internos requiere un tamaño de píxel suficientemente pequeño. Sin embargo, con una buena resolución, el parámetro del tiempo se vuelve crucial. Cuanto mejor sea la resolución, más tardará la medición”.

Con un tiempo de medición del orden de varios minutos se puede conseguir una buena resolución. Si bien esto es bastante factible en un entorno de investigación, no es aplicable a escala industrial. En promedio, se secan convencionalmente entre 30.000 y 60.000 viales en un lote comercial durante un período de aproximadamente tres días. Posteriormente, una inspección del 100 por ciento de 60.000 viales con un tiempo de medición de solo un minuto tardaría alrededor de 42 días en liberar el producto final. Si la duración del escaneo se reduce aún más aumentando el tamaño de píxel y la velocidad de rotación de la muestra, se produce una pérdida significativa de resolución. Los llamados dispositivos CT in vivo podrían ofrecer una solución en este caso, ya que están diseñados para realizar escaneos rápidos de animales y así acortar el tiempo de medición al rango de segundos.9

Si se utiliza CT para detectar contaminantes, la resolución es aún más crítica, ya que las partículas pueden alcanzar diámetros de menos de 50 µm. La detectabilidad de las partículas no sólo está limitada por las capacidades técnicas de los dispositivos; Los fenómenos físicos también influyen en la detectabilidad. Dado que los rayos X son radiación electromagnética, pueden interactuar con la materia de diferentes maneras. Esto hace que el haz de rayos X se atenúe a medida que atraviesa la materia, cuyo grado depende del tipo de material. Por lo tanto, la intensidad disminuye exponencialmente con la longitud penetrada.10 Esto plantea un problema importante para la detección de partículas en tortas liofilizadas, ya que el diámetro del vial es significativamente mayor en comparación con el tamaño de las partículas. Por tanto, la diferencia de densidad entre el material de la torta y las partículas es insignificante para la atenuación. Esto significa que la partícula ya no puede detectarse. Aumentar el voltaje de excitación produciría una mejor penetrabilidad del material, pero se reduciría el contraste de la imagen11,12.

figura 3 : Imágenes de rayos X de un vial de vidrio moldeado de 20 ml (izquierda) y un vial de vidrio tubular de 20 ml (derecha). Imágenes tomadas en el microtomógrafo CTportable 25.50 (Fraunhofer IIS, Fürth, Alemania).

También se debe tener en cuenta la influencia del vial de vidrio en las imágenes de TC. En comparación con la matriz de la torta, el vidrio tiene una densidad significativamente mayor y, por lo tanto, absorbe muy bien los rayos X. Por tanto, el contraste de la imagen es menor que en un análisis sin vial6, pero esto no constituiría un método no invasivo. También hay que tener en cuenta el tipo de cristal. El vidrio tubular muestra un espesor de pared homogéneo, mientras que el vidrio moldeado a veces muestra diferencias en el espesor de pared. Como resultado, el vidrio aparece desigual y más oscuro en la imagen de rayos X, lo que dificulta ver los poros o las impurezas (figura 3).

A medida que la tecnología continúa evolucionando y dado que la CT es una técnica establecida, es probable que aumente su importancia en la liofilización. Sus numerosas aplicaciones posibles ilustran un gran potencial para mejorar la calidad de las tortas liofilizadas. Como resultado, se pueden reducir los viales de producto rechazados y se garantiza la seguridad de la aplicación. Es necesario seguir trabajando para determinar si se pueden superar los obstáculos actuales y si la CT se puede utilizar como dispositivo de inspección en la industria de la liofilización en el futuro.

Teresa Siegert Estudió química en la Universidad de Ratisbona y obtuvo su maestría en 2020. Posteriormente, en 2021 se unió al grupo de enfoque sobre liofilización dentro de la División de Farmacia de la Universidad de Erlangen como estudiante de posgrado. Su interés de investigación es la aplicación de la tomografía computarizada para la investigación de productos liofilizados.

Dr. Henning Gieseler es farmacéutico autorizado en Alemania, tiene un doctorado en farmacia y recibió la venia legendi en ciencias farmacéuticas en 2010 de la Universidad Friedrich-Alexander de Erlangen-Nuernberg con la tesis “Calidad por diseño (QbD) en liofilización mediante procesos avanzados. Tecnología analítica”. Actualmente trabaja como director científico en GILYOS GmbH, una CRO para productos liofilizados, que fundó en 2010. Además, se desempeña como profesor adjunto en la FAU Erlangen-Nuernberg y es líder del grupo de enfoque de liofilización. (FDFG) del Departamento de Farmacia de Erlangen.

1. Sinka IC, Burch SF, Tweed JH, Cunningham JC. Medición de variaciones de densidad en tabletas mediante tomografía computarizada de rayos X. Int J Pharm 2004; 271(1-2): 215–24 [https://doi.org/10.1016/j.ijpharm.2003.11.022][PMID: 15129988]

2. Hancock BC, diputado de Mullarney. Microtomografía de rayos X de formas farmacéuticas sólidas. PharmTech 2005 1 de abril.

3. Sovány T, Kása P, Vakli K, Pintye-Hódi K. Microtomografía computarizada de rayos X para la determinación de las relaciones entre la estructura y la rotura de tabletas ranuradas. Espectro de rayos X. 2009; 38(6): 505–9 [https://doi.org/10.1002/xrs.1205]

4. Mousavi R, Miri T, Cox PW, Fryer PJ. Una técnica novedosa para la visualización de cristales de hielo en sólidos congelados mediante tomografía microcomputarizada de rayos X. J Ciencias de los Alimentos 2005; 70(7): e437-e442 [https://doi.org/10.1111/j.1365-2621.2005.tb11473.x]

5. Foerst P, Melo de Carvalho T, Lechner M, et al. Estimación de la tasa de transferencia de masa y los tiempos de secado primario durante la liofilización de soluciones de maltodextrina congeladas basadas en mediciones de tomografía computarizada μ de rayos X de distribuciones de tamaño de poro. J. Ing. de Alimentos. 2019; 260: 50–7 [https://doi.org/10.1016/j.jfoodeng.2019.05.002]

6. Haeuser C, Goldbach P, Huwyler J, et al. Técnicas de imagen para caracterizar el aspecto de la torta de productos liofilizados. J Pharm Ciencias 2018; 107(11): 2810–22 [https://doi.org/10.1016/j.xphs.2018.06.025][PMID: 30005985]

7. Mujat M, Greco K, Galbally-Kinney KL, et al. Microscopía de liofilización basada en tomografía de coherencia óptica. Biomed Opt Express 2012; 3(1): 55–63 [https://doi.org/10.1364/BOE.3.000055][PMID: 22254168]

8. Sistemas de herramientas de automatización ATS. Software e inspección; 2021 [consultado en mayo de 2022] Disponible en: URL: https://atslifescienceseurope.atsautomation.com/technologien/softwareloesungen/#1618856837892-aa8180ec-511b.

9. MicroCT en vivo | Alta resolución | Escritorio; 2022 [consultado en abril de 2022] Disponible en: URL: https://www.bruker.com/en/products-and-solutions/preclinical-imaging/micro-ct/skyscan-1276.html.

10. Ardenas MB. Hipermicroscopía electrónica: Física · Tecnología · Resultados. Berlín, Heidelberg: Springer Berlín Heidelberg 1940.

11. Turner JE. Átomos, radiación y protección radiológica. 3º completamente rev. y enl. ed. Weinheim: Wiley 2007.

12. Krieger H. Conceptos básicos de física radiológica y protección radiológica. 4ta edición 2012. revisada. etc. Wiesbaden: Vieweg+Teubner Verlag 2012.

Número 1 2023

Técnicas analíticas, Biofarmacéuticos, Producción, Tecnología

FAU Erlangen-Núremberg

Henning Gieseler (FAU Erlangen-Nuremberg), Teresa Siegert (FAU Erlangen-Nuremberg)