Carbamazepina – charakterystyka i wyzwania w nowoczesnej farmacji

Jakie są podstawowe mechanizmy działania CBZ?

Carbamazepina (CBZ, 5H-dibenz[b,f]azepina-5-karboksyamid, C₁₅H₁₂N₂O, m.w. = 236.27 g·mol⁻¹) to substancja czynna stosowana głównie w leczeniu określonych typów napadów padaczkowych, takich jak napady ogniskowe lub toniczno-kloniczne, poprzez stabilizację nadpobudliwych błon nerwowych, hamowanie powtarzających się wyładowań neuronalnych oraz zmniejszenie transmisji synaptycznej. Ten sam mechanizm wykorzystywany jest również w leczeniu nerwobólu trójdzielnego oraz w opanowywaniu ostrych epizodów maniakalnych i mieszanych (działa jako stabilizator nastroju w chorobie afektywnej dwubiegunowej typu I).

Ze względu na słabą rozpuszczalność CBZ w wodzie (~17 mg·L⁻¹), w nowoczesnych formulacjach rozważa się stosowanie formy amorficznej jako sposobu na zwiększenie biodostępności poprzez szybszą szybkość rozpuszczania i ogólnie lepszą rozpuszczalność w wodzie. Warto zauważyć, że CBZ jest lekiem klasy II według Systemu Klasyfikacji Biofarmaceutycznej (BCS), czyli substancją czynną o niskiej rozpuszczalności i wysokiej przenikalności. Nieuporządkowany stan amorficzny, charakteryzujący się niższą energią sieci krystalicznej i wyższą energią swobodną, ma również wady, a mianowicie niską stabilność termiczną, prowadzącą często do szybkiej i niekontrolowanej rekrystalizacji (całkowitej lub częściowej) materiału amorficznego.

CBZ jest sklasyfikowana w klasyfikacji Taylora jako związek klasy 2, czyli taki, który nie krystalizuje podczas chłodzenia z roztopu przy szybkości 20°C·min⁻¹, ale krystalizuje podczas następnego podgrzewania utworzonej fazy amorficznej przy 10°C·min⁻¹. W przypadku CBZ wymagana szybkość chłodzenia jest rzeczywiście dość wysoka, co oznacza, że przygotowanie amorficznej CBZ metodą szybkiego schładzania roztopu w dużych partiach jest raczej trudne. W takich przypadkach środek masy ciekłej jest często chłodzony z mniejszą szybkością z powodu niewystarczającego transferu ciepła, a ponieważ CBZ może krystalizować nie tylko z defektów powierzchniowych, ale również z homogenicznie rozproszonych jąder zlokalizowanych w objętości, rekrystalizacja inicjowana jest od środka amorficznej masy.

Jakie termokinetyczne wyzwania niesie za sobą amorficzna CBZ?

Na podstawie dokładnego przeglądu literatury znaleziono tylko kilka prac badawczych, które przedstawiały dane termokinetyczne (amorficznej) CBZ. Relaksację strukturalną w amorficznej CBZ badano przy użyciu modulowanej temperaturowo różnicowej kalorymetrii skaningowej (DSC) i spektroskopii dielektrycznej; określono kruchość kinetyczną CBZ na poziomie 96 ± 1, a parametr rozkładu Kohlrauscha β = 0,42. Przesunięcie temperatury przejścia szklistego (T_g) CBZ schłodzonej metodą melt-quench wraz z zastosowaną szybkością ogrzewania zmierzono w celu określenia kruchości kinetycznej wynoszącej 62,5 oraz energii aktywacji relaksacji strukturalnej, Δh* = 396 kJ·mol⁻¹. Kinetykę krystalizacji CBZ ze stanu amorficznego badano, gdzie zgłoszono energie aktywacji 107 i 185 kJ·mol⁻¹ odpowiednio dla regionów wysokiej i niskiej temperatury.

Obecny stan wiedzy na temat zachowania termicznego amorficznej CBZ jest w dużej mierze niezadowalający, szczególnie w odniesieniu do jej potencjału masowej produkcji w formie amorficznej oraz jej późniejszego przetwarzania i przechowywania. Stabilność termiczna amorficznej CBZ w niskiej temperaturze musi być rozpatrywana z kilku punktów widzenia: (1) standardowe procesy krystalizacji (zachodzące powyżej T_g) wyznaczają granice dla różnych warunków przetwarzania, w tym wygrzewania w T_g, prowadzącego do samoleczenia defektów powierzchniowych i mikropęknięć, które mogą przyspieszać rekrystalizację; (2) podatność na wzmocniony wzrost powierzchniowy lub szybkie tryby wzrostu bezodyfuzyjnego, które występują głównie poniżej T_g jako konsekwencja zwiększonej ruchliwości molekularnej na powierzchni i wzdłuż defektów; (3) intensywność i zależność temperaturowa długoterminowych procesów relaksacji strukturalnej, które mogą być źródłem naprężeń wewnętrznych, ponownie prowadzących do zwiększonej szybkości nukleacji i/lub wzrostu.

Zachowanie termiczne amorficznej CBZ badano za pomocą różnicowej kalorymetrii skaningowej (DSC), termograwimetrii (TGA), mikroskopii optycznej i spektroskopii Ramana. Mimo że CBZ jest klasyfikowana jako lek “klasy 2” według Taylora, wykazywała stosunkowo wysoką tendencję do krystalizacji podczas prób przygotowania amorficznego wlewka z większej partii za pomocą klasycznej metody melt-quench. Dodatkowo, niestabilność termiczna CBZ była również obserwowana podczas jej przygotowywania, gdzie powolne i/lub przedłużone ogrzewanie powyżej T_m prowadziło do zmiany koloru cieczy (z przezroczystego na żółty). Dlatego musiała zostać przyjęta specjalna znormalizowana procedura, gdzie każda amorficzna próbka CBZ była przygotowywana oddzielnie i bezpośrednio w naczyniu DSC.

Badania termiczne wykazały, że amorficzna CBZ charakteryzuje się temperaturą przejścia szklistego (T_g) w zakresie ~55-65°C. Standardowa krystalizacja zachodzi w CBZ między 75 a 125°C (w zależności od szybkości grzania) i przejawia się jako prosty pik egzotermiczny z asymetrią zależną od szybkości grzania. Co istotne, nawet przy niezwykle niskiej szybkości grzania, piki krystalizacji CBZ są jednolite, w przeciwieństwie do tych uzyskanych dla większych ziaren innych amorficznych substancji czynnych. Wskazuje to, że wzrost kryształów w CBZ musi pochodzić z dużej liczby jąder zlokalizowanych w objętości, a nie wyłącznie z defektów powierzchniowych, które są rzadkie w próbkach objętościowych.

Co mówi polimorficzność i analiza strukturalna CBZ?

Warto zauważyć, że CBZ znana jest z licznych faz polimorficznych, przy czym najczęstsze to forma I (T_m ≈ 192-193°C), forma II (T_m ≈ 179-180°C), forma III (T_m ≈ 174-176°C) i forma IV (T_m ≈ 181-182°C). Obecne próbki amorficzne były przygotowane z krystalicznego proszku, mieszaniny form I i III. Przy wyższych szybkościach grzania amorficzna CBZ jednoznacznie preferuje krystalizację do formy I, z jedynie śladami formy III.

Badania mikroskopowe potwierdziły, że większość małych kryształów jest zlokalizowana w objętości próbki, a nie na powierzchni lub na granicy podłoże/próbka. Obserwacje wykazały również, że wzrost kryształów rozpoczyna się dopiero po pewnym czasie od rozpoczęcia wygrzewania, a szacowana szybkość wzrostu kryształów w temperaturze 80°C wynosi około 10 μm·min⁻¹.

Dodatkową charakterystykę przeprowadzono również przy użyciu mikroskopii Ramana. Ponieważ widma Ramana dla amorficznej i krystalicznej CBZ są bardzo podobne, główną uwagę należy zwrócić na region fononów niskoenergetycznych i krawędź Rayleigha. Biorąc pod uwagę profile spektralne różnych form polimorficznych CBZ, w pełni skrystalizowane próbki CBZ wykazują wyraźne dowody dominującej obecności formy polimorficznej I, z bardzo słabymi śladami polimorficznej formy III. Z drugiej strony, widmo Ramana zakupionej CBZ potwierdza, że dominująca część materiału jest w formie III.

Analiza kinetyki relaksacji strukturalnej amorficznej CBZ wykazała stosunkowo niską energię aktywacji, która maleje z ~320 do 175 kJ·mol⁻¹ w badanym zakresie temperatur. W porównaniu z innymi lekami o podobnej klasyfikacji, CBZ wykazuje najniższy stopień niejednorodności strukturalnej (związany z najwyższą wartością parametru β = 0,57), wskazując na bardziej jednolity zakres ruchów relaksacyjnych. Odpowiada to wyższej wartości parametru x = 0,44, który można odwrotnie powiązać ze stopniem kooperatywności podczas relaksacji strukturalnej. Jednorodność strukturalna i niższy stopień kooperatywności w relaksującej matrycy szklanej CBZ znajdują odzwierciedlenie w stosunkowo niskiej wartości energii aktywacji.

Kinetyka krystalizacji CBZ, pomimo sygnału DSC przejawiającego się jako pojedynczy pik egzotermiczny, została opisana przy użyciu dwóch w pełni nakładających się procesów autokatalitycznych o zależnych od temperatury energiach aktywacji i stopniu autokatalizy. Na podstawie tego opisu obliczono przewidywania kinetyczne dla szybkości krystalizacji przy T_g – CBZ okazała się bardzo stabilna, umożliwiając przetwarzanie fazy amorficznej (np. samoleczenie defektów mechanicznych wywołanych szybkim schładzaniem lub naprężeń wewnętrznych) w tych temperaturach. Ekstrapolując trendy kinetyczne do najniższej szybkości grzania i używając wartości E uzyskanej z krzywej danych zmierzonej przy 0,1°C·min⁻¹, izoterma 300 min przy 60°C przewiduje tylko 0,05% krystaliczności, tzn. CBZ jest bardzo stabilna przy T ≤ T_g, a przetwarzanie przy T_g jest praktycznie wolne od ryzyka.

Czy CBZ sprosta nowoczesnym metodom przetwarzania?

Z drugiej strony, pomiary termograwimetryczne CBZ wykazały, że jest ona dość niestabilna nawet poniżej temperatury topnienia, co znacznie ogranicza możliwość masowej produkcji amorficznej CBZ metodą szybkiego schładzania roztopu. Rozkład termiczny przebiegał niemal identycznie w atmosferach N₂ i powietrza. Zaproponowano złożony mechanizm reakcji, składający się z serii kolejnych i konkurencyjnych reakcji, aby wyjaśnić drugi etap rozkładu, który wykazywał tymczasowy wzrost masy.

Podczas gdy przewidywano nieznaczny stopień degradacji CBZ dla temperatury charakterystycznej dla farmaceutycznego wytłaczania na gorąco (~150°C), ryzyko degradacji CBZ podczas farmaceutycznego druku 3D jest znacznie wyższe (1-2% utraty masy w temperaturach 190-200°C). Szczególnie problematyczne byłoby to, gdyby rozkład prowadził do toksycznych produktów. Rozkład termiczny CBZ przebiega jako kombinacja rozdzielenia na kwas izocyjanowy i iminostilben oraz sublimacji tych produktów, a także oryginalnej CBZ. Dodatkowo, podczas rozkładu CBZ można wykryć małe ilości CO₂, H₂O i NH₃.

Co ciekawe, w przeciwieństwie do innych niedawno badanych amorficznych leków (indometacyna, nimesulid, nifedypina, gryzeofulwina), tylko CBZ wykazuje przy T_g znacznie wyższą energię aktywacji wzrostu kryształów/krystalizacji w porównaniu z energią aktywacji relaksacji strukturalnej. Równość tych energii (E = Δh*) występuje nieco poniżej T_g. Spośród pięciu wymienionych amorficznych substancji czynnych, CBZ jest jedyną, która nie wykazuje wyraźnej tendencji do trybów wzrostu kryształów poniżej T_g (wzrost wzmocniony powierzchniowo i wzrost szkło-kryształ). Jednocześnie CBZ jest jedynym lekiem (spośród tych pięciu), granicznie sklasyfikowanym w klasie 2 według Taylora, wykazującym wyższą tendencję do krystalizacji niż pozostałe.

Zaproponowano, że znacznie niższa Δh* umożliwia ruchy relaksacyjne w laboratoryjnej skali czasowej w szerszym zakresie temperatur, co z kolei zakłóca tryby wzrostu kryształów poniżej T_g typowe dla niskomolekularnych szkieł organicznych. Ponadto, zwiększona mobilność fazy amorficznej może być również odpowiedzialna za wyższą tendencję do krystalizacji CBZ, a także za jej zdolność do tworzenia fazy krystalicznej głównie w objętości stopionej (przechłodzonej) masy.

Podsumowując, kompleksowa charakterystyka termokinetyczna amorficznej carbamazepiny dostarcza cennych informacji na temat kinetyki procesów związanych z fazą amorficzną (relaksacja strukturalna i zimna krystalizacja) oraz stabilności termicznej CBZ (kinetyka rozkładu). Wyniki te mają istotne znaczenie dla optymalizacji procesów produkcyjnych leków zawierających CBZ, szczególnie w kontekście nowych technologii, takich jak wytłaczanie na gorąco i druk 3D, oraz dla zapewnienia odpowiedniej stabilności i biodostępności leku podczas przechowywania i stosowania.

Podsumowanie

Carbamazepina to substancja aktywna wykorzystywana głównie w leczeniu padaczki i nerwobólu trójdzielnego. Ze względu na niską rozpuszczalność w wodzie, naukowcy badają możliwość wykorzystania jej formy amorficznej, która charakteryzuje się lepszą biodostępnością. Badania termokinetyczne wykazały, że amorficzna CBZ ma temperaturę przejścia szklistego w zakresie 55-65°C i wykazuje stosunkowo wysoką tendencję do krystalizacji. CBZ występuje w kilku formach polimorficznych, z których najczęstsze to formy I, II, III i IV. Analiza kinetyki relaksacji strukturalnej wykazała stosunkowo niską energię aktywacji, która maleje z około 320 do 175 kJ·mol−1. CBZ charakteryzuje się najniższym stopniem niejednorodności strukturalnej w porównaniu z innymi lekami o podobnej klasyfikacji. Pomiary termograwimetryczne ujawniły, że CBZ jest niestabilna poniżej temperatury topnienia, co ogranicza możliwość masowej produkcji jej formy amorficznej metodą szybkiego schładzania roztopu. Jest to szczególnie istotne w kontekście nowoczesnych metod produkcji, takich jak wytłaczanie na gorąco i druk 3D, gdzie występuje ryzyko degradacji substancji.