Conferencia 4

METODOS EXPERIMENTALES DE
DETERMINACION DE SOLUBILIDAD DE
APIs
Alexis Aceituno, PhD
Facultad de Farmacia
U de Valparaìso
Jefe Subdepto. Biofarmacia y Bioequivalencia
Agencia Nacional de Medicamentos
Instituto de Salud Pública de Chile
SOLUBILIDAD DE APIs
“Cuando se alcanza una concentración de soluto, producto de la
máxima cantidad que un solvente puede disolver a una
temperatura dada”…
En estudios de preformulación:
-cantidad de nuevas entidades farmacológicamente activas es
pequeña
-solubilidad y pka en gran medida controlan el trabajo de
preformulación
Solubilidad: facilita inyección o intubación gástrica en animales
pKa: uso informado de pH para manipular solubilidad, escoger
sales (para mejorar la BD o la estabilidad) o las propiedades de
flujo del API
QUE SIGNIFICA BUENA, REGULAR O MALA
SOLUBILIDAD???
• A menos que un compuesto tenga una solubilidad acuosa mayor al 1% (10 mg/
mL) en un rango de pH de 1-7 a 37°C, podrían haber POTENCIALES
PROBLEMAS DE ABSORCION
• IDR (velocidad disolución intrínseca) > 1 mg*cm-2*min-1 si IDR < 0,1 (absorción
limitada por la velocidad de disolución)
• Solubilidad de 1 mg/mL (límite inferior) indica la necesidad de formación de una
sal del fármaco (tableta o cápsula)
• Solubilidad de 1 – 10 mg/mL considerar seriamente la formación de una sal
• Si solubilidad no puede manipularse con pH (molécula neutra: glicósido, esteroide,
alcohol, o pka < menor de 3 para una base o mayor de 10 para un ácido)
considerar forma farmacéutica con llenado de líquido (solución de PEG 400, etc)
en cápsula blanda o pasta o semisólido (disuelto en aceite o TAG) en cápsula dura
Zonas de pH
solubilidad en
donde es
recomendable o
indispensable la
formación de
sales para
aumentar S
FACTORES PRINCIPALES QUE AFECTAN LA
SOLUBILIDAD
-Para la mayoría de los fármacos los factores más importantes que afectan la
solubilidad son:
-temperatura
-pH (electrolitos)
-Micronización (menos importante)
TEMPERATURA
ΔHsol
s∝−
RT
• S solubilidad en moles/L
• Entalpía solución + o - , ↑ T aumentará y disminuirá
respectivamente la solubilidad
INFLUENCIA DEL pH
• Ionización de solutos en general aumenta la solubilidad
(ácidos y bases fuertes, sales orgánicas e inorgánicas)
• Sales orgánicas: buena solubilidad, pero dependiente del
pH de la solución
• Solutos orgánicos (parcialmente ionizados) solubilidad
depende de celda cristalina, pH y PM (bases y ácidos
débiles)
Reglas generales para predecir solubilidad
exclusivamente analizando el efecto del pH:
1. Similar disuelve similar (propiedades fisicoquímicas similares)
2. Solubilidad acuosa aumenta por aumento de la capacidad del
soluto para formar puentes de hidrógeno con grupos polares (OH,
NH2, SO3H, COOH)
3. Solubilidad en agua disminuye por incremento en el # de átomos de
C en el soluto (aumento PM sin aumento en polaridad)
4. Alto punto de fusión implica baja solubilidad en agua
5. Isómero cis más soluble que trans (menor punto de fusión cis)
6. Aumento insaturaciones aumenta solubilidad en solventes polares
7. Solutos anhidros más solubles que solutos cristalinos
NO ELECTROLITOS POCO
SOLUBLES O ELECTROLITOS
EXTREMADAMENTE DÉBILES
POCO SOLUBLES
• Cosolvencia
• Efecto mayor sobre la forma no
disociada (ED)
• Poca importancia para FFSO-LI
SOLUBILIDAD Y FORMA
POLIMORFICA
• Ordenamiento del cristal determina
energías o entalpía de disolución
• Determina cambios dramáticos en la
solubilidad entre una y otra forma
cristalina
CLORDIAZEPOXIDO: base débil , qué sal es más conveniente al propósito
de mejorar su solubilidad acuosa???
A veces falta correlación entre la solubilidad
teórica (según equilibrio iónico) con el valor
experimental hallado
Selección de la
sal formada en
función de las
propiedades
fisicoquímicas
METODOLOGÍAS PARA DETERMINACION DE SOLUBILIDAD DE
APIs
• Qué interesa medir? Solubilidad cinética o solubilidad termodinámica
METODO TERMODINAMICO
• Método tradicional (shake flask o agitación en matraces )
• Medición de solubilidad en una solución saturada del fármaco, cuando se
alcanza equilibrio termodinámico entre fase sólida-fase solución (Fsol-Fsoln)
• Caracterización de un perfil pH solubilidad exige al menos 5 puntos
experimentales dentro del rango de pH 1 – 7,5
• Requiere de metodología de cuantificación adecuada y validada
(generalmente HPLC (system suitability y parámetros de validación
respectivos)
Imagen pION Inc.
PROCEDIMIENTOS GENERAL
1. Estudio cualitativo previo para conocer cantidad necesaria
para saturar sistema a 5 valores de pH (por ejemplo, 2,4; 3,4;
4,5; 5,4; 6,8)
2. Estimación de diluciones necesarias para cuantificar API
dentro de rango lineal del método
3. En tubos de ensayo, adicionar cantidad fija de principio activo
4. Adicionar a cada tubo, cantidades crecientes del buffer
respectivo
5. Sonicar tubos por tiempo determinado (5min)
6. Agitar tubos de ensayo por 5 min a 37º
7. Repetir pasos 5 y 6 hasta que no se observe presencia de
precipitado
8. Verificar pH final solución resultante
Imagen pION Inc.
Determinación tiempo agitación para alcanzar estado
equilibrio termodinámico FS-FS a cada pH
• Agregar cantidad fija de tampón a matraz
• Agregar a matraz 3X API (asegurar saturación sistema)
• Agitar matraz vigorosamente (220 rpm) a 37ºC
• Tomar muestras sobrenadante a tiempos distintos y cuantificar (diluir si es
necesario) hasta alcanzar plateau
PARAMETROS DE LA VALIDACION ANALITICA
• Procedimiento analítico de la categoría 1 (USP)
• APIs en fármacos a granel o producto terminado
• Linealidad y rango, precisión, exactitud, especificidad , robustez y
estabilidad a los distintos pH (buffers)
• Además, evaluar idoneidad del sistema (system suitability) :
• Factor capacidad (k`)
• NPT (N)
• Factor cola o asimetría
• Resolución
Imagen pION Inc.
METODO POTENCIOMETRICO
(solubilidad cinética)
•  Potenciómetro (electrodo de
vidrio)
•  3 canales para soluciones
ácido, base y agua
•  Posibilidad de uso de
cosolventes para casos
particulares
•  Chaqueta de agua para
mantener T controlada
•  2 viales de ensayo con
agitación magnética
•  Red de argón (elimina gases
disueltos)
Imagen pION Inc.
Características generales equipo
Gemini profiler
•  Procedimiento de ensayo semi automático
•  Tipos de análisis: pKa, logP y solubilidad
•  Tamaño de muestra reducido (0.1 – 5 mg)
•  Permite realizar 3 titulaciones por muestra
•  Consumo de reactivos reducido
•  Incorpora software operativo independiente para análisis
de muestra y para análisis de datos
•  Rango aproximado de trabajo pH 1,8 – 12,2
•  Desventaja: Sólo análisis de especies ionizables
Ácido
Base
Agua
Buffer
pH 7
Unidad
dispensadora
Muestra
Solubilidad y fisiología del tubo
digestivo; condicionantes de la S
Guía técnica G-BIOF02,
estudios de solubilidad:
Rango de pH 1,0 – 6,8
Temperatura ensayo
pH (con alimento) pH (ayuno)
5.0 (0.1 hr)
4.5 - 5.5 (1 hr)
4.7 (2 hr)
1.7 (1.4 -2.1)
6.1 (5.8 - 6.2)
6.5 (6.0 - 7.0)
ESTÓMAGO
0.1 m2
DUODENO
0.1 m2
JEYUNO
60 m2
6.5
6.5
ÍLEON
60 m2
8.0
8.0
COLON
0.3 m2
Modelo de difusión-solubilidad: partición
por pH
pH
Especie sin carga
Menos soluble
Más permeable
pKa
Especie cargada
Más soluble
Menos permeable
pKa y pH del medio condicionan el
porcentaje de las fracciones ionizadas y no
ionizadas
Ác ido Ac étic o pK
100
Ácidos
Bases
HA ↔ H+ + A-
BH+
[H + ] [A - ]
K =
a
[HA]
[H+ ][B]
K =
a
[BH+ ]
[HA]
pK = pH + log
a
[A- ]
[BH+ ]
pK = pH + log
a
[B]
H+
C H 3C O O H
+B
% especies
↔
a C H 3C O O -­‐
50
4.55 = pK a
0
Considerando las ecuaciones el pKa
corresponde al pH al cual un 50% de la
especie ensayada se encuentra
ionizada
1
2
3
4
5
pH
6
7
8
Básicamente tres tipos de ensayos:
•  Calibración (electrodo, titulante)
•  determinación pKa (medio acuoso – cosolvente)
•  determinación solubilidad intrínseca (medio acuoso –
cosolvente)
Ingreso de información para ensayo de solubilidad y pKa
•  Medio de la titulación (acuoso, MeOH, DMSO)
•  Masa del API
•  Especie del API (base, ácido o anfolito)
•  Equilibrios químicos (estructura del API y # de protones)
•  Peso molecular
•  pKa (simulado o experimental)
•  log P (simulado o experimental)
•  Nº de titulaciones (1-3)
•  Rango de titulación (pH)
•  Dirección de la titulación
•  Información adicional
Ejemplo
Ácido Benzoico
Ingreso de las especies:
COOH
A (-1), H (+1)
Compound (API): AH
COO
+
Na
-
Salida de información
Información “cruda” que se obtiene para interpretación
mediante software pS (archivo .sfs uno por titulación)
•  Gráfica de pH en función del volumen de titulante
•  Gráficas de Bjerrum
•  Solubilidad
Gráfica pH en función del titulante
- Acceder a
software pS
-  Gráfica de
pH en función
del volumen
de titulante
adicionado
- Ingreso del
modelo (fórmula,
PM, equilibrios
entre otros)
Revisar datos
de la titulación
Extraído de Ps Software pION Inc.
Gráfica Nº de protones cedidos en función del pH
Gráficas de Bjerrum
•  Concentración de H+
en función del pH
•  Comparación del set
de datos con respecto a
una titulación blanco
¿Cómo se obtiene la gráfica de Bjerrum?
El software realiza una
diferencia de volúmenes
gastados entre una
titulación muestra y una
blanco
Figura (a) curva titulación
blanco y compuesto prueba
Figura (b) pH ajustado en
función de ΔV
Extraído de Avdeef A. Absorption and drug development (2003)
A continuación:
Figura (c) para efectos
gráficos se rotan los ejes
ΔV en función del pH
ajustado o corregido pcH
Figura (d) finalmente se
grafican los protones
cedidos en función de pcH
y se obtiene el valor de
pKa
Extraído de Avdeef A. Absorption and drug development (2003)
Otra forma de derivar las gráficas de Bjerrum
([HCl ] − [ KOH ] + nC − [ H ] + KW /[ H ]
nH =
C
+
+
•  Se conocen los volúmenes de HCl y KOH adicionados durante la
titulación.
•  Los protones disociados aportados por la muestra se obtienen del
modelo ingresado al software.
•  Concentración total [H+] es conocida e independiente del modelo
ingresado.
•  Kw constante de ionización del agua.
•  C concentración de la muestra
Solubilidad
E1
[ A− ][H + ]
Ka =
[ HA]
E2
S = [ A− ] + [ HA]
Reemplazar E1 en E2
[ HA]Ka
S=
+ [ HA]
+
[H ]
S = S 0(10
⎛ Ka
⎞
S = [ HA]⎜⎜ + + 1⎟⎟
⎝ [ H ] ⎠
− pKa + pH
+ 1)
Ejemplo: ácido
De la gráfica logS vs pH:
•  pKa = 4,42
•  logS0 = -5,58
Considerando pH<<pKa…
S = S 0(10
− pKa + pH
+ 1)
Ejemplo: base
De la gráfica logS vs pH:
•  pKa = 6,0
•  logS0 = -6,0
Considerando pH>>pKa…
S = S 0(10
pKa − pH
+ 1)
Ejemplo: anfolito
S = S 0(10
pKa1 − pH
+ 10
pH − pKa 2
+ 1)
continuación
E3
E4
HA( s) ↔ HA
[ HA]
S0 =
= [ HA]
[ HA( S )]
continuación
Límite
Ácidos log (S/S0)= 4
Bases log (S/S0)= 3
Avdeef, A. y cols. pH-metric solubility, Pharm
Res 17, 85-89 (2000)
S = S 0(10 − pKa + pH + 1)
Uso de cosolventes
¿Cómo se obtiene experimentalmente S0?
Gráfica de Bjerrum, considerar el
corrimiento del pKa en función de
la concentración de la especie
analizada.
Resultados experimentales
•  MP activas muestreadas desde la industria farmacéutica nacional y cuya
solubilidad ha sido determinada con el equipo Gemini Profiler:
-  Clorfenamina maleato
-  Ibuprofeno
-  Escitalopram oxalato
-  Desloratadina
-  Naproxeno sódico
-  Ketoprofeno
-  Ciclobenzaprina clorhidrato
•  Comparación de resultados con bases de datos disponibles, algunas
experimentales, otras sólo predictivas.
Resultados comparativos con datos publicados
SOLUBILIDAD
PROMEDIO µg/mL
Drug bank
Clorfenamina maleato
56,8
51,9 µg/mL (p)
5,5 mg/mL (e)
Ibuprofeno
45,9
49,0 µg/mL (e)
Escitalopram oxalato
175,6
5,88 µg/mL (p)
Desloratadina
102,1
3,95 µg/mL (p)
Naproxeno sódico
13,8
15,9 µg/mL (e)
51 µg/mL (p)
Ketoprofeno
57,4
51 µg/mL (e)
21,3 µg/mL (p)
Ciclobenzaprina clorhidrato
241,3
6,89 µg/mL (p)
PRINCIPIO ACTIVO
(e): valor informado como experimental
(p): valor informado como predictivo de software
Resultados determinación solubilidad comparativo
método tradicional (shake flask) y método
potenciométrico
A. Método shake flask (tradicional)
ANALITO: IBUPROFENO (ACIDO DEBIL)
B. Método potenciométrico (Gemini Profiler)
ANALITO: IBUPROFENO (ACIDO DEBIL)
Ventajas comparativas del equipo Gemini
Profiler
•  Utiliza menor cantidad de muestra y ahorra reactivos.
•  Cuantificación analítica del API simultánea con la valoración.
•  Incorpora software que mejora la eficiencia en la recolección y tratamiento de
datos, y reduce el tiempo para generar el perfil de solubilidad.
•  Permite calibración periódica del electrodo y titulantes (normalización del
titulante).
Pero….
•  No es capaz de distinguir entre el analito de interés y algún interferente
(estabilidad pH dependiente del API)
•  Costo elevado
Gracias!