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【晶云·分享】干货满满:一文阐释盐和共晶

【晶云·分享】干货满满:一文阐释盐和共晶 晶云药物
2023-09-25
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导读:结合晶云药物丰富的项目经验,本文阐释了盐和共晶的应用场景、制备手法和鉴别手段。

结合晶云药物丰富的项目经验,阐释了盐和共晶的应用场景、制备手法和鉴别手段。通过成盐/共晶可改善化合物的溶解度、稳定性和生物利用度等理化性质。弱电解质化合物和配体间pKa差值大于2时倾向于形成盐,小于2时倾向于形成共晶;非电解质化合物倾向于与配体通过非共价键结合形成共晶。为帮助客户通过成盐/共晶解决药物研发中遇到的问题,晶云药物经验丰富的专业研究团队将针对化合物特性制定专属研究方案,并将COSMOlogic软件预测与筛选实验结合,实现高效、精准的盐型/共晶开发。


  1引言

  2. 细说盐/共晶

      2.1What什么是盐/共晶?

      2.2Why为什么选择成盐/共晶?

      2.3How如何制备盐/共晶?

  3. 盐/共晶的鉴别

  4. 案例分享

  5. 结语

  6. 参考文献



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引 言
引言
随着小分子化药研发的持续发展,越来越多的新药分子正面临着分子结构导致的溶解度低、生物利用度有限的困境(BCS II类及IV类药物),限制了药物预期药效的实现。关于改善溶解度的方法,首选的就是在API层面以考虑成盐或成共晶的方式。若在API层面未能解决溶解度问题,则可以考虑在处方开发层面,通过调节pH、复合物增溶等常规手段或无定形固体分散体(ASD)、微粉化、纳米晶等方式进行改善。
在API层面,成盐和成共晶有一定的相似之处,但也在一些方面存在差异。本文将对盐和共晶间的异同点进行阐释。





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细说盐/共晶

2.1 What什么是盐/共晶

根据 FDA《Regulatory Classification of Pharmaceutical Co-Crystals(2018)》,共晶是指在同一晶格中,由两种或两种以上不同分子按照固定的化学计量比,通过非离子键和非共价键结合形成的晶体材料;盐则是由金属或类金属基团取代部分或全部酸性氢而形成离子或电价键的结晶化合物。盐被认为是一种新的API,而共晶的监管分类则可以视作与化合物的多晶型类似。由2个或多个API形成的共晶,可以作为一种固定剂量的复方制剂,而非一种新的单一API。根据《中国药典》2020版,共晶物属晶型物质范畴

图 1 不同固体形态的化学结构示意


换言之,酸性或碱性化合物倾向于与碱性或酸性反离子形成盐,中性或成盐范围有限的化合物倾向于与配体分子(酸性、碱性或中性)形成共晶。一般认为API和配体分子pKa的差值大于2时更倾向于形成盐。



2.2 Why为什么选择成盐/共晶?

改善化合物的理化性质

溶解度:弱电解质药物分子与酸碱配体通过离子键作用形成晶体盐,当盐溶解时,酸性或碱性的反离子被释放到溶液中,使溶液的pH值发生变化,提高API分子的电离程度,从而提高其水溶性。对于非电解质的API分子或未能选择到合适的酸碱配体,则可选择与亲水的配体形成共晶,提高溶质整体对溶剂的亲和性,间接实现增溶的效果。在API层面解决溶解度问题,可以一定程度上节省特殊制剂开发的成本,缩短研发周期。

稳定性:对于由化合物结构决定的难结晶的API(一般有多个柔性基团),样品为无定形或成油成胶,且存在降解的风险,可以通过盐型/共晶筛选的手段,改变API的分子结构,以物理化学稳定性有优势的结晶态盐或共晶进行开发。与后续盐/共晶的多晶型筛选和评估相结合,以解决化合物的稳定性问题,并通过结晶实现一定的提纯效果。需要注意的是,成盐或成共晶的配体应优先考虑安全性较高的常见药用配体,以免引入新的安全风险。此外,成盐/共晶还可以改变药物的熔点、引湿性、生物利用度、释放以及机械性能等。

扩大专利保护范围

从专利角度来看,成盐/共晶可以扩大化合物的专利保护范围,延长专利保护周期。已上市的成盐药物有很多,这里就不再赘述。目前已上市的代表性共晶药物有诺华的抗心衰药物Entresto®(LCZ696)为沙库巴曲-缬沙坦共晶,默沙东和辉瑞共同开发的糖尿病药物Steglatro®为艾托格列净-L-焦谷氨酸共晶,Astellas、日本Kotobuki和默沙东共同开发的Suglat®为依格列净-左旋脯氨酸共晶等。

图 2  LCZ-696沙库巴曲-缬沙坦共晶



2.3 How如何制备盐/共晶?

实验室中常用的制备盐/共晶的方法分为液体合成法固体合成法
液体合成法中最简易的方式是混悬打浆法,即API和配体在溶剂中经过溶解析出的过程形成晶体。此外常见的还有溶液法,包括溶液挥发法、反应结晶法、冷却结晶法和超声法等。以盐开发的化合物大部分只需在API合成的最后一步加入相应的成盐步骤即可得到所需的盐型,而制备药物共晶的结晶工艺相对来说较为复杂。
在共晶制备实验中,也可采取研磨法,即通过机械作用力使固体分子间产生氢键或其他分子间作用力形成共晶,分为干法研磨和湿法研磨。超临界流体法也在制备药物共晶方面受到越来越多的关注。

图 3 常用的共晶制备方法

在选择盐/共晶配体时,应考虑配体的常用性和安全性。此外,晶云药物借助COSMOlogic软件进行共晶预测。通过计算API和共晶配体间的过剩焓Hex,选择更倾向于形成共晶的配体用于筛选实验,减少实验数量,提高筛选效率。

图 4  借助COSMOlogic软件进行共晶预测


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盐/共晶的鉴别
鉴别盐和共晶的有效手段之一是单晶结构解析。通过单晶X射线衍射法可以得到单晶的三维空间结构,从而知道其键长、键角和构象等重要结构信息。一般情况下,共晶晶体结构中的羰基C-O键长∆𝑑≈ 0.1Å;或者可通过电子云密度来判断晶体结构中是否发生了质子转移的情况

图 5 结构解析鉴别盐和共晶


此外,还可以通过固态核磁、XPS、拉曼以及FT-IR等方式对盐/共晶进行鉴别。

类似于固态核磁,X射线光电子能谱(XPS)也可探测原子核所处的化学环境,它是一种对表面十分敏感的技术,在材料化学中也有广泛应用。其基本原理是X射线照射到样品表面后产生光电子,通过测量原子内层的电子结合能以及相应的化学位移,探究不同元素的价态变化或者原子周围的电荷环境。XPS对于N原子的质子化状态十分敏感,在区分共晶和盐方面也有重要应用。

图 6 XPS鉴别盐和共晶


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案例分享

项目背景:弱碱性化合物D (2个碱性位点pKa,均在4-6范围内),起始样品为无定形,水中溶解度低,且存在稳定性问题。因此客户希望通过系统的盐型/共晶筛选和评估,以选择理化性质较优的盐型/共晶用于后续药物开发。

晶云药物选择25个配体进行了共100个盐型/共晶筛选实验后,共得到8种盐型,其中盐酸盐晶型B (酸碱摩尔比为2.1)和富马酸盐晶型A (酸碱摩尔比为1.5)的固态性质较优。对盐酸盐晶型B、富马酸盐晶型A、游离碱晶型B(在筛选实验中得到)和游离碱无定形进行评估,结果显示在FaSSIF和FeSSIF中,富马酸盐晶型A的溶解度提升最为明显,因此推荐富马酸盐晶型A为优选盐型/共晶。

图 7 盐型评估结果


因富马酸盐晶型A的酸碱摩尔比为1.5,而非更为常见的整数摩尔比,为研究其酸碱摩尔比情况,同时确定富马酸盐晶型A是盐或共晶,对富马酸盐晶型A进行了单晶培养和结构解析。

结构解析结果显示得到的富马酸盐晶型A单晶样品由酸碱摩尔比为1:1的富马酸盐和酸碱摩尔比为0.5:1的富马酸共晶组成




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结语
结语

盐和共晶的相似点:

1)都是由API与配体分子组合而成;

2)都可以用来改善化合物的理化性质,如:溶解度、物理化学稳定性、熔点、引湿性、生物利用度、释放和机械性能等;

3)可以作为延长专利保护周期的一种手段。

盐和共晶的差异:

1)盐中API与配体通过离子键结合,共晶中API与配体通过氢键、范德华力等非共价键结合;

2)根据FDA指南,盐应作为一种新的API,而共晶可以视作与化合物的多晶型类似。根据《中国药典》2020版,共晶物属晶型物质范畴。


图 8 常规盐型/共晶筛选流程

晶云药物的研发团队拥有丰富的盐型/共晶研发经验,通过系统的盐型/共晶筛选,帮助客户的新药化合物解决结晶、溶解度和稳定性等问题,评估选择出优势盐型/共晶。随后对优势盐型/共晶进行多晶型筛选,确定优势晶型以供后续开发。在盐和共晶鉴别方面,通过单晶结构解析的手段,晶云药物已为多个化合物准确解析出了三维空间结构。未来希望能为全球新药公司提供更多优质的技术开发方案。



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参考文献


1. Thakuria R and Nangia A. Cryst. Growth Des. 2013, 13: 3672-3680.

2. Walsh R, Bradner M, Fleischman S, et al. Chemical Communications, 2003, 186-187.

3. Basavoju S, Bostrom D, Velaga S. Pharmaceutical Research, 2008, 25 (3): 530-541.

4. Bak A, Gore A, Yanez E, et al. J. Pharm. Sci., 2008, 97 (9): 3942-3956.

5. Brader M, Sukamar M, Pekar A, et al. Nature Biotechnology, 2002, 20 (8): 800-804.

6. Sun C, Hou H. Cryst. Growth Des., 2008, 8 (5): 1575-1579.

7. Padrela L, Rodrigues M, Velaga S, et al. European Journal of Pharmaceutical Sciences, 2009, 38: 9-17

8. Bazzo G C , Pezzini B R , Stulzer H K. International Journal of Pharmaceutics, Volume 588, 2020.





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