【晶云CMC系列线上课程回顾】第六期 晶型研究案例分析讨论

第六期课程回顾

晶型研究案例分析讨论 

正如在本系列课程第一讲中就强调的，晶型在药物研发中的重要性集中体现在其“纽带”作用。药物的开发始于药物分子终于药物产品。如果用修造房子作为类比，那就好比于将基本的建筑材料砖块(药物分子)，通过3-D排列堆砌成有序的墙壁(晶型)，最终搭建成完整的房屋(药物产品)。在此过程当中，不同的晶型（可能）具有不同的结构、化学纯度、稳定性、引湿性以及形貌等特征，最终会以生物利用度、有效性和安全性等形式反映到药物产品中。

药物的结晶态形式多种多样，按照组分是否为中性或者带电荷可以划分为如下图中的两大类。

Ref: Scultheiss and Newman. Crystal Growth & Design, 2009, 9, 2950-2967

第一类中结晶组分均为中性分子。只由药物分子自身堆砌形成的晶型通常称为无水晶型；若晶格中同时含有水分子或者溶剂分子，则形成水合物或者溶剂合物。前述两种晶体类型即关联于通常意义上所说的“多晶型”。

若将晶格中的水分子/溶剂分子替换为其他的中性分子，就得到了共晶。共晶中也可以进一步包含水分子/溶剂分子，形成共晶水合物/溶剂合物等。

当药物分子和引入晶格中的其他组分带上电荷后，便得到盐。盐的晶格中也可能含有水分子/溶剂分子，也就形成盐的水合物/溶剂合物。

在实践中还可能存在更加复杂的药物晶体体系，如盐/共晶的结合体，或者盐/共晶/水合物的结合体等。但万变不离其宗，只要真正了解了药物晶型的构成原理，便能做到兵来将挡水来土掩。

药物研发是一个漫长而充满挑战的过程，大体上可以划分为药物发现、临床前研究、临床试验以及申报上市等四个阶段。药物晶型研究，包括晶型的筛选、选择与优化，贯穿于药物研发的始终。在这些环节中，根据以往的项目经验，药物晶型研究的需求一般凸显在以下三个节点上。

除上述三个节点外，晶型研究的不可或缺性还体现在其他不少环节中，例如，最终工艺条件下不同晶型之间的稳定性关系，制剂过程中目标晶型的稳定性和潜在的转变等，均是目前从监管角度的关注点。

当前药物开发过程中对于固态形式的选择，例如多晶型/盐/共晶等，不可忽视的一个影响因素是药物溶解度。根据统计，近10年来开发上市的药物中有70%左右具有低溶解度特征，在很大程度上推动了对盐/共晶开发的需求。药物固态筛选过程中需要考量的关键因素以及通用的决策流程，在下图中进行了总结。

在药物开发的早期到临床前研究阶段，首先要考察游离态的性质是否符合进一步开发的要求，例如游离态的溶解性、结晶度和稳定性等。

如果游离态的各项性质符合开发要求，那么通常会对游离态进行一个较为全面的多晶型筛选，从筛选结果中确定往下推进的优选晶型，同时可以对所获得的有价值的晶型进行专利保护。

如果游离态在某些方面的性质难以满足需求，如溶解性差或者稳定性差等，则需要考虑开发候选化合物的盐/共晶形式。

在通过全面的盐/共晶筛选试验挑选出适于开发的盐/共晶后，需要进一步对其进行多晶型研究，一方面确保所选择的盐型或共晶型在关键性质上具备优势，另一方面拓展搜索范围，强化专利保护。

若盐/共晶形式在溶解性上仍不能满足需求，可以考虑筛选和开发候选化合物的无定形固体分散体。

在药物开发的后期阶段，可以根据具体需要对候选化合物开展更大规模的多晶型/盐型筛选和评估以及其他更进一步的研究。这些研究成果除了体现在最终的药物产品上，还能以专利的形式展现并进行保护。

以下通过三个典型案例，从盐/共晶筛选、多晶型筛选及IP筛选等角度简要阐述和分析晶型研究在候选化合物开发中所扮演的重要角色以及具有代表性的研究流程。

研究中采用的筛选策略本质上可以分为“筛”和“选”两个阶段，其具体的目的不同，因而采取的措施也不相同。

在“筛”阶段，主要目的是在设定的试验范围内尽可能多地发现目标化合物的盐型和共晶型，并通过有效的表征分析手段鉴定它们的晶型，如无水晶型/水合物/溶剂合物等。

在“筛”阶段对发现的hits进行必要的理化性质表征后，挑选出进入下一步“选”阶段的leads。

“选”阶段中，在适当规模的放大制备后通过对leads进行全面的表征和评估(一般重点关注溶解度和稳定性)选择出用于后续开发的candidates。

本案例中，为目标化合物选择了8种盐/共晶配体及3种溶剂体系用于盐/共晶筛选试验，得到了9个hits。通过基础理化性质表征以及晶型鉴定挑选出4个hits用于进一步评估，其中1个hit在引湿性、固态稳定性和溶解度等方面综合评估后具有更优的性质，因此推荐客户用于后续开发。盐/共晶评估中需要关注的关键性质汇总于下表中。

Ref: Newman, Chen and Sanrame, Early Drug Development:Bringing a Preclinical Candidate to the Clinic, Chapter 10 Salt and CocrystalScreening, Wiley-VCH, 2018

经过初步筛选后研究者确定了7种盐型用于比较评估。

其中，K、Ca和Mg盐由于是无定形态，被首先排除。剩余4种盐型中，Ethanolamine盐由于当时尚未有相同配体的产品上市，故而不在优先考察范围；TRIS盐尽管固态性质较好，但由于当时尚未有类似产品被用于慢性病的治疗，因而也被降级考虑。对于剩下的Na盐和Choline盐，经比较DSC等固态表征数据后，选择Na盐用于进一步开发。（由于受限于当时的产品开发策略，TRIS盐被排除出考虑范围是一件比较遗憾的事情，考虑其较优的理化性质。）

AMG-837四种结晶态盐型的XRPD及DSC图

研究者进一步对Na盐进行了多晶型筛选研究，共发现8种Na盐晶型，其中Form E由于结晶度显著高于其他晶型，被优先用于评估。遗憾的是，Form E被证明是一种ACN溶剂合物，因此不再用于开发。

其余晶型中，Form A/B/D/F没有进行进一步评估，研究者并未阐明具体原因，推测可能是出于对结晶度或者其他固态性质等因素的考量。

由于无水晶型Form H/G在室温室湿条件下会自发转晶为半水合物Form C，因此研究者选择了Form C用于后续开发评估。

AMG-837的Na盐各晶型XRPD及DSC图

此外，对于酸性化合物而言，Na盐或者K盐是经常考虑的盐型，但值得注意的是这两类盐型尽管在溶解性上可能带来优势，但往往存在引湿性强和多晶型现象复杂等问题，在开发过程中需要特别关注。

进一步将Na盐水合物Form C推进到GLP和GMP阶段后出现了新的问题。一方面，Form C样品中存在显著的无定形成分，导致整体结晶度显著降低；另一方面，Form C显示出很强的引湿性(80%RH条件下已潮解)，给工艺开发带来了困难。综合上述性质，继续开发Na盐可能存在较大挑战，因此研究者将目光重新放回了前期被排除的K、Ca和Mg盐。

AMG-837的Na盐Form C在GLP和GMP批次的XRPD图

尽管前述几种盐在初筛中是无定形态，但研究者幸运地在Ca盐中发现了晶型，因此得以继续向前推进。

筛选中共发现了Ca盐的5种晶型，其中Form A/D由于是溶剂合物而不被考虑，Form E是较不稳定的水合物，因此也未进行进一步开发。

研究重点集中在了较稳定的水合物Form B/C上。可能是因为此次研究时间比较充分，同时也得益于Na盐研究中的经验，研究者对Ca盐的相关晶型进行了较为详细和全面的研究。

同时，由于Ca盐Form B在水中的溶解度显著低于Form C，意味着相同条件下Form B在热力学上比Form C更加稳定，在后续开发中可能具有更低的风险。

AMG-837的Ca盐各晶型XRPD及DSC图

综合比较Na盐和Ca盐在引湿性、结晶度、稳定性、可生产性、可压片性、溶解度和PK等方面性质的优劣后，Ca盐显示出较大的优势，被确定为优势盐型用于后续开发。

下图中列出了一个典型的盐/共晶评估流程决策树。

前述两个案例基本覆盖了从药物早期发现到临床前阶段中的药物晶型筛选研究，接下来的一个案例主要涉及针对专利保护的晶型筛选工作。

晶型专利是药物知识产权保护中的一个重要环节，与化合物专利等核心专利共同构成了药物的知识产权壁垒，是延长药物商业生命周期，使开发者利益最大化的有效手段。

以专利保护为目的的晶型筛选与研发早期阶段的筛选相比，一个显著的不同之处在于其覆盖的试验空间要大得多，因此对试验中关键变量的控制也相应地要更加复杂。下表中列出了晶型筛选试验中的关键操作变量。

Ref: Morissette, S. L etal, Advanced Drug Delivery Reviews 2004, 56, 275-300.

在晶型筛选中，另一个经常被提及的问题是高通量筛选与手动筛选相比到底孰优孰劣。总体上来说二者各有千秋。

回到这个案例上来，通过有针对性地设计并实施筛选试验方案，对化学空间进行了较为充分的探索，共发现了18种新晶型。

对得到的新晶型进行表征和鉴定，确定了各自的晶体类型(无水晶型/水合物/溶剂合物/亚稳态晶型等)。

进一步，通过多种试验手段研究了各晶型之间的相互转化，晶型间相互转化关系图可以说是多晶型筛选的精髓所在。一方面，它告诉我们不同条件下不同晶型之间具体是如何相互转化的；另一方面，它可以提示我们开发某种晶型时可能面临的风险，以便提前做好准备工作。

综上，在不同的药物开发阶段，需要采用不同的晶型研究策略，以匹配不同的研究需求，从而整体把控研发过程，加速候选化合物的推进与开发。

晶云作为国内药物晶型研发领域的先驱者之一，经过十年的发展，已形成了以晶型为中心的固态理化性质和材料性质综合研发平台，涵盖药物固态研究、工艺研究、制剂开发和分析研究，可为客户提供一站式的临床前药物固态研发服务。