Preformulación

 

¿Qué es preformulación y cuál es su importancia en QbD?

En distintos campos profesionales se tienen procesos anteriores a la obtención del producto final, un músico compone sus obras y escribe sus partituras, posteriormente las lleva con instrumentistas para ensayarlas, las presenta al director de orquesta y finalmente, si las escalas y tiempos son correctos, se puede presentar un concierto en un gran auditorio; es de esperarse que en el desarrollo de medicamentos se siga un proceso similar, los medicamentos no salen a la venta después de la obtención, síntesis o descubrimiento de una sustancia biológicamente activa, sino que pasa por distintos procedimientos antes de su comercialización, un proceso muy largo, se estima que pasan hasta 15 años desde que se presenta una molécula activa hasta su presentación como medicamento (Bayona & Fajardo, 2012).

Se describirá uno de los procesos más importantes en el desarrollo de una forma farmacéutica, la preformulación, una etapa que comienza después de la síntesis y detección inicial de la actividad de un nuevo fármaco (Alcantara, 2018), y proporciona datos importantes sobre el fármaco y su interacción con los excipientes al transformarlo en forma farmacéutica.

Definiendo el concepto de preformulación de una manera más formal, se puede hablar de aquellos estudios realizados a un nuevo compuesto con el fin de producir información útil para la posterior formulación de una forma estable y biofarmacéuticamente adecuada de dosificación del medicamento. Estos estudios no solo se centran en las características fisicoquímicas, sino también de características biofarmacéuticas y farmacodinámicas (Lozano et al., 2012). Y como se menciona en Bermudez & Martínez, 2018), se abordan las propiedades biofarmacéuticas a través de las propiedades farmacocinéticas de los principios activos para después abordar los aspectos fisicoquímicos entre el fármaco y los excipientes.

Pero ¿Qué clase de información proporcionan los estudios de preformulación?, pues aquella información necesaria para desarrollar medicamentos, como: las características del principio activo y de la forma de dosificación, posología, ensayos de compatibilidad y estabilidad, parámetros de formulación y directrices de producción y aquellas condiciones de conservación y acondicionamiento, se puede decir que estos estudios ayudan a confirmar la eficacia y seguridad del medicamento (Lozano et al., 2012).

Viéndolo desde el campo de la calidad por diseño, es de suma importancia realizar esta clase de estudios, ya que permiten identificar los posibles riesgos tanto al administrarse al paciente, en la conservación y fabricación del medicamento además de evitar pérdidas financieras.

Parámetros fisicoquímicos evaluados en los estudios de preformulación:

-         Pureza

Al trabajar con reactivos químicos es casi imposible encontrarlos a concentración del 100%, por eso mismo, se expresa qué tanto es realmente una sustancia. Por ejemplo, si tuviésemos 100g de CuSO4 con 80% en pureza, significa que 80g son de CuSO4, mientras que los otros 20g son de impurezas, estas pueden ser residuos de síntesis, purificación u obtención. La pureza se expresa habitualmente como porcentaje en peso, y permite indicar los límites máximos de impurezas al fabricar un medicamento(Lozano et al., 2012).

Lozano et al., 2012 indica que como regla general en la industria farmacéutica se permite trabajar con productos que tengan sólo un 2% de impurezas, es por esto que los laboratorios deben trabajar con reactivos de alta calidad y así mismo, desarrollar las técnicas y metodologías analíticas para cuantificar al producto puro, entre las técnicas más populares para determinar la pureza de las sustancias se encuentra la cromatografía líquida de alta resolución, cromatografía en capa fina, punto de fusión, espectro UV, espectro IR, entre otros (Pandey et al., 2011).

Es de suma importancia cuantificar la pureza al desarrollar un medicamento, ya que sus impurezas pueden interactuar con el fármaco, lo que condiciona la estabilidad y otras propiedades, como velocidad de disolución, incluso podrían interferir con el proceso de absorción (Lozano et al., 2012).

-         Solubilidad

Se puede definir a esta propiedad como la máxima cantidad de soluto que se disolverá en una cantidad dada de disolvente a una temperatura específica(Chang, 2008). Este parámetro es muy importante, ya que condiciona la velocidad de disolución y la biodisponibilidad, de esta forma puede afectar la eficacia terapéutica de un fármaco. Para determinar la solubilidad se usa el método de solución en equilibrio (Lozano et al., 2012), esto puede realizarse en distintos solventes, ya sea polares o no polares (Pandey et al., 2011).

-         Coeficiente de partición

Este es una medida de la lipofilia de un fármaco, y sirve como un gran indicador de la capacidad de éste para atravesar las membranas biológicas. Se obtiene calculando la proporción del fármaco distribuido en dos fases, la orgánica y la acuosa al equilibrio. Se determina usando agua y n-octanol o algún disolvente no polar. Si este coeficiente de partición es mayor a 1 se dice que el fármaco es lipofílico y si es menor a 1 se dice que es hidrofílico (Pandey et al., 2011).

-         pKa (Constante de disociación)

En el caso de sustancias con carácter ácido o básico débil, la determinación del pKa tiene gran relevancia, ya que la relación numérica entre el pKa del fármaco y el pH del medio condicionan el grado de ionización, y como regla general, se conoce que sólo aquellas formas no ionizadas del fármaco son las que pueden atravesar membranas (García Reyes, 2013). Así mismo, la velocidad de disolución de un compuesto puede alterarse al cambiar el pH, por ejemplo, al aumentar o disminuir el pH gástrico. Existen diferentes metodologías para determinar el pKa de una sustancia, sin embargo y casi en general, se usa la ecuación de Henderson-Hasselbach la cual proporciona una estimación de la concentración de fármaco ionizado y no ionizado a un pH particular.

-         Tamaño de partícula, forma y área superficial

La velocidad de disolución, reactividad química y fluidez de una sustancia, así como homogeneidad en una formulación terminada dependen del tamaño, forma y morfología de la superficie de las partículas que constituyen dicha sustancia. Por esto es importante el estudio granulométrico en la preformulación farmacéutica, ya que proporciona información como tamaño y distribución de las partículas, forma y área superficial de estas partículas. Las técnicas habitualmente usadas son tamización, microscopía, difractometría y métodos eléctricos como el contador “Coulter”, aunque también se ha iniciado el uso de técnicas de adsorción de gases (García Reyes, 2013; Lozano et al., 2012).

Esquema de tamización

Esquema de microscopia óptica

Esquema de un equipo de análisis granulométrico por difracción laser

Esquema del contador Coulter

imImágenes obtenidas de Lozano et al., 2012.

      Polimorfismo y propiedades cristalinas

El habito cristalino y la estructura interna de una sustancia puede afectar a alguna de sus características como fluidez y estabilidad. El habito cristalino es la descripción del exterior del cristal, mientras que la estructura interna es la disposición de los elementos dentro de un sólido. Ciertas sustancias con una estructura cristalina interna pueden aparecer con distintos hábitos cristalinos en función de las condiciones en que se le ha cristalizado. Hay dos posibles estructuras internas de una sustancia: cristalina y amorfa, en la sustancia cristalina se repite a lo largo de tres dimensiones del espacio la disposición de los átomos, iones o moléculas, mientras que en la sustancia amorfa este ordenamiento se ve distorsionado, sin embargo, las sustancias amorfas son inestables y tienen a transformarse a cristalinas en un periodo de tiempo determinado (García Reyes, 2013; Lozano et al., 2012).

Un compuesto cristalino puede cristalizar con una determinada cantidad de disolvente, si este no está en proporciones estequiométricas con el compuesto la posibilidad al estado sólido se debe rechazar; sin embargo, si este disolvente se encuentra en proporciones estequiométricas originará los solvatos e hidratos. Es importante identificar los hidratos, ya que sus parámetros de solubilidad pueden ser inferiores a las formas anhidras, lo que podría afectar en la velocidad y cantidad de fármaco absorbido (García Reyes, 2013; Lozano et al., 2012).

En muchas ocasiones, al inicio de los estudios de preformulación no se han identificado las posibles formas al estado sólido del fármaco, y es posible la aparición de polimorfos, que es un término que se usa en biología y cristalografía para describir el hecho de que un suceso en la naturaleza pueda ocurrir de dos o más formas distintas. Hay distintas sustancias que pueden tener distintas formas cristalinas, por ejemplo, el fenobarbital, del cual se han identificado hasta once formas diferentes (a estos polimorfos se les asigna un número romano a los que presentan puntos de fusión en orden decreciente). Es importante identificar estos polimorfos ya que pueden ser entidades químicamente idénticas, pero físicamente pueden tener diferencias, por ejemplo, en sus puntos de fusión, densidad, solubilidad y velocidad de disolución, etc., lo que puede llevar a complicaciones a la hora de elaborar la formulación, la identificación de estos polimorfos se realiza mediante microscopía óptica, microscopia electrónica de barrido, espectroscopia infrarroja, difracción de rayos X y técnicas de análisis térmico como calorimetría diferencial de barrido o termogravimetría (García Reyes, 2013; Lozano et al., 2012)

Estudios de estabilidad

Es importante la identificación de las condiciones de almacenamiento para que el principio activo sea estable al estado sólido. Así como las propiedades fisicoquímicas del fármaco descritas con anterioridad, a fin de mantener su estabilidad. (Jato, J. et al. 1997)

De acuerdo a las normas ICH, establecen que hay 3 niveles de estudio para la estabilidad, en los cuales intervienen factores como humedad, temperatura y luz para su estudio, dichos niveles son:

·          Acelerada. - En condiciones de estrés o degradación acelerada, tienen una fecha predictiva de vencimiento del producto.

·          Intermedia. - Realizados en las condiciones de almacenamiento recomendadas.

·          Largo plazo. –  Determinar el periodo de validez.

Así mismo, se establece la programación que siguen los estudios de estabilidad, en donde se deben seguir 4 fases para llegar a nuestro objetivo.

Fase 1	Formulación previa	Tolerancia, farmacocinética	Estudios de formulación preclínica.
Fase 2	Formulación clínica	Eficacia terapéutica, dosis, efectos secundarios	Deseable que la formulación sea definitiva.
Fase 3	Formulación definitiva	Tolerancia, pauta de formulación, interacciones.
Fase 4	Farmacovigilancia	El producto ya está en el mercado.

Los estudios de estabilidad juegan un papel importante en la etapa de preformulación ya que proporcionan un pronóstico temprano, rápido y sencillo de la estabilidad mediante los cuales se pueden establecer las principales causas de alteración o factores de inestabilidad del principio activo, determinar las vías de degradación y la cinética las que cursan, identificar o establecer la naturaleza de los posibles productos de degradación y obtener información para el diseño de estudios sucesivos. (Jato, J. et al. 1997)

Cuando se aborda un estudio de estabilidad, es importante que se conozcan los métodos analíticos del principio activo, y que durante la validación se sigan correctamente los parámetros de selectividad y precisión establecidos. Así mismo, existen numerosas técnicas que pueden ser aplicadas para la diferenciación de las formas sólidas de un compuesto, entre las cuales podemos encontrar:

• ·    Cromatografía en capa fina
• ·    Cromatografía líquida de alta resolución
• ·    Fluorescencia
• ·    Espectroscopia UV/VIS
• ·    Espectroscopia reflectante difusa
• ·    Análisis térmico diferencial
• ·    Termogravimetría
• ·    Calorimetría diferencial de barrido (DSC)
• ·    Análisis cuantitativo con infrarrojos (IR)

 

Cromatografía en capa fina

Cromatografía líquida de alta resolución

Perfil de estabilidad química

Los estudios de estabilidad en la etapa de preformulación suelen ser la primera evaluación cuantitativa en un nuevo fármaco, y pueden incluir estudios en solución y estado sólido en condiciones para permitir el manejo, formulación, almacenamiento y administración del candidato a fármaco. Dicha estabilidad debe respaldar la asignación de la fecha de caducidad en la matriz de la forma farmacéutica preparada comercialmente. (Tasici A., 2015)

Los datos obtenidos en los estudios de estabilidad química han de analizarse a partir de la cinética de estabilidad que sigue el principio activo, y en este análisis es necesario realizar una serie de consideraciones estadísticas, ya que deben tenerse en cuenta las posibles diferencias entre la media poblacional de un determinado parámetro y el valor experimental obtenido en el mismo. (Rodríguez  Á., 2019).

Estabilidad en estado sólido

En el caso del estado sólido, se debe identificar las condiciones de almacenamiento para que el principio activo pueda ser estable, estos estudios pueden verse afectados por cambios en la pureza y cristalinidad como resultado de los cambios en el proceso del principio activo. (Villafuerte L., 2011)

El mecanismo de degradación del fármaco al estado sólido suele ser más complejo de dilucidar a diferencia de la disolución debido a la interacción entre los distintos factores causantes de las reacciones de degradación como la temperatura y humedad.

Para determinar el perfil de estabilidad al estado sólido, las sustancias deben exponerse a diversas temperaturas, humedades ambientales e intensidades de luz, así como el efecto de oxígeno para posteriormente con los resultados obtenidos, determinar la cinética de degradación. (Sánchez, E. et al., 2016)

Estudios de estabilidad aplicando estrés

Altas temperaturas

Un aumento de temperatura, acelera los procesos degradativos, por lo tanto, las propiedades del fármaco se pueden ver afectadas por la exposición a altas temperaturas, por lo que un incremento de ella va acompañado de la velocidad de degradación; estos hechos pueden ser explicados mediante la ecuación de Arrhenius.

Así mismo, la energía de activación está relacionada con la temperatura; de manera que a mayor energía de activación mayor influencia en la velocidad de reacción.

Alta humedad

Higrómetro

En presencia de humedad, muchos fármacos se hidrolizan, reaccionan con otros excipientes o se oxidan. Por esto es necesario los estudio de preformulación para identificar si el material debe protegerse y almacenarse en un ambiente controlado de baja humedad.

Para controlar la humedad del ambiente se utilizan desecadores de laboratorios que contienen soluciones saturadas de varias sales.

Estabilidad fotolítica

Frascos ámbar

De acuerdo con la ICH, en las pruebas de estabilidad de un nuevo fármaco, las pruebas de luz son una parte integral en las pruebas de estrés. En estas pruebas, se debe de demostrar que la exposición a la luz no produzca cambios inaceptables.

Estabilidad oxidativa

Se debe evaluar la sensibilidad del fármaco al oxigeno atmosférico para así poder determinar si el producto final o medicamento necesita envasarse en condiciones atmosféricas inertes o si debe contener algún tipo de antioxidante.

 

Estabilidad en fase de solución

En esta fase se identifican las condiciones necesarias para formar una solución estable. Estos estudios deben incluir los efectos del pH, fuerza iónica, codisolvente, luz, temperatura y oxígeno.

Usualmente estos estudios comienzan con experimentos para confirmar la desintegración en los extremos de pH y temperatura (ej. 0.1N HCl, agua, y 0.1N NaOH a 90 °C).

Este experimento debe de ir seguido de la generación de un perfil de pH para así identificar el pH de estabilidad máxima.

Perfil de pH

Para general un perfil de pH se analizan los datos de estabilidad generados en cada condición de pH y temperatura para producir las constantes de velocidad de desintegración aparente. Todas las constantes de velocidad a una sola temperatura son representadas en función del pH.  El mínimo en esta curva será el pH de máxima estabilidad (Pandey et al., 2011).

Estudios de compatibilidad

Estos estudios se realizan con la finalidad de determinar una lista de excipientes que se pueden usar en la forma final de dosificación.

La compatibilidad entre un fármaco y un excipiente se estudia mezclando fármacos y excipientes, observando si ocurre alguna interacción que resulta en un cambio físico y/o químico. Algunos de los factores que afectan la compatibilidad son:

• ·        Propiedades del fármaco y del excipiente: Contenido de humedad, estructura química, impurezas, forma física, tamaño de partícula y forma superficial, morfología.
• ·    Propiedades de la formulación: Proporción fármaco-excipiente y método de fabricación de la formulación.
• ·        Factores ambientales: Temperatura, humedad relativa, empaque, luz.

En la forma final de dosificación, el fármaco (principio activo) se encuentra en contacto directo con uno o más excipientes, los cuales podrían afectar la estabilidad del fármaco (Ramírez, R. 2013). Por lo tanto, para determinar las compatibilidades fármaco-excipiente y excipiente-excipiente el método más conocido es la calorimetría diferencial de barrido (DSC).

 

Calorimetría diferencial de barrido

La calorimetría diferencial de barrido es una técnica termo analítica que permite determinar la cantidad de calor que absorbe o libera una sustancia, cuando es mantenida a temperatura constante, durante un tiempo determinado, o cuando es calentada o enfriada a velocidad constante, en un determinado intervalo de temperaturas (Ramírez, R. 2013).

Este instrumento mide la cantidad de energía que se necesita para mantener la muestra a la misma temperatura que la referencia; es decir, mide la entalpia de transición. El principio que subyace a esta técnica es que, cuando la muestra se somete a una transformación física como la fase de transición, será necesario que fluya más o menores calor que la referencia para mantener ambos a la misma temperatura.

Se dispone de dos capsulas, una de ellas contiene una muestra a analizar y la es llamada capsula de referencia. Se usan calefactores individuales para cada cápsula. Si se muestra cualquier diferencia, los calefactores individuales se corrigen de tal manera que la temperatura se mantendrá igual en ambas cápsulas.

Indicativos de interacción e incompatibilidad: 

• Desaparición de picos (endoterma de fusión del fármaco).

• Aparición de nuevos picos (endotérmico/exotérmico).

• Ensanchamiento de la endoterma de fusión.

• Movimiento (desplazamiento) de la endoterma de fusión.

• Cambio de valor de ΔHf.

REFERENCIAS:

Alcantara, E. T. (2018). Impacto en la variación de lote de principio activo en el desempeño tecnológico y biofarmacéutico de una forma farmacéutica sólida oral. 1, 13–49. http://web.uqroo.mx/archivos/jlesparza/mesp112/Lectura3 NGP.pdf

Bayona, A., & Fajardo, N. (2012). Desarrollo de nuevos medicamentos: Oportunidades y beneficios para el Perú. Rev Peru Med Exp Salud Publica, 29, 521–528.

Bermudez, M., & Martínez, C. (2018). Formulación de una suspensión extemporánea de hidroclorotiazida 5mg/mL Y espironolactona 5mg/mL para pacientes pediátricos atendidos por el ministerio de salud. Universidad del Salvador.

Chang, R. (2008). Química (9th ed.). McGraw Hill.

García Reyes, L. E. (2013). Tecnología farmacéutica Volumen 1: Aspectos fundamentales de los sistemas farmacéuticos y las operaciones básicas (1st ed.). Sintesis.

Jato, J. L. V., & García, J. L. L. (Eds.). (1997). Tecnología farmacéutica: volumen I: aspectos fundamentales de los sistemas farmacéuticos y operaciones básicas. Síntesis.

Lozano, M. del C., Córdoba, D., & Córdoba, M. (2012). Manual de tecnología farmacéutica (1st ed.). Elsevier.

Pandey, A., Rath, B., & Dwivedi, A. K. (2011). Pharmaceutical preformulation studies with special emphasis on excipients compatibility. International Journal of Pharmacy and Technology, 3(2), 1029–1048.

Ramírez R. (2013). Estudios de interacción fármaco-excipiente de antiinflamatorios no esteroideos formulados en matrices sol-gel por calorimetría diferencial de barrido. Universidad Nacional Autónoma de México.

Rodríguez Suárez, Á. M. (2019). Bases de datos on line en los estudios de preformulación.

Sánchez-González, E. G., Vázquez-Olvera, J. I., Marroquín-Segura, R., Contreras, C. E., & Hernández-Abad, V. J. (2016). Importancia de la investigación acerca del estado sólido durante las etapas iniciales del desarrollo de medicamentos. Revista Mexicana de Ciencias Farmacéuticas, 47(3), 7-28.

Tasici, A. M. (2015). Evaluación de estabilidad de formulación de comprimidos.

Villafuerte Robles, L. (2011). Los excipientes y su funcionalidad en productos farmacéuticos sólidos. Revista mexicana de ciencias farmacéuticas, 42(1), 18-36.

Equipo 3:

2182030219 Enrique Francisco Bautista Garduño

2182044393 Luz Adanary Rivas Barrera

2183030606 Oscar Feliciano Reyes