From synthesis to formulation of gliclazide and glibenclamide cocrystal pharmaceutical solid dosage forms

Tese de mestrado, Engenharia Farmacêutica, Universidade de Lisboa, Faculdade de Farmácia, 2017Low solubility of pharmaceutical drugs is very often a limiting factor in the development of drug products. Cocrystals are known for a long time but still little explored as an alternative for drug solubility increase. Cocrystals are crystalline homogenous structures composed by two or more molecules in the same crystal lattice, all solid at room temperature. They are different from the precursors held together by noncovalent interactions (normally hydrogen bonds) with a well-defined stoichiometry. In this work, two sulfonylureas used in the treatment of non-insulin-dependent diabetes mellitus – glibenclamide (GBL) and gliclazide (GCZ) – were chosen as cocrystallization targets due to their categorization as class II drugs (low solubility, high permeability) by the Biopharmaceutical Classification System. The development of GBL and GCZ cocrystals was developed in two stages: screening and production experiments. Screening experiments performed by solvent evaporation, were designed to evaluate the most promising cocrystal forms produced with three different coformers – tromethamine (TRIS), nicotinamide (NICO) and p-aminobenzoic acid (PABA). Differential scanning calorimetry, near- and mid-infrared spectroscopy and powder x-ray diffraction comprehended the selected crystal characterization methods. Products of the cocrystallization process were characterized and compared with the respective drug, coformer and binary physical mixture. Screening experiments showed that cocrystals of GLB and GCZ were preferentially formed with TRIS. Production experiments (still lab scale) were performed for the GBL:TRIS 1:1 and GCZ:TRIS 3:2 systems, aiming at obtaining a sufficient amount of product for incorporation in pharmaceutical solid oral dosage forms. For this, two different cocrystallization methods were tested – solvent evaporation and slurry. Contrarily to the slurry method, solvent evaporation operated at a 20-fold scale increase resulted in the production of impure cocrystals. To better understand this result, a D-optimal experimental design was proposed to understand the impact of temperature, volume of solvent and molar ratio on products purity. The slurry cocrystallization method was selected as preferential method for the production of higher cocrystals’ quantities ensuring a suitable level of purity. The solubility increase was assessed for the cocrystals produced with the slurry method (GBL:TRIS and GCZ:TRIS) using three different dissolution media. Results revealed a maximum solubility enhancement in water, with a 54.7-fold and 82.5-fold increase for GBL and GCZ, respectively.A solubilidade de fármacos é um fator importante a considerar no desenvolvimento de novos medicamentos. A produção de co-cristais, ou co-cristalização, constitui numa técnica de alteração de estado sólido há muito conhecida pela engenharia de cristais, que tem vindo a ganhar relevância junto da indústria farmacêutica desde as décadas de 1980-1990, principalmente devido à sua vasta aplicabilidade na melhoria da solubilidade de fármacos. Os co-cristais consistem em formas sólidas homogéneas, compostas por duas ou mais moléculas sólidas à temperatura ambiente e contidas numa única estrutura cristalina. Estes compostos têm uma estequiometria bem definida (por exemplo, A:B 1:1, A:B 1:2) e apresentam caraterísticas diferentes dos respetivos precursores ligados entre si por ligações não-covalentes (normalmente, pontes de hidrogénio). A diabetes mellitus (DM) é uma doença do foro metabólico, caracterizada por níveis elevados de açúcar no sangue (hiperglicemia), e que exibe duas categorias etiopatogénicas: DM tipo 1 ou auto-imune e DM tipo 2 ou DM não-dependente de insulina. Esta última afeta mais de 8.5% da população mundial (422 milhões de pessoas), sendo considerada uma das maiores epidemias do século XXI. As atuais opções terapêuticas de primeira-linha incluem, numa fase inicial, a administração de metformina (biguanida), à qual se equaciona a concomitância com sulfonilureias ou inibidores de α-glucosidase com o agravamento da condição. No presente trabalho, duas das sulfonilureias mais prescritas em Portugal para o tratamento da NIDDM – glibenclamida (GBL) e gliclazida (GCZ) – foram selecionadas como alvo para aplicação de técnicas de co-cristalização, devido à sua categorização como fármacos de classe II pelo Sistema de Classificação Biofarmacêutica (BCS). Esta classificação revela que ambos os fármacos têm baixa solubilidade e elevada permeabilidade. A síntese de co-cristais de GBL e GCZ foi desenvolvida em duas etapas: experiências de seleção ou triagem e produção à escala laboratorial. As experiências de seleção ou triagem foram elaboradas através da aplicação do método de co-cristalização por evaporação de solvente, com o objetivo de investigar os co-cristais mais promissores produzidos por combinação dos referidos fármacos com três diferentes co-formadores – trometamina (TRIS), nicotinamida (NICO) e ácido p-aminobenzoico (PABA). Nestas experiências, quantidades muito reduzidas (0.5-1.5 mmol) de cada fármaco foram misturadas fisicamente com cada um dos co-formadores, sendo a mistura física resultante dissolvida num determinado volume de metanol (20-40 mL). Após completa dissolução, as soluções foram deixadas em repouso, decorrendo cristalização até completa evaporação do solvente. Os produtos obtidos foram caraterizados quanto à sua estabilidade térmica por calorimetria diferencial de varrimento e quanto ao seu perfil químico por espetroscopia de infravermelho e infravermelho-próximo. Por constituir um método mais complexo e demorado, a avaliação da estrutura cristalina por difração de raios-X sobre pós foi apenas realizada para os produtos determinados como promissores pelas técnicas anteriormente referidas. Assumindo que um processo de co-cristalização bem sucedido resulta na produção de co-cristais com características físicas e químicas diferentes dos precursores, todos os produtos de co-cristalização obtidos foram caracterizados em comparação com o respetivo fármaco, co-formador e mistura física de ambos. Os produtos das experiências de seleção sintetizados com NICO e PABA (à exceção do sistema GCZ:NICO) demonstraram caraterísticas térmicas e espectroscópicas sobreponíveis à respetivas misturas físicas, concluindo-se a ineficácia de co-cristalização de GBL e GCZ com estes co-formadores. Assim, dos três co-formadores em teste, os co-cristais de GBL e GCZ com TRIS foram considerados os mais promissores, havendo sido identificadas caraterísticas discrepantes face aos precursores em todos os métodos de caracterização aplicados. A produção à escala laboratorial teve por objetivo a obtenção de quantidades suficientes de co-cristais para posterior utilização nos estudos de formulação farmacêutica. Esta produção foi testada através de dois diferentes métodos de co-cristalização: evaporação de solvente e o método com lamas. Primeiramente, procedeu-se à co-cristalização por evaporação de solvente de ambos os fármacos com TRIS, aplicando o mesmo protocolo experimental utilizado nas experiências de seleção, mas numa escala 20-vezes superior. Para além da comparação com os respetivos precursores, a caraterização dos produtos obtidos visou também a avaliação da sua homogeneidade. Para isto, foram retiradas amostras do centro de cada um dos quatro quadrantes e do centro do fundo dos cristalizadores, sendo cada amostra avaliada de forma individual (um cristalizador, cinco amostras). Os resultados de caracterização térmica e espectroscópica foram coerentes entre si, verificando-se a obtenção de produtos impuros. Para os dois sistemas, as impurezas foram associadas à presença de excesso de co-formador, a qual, por sua vez, determina a ocorrência de um processo de co-cristalização incompleto. Quanto à caraterização espectroscópica, os resultados foram interpretados por observação direta dos espetros obtidos (tal como procedido anteriormente) e também por avaliação de modelos de análise de componentes principais. Os modelos de análise de componentes principais auxiliaram a interpretação da correlação entre as várias amostras dos produtos de co-cristalização e entre estas e os respetivos precursores e mistura física. Adicionalmente, verificou-se que as amostras retiradas do centro dos cristalizadores foram aquelas que demonstraram maior correlação para com as respetivas misturas físicas, propondo-se que o defeito de interação entre a totalidade dos precursores poderá dever-se à utilização de agitação magnética central durante o passo de dissolução. No caso do sistema GCZ:TRIS, para além das considerações de co-cristalização incompleta, o elevado grau de impureza foi também associado à utilização de uma razão molar desadequada (3:2). Procedeu-se ao desenvolvimento de um delineamento experimental (do tipo D-ótimo) com o objetivo de avaliar o impacto de parâmetros de processo críticos para a co-cristalização por evaporação de solvente em termos do grau de pureza dos produtos. Três valores diferentes de temperatura (10ºC, 15ºC e 20ºC) foram sistematicamente combinados com três diferentes volumes de solvente (20 mL, 25 mL e 30 mL), num total de onze experiências para cada um dos dois sistemas em teste. Para o sistema GCZ:TRIS, a razão molar foi readaptada para 1:1. Foi possível compreender que variações de temperatura durante a cristalização estão associadas a co-cristalização incompleta e que a temperatura intermédia testada (15ºC) é preferível para otimizar a pureza dos co-cristais de GBL:TRIS. Finalmente, e apesar da readaptação da razão molar, o produto GCZ:TRIS continuou a ser caraterizado por um excesso de precursor. De forma geral, a ausência de efeitos sistemáticos no grau de pureza dos co-cristais a partir das experiências delineadas, indicia a falta de controlo sobre a co-cristalização por evaporação de solvente e considera-se este método como desadequado para obtenção de quantidades maiores destes co-cristais. Finalmente, os sistemas GBL:TRIS e GCZ:TRIS foram co-cristalizados pelo método das lamas. Este método requer que os precursores fiquem em suspensão no solvente selecionado, ocorrendo co-cristalização por indução de choque físico entre as moléculas. Quanto ao sistema GBL:TRIS, foi possível produzir maiores quantidades de co-cristais mantendo um elevado grau de pureza, considerando-se o método de lamas como adequado e preferencial para aumento de escala. A razão molar de GCZ:TRIS 1:1 confirmou-se a mais adequada. No entanto o produto obtido continuou a ser considerado como impuro, e portanto desadequado para posteriores incorporação na formulação a desenvolver. A solubilidade dos co-cristais produzidos obtidos pelo método de lamas foi avaliada em três meios de dissolução diferentes: água, tampão fosfato pH 7.5 e tampão fosfato pH 8.5 foram os meios selecionados para GBL:TRIS; água, tampão fosfato pH 7.4 e 0.1N ácido clorídrico foram os meios selecionados para GCZ:TRIS. Para ambos os sistemas, o aumento máximo de solubilidade foi observado em água. Decorrente da aplicação da técnica de co-cristalização, a solubilidade aquosa de GBL aumentou 54.7-vezes e a de GCZ 82.5-vezes. Os co-cristais de GBL:TRIS foram utilizados para formulação de formas orais sólidas, doseadas a 5mg, por compressão direta, em comparação com um medicamento atualmente comercializado (GBL 5 mg Generis Comprimidos)