微晶電子衍射（MicroED）技術(shù)作為近年來發(fā)展快速的結(jié)構(gòu)解析技術(shù)，結(jié)合了冷凍電鏡的高分辨率成像與電子衍射的高靈敏度分析，可直接用于確定結(jié)晶樣品微小顆粒的晶體結(jié)構(gòu)、測定混合物組分結(jié)構(gòu)、判斷絕對構(gòu)型以及氫鍵轉(zhuǎn)移判定等場景。

相較于傳統(tǒng)方法，MicroED 能夠單次對大批量微粒進(jìn)行分析，可在短時間內(nèi)就能收集到大量的衍射數(shù)據(jù)，還可以對單個微粒進(jìn)行衍射分析，進(jìn)行微量雜質(zhì)的檢測。近年來，MicroED 技術(shù)在晶型藥物研發(fā)及新材料的開發(fā)等領(lǐng)域已有較為廣泛的應(yīng)用，無論是學(xué)術(shù)界還是產(chǎn)業(yè)界，大家對這一新技術(shù)的了解都在日漸加深。

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案例分享 | MicroED在藥物早期研發(fā)階段的應(yīng)用解析

基于 MicroED 的技術(shù)特點(diǎn)，晶泰科技結(jié)構(gòu)測定團(tuán)隊跳出其主要在晶型藥物上應(yīng)用的限制，創(chuàng)新性地將該技術(shù)應(yīng)用于無定形固體分散體（Amorphous Solid Dispersion, ASD）的穩(wěn)定性評估領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)微量結(jié)晶組分結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)識別。本文通過實(shí)際案例解析該技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用。

技術(shù)痛點(diǎn)：ASD體系微量結(jié)晶組分結(jié)構(gòu)解析挑戰(zhàn)

某創(chuàng)新藥研發(fā)案例中，客戶采用 ASD 技術(shù)提升難溶藥物的生物利用度，卻在加速穩(wěn)定性試驗(yàn)（3 個月/40℃/75%RH）中發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象，穩(wěn)定性樣品的 XRPD 譜圖中檢測到微弱衍射峰（2θ=3°-20°區(qū)間，如圖 1 所示），本項(xiàng)目需要快速明確 ASD 體系中結(jié)晶組分結(jié)構(gòu)，以便能快速重新進(jìn)行 ASD 配方研究，避免對后期研發(fā)造成較大影響。

常規(guī) XRPD 定量分析檢測限通常為 2% w/w，無法實(shí)現(xiàn)低含量結(jié)晶相的分析；傳統(tǒng)的單晶培養(yǎng)則需耗時長達(dá) 2-8 周，并且微量晶體難以分離提純，無法用于 ASD 體系微量結(jié)晶組分結(jié)構(gòu)的快速分析。

因此急需尋找一種創(chuàng)新方法快速獲取微量結(jié)晶組分的晶體結(jié)構(gòu)。

技術(shù)破局：MicroED應(yīng)用于ASD系統(tǒng)中結(jié)晶組分結(jié)構(gòu)解析領(lǐng)域

晶泰科技研發(fā)人員對目標(biāo) ASD 體系譜圖進(jìn)行初步分析后，確認(rèn) XRPD 譜圖中的衍射峰強(qiáng)度過弱，無法利用常規(guī) XRPD 來分析確認(rèn)結(jié)晶組分的種類，只能通過直接檢測樣品中的微量結(jié)晶態(tài)粒子來確認(rèn)其結(jié)構(gòu)。

相比于 XRPD 技術(shù)，MicroED 采用高能電子束，可以在納米級晶體顆粒上產(chǎn)生足夠強(qiáng)的衍射信號。這樣一來，非常少量微小尺度（~100 nm）的結(jié)晶度較高的晶粒就足以產(chǎn)生高分辨率的電子衍射圖案供晶體結(jié)構(gòu)解析，大大降低了對晶體樣品在形狀、尺寸、純度方面的要求。

由于可以直接使用粉末樣品、避免了耗時漫長的培養(yǎng)單晶的過程，MicroED 相比于 SCXRD 可以顯著縮短晶體結(jié)構(gòu)解析的項(xiàng)目周期，還可以高通量進(jìn)行大量顆粒的衍射數(shù)據(jù)收集，因此研發(fā)人員選擇使用 MicroED 技術(shù)來分析目標(biāo) ASD 體系中的微量結(jié)晶組分種類。

項(xiàng)目流程：

晶泰科技研發(fā)人員利用 MicroED 的自動數(shù)據(jù)收集裝置，在較短的時間內(nèi)掃描并收集目標(biāo) ASD 體系大量微粒衍射數(shù)據(jù)，并從中進(jìn)行無定形微粒和結(jié)晶態(tài)微粒的篩選。無定形微粒的衍射圖譜中不會出現(xiàn)衍射信號，而結(jié)晶態(tài)微粒的衍射圖譜中會出現(xiàn)較為明顯的衍射信號，如下圖所示：

晶泰科技結(jié)構(gòu)解析團(tuán)隊在 1 周的時間內(nèi)收集并分析了 1000 多個微粒的衍射信號。通過解析出 1000 個微粒中含有的不同晶型，確定樣品中存在 0.3% w/w 的 API Form II 晶體。

MicroED構(gòu)建ASD穩(wěn)定性研究新方法

在 ASD 穩(wěn)定性研究中，穩(wěn)定性樣品的 XRPD 譜圖中發(fā)現(xiàn)不確定的衍射峰，需要快速確認(rèn)體系內(nèi)是否存在結(jié)晶組分，并確認(rèn)其晶體結(jié)構(gòu)。在這一場景下，MicroED 技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

? 快速判斷 ASD 體系中是否含有結(jié)晶組分：由于 MicroED 可以單次對大批量微粒進(jìn)行分析，短時間收集大量衍射數(shù)據(jù)，因此能根據(jù)樣品中是否存在衍射現(xiàn)象，來快速判斷 ASD 樣品是否有結(jié)晶傾向。

? 快速解析微量結(jié)晶組分結(jié)構(gòu)：常規(guī) XRPD 定量限無法實(shí)現(xiàn)低含量結(jié)晶相的分析，同時傳統(tǒng)單晶培養(yǎng)耗時長且微量晶體難以分離提純，MicroED 作為一項(xiàng)可直接觀察和分析微小顆粒晶體結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新技術(shù)，能夠快速篩選無定形粒子和結(jié)晶態(tài)粒子，較短時間內(nèi)快速確證 ASD 體系中的微量晶體結(jié)構(gòu)。

未來展望 

隨著 MicroED 技術(shù)的不斷成熟和普及，其在 ASD 穩(wěn)定性評估領(lǐng)域的應(yīng)用前景將更加廣闊。未來，我們期待看到更多基于 MicroED 的創(chuàng)新方法被開發(fā)出來，如結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)算法進(jìn)行自動化分析，進(jìn)一步提升評估的準(zhǔn)確性和效率。

總之，MicroED 技術(shù)的引入，為固體分散體的穩(wěn)定性評估帶來了新的手段，它不僅提高了評估的精度和效率，更為制藥行業(yè)的創(chuàng)新與發(fā)展注入了新的活力。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和應(yīng)用實(shí)踐的深入，我們有理由相信 MicroED 將會在保障藥物質(zhì)量方面發(fā)揮越來越重要的作用。

晶泰科技的 MicroED 晶體結(jié)構(gòu)解析平臺, 配置 200kV 冷凍透射電子顯微鏡，無需單晶培養(yǎng)，僅需要少量（mg）結(jié)晶粉末樣品，最快可在 1 天內(nèi)完成高精度的晶體結(jié)構(gòu)測定，至今已成功完成 400 多個小分子藥物的晶體結(jié)構(gòu)解析。歡迎點(diǎn)擊下方鏈接進(jìn)行業(yè)務(wù)咨詢。

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某在研API溶解度較差，為改善目標(biāo)化合物的成藥性，客戶對這一化合物進(jìn)行了鹽型篩選實(shí)驗(yàn)，根據(jù)人工經(jīng)驗(yàn)選擇了9個常用反離子，通過兩輪篩選設(shè)置約80個篩選實(shí)驗(yàn)，未獲得鹽型。通過晶泰科技虛擬篩選技術(shù)，根據(jù)計算推薦的配體及溶劑進(jìn)行篩選實(shí)驗(yàn)，共獲得5種備選鹽型及其多晶型，綜合評估理化性質(zhì)、溶解度及穩(wěn)定性等因素，選定1種優(yōu)選鹽型進(jìn)行后續(xù)研究，優(yōu)選鹽型溶解度大于5mg/ml，滿足后續(xù)研發(fā)需求。

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前言

生物藥劑學(xué)分類系統(tǒng)（Biopharmaceutics Classification System，BCS）是一種依據(jù)藥物在水中的溶解性和在腸道中的滲透性來對藥物進(jìn)行分類的框架系統(tǒng)，根據(jù)其定義分類，目前市場上銷售的藥物中有約4成溶解度較差，而在新藥的研發(fā)過程中，則有高達(dá) 9 成的在研藥物面臨著水溶性的問題^[1]。

較低的溶解度限制藥物的生物利用度和治療效果，并增加后期開發(fā)難度及成本。而無定形固體分散體（Amorphous Solid Dispersion, ASD）技術(shù)可通過將藥物分子以無定形狀態(tài)分散在合適的聚合物載體中，降低藥物的粒徑，增加粒子比表面積，來提高藥物的溶解度和溶解速率，從而改善藥物的生物利用度。

然而，ASD 的穩(wěn)定性卻是一個研究開發(fā)中需要重點(diǎn)關(guān)注的問題及風(fēng)險。由于無定形的活性藥物成分（API）具有較高的分子運(yùn)動性和自由能，容易發(fā)生相分離且易結(jié)晶，導(dǎo)致 ASD 的穩(wěn)定性和療效下降。 

在 ASD 的研發(fā)過程中，聚合物載體的性質(zhì)，如玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、分子運(yùn)動性、與 API 的混溶性、結(jié)晶度以及結(jié)晶速率等，都會對 ASD 的穩(wěn)定性產(chǎn)生重要影響。

因此，選擇一種與藥物活性成分（API）熱力學(xué)混溶性良好、溶解度適宜的聚合物載體，是確保 ASD 穩(wěn)定性和療效的關(guān)鍵。傳統(tǒng)的篩選方法不僅耗時費(fèi)力，而且成功率較低。因此，如何快速且高成功率地篩選出 ASD 的聚合物載體，減少研發(fā)成本，加速 ASD 的研發(fā)進(jìn)程，成為了當(dāng)前 ASD 研發(fā)領(lǐng)域的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。  

案例背景

某藥企在研 API 溶解度極差，僅為 1μg/mL，為了滿足臨床前研究的需求，需要在僅有 2g API 的情況下，在 6 周內(nèi)制備出穩(wěn)定且溶解度滿足研發(fā)需求的 ASD。在這種情況下，如何快速篩選出與 API 混溶性良好、溶解度適宜的聚合物載體，是影響研發(fā)效率的關(guān)鍵。

晶泰科技解決方案

面對 ASD 研發(fā)中的挑戰(zhàn)，晶泰科技憑借其強(qiáng)大的計算能力和豐富的實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，開發(fā)了一套完整的計算驅(qū)動的 ASD 載體篩選流程，為 ASD 的研發(fā)提供了有力支持。  

計算化學(xué)指導(dǎo)的 ASD 開發(fā)通過計算 API 與不同聚合物的過量焓和 ASD 體系穩(wěn)定性，3 天內(nèi)即確定 HPMCAS 為最優(yōu)載體，從而節(jié)省 3.5 周時間及 5-10g 原料。選定的載體將 API 溶解度提升至 500μg/mL，滿足研發(fā)需求。隨后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了穩(wěn)定性預(yù)測的準(zhǔn)確度，證實(shí)了該方法的可靠性與高效性。

項(xiàng)目流程：

1. 計算驅(qū)動的聚合物選擇  

首先計算API與不同聚合物的混溶性，Hex（過量焓）值反映了聚合物與 API 之間相互作用的強(qiáng)弱，Hex 值越負(fù)，說明聚合物與 API 之間的相互作用越強(qiáng)，二者之間的混溶性越好，ASD 的穩(wěn)定性也就越高。因此利用先進(jìn)的分子模擬技術(shù)和熱力學(xué)計算方法可快速篩選出混溶性較好的聚合物載體。這一步驟不僅可以大幅度縮短聚合物篩選的時間，還能提高篩選的準(zhǔn)確性和成功率，減少物料消耗。

下圖是目標(biāo) API 與多種常用的 ASD 聚合物載體過量焓的計算結(jié)果，聚合物載體從左至右與 API 的 Hex 值逐漸升高，ASD 的穩(wěn)定性也逐漸降低。

2. ASD制備及聚合物初篩

基于計算篩選的結(jié)果，研發(fā)人員選擇了 6 種與 API 混溶性較好的聚合物：HPMC，PVP，HPMCAS，Eudragit-E100，PVP/VA 和 HPMCP 進(jìn)行 ASD 制備實(shí)驗(yàn)。在選擇的 6 種聚合物中，有4種成功制備出了 ASD（圖 4），這些 ASD 在制備過程中保持了良好的無定形狀態(tài)，且 API 在聚合物載體中分散均勻。

相比于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)篩選方法，計算指導(dǎo)的 ASD 篩選所需實(shí)驗(yàn)數(shù)量更少，成功率有較大程度的增加，有效加快了研發(fā)效率，并大幅度節(jié)約了物料。

3. 計算ASD穩(wěn)定性來優(yōu)化載藥量及ASD性質(zhì)表征

研究人員進(jìn)一步計算了已獲得的 4 種 ASD 在不同濕度環(huán)境下和不同載藥量條件下的穩(wěn)定性，計算結(jié)果如圖 5 (左) 所示，可以看出在非高濕環(huán)境下，API-HPMCAS 構(gòu)成的 ASD 能達(dá)到的載藥量最高，表現(xiàn)最好。已知高濕度會影響 ASD 的穩(wěn)定性，于是研發(fā)人員針對這一 ASD 體系，進(jìn)一步計算了不同載藥量的引濕性情況，結(jié)果如圖 5 (右) 所示。

根據(jù)圖 5 可知，在 50% 和 80% 載藥量條件下，API-HPMCAS 構(gòu)成的 ASD 的引濕性均較強(qiáng)，因此這一體系 ASD 推薦載藥量應(yīng)低于 50%。

通過穩(wěn)定性計算，3 天即確定了最優(yōu)聚合物載體及載藥量范圍，并且無需消耗 API；而常規(guī)配體篩選及載藥量優(yōu)化實(shí)驗(yàn)則起碼需要 4 周時間，且需要消耗約 5-10g 左右 API。由此可知計算化學(xué)可大幅度加快固體分散體研發(fā)進(jìn)程，還可顯著降低物料消耗。

通過溶解度測試發(fā)現(xiàn)，以 HPMCAS 為載體的 ASD 體系溶解度可提高至 500μg/mL，相比于原 API（溶解度僅為 1μg/mL）有大幅度提高，滿足臨床前研究的需求。同時，通過 X 射線衍射（XRD）、差示掃描量熱法（DSC）等手段，進(jìn)一步表征了所篩選出 ASD體系 的物理化學(xué)性質(zhì)。  

4. ASD穩(wěn)定性驗(yàn)證

為驗(yàn)證ASD穩(wěn)定性計算的準(zhǔn)確度，科研人員選定 HPMCAS，以 20%-40% 的載藥量進(jìn)行 ASD 穩(wěn)定性測試，來驗(yàn)證計算結(jié)果。

穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)結(jié)果（表 1）與計算結(jié)果的傾向性吻合較好：濕度為 0% RH，載藥量 <50% 時，ASD 體系可保持穩(wěn)定；濕度為 60% RH 時，ASD 體系保持穩(wěn)定的臨界載藥量為 30% 左右；而在 75% RH 濕度下，臨界載藥量則在 30% 以下。

這一結(jié)果證明計算化學(xué)在預(yù)測 ASD 穩(wěn)定性方面準(zhǔn)確度較高，可用于快速確認(rèn) ASD 體系的載藥量范圍及可保持穩(wěn)定的濕度范圍。

5. 小結(jié)

本案例向我們展示了計算指導(dǎo)的 ASD 開發(fā)在實(shí)際應(yīng)用中的有效性和優(yōu)勢。該方法通過計算 API 與不同聚合物之間的過量焓，快速篩選出與 API 熱力學(xué)混溶性好的聚合物載體，從而避免了試錯法的盲目性和低效性。

進(jìn)一步的穩(wěn)定性計算確定了 API-HPMCAS 構(gòu)成的 ASD 在不同濕度環(huán)境和載藥量條件下的穩(wěn)定性。計算化學(xué)的應(yīng)用大幅縮短了研發(fā)時間，3 天確定最優(yōu)載體和載藥量范圍，相比傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法節(jié)約了至少 3.5 周時間；并顯著減少了 API 的消耗，計算驅(qū)動的載藥量優(yōu)化無需消耗物料，而常規(guī)實(shí)驗(yàn)方法則需消耗 5-10g 物料。晶泰科技最終在客戶要求的時間及物料范圍內(nèi)，開發(fā)出滿足研發(fā)需求的ASD體系。選定的 HPMCAS 載體能將 API 的溶解度提高至 500μg/mL，滿足臨床前研究需求。

通過系統(tǒng)驗(yàn)證，穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果與計算預(yù)測相吻合，證明了計算化學(xué)在預(yù)測 ASD 穩(wěn)定性方面的準(zhǔn)確性。

計算引導(dǎo)ASD研發(fā)未來

計算化學(xué)驅(qū)動、理性實(shí)驗(yàn)設(shè)計的方法在 ASD 的研發(fā)中發(fā)揮了重要作用，通過計算預(yù)測和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方式，可以快速篩選出與 API 混溶性良好、溶解度適宜的聚合物載體，提高 ASD 的穩(wěn)定性和療效。這一方法不僅大大縮短了 ASD 的研發(fā)周期，還降低了研發(fā)成本，為新藥研發(fā)提供了有力支持。  

隨著計算技術(shù)的不斷發(fā)展和實(shí)驗(yàn)手段的不斷創(chuàng)新，計算驅(qū)動 ASD 研發(fā)的方法將進(jìn)一步完善和優(yōu)化。通過更加精準(zhǔn)的計算預(yù)測和更加高效的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，我們可以期待更多穩(wěn)定、高效、具有優(yōu)良生物利用度的 ASD 問世，為新藥研發(fā)注入新的活力和動力。  

在藥物研發(fā)的道路上，我們始終堅信科技的力量，晶泰科技在固態(tài)研究領(lǐng)域始終以客戶需求為導(dǎo)向，堅持創(chuàng)新，將固態(tài)模擬、自動化等技術(shù)應(yīng)用在藥物固體形態(tài)研發(fā)的全流程，通過智能化工具實(shí)現(xiàn)理性實(shí)驗(yàn)設(shè)計和高通量實(shí)驗(yàn)，加快晶型決策，顯著縮短研發(fā)周期，降低開發(fā)成本。未來晶泰科技愿與大家一起克服新藥研發(fā)中的各種挑戰(zhàn)和困難，為人類健康事業(yè)添磚加瓦！

Reference

[1] Thorsteinn Loftsson, Marcus E Brewster, Pharmaceutical applications of cyclodextrins: basic science and product development, Journal of Pharmacy and Pharmacology, 2010, 62, 11, 1607–1621

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瑞德西韋 (Remdesivir) 有兩個性質(zhì)接近的無水晶型，哪個晶型更穩(wěn)定在此前研究條件下尚不清楚，本案例的目標(biāo)是對瑞德西韋兩個無水晶型的相對穩(wěn)定性進(jìn)行深入研究，并且確認(rèn)不同溫度下的最穩(wěn)定晶型。

在33天內(nèi)快速確認(rèn) Form II 在室溫和高溫下均為最穩(wěn)定晶型：

• MicroED解析出 Form II 和 Form IV 的晶體結(jié)構(gòu), 同時 Form IV結(jié)構(gòu)首次解析得到。
• CSP結(jié)果證實(shí)室溫下 Form II 比 Form IV 更為穩(wěn)定, 而二者在室溫下的穩(wěn)定性較為接近。
• 通過CSP計算，在33天內(nèi)快速確認(rèn)瑞德西韋 Form II 為優(yōu)選晶型，效率是常規(guī)晶型研究（~60 天）的兩倍 。

本案例表明CSP技術(shù)是加速晶型決策，降低后期轉(zhuǎn)晶風(fēng)險的重要手段。

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目標(biāo)化合物中API與甲磺酸的理論化學(xué)計量比為1:1，但實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示實(shí)際比例約為1:1.6，且不同批次樣品存在波動（1:1.55~1:65），確定該目標(biāo)化合物中API與配體甲磺酸的比例具有一定的挑戰(zhàn)性。

MicroED技術(shù)助力內(nèi)含無序分子及化學(xué)計量比可變復(fù)雜體系的結(jié)構(gòu)解析：

• 通過MicroED解析粉末樣品晶體結(jié)構(gòu)，揭示了甲磺酸分子在晶格通道中無序排列狀態(tài)。
• 晶體中配體分子的數(shù)量可能是可變的，導(dǎo)致不同樣品批次之間存在不同的化學(xué)計量比。
• 該案例展示了MicroED在晶體結(jié)構(gòu)解析方面（尤其是針對難培養(yǎng)單晶體系）的強(qiáng)大能力。

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目標(biāo)化合物兩個批次樣品（樣品1和樣品2）的XRPD譜圖極其相似，兩個樣品的表征數(shù)據(jù)具有顯著差異：TGA結(jié)果顯示兩個樣品在100°C之前分別出現(xiàn) 1.5% 和 3% 的失重，由于樣品的晶體結(jié)構(gòu)未知，無法確認(rèn)樣品1和樣品2是否為同一晶型。

  MicroED技術(shù)可用于區(qū)分結(jié)構(gòu)高度相似的不同晶型，降低產(chǎn)品中存在混合晶型的風(fēng)險：

• MicroED結(jié)果解釋了樣品1和樣品2雖然具有相似XRPD光譜，但具有完全不同的晶體結(jié)構(gòu)。
• 如果沒有發(fā)現(xiàn)這兩種結(jié)構(gòu)，可能導(dǎo)致最終樣品中含有混合晶型，進(jìn)而影響理化性質(zhì)與質(zhì)量管控。
• 案例結(jié)果表明，在僅有粉末晶體樣品時，MicroED是快速且有效判定多晶型晶體結(jié)構(gòu)的有利方法。

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亞穩(wěn)晶型控制

在藥物固體形態(tài)研發(fā)過程中，亞穩(wěn)晶型具有特定的理化或藥理性質(zhì)，使其在部分應(yīng)用場景中比穩(wěn)定晶型更具有優(yōu)勢。但由于亞穩(wěn)晶型非熱力學(xué)最穩(wěn)定晶型，轉(zhuǎn)晶風(fēng)險高，因此需在一定條件下通過動力學(xué)控制來進(jìn)行制備。

項(xiàng)目背景

某化合物穩(wěn)定晶型 Form B 原研專利被封鎖，而穩(wěn)定性、溶解性及生物利用度都較優(yōu)的亞穩(wěn)晶型 Form A 存在易成膠，結(jié)晶難控制，易向穩(wěn)定晶型轉(zhuǎn)變等問題，亟需開發(fā)適合的結(jié)晶工藝制備可開發(fā)亞穩(wěn)晶型 Form A。

項(xiàng)目流程

1.?多晶型研究

通過對該化合物多晶型現(xiàn)象進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)：該化合物結(jié)晶過程中，油/膠首先轉(zhuǎn)化為亞穩(wěn)晶型 Form A，隨后 Form A 轉(zhuǎn)晶為穩(wěn)定晶型 Form B。通過溶液轉(zhuǎn)晶過程在線監(jiān)測與分析發(fā)現(xiàn)，Form B 成核為該轉(zhuǎn)晶過程中主要速控步驟，而亞穩(wěn)晶型 Form A 動力學(xué)存在一定穩(wěn)定性。

基于這一前提，研發(fā)人員首先通過反應(yīng)結(jié)晶制備高過飽和度溶液，待析出膠態(tài)后，進(jìn)一步懸浮、烘干得到 Form A。

通過上述流程雖然能獲取亞穩(wěn)晶型 Form A，但轉(zhuǎn)化時間長，產(chǎn)品收率低，工藝穩(wěn)定性也較差，同時產(chǎn)物粉體性質(zhì)較差，不滿足后續(xù)的生產(chǎn)需求及制劑需求，因此需繼續(xù)開發(fā)其他更為合適的結(jié)晶工藝。

2.?晶體結(jié)構(gòu)分析

通過對 Form A 和 Form B 進(jìn)行 MicroED 晶體結(jié)構(gòu)解析發(fā)現(xiàn)，亞穩(wěn)晶型 Form A 為層狀結(jié)構(gòu)，而穩(wěn)定晶型 Form B 則為三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

基于二者的結(jié)構(gòu)差異，研發(fā)人員通過向結(jié)晶體系中添加與 Form A 結(jié)構(gòu)相似的異構(gòu)體添加劑，阻斷三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)形成，從而抑制 Form B 的成核，制備 Form A。

但該方法需添加較多量的添加劑才能達(dá)到較好的 Form B 成核控制效果，而添加劑作為雜質(zhì)難以去除，因此也不滿足后續(xù)開發(fā)需求。

3.?結(jié)晶溶劑篩選與過程控制

隨后研發(fā)人員針對該化合物結(jié)晶過程，進(jìn)行了高通量溶劑與結(jié)晶方式篩選，通過篩選發(fā)現(xiàn)使用丙酮作為結(jié)晶溶劑時，成膠情況有明顯改善，同時丙酮溶劑中亞穩(wěn)晶型 Form A?懸浮穩(wěn)定時間更長。

基于這一前提，研發(fā)人員開發(fā)了丙酮溶劑中的兩步工藝流程：

a. 首先通過設(shè)置高溫及高過飽和度，來促進(jìn)亞穩(wěn)態(tài)反應(yīng)成核;

b.?然后通過低溫慢攪拌，抑制Form A轉(zhuǎn)晶，保證晶體生長。

最后通過上述兩步工藝流程，制備了粒度分布均勻，純度和收率均較高的亞穩(wěn)晶型?Form?A，且工藝穩(wěn)定性好，滿足后續(xù)生產(chǎn)及研發(fā)需求。

小結(jié)

亞穩(wěn)晶型結(jié)晶過程控制思路與策略：

結(jié)晶過程粒度優(yōu)化

藥物的晶體粒度對其溶解度、溶出度及制劑的加工性等性質(zhì)有直接影響，是藥物研發(fā)中的重要考量因素。因此晶體粒徑的調(diào)控及粒度分布優(yōu)化，是結(jié)晶工藝開發(fā)的重要部分。

項(xiàng)目背景

某化合物無水晶型 Form I，受后續(xù)研發(fā)影響，需將該晶型的粒徑從 D50=30μm 提高至 60μm。

項(xiàng)目流程

該化合物前期缺少晶型研究，研發(fā)人員補(bǔ)充快速晶型篩選研究后，發(fā)現(xiàn)該化合物存在多種溶劑合物和水合物，晶型控制難度較大，針對這一情況，研發(fā)人員以下述兩個方向進(jìn)行結(jié)晶工藝開發(fā)研究。

1.?目標(biāo)晶型晶種控制+過飽和度控制（緩慢降溫/滴加反溶劑）

研發(fā)人員通過選擇合適溶劑進(jìn)行緩慢冷卻結(jié)晶（降溫速率約0.1 oC /min）和溶析結(jié)晶，并在過程中添加目標(biāo)晶型Form I 晶種以嘗試獲取目標(biāo)無水晶型，但產(chǎn)物均為溶劑合物或水合物，晶型控制困難。

2.?晶型穩(wěn)定性研究+粒徑控制研究

針對上一研發(fā)方向中晶型控制困難這一問題，研發(fā)人員在不同溶劑中對目標(biāo)晶型進(jìn)行混懸實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)目標(biāo)無水晶型Form I在難溶、微溶體系中穩(wěn)定性更好。

隨后研發(fā)人員選取溶解度和沸點(diǎn)適宜的微溶體系（乙酸乙酯），進(jìn)行升降溫循環(huán)結(jié)晶工藝開發(fā)，目標(biāo)晶型在所選溶劑體系一定時間內(nèi)可穩(wěn)定控制，且粒度有較為明顯的提高，最后通過綜合調(diào)控溫度范圍、升降溫速率、投料濃度、工藝時間，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)晶型的粒度提升目標(biāo)。

小結(jié)

結(jié)晶過程粒度優(yōu)化關(guān)鍵在于抑制成核、促進(jìn)晶體生長。

升降溫循環(huán)工藝特點(diǎn)

針對溶解度隨溫度變化存在一定差異的體系，其晶體溶解過程通常比晶體生長過程的動力學(xué)更快，通過設(shè)計懸浮過程快速升溫、緩慢降溫的幾次升降溫循環(huán)后，可以在升溫過程中有效促進(jìn)細(xì)晶的優(yōu)先溶解，降溫過程中在懸浮顆粒的基礎(chǔ)上有效促進(jìn)晶體的生長，以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品減少細(xì)晶、提高粒徑、粒度分布優(yōu)化、晶習(xí)優(yōu)化等目的。

生產(chǎn)過程晶型風(fēng)險控制研究

生產(chǎn)中，雜質(zhì)晶型的存在可能會改變產(chǎn)品的物理和化學(xué)性質(zhì)，從而影響產(chǎn)品質(zhì)量。因此生產(chǎn)過程中需要嚴(yán)格控制雜質(zhì)晶型的產(chǎn)生，優(yōu)化生產(chǎn)工藝，加強(qiáng)質(zhì)量控制。

項(xiàng)目背景

某化合物的目標(biāo)晶型 Form I 為塊狀晶體，而生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)多晶型雜質(zhì) Form II（針狀晶體），需充分研究 Form I 穩(wěn)定性，優(yōu)化結(jié)晶工藝，穩(wěn)定制備純相晶型支持生產(chǎn)。

項(xiàng)目流程

研發(fā)人員首先針對該化合物進(jìn)行晶型預(yù)測（CSP），計算結(jié)果顯示目標(biāo)晶型 Form I 比雜質(zhì)晶型 Form II 能量更低，F(xiàn)orm I 為最穩(wěn)定的晶型。

同時晶型篩選實(shí)驗(yàn)、晶型競爭懸浮實(shí)驗(yàn)及不同溫度點(diǎn)溶解度測試等實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果證明，工藝溫度范圍內(nèi)目標(biāo)晶型 Form I 為熱力學(xué)更穩(wěn)定晶型。

綜合計算及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果，此項(xiàng)目以 Form I 結(jié)晶工藝穩(wěn)定控制為主要目的。

隨后對該化合物進(jìn)行溶劑體系篩選與工藝優(yōu)化:  

小結(jié)

結(jié)晶過程中多晶型風(fēng)險研究應(yīng)注意以下兩個方面：

雜質(zhì)晶型的風(fēng)險考察：

可在涵蓋工藝溫度范圍內(nèi)選擇不同溫度點(diǎn)，進(jìn)行工藝溶劑體系為主的混合晶型競爭性懸浮實(shí)驗(yàn)；根據(jù)必要性測試溶解度，對比分析熱力學(xué)穩(wěn)定性關(guān)系。

水合物風(fēng)險研究：

針對工藝條件下的水合物風(fēng)險，基于結(jié)晶工藝溫度范圍和溶劑體系，開展不同水活度、溫度下的無水物+水合物競爭懸浮實(shí)驗(yàn)。

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內(nèi)容綱要：

? 結(jié)晶工藝開發(fā)目的

? 結(jié)晶工藝開發(fā)流程圖

? 結(jié)晶溶劑選擇

? 成核與生長

? 過飽和度釋放控制

? 純度控制

? 晶體形貌（形狀）控制

? 結(jié)晶方式選擇

? 結(jié)晶工藝開發(fā)常見問題

前言

在制藥工業(yè)中，超過大半的藥物以晶體形式存在，85% 以上的生產(chǎn)過程中都含有結(jié)晶操作。90% 以上的制劑產(chǎn)品的 API 是晶體形態(tài)；相比于無定形，晶體形態(tài)總體上化學(xué)穩(wěn)定性和物理穩(wěn)定性更優(yōu)。

結(jié)晶過程使原料藥具有特定的純度、粒度及晶型，結(jié)晶工藝直接影響原料藥加工與制劑生產(chǎn)，對于大分子、難溶性藥物晶體生長速度慢，常用手段難以拿到合格產(chǎn)品，需針對性開發(fā)工藝；對于溶解性特別好的藥物，產(chǎn)品容易油析，難以固化，同樣需針對性開發(fā)工藝。

基于此，特撰寫本結(jié)晶工藝開發(fā)流程。

結(jié)晶工藝開發(fā)目的

原料藥生產(chǎn)過程中通常會對中間體或 API 進(jìn)行結(jié)晶操作來達(dá)到如下目的：

結(jié)晶工藝開發(fā)流程圖

結(jié)晶溶劑選擇

溶劑的選擇對 API 結(jié)晶工藝開發(fā)至關(guān)重要，對產(chǎn)品的純度、晶型、形貌（顆粒屬性）、收率等皆有重大影響。在選擇溶劑時，應(yīng)規(guī)避以下幾個問題：

??忽視溶劑的安全性、毒性——忽視制藥過程中的合規(guī)化需求，使用一類/二類溶劑或其它特殊溶劑，導(dǎo)致溶殘不可控、安全性降低等。

??使用大倍率溶劑，導(dǎo)致收率偏低、設(shè)備處理量不足、成本增加。

??忽視除雜能力——所用溶劑應(yīng)對 API 與雜質(zhì)的溶解度具有較大差異性，通?；谙嗨葡嗳茉瓌t篩選溶劑。

??未考察溶液熱穩(wěn)定性，導(dǎo)致放大生產(chǎn)過程中產(chǎn)品降解。

??忽視對晶型的影響——溶劑化物、溶劑底物模板效應(yīng)：特定的溶劑傾向制備特定的晶型；溶劑-溶質(zhì)相互作用對成核、晶體生長的控制以及溶劑介導(dǎo)的多晶型轉(zhuǎn)變；避免使用會產(chǎn)生溶劑合物的溶劑。

??晶習(xí)控制——由于溶劑粘度、表面張力等對結(jié)晶動力學(xué)的影響，不同溶劑可能會形成不同晶習(xí)，同一晶型不同晶習(xí)可能帶來不同的粒度，進(jìn)而影響粒度分布。

成核與生長

結(jié)晶工藝開發(fā)的核心就是調(diào)控成核與生長，成核是新晶核的誕生，是少量離子、原子或分子以結(jié)晶固體的形式排列形成晶核的過程，包括從溶液中自發(fā)的初級成核還是在現(xiàn)有晶體的存在下的次級成核。

一旦實(shí)現(xiàn)成核，晶體生長將占結(jié)晶過程的主導(dǎo)地位，晶體生長是引導(dǎo)晶核生長為具有特定尺寸和形狀的晶體的過程。此過程中，固體分子中的晶格結(jié)構(gòu)、溶劑選擇和晶體生長過程中的添加劑等都是影響晶體形狀的關(guān)鍵因素。

過飽和度釋放控制

下圖為結(jié)晶最常見的結(jié)晶相圖：

在溶解度曲線下方為穩(wěn)定區(qū)，不會有固體析出；在超溶解度曲線上方為自發(fā)成核不穩(wěn)定區(qū)，為無法控制區(qū)域。因此結(jié)晶參數(shù)要控制在兩條曲線之間，兩條曲線之間的區(qū)域通常被稱作介穩(wěn)區(qū)。

結(jié)晶參數(shù)靠近溶解度曲線時，會產(chǎn)生大顆粒晶體，缺點(diǎn)是過飽和度釋放慢，會延長工藝所用時間。

結(jié)晶參數(shù)靠近超溶解度曲線時，過飽和度釋放快，容易得到小顆粒晶體。

結(jié)晶工藝開發(fā)的核心就是調(diào)控過飽和度的釋放，來生產(chǎn)符合要求的合格產(chǎn)品。

純度控制

晶體本身的純度很高，其雜質(zhì)主要是由于晶體包裹和表面粘接母液而造成的，通過夾雜或黏附到母液中的雜質(zhì)，可以通過改變生長條件（即結(jié)晶條件或下游工序的加工條件）來控制，如增大產(chǎn)品粒度，減少粒度分布寬度，控制晶體形狀等方式都可帶來更好的固液分離，從而降低夾雜或黏附到母液，通過分離結(jié)晶技術(shù)可以獲得更高的純度。通過形成部分固溶體或完全固溶體而將雜質(zhì)引入晶格的過程不受工藝條件的影響，通常只能通過反復(fù)重結(jié)晶等手段來實(shí)現(xiàn)純化效果。

晶體形貌（形狀）控制：

晶體的形狀取決于晶體表面的相對生長速率。表面生長速度主要是受雜質(zhì)、添加劑以及溶劑的影響。不同晶體形貌會影響后處理過程（分離、干燥、粉碎），API- 輔料相互作用，溶解速率等方面。

晶體形狀控制一般通過控制操作條件，比如控制結(jié)晶過程不同過飽和狀態(tài)，不同混合強(qiáng)度，調(diào)整結(jié)晶相關(guān)參數(shù)如溫度、升降溫速度、正反溶劑滴加速度等來實(shí)現(xiàn)，其次還有加入添加劑如表面活性劑、雜質(zhì)、金屬離子等也可對晶體形貌進(jìn)行控制。

結(jié)晶方式選擇

制藥行業(yè)常用的結(jié)晶方式主要包括冷卻結(jié)晶、溶析結(jié)晶、反應(yīng)結(jié)晶、蒸發(fā)結(jié)晶等。其它結(jié)晶技術(shù)：等電點(diǎn)結(jié)晶，適用于氨基酸類結(jié)晶；熔融結(jié)晶、升華結(jié)晶適用于低熔點(diǎn)化合物，常用于晶型篩選過程；超聲結(jié)晶常用于制備特殊晶種。

結(jié)晶方式選擇及適用性見下表，結(jié)晶方式選擇決策樹見圖 3.

結(jié)晶工藝開發(fā)常見問題

??晶體學(xué)機(jī)理的缺失——對晶體的成核、生長、過飽和度控制缺少一定的認(rèn)知，導(dǎo)致開發(fā)過程中的工藝參數(shù)設(shè)定盲目、不合理。

??選擇錯誤的結(jié)晶方式——炫技般的選擇蒸發(fā)結(jié)晶、固-固轉(zhuǎn)晶等，導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量差、工藝穩(wěn)定性差。

??放大效應(yīng)研究不充分——對熱量、動量、質(zhì)量的傳遞研究不充分，導(dǎo)致放大過程中頻頻出現(xiàn)各種問題。

??忽視后處理過程——對過濾、干燥方式等研究不充分，導(dǎo)致批量放大后純度不合格、勞動工時增加等。

??多晶型研究不充分——對于多晶型尤其是水合物、溶劑合物研究不充分，不清楚各晶型間的熱力學(xué)互變關(guān)系，導(dǎo)致生產(chǎn)過程中出現(xiàn)多晶型問題。

??未建立收率與純化之間的關(guān)系——收率大小與純化程度呈相悖的關(guān)系，要在滿足產(chǎn)品純度要求的基礎(chǔ)上，盡可能的達(dá)到收率最大化。

??缺少結(jié)晶過程監(jiān)測——應(yīng)用在線、離線設(shè)備對晶體生長過程、老化過程進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，以確定最佳工藝參數(shù)。

??忽視產(chǎn)品理化性質(zhì)對下游工藝的影響——對粒度、粒度分布、比表面積等粉體學(xué)性質(zhì)充分研究，以達(dá)到提高藥效和生物活性的目的。

作者介紹：宮正，海思科藥業(yè)固態(tài)研發(fā)負(fù)責(zé)人，具有十余年結(jié)晶工藝開發(fā)及生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，曾就職于豪森藥業(yè)、科倫藥業(yè)等國內(nèi)知名醫(yī)藥企業(yè)。

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