Пути обеспечения и методы оценки апирогенности парентеральных лекарственных форм

Мембранные методы получения высокоочищенной воды для инъекций широко используются в мировой практике и признаны экономически выгодными и перспективными.

Методы депирогенизации

Методы депирогенизации подразделяются на химические и физические.

Химические методы удаления пирогенов.  Эти методы основаны на реакциях окисления или гидролиза пирогенных веществ. В качестве окислителей можно применять перекись водорода, перманганат калия или гипохлорит натрия. Растворы, содержащие пирогены, нагревают при 100°С в течение 2 часов с добавкой 0,1 М раствора перекиси водорода. Эффективен способ нагрева растворов при температуре 116°С в течение 20 мин с добавкой 0,04 М раствора перекиси водорода. Другой вариант - прибавление к раствору небольшого количества гипохлорита натрия (на 1 л добавляют 0,25 мл раствора гипохлорита натрия с содержанием активного хлора около 0,5%), смесь выдерживают 30 мин. Избыток гипохлорита удаляют с помощью активированного угля, которого берут из расчета 15% от объема воды. Для удаления пирогенов белковой природы предлагается также обрабатывать растворы п-хиноном и антрахиноном, которые образуют с белками нерастворимые в воде комплексные соединения.

Для уничтожения пирогенных веществ полисахаридной природы можно использовать подогрев раствора с 0,1 н раствором едкого натра или 0,1 н раствором соляной кислоты (при рН 4,0) в течение 1 ч. При этом происходит гидролитическое расщепление пирогенов с образованием моносахаридов, не обладающих пирогенными свойствами. Расход кислоты и щелочи при этом очень велик, в связи с чем этот метод неэкономичен.

Из-за возможного взаимодействия лекарственных веществ с окислителями и осаждающими реагентами, химические методы мало приемлемы при промышленном изготовлении растворов для инъекций. Также при использовании этих методов велик расход реагентов, что экономически невыгодно, кроме того возникает потребность в последующем удалении избытка реагента с использованием активированного угля или других методик, что создает дополнительные технологические сложности и увеличивает длительность процесса.[6]

Физические методы. Термическая стерилизация растворов не позволяет обеспечить их апирогенность, так как нагревание в автоклаве при 120°С в течение 20 минут приводит к гибели бактерий, но не уничтожает пирогены. Чувствительность пирогенов к высокой температуре различна. В сухом состоянии их полное разложение происходит только при температуре 200°С в течение 30 мин; следовательно, освободить от них воду и инъекционные растворы термической стерилизацией практически невозможно. В то же время метод стерилизации сухим жаром можно использовать для депирогенизации ампул одновременно с их сушкой в ампульных линиях шприцевого наполнения.

Стерилизация  с  использованием  сухого  жара  обеспечивается  путем  передачи  тепла  от нагретого  воздуха  к  стерилизуемым  предметам.  Основным  способом  передачи  тепла  в  камере стерилизатора является конвекция, к поверхности и внутрь материалов загрузки – теплопроводность. В целом можно выделить три основных фактора, непосредственно влияющих на эффективность процесса стерилизации: время выдержки, температура и устойчивость микроорганизмов.

В  практике  стерилизации  с  использованием  сухого  жара  применяются  два  основных  вида процессов:  с  загрузкой  в  стерилизаторы  периодического  действия  и  непрерывные  процессы  в стерилизаторах туннельного или конвейерного типа. Стерилизационные системы непрерывного действия чаще используются для депирогенизации стеклянных контейнеров (ампулы, флаконы), предназначенных для асептического наполнения. Режим стерилизации, принятый Европейской Фармакопеей и Фармакопеями других стран, - 160°С в течение 2 ч. Также на практике применяются другие комбинации параметров: 170°С в течение 1 ч или 180°С в течение 30 мин.

Сухожаровая  стерилизация  в  туннельных  стерилизаторах  является  непрерывным  процессом  в отличие от процессов с периодической загрузкой, проводимых в сухожаровых шкафах. Стерилизация и депирогенизация  в  туннельных  стерилизаторах  служит  примером  аддитивной  природы  термических процессов,  в  течение  большей  части  времени  прохождения  через  туннель,  температура  материалов повышается  и  затем  снижается,  т.е.  они    не  выдерживаются  при  постоянной  температуре.  При  этом температура стерилизационной зоны туннеля поддерживается постоянной. Не теряется тепловая энергия на повторное нагревание между циклами, как это происходит в сухожаровых печах. 

На рис.4 приводится ориентировочное сравнение по размерам двух главных типов туннельных стерилизаторов  для  промышленного  использования:  туннелей  радиационного  типа  и  туннелей  с однонаправленным потоком воздуха.

Рис. 4 Основные типы туннельных стерилизаторов

Туннельные  стерилизаторы  с  излучением  тепла  широко  использовались  и  хорошо зарекомендовали  себя  в  фармацевтическом  производстве.  Инфракрасные  излучатели,  размещенные  в верхней стенке туннеля, нагревают поверхность стерилизуемых предметов, проходящих через туннель, и внутренние  поверхности  самого  туннеля.    Тепло затем  рассеивается  по  контейнерам  путем  радиации, теплопроводности  и  под  действием  турбулентных  воздушных  потоков.  Туннели  такого  типа  довольно крупные,  с  низкой  скоростью  движения  транспортера.  Нагрев  стерилизуемых  контейнеров  может  быть неравномерным,  они  могут  загрязняться  механическими  частицами.  Значительное  количество  частиц может  образовываться  из-за  повреждения  нагревательных  элементов  и  движущейся  транспортерной сетки,  трущихся  механизмов  и  самих  контейнеров.  В  целом,  частицы  затруднительно  удалить  из стерилизационной зоны туннеля такого типа, несмотря на наличие НЕРА-фильтров на входе и выходе из туннеля. 

В туннелях с однонаправленным потоком воздуха воздух нагревается путем прохождения через нагревательные  элементы,  прежде  чем  пройти  фильтрацию  через  температуроустойчивые  НЕРА-фильтры,  так  что,  по  крайней  мере,  один  источник  выделения  частиц  исключается.  Вытесняющее действие  ламинарного  потока  способствует  удалению  других  частиц,  генерируемых  внутри  туннеля. Перенос  тепла  также  происходит  гораздо  быстрее,  что  вносит  вклад    в  снижение  риска  контаминации частицами стерилизуемых предметов за счет более короткой продолжительности прохождения туннеля (на 50% меньше чем в туннелях радиационного типа).[11]

К физическим методам можно также отнести адсорбцию на активированном угле, на ионообменных смолах, различные варианты фильтрации.

Количество пирогенных веществ уменьшается после обработки активированным углем путем встряхивания в течение 15 мин, при этом эффективность очистки зависит от природы пирогенных веществ. Гранулированный уголь менее эффективен. Уголь, применяемый для очистки растворов, должен быть весьма тщательно очищен, хорошо промыт водой, не содержать пирогенов и высушен при температуре 250°С в течение 2 ч. Однако, обработка растворов активированным углем не всегда приводит к полной депирогенизации. Кроме того, этот метод нельзя применять для очистки растворов лекарственных веществ, легко адсорбируемых углем, например, солей алкалоидов или легко окисляемых,  например, аскорбиновой кислоты. К тому же возникают дополнительные трудности, связанные с удалением активированного угля из раствора.[6]

Ряд авторов рекомендует для очистки от пирогенов использовать ионообменные смолы (например, для аминокислот), считая, что они более эффективны, чем активированный уголь. Метод основан на различии во взаимодействии эндотоксина и компонентов раствора с функциональными группами, иммобилизованными на смоле. Поскольку эндотоксины обладают низким значением рI  (изоэлектрической точки), то в большинстве растворов они имеют отрицательный  заряд, что позволяет использовать для депирогенизации ионообменные смолы.

Некоторые свойства смол для хроматографии ограничивают возможности их применения. Имеются в виду такие проблемы, как низкие скорости потока, длительное время регенерации, ограниченная химическая стабильность. Кроме того, хроматографический материал может со временем деградировать и попасть в препарат, а также сам стать источником пирогена при длительном использовании. Для устранения этих недостатков можно использовать мембранные адсорберы - высокоэффективные и простые в использовании ионообменные мембраны, которые подходят  как для лабораторных, так и для промышленных условий. 

Мембранный адсорбер Sartobind® представляет собой фильтрационный аппарат на основе полимерной ацетатной мембраны, усиленной полиэфирной подложкой и наполненной различными функциональными группами, ковалентно связанными с внутренней поверхностью микропор мембраны. Толщина мембраны 275 мкм (один слой), размер пор мембраны в зависимости от типа 0,45 мкм или более 3 мкм. жидкость, проходя сквозь поры мембраны, напрямую доставляет молекулы мишени к специфическим сайтам связывания (прямая конвекция).

Данный метод можно рассмотреть на примере растворов, содержащих лекарственные вещества белковой природы. Существует два варианта удаления эндотоксинов из растворов, содержащих белки, с использованием мембранных адсорберов:

1. Используется анионообменник (тип Q) и буфер, рН которого ниже изоэлектрической точки ионизации (pI) белка. В этом случае эндотоксин будет связываться с функциональными группами на мембране, в то время как белок будет проходить через мембрану.

2. Используется катионообменник (тип S) и буфер с рН ниже pI белка. Здесь эндотоксин будет проходить сквозь мембрану, а белок связываться на мембране, после чего он смывается соответствующим буфером.

Адсорберы обладают высокой динамикой связывания и химической стабильностью. Эти свойства мембранных адсорберов позволяют быстро и эффективно удалять нежелательные примеси (эндотоксины, ДНК, белки) из различных растворов. Высокая плотность, равномерное распределение и доступность функциональных групп делают процесс адсорбции во время движения жидкости через поры высокоэффективным.[6;10]

Наиболее современными и надежными, а также экономически выгодными, в настоящее время являются мембранные технологии очистки. Современные мембранные технологии включают четыре вида: микрофильтрацию, ультрафильтрацию, нанофильтрацию и гиперфильтрацию (обратный осмос). Мембраны этих видов отличаются размером пор и соответственно размером задерживаемых примесей.

В отличие от традиционных методов очистки (адсорбция на угле и ионообменных смолах, химическая обработка), требующих больших площадей, многошаговой технологии обработки, значительного количества эксплуатационного персонала, мембранные технологии имеют следующие преимущества:

1. Компактность оборудования (например, один модуль ультрафильтрации диаметром 250 мм и длиной 1700 мм имеет производительность от 2,5 до 7 м3/час);

2.  Простота наращивания мощностей ввиду модульной конструкции оборудования;

3.  Надежная барьерная фильтрация;

4.  Достаточно низкое энергопотребление;

5.  Возможность использования для растворов термолабильных и легкоокисляющихся веществ;

6. Минимальное использование химикатов;

7. Возможность полной автоматизации процессов обработки и контроля качества воды;

8. Бурно развивающаяся технология (появление новых механически и химически стойких мембран).

Для целей промышленной технологии парентеральных лекарственных форм наиболее актуальной и эффективной из мембранных технологий является ультрафильтрация. Ультрафильтрация – это баромембранный процесс, заключающийся в том, что жидкость «продавливается» через полупроницаемую перегородку. Этот метод позволяет получить воду для инъекций, соответствующую требованиям Фармакопеи США по содержанию эндотоксинов (0,25 EU/мл). Размер пор ультрафильтрационных мембран лежит в пределах от 5 нм до 0,05–0,1 мкм. Главное отличие мембранной фильтрации от обычного объемного фильтрования в том, что подавляющее большинство всех задерживаемых веществ накапливается на поверхности мембраны, образуя дополнительный фильтрующий слой осадка, который обладает своим сопротивлением.[2]

При ультрафильтрации удаляются практически все механические частицы, коллоиды, белки, микробиологические загрязнения, а также часть органических веществ с молекулярной массой 1 000 – 300 000 Да. Вследствие малых осмотических давлений высокомолекулярных соединений и относительно низкого гидравлического сопротивления мембранных модулей ультрафильтрацию проводят при сравнительно невысоких избыточных давлениях – 0,1–0,5 МПа.

Наряду с размером пор ультрафильтрационные мембраны также могут характеризоваться значением условной молекулярной массой частиц, которые не способны проникнуть сквозь мембрану. Обычно в установках водоподготовки используются ультрафильтрационные мембраны с границей отсечки по молекулярному весу задерживаемых компонентов (MWCO – Molecular Weight Cut - Off ) 80–150   кДа, которые обеспечивают надежный барьер для вирусов. Это примерно соответствует размеру пор около 0,02–0,03 мкм.[7]

Главным элементом установки ультрафильтрации является мембрана. От ее структуры зависит качество водоочистки, а от свойств материала – ее долговечность и эксплуатационные характеристики. Они могут изменяться с течением времени в процессе хранения.

Способность мембраны в установке ультрафильтрации к отделению растворенного вещества от растворителя называется селективностью. На данный параметр ультрафильтрации влияет:

- соотношение диаметра  пор и размера молекул;

- взаимодействие между  отфильтрованным веществом и  материалом мембраны.