藥品凍干損傷和保護機理
藥品冷凍干燥是一個多步驟過程,會產(chǎn)生多種應(yīng)力使藥品變性,如低溫應(yīng)力、凍結(jié)應(yīng)力和干燥應(yīng)力。其中凍結(jié)應(yīng)力又可分為枝狀冰晶的形成,離子濃度的增加,PH值的改變和相分離等情況。
因此,為了保護藥品的活性,通常在藥品配方中添加活性物質(zhì)的保護劑。它需要具備四個特性:玻璃化轉(zhuǎn)變溫度高、吸水性差、結(jié)晶率低和不含還原基。
常用的保護劑有如下幾類物質(zhì):
a)糖類/多元醇:蔗糖、海藻糖、甘露醇、乳糖、葡萄糖、麥芽糖等;
b)聚合物:HES、PVP、PEG、葡聚糖、白蛋白等;
c)無水溶劑:乙烯乙二醇、甘油、DMSO、DMF等;
d)表面活性劑:Tween 80等;
e)氨基酸:L-絲氨酸、谷氨酸鈉、丙氨酸、甘氨酸、肌氨酸等;
f)鹽和胺:磷酸鹽、醋酸鹽、檸檬酸鹽等;
由于冷凍干燥過程存在多種應(yīng)力損傷,因此保護劑保護藥品活性的機理也是不同的,可以分為低溫保護和凍干保護。
對于低溫保護,目前被廣為接受的液體狀態(tài)下蛋白質(zhì)穩(wěn)定的機理之一是優(yōu)先作用原理。優(yōu)先作用是指蛋白質(zhì)優(yōu)先與水或水溶液中的保護劑作用。在有起穩(wěn)定作用的保護劑存在的條件下,蛋白質(zhì)優(yōu)先與水作用(優(yōu)先水合),而保護劑優(yōu)先被排斥在蛋白質(zhì)區(qū)域外(優(yōu)先排斥)。在這種情況下,蛋白質(zhì)表面就比其內(nèi)部有較多的水分子和較少的保護劑分子。優(yōu)先作用原理同樣適用于冷凍-融解過程。蛋白質(zhì)保護劑,在溶液中被從蛋白質(zhì)表面排斥,在凍結(jié)過程中能夠穩(wěn)定蛋白質(zhì)。但是優(yōu)先作用機理不能*解釋用聚合物或蛋白質(zhì)自身在高濃度時保護蛋白質(zhì)的現(xiàn)象。
在凍干過程中,由于蛋白質(zhì)的水合層被除去,優(yōu)先作用機理不再適用。對于凍干保護機理,仍在研究探討之中,目前主要有兩種:
a)水替代假說。許多研究者認(rèn)為由于蛋白質(zhì)分子中存在大量氫鍵,結(jié)合水通過氫鍵與蛋白質(zhì)分子聯(lián)結(jié)。當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)在冷凍干燥過程中失去水分后,保護劑的羥基能替代蛋白質(zhì)表面的水的羥基,使蛋白質(zhì)表面形成一層假定的水化膜,這樣可保護氫鍵的聯(lián)結(jié)位置不直接暴露在周圍環(huán)境中,穩(wěn)定蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu),防止蛋白質(zhì)因凍干而變性,使其即使在低溫冷凍和干燥失水的情況下,仍保持蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的完整性。
b)玻璃態(tài)假說。研究者認(rèn)為在含保護劑溶液的干燥過程中,當(dāng)濃度足夠大且保護劑的結(jié)晶不會發(fā)生時,保護劑-水混合物就會玻璃化。研究發(fā)現(xiàn)在玻璃態(tài)下,物質(zhì)兼有固體和流體的行為,粘度*,不容易形成結(jié)晶,且分子擴散系數(shù)很低,因而具有粘性的保護劑包圍在蛋白質(zhì)分子的周圍,形成一種在結(jié)構(gòu)上與玻璃狀的冰相似的碳水化合物玻璃體,使大分子物質(zhì)的鏈鍛運動受阻,阻止蛋白質(zhì)的伸展和沉淀,維持蛋白質(zhì)分子三維結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定,從而起到保護作用。
目前大部分學(xué)者贊同"水替代假說",因為可以通過實驗檢測到蛋白質(zhì)和保護劑之間的氫鍵,為理論提供證據(jù)。事實上,無論是"水替代假說"還是"玻璃態(tài)假說",它們的基礎(chǔ)都是基于藥液實現(xiàn)了部分或全部玻璃化凍結(jié)。
博醫(yī)康經(jīng)典中試凍干機(冷凍干燥機)Pilot5-8T