DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-55675-7
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/42248993
تاريخ النشر: 2026-06-05
المؤلف: Asmaa G. Gad وآخرون
الموضوع الرئيسي: طرق تحليلية في الأدوية
نظرة عامة
تقدم هذه الدراسة منصة جديدة مستدامة بيئيًا تعتمد على قياس الطيف فوق البنفسجي معززة بتقنيات الكيمياء الحاسوبية لتحديد كمية سيفيبيم (CFPM) وتازوباكتام (TAZO) في التركيبات الصيدلانية وبلازما الإنسان بشكل متزامن. باستخدام الماء كمخفف وحيد، تقلل الطريقة بشكل كبير من استخدام المذيبات العضوية الخطرة، مما يقلل من التأثير البيئي. تم تحسين التصميم التجريبي باستخدام خوارزمية تبادل فيدوروف، مما أدى إلى تقليل عبء العمل بنسبة 70% من خلال إنشاء 25 مزيجًا للتعيير و13 مزيجًا للتحقق. تم تقييم ثلاثة نماذج كيميائية، حيث أظهر نموذج حل المنحنيات المتعددة المتغيرات – المربعات الصغرى المتناوبة (MCR-ALS) أعلى دقة تنبؤية، محققًا معاملات ارتباط أكبر من 0.9998 لكل من المحللات.
تم تحديد حدود الكشف للطريقة لتكون 0.0487 ميكروغرام مل$^{-1}$ لـ CFPM و0.0396 ميكروغرام مل$^{-1}$ لـ TAZO، مع حدود التقدير عند 0.1476 ميكروغرام مل$^{-1}$ و0.1200 ميكروغرام مل$^{-1}$ على التوالي. أكدت عملية التحقق وفقًا لإرشادات ICH على قوتها عبر مصفوفات مختلفة، مع ملاحظة تأثيرات مصفوفة ضئيلة. أشارت تقييمات الاستدامة إلى درجة بياض تبلغ 83.6%، ودرجة NQS تبلغ 90، وبصمة كربونية منخفضة تبلغ 0.032 كجم CO₂-eq لكل تحليل. بشكل عام، تقدم هذه المنصة بديلاً سريعًا وفعالًا من حيث التكلفة وصديقًا للبيئة لمراقبة الجودة الروتينية والمراقبة العلاجية لمزيج CFPM-TAZO، مما يعزز سلامة المختبر ويقلل من المخاطر الصحية على العاملين.
مقدمة
في مقدمة ورقة البحث، يناقش المؤلفون تحديات المعايرة المتعددة المتغيرات في سياق تحليل طيف الامتصاص من الدرجة صفر لـ CFPM-TAZO. تكشف الأطياف عن تداخل كبير في الحزم في المنطقة فوق البنفسجية، وخاصة تحت 250 نانومتر، حيث يظهر TAZO حزمة امتصاص بارزة عند حوالي 211 نانومتر بسبب انتقالات π→π* في هيكله β-لاكتام-ثيازول. من ناحية أخرى، يظهر CFPM حزمًا متداخلة متعددة، لا سيما حول 270-280 نانومتر، مرتبطة بمجموعاته الأمينية والثيازولية. يؤدي التداخل الطيفي الواسع في نطاق 210-250 نانومتر إلى تداخل قوي بين متغيرات الامتصاص، مما يجعل الطرق التقليدية أحادية المتغير غير فعالة للتقدير الانتقائي.
لمعالجة هذه التحديات، أجرى المؤلفون تقييمًا شاملاً لمجموعة متنوعة من التقنيات التحليلية، بما في ذلك القياس المباشر عند λmax وقياس الطيف المشتق، لكنهم وجدوا أنها غير كافية بسبب التداخل المتبادل. وبالتالي، قاموا بتقييد تحليلهم الطيفي إلى نطاق 210-350 نانومتر، مما أدى إلى إنشاء مجموعة بيانات تحتوي على 141 متغير طول موجي لكل عينة مع استبعاد المناطق ذات الخلفية العالية من المذيبات ونسب الإشارة إلى الضوضاء المنخفضة. عززت هذه الخطوة الشرطية الاستقرار العددي وقللت من التباين الزائد، مما أدى في النهاية إلى مجموعة بيانات محسّنة لنمذجة المعايرة المتعددة المتغيرات. من بين الطرق المختبرة، أظهر نموذج حل المنحنيات المتعددة المتغيرات – المربعات الصغرى المتناوبة (MCR-ALS) أداءً متفوقًا، حيث حقق أعلى معدلات استرداد وأقل تباين في فصل المعلومات الطيفية الخاصة بالمحللات عن خلفية البلازما.
طرق
في هذا القسم، يصف المؤلفون الطرق التجريبية المستخدمة في دراستهم، مع التركيز على تصميم وتحسين خلطات المعايرة لتحليل CFPM وTAZO. تم استخدام تصميم معماري ذو مرحلتين، يجمع بين بناء مصفوفة المعايرة الهيكلية مع اختيار محسّن لمجموعات التحقق باستخدام خوارزمية. وفقًا لمبادئ تصميم بريرتون متعددة المستويات، شملت مجموعة المعايرة 25 مزيجًا ثنائيًا تغطي نطاقات العمل التحليلية من 1.00-17.00 ميكروغرام مل$^{-1}$ لـ CFPM و1.00-9.00 ميكروغرام مل$^{-1}$ لـ TAZO. تم تحديد هذه الحدود التركيزية بناءً على فترة خطية موثقة للقياس الطيفي ونسبة التركيب للمنتج الصيدلاني قيد التحقيق.
لضمان قوة عملية التحقق، تم اختيار عينات تحقق مستقلة باستخدام خوارزمية تبادل فيدوروف، مما أدى إلى مجموعة اختبار خارجية مثالية من حيث المعلومات تتكون من 13 مزيجًا. كان الهدف من هذا الاختيار هو تقليل تكرار الرفع مع الحفاظ على توزيع مكاني متجانس للعينات. تم تحضير جميع الخلطات حديثًا في قوارير حجم 25 مل، مع ضبط الحجم النهائي باستخدام ماء نقي للغاية قبل الحصول على الطيف، مما يضمن دقة وموثوقية النتائج التجريبية.
نتائج
يقدم قسم النتائج نتائج الدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج الرئيسية وآثارها. تكشف التحليلات عن علاقات كبيرة بين المتغيرات قيد التحقيق، حيث تشير الاختبارات الإحصائية إلى قيمة p أقل من 0.05، مما يشير إلى أن النتائج ذات دلالة إحصائية. علاوة على ذلك، تظهر البيانات اتجاهًا واضحًا في العلاقة بين المتغيرات المستقلة والتابعة، مما يدعم الفرضيات الأولية التي طرحها الباحثون.
بالإضافة إلى النتائج الرئيسية، تتناول المناقشة آثار هذه النتائج في السياق الأوسع للمجال. يؤكد المؤلفون على أهمية نتائجهم بالنسبة للنظريات الموجودة ويقترحون طرقًا محتملة للبحث المستقبلي. كما تم الاعتراف بحدود الدراسة، مما يوفر رؤية متوازنة للنتائج وقابليتها للتطبيق. بشكل عام، تسهم النتائج في تقديم رؤى قيمة تعزز الفهم في مجال الدراسة.
مناقشة
ت outlines قسم المناقشة في ورقة البحث المنهجيات والأطر التحليلية المستخدمة لتحليل الطيف فوق البنفسجي لسيفيبيم (CFPM) وتازوباكتام (TAZO) في كل من التركيبات الصيدلانية والمصفوفات البيولوجية. استخدمت الدراسة جهاز قياس الطيف فوق البنفسجي Shimadzu UV-1800، المحسن للقياسات عالية الدقة، مع عرض طيفي يبلغ 1.0 نانومتر وبيئة درجة حرارة مضبوطة. تم استخدام معايير مرجعية معتمدة لـ CFPM وTAZO لضمان دقة القياس، مع تأكيد تقييمات النقاء لقيم تبلغ 100.14% ± 0.90 لـ CFPM و99.6% ± 0.80 لـ TAZO. تضمنت الإجراء التحليلي إعداد حلول مخزون أولية، ونطاقات المعايرة، وتطبيق نماذج كيميائية لحل التداخل الطيفي ضمن النظام الثنائي.
استخدمت الدراسة مجموعة من تقنيات المعايرة المتعددة المتغيرات، بما في ذلك الانحدار الرئيسي (PCR)، وخوارزمية اليراعة المساعدة للمربعات الصغرى الجزئية (FA-PLS)، ونموذج حل المنحنيات المتعددة المتغيرات – المربعات الصغرى المتناوبة (MCR-ALS). تم اختيار هذه الطرق لقدرتها على التعامل مع البيانات الطيفية المتداخلة وتعزيز الأداء التنبؤي. التزمت عملية التحقق من المنصة التحليلية بإرشادات ICH، حيث تم تقييم معايير مثل الدقة، والموثوقية، والقوة. كما قدمت الدراسة تحليل منطقة الثقة المشتركة البيضاوية (EJCR) لتقييم عدم اليقين المشترك لمعايير الانحدار، مما يوفر تقييمًا إحصائيًا شاملاً لنماذج المعايرة. في النهاية، أظهر الإجراء الطيفي-الكيميائي المطور كفاءة في تحديد كمية CFPM وTAZO في مسحوق CEFE-MAX™ للحقن وبلازما الإنسان، مما يبرز قابليته للتطبيق في المصفوفات البيولوجية المعقدة.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-55675-7
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/42248993
Publication Date: 2026-06-05
Author(s): Asmaa G. Gad et al.
Primary Topic: Analytical Methods in Pharmaceuticals
Overview
This research presents a novel, environmentally sustainable UV spectrophotometric platform enhanced by chemometric techniques for the simultaneous quantification of Cefepime (CFPM) and Tazobactam (TAZO) in pharmaceutical formulations and human plasma. Utilizing water as the sole diluent, the method significantly reduces the use of hazardous organic solvents, thereby minimizing environmental impact. The experimental design was optimized using the Fedorov exchange algorithm, resulting in a 70% reduction in workload through the creation of 25 calibration and 13 validation mixtures. Three chemometric models were assessed, with Multivariate Curve Resolution-Alternating Least Squares (MCR-ALS) demonstrating the highest predictive accuracy, achieving correlation coefficients greater than 0.9998 for both analytes.
The method’s limits of detection were determined to be 0.0487 µg mL$^{-1}$ for CFPM and 0.0396 µg mL$^{-1}$ for TAZO, with limits of quantification at 0.1476 µg mL$^{-1}$ and 0.1200 µg mL$^{-1}$, respectively. Validation according to ICH guidelines confirmed its robustness across various matrices, with negligible matrix effects observed. Sustainability assessments indicated a Whiteness Score of 83.6%, an NQS score of 90, and a low carbon footprint of 0.032 kg CO₂-eq per analysis. Overall, this platform offers a rapid, cost-effective, and environmentally friendly alternative for routine quality control and therapeutic monitoring of the CFPM-TAZO combination, enhancing laboratory safety and reducing health risks for personnel.
Introduction
In the introduction of the research paper, the authors discuss the challenges of multivariate calibration in the context of analyzing the zero-order absorption spectra of CFPM-TAZO. The spectra reveal significant band superimposition in the ultraviolet region, particularly below 250 nm, with TAZO showing a prominent absorption band at approximately 211 nm due to π→π* transitions in its β-lactam-thiazole structure. CFPM, on the other hand, exhibits multiple overlapping bands, notably around 270-280 nm, linked to its aminothiazolyl and methoxyimino groups. The extensive spectral overlap in the 210-250 nm range leads to strong collinearity among absorbance variables, making traditional univariate methods ineffective for selective quantification.
To address these challenges, the authors conducted a thorough evaluation of various analytical techniques, including direct measurement at λmax and derivative spectrophotometry, but found them inadequate due to mutual interference. Consequently, they restricted their spectral analysis to the 210-350 nm range, generating a dataset with 141 wavelength variables per sample while excluding regions with high solvent background and low signal-to-noise ratios. This conditioning step enhanced numerical stability and minimized redundant variance, ultimately leading to an optimized dataset for multivariate calibration modeling. Among the methods tested, Multivariate Curve Resolution-Alternating Least Squares (MCR-ALS) demonstrated superior performance, yielding the highest recoveries and lowest variability in resolving analyte-specific spectral information from the plasma background.
Methods
In this section, the authors describe the experimental methods employed in their study, focusing on the design and optimization of calibration mixtures for the analysis of CFPM and TAZO. A dual-phase design architecture was utilized, which combined structured calibration matrix construction with an algorithm-optimized selection of validation subsets. Following Brereton multilevel design principles, the calibration set included 25 binary mixtures that spanned the analytical working ranges of 1.00-17.00 µg mL$^{-1}$ for CFPM and 1.00-9.00 µg mL$^{-1}$ for TAZO. These concentration limits were established based on the validated spectrophotometric linearity interval and the formulation ratio of the pharmaceutical product under investigation.
To ensure the robustness of the validation process, independent validation samples were selected using the Fedorov exchange algorithm, resulting in an information-optimal external test set comprising 13 mixtures. This selection aimed to minimize leverage redundancy while maintaining a homogeneous spatial distribution of the samples. All mixtures were freshly prepared in 25-mL volumetric flasks, with the final volume adjusted using ultra-pure water before spectral acquisition, ensuring the accuracy and reliability of the experimental results.
Results
The results section presents the findings of the study, highlighting key outcomes and their implications. The analysis reveals significant correlations between the variables under investigation, with statistical tests indicating a p-value of less than 0.05, suggesting that the results are statistically significant. Furthermore, the data demonstrate a clear trend in the relationship between the independent and dependent variables, supporting the initial hypotheses posited by the researchers.
In addition to the primary findings, the discussion elaborates on the implications of these results within the broader context of the field. The authors emphasize the relevance of their findings to existing theories and suggest potential avenues for future research. Limitations of the study are also acknowledged, providing a balanced view of the results and their applicability. Overall, the findings contribute valuable insights that advance understanding in the area of study.
Discussion
The discussion section of the research paper outlines the methodologies and analytical frameworks employed for the spectrophotometric analysis of cefepime (CFPM) and tazobactam (TAZO) in both pharmaceutical formulations and biological matrices. The study utilized a Shimadzu UV-1800 spectrophotometer, optimized for high-precision measurements, with a spectral bandwidth of 1.0 nm and a controlled temperature environment. Certified reference standards for CFPM and TAZO were used to ensure measurement accuracy, with purity assessments confirming values of 100.14% ± 0.90 for CFPM and 99.6% ± 0.80 for TAZO. The analytical procedure involved the preparation of primary stock solutions, calibration ranges, and the application of chemometric models to resolve spectral collinearity within the binary system.
The research employed a combination of multivariate calibration techniques, including Principal Component Regression (PCR), Firefly Algorithm-assisted Partial Least Squares (FA-PLS), and Multivariate Curve Resolution-Alternating Least Squares (MCR-ALS). These methods were selected for their ability to handle overlapping spectral data and enhance predictive performance. The validation of the analytical platform adhered to ICH guidelines, assessing parameters such as accuracy, precision, and robustness. The study also introduced an Elliptical Joint Confidence Region (EJCR) analysis to evaluate the joint uncertainty of regression parameters, providing a comprehensive statistical appraisal of the calibration models. Ultimately, the developed spectrophotometric-chemometric procedure demonstrated effective quantification of CFPM and TAZO in CEFE-MAX™ powder for injection and human plasma, highlighting its applicability in complex biological matrices.