DOI: https://doi.org/10.34172/ps.2024.2
تاريخ النشر: 2024-02-14
المؤلف: Aynaz Zarghampour وآخرون
الموضوع الرئيسي: ذوبانية الأدوية وأنظمة التوصيل
نظرة عامة
يوفر هذا القسم نظرة عامة على دراسة بحثية تقيم تقنيتين لتحديد ذوبانية الأدوية: طريقة زجاجة الاهتزاز ونهج يعتمد على مراقبة الليزر. يتم تقديم النتائج في شكل فيديو، مقسمة إلى ثلاثة أجزاء متميزة. يقدم الجزء الأول مقدمة عامة عن الذوبانية، بما في ذلك طرق القياس اليدوية والآلية. يتناول الجزء الثاني الإجراء المتبع في استخدام طريقة زجاجة الاهتزاز لتقييم ذوبانية الأدوية، بينما يشرح الجزء الثالث تشغيل الجهاز الآلي القائم على مراقبة الليزر المستخدم لنفس الغرض. تهدف هذه العرض المنظم إلى تعزيز فهم تقنيات قياس الذوبانية هذه.
مقدمة
في علوم الأدوية، تظل الذوبانية تحديًا كبيرًا في اكتشاف الأدوية وتطويرها، حيث يتم التخلي عن أكثر من نصف المركبات الجديدة التي تم تصنيعها بسبب انخفاض الذوبانية في الماء. يُفضل توصيل الأدوية عن طريق الفم لسهولة إدارتها وقبول المرضى؛ ومع ذلك، فإن انخفاض التوافر البيولوجي – الذي غالبًا ما ينشأ من ضعف الذوبانية والنفاذية – يمثل عقبة حاسمة. الذوبانية ضرورية للفعالية والسلامة الدوائية للأدوية، حيث تؤثر على آثارها البيولوجية وتركيبتها في الأشكال الفموية والحقن.
يميز هذا القسم بين الذوبانية الديناميكية الحرارية والذوبانية الحركية، حيث تمثل الذوبانية الديناميكية الحرارية تركيز التوازن لمركب في المحلول، بينما تشير الذوبانية الحركية إلى الحد الأقصى للتركيز قبل حدوث الترسيب. يتم استخدام اختبارات الذوبانية الحركية عالية الإنتاجية لقياس حدود الذوبانية في الوقت الفعلي من خلال مراقبة تكوين الرواسب. يتم مناقشة طرق مختلفة لتحديد الذوبانية، بما في ذلك التقنيات اليدوية (الحركية، الديناميكية الحرارية، وطرق القياس الجهدية) والنهج الاصطناعية التي تستخدم تقنيات متقدمة مثل المجاهر الفيديوية الجزيئية وطيفية الأشعة تحت الحمراء. الهدف الرئيسي من البحث هو توضيح تنفيذ طريقة زجاجة الاهتزاز، وهي نهج كلاسيكي، جنبًا إلى جنب مع تقنية مراقبة الليزر، كوسائل فعالة لتقييم الذوبانية.
طرق
في هذا القسم، يتم وصف طريقتين لدراسة الذوبانية: طريقة زجاجة الاهتزاز وتقنية مراقبة الليزر.
**الطريقة 1: طريقة زجاجة الاهتزاز** تتضمن تشبع مذيب أحادي أو مختلط بالمذاب المعني، تليها إعداد محلول مشبع لتحديد نقطة التشبع. تشمل العملية خلط كتل معينة من المذيبات، إضافة مذاب زائد، إغلاق الزجاجات، ووضعها في جهاز اهتزاز يتحكم في درجة الحرارة لفترة توازن محددة مسبقًا. بعد التوازن، يتم طرد المحاليل المشبعة أو تصفيتها، وتخفيفها بمزيج من الماء والإيثانول، وتحليلها باستخدام تقنيات مثل مطيافية الأشعة فوق البنفسجية، مطيافية الفلورية، أو HPLC. يتم إنشاء منحنى معايرة قبل التحليل لضمان قياسات دقيقة للتركيز.
**الطريقة 2: تقنية مراقبة الليزر** تستخدم نظامًا آليًا حيث يتم إدخال جزيئات الدواء الصلبة تدريجيًا في مزيج مذيب تحت مشبع حتى يتم الوصول إلى التشبع. تستخدم هذه الطريقة ليزر لمراقبة التغيرات في ذوبان جزيئات الدواء، مع الحصول على بيانات الذوبانية من خلال قياسات الوزن للمذاب المضاف. يسمح النظام الروبوتي بمعالجة سريعة، حيث تتراوح أوقات التجربة الكلية من 10-15 دقيقة، اعتمادًا على معدل الذوبان. يعمل الليزر ضمن نطاق طول موجي من 650 إلى 750 نانومتر، ويقلل الإعداد من مخاطر التبخر بينما يسهل استكشاف الذوبانية في أنواع مختلفة من المذيبات. يتم الإشارة إلى نقطة التشبع من خلال تفعيل ضوء أخضر، ويتم تحديد قيم الذوبانية من خلال وزن مسحوق المذاب أثناء التجربة.
النتائج
في هذا القسم، يتم تقديم نتائج قياسات الذوبانية باستخدام تقنيتين متميزتين – طريقة زجاجة الاهتزاز وطرق قائمة على الليزر. تم تحديد الذوبانية، التي تُعرف بأنها تركيز مذاب في مذيب، لمجموعة متنوعة من المذيبات الأحادية والمختلطة. في طريقة زجاجة الاهتزاز، تضمنت العملية تخفيف المزيجات المشبعة وقياس الامتصاص أو الانبعاث للمحلل، مع اشتقاق التركيزات من منحنى المعايرة. على العكس، قامت التقنية القائمة على الليزر بحساب تركيز المذاب من خلال وزن المسحوق الموزع في وعاء الذوبان، حيث يوفر الفرق في الكتلة قبل وبعد الذوبان البيانات اللازمة لحساب تركيز المذاب في حجم مذيب معروف.
تم إجراء التجارب عبر كتل مختلفة من المذيبات ودرجات الحرارة، مما أسفر عن ملفات تعريف الذوبانية التي تختلف بناءً على تركيبات المذاب والمذيب. تكشف النتائج، الموضحة في الشكل 3، عن اتجاهين عامين للذوبانية: أحدهما حيث تزداد الذوبانية مع تركيز المذيب المساعد والآخر حيث تصل الذوبانية إلى الحد الأقصى عند المزيجات المذيب المتوسطة. يمكن أن تُعزى هذه التغيرات إلى التفاعلات المختلفة بين المذاب والمذيبات، بينما تمارس درجة الحرارة عمومًا تأثيرًا إيجابيًا على قيم الذوبانية.
المناقشة
في هذا القسم المناقشي، يؤكد المؤلفون على الدور الحاسم للذوبانية في فعالية الأدوية المعطاة عن طريق الفم، مشيرين إلى أن حوالي 40% من الأدوية تواجه تحديات في الذوبانية المائية. تحسين الذوبانية أمر حيوي ليس فقط لتكوين الأدوية ولكن أيضًا لعمليات مثل إعادة التبلور وتطوير الطرق التحليلية. يتم تسليط الضوء على طريقة زجاجة الاهتزاز، وهي تقنية تقليدية للتذويب المساعد، لسهولتها وشعبيتها بين الباحثين؛ ومع ذلك، فإنها محدودة بتقلبات درجة الحرارة والأخطاء المحتملة في إعداد العينات والتخفيف، مما قد يؤدي إلى قياسات غير دقيقة للذوبانية.
لمعالجة هذه القيود، يقدم المؤلفون تقنية قائمة على الليزر كبديل مبتكر يعمل في بيئة محكومة، مما يقلل من المشكلات المتعلقة بدرجة الحرارة ويقضي على خطوات التخفيف، وبالتالي يقلل من الأخطاء الشخصية والأخطاء الآلية. على الرغم من مزاياها، قد تواجه طريقة الليزر تآكلًا ميكانيكيًا مع مرور الوقت. كما تؤكد المناقشة على أهمية التعددية الشكلية في قياسات الذوبانية، حيث يمكن أن تظهر الأشكال المتعددة سلوكيات ذوبانية متميزة. يُوصى باستخدام تقنيات مثل حيود الأشعة السينية (XRD) وحرارة المسح التفاضلي (DSC) لتوصيف الأشكال المتعددة، لضمان تقييمات دقيقة للذوبانية. بالإضافة إلى ذلك، يشير المؤلفون إلى أن تكوين المذيب يمكن أن يؤثر بشكل كبير على الذوبانية والخصائص ذات الصلة، مما يتطلب تصميم تجريبي دقيق لأخذ هذه التأثيرات في الاعتبار.
DOI: https://doi.org/10.34172/ps.2024.2
Publication Date: 2024-02-14
Author(s): Aynaz Zarghampour et al.
Primary Topic: Drug Solubulity and Delivery Systems
Overview
This section provides an overview of a research study that evaluates two techniques for determining drug solubility: the shake-flask method and a laser monitoring-based approach. The findings are presented in a video format, divided into three distinct parts. The first part offers a general introduction to solubility, including both manual and automated measurement methods. The second part details the procedure for employing the shake-flask method to assess drug solubility, while the third part explains the operation of the laser monitoring-based automatic device used for the same purpose. This structured presentation aims to enhance understanding of these solubility measurement techniques.
Introduction
In the pharmaceutical sciences, solubility remains a significant challenge in drug discovery and development, with over half of newly synthesized compounds being abandoned due to low aqueous solubility. Oral drug delivery is favored for its ease of administration and patient acceptance; however, low bioavailability—often stemming from poor solubility and permeability—poses a critical obstacle. Solubility is vital for the pharmacological efficacy and safety of drugs, influencing their biological effects and formulation in both oral and injectable forms.
The section distinguishes between thermodynamic and kinetic solubility, with thermodynamic solubility representing the equilibrium concentration of a compound in solution, while kinetic solubility refers to the maximum concentration just before precipitation occurs. High-throughput kinetic solubility assays are employed to measure solubility limits in real-time by monitoring precipitate formation. Various methods for solubility determination are discussed, including manual techniques (kinetic, thermodynamic, and potentiometric methods) and synthetic approaches that utilize advanced technologies such as Particle Video Microscopes and infrared spectroscopy. The primary objective of the research is to elucidate the implementation of the shake-flask method, a classical approach, alongside a laser monitoring technique, as effective means for solubility assessment.
Methods
In this section, two methods for studying solubility are described: the shake-flask method and a laser monitoring technique.
**Method 1: Shake-Flask Method** involves saturating a mono or mixed solvent with the solute of interest, followed by the preparation of an oversaturated solution to determine the saturation point. The process includes mixing specific mass fractions of solvents, adding excess solute, sealing the vials, and placing them in a temperature-controlled shaker for a predetermined equilibration period. After equilibration, the saturated solutions are centrifuged or filtered, diluted with a water-ethanol mixture, and analyzed using techniques such as UV-vis spectrophotometry, spectrofluorimetry, or HPLC. A calibration curve is established prior to analysis to ensure accurate concentration measurements.
**Method 2: Laser Monitoring Technique** employs an automated system where solid drug particles are gradually introduced into a sub-saturated solvent mixture until saturation is achieved. This method utilizes a laser to monitor changes in drug particle dissolution, with solubility data obtained through gravimetric measurements of the added drug. The robotic system allows for rapid processing, with total experiment times ranging from 10-15 minutes, depending on the dissolution rate. The laser operates within a wavelength range of 650 to 750 nm, and the setup minimizes evaporation risks while facilitating solubility probing in various solvent types. The saturation point is indicated by a green light activation, and solubility values are determined by weighing the solute powder during the experiment.
Results
In this section, the results of solubility measurements using two distinct techniques—shake-flask and laser-based methods—are presented. The solubility, defined as the concentration of a solute in a solvent, was determined for various mono- and mixed solvents. In the shake-flask method, the process involved diluting saturated mixtures and measuring the absorbance or emission of the analyte, with concentrations derived from a calibration curve. Conversely, the laser-based technique calculated solute concentration by weighing the dispensed powder in the dissolution vessel, with the mass difference before and after dissolution providing the necessary data to compute solute concentration in a known solvent volume.
The experiments were conducted across different mass fractions of solvents and temperatures, resulting in solubility profiles that varied based on the solute and solvent combinations. The findings, illustrated in Figure 3, reveal two general solubility trends: one where solubility increases with co-solvent concentration and another where solubility reaches a maximum at intermediate solvent mixtures. These variations can be attributed to the differing interactions between solutes and solvents, while temperature generally exerts a positive influence on solubility values.
Discussion
In this discussion section, the authors emphasize the critical role of solubility in the efficacy of orally administered drugs, noting that approximately 40% of drugs face aqueous solubility challenges. Enhancing solubility is vital not only for drug formulation but also for processes such as recrystallization and analytical method development. The shake-flask method, a traditional cosolvency technique, is highlighted for its simplicity and popularity among researchers; however, it is limited by temperature fluctuations and potential errors in sample preparation and dilution, which can lead to inaccurate solubility measurements.
To address these limitations, the authors introduce a laser-based technique as an innovative alternative that operates in a controlled environment, minimizing temperature-related issues and eliminating dilution steps, thereby reducing personal and instrumental errors. Despite its advantages, the laser method may face mechanical wear over time. The discussion also underscores the importance of polymorphism in solubility measurements, as different polymorphic forms can exhibit distinct solubility behaviors. Techniques such as X-ray diffraction (XRD) and differential scanning calorimetry (DSC) are recommended for characterizing polymorphs, ensuring accurate solubility assessments. Additionally, the authors note that solvate formation can significantly influence solubility and related properties, necessitating careful experimental design to account for these effects.