SA252_17-22 - Spectra Analyse

TECHNOLOGIE APPLIQUÉE
PASCAL CHALUS1,*, YVES ROGGO1, MICHEL ULMSCHNEIDER1
La spectroscopie Raman:
un outil pour répondre à
l’initiative « Process Analytical
Technology » (PAT) dans l’industrie
pharmaceutique
RÉSUMÉ
Expérience
p
« Process Analytical Technology » (PAT) est une initiative de la Food and Drug Administration (FDA)
qui vise à permettre une compréhension plus complète et une meilleure maîtrise d’un processus de
fabrication afin d’améliorer la qualité des produits pharmaceutiques. Cette démarche implique la mise
en œuvre d’outils d’analyse précis, robustes et rapides, comme par exemple la spectroscopie Raman.
Cette technique présente notamment l’avantage d’être non destructive et de permettre l’analyse de
produits sous différentes formes sans recourir à une étape de préparation d’échantillons pouvant se
révéler fastidieuse. Les résultats présentés dans cet article sont issus d’une étude ayant permis d’explorer
le potentiel de la spectroscopie Raman pour caractériser les excipients, les principes actifs et les produits
finis. Dans un premier temps, la détermination de la teneur en carbonate de calcium dans un excipient
a été réalisée par construction d’un modèle quantitatif grâce à une régression linéaire par la méthode
des moindres carrés (PLS). Dans un second temps, l’analyse des principes actifs purs a conduit à la
différentiation de polymorphes et la quantification de leur mélange. Enfin, le dosage de la teneur en
principe actif dans des comprimés pharmaceutiques à faibles dosages a été développé à partir des
spectres Raman du produit fini. Cette étude a mis en évidence une flexibilité et des performances
permettant de justifier l’utilisation de la spectroscopie Raman dans le cadre de l’initiative PAT de la FDA.
MOTS-CLÉS
Spectroscopie, Raman, produits pharmaceutiques, Process Analytical Technology (PAT), chimiométrie.
Raman spectroscopy : a tool for process analytical technology (PAT)
SUMMARY
The PAT initiative published by the Food and Drug Administration (FDA) is not only to obtain a better control of
pharmaceutical products all along the process but also to better understand their manufacturing process. It is
therefore necessary to have accurate, robust and fast analytical tools. As near infrared spectroscopy, which is by
now widely used in pharmaceutical environment, Raman spectroscopy is as well a non destructive tool.
The study has been done on different steps of the production of tablets, from the raw material to the end product.
The Raman spectroscopy demonstrated skills not only to qualify material and polymorphs but also to perform
quantitative analyses during the process and for the content uniformity analyses of the end tablets. It also showed
a good flexibility as the entire study has been conducted with a single probe head..
KEYWORDS
Spectroscopy, Raman, pharmaceutical, Process Analytical Technology (PAT), chemometrics.
* Pour correspondance
1
65/516, F. Hoffmann-La Roche Ltd., Grenzacherstrasse, Bâle, Suisse - Tél.: +41 (0)61 68 86 502 - Fax: +41 (0)61 68 87 408 – E-Mail : [email protected]
SPECTRA ANALYSE n° 252 • Novembre 2006
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TECHNOLOGIE APPLIQUÉE
I - Introduction
L’industrie pharmaceutique vit actuellement un
profond changement en ce qui concerne le contrôle des procédés de fabrication des produits. En
effet, depuis la publication par la FDA de l’initiative Process Analytical Technology (PAT) (1), le
suivi et la maîtrise de chaque étape de la production d’un médicament constitue maintenant un
objectif essentiel. La spectroscopie proche infrarouge, facilement délocalisable, ne nécessitant pas
de préparation d’échantillon, est apparue de façon
logique comme la solution idoine pour répondre
à cette directive (2-4). Toutefois, cette technique
se trouve limitée par le fait qu’elle nécessite le recours à des calibrations parfois complexes ainsi
qu’à des méthodes de référence afin d’extraire
l’information recherchée et apprécier les valeurs
obtenues. D’autres technologies ont évolué et se
sont adaptées aux contraintes inhérentes à la PAT,
elles constituent des alternatives à ne pas négliger
lorsque les conditions de productions font que la
spectroscopie proche infrarouge ne permet pas
d’obtenir toutes les informations utiles sur le procédé étudié. Ainsi la spectroscopie Raman permet
également des mesures sans préparation d’échantillons. Elle peut être utilisé à la fois comme une
méthode directe ou dans le cadre d’études chimiométriques afin de construire des modèles prédisant les propriétés étudiées (5). Elle permet des
déterminations de polymorphes (6), des suivis de
mélanges (7, 8) et l’analyse des produits finis (9,
10).
Dans cette étude nous verrons comment plusieurs
étapes de la production d’une forme galénique
solide peuvent être suivies et contrôlées par spectroscopie Raman.
II - Matériel et méthodes
1. Spectroscopie Raman
1.1- Principe
Lorsque la lumière est réfléchie par une molécule
la plupart des photons sont réfléchis de façon élastique. Ces photons conservent la même énergie et
par conséquent la même longueur d’onde que les
Figure 1
Principe de la
spectroscopie
Raman.
18
SPECTRA ANALYSE n° 252 • Novembre 2006
photons incidents. Cependant une faible part de
la lumière (environ un photon pour 107 photons
incidents) est réfléchie à une énergie différente,
le plus souvent plus faible, que celle des photons
incidents. Le phénomène lié à cette réflexion nonélastique de la lumière est appelé l’effet Raman. La
réflexion Raman se produit avec un changement
de niveau d’énergie vibrationnel, rotationnel ou
même électronique de la molécule. La différence
d’énergie entre le photon incident et le photon réfléchi correspond à l’énergie de vibration de la molécule réfléchissante (figure 1). Lorsque l’énergie
du photon réfléchi est inférieure à celle du photon
incident le phénomène est appelé effet Stokes. A
l’inverse et plus rarement si l’énergie du photon
renvoyé est plus élevée on parle alors d’effet antiStokes. Le tracé des intensités de la lumière réfléchie en fonction de la différence d’énergie constitue un spectre Raman.
2.2 - Appareillage
Le spectromètre utilisé pour l’ensemble des mesures est un appareil RamanRxn1™ de la société Kaiser
Optical Systems (Ann Arbor, États-Unis) équipé
de la sonde PhAT™. Cette sonde permet des mesures rapides et non destructives des formes solides.
Le laser illumine l’échantillon sur un diamètre de
3 à 6 mm ; son faisceau parallèle lui confère une
zone de profondeur de champ de taille importante.
Cette particularité permet de contourner de façon
élégante les problèmes de focalisations souvent
rencontrés en spectroscopie Raman classique. La
source laser présente une longueur d’onde de 785
nm, son intensité est ajustable par l’opérateur entre 200 mW et 400 mW. L’acquisition des spectres
Raman est réalisée entre 100 et 1900 cm-1 en terme
de déplacements avec une résolution spectrale de
0,3 cm-1. Cette zone correspond à la zone spectrale
appelée « empreinte digitale des produits ».
L’acquisition des spectres et le pilotage du spectromètre sont effectués avec un logiciel spécifique de la société Kaiser Optical Systems appelé Holograms®. En revanche le prétraitement
et le traitement des données ont été calculés
avec le logiciel The Unscrambler® de la société
Camo (Oslo, Norvège). Ce logiciel a également
été employé pour l’analyse des données spectroscopiques par des méthodes multivariées,
analyse en composante principale (ACP) (11)
et PLS (12).
2. Echantillons : les poudres
Trois types de poudres différentes ont été étudiés
au cours de cette étude avec pour chacun un objectif particulier spécifique.
• Premièrement, des excipients ont été utilisés
pour développer un test de qualité qui permettrait
de déterminer et d’expliquer les différences constatées pour les produits finis en fonction des origines des matières premières. Ainsi, plusieurs lots de
différents fournisseurs ont fait l’objet d’analyses.
• Deuxièmement le silicate de calcium utilisé
Technologie appliquée
La spectroscopie Raman: un outil pour répondre à l’initiative
« Process Analytical Technology » (PAT) dans l’industrie pharmaceutique
comme excipient possède la propriété de se transformer lors du stockage en carbonate de calcium
qui est non désiré dans la formulation finale des
médicaments. Une gamme d’échantillons de silicate de calcium additionné de carbonate de calcium a été construite. Cette gamme étalon est
produite par pesée des différents composés purs.
Les concentrations utilisées sont 1,8 ; 2,3 ; 3 ; 4 ; 5
et 6,5 % en carbonate de calcium dans le silicate de
calcium. Les concentrations sont volontairement
faibles de manière à rester dans la zone des concentrations observées après stockage.
•Troisièmement la forme cristalline sous laquelle
est présent le principe actif (PA) est très importante en ce qui concerne la posologie et la stabilité
du médicament. C’est pourquoi il est nécessaire de
bien maîtriser le ratio entre les différentes formes
d’un PA. La quantification de deux polymorphes
d’un principe actif réduit sous forme de poudre
a été réalisée. Les deux formes cristallines pures
sont broyées ensemble dans les quantités requises
pendant dix minutes dans un mortier afin de bien
homogénéiser le mélange.
Figure 2
Spectre moyen d’un même excipient de deux fournisseurs différents.
3. Les comprimés
Les comprimés utilisés sont issus d’une formulation commerciale. Celle-ci est modifiée afin d’obtenir des échantillons s’étalant sur une gamme de
concentration allant de 4,2 à 7,4 mg par comprimés, ce qui représente une moyenne de 3 % en
masse de principe actif par rapport à la masse du
comprimé. La gamme s’étend ainsi sur une fourchette de 70 à 130 % de la valeur nominale en principe actif par pas de 10 %. Chaque concentration
est représentée par 10 comprimés, 5 échantillons
de 3 lots de production régulière sont ajoutés pour
la construction du modèle.
III - Résultats
1. Les poudres
• La discrimination de deux fournisseurs d’un
même excipient a été possible par l’obtention et la
comparaison des spectres Raman de leurs produits
respectifs. En effet, pour un déplacement Raman
d’environ 997 cm-1 le spectre donné par un produit
d’origine A présente un pic supplémentaire par
rapport à l’excipient d’origine B comme on peut
le voir sur la Figure 2. L’utilisation de ces deux excipients dans une même formulation entraîne une
différence dans les propriétés de dissolution du
produit final. La spectroscopie Raman permet ainsi la vérification de la qualité des excipients utilisés
afin de permettre un meilleur contrôle du procédé
de production, par ce biais elle s’inscrit totalement
dans les objectifs de la directive PAT.
• Le silicate de calcium se dégrade en carbonate de
calcium lors du stockage. Lorsque le taux de carbonate devient trop élevé les médicaments produits ne rentrent plus dans les spécificités. La dé-
Figure 3
Spectre moyen du silicate de calcium pur et avec 10 % de carbonate de calcium.
Figure 4
Droite de régression des teneurs en carbonate de calcium dans une matrice de silicate
de calcium.
SPECTRA ANALYSE n° 252 • Novembre 2006
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TECHNOLOGIE APPLIQUÉE
Figure 5
Spectre Raman
des deux formes
polymorphiques.
Figure 6
Droite de régression des teneurs en polymorphe A.
termination de la teneur en carbonate doit donc se
faire immédiatement avant l’utilisation du produit.
Elle doit être rapide et non-destructive. Ainsi la
spectroscopie semble la plus adéquate, cependant
les spectroscopies vibrationnelles telles que l’IR ou
le proche IR ne sont pas suffisamment sensibles à
ce produit non organique pour permettre la détermination du mélange. En spectroscopie Raman
le carbonate de calcium présente quatre pics fins
absents du spectre du silicate de calcium (figure
3). La construction d’une gamme d’échantillons
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SPECTRA ANALYSE n° 252 • Novembre 2006
artificiels à teneur connu de mélange a permis
notamment grâce au pic spécifique du carbonate
de calcium à 1085 cm-1 d’établir un modèle par le
biais d’une régression PLS. La régression obtenue
se caractérise par un coefficient de corrélation de
0,98 et une erreur standard de prédiction (SEP) de
0,31 % (figure 4). La détermination de la teneur en
carbonate de calcium dans une matrice de silicate
de calcium est donc possible de manière rapide et
non-destructive à l’aide de la spectroscopie Raman.
• La forme cristalline sous laquelle se présente un
principe actif est un paramètre critique pour l’assimilation et l’efficacité d’un médicament. La vérification de la présence de la bonne forme cristalline
doit être faite juste avant la mise en œuvre de la
production. On utilise classiquement les rayons
X pour ce type de détermination cela nécessite
cependant une préparation de l’échantillon et un
temps de mesure non négligeable. Dans le cas
étudié, le principe actif présente un épaulement
différent entre 300 et 350 cm-1 en fonction du polymorphe considéré (figure 5). Pour la calibration,
les spectres ont été dérivés selon l’algorithme de
Savitzky-Golay (dérivée première, polynôme du
second ordre) avec un intervalle de lissage de 10
points. Le nombre d’échantillons de compositions
connues étant faible la modélisation est réalisée
par utilisation d’une validation croisée complète.
Le coefficient de corrélation de la calibration est
supérieur à 0,999 et l’erreur standard de calibration (SEC) inférieure à 0,53 %. ces bons résultats
ont été confirmés par les valeurs de la validation
avec un coefficient de corrélation de 0,996 et une
SEP de 1,2 % comme le présente la Figure 6.
Technologie appliquée
La spectroscopie Raman: un outil pour répondre à l’initiative
« Process Analytical Technology » (PAT) dans l’industrie pharmaceutique
Figure 7
x 104
Spectres Raman du
placebo (bleu) et
d’un comprimé de la
production (rouge).
5.5
Bandes Raman utilisées
5
Intensité
4.5
4
3.5
3
2.5
2
0
200
400
600
800
1000
1200
Déplacement Raman cm-1
1400
1600
1800
2000
Figure 8
Dérivée première des bandes Raman du principe actif.
2. Les comprimés
Par simple comparaison des spectres du placebo et
des comprimés issus de la production possédant
3 % de teneur en principe actif, il a été possible de
définir deux zones spectrales intéressantes pour la
détermination en principe actif dans ce produit à
faible dosage (figure 7). La Figure 8 présente ces
deux zones après prétraitement des spectres, à
savoir application d’une dérivation Savitzky-Golay du premier ordre avec un filtre de lissage de
10 points. Seules les parties des spectres entre 100
et 300 cm-1 ainsi qu’entre 1510 et 1900 cm-1 composent les données lors du calcul de la régression
PLS. Le coefficient de corrélation pour la calibration est de 0,99 et de 0,984 pour la validation. La
SEP est 0,176 mg par comprimé (figure 9 voir page
suivante). La détermination de teneur en principe
actif dans des comprimés à faibles dosages apparaît donc possible par spectroscopie Raman notamment grâce à l’absence de bandes du placebo
dans les zones de réponse du principe actif.
IV - Conclusion
La spectroscopie Raman est non-destructive, elle
permet dans les conditions considérées de faire des
mesures sur des poudres ou des solides en quelques secondes, le temps d’exposition devant être
soigneusement ajusté de manière à s’affranchir au
maximum de la fluorescence qui peut intervenir.
SPECTRA ANALYSE n° 252 • Novembre 2006
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TECHNOLOGIE APPLIQUÉE
Figure 9
Droite de régression
des teneurs en
principe actif.
Cette mesure est représentative de l’échantillon
du fait de la taille du spot illuminé qui peut atteindre 6 mm de diamètre. Elle permet la discrimination entre excipients de différentes qualités, mais aussi d’assurer la présence de la bonne
forme polymorphique d’un principe actif. Cette
méthode autorise l’évaluation de la teneur dans
les poudres et les mélanges. La possibilité d’une
interprétation directe des bandes observées en
fait un outil de mesure direct pour certaines applications, c’est-à-dire qu’il n’est pas nécessaire de
faire appel à des méthodes chimiométriques pour
exploiter les résultats obtenus. Elle peut être envisagée dans chaque cas où des modifications chimiques ou physico-chimiques interviennent dans
les composés considérés.
Les possibilités de contrôle et de maîtrise du procédé, des matières premières aux produits finaux,
font de la spectroscopie Raman un outil qui s’inscrit parfaitement en réponse à la philosophie de la
directive PAT. Le développement de ces technologies ne vise pas un contrôle final de la qualité de la
production, mais une construction de cette qualité
tout au long de la mise en œuvre des produits.
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