Raman-Spektroskopie bei der Liposomen-Diafiltration

Die pharmazeutische Industrie setzt häufig auf die Verkapselung aktiver Arzneistoffe (APIs) in liposomalen Systemen, um deren Stabilität, Bioverfügbarkeit und kontrollierte Freisetzung zu verbessern. Ein entscheidender Schritt in diesem Prozess ist die Diafiltration, bei der unerwünschte Verbindungen nach der Liposomenbildung entfernt werden, darunter organische Lösungsmittel wie Ethanol, das zur Lösung der liposomalen Lipid-Doppelschicht verwendet wird. Die präzise Quantifizierung von Restethanol mittels Raman-Spektroskopie-basierten Analysatoren ist wesentlich, um die Produktqualität sicherzustellen, regulatorische Anforderungen zu erfüllen und Prozesszeit sowie -ressourcen zu optimieren.

Die Raman-Spektroskopie ist eine vibrationale Technik, die auf der unelastischen Streuung von Laserlicht beruht. Sie ist hochspezifisch für jede Molekülstruktur und ideal zur Identifikation und Quantifizierung chemischer Komponenten, selbst in komplexen Matrizen. Das Visum Raman In‑Line™-System von IRIS Technology Solutions ermöglicht den direkten Einsatz der Raman-Spektroskopie in industriellen oder laborbasierten Umgebungen dank kompaktem, robustem und anpassungsfähigem Design. Es eliminiert die Notwendigkeit zur Probenvorbereitung, ermöglicht schnelle Analysen in Echtzeit und eignet sich ideal für die kontinuierliche Prozessüberwachung in stark regulierten pharmazeutischen Bereichen.

In diesem Projekt wurde ein Modell zur Quantifizierung von Restethanol mittels Raman-Spektroskopie im Diafiltrationsschritt nach der Liposomenbildung implementiert. Aus Gründen der Vertraulichkeit werden die beiden untersuchten Wirkstoffe mit 1: NSAID (nichtsteroidales Antirheumatikum) und 2: Biomolekül bezeichnet. Die Proben wurden unter kontrollierten Laborbedingungen mit dem Visum Raman In‑Line™-System analysiert. Das Raman-System wurde auf einem mobilen Wagen montiert, mit einem Flaschenhalter für Falcon-Vials, um Laser­schutz während des Betriebs zu gewährleisten.

Die spektroskopische Analyse wurde durch Daten ergänzt, die mittels Hochleistungs-Flüssigkeitschromatographie (HPLC) gewonnen wurden – der Referenzmethode zur Bestimmung der tatsächlichen Ethanolkonzentration in den Proben. Diese Daten dienten zur Schulung und Validierung der Raman-basierten Vorhersagemodelle. Die Zielkonzentration Ethanol im Endprodukt lag bei unter 0,1 % v/v, und die Kalibrierproben deckten den gesamten Bereich von 0 % bis 10 % v/v Ethanol ab.

Für die Modellentwicklung wurden im Labor synthetische Proben hergestellt, indem Wasser mit variierenden Ethanolkonzentrationen gemischt wurde, um den gesamten zu erwartenden Betriebsbereich abzudecken. So konnte das Modell präzise Vorhersagen über das gesamte Interessensintervall treffen. Die Raman-Spektren dieser Lösungen dienten zur Entwicklung des Vorhersagemodells mit Visum Master™, einer automatisierten Softwareplattform, die es Anwendern ermöglicht, Kalibrierungen ohne tiefergehende chemometrische Kenntnisse zu erstellen.

Die Software wählte automatisch das passende Algorithmus und die optimalen Vorverarbeitungsmethoden (Savitzky–Golay-Derivate, Mittelwertzentrierung, Baseline-Korrektur, etc.) aus und konfigurierte das endgültige Modell basierend auf den Kalibrierproben und deren Referenzwerten (HPLC).

Die resultierenden Modelle wurden anschließend mit einem unabhängigen Satz realer Proben aus der experimentellen Liposomenproduktion validiert.

Die mittels Raman-Spektroskopie entwickelten Modelle zur Quantifizierung von Wirkstoffen und Restverbindungen zeigten hervorragende Leistungen sowohl bei der Kalibrierung als auch bei der externen Validierung. Für Ethanol erreichte das Modell einen Bestimmtheitsmaß (R²) von über 0,99 in Kalibrierung und Validierung. Der mittlere quadratische Fehler der Vorhersage (RMSEP) lag unter 0,35 % v/v, was die Eignung für das Echtzeit-Monitoring während Trocknungs- oder Reinigungsprozessen bestätigt.

Der gleichbleibend geringe Bias unterstreicht die Robustheit der Kalibrierung und das Fehlen systematischer Fehler, was die Verlässlichkeit der Raman-Spektroskopie als Quantifizierungstechnologie in kritischen pharmazeutischen Prozessen beweist.

Der Einsatz von Raman-Spektroskopie mittels des industriellen Visum Raman In‑Line™-Analysators ermöglichte die Entwicklung eines robusten und genauen Modells zur Überwachung des Ethanolgehalts im Diafiltrationsschritt pharmazeutischer Prozesse. Die hohe Korrelation und die geringe Abweichung der Ergebnisse bestätigen die Eignung des Systems für reale Anwendungen im Labor—mobile Wagenmontage—sowie für Inline-Überwachungsprozesse. Die Raman-Spektroskopie lässt sich zudem auf weitere pharmazeutische Verfahren ausweiten, die eine präzise Kontrolle von Lösungsmitteln oder kritischen Verbindungen erfordern, wodurch die Effizienz gesteigert und die Produktqualität verbessert wird.