Raman-Spektroskopie bei der Diafiltration von Liposomen

Die Pharmaindustrie greift häufig auf die Verkapselung von Wirkstoffen (APIs) in liposomalen Systemen zurück, um deren Stabilität, Bioverfügbarkeit und kontrollierte Freisetzung zu verbessern. Ein entscheidender Schritt in diesem Prozess ist die Diafiltration, die es ermöglicht, unerwünschte Verbindungen nach der Bildung der Liposomen zu entfernen – darunter auch organische Lösungsmittel wie Ethanol, das verwendet wird, um die Lipide zu lösen, die die Lipiddoppelschicht des Liposoms bilden. Die präzise Quantifizierung des verbleibenden Ethanols mithilfe von Analysegeräten auf Basis der Raman-Spektroskopie ist entscheidend, um die Qualität des Endprodukts zu gewährleisten, regulatorische Standards einzuhalten und Zeit sowie Ressourcen im Prozess zu optimieren.

Die Raman-Spektroskopie ist eine vibrationsspektroskopische Methode, die auf der inelastischen Streuung von Laserlicht basiert. Sie ist hochspezifisch für jede Molekülart und daher besonders geeignet zur Identifizierung und Quantifizierung chemischer Komponenten – selbst in komplexen Matrizen. Das Visum Raman In-Line™-System, entwickelt von IRIS Technology Solutions, ermöglicht den direkten Einsatz dieser Technik in industriellen oder Laborumgebungen dank seines kompakten, robusten und anpassungsfähigen Designs. Sein Einsatz macht die Probenvorbereitung überflüssig, erlaubt schnelle und Echtzeitanalysen und eignet sich ideal zur kontinuierlichen Prozessüberwachung unter hohen pharmazeutischen Anforderungen.

Das vorliegende Projekt konzentrierte sich auf die Implementierung eines Modells zur Quantifizierung von Restethanol mittels Raman-Spektroskopie im Diafiltrationsprozess nach der Bildung von Liposomen. Aus Gründen der Vertraulichkeit werden die beiden analysierten verkapselten Wirkstoffe wie folgt bezeichnet: 1 – NSAR (nichtsteroidales Antirheumatikum) und 2 – Biomolekül. Die Proben wurden unter kontrollierten Laborbedingungen mit dem Visum Raman In-Line™-Analysator untersucht. Das Raman-System wurde auf einem mobilen Rack installiert, ausgestattet mit einem Probenhalter für Falcon-Röhrchen, was die Betriebssicherheit des Lasers gewährleistet.

Die spektroskopische Analyse wurde durch Daten ergänzt, die mit der Referenzmethode der Hochleistungsflüssigkeitschromatographie (HPLC) gewonnen wurden. Diese diente zur Bestimmung der tatsächlichen Ethanolkonzentration in den Proben und zur Kalibrierung und Validierung der entwickelten Raman-Vorhersagemodelle. Die Zielkonzentration von Ethanol im Endprodukt lag unter 0,1 % v/v. Die zur Analyse und Modellentwicklung verwendeten Proben deckten einen vollständigen Konzentrationsbereich von 0 % bis 10 % v/v Ethanol ab.

Für die Entwicklung des Vorhersagemodells wurden im Labor synthetische Proben hergestellt, indem Wasser gezielt mit unterschiedlichen Ethanolkonzentrationen versetzt wurde. Diese Proben wurden speziell so konzipiert, dass sie den gesamten vorgesehenen Arbeitsbereich des realen Prozesses abdecken. Sie dienten dazu, sicherzustellen, dass das Modell auf Basis der Raman-Spektroskopie im gesamten interessierenden Bereich prädiktiv einsetzbar ist.

Die mit dem Visum Raman In-Line™ gewonnenen Spektren im Rahmen der Raman-Spektroskopie dieser Lösungen wurden verwendet, um das Vorhersagemodell mithilfe der Software Visum Master™ zu entwickeln – einer automatisierten Plattform, die es jedem Benutzer ermöglicht, Kalibrierungen zu erstellen, ohne über vertiefte Kenntnisse in Chemometrie zu verfügen. Die Software wählte automatisch den geeignetsten Algorithmus, die optimalen Vorverarbeitungsschritte (z. B. Savitzky-Golay-Ableitungen, Mittelzentrierung, Basislinienkorrektur usw.) und konfigurierte das endgültige Modell basierend auf den Kalibrierproben und deren Referenzwerten, die durch HPLC bestimmt wurden.

Anschließend wurden die durch Raman-Spektroskopie erstellten Modelle mit einem unabhängigen Satz realer Proben validiert, die während der experimentellen Herstellung von Liposomen gewonnen wurden.

Die mit Raman-Spektroskopie entwickelten Modelle zur Quantifizierung von Wirkstoffen und Restverbindungen zeigen sowohl in der Kalibrierung als auch in der externen Validierung eine ausgezeichnete Leistung. Im Fall von Ethanol erreichte das Modell einen Bestimmtheitskoeffizienten (R²) von über 0,99 in Kalibrierung und Validierung sowie einen Root Mean Square Error of Prediction (RMSEP) von unter 0,35 % v/v, was seine Anwendbarkeit für die Echtzeitüberwachung in Trocknungs- oder Reinigungsprozessen bestätigt.

Der in allen Fällen beobachtete geringe Bias unterstreicht die Robustheit der Kalibrierung und das Fehlen systematischer Fehler, was die Implementierung der Raman-Spektroskopie als zuverlässige Technologie zur Identifizierung und quantitativen Überwachung von Wirkstoffen in kritischen pharmazeutischen Prozessen ermöglicht.

Der Einsatz der Raman-Spektroskopie mit dem industriellen Analysator Visum Raman In-Line™ ermöglichte die Entwicklung eines robusten und präzisen Modells zur Überwachung von Ethanol während der Diafiltration in pharmazeutischen Prozessen. Die hohe Korrelation und die geringe Abweichung der Ergebnisse bestätigen die Eignung des Systems für reale Anwendungen – sowohl im Labor, montiert auf einem mobilen Rack, als auch für die In-line-Prozessüberwachung.

Die Raman-Spektroskopie kann auch auf andere pharmazeutische Prozesse ausgeweitet werden, bei denen eine präzise Kontrolle von Lösungsmitteln oder kritischen Verbindungen erforderlich ist, was zur Steigerung der Prozesseffizienz und der Endproduktqualität beiträgt.