Previous PageTable Of ContentsNext Page

1 Einleitung und Zielsetzung

Die Lyophilisation ist ein Verfahren bei dem wasserhaltigem Material bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts das Wasser entzogen wird. Ziel ist die schonende Entfernung des Lösungsmittels, insbesondere bei thermolabilen Stoffen. Das Endprodukt der Gefriertrocknung ist ein stabiles, trockenes Pulver, das in Sekundenschnelle rekonstituierbar ist [Rupprecht 1992]. Die Gefriertrocknung beeinhaltet drei zeitlich aufeinanderfolgende Schritte. Das Einfrieren der Lösung, das Entfernen des Wassers aus der gefrorenen Lösung unter Vakuum (Haupttrocknung) und das Trocknen des Produktes auf die gewünschte Restfeuchte durch Entzug des in der Produktmatrix ad- bzw. absorbierten Wassers (Nachtrocknung).
In den letzten Jahren haben gefriergetrocknete Arzneimittel weltweit an Bedeutung gewonnen. Am Anfang der industriellen Gefriertrocknung stand die Herstellung von Blutseren und Penicillin im 2. Weltkrieg [Franks 1998]. Heute wird die Gefriertrocknung in den unterschiedlichsten Bereichen eingesetzt. So z. B. bei der Trocknung von technischen Materialien wie Metalloxid- Keramikpulver, oder im medizinischen Bereich bei der Lyophilisation von Transplantaten, oder auch im Nahrungs- und Genussmittelbereich [Oetjen 1997].
Mit Fortschritt der Gentechnik ist es seit einigen Jahren möglich körpereigene Proteine und Peptide synthetisch, rekombinant herzustellen und für die therapeutische Behandlung bereitzustellen. Vielversprechende therapeutische Proteine können nur dann erfolgreich in der Behandlung eingesetzt werden, wenn die Arzneimittel zum Zeitpunkt der Verabreichung biologisch aktiv sind. Einfach in der Herstellung und auch für den Endverbraucher sind flüssige Formulierungen. Allerdings wirkt das Lösungsmittel Wasser als Reaktant und kann den chemischen Abbau des Proteins bewirken. Deshalb liegt es nahe der flüssigen Formulierung das Wasser zu Stabilisierungszwecken zu entziehen [Williams 1984, Franks 1992, Carpenter 1996, Oetjen 1997]. Durch Lyophilisation der Substanzen kann nur dann ein einwandfreies Arzneimittel entstehen, wenn die Rahmenbedingungen hinsichtlich der Formulierung und des Herstellprozesses eingehalten werden. Das Protein muss sowohl bei als auch nach der Lyophilisation stabilisiert und geschützt werden. Dies kann durch geeignete Wahl von kompatiblen Hilfsstoffen realisiert werden [Woog 1989, Mattern 1997]. Da die therapeutischen Dosen der Proteine oft im mg- Bereich liegen, sind auch Gerüstbildner nötig, um ein optisch akzeptables Lyophilisat zu erhalten. Diese dienen als Cryoprotectanten, d.h. sie schützen das Protein vor Schädigungen beim Einfrieren. Aus der Literatur sind diesbezüglich Carbohydrate, Polyole, Aminosäuren und Methylamine bekannt [Lee 1987, Carpenter 1991]. Einige Gerüststoffe, sog. Lyoprotectanten, haben die Fähigkeit auch während der Trocknung und der anschliessenden Lagerung das Protein zu schützen. Beschrieben sind hier v.a. nichtreduzierende Saccharide [Arakawa 1982, Carpenter 1993, Foster 1996]. Zusätzlich sind weitere Exzipien (Tonisierungssalze, Puffer etc.) zuzusetzen, die die Stabilität der empfindlichen Makromoleküle gewährleisten. Die Stabilisierung des Proteins wird durch Einbettung in eine geeignete Hilfsstoffmatrix realisiert [Wang 1988, Arakawa 1991].
Unterschieden werden nach Ausbildung der Matrix kristalline und amorphe Gerüststoffe. Favorisiert wurden lange kristalline Hilfstoffgerüste, die über relativ hohe eutektische Temperaturen verfügen und problemlos trockenbar sind. Schwieriger gestaltet sich die Trocknung der amorphen Gerüste, die niedrige Glasübergangs- und Kollapstemperaturen besitzen. Hier muss in der Haupttrocknung eine Produkttemperatur kleiner als die Glasübergangs- und Kollapstemperatur eingehalten werden, um ein Antauen oder Kollabieren des Gerüstes zu vermeiden [Pikal 1990]. Dies bedeutet eine niedrige Plattentemperatur in der Haupttrocknung, nur geringfügiger Energieeintrag und eine verlängerte Trocknungszeit. Vor allem amorph erstarrende Disaccharide wie Trehalose und Saccharose haben in der Vergangenheit gute Stabilisierungsdaten erzielt und werden bevorzugt zur Stabilisierung von empfindlichen Makromolekülen herangezogen [Carpenter 1990, Franks 1991, Pikal 1991, Hora 1992, Izutsu 1993].
Die Gefriertrocknung ist nur durch einen hohen Energieaufwand realisierbar, hinzu kommen die langen Prozesszeiten (über mehrere Tage). Die Hauptkosten des Prozesses entstehen durch die tiefen Prozesstemperaturen und die noch tiefer liegenden Temperaturen am Eiskondensator, um den sublimierten Wasserdampf zu kondensieren [Wilk 1989]. Bei empfindlichen Produkten wird häufig hinsichtlich der Parameter in Haupt- und Nachtrocknung im sicheren Bereich getrocknet und daher ein verlängerter Lyophilisationszyklus in Kauf genommen, um Produktschädigungen zu verhindern [Eckhardt 1992]. Um nun die Gefriertrocknung wirtschaftlicher zu gestalten, ist es nötig das Verfahren hinsichtlich seiner Prozesszeiten zu optimieren, d.h. einen möglichst effizienten Trocknungszyklus zu entwickeln [Pikal 1990, Nail 1993, Carpenter 1996]. Dieses Ziel kann aber nur durch konsequente Beachtung der Prozessparameter und der Formulierungsparameter erreicht werden. Die Zusammensetzung einer Lösung bestimmt das Einfrier- und Trocknungsverhalten und damit die späteren Eigenschaften des Produktes (Lagerstabilität, Rekonstitution etc.) [Kruss 1992]. In der Praxis stellt sich so eine Verkettung von Prozessparametern und späterer Produktqualität ein, wie in Abb 1.1 dargestellt.

Abb. 1.1: Verknüpfung von experimentellen Parametern und späterer Produktqualität [Franks 1990]

Die Zielsetzung der Lyophilisation, die Stabilisierung thermolabiler Arzneistoffe, kann also nur durch einen sicheren und effizienten Trocknungszyklus erreicht werden, der reproduzierbare Qualität des Endprodukts gewährleistet. Realisierbar ist dies nur durch ein verbessertes Prozessmonitoring.
Es existieren mehrere Möglichkeiten die Abgrenzung zwischen Haupt- und Nachtrocknung zu monitoren. Druckanstiegstests [Nail 1993], komparative Druckmessung [Kramer 1999], Probennahme mittels Manipulator [Willemer 1989] oder Monitoren der Feuchte in der Trocknungskammer [Roy 1989, Bardat 1993]. Neu ist die Möglichkeit mittels einer Mikro- Waage kontinuierlich den Gewichtsverlust aufzunehmen und Rückschlüsse auf die Trocknungsgeschwindigkeit und den Fortgang der Trocknung zu tätigen.
Im Rahmen dieser Arbeit soll die Anwendbarkeit der neuen Monitoring- Methode auf amorphe Zuckermatrices getestet werden. Vorangig ist zu klären, ob der Verlauf der Trocknungsgeschwindigkeit eindeutig auf das Ende der Haupttrocknung hinweist und eine Abgrenzung zwischen Haupt- und Nachtrocknung erlaubt. Dazu muss ein Umschaltkriterium und der Übergang in die Nachtrocknung definiert werden.
Weiterhin sollen der Einfluss von Füllvolumen/ Konzentration, Kammerdruck/ Stellflächentemperatur auf die Länge der Haupttrocknung betrachtet werden. Dies wird anhand der Modellformulierungen Saccharose 75mg/ml und Saccharose/Phenylalanin 75mg/ml durchgeführt. Unter Zuhilfenahme einer Ausschleusvorrichtung werden zu unterschiedlichen Zeitpunkten Proben genommen, die einen Rückschluss auf den Fortgang des Trocknungsprozesses und die zu erzielende Restfeuchte im Produkt geben.
Anhand von amorphen (Saccharose), teilamorphen (Saccharose/Phenylalanin) und kristallinen (Mannit) Gerüststoffen/ Modellformulierungen soll der Einfluss des Einfrierverfahrens (schnelles, langsames, moderates Einfrieren, thermal treatment) auf die Trocknungsgeschwindigkeit, die Länge der Haupttrocknung und die daraus resultierende Produktmorphologie und Restfeuchte untersucht werden.
Um zu ermitteln, ob eine Trocknung im Temperaturbereich zwischen Glasübergangstemperatur, Tg´, und Kollapstemperatur, Tc, eines Systemes möglich ist, werden die Kollapstemperaturen experimentell bestimmt und Gefriertrocknungsläufe zwischen Tg´und Tc gefahren.
Die nächste zu bearbeitende Fragestellung ergibt sich aus der Forderung manche Produkt schneller als in handelsüblichen Gefriertrocknern einfrieren zu müssen. Das Verfahren zur Herstellung von Cryopellets, d.h. Eintropfen des Produktes in Kühlflüssigkeit, ist aufwendig und schwierig. Durch das extrem schnelle Einfrieren ist die Gefahr der Gefrierkonzentration stark vermindert, es entstehen kleine Eiskristalle und ein rieselfähiges Produkt [Oetjen 1997]. Es sollen die Auswirkungen auf das Sublimationsverhalten in der Haupttrocknung untersucht und getestet werden, inwieweit dieses Verfahren effiziente Trocknungszyklen für schwer trockenbare Formulierungen ermöglicht.
Innerhalb einer Versuchsreihe ist zu klären, wie sich das Trocknungsverhalten durch Erhöhen der Schichtdicke mittels Zusatzstoffen wie Glaskugeln, Teflonkugeln verändert.
Letztlich werden die Anwendbarkeit des Monitorings mittels Mikro- Waage bei zwei proteinhaltige Modellformulierungen (monoklonaler Antikörper MAK-HBV, rekombinanter Plasminogenaktivator r-PA) überprüft. Im Rahmen von Stabilitätsstudien soll gezeigt werden, dass die optimierten Gefriertrocknungszyklen zu vergleichbar stabilen Produkten führen.

Previous PageTable Of ContentsNext Page


Konvertiert vom Dissertationen Online Team im CCC der Universität Erlangen

dissertationen@ccc.chemie.uni-erlangen.de