Wateractiviteitstesten in de Farmaceutische Industrie

Wateractiviteit wordt breed gebruikt en geaccepteerd in de voedselindustrie om zowel productveiligheid als kwaliteit te waarborgen. Voor de farmaceutische industrie is wateractiviteit bewezen even effectief te zijn, maar het wordt nog niet veel toegepast. De USP heeft USP <922> Water Activity ontwikkeld als een officiële methode voor het meten van wateractiviteit, wat hopelijk zal bijdragen aan de implementatie van wateractiviteit als integraal onderdeel van een farmaceutisch kwaliteitsprogramma. Zowel USP <922> als USP <1112> benadrukken de mogelijke toepassingen van wateractiviteit, zoals stabiliteitscontrole, preventie van microbiële risico's, geoptimaliseerde formulering, vermindering van klonteren en vochtmigratiecontrole. De belangrijkste voordelen van deze toepassingen zijn: hogere productie-output, grotere klanttevredenheid en vertrouwen, minder verspilling en terugroepacties, en daardoor hogere winsten voor de fabrikant. Het is duidelijk dat wateractiviteit een krachtige en vaak essentiële kwaliteitsparameter is voor farmaceutische producten.

Wat is Wateractiviteit?

Wateractiviteit wordt gedefinieerd als de energiestatus van water in een systeem en is gebaseerd op de fundamentele wetten van de thermodynamica via de Gibbs-vrije energievergelijking. Het vertegenwoordigt de relatieve chemische potentiële energie van water, zoals bepaald door de oppervlaktespanning, colligatieve en capillaire interacties in een matrix. In de praktijk wordt het gemeten als de partiële dampdruk van water (P) in een ruimte die in evenwicht is met het monster, gedeeld door de verzadigde dampdruk (P0) van water bij dezelfde temperatuur (T). Wateractiviteit is gelijk aan de evenwichtsrelatieve vochtigheid (ERH) gedeeld door 100:

Deze index voor wateractiviteit beslaat een bereik van 0 voor kurkdroge omstandigheden tot 1,00 voor zuiver water, wanneer de partiële druk en de verzadigde druk gelijk zijn. Wateractiviteit wordt vaak aangeduid als “vrij water,” wat nuttig kan zijn wanneer wordt verwezen naar water met een hogere energie; echter, dit is misleidend omdat “vrij” niet wetenschappelijk gedefinieerd is en in verschillende contexten anders geïnterpreteerd wordt. Het concept van vrij water kan verwarring veroorzaken tussen de fysieke binding van water, een kwantitatieve meting, en de chemische binding van water om energie te verlagen, een kwalitatieve meting. In plaats van dat een wateractiviteit van 0,50 betekent dat er 50% vrij water is, geeft het correcter aan dat het water in het product 50% van de energie heeft die zuiver water zou hebben in dezelfde situatie. Hoe lager de wateractiviteit, hoe minder het water in het systeem zich gedraagt als zuiver water.

Wateractiviteit wordt gemeten door het vloeibare fasewater in het monster in evenwicht te brengen met het dampfasewater in de ruimte van een gesloten kamer en de ERH in de ruimte te meten met een sensor. De relatieve vochtigheid kan worden bepaald met een resistieve elektrolytische sensor, een gekoelde spiegelsensor, of een hygroscopische polymere capaciteitsensor. Instrumenten van Novasina, zoals de LabMaster NEO, maken gebruik van een elektrolytische sensor om de ERH binnen een afgesloten kamer met het monster te bepalen. Veranderingen in ERH worden gevolgd door veranderingen in de elektrische weerstand van de elektrolytsensor. Het voordeel van deze aanpak is dat het zeer stabiel is en bestand tegen onnauwkeurige metingen door verontreiniging, wat een specifieke zwakte is van de gekoelde spiegelsensor. De resistieve elektrolytische sensor kan het hoogste niveau van nauwkeurigheid en precisie bereiken zonder onderhoud en met weinig kalibratie, wat het ideaal maakt voor farmaceutische testen.

Wateractiviteit vs. Vochtgehalte

Wateractiviteit is een intensieve eigenschap die de energie van het water in een systeem beschrijft, terwijl vochtgehalte een extensieve eigenschap is die de hoeveelheid vocht in een product bepaalt. Hoewel ze gerelateerd zijn, zijn wateractiviteit en vochtgehalte niet hetzelfde: vochtgehalte wordt meestal bepaald door gewichtsverlies bij droging of chemische titratie; hoewel het nuttig is als een maat voor zuiverheid en een identiteitstandaard, correleert vochtgehalte minder goed dan wateractiviteit met microbiële groei, chemische stabiliteit of fysieke stabiliteit. Wateractiviteit en vochtgehalte zijn gerelateerd via de vocht-sorptie-isotherm.

Regelgevende Informatie

International Conference on Harmonization (ICH)

De ICH heeft testprocedures en acceptatiecriteria gepubliceerd voor geneesmiddelafgifteprogramma’s in ICH Q6A, waarin beslisbomen #6 en #8 beste praktijken bieden voor het bepalen van microbiologische kenmerken van een geneesmiddel. Hierin worden de fysieke eigenschappen van een product gekoppeld aan een lager microbiologisch risico door het product net “droog genoeg” te maken. Hoewel niet specifiek gedefinieerd, kan “droog” worden verondersteld te verwijzen naar het vochtgehalte. Uit USP <922> en USP <1112> weten we echter dat microbiële groei wordt bepaald door wateractiviteit en niet door vochtgehalte. Een tweede relevante ICH-richtlijn met betrekking tot wateractiviteit is ICH Q1A, die zich richt op stabiliteitstesten van nieuwe geneesmiddelstoffen en -producten en enkele algemene beschrijvingen geeft over geschikte microbiële kenmerken testen, waaronder:

• Vervanging van microbiële testen door wateractiviteitstesten.
• Relatie van vochtgehalte tot wateractiviteit voor microbiologische stabiliteit.
• Mogelijk stabiliteitsprotocol, met richtlijnen voor microbiële en wateractiviteitstesten.

Zoals eerder vermeld, is microbiële controle slechts één goede reden voor het testen van wateractiviteit. Maar omdat veel API’s (actieve farmaceutische ingrediënten) en farmaceutische producten zich onder de kritieke grens van 0,60 wateractiviteit (zoals gespecificeerd in USP <1112>) bevinden, wordt wateractiviteit een prioriteit en focus om producteigenschappen, stabiliteit en kwaliteit te waarborgen.

USP <1112>

Wateractiviteit voor farmaceutische producten wordt beschreven in USP <1112> Toepassing van Wateractiviteitsbepaling voor Niet-Steriele Farmaceutische Producten, als een hulpmiddel om:

• Productformuleringen te optimaliseren om de antimicrobiële effectiviteit van conserveersystemen te verbeteren.
• De afbraak van actieve farmaceutische ingrediënten binnen productformuleringen die gevoelig zijn voor chemische hydrolyse te verminderen.
• De gevoeligheid van formules (met name vloeistoffen, zalven, lotions en crèmes) voor microbiële besmetting te verminderen.
• Een hulpmiddel te bieden om de frequentie van microbiële limiettesten en screenings op ongewenste micro-organismen voor productafgifte en stabiliteitstesten te verlagen, door gebruik te maken van de methoden beschreven in de algemene testhoofdstukken Microbial Enumeration Tests USP <61> en Tests for Specified Microorganisms USP <62>.

Samengevat, zou wateractiviteit als een kritisch controlepunt moeten worden opgenomen in elk geneesmiddelafgifteprogramma als een hulpmiddel voor microbiële risicobeheersing. Even belangrijk is de rol van wateractiviteit bij het voorkomen van verlies van actieve ingrediënten door afbraak, veranderingen in oplossingssnelheden en het voorkomen van vochtmigratie. Een beperking van USP <1112> is dat het geen richtlijnen bevatte voor het uitvoeren van wateractiviteitstesten omdat het een informatief hoofdstuk was, waardoor het voor farmaceutische bedrijven moeilijker werd om wateractiviteitstesten te implementeren zonder SOP’s of validatierichtlijnen. Deze beperking is nu aangepakt met de komst van USP <922>.

USP <795> en <797>

Deze hoofdstukken bieden richtlijnen voor het samenstellen van farmaceutische preparaten, zowel steriele als niet-steriele preparaten. In deze hoofdstukken is wateractiviteit de bepalende factor voor de classificatie van een preparaat als waterig of niet-waterig. Er wordt ook vermeld dat wateractiviteit moet worden overwogen bij het bepalen van de houdbaarheidsdatum.

Standaardmethoden – USP <922>

USP <922>

Aanbevelingen voor de bepaling van wateractiviteit zijn uiteengezet in USP <922> Water Activity. Deze methode wordt officieel in mei 2021 en biedt richtlijnen voor het meten van wateractiviteit. Het bevat een korte theoretische achtergrond en bespreekt enkele factoren die de wateractiviteit beïnvloeden, zoals de concentratie van opgeloste stoffen en temperatuur.

Sensortypes en kalibratie

USP <922> biedt ook een korte review van de verschillende beschikbare sensortypes voor het meten van wateractiviteit en benadrukt de sterke punten van elk type. Het geeft richtlijnen voor de kwalificatie van instrumenten, waarbij wateractiviteitsmeters worden geclassificeerd als Groep B-instrumenten. Er wordt benadrukt dat wateractiviteitsmeters gekalibreerd moeten worden met standaardoplossingen, en dit moet minstens jaarlijks gebeuren of wanneer een kalibratiecontrole mislukt. Kalibratiecontroles moeten dagelijks worden uitgevoerd volgens de instructies van de instrumentfabrikant, waarbij minimaal twee standaarden gebruikt worden die het typische bereik van de wateractiviteit afdekken. Het aantal replicaties dat wordt gebruikt voor een kalibratiecontrole moet overeenkomen met het aantal replicaties dat wordt gebruikt voor de monstertesten.

Monsterneming

Voor de monsterneming wordt het aanbevolen de blootstelling van het monster aan omgevingscondities te beperken door afgesloten containers te gebruiken met beperkte ruimte voor lucht. Het transporteren van monsters vanuit extreme temperaturen wordt afgeraden vanwege het risico op condensatie binnen de containers. Wateractiviteitsmetingen moeten worden uitgevoerd volgens de instructies van de fabrikant en gerapporteerd worden samen met de temperatuur.

Toepassingen:

Wat betreft de voorgestelde toepassingen voor wateractiviteit, gaat USP <922> verder dan de gebruikssuggesties van USP <1112> en omvat het onder andere:

• Selecteren van isolatie van ingrediënten en procesomstandigheden voor productproductie, in termen van het handhaven van een wateractiviteit onder de kritische drempel om thermodynamische controle over de gewenste vaste vorm te verkrijgen (bijvoorbeeld hydraat versus anhydraat).
• Selecteren van hulpstoffen waarbij wateractiviteit invloed kan hebben op hun materiaaleigenschappen, comprimeerbaarheid, hardheid en prestatiekenmerken (zoals desintegratie en oplossnelheid) van toedieningsvormen.
• Optimaliseren van fluid bed drying processen.
• Verminderen van de afbraak van actieve ingrediënten in productformuleringen (bijvoorbeeld formules die gevoelig zijn voor chemische hydrolyse).
• Bepalen van de mate van bescherming van productformuleringen tegen vocht door primaire verpakkingsmaterialen tijdens hun houdbaarheid.
• Optimaliseren van de houdbaarheidsstabiliteit van probiotica.
• Bieden van een aanvullende methode voor het monitoren van veranderingen in watergehalte.
• Controleren en monitoren van fysieke, chemische en microbiële productstabiliteit.
• Optimaliseren van formules om de antimicrobiële effectiviteit van conserveersystemen te verbeteren.
• Verminderen van de gevoeligheid van formules voor microbiële besmetting.
• Bieden van een hulpmiddel om de microbiële testen voor niet-steriele geneesmiddelen en voedingssupplementen te verminderen (zie Toepassing van Wateractiviteitsbepaling op Niet-Steriele Farmaceutische Producten USP <1112>).

Laten we elk van deze toepassingen verder bekijken.

Kritieke Wateractiviteit voor Kristallijne Hulpstoffen

Hulpstoffen fungeren onder andere als vulstoffen en beschermen Actieve Farmaceutische Ingrediënten (API) in farmaceutische vaste toedieningsvormen. De matrix van deze hulpstoffen is meestal kristallijn of amorf. Voor kristallijne hulpstoffen kan de toevoeging of het verlies van watermoleculen door hydratatie of deliquescentie leiden tot ongewenste veranderingen in de productkwaliteit, zoals aanpassingen in de oplossnelheid of een afname van de effectiviteit van het API. Deze procesveranderingen worden thermodynamisch gecontroleerd en zijn daarom gerelateerd aan wateractiviteit. De vocht-sorptie-isotherm, die de relatie tussen vochtgehalte en wateractiviteit beschrijft, toont voor een kristallijn materiaal duidelijk de opname en het verlies van hydratatiewater als een plotselinge toename in vochtgehalte naarmate de wateractiviteit toeneemt, en een plotseling verlies in vochtgehalte wanneer de wateractiviteit afneemt. Deliquescentie van het kristallijne materiaal wordt aangegeven door een scherpe 90 graden bocht in de isotherm (Figuur 1). De wateractiviteit waarbij deze veranderingen optreden wordt de “kritieke wateractiviteit” genoemd. De sleutel tot het vermijden van problemen met een kristallijne hulpstof is om te specificeren dat de wateractiviteit binnen een veilig bereik ligt, gebaseerd op de kritieke wateractiviteiten die zijn geïdentificeerd via de vocht-sorptie-isotherm. Binnenkomende hulpstofleveringen moeten dan worden gecontroleerd op wateractiviteit om ervoor te zorgen dat aan deze specificatie wordt voldaan.

Kritieke Wateractiviteit voor Amorf Hulpstoffen

Amorfe hulpstoffen hebben meestal een laag vochtgehalte en bevinden zich in een meta-stabiele glasachtige toestand. Hun vermogen om het API te beschermen is afhankelijk van het behouden van deze glasachtige toestand gedurende de levensduur van het product. Een overgang van de matrix van de glasachtige toestand naar de rubberachtige toestand, ook wel een “glasovergang” genoemd, leidt tot structurele ineenstorting, verhoogde mobiliteit, veranderingen in oplossnelheid en verhoogde gevoeligheid voor klonteren en kristallisatie. Als gevolg hiervan zal het product niet goed stromen, comprimeren of tabletteren, en kan voortijdige oplossing optreden. Een glasovergang kan worden veroorzaakt door een verandering in temperatuur of een verandering in wateractiviteit. De wateractiviteit waarbij een glasovergang optreedt wordt de “kritieke wateractiviteit” genoemd en kan worden geïdentificeerd als een scherpe knik in de vocht-sorptie-isotherm (Figuur 2). Om de functionaliteit van amorfe hulpstoffen te behouden, is het belangrijk om de kritieke wateractiviteit te bepalen en ervoor te zorgen dat de wateractiviteit van het product gedurende de levensduur onder deze kritieke wateractiviteit blijft.

Wateractiviteit en Microbiële Veiligheid

Micro-organismen hebben toegang nodig tot water met voldoende energie om de beweging van water in de cel mogelijk te maken. Dit water is cruciaal voor het handhaven van turgordruk en normale metabolische activiteit. De energie van het water rond het micro-organisme wordt beschreven door de wateractiviteit, en om water in de microbe te laten bewegen, moet de interne wateractiviteit van het organisme lager zijn dan die van zijn omgeving. Met andere woorden, wateractiviteit bepaalt niet de hoeveelheid beschikbaar water voor micro-organismen om te groeien; het is de energie van het water die bepaalt of water de cel in of uit kan bewegen.

Wanneer een micro-organisme wordt blootgesteld aan een omgeving met een lagere wateractiviteit dan de interne wateractiviteit, ervaart het osmotische stress en verliest het water, wat de turgordruk verlaagt en de metabolische activiteit stopt (Figuur 3). Als reactie hierop zal het organisme proberen de interne wateractiviteit te reguleren door de concentratie van opgeloste stoffen te verhogen. Dit vermogen om de interne wateractiviteit te verlagen verschilt per organisme, wat verklaart waarom verschillende micro-organismen verschillende minimumgroeilimieten voor wateractiviteit hebben (Tabel 1).

Het vochtgehalte wordt niet genoemd als factor die invloed heeft op microbiële groei, omdat het niet de hoeveelheid water is die bepaalt of een micro-organisme toegang kan krijgen, maar de wateractiviteit (energie) in vergelijking met de interne wateractiviteit van het organisme. Daarom moeten alle inspanningen om controlelimieten in te stellen voor het risico op microbiële besmetting en de bijbehorende vermindering van microbiële limiettesten gebaseerd zijn op wateractiviteitsmetingen en niet op vochtgehalte.

Wateractiviteit en Afbraak van Actieve Ingrediënten

De wateractiviteit van vaste toedieningsvormen in farmaceutische producten ligt meestal onder de 0,70, wat aangeeft dat microbiële groei onwaarschijnlijk is. Producten in dit bereik hebben echter niet een onbeperkte houdbaarheid. Voor deze producten in het bereik van 0,40–0,70 aw is chemische afbraak van het API een belangrijke oorzaak van afbraak, omdat de reactiesnelheden op hun maximum zijn. Over het algemeen neemt de reactiesnelheid toe naarmate de wateractiviteit stijgt; echter, lipide-oxidatie is uniek omdat de reactiesnelheid ook toeneemt bij zeer lage wateractiviteit (Figuur 4). De meest voorkomende reactie die kan leiden tot de afbraak van API’s is hydrolyse, hoewel lipide-oxidatie (ranzigheid) en enzymatische reacties ook kunnen bijdragen aan het verlies van actieve ingrediënten. De meest effectieve manier om deze reacties te voorkomen en significant verlies van het API te beperken, is door deze te verwerken tot een lage wateractiviteit waarbij de reactiesnelheid minimaal is en vervolgens de juiste hulpstof te kiezen die het beste helpt om die wateractiviteit te behouden. Zoals eerder beschreven in de secties over hulpstoffen, is het aanhouden van een wateractiviteit onder de kritieke waarde de beste manier om stabiliteit te behouden, omdat een glasovergang ook leidt tot een aanzienlijke verhoging van de reactiesnelheid. Het behouden van de effectiviteit van het API kan dus het best bereikt worden door de wateractiviteit van het API te handhaven op een niveau dat de snelheid van afbraakreacties minimaliseert.

Wateractiviteit en Houdbaarheidsstabiliteit

Wanneer chemische reacties die het API (actieve farmaceutische ingrediënt) ineffectief maken de oorzaak zijn van achteruitgang, is de tijd die nodig is voor de reactie om te vorderen tot een onacceptabel niveau bij een bepaalde wateractiviteit en temperatuur de houdbaarheid van het product. Als de snelheidsconstanten voor deze reacties bij verschillende opslagomstandigheden worden bepaald, kan een voorspellend model worden gebruikt om de tijd te schatten die nodig is voor de reactie om tot een onaanvaardbaar niveau te vorderen onder elke opslagconditie. Om dit te doen, moet de voortgang van de reactie worden gevolgd met een vorm van kwantitatieve beoordeling.

Hoewel er voorbeelden van houdbaarheidsmodellen in de literatuur bestaan, is het enige fundamentele model dat zowel wateractiviteit als temperatuur omvat het hygrothermische tijdmodel. Dit model is afgeleid van een variant van de Eyring-vergelijking voor snelheidsveranderingen, waarin de Gibbs-vergelijking voor vrije energie is opgenomen. Het model helpt de impact van wateractiviteit op verschillende afbraakreacties weer te geven, zoals te zien is in Figuur 4. Op deze manier kan worden bepaald hoe lang een product acceptabel blijft bij bepaalde opslagcondities.

Het Volgen van Veranderingen in Vochtgehalte met Wateractiviteit

Zoals de vocht-sorptie-isotherm laat zien, gaat een toename van wateractiviteit gepaard met een overeenkomstige toename in vocht, maar de relatie is niet-lineair en uniek voor elk product. Een toename in de helling van de isotherm geeft een toename in hygroscopiciteit aan, wat de verandering in wateractiviteit beperkt naarmate er vocht wordt geabsorbeerd. Dit is vaak een wenselijke eigenschap in hulpstoffen omdat het product zo vocht kan opnemen terwijl de wateractiviteit van het API op een niveau blijft dat de snelheid van afbraakreacties beperkt, zoals eerder beschreven.

Een andere manier waarop de wateractiviteit van een API kan toenemen tot onveilige niveaus is door vochtmigratie in farmaceutische producten met meerdere componenten, zoals capsules. Als de componenten verschillende wateractiviteiten hebben, zal water verplaatsen tussen de componenten, ongeacht hun vochtgehalte. Water verplaatst zich van hoge naar lage wateractiviteit (energie). Deze vochtverplaatsing zal doorgaan totdat een evenwicht is bereikt, wat wordt bepaald door de vocht-sorptie-isothermen van elk component en niet het gemiddelde van de oorspronkelijke wateractiviteiten (Figuur 6). Om dit probleem te voorkomen, moeten de componenten zo worden ontworpen dat ze dezelfde wateractiviteit hebben.

Wateractiviteit en Verpakkingskeuze

Zodra de ideale wateractiviteit is vastgesteld, is het essentieel dat het product deze wateractiviteit behoudt tijdens transport en opslag. Veranderingen in wateractiviteit kunnen optreden door blootstelling aan de omgevingsluchtvochtigheid. Zoals eerder besproken in de theorie, is wateractiviteit ook gelijk aan de evenwichtsrelatieve vochtigheid en gerelateerd aan de opslagvochtigheid. Als een product met een wateractiviteit van 0,40 aw wordt blootgesteld aan een opslagomgeving met een relatieve luchtvochtigheid van 60%, dan zal het product vocht opnemen uit de omgeving totdat de wateractiviteit in evenwicht is op 0,60 aw. Dit proces kost uiteraard tijd, maar als het product niet goed beschermd is, zal de wateractiviteit buiten het ideale bereik stijgen, wat de stabiliteit vermindert.

Het plaatsen van het product in een vochtafdichtende verpakking zal de verandering in wateractiviteit vertragen. De vochtdampdoorlaatbaarheid (WVTR) van verpakkingen wordt vaak gerapporteerd en moet beschikbaar zijn voor elk verpakkingsmateriaal van de fabrikant. Hoewel het belangrijk is om verpakkingen te gebruiken met een WVTR-waarde die laag genoeg is om veranderingen in wateractiviteit te voorkomen, is het ook mogelijk om “oververpakking” toe te passen, wat leidt tot onnodige kosten. De snelheid van verandering in wateractiviteit binnen een verpakking met een bekende WVTR kan worden gemodelleerd met Fickiaanse diffusie, evenals de vereiste doorlaatbaarheid van de verpakking om een gewenste houdbaarheid te bereiken.

De Belangrijkste Specificatie

Wateractiviteit wordt soms over het hoofd gezien en onderschat als parameter in farmaceutische kwaliteit en formulering. Echter, samen met vocht-sorptie-isothermen biedt het cruciale informatie voor het optimaliseren van productstabiliteit. Problemen met deliquescentie, klonteren en agglomereren, oplossnelheid, microbiële vatbaarheid en API-afbraak kunnen worden opgelost door het ideale wateractiviteitsbereik voor het product vast te stellen en wateractiviteitsmetingen als routineparameter voor batchvrijgave te implementeren. Wateractiviteitsspecialisten bij Novasina staan klaar om je te helpen bij het bepalen van het ideale wateractiviteitsbereik voor jouw farmaceutische product. Zodra je deze kennis hebt, kunnen enorme voordelen en winstgevende resultaten worden behaald door het uitvoeren van wateractiviteitstesten volgens USP <922>. Neem contact op met Novasina of de distributeur in jouw regio om meer te weten te komen over de wateractiviteitsoplossingen die Novasina biedt.