“假”多晶型“真”的有用—溶剂化物晶型分类及应用

2022/6/13 17:44:17
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前言：溶剂化物（包括水合物）也称为假多晶型。统计表明，约有33%药物化合物在结晶中会形成的水合物，而约10%药物化合物在结晶中会形成（非水）溶剂化物。水合物对于药物的安全性上没有任何影响，很多上市药物均以水合物形式存在。溶剂化物则需要考虑有机溶剂安全性问题，通常溶剂化物通过脱溶剂作用或其他转化作用，可以作为一种筛选物理化学性质优异的晶型的一种有效途径。因此药物溶剂化物的研究，同样是晶型研究的重要组成部分。

1.晶体与溶剂之间相互物理作用

晶体与溶剂间相互物理作用主要有如下三种：

物理吸附：包括表面吸附和晶体缺陷吸附；吸附的溶剂可以通过干燥、洗涤或者控制结晶工艺，相对较容易去除；

液体包含：物理包含溶液进入晶胞空隙中，这种溶剂残留比较难除去；

进入晶格内部：溶剂进入晶格内部形成溶剂化物，即“假多晶型”。

图1 晶体与溶剂之间相互物理作用的示意图

“溶剂化物”本质上区别于“溶剂的物理吸附”和“溶剂液滴包含”，前者属于多晶型范畴，溶剂是晶胞结构的一部分。而后者研究属于常规意义上的“溶剂残留”的范畴。

2. 溶剂化物（包含水合物）的类型及特点

前一节提到，溶剂化物是指“有机溶剂”或“水”进入晶格内部的情形，按照溶剂进入晶格后与化合物主体的作用力形式，溶剂化物分为独立位点型、通道型、络合型。

独立位点的溶剂化物(也称空穴型溶剂化物）

独立位点型溶剂化物微观结构特点（即单晶结构中分子间物理作用形式）：晶格内的溶剂分子只与药物化合物分子发生相互作用；而溶剂分子与溶剂分子间不存在直接的相互作用。从微观作用力角度，进一步表明，进入晶格内的溶剂分子，性质已经完全不同于常规意义的“溶剂”了。

图2 独立位点溶剂化物（来源，吕杨，杜冠华《晶型药物》）

如果没有单晶结构，研究中可以结合多种分析图谱的特点判断其类型；独立位点的溶剂化物，其DSC/TGA图谱的形态特点：a: DSC图谱的脱溶剂峰“较尖锐””；b: TGA图谱质量损失过程“比较快”；c: 脱溶剂温度点与溶剂分子沸点关系不大；

同时由于溶剂分子与主体化合物分子间的氢键作用对于维系整个晶胞结构的稳定性起到关键作用。因此，该类溶剂化物脱除溶剂过程中，一般都会伴随原始晶胞结构的崩塌而形成无定形或发生转晶。

通道型溶剂化物 (隧道型溶剂化物）

通道型微观结构特点：溶剂分子存在于晶胞的隧道中，沿着某一方向溶剂分子与溶剂分子相互作用，成链状排布形成独立“通道”结构；这种通道型结构可以随外界温度/湿度变化，动态的“闭合”与“打开”，当溶剂通道处于打开状态时，则通道中可以吸附或脱除多余的溶剂；

图3 通道型溶剂化物的结构

其DSC/TGA图谱的形态特点：a: DSC图谱脱溶剂峰较宽（鼓包型）；b: TGA图谱脱溶剂过程“缓慢”；c:起始脱溶剂温度点低于溶剂沸点温度；该类溶剂化物中，溶剂分子在范德华力作用下填充于晶体的空腔内，并不参与晶胞网络的构建，因此溶剂含量对晶胞结构的影响比较少，即脱溶剂过程中，XRD图谱变化甚微。

络合型溶剂化物 (又称离子型溶剂化物）

图4离子型溶剂化物的结构

离子型溶剂化物微观结构特点：溶剂分子与金属阳离子通过氢键的作用形成络合物。离子型溶剂化物中存在金属离子，其DSC/TGA一般具有较高的脱溶剂温度。

需要指出的是，同一个溶剂化物分子，可能有两种及以上的类型。如抗心衰重磅共晶药物LCZ296，是水合物，但其两种类型的水合物：通道型和络合型，其TGA图谱有两个脱水台阶，即脱水是分两步进行的。了解溶剂化物的类型，对于溶剂化物的应用及转晶行为的研究具有指导意义。

3. 溶剂化物应用的思考

水合物晶型的应用与非溶剂化物晶型的应用无异。通道型水合物因为含水量会随着环境而改变，可能会存在稳定性问题，因此需要特别的着重研究包材和储存条件以确保通道型水合物的稳定性。接下来主要讨论有机溶剂化物（非水合物）的应用。

鉴于溶剂残留引起的毒副作用的考虑，对于药物的溶剂化物的应用一直比较谨慎。

通常药物溶剂化物的研究策略是：通过脱溶剂作用或其他转化作用研究，作为一种筛选物理化学性质优异的晶型的一种有效途径[3]。如头孢羟氨苄DMF溶剂化物（头孢羟氨苄N，N-二甲基甲酰胺溶剂化物），在水中可以转晶为头孢羟氨苄一水合物晶型，且转晶得到的一水合物晶体形貌较优[6]。

图5 头孢羟氨苄DMF溶剂化物转变为一水合物晶型过程的电镜图

对于通道型溶剂化物，最常用的方法是通过干燥脱除溶剂的方法获得非溶剂化物晶型；独立位点型溶剂化物和络合型溶剂化物，干燥脱除溶剂常常会得到无定型，这两类溶剂化物在不同溶剂的介导下，均可能发生转晶而得到新的晶型或者目标非溶剂化物晶型。

除此之外，有机药物溶剂化物本身能作为API进行申报或备案或申请专利保护吗？接下来的内容是对溶剂化物本身的应用的思考。

药物的溶剂化物能作为API申报或备案吗？

ICHQ3C溶剂残留指导原则中表明：“在合成原料药中选择适当的溶剂可提高产量或决定药物的性质，如晶型。纯度和溶解度。因此，溶剂是合成中非常关键的因素。本指导原则所指的溶剂不是谨慎地用作赋形剂的溶剂，也不是溶剂化物，然而在这些制剂中的溶剂含量也应进行测定，并作出合理的判断”。从上述法规上来看，ICHQ3C没有明确规定溶剂化合物不可以作为API申报，但强调制剂药物产品必须监控是否有溶剂残留，保证药物产品的安全性。

CTD-3.2.S.3资料API的理化性质的技术要求中提到的API物理形态的描述如下：“将用于制剂生产的物理形态（如多晶型、溶剂化物或水合物），粒度等，如有可靠来源，对于固体制药的原料药，应尽量明确BCS分类”。即原料药API申报资料模板中规定，需要指出用于制剂生产的物理形态，该物理形态可以是任何固体形式：多晶型、溶剂化物、无定形等。

新《药品注册管理办法》[1]中原辅包共同审评审批，更多的关注制剂终产品的质量。即API作为溶剂化物，溶剂对安全性的影响原则上不作为卡线指标。

因此，从法规的角度上来看，如果制剂过程中能去除溶剂化物中的“有机溶剂”， API申报为溶剂化物，那么从安全性上来讲也是可行的。例如已上市的抗丙肝药物“复方索非布韦雷迪帕韦片”，其中一种原料药“雷迪帕韦”的API固体形式是溶剂化物形式，即吉利德最终提供制剂生产的原料药固体形态为“雷迪帕韦丙酮溶剂化物”。在制剂中，将原料药“雷迪帕韦丙酮溶剂化物”和辅料溶解在乙醇中，利用喷雾干燥制备“固体分散体”制剂，通过制剂过程，保证了药物制剂产品中的其溶剂残留合格—丙酮≤0.002%w/w、乙醇≤0.08%w/w。吉利德之所以选择丙酮溶剂化物作为API的固体形式，是因为在已发现的十几种晶型中，非溶剂化物稳定性均较差，丙酮溶剂化物稳定性较优[2]。所以，对于可以去除溶剂的制剂过程，如热熔挤出、喷雾干燥、固体分散体技术等，API的物理形态，是可以选择为溶剂化物形式。

综上所述，对于新药申请（AND），选择溶剂化物作为API物理形式，主要需要从溶剂化物的理化性质上着重说明选择的必要性（如溶剂化物稳定性、粒度分布、晶习等），选择溶剂化物作为API物理形式可行性较高；而对于仿制药来说，如果原研API使用的是非溶剂化物，仿制药企业选择溶剂化物作为API的物理形式，则必须强调“溶剂化物”的优势，审评不会因为“绕专利”等经济问题而降低审评的标准，所以难度很大，几乎行不通。

药物晶型的溶剂化物能申请专利保护吗？

专利审查过程中，着重需要考察的是溶剂化物作为新晶型专利申请的“新颖性和创造性”。专利审查员不会因为溶剂化物可能引起的药物安全性问题而否定申请。所以溶剂化物作为新晶型专利申请，理论上技术难度与其他类型的晶型申请专利保护没有太明显的区别。溶剂化物申请新晶型专利的情形主要有以下几种：

溶剂化物有可能成为制剂生产的物理形态：这种就是前一小节讲的类型，这一类更多涉及的是新药晶型的保护。如雷迪帕韦丙酮溶剂化物晶型是有专门的晶型专利保护（CN 201610111865.4）。

溶剂化物晶型是制备特定“非溶剂化物晶型”的前体，如干燥脱溶剂或者溶剂替换转晶后可以得到稳定的非溶剂化物晶型。理论上，水合物和非溶剂化物晶型，都有成药性的可能，对于有成药性可能的晶型都应该布局专利保护。

溶剂化物晶型，作为一种新的晶型类型，仅仅在专利中公开，而无权利要求保护，这一类在仿制药晶型专利里非常常见。

理论上，溶剂剂化物作为新晶型专利申请，技术难度与其他类型的晶型申请专利保护没有太明显的区别。

备注：水合物广义上是溶剂化物的一种：即溶剂化物中的溶剂是“水”的溶剂化物。但水合物晶型的应用与非溶剂化物晶型的应用无异，常常“水合物”被单独归为一类讨论。因此本文提到的“溶剂化物”特指进入晶胞结构中的溶剂是“有机溶剂”，而水合物特指进入晶胞结构的溶剂是水。

结后语：本文是作者分享的第三篇晶型研究相关的文稿。文章均为个人经验的总结，难免会有纰漏，欢迎读者积极讨论、批评指正。

参考文献：

[1] http://www.doc88.com/p-6857679122949.html

[2] 吕杨，杜冠华《晶型药物》）

[3]《药品注册管理办法》2020年7月1日实施版；

[4] CN 201610111865.4

[5] 冉媛媛. 克林霉素磷酸酯溶剂化物转化研究[D]. 2014.

[6] Wang X, Wu S, Dong W, et al. In situ monitoring of the solvent-mediated transformation of cefadroxil DMF solvate into monohydrate[J]. Organic Process Research & Development, 2013, 17(9): 1110-1116.

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