Mechanical stability testing of spray freeze-dried particles

Abstract

A quota de mercado dos fármacos biológicos está a aumentar. Novas terapêuticas biológicas compõem uma grande percentagem das atuais moléculas em processo de investigação, desenvolvimento e de introdução no mercado, para além de serem a esmagadora maioria dos tratamentos inovadores. No entanto, estes medicamentos enfrentam desafios adicionais no seu processo de fabrico, muitas destas complexas macromoléculas são termolábeis e pouco resistentes a forças mecânicas. Daí resulta a necessidade de desenvolver e aperfeiçoar processos biotecnológicos mais eficazes. O Spray freeze-drying (SFD) é uma tecnologia promissora que permite novos e inovadores sistemas de libertação de fármaco e novas aplicações terapêuticas, com destaque para fármacos biológicos, para além de expandir a estabilidade do medicamento a longo prazo. No entanto, é necessário aprofundar os estudos sobre o processo de SFD para determinar a viabilidade de implementar esta tecnologia como o padrão de fabrico na indústria biofarmacêutica. A falta de informação sobre excipientes, concentrações, propriedades das partículas e métodos capazes de determinar a estabilidade mecânica do pó obtido a partir deste processo, necessita de ser resolvida. Neste estudo, soluções de manitol, trealose, sacarose, polietilenoglicol 10 000 e goma-arábica, em concentrações variáveis, foram atomizadas a frio num equipamento de leito fluidizado, seguida de liofilização a vácuo. As partículas resultantes foram analisadas quanto à sua estabilidade mecânica, porosidade e morfologia da superfície. Dos cinco excipientes estudados, as amostras de manitol acima de 5 % até 20 % e de PEG 10 000 entre 5 % e 15 % foram as que exibiram as melhores propriedades e que aparentam ser viáveis para uso generalizado em formulações de SFD. Neste estudo, apesar da sacarose e trealose aparentarem ser excipientes promissores, os resultados obtidos não foram relevantes. A goma-arábica foi um excipiente de difícil manuseamento, visto ser muito viscosa e difícil de filtrar, o que limita o seu uso em concentrações mais altas. Além disso, concluiu-se que há uma necessidade de se continuar a pesquisar novos métodos ou aprimorar métodos existentes, de maneira a otimizar os testes de estabilidade mecânica dos pós resultantes do processo de SFD.

Biopharmaceuticals are increasing their share in the pharmaceutical market. New biologic therapies make up a large percentage of the current molecules in the drug discovery, development and distribution pipeline and are the majority of breakthrough treatments. Nevertheless, these complex macromolecules face additional challenges in the manufacturing process of the drug product, as most of them are thermolabile and present poor resistance to mechanical forces, thus, the need for the development and improvement of refined biotechnological processes. Spray freeze-drying is a promising technology that enables new and innovative drug delivery systems and therapeutics uses for biologics, in addition to expanding their long-term stability. However, it is necessary to deepen the research on SFD to determine the viability of implementing this technology as a standard in the biopharmaceutical manufacturing industry. Therefore, more information regarding excipients, concentrations, particle properties and methods capable to determine the mechanical stability of the final powder obtained from this process, is needed. For that purpose, solutions of mannitol, trehalose, sucrose, polyethylene glycol 10 000 and arabic gum in variable concentrations, were sprayed into a cooled spray tower, followed by vacuum freeze-drying. The final particles were analysed for mechanical stability, porosity and surface morphology. From the five studied excipients, the samples higher than 5 % mannitol and up to 20 % mannitol and between 5 % PEG 10 000 and 15 % PEG 10 000 exhibited the best particle properties and are feasible to use in widespread applications in future SFD formulations. Sucrose and trehalose SFD samples although unsuccessful showed promising opportunities when combined with other sugars or other excipients. Arabic gum was a challenging excipient to work with as it was too viscous and difficult to filtrate, which limited its use in higher concentrations. Furthermore, it was concluded that there is a need to continue researching new methods or improve existing methods to optimize the mechanical stability testing of SFD powders.