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Evaluación del impacto de la esterilización en formulaciones de gel

INVESTIGACIÓN ARBITRADA: IMPACTO DE LA ESTERILIZACIÓN



Nicole Steiner-Reischütz, Michael Pyerin, Chrysoula Kanakaki, Daniela Neubert, Michael Washüttl y Michael Krainz

La investigación sugiere que la radiación tiene un impacto significativo en la composición y reología de los geles medicinales a base de hidroxietilcelulosa.

E
studios recientes evaluaron los efectos que tienen diferentes métodos de esterilización en los principios activos presentes en cuatro geles a base de hidroxietilcelulosa. Se estudiaron las propiedades físicas y químicas como reología, formación de color, formación de compuestos volátiles de bajo peso molecular y degradación del API. Este artículo resume los hallazgos.

Para asegurar resultados imparciales, cuatro muestras de geles con la misma composición básica fueron esterilizados. Una muestra contenía dos APIs, Lidocaína y Clorhexidina; dos geles contenían solo uno de esos APIs; mientras que el cuarto gel no contenía ningún principio activo.

Las muestras fueron esterilizadas usando métodos con vapor caliente, radiación gamma y haz de electrones (con dosis medidas en kiloGrays, kGy). Las dosis de radiación fueron de 5, 10 y 25 kGy para el proceso de esterilización gamma y 5 y 25 kGy para el de haz de electrones. Se usaron geles no esterilizados de cada tipo como blancos. Para comparar, fueron analizados otros cuatro geles comercialmente disponibles, esterilizados por radiación y después analizados otra vez después de un paso adicional de esterilización gamma, llevado a cabo a 5 y 25 kGy.

Los productos medicinales estériles pueden ser esterilizados de dos maneras, ya sea mediante métodos terminales (es decir, con el producto en su contenedor final) o mediante procesamiento aséptico (1). Cual sea el enfoque de esterilización usado, el proceso debe ser validado para verificar que efectivamente y de forma confiable elimina cualquier microorganismo que podría estar presente en el producto (2).

Los métodos de esterilización por calor, radiación, ya sea haz de electrones o radiación gamma y vapor, son los más frecuentemente usados para esterilizar medicamentos. Normalmente se prefiere la esterilización por calor (1); sin embargo, un procesamiento exitoso no se logra solamente alcanzando un nivel de garantía de esterilidad de 10-6. La esterilización no debería alterar o afectar al producto, el cual podría reducir su eficacia e incluso dañar a los pacientes (2).

Los cambios en el producto pueden ser evidenciados por cambios en el color o la degradación de los ingredientes en la formulación. Además, la radiación también puede dar lugar en nuevos compuestos de los cuales se debe evaluar el impacto potencialmente tóxico.

La radiación, un proceso físico que no involucra el calentamiento de la muestra, se usa con frecuencia para esterilizar productos farmacéuticos. En el pasado, una dosis mínima de 25 kGy se usaba de rutina para esterilizar muchos productos farmacéuticos y tejidos biológicos. Sin embargo, hoy en día, la dosis es determinada por el producto y el tipo específico de contaminante, como se recomienda por la Organización Internacional para la Normalización (ISO, por sus siglas en inglés) (3).



Además de la evaluación del posible impacto de la esterilización en los productos, se debe considerar también su efecto en los materiales de empaque y componentes. Cada polímero y sustancia química reacciona de manera diferente a la radiación, por lo tanto, es importante verificar que la dosis que se está usando no afecta la calidad, seguridad o eficiencia del producto durante su vida útil planeada (4).

Los autores realizaron una investigación para evaluar los efectos de ciertos métodos de esterilización en diferentes geles lubricantes con composiciones similares. Todos los lubricantes eran a base de hidroxietilcelulosa, y también se evaluaron geles medicinales disponibles comercialmente para comparación. La Tabla I muestra los métodos de esterilización que fueron evaluados.

Este trabajo no consideró la eficacia de los métodos de esterilización por sí mismos, sino que se centró en demostrar cuales fueron los cambios físicos químicos y si se produjeron debido a diferentes métodos de esterilización y dosis de radiación. Los resultados se resumen en la Tabla II.

La investigación se enfocó en los cambios en la reología, la viscosidad, el color y el olor, así como en la formación de productos de descomposición volátiles y midió la estabilidad de los ingredientes activos Lidocaína y Clorhexidina contenidos en la mayoría de las formulaciones que se evaluaron.

Materiales y métodos
Procedimiento experimental. La investigación implicó la realización de los siguientes procedimientos:
 

  • Esterilización de las muestras—radiación gamma, haz de electrones, vapor. Para detectar la influencia de los diferentes métodos de esterilización e incluir cualquier reacción secundaria que pudiera haber ocurrido debido a esta influencia, las muestras de gel se almacenaron a temperatura ambiente durante un mes después de haber sido esterilizadas. El objetivo era lograr una disminución de los procesos de degradación química que se produjeron como resultado de la radiación.
  • Determinación del comportamiento de degradación de lidocaína y clorhexidina usando métodos de cromatografía líquida de alta resolución (HPLC).
  • Análisis por HPLC-UV/Visible. Se usaron un sistema de HPLC (Thermo Fisher) y un detector de longitud de onda variable para evaluar las muestras. La separación se logró en una columna analítica C18 100A, 150 x 4.6 mm, 00F-4462-E0 de 2,6 µm (Kinetex, Thermo Fisher). La fase móvil fue ácido trifluoroacético al 0,1% en de acetonitrilo (ACN) al 20% en de agua al 80% durante los primeros 2 min. Luego, la concentración de ACN se incrementó gradualmente hasta 90% y 10% de agua a los 20 minutos. Cada análisis se ejecutó durante 25 min. La velocidad de flujo fue de 1.2 mL/min. y el volumen de inyección fue de 10 μL. La longitud de onda de detección fue de 254 nm. Antes del análisis, las muestras se diluyeron 1:10 en ácido trifluoroacético al 0.1% en ACN al 20% y agua al 80%.
  • Determinación de sustancias volátiles y semi-volátiles por cromatografía de gases/espectroscopía de masas (GC/MS).

Método 1: Espacio de cabeza por GC/MS. Se utilizó un sistema de GC (7890A GC, Agilent Technologies), acoplado a un detector selectivo de masas (5975C inert XL MSD, Agilent Technologies), para realizar un análisis del espacios de cabeza por HS-GC/MS. Se utilizó una columna capilar DB-624, con una columna capilar de 320 μm x 1.8 μm y helio como acarreador. El análisis se realizó a 250 °C.

Inicialmente, la temperatura del horno se mantuvo a 40 °C durante 2 minutos y luego se incrementó a una razón de 5 °C/min. hasta 220 °C y se mantuvo a temperatura constante durante 2 min. El modo de inyección utilizado fue dividido, con una proporción 20:1 de muestra ingresando a la columna. Se utilizó la biblioteca del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST, por sus siglas en inglés) para estimar las estructuras. Se utilizó una calibración externa para cuantificar los resultados, por lo que las concentraciones se dan como equivalentes de tolueno.

Método 2: Cromatografía de gases/detector de ionización de llama/espectrometría de masas (GC/FID/MS).
El análisis GC/FID/MS usando inyección líquida, se realizó utilizando un sistema de GC (7890A GC, Agilent Technologies) acoplado a un detector selectivo de masas (5975C inert XL MSD con ZW-WAX Plus, Agilent Technologies) a 250 °C. Se usó una columna capilar de 30 m x 250 µm x 0.5 µm, con helio como gas acarreador.

Para GC, la temperatura del inyector se mantuvo a 270 °C. La temperatura del horno se mantuvo a 50 °C durante 2 minutos, luego se incrementó gradualmente a un razón de 10 °C/min hasta 240 °C y se mantuvo constante a esta temperatura durante 39 min. El modo de inyección utilizado no fue por separado. Los compuestos se identificaron a través de la biblioteca del NIST y la cuantificación se realizó mediante una calibración externa, por lo que las concentraciones se dan como equivalentes de tolueno

Análisis del comportamiento reológico.
La reología de la muestra se analizó mediante un reómetro universal (MCR 500, Anton-Paar Physica) mediante un sistema de placa giratoria en rotación a 23 °C. Se usó una velocidad de corte en el rango de 1 a 1000 1/s como un objetivo de medición. La viscosidad dinámica frente a la velocidad de corte se utilizó para estudiar las muestras en diferentes condiciones.









Medición fotométrica de la formación de color. Se usó un lector de microplacas multidetector (Victor 3 -1420-011, Perkin Elmer) para determinar la absorbancia a 405 nm para todas las muestras que se analizaron.

Resultados y discusión
Determinación del comportamiento de degradación de Lidocaína y Clorhexidina por HPLC.
Se demostró que un aumento de la dosis de radiación disminuye la cantidad de los principios activos Lidocaína y Clorhexidina en todas las muestras que contenían uno o ambos activos. La disminución de las concentraciones de Clorhexidina fue particularmente evidente, mientras que la Lidocaína pareció ser más resistente a los efectos de la radiación.

Mientras que las concentraciones de principios activos disminuyeron, la suma de los productos de degradación relacionados con el fármaco, aumentó a dosis de radiación más elevadas, aunque el aumento en las concentraciones de los productos de degradación investigados no fue tan alto como la pérdida de Clorhexidina y Lidocaína. La esterilización con vapor no causó una degradación significativa de Lidocaína o Clorhexidina en este estudio.

La comparación de los resultados de las muestras de prueba 1-3 utilizando esterilización con vapor y radiación mostró que los productos solo se veían mínimamente afectados por la esterilización por vapor, mientras que la radiación inducía cambios significativos.

Por ejemplo, después de la esterilización por radiación gamma, se encontró que la Lidocaína se degradaba hasta en un 10% a 25 kGy, mientras que la Clorhexidina estaba sujeta a una fuerte degradación de hasta 77% a 25 kGy. Se encontraron resultados similares para la esterilización con haz de electrones, con una pérdida de principio activo proporcional a la intensidad de la radiación. Usando una proporción de dosis de 25 kGy, la pérdida de Clorhexidina fue superior a 55%. A 5 kGy, la pérdida varió entre 7% y 33%.

Durante la radiación, surgen productos de degradación de Lidocaína y Clorhexidina, que no corresponden a los productos de degradación discutidos en el Anexo de GMP de la Unión Europea (1), ya que el balance de masa del principio activo y las impurezas conocidas no es completo.

Como resultado, la mayoría de los productos de descomposición no son detectables bajo las condiciones especificadas por HPLC -UV/VIS y por lo tanto, no serán visibles en el balance de masa. Para todas las muestras evaluadas, un aumento en la dosis de radiación dio como resultado un aumento en la suma y concentración de compuestos orgánicos volátiles detectados. Esto, debido a la degradación química.

Para las muestras esterilizadas con vapor, no se observó aumentos o solo pequeños aumentos en la suma de compuestos orgánicos volátiles, en comparación con las concentraciones en productos no esterilizados. Sin embargo, a una intensidad de irradiación de 5 kGy, se observó claramente un aumento en la cantidad, así como en la concentración de compuestos volátiles en todas las muestras de gel. Este aumento fue mucho mayor después de la exposición a una dosis de 25 kGy, en comparación con las muestras originales.

Uso de GC/MS para determinar las concentraciones de sustancias volátiles y semi-volátiles
Usando GC/FID/MS, dependiendo de la intensidad de la radiación y el método de esterilización, solo se encontraron diferencias leves en los patrones de gel investigados. La concentración de 1-hidroxi-2-propanona y 3-metoxi-1,2propanodiol aumentó con una mayor dosis de radiación mediante el tratamiento con haz de electrones. El 3-metoxi-1,2propanodiol no pudo identificarse en la muestra no estéril. La sustancia muestra casi las mismas concentraciones en muestras irradiadas con radiación gamma y esterilizadas con vapor, independientemente de la dosis de radiación.

Impacto de la esterilización por haz de electrones
La concentración después de la esterilización con haz de electrones fue tres veces mayor, mientras que se detectó un ligero aumento con la dosis de radiación más alta. Se detectó un aumento de 1-hidroxi-2-propanona con una dosis de radiación más alta. La influencia es más significativa para las muestras irradiadas con radiación gamma que para las muestras tratadas con haz de electrones. La esterilización con vapor no afectó la concentración de 1-hidroxi-2-propanona (ver Figura 1).

El análisis de los productos de degradación (hidroxietilcelulosa y glicerol) después de la radiación, mostró un aumento en el número de sustancias oxigenadas de bajo peso molecular, también dependiendo de la dosis de radiación. Todos los compuestos se detectaron en un rango de ppm, pero la generación de estas sustancias pareció aumentar en muestras con mayores concentraciones de API a dosis más altas de radiación. En particular, se detectaron alcoholes de cadena corta, aldehídos y cetonas, cada uno con un olor característico. La desviación del olor fue especialmente perceptible después de la esterilización gamma.

Análisis del comportamiento reológico
La viscosidad de todos los lubricantes disminuye significativamente a mayores dosis de radiación. Este cambio fue particularmente evidente al comparar las muestras 1-4 después de la irradiación gamma a 5, 10 y 25 kGy, con las muestras no estériles. La disminución de la viscosidad fue menos pronunciada después de la irradiación por haz de electrones. Independientemente del principio activo contenido en los geles, la reología de las muestras 1-4 esterilizadas por vapor, apenas difiere de la de los geles sin tratar. Sin embargo, después de la esterilización gamma, se observaron disminuciones significativas en la viscosidad en todos los geles (1-4) a medida que aumentaba la dosis de radiación (ver Figura 2). Esto se correlaciona con el aumento de los productos de degradación detectados de la hidroxietilcelulosa, lo cual sugiere degradación de la cadena del polímero. Sin embargo, no se midió explícitamente la longitud de las cadenas poliméricas después de la degradación.

Medición fotométrica de la generación de color
Dependiendo de los principios activos presentes en el gel, hubo diferencias en la intensidad del color de las muestras irradiadas. La decoloración ya se ha detectado después de la radiación con 5 kGy. Las matrices de gel que contienen Clorhexidina muestran un mayor grado de color amarillento que las muestras que contienen solo lidocaína. En contraste, la radiación con 25 kGy no causa decoloración sin la adición de Lidocaína y Clorhexidina (ver Figura 3).

Conclusión
De acuerdo a la EN ISO 11137-2:2015 (3), en el caso de una carga biológica de 0.1, se necesita una dosis de esterilización de 11 kGy para garantizar un nivel de confianza de esterilidad de 10-6 unidades formadoras de colonias (UFC) (5). Si se usa una dosis de radiación de 25 kGy para esterilizar los geles medicinales examinados en este estudio, debe indicarse que la esterilización gamma conduce a un cambio químico masivo, en particular en la concentración de los principios activos. En algunos casos, también puede provocar olor y cambios físicos importantes, especialmente en términos de viscosidad y color. Los efectos ya son detectables a niveles de dosificación de 5 kGy.

Para los geles lubricantes medicinales a base de hidroxietilcelulosa, la esterilización con vapor es claramente una mejor opción si el producto final debe permanecer intacto. Se ha demostrado que este método de esterilización produce relativamente pocas reacciones de degradación.

Nicole Steiner-Reischütz
es coordinadora; Michael Pyerin es jefe de farmacéuticos, dispositivos médicos e higiene; Chrysoula Kanakaki es analista de cromatografía de gases; Daniela Neubert es analista de cromatografía líquida; Michael Washüttl es jefe de empaque; Michael Krainz es gerente de proyectos de empaque; todos en OFI Technologie & Innovation GmbH en Viena.

Recibido: 18 de mayo de 2017.

Aceptado: 8 de febrero de 2018.

Referencias
1. European Commission (EC), EudraLex, Current Good Manufacturing Practices (cGMPs) Annex 1: Manufacture of Sterile Medicinal Products–Revision November 2008, EC–Enterprise and Industry Directorate General–Consumer Goods–Pharmaceuticals.
2. A. Hammad, Trends in Radiation Sterilization of Health Care Products; Chapter 8.1. Page 119 (National Center for Radiation Research and Technology [NCRRT], International Atomic Energy Agency, 2008).
3. ISO, “EN ISO 11137-2, Sterilization of Healthcare Products - Radiation- Part 2: Establishing the Sterilization Dose,” November 2015.
4. EMA Guideline 3AQ4a, The Use of Ionizing Radiation in the Manufacture of Medicinal Products, 1992 (Legislative basis Directive 75/318/EEC), gmp-compliance.org, www.emaea.europa.eu, www.gmp-compliance.org/guidemgr/files/3AQ4AEN.PDF
5. Sterigenics, Oak Brook, IL www.sterigenics.com, Guidelines for Validation Radiation Sterilization, Press Release, 2015, www.sterigenics.com/services/medical_sterilization/contract_sterilization/guidelines_for_validation__radiation_sterilization.pdf
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