Zersetzungs­reaktionen beherrschen

Stabilitätsbeeinträchtigende Veränderungen, die die Qualität eines Arzneimittels negativ beeinflussen, können aufgrund der zuweilen komplexen Rezepturzusammensetzungen vielfältige Ursachen haben. Meist werden die Instabilitäten in drei Kategorien unterteilt, nämlich in chemische, physikalische und mikrobielle. Tabelle 1 gib eine Übersicht über die einzelnen Reaktionen oder Vorgänge, die den entsprechenden Kategorien zugeordnet werden können. Es gibt eine ganze Reihe solcher Instabilitätsreaktionen, die im Rahmen dieses Artikels leider nicht alle besprochen werden können. Hier wird Fokus auf eine der wichtigsten chemischen Instabilitäten gelegt: die Hydrolyse. Hydrolytische Zersetzungsreaktionen können unter Umständen sehr schnell zu einem Abbau des aktiven Wirkstoffes mit signifikanter Änderung des Wirkstoffgehaltes in der Rezeptur führen. Leider ist es meist nicht möglich, das Auftreten einer Arzneistoffhydrolyse mit dem bloßen Auge zu erkennen. In der Regel sind hierfür aufwendige analytische Methoden wie eine chromatografische Untersuchung mittels HPLC notwendig, die aber in der offizinellen Rezeptur meist nicht zur Verfügung stehen. Vor diesem Hintergrund ist es wichtig, die Einflussfaktoren für hydrolytische Zersetzungsreaktionen genau zu kennen und sich im Klaren darüber zu werden, wie sich eine Rezeptur mit einem Hydrolyse-empfindlichen Arzneistoff direkt bei der Herstellung optimieren lässt, um die geforderte Qualität und natürlich auch Haltbarkeit zu erzielen.

Eine Vielzahl der in der Rezeptur verwendeten Wirkstoffe kann hydrolytischen Zersetzungsreaktionen unterliegen. Hierzu gehören Ester, wie sie zum Beispiel im Glucocorticoid Hydrocortisonacetat, in den Lokalanästhetika Procain und Tetracain oder auch in der Acetylsalicylsäure vorkommen. Auch Amid-Strukturen wie im Chloramphenicol oder Clindamycin sind Hydrolyse-empfindlich. Weiterhin können auch Lactone und Lactame, wie zum Beispiel Erythromycin, Penicilline oder auch Ascorbinsäure und ihre Derivate einem hydrolytischen Abbau unterliegen. Die Hydrolyse von Wirkstoffen läuft in der Regel säure- oder basekatalysiert ab. Daher ist die Reaktion dementsprechend stark pH-abhängig. Abbildung 1 zeigt schematisch die beiden Mechanismen der säure- bzw. basekatalysierten Hydrolysereaktion eines Esters.

oder in logarithmischer Form:

Hierbei steht C für die Konzentration des noch vorhandenen, also nicht zersetzten Arzneistoffs zum betrachteten Zeitpunkt t, und C₀ für die Anfangskonzentration des Wirkstoffs zum Zeitpunkt der Herstellung bei t = 0. k ist die Reaktionsgeschwindigkeitskonstante, in diesem Fall eine Geschwindigkeitskonstante erster Ordnung mit der Einheit Zeit^‒1. Aus Gleichung 1 wird deutlich, dass die Konzentration exponenziell mit der Zeit abnimmt. Die Reaktionsgeschwindigkeitskonstante lässt sich am einfachsten aus experimentellen Daten unter Verwendung von Gleichung 2 bestimmen. Bei halblogarithmischer Auftragung der Konzentration gegen die Zeit erhält man bei einer Reaktion erster Ordnung eine Gerade mit der Steigung –k und dem y-Achsenabschnitt ln C₀. Die grafischen Zusammenhänge sind in Abbildung 2 dargestellt.

Eine wichtige Größe, die bei Reaktionen erster oder pseudo-erster Ordnung häufig angegeben wird, ist die Halbwertszeit t_50%. Sie ist definiert als die Zeit, nach der die Hälfte des Wirkstoffs abgebaut ist. Die Halbwertszeit kann direkt aus der Reaktionsgeschwindigkeitskonstante mittels der folgenden einfachen Gleichung berechnet werden:

Neben der Halbwertszeit t_50% spielt bei Stabilitätsbetrachtungen auch die Zeit eine wichtige Rolle, innerhalb der der Wirkstoffgehalt auf 90% des deklarierten Wirkstoffgehalts abnimmt. Hintergrund ist, dass es international üblich ist, einen Wirkstoffrückgang um 10%, also auf 90% des deklarierten Wirkstoffgehalts, zu tolerieren, sofern natürlich hierbei keine toxischen Abbauprodukte entstehen [1, 2]. Die t_90% kann mittels der folgenden Formel berechnet werden:

Die Hydrolyse-Geschwindigkeit eines Arzneistoffes in einer pharmazeutischen Formulierung hängt von einer Vielzahl verschiedener Faktoren ab. Hierzu zählen insbesondere der pH-Wert, die Art und Konzentration von Puffersubstanzen und Hilfsstoffen, die Polarität des Lösungsmittels, die Temperatur und nicht zuletzt das Packmittel. Bei der Herstellung von Rezepturen ist vor allem der pH-Wert sehr wichtig. Der pH-Wert hat nicht nur Einfluss auf den Reaktionsmechanismus, sondern auch auf die Geschwindigkeit, mit der die Hydrolyse-Reaktion abläuft. Um diesen Zusammenhang grafisch darzustellen, wird meist ein sogenanntes pH-Zersetzungsdiagramm der Arzneistoffsubstanz erstellt. Hierbei wird die Reaktionsgeschwindigkeitskonstante k der Zersetzungsreaktion bei variierendem pH-Wert direkt gegen den pH-Wert aufgetragen. In Abbildung 3 ist ein solches Diagramm dargestellt. In diesem Beispiel ist deutlich zu erkennen, dass die Kurve der Geschwindigkeitskonstante gegen den pH-Wert ein Minimum durchläuft. Am pH-Wert dieses Minimums ist demnach die Geschwindigkeit der Hydrolyse-Reaktion am niedrigsten und der Wirkstoff im Hinblick auf einen hydrolytischen Abbau am stabilsten. In der Regel wird bei wässrigen Lösungen und wasserhaltigen halbfesten Formulierungen versucht, genau diesen pH-Wert durch geeignete Puffersubstanzen einzustellen. Allerdings ist das nicht in allen Fällen möglich, da der pH-Wert mit der niedrigsten Hydrolyse-Geschwindigkeit je nach Applikationsort eventuell nicht im physiologisch verträglichen Bereich liegt.

Ausführliche experimentelle Studien zur Kinetik der Hydrolyse-Reaktion von Erythromycin in wässriger Lösung bei unterschiedlichem pH-Wert finden sich in der wissenschaftlichen Literatur [4, 5, 8]. Legt man die hier publizierten Reaktionsgeschwindigkeitskonstanten und eine Reaktionskinetik pseudo-erster Ordnung zugrunde, können die Zersetzungskurven von Erythromycin in Abhängigkeit vom pH-Wert berechnet werden. Abbildung 4 zeigt eine Auswahl der entsprechenden Graphen berechnet mit den publizierten Geschwindigkeitskonstanten. Die Kurven verdeutlichen, dass bei der Herstellung von Erythromycin-Zubereitungen in der Rezeptur ein besonderes Augenmerk auf die pH-Einstellung zu legen ist. Eine Kombination mit sauer reagierenden Wirk- oder Hilfsstoffen, wie zum Beispiel Salicylsäure oder Milchsäure, muss unbedingt vermieden werden. Vorsicht ist auch bei fertig bezogenen wasserhaltigen Grundlagen für halbfeste dermale Zubereitungen geboten. Diese können durch eine Mischung aus Sorbinsäure und Kaliumsorbat vorkonserviert sein. Aufgrund des leicht sauren pH-Wertes, der sich durch diese Konservierung hier einstellt, sind solche Grundlagen für Erythromycin-Zubereitungen ungeeignet. Der sicherste Ausweg ist es, die wasserhaltigen Grundlagen selbst herzustellen und als konservierendes Agens 20% Propylenglykol bezogen auf den Wassergehalt hinzuzusetzen.

Im zweiten Schritt richtet man den Blick auf den Wirkstoff Metronidazol. In der wissenschaftlichen Literatur findet sich eine experimentelle Studie, in der die Stabilität von Metronidazol bei pH-Werten zwischen 2 und 9 und Temperaturen zwischen 30 und 45 °C untersucht wurde [12]. Leider sind keine Daten bei Raumtemperatur (25 °C) und Kühlschranktemperatur (2 bis 8 °C) publiziert. Diese können nun aber aus den veröffentlichten Daten unter der Annahme, dass sich die Reaktionsordnung mit der Temperatur nicht ändert, mittels des sogenannten Arrhenius-Plots abgeschätzt werden. Dem Arrhenius-Plot liegt die linearisierte Form der Arrhenius-Gleichung zugrunde. Die Arrhenius-Gleichung beschreibt die Temperaturabhängigkeit der Geschwindigkeitskonstante und lautet in exponenzieller Form

Durch Umformung ergibt sich die linearisierte Form

Abbildung 5 zeigt den Arrhenius-Plot unter Verwendung von publizierten Daten bei pH 8,0.

Im nächsten Schritt verwenden wir nun die aus dem Arrhenius-Plot bestimmten Geschwindigkeitskonstanten zusammen mit Gleichung 1, um den Verlauf der Metronidazol-Konzentration während der Lagerung der Zubereitung vorherzusagen. Wie in der Literatur beschrieben, kann man auch bei der Hydrolyse von Metronidazol von einer Reaktion pseudo-erster Ordnung ausgehen [12]. Von Interesse ist vor allem der Zeitraum der Aufbrauchsfrist, also der ersten vier Wochen. In Abbildung 6 ist dies nun detailliert dargestellt. Als Ergebnis lässt sich festhalten, dass bei einer Lagertemperatur von 25 °C nach vier Wochen nur noch ungefähr 86% Metronidazol vorhanden sind. Das bedeutet, dass bei einer Lagerung bei Raumtemperatur die Stabilitätsanforderungen an den Arzneistoff Metronidazol in unserer Kombinationsformulierung nicht erfüllt wären, da mehr als die zulässigen 10% abgebaut werden. Anders sieht es bei einer Lagerung im Kühlschrank bei 4 °C aus. Hier zeigen die Berechnungen, dass nach vier Wochen immer noch 97% des anfänglich eingearbeiteten Metronidazols vorhanden sind. An diesen Ausführungen wird deutlich, dass bei der Hydrophilen Erythromycin-Creme 2% mit Metronidazol 1% (NRF 11.138) ein pH-Wert von 8 in Kombination mit den Hinweisen zur Lagerung und Aufbrauchfrist aus Stabilitätssicht durchaus eine Kombination von Erythromycin und Metronidazol erlaubt.