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固体脂质纳米颗粒(SLNP)冻干保护剂筛选与冻干工艺优化

更新时间:2023-11-22   点击次数:456次

脂质纳米颗粒 (LNP) 作为一种药物递送系统,因novel coronavirusmRNA疫苗广受关注。此前,艾伟拓产品团队已围绕LNP的脂质组分,非脂质组分,靶向递送,制剂prescription等方面进行了深度解读。


上一期,我们分享了《mRNA-LNP制剂中缓冲体系的筛选与评估》,简要阐述了LNP制剂prescription研发过程中缓冲体系选择的重要性。


为提升脂质纳米颗粒制剂的稳定性,除了缓冲体系的选择外,开发冻干剂型也是一个具有潜力的研究方向,此前艾伟拓产品团队也进行过多次分享。


本次艾伟拓产品团队为您介绍来自比利时安特卫普大学的研究者们发表在International Journal of Pharmaceutics(国际药剂学杂志)上的,关于固体脂质纳米颗粒(Solid lipid nanoparticles,SLN)冻干保护剂筛选与冻干工艺优化的新研究成果。


1、冻干可提升SLN制剂稳定性


固体脂质纳米粒(Solid lipid nanoparticles,SLN)是20世纪90年代初发展起来的亚微粒给药系统,是指粒径在10~1000 nm,以毒性低、生物相容性好、生物可降解的固态天然或合成的类脂为载体,将药物吸附或包裹于脂质膜中制成的纳米给药系统。


固体脂质纳米颗粒通常悬浮于水溶液中。当长期储存时,它们在物理和化学上是不稳定的。这些不稳定性阻碍了药物开发。


上述不稳定性问题可以通过冻干工艺除去水来避免,将固体脂质纳米颗粒(SLN)悬浮液转化为固体冻干粉,从而提升制剂稳定性,便于存储和运输。


2、冻干SLN需添加冻干保护剂以提升稳定性


冻干可能会对固体脂质纳米颗粒产生一些不稳定应力。冷冻保护剂和/或冻干保护剂通常添加到制剂prescription中,以保护纳米载体免受这些冷冻干燥应力的影响,并维持固体脂质纳米颗粒的理化性质与生物学活性。


选择的保护剂是糖类,因为它们在冷冻过程中容易玻璃化,具有相对的化学惰性,并影响制剂的玻璃化转变温度(Tg’和Tg),这是优化冻干工艺的重要参数。此外,糖类保护剂可以提高冻干蛋糕的再分散性。


该研究以塞来昔布为模型化合物,包裹在固体脂质纳米颗粒中。


3、冻干保护剂种类和浓度的筛选


基于此前文献报道,从以下10种保护剂中,筛选合适的品种和浓度:


10种低温保护剂:


三种单糖(葡萄糖、果糖和甘露糖)、四种双糖(海藻糖、麦芽糖、蔗糖和乳糖)和三种多元醇(甘露醇、山梨醇和甘油);


三种不同浓度:


0.5:1、1:1和1.5:1(冷冻保护剂:脂质重量比)。


研究发现,多元醇在维持粒径方面效果差,尤其是甘露醇,三个浓度实验组中SLN粒径都未能维持在纳米范围内。一种可能的解释是甘露醇结晶导致低温浓缩相分离,进而导致SLNP不稳定。此外,甘露醇结晶和冰晶可以引发机械应力,导致纳米颗粒融合。


糖类作为低温保护剂的性能优于多元醇,糖类保护剂能更有效地保护固体脂质纳米颗粒免受冻干应力的影响。在冷冻干燥过程中,由于纳米颗粒被玻璃状基质包围,糖类作为固体脂质纳米颗粒之间的间隔物,阻碍颗粒互相粘着,直到达到玻璃化转变温度。在干燥过程中,糖开始与纳米颗粒表面的极性基团形成氢键,作为水分子的替代品。


筛选实验数据表明,重量比为1:1(保护剂:脂质)是有效的保护剂浓度。根据颗粒大小、SF/SI比、zeta电位、冻干外观等因素,选择麦芽糖、蔗糖、海藻糖进行进一步冻干工艺优化。


值得注意的是,所选择的三种保护剂都是双糖,与其他文献中描述的一致,双糖比单糖更能保持脂质纳米颗粒的稳定性。这是因为单糖在冷冻时结晶,导致保护剂和固体脂质纳米颗粒之间的相互作用更少。而双糖可以在无定形状态下固化,SLN和保护剂的无定形态有利于它们之间的氢键大化。


4、稳定性研究


在6个月的时间里,对冷冻干燥的固体脂质纳米颗粒进行了zeta电位、粒径、包裹效率、热性能和剩余水分含量的评估。加入不同冷冻保护剂(海藻糖、麦芽糖和蔗糖)的冷冻干燥固体脂质纳米颗粒在4±2℃和25±2℃/60±2% RH下保存。


根据粒径和SF/SI比,固体脂质纳米颗粒冷冻干燥的佳储存温度为4℃。当使用海藻糖作为低温保护剂时,粒径的增加不明显,而当使用蔗糖时,粒径的增加明显。


测定了冻干制剂的残余水分含量。储存1个月后,在两种储存温度下所有配方的含水量均增加。25℃下样品含水量的增加比在4℃下更为突出。这可能是由于胶塞中的水分释放和西林瓶密封性不足等。由于储存过程中水分吸附,冻干制剂的Tg会降低到低于储存温度,从而导致制剂的不稳定性加速。


用差示扫描量热法(DSC)和x射线衍射对热性能进行了表征。


使用海藻糖作为保护剂的固体脂质纳米颗粒在4℃下保存的结果显示,塞来昔布在所有时间点都没有出现吸热融化峰,说明塞来昔布处于无定形状态或被包裹在固体脂质纳米颗粒中处于溶解状态。


麦芽糖实验组在6个月后出现了麦芽糖的吸热熔化峰,表明麦芽糖已经从无定形转变为结晶性质。


蔗糖实验组保存3个月后,两种温度下样品均出现塞来昔布吸热峰,说明以蔗糖为保护剂的SLN冻干制剂在保存过程中不稳定。



稳定性研究的DSC热像图;

(A)海藻糖;(B)麦芽糖;(C)蔗糖


用x射线衍射研究了晶体的晶格和多晶的表征。冻干保护剂在储存过程中的结晶会使固体脂质纳米颗粒不稳定,因为固体脂质纳米颗粒和无定形状态的冷冻保护剂能够更好地形成氢键,从而更好的提升SLN稳定性。在25℃的储存温度下,各实验组特征峰强度均减弱,表示样品发生聚集,这意味着冻干固体脂质纳米颗粒在25℃不稳定,与DSC结果一致。


稳定性的XRD谱图研究;

(A)海藻糖;(B)麦芽糖;(C)蔗糖


总之,基于颗粒大小,zeta电位和热性能,在4℃下储存的冷冻干燥固体脂质纳米颗粒表现出大的稳定性。


此外,海藻糖作为冻干保护剂在所有参数上都表现出佳的效果,包括小的粒径、佳的zeta电位和高的包封效率。这可以通过海藻糖与其他糖相比的优势来解释,例如较高的水合性,较高的Tg '和较小的吸湿性。


此外,在4℃下,所有SLN配方的XRD图谱都证明了冻干饼是无定形的。这些结果和DSC热图很好地吻合,证实海藻糖作为冻干保护剂在4℃的储存温度下表现出对固体脂质纳米颗粒具有优良的稳定保护作用。


5、小结


该研究中,研究者以塞来昔布为模型化合物,包裹在固体脂质纳米颗粒(Solid lipid nanoparticles,SLN)中。进行了冻干保护剂筛选与冻干工艺优化。


经过早期筛选与6个月稳定性研究,明确10种糖类与多元醇保护剂中,海藻糖对塞来昔布固体脂质纳米颗粒的冻干保护效果佳,可在4℃下实现稳定储存。


希望相关研究思路及结果,可以作为其他LNP制剂冻干时的参考。

下一期,我们将探讨冻干/冷冻对缓冲体系pH的影响,敬请期待。