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        近紅外光譜法分析頭孢拉定顆粒的關(guān)鍵質(zhì)量屬性及對(duì)其量值的測(cè)定

        2022-03-18 06:10:50趙瑜朱俐尹利輝
        中國(guó)抗生素雜志 2022年2期
        關(guān)鍵詞:評(píng)價(jià)性決定系數(shù)頭孢

        趙瑜 朱俐 尹利輝

        (中國(guó)食品藥品檢定研究院,北京 102629)

        國(guó)家評(píng)價(jià)性抽驗(yàn)是國(guó)家藥品監(jiān)督管理局組織的對(duì)上市藥品的全環(huán)節(jié)監(jiān)督檢驗(yàn)。其主要針對(duì)監(jiān)管工作中問題較多、風(fēng)險(xiǎn)隱患較大的品種,通過對(duì)產(chǎn)品主要質(zhì)量問題等的綜合評(píng)價(jià),促進(jìn)藥品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的提高,進(jìn)而促使企業(yè)提高產(chǎn)品質(zhì)量[1]。國(guó)家評(píng)價(jià)性抽驗(yàn)平臺(tái)是在多年國(guó)家評(píng)價(jià)性抽驗(yàn)工作積累的基礎(chǔ)上,由中國(guó)食品藥品檢定研究院組織、全國(guó)各藥品檢驗(yàn)所共同參與建設(shè)的數(shù)據(jù)共享平臺(tái),其中蘊(yùn)藏著豐富的藥品質(zhì)量信息;針對(duì)監(jiān)管工作的需要,如何挖掘并合理利用國(guó)家評(píng)價(jià)性抽驗(yàn)平臺(tái)中的信息是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。

        頭孢拉定是第一代半合成頭孢菌素,臨床主要用于呼吸道、泌尿道、皮膚和軟組織的感染[2]。頭孢拉定制劑包括片劑、顆粒劑、膠囊劑和注射劑等[3]。其中,頭孢拉定顆粒劑為我國(guó)的特有品種,臨床主要用于兒童[4]。國(guó)內(nèi)生產(chǎn)廠家較多,共有33個(gè)批準(zhǔn)文號(hào)。國(guó)產(chǎn)兒童藥品一般具有生產(chǎn)批量小、多批次的特點(diǎn),保證其產(chǎn)品質(zhì)量的一致性是質(zhì)量控制的關(guān)鍵。2017年,頭孢拉定顆粒被列為國(guó)家評(píng)價(jià)性抽驗(yàn)品種,與其相關(guān)的各類信息包括企業(yè)的處方工藝、各種檢驗(yàn)數(shù)據(jù)、用于鑒別的近紅外光譜(NIR)數(shù)據(jù)等均被收錄于國(guó)家評(píng)價(jià)性抽驗(yàn)平臺(tái)的數(shù)據(jù)庫(kù)中。

        近紅外光譜法(near-infrared spectroscopy)是指對(duì)波長(zhǎng)范圍780~2500 nm(波數(shù)范圍為12500~4000 cm-1),由分子振動(dòng)的倍頻和合頻產(chǎn)生的光譜,通過化學(xué)計(jì)量學(xué)算法對(duì)其光譜特征信息進(jìn)行提取、模式識(shí)別和量值建模的分析方法,可用于對(duì)藥物制劑的一致性檢驗(yàn)、定性和定量分析[5-6]。本研究探索利用國(guó)家評(píng)價(jià)性抽驗(yàn)平臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù),應(yīng)用近紅外光譜法,對(duì)頭孢拉定顆粒質(zhì)量和工藝的一致性進(jìn)行評(píng)價(jià),并建立預(yù)測(cè)關(guān)鍵質(zhì)量屬性量值的方法,為藥品整個(gè)生命周期的監(jiān)管以及靶向抽驗(yàn)等提供有效的科學(xué)依據(jù)。

        1 NIR光譜

        從國(guó)家評(píng)價(jià)性抽驗(yàn)平臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)中選取17個(gè)廠家96個(gè)代表性批次的頭孢拉定顆粒樣品NIR光譜,包括:北京首兒藥廠(簡(jiǎn)稱BJSE)4批次,北京永正制藥有限責(zé)任公司(簡(jiǎn)稱BJYZ)6批次,迪沙藥業(yè)集團(tuán)有限公司(簡(jiǎn)稱DSYY)4批次,廣西邦琪藥業(yè)集團(tuán)有限公司(簡(jiǎn)稱GXBQ)4批次,廣州白云山醫(yī)藥集團(tuán)股份有限公司白云山制藥總廠(簡(jiǎn)稱GZBYS)10批次,國(guó)藥集團(tuán)汕頭金石制藥有限公司(簡(jiǎn)稱GYJS)6批次,海南三葉制藥廠有限公司(簡(jiǎn)稱HNSY)6批次,湖南康爾佳生物醫(yī)藥科技有限公司(簡(jiǎn)稱HNKEJ)3批次,華北制藥河北華民藥業(yè)有限責(zé)任公司(簡(jiǎn)稱HBZY)6批次,焦作市銀河藥業(yè)有限公司(簡(jiǎn)稱JZYH)9批次,金日制藥(中國(guó))有限公司(簡(jiǎn)稱JYZY)4批次,荊州市津奉藥業(yè)發(fā)展有限公司(簡(jiǎn)稱JZJF)2批次,遼寧華瑞聯(lián)合制藥有限公司(簡(jiǎn)稱LNHR)10批次,山東云門藥業(yè)有限責(zé)任公司(簡(jiǎn)稱SDYM)3批次,神威藥業(yè)集團(tuán)有限公司(簡(jiǎn)稱SWYY)6批次,天津太平洋制藥有限公司(簡(jiǎn)稱TTTPY)2批次,珠海金鴻藥業(yè)股份有限公司(簡(jiǎn)稱ZHJH)11批次。頭孢拉定對(duì)照品(批號(hào)130427,中國(guó)食品藥品檢定研究院)。

        近紅外光譜均采用MPA型傅里葉變換近紅外光譜儀(Bruker Optics GmbH),PbS檢測(cè)器,在儀器性能測(cè)試通過的狀態(tài)下進(jìn)行采集。樣品置低羥基石英樣品瓶中,采用積分球模式采樣,測(cè)試條件為光譜范圍12000~3500 cm-1,光譜分辨率8 cm-1,背景掃描次數(shù)32次,樣品掃描次數(shù)32次,采集3次。

        2 NIR光譜分析方法

        采用OPUS6.5(Bruker Optics GmbH)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和建模。

        2.1 模式識(shí)別模型

        通過對(duì)頭孢拉定對(duì)照品、各同廠家的頭孢拉定顆粒的近紅外光譜圖進(jìn)行分析,選擇特征譜區(qū)(圖1),并結(jié)合模型優(yōu)化選擇適宜的光譜預(yù)處理方法;通過因子分析法提取主成分光譜,用第一主成分表征制劑工藝的共性信息,用第二、三、…主成分表征不同工藝的特征信息;通過特征信息建立模式識(shí)別模型;利用模式識(shí)別的結(jié)果與制劑處方分類的相關(guān)性,評(píng)價(jià)不同廠家頭孢拉定顆粒質(zhì)量和工藝一致性。

        2.2 NIR量值預(yù)測(cè)模型

        將近紅外光譜與參考方法測(cè)定的化學(xué)值相關(guān)聯(lián),應(yīng)用偏最小二乘法(PLS)建立定量模型[7],實(shí)現(xiàn)對(duì)關(guān)鍵質(zhì)量屬性量值的快速預(yù)測(cè)。優(yōu)化的定量模型參數(shù)[光譜范圍、光譜預(yù)處理方法、算法、維數(shù)(rank)等],根據(jù)模型的決定系數(shù)R2和均方根誤差(RMSEP)確定。

        3 結(jié)果與討論

        3.1 頭孢拉定顆粒處方分析

        顆粒劑由原料藥和一定比例的賦形劑,通過混合、制軟材、制濕微粒、干燥、整粒與分級(jí)、裝袋等過程生產(chǎn)[8]。通過對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)處方工藝信息的發(fā)掘,得到部分廠家頭孢拉定顆粒的處方組成信息(表1)。頭孢拉定顆粒處方中除賦形劑外,還添加了改善口感的香精作為矯味劑和改善觀感的食用色素,以提高兒童臨床用藥的依從性。雖然各廠家的頭孢拉定顆粒處方和工藝各異,但均采用蔗糖作為主要的賦形劑。

        表1 頭孢拉定顆粒的處方組成信息Tab.1 Prescription composition information of cefradine granules

        3.2 頭孢拉定顆粒質(zhì)量和工藝一致性評(píng)價(jià)

        近紅外光譜中除包含有制劑活性成分和處方中諸輔料的信息外,還包括產(chǎn)品中有關(guān)物質(zhì)(工藝穩(wěn)定性)、粒度(制粒工藝)、水分(干燥工藝)等與制劑工藝相關(guān)的信息。通過比對(duì)頭孢拉定、頭孢氨芐對(duì)照品和頭孢拉定顆粒的典型近紅外光譜(圖1)發(fā)現(xiàn):頭孢拉定的近紅外信號(hào)在5100 cm-1附近呈較強(qiáng)的特征吸收峰,制劑中輔料未見其有干擾;顆粒劑中輔料在7500~5400 cm-1和5000~4000 cm-1的信號(hào)比較豐富且吸收較強(qiáng),對(duì)頭孢拉定信號(hào)存在干擾。同時(shí),17個(gè)廠家的頭孢拉定顆粒的近紅外光譜(圖2)顯示,他們的相似度較高,這可能與處方中蔗糖的含量均較高有關(guān)。

        圖2 17個(gè)廠家頭孢拉定顆粒的近紅外光譜圖Fig.2 NIR spectra of cefradine granules from 17 maufacturers

        利用化學(xué)計(jì)量學(xué)方法挖掘各產(chǎn)品近紅外光譜中的工藝信息,利用模式識(shí)別法對(duì)不同的工藝特征進(jìn)行區(qū)分,探索不同廠家頭孢拉定顆粒質(zhì)量和工藝的一致性。

        對(duì)17個(gè)廠家96個(gè)批次的頭孢拉定顆粒的近紅外光譜(光譜范圍為5000~5600 cm-1、7000~7400 cm-1、6200~6900 cm-1)進(jìn)行矢量歸一化預(yù)處理,通過因子分析,提取主成分光譜(表2);其中第一主成分代表率達(dá)99.9%,表征顆粒劑工藝的共性信息;第2~5主成分表征不同廠家的工藝特性。

        表2 頭孢拉定顆粒近紅外光譜因子分析的特征值及代表率Tab.2 Eigenvalues and representative rate of NIRS factor analysis of cefradine granules

        用第2、3、4主成分進(jìn)行數(shù)據(jù)重構(gòu),通過主成分空間表征不同工藝的特征(圖3)。模式識(shí)別結(jié)果顯示,17個(gè)廠家(工藝)頭孢拉定顆粒在工藝特征空間中呈現(xiàn)5類工藝特征。

        圖3 模式識(shí)別區(qū)分頭孢拉定顆粒的工藝特征Fig.3 Pattern recognition of the process characteristics of cefradine granules

        用光譜的第2、3、4主成分進(jìn)行Ward’s聚類分析,光譜距離的閾值設(shè)為1,將模式識(shí)別結(jié)果與不同廠家產(chǎn)品相關(guān)聯(lián),對(duì)頭孢拉定顆粒的產(chǎn)品質(zhì)量和工藝的一致性進(jìn)行分析(圖4)。GYJS各批次聚為一類,與類1相對(duì)應(yīng),且與其他廠家樣品的光譜距離最遠(yuǎn),顯示其具有獨(dú)特的工藝特異性;ZHJH與類2對(duì)應(yīng),各批次樣品的光譜距離較小,顯示了較好的批間一致性;HNKEJ的光譜和LNHR的光譜距離較近,與類3對(duì)應(yīng),LNHR表現(xiàn)出相對(duì)較大的批間波動(dòng);與類4對(duì)應(yīng)的有5個(gè)廠家的樣品,其中GZBYS和BJYZ的光譜距離相對(duì)較近,GZBD、JZJF、JZYH 3個(gè)廠家的光譜距離相對(duì)較近;其余廠家的樣品與類5對(duì)應(yīng),包括BJSE、JRZY、HBZY、SDYM、SWYY、DSYY、HNSY、GXBQ、TJTPY 9個(gè)廠家,其中SDYM、SWYY和DSYY的產(chǎn)品各批次樣品光譜距離較小且各聚為一類,其他廠家的樣品各批次之間存在交叉,均顯示出較大的批間變異性。

        圖4 產(chǎn)品基于NIR光譜第2、3、4主成分的Ward′s聚類結(jié)果Fig.4 Ward′s clustering results of products based on the 2nd,3rd and 4th principal components of NIR spectra

        3.3 關(guān)鍵質(zhì)量屬性的量值預(yù)測(cè)模型

        頭孢拉定、頭孢氨芐和水分的含量是頭孢拉定顆粒的關(guān)鍵質(zhì)量屬性。其中,頭孢拉定為API成分,頭孢氨芐為頭孢拉定的降解物,可來源于原料藥和制劑過程,水分主要由顆粒制粒給出引入。中國(guó)藥典2020版頭孢拉定顆粒各論中規(guī)定:頭孢氨芐不得過頭孢拉定和頭孢氨芐總量的6.0%。利用近紅外光譜建立定量模型,可實(shí)現(xiàn)對(duì)制劑中頭孢拉定、頭孢氨芐和水分的含量的快速預(yù)測(cè)。

        3.3.1 參考方法[9]

        利用國(guó)家評(píng)價(jià)性抽驗(yàn)的檢測(cè)結(jié)果作為近紅外模型的化學(xué)參考值。其中,頭孢拉定含量和頭孢氨芐含量為采用中國(guó)藥典2010版HPLC法(C18柱,流動(dòng)相水-甲醇-3.86%醋酸鈉溶液-4%醋酸溶液(1564:400:30:6,V/V/V/V),流速0.8 mL/min,檢測(cè)波長(zhǎng)254 nm)測(cè)得的百分含量(W/W,%)。水分為卡爾非休法測(cè)得的百分含量(W/W,%)。

        3.3.2 頭孢拉定含量預(yù)測(cè)模型

        頭孢拉定顆粒中活性成分的含量約在4%~12%之間。將96個(gè)批次樣品中的67批次作為訓(xùn)練集(百分濃度范圍(3.93~11.93)(W/W,%),29批次作為驗(yàn)證集(百分濃度范圍(4.0~11.7)(W/W,%),建立頭孢拉定定量模型。優(yōu)化后的模型參數(shù):光譜范圍為11600~9830、8940~7150和6270~5380 cm-1,采用矢量歸一化法進(jìn)行光譜預(yù)處理。頭孢拉定PLS模型的校正和驗(yàn)證結(jié)果如圖5所示。訓(xùn)練集模型擬合值和真值的決定系數(shù)R2達(dá)99.5,RMSEE值0.205,維數(shù)為8;交叉驗(yàn)證預(yù)測(cè)值和真值的決定系數(shù)R2達(dá)99.1,RMSECV值0.27,偏移量0.004486。驗(yàn)證集預(yù)測(cè)值和真值的決定系數(shù)R2達(dá)97.63,RMSEP值0.389,偏移量-0.0253。

        圖5 頭孢拉定顆粒中頭孢拉定PLS模型校正和驗(yàn)證結(jié)果Fig.5 Results of calibration and validation of PLS model of cefradine content in cefradine granules

        3.3.3 頭孢氨芐含量預(yù)測(cè)模型

        頭孢拉定顆粒中頭孢氨芐的含量約在1%~6%之間。將96個(gè)批次中的67批次樣品作為訓(xùn)練集(百分濃度范圍(1.3%~5.7%)(W/W),29批次作為驗(yàn)證集(百分濃度范圍1.36%~4.2%(W/W),建立頭孢氨芐的PLS定量模型。優(yōu)化后的模型參數(shù):光譜范圍為8940~7150和6270~5380 cm-1,采用矢量歸一化法進(jìn)行光譜預(yù)處理。頭孢氨芐PLS模型的校正和驗(yàn)證結(jié)果如圖6所示。訓(xùn)練集模型擬合值和真值的決定系數(shù)R2為86.8,RMSEE值0.0351,維數(shù)為8;交叉驗(yàn)證預(yù)測(cè)值和真值的決定系數(shù)R2為70.0,RMSECV值0.0483,偏移量-0.00076。驗(yàn)證集預(yù)測(cè)值和真值的決定系數(shù)R2達(dá)57.2,RMSEP值0.531,偏移量-0.0991。

        圖6 頭孢拉定顆粒中頭孢氨芐PLS模型校正和驗(yàn)證結(jié)果Fig.6 Results of calibration and validation of PLS model of cephalexin content in cefradine granules

        3.3.4 水分含量預(yù)測(cè)模型

        頭孢拉定顆粒中水分的含量約在0.3%~1.4%之間。將96個(gè)批次中的67批次樣品作為訓(xùn)練集(百分濃度范圍0.3%~1.31%(W/W),29批次作為驗(yàn)證集(百分濃度范圍0.4%~1.26%(W/W),建立水分的定量模型。優(yōu)化后的模型參數(shù):光譜范圍為10533.5~5450 cm-1,采用矢量歸一化法進(jìn)行光譜預(yù)處理。訓(xùn)練集模型擬合值和真值的決定系數(shù)R2為86.5,RMSEE值0.104,維數(shù)為8;交叉驗(yàn)證預(yù)測(cè)值和真值的決定系數(shù)R2為55.9,RMSECV值0.476,偏移量0.00519。驗(yàn)證集預(yù)測(cè)值和真值的決定系數(shù)R2為53.0,RMSEP值0.149,偏移量0.0604,參見圖7。

        圖7 頭孢拉定顆粒中水分PLS模型校正和驗(yàn)證結(jié)果Fig.7 Results of calibration and validation of PLS model of water content in cefradine granules

        4 結(jié)論

        本文以頭孢拉定顆粒為例,探討了通過發(fā)掘國(guó)家評(píng)價(jià)性抽驗(yàn)平臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù),采用近紅外光譜結(jié)合模式識(shí)別的方法,對(duì)不同廠家產(chǎn)品的質(zhì)量和工藝的一致性進(jìn)行評(píng)價(jià),對(duì)其中關(guān)鍵質(zhì)量屬性的量值(頭孢拉定含量、頭孢氨芐含量和水分含量),通過PLS定量模型進(jìn)行快速預(yù)測(cè)。該研究表明,國(guó)家評(píng)價(jià)性抽驗(yàn)平臺(tái)對(duì)服務(wù)于藥品的監(jiān)管及靶向抽驗(yàn)具有重要價(jià)值。

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