Memorias in extenso del VI Congreso Iberoamericano de Química Analítica y Encuentro Nacional de Química Ambiental. Editadas por la Facultad de Química de la UAEMex. México. 2016.
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ANÁLISIS ESTRUCTURAL Y BIOFARMACÉUTICO DE CO-CRISTALES DEL INGREDIENTE FARMACÉUTICO ACTIVO SECNIDAZOL
Karina Mondragón Vásquez*(1), Javier Hernández Illescas(1), Jorge Guillermo Domínguez Chávez*(1), Herbert Hopfl (2), Oscar García Barradas(3)
1) Universidad Veracruzana, Facultad de Bioanálisis. Agustín de Iturbide S/N esq. Carmen Serdán, C.P. 91700. Veracruz, Veracruz. México.
Tel: +52 (229) 9321707, e-mail: kmondragon@uv.com.mx
2) Universidad Autónoma del Estado de Morelos, Centro de Investigaciones Químicas. Av. Universidad 1001. Col. Chamilpa, C.P 62209. Cuernavaca, Morelos, México.
3) Universidad Veracruzana, Unidad de Servicios de Apoyo en Resolución Analítica. Luis Castelazo Ayala s/n, Col. Industrial Animas, C.P 91190. Xalapa, Veracruz, México
INTRODUCCIÓN
La mayoría de los Ingredientes Farmacéuticos Activos (IFAs) son administrados en forma de sólidos por vía oral, sin embargo, un alto porcentaje de estos presentan propiedades no deseadas como una baja solubilidad en agua, una alta higroscopicidad, una baja estabilidad y/o la existencia de más de una forma sólida cristalina o amorfa, entre otras. Una estrategia para mejorar las propiedades fisicoquímicas y biofarmacéuticas de los IFAs es modificar su estructura en el estado sólido, por ejemplo, formando sales, cristales, polimorfos, amorfos y afamorfos. Al respecto la producción de nuevas fases solidas co-cristalinas a partir de un IFA y un coformador, es una estrategia interesante para mejorar dichas propiedades.1 El IFA secnidazol (2-dimetil-nitro-1H-imidazol-1-etanol, figura 1) es un derivado de los 5-nitroimidazoles utilizada en el tratamiento de la giardiasis, la amebiasis y la trichomoniasis vaginal. Este IFA es higroscópico, al igual que otros nitroimidazoles, es estable en medio ácido, pero en medio básico forma productos de descomposición y degradación fotoquímica.2 En el presente trabajo se generaron nuevas fases solidas (NFS) cristalinas multicomponentes del IFA secnidazol en combinación con moléculas pequeñas derivados de los ácidos n-hidroxibenzoicos (n-HBZ) que presentan propiedades fisicoquímicas y/o biofarmacéuticas diferentes a la del IFA secnidazol.
Figura 1.- Estructura química del secnidazol EXPERIMENTACIÓN
Para la generación de NFS con los derivados n-HBZ se utilizó la metodología de slurry en agua, la reacción mecanoquímica en agua y la evaporación lenta del disolvente en metanol. La caracterización estructural de los sólidos obtenidos se realizó por difracción de rayos X y por espectroscopia infrarrojo; la caracterización térmica se realizó por calorimetría de barrido diferencial y por análisis termogravimétrico; también se realizaron estudios de solubilidad y de estabilidad en medios fisiológicamente relevantes (HCl, pH 1.2;
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acetato, pH 4.5 y; fosfato pH 6.8) y además se realizaron estudios de estabilidad física indicativa a 40°C y 50°C con 0% de humedad relativa (HR) y a 50°C con 75% de HR.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
La caracterización inicial de las NFS ser realizó por difracción de rayos X de polvos, en donde el cambio en el patrón de difracción del solido obtenido después de la reacción en relación con las materias indica un cambio de fase. En la figura 2 se muestra un ejemplo de la comparación del patrón de difracción de las materias primas (fármaco y del coformador) con los sólidos obtenidos de la reacción a diferente relación estequiométrica. En cada estudio, la fase pura no muestra picos de difracción de las materias primas, mientras que fases que contienen exceso de alguno de los componentes (coformador (●) ó fármaco (♦)) muestran los picos de difracción correspondientes a estos. El análisis de los patrones de difracción a diferente relación estequiométrica con todos los coformadores, indica que se generaron NFS con estequiometria 1:1 con los ácidos 3 HBZ, 4 HBZ, 2,3 DHBZ, 2,5 DHBZ, 2,6 DHBZ, 3,4 DHBZ, 3,5 DHBZ y 3,4,5 THBZ y una NFS con estequiométrica 2:1 fármaco:coformador (F:C) para la NFS que contiene al ácido 2,4 DHBZ.
Figura 2. Difracción de Rayos X de polvos de diferentes estequiometrias de la NFS Sec-Ac. 3,4,5 THBZ. secnidazol
(negro, abajo, ♦); Ac. 3,4,5 THBZ (verde, arriba, ●); estequiometrias fármaco:coformador 2:1 (rojo) , 1:1 (azul rey) y 1:2 (rosa).
Cabe mencionar que la obtención de las NFS es reproducible por slurry, reacción mecanoquímica o evaporación lenta excepto para la fase que contiene al ac. 3,4 DHBZ en donde se obtuvieron la misma fase a partir del slurry y de la reacción mecanoquímica, pero estas no son comparables con la fase obtenida por evaporación lenta (figura 3).
Figura 3. Comparación de los Difradtogramas de las fases a) Sec-3,4,5 THBZ y b) 3,4 DHBZ obtenidas por
evaporación lenta (azul, arriba), por reacción mecanoquímica (rojo, medio) y por slurry (negro, abajo).
Para el análisis por espectroscopia IR de las NFS se monitoreo principalmente el desplazamiento de la banda de vibración del grupo carbonilo del coformador. Los espectros infrarrojos de las NFS se compararon con el de las materias primas y su comparación se muestra en la tabla 1 de donde es visible que la mayoría de estas bandas tienen un desplazamiento importante a menores o a mayores frecuencias.
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Un desplazamiento a menores números de onda, para las fases que contienen a los ácidos 4 HBZ, 2,3 DHBZ, 2,5 DHBZ, 2,6 DHBZ, 3,5 DHBZ y 3,4,5 DHBZ, evidencia la participación del grupo carbonilo en la generación de estas NFS y la formación de puentes de hidrógeno fuertes. Por otro lado, se observa un desplazamiento a mayores números de onda para las NFS que contienen a los ácidos 3 HBZ, 2,4 DHBZ, y 3,4 DHBZ de lo que sugiere que el grupo carbonilo presenta interacciones más débiles en presencia del fármaco que las que establecida en el dímero coformador:coformador puro. Del análisis es importante resaltar un desplazamiento de 66 cm-1 a menores frecuencias para la fase secnidazol:ac. 2,6 DHBZ. Este cambio tan grande sugiere la formación de una sal y no de un co-cristal, en donde el desplazamiento 1612 cm-1 está en el intervalo de desplazamiento característico para el enlacé C-O del grupo carboxilato. La misma observación, pero con un menor desplazamiento se observa para la fase con el ácido 2,3 DHBZ con un desplazamiento de la banda del grupo carbonilo de 27 cm-1.
Tabla 1.- Espectroscopia de infrarrojo de los desplazamientos del grupo carbonilo.
NFS Desplazamiento
de la NFS Desplazamiento del Co-formador Diferencia en el desplazamiento NFS/coformador Sec-Ac. 3 HBZ 1690 cm-1 1682 cm-1 8 cm-1 (a mayores frecuencias)
Sec-Ac. 4 HBZ 1662 cm-1 1671cm-1 9 cm-1 (a menores frecuencias)
Sec-Ac. 2,3 DHBZ 1652 cm-1 1678cm-1 27 cm-1 (a menores frecuencias)
Sec-Ac. 2,4 DHBZ 1654 cm-1 1641 cm-1 11 cm-1 (a mayores frecuencias)
Sec-Ac. 2,5 DHBZ 1662 cm-1 1667 cm-1 5 cm-1 (a menores frecuencias)
Sec-Ac. 2,6 DHBZ 1612 cm-1 1678 cm-1 66 cm-1 (a menores frecuencias)
Sec-Ac. 3,4 DHBZ 1675 cm-1 1667 cm-1 8 cm-1 (a mayores frecuencias)
Sec-Ac. 3,5 DHBZ 1682 cm-1 1694 cm-1 12 cm-1 (a menores frecuencias)
Sec-Ac. 3,4,5 THBZ 1682 cm-1 1697 cm-1 15 cm-1 (a menores frecuencias)
En cuanto a la caracterización por difracción de rayos x de monocristal, únicamente fue posible para las NFS con que contienen a los ácidos 3,4,5 THBZ, 3,5 DHBZ, 3,4DHBZ, 2,6 DHBZ, 2,5 DHBZ 2,4 DHBZ 2,3 DHBZ y 3 HBZ, que fueron con los que se obtuvieron cristales de la calidad suficiente para realizar este estudio fueron con los ácidos. El resumen de los datos obtenidos se muestra en la tabla 2.
Tabla 2.- Datos de las estructuras cristalinas obtenidos por difracción de rayos X de monocristal.
El análisis estructural realizado con NFS indican la obtención de co-cristales estabilizados por interacciones por puente de hidrógeno con el ácido 3,4,5 THB, 3,5 DHBZ, 3,4DHBZ, 2,5 DHBZ 2,4 DHBZ y 3 HBZ en donde además para las fases 3,4,5 THBZ, 3,5 DHBZ y, 2,4 DHBZ se observa el establecimiento de interacciones aromáticas a distancias aproximadas de 3 Å en donde participan el anillo de imidazol del fármaco y el anillo bencénico del coformador y es favorecida por la atracción electrostática generada por la naturaleza electrodeficiente del anillo de imidazol y la naturaleza rica en densidad electrónica del conformador. Los co-cristales formados con los ácidos 3,4,5 THBZ, 3,4 DHBZ y 2,5 DHBZ (figura 4) tienen una estequiometria 1:1 mientras que la NFS que contiene al ac. 2,4 DHBZ presenta una estequiometria 2:1
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(F:C) y finalmente las fases que contienen al ac. 3,5 DHBZ y al 3HBZ son de hidratos de co-cristal con una estequiometria 1:1:1 y 1:1:0.5 (F:C:Agua) respectivamente.
Figura 4. Co-cristal Secnidazol:ác. a) 3,4,5 THBZ, b) 3,5 DHBZ, c) 3,4 DHBZ, d) 2,5 DHBZ y e) 2,4 DHBZ
Con la técnica de evaporación lenta del disolvente también se obtuvieron NFS con el ácido 2,6 DHBZ y 2,3 DHBZ en donde en estas fases a diferencia de las mostradas con anterioridad se observa la transferencia del protón del ácido carboxílico del coformador al nitrógeno del anillo del imidazol del fármaco generando un anión carboxilato y un catión imidazolio. En ambos casos, se observa el establecimiento de interacciones aromáticas y de puente de hidrogeno con estequiometrias 1:1:0 y 1:1:0.5 (fármaco:coformador:agua) para las fases que contienen a los ácidos 2,6 DHBZ y 2,3 DHBZ respectivamente. La transferencia de protón es consecuencia de la alta acidez de estos ácidos con pks de 1.22 y de 2.91 para los ácidos 2,6 DHBZ y 2,3 DHBZ respectivamente.
Figura 5. Co-cristal Secnidazol:ác. 2,6 DHBZ y Secnidazol:ác. 2,3 DHBZ (izquierda a derecha).
Con respecto al análisis termogravimétrico (TGA, tabla 3) se observa para las fases que contienen a los ácidos 3,5 DHBZ y 2,3 DHBZ una pérdida de masa de aproximadamente 5% a temperaturas menores de 80°C que corresponde a la masa de una molécula de agua y concuerda con lo observado en la estructura cristalina. Sin embargo, para la fase que contiene al coformador 3,4 DHBZ por análisis termogravimétrico se observa una pérdida de masa del 5% que corresponde a la pérdida de masa de una molécula de agua, sin embargo, en la estructura cristalina no se observa la presencia de moléculas de agua, por lo que no corresponden a la misma fase. Esto explica que no corresponda el patrón de difracción de los sólidos obtenidos por las diferentes técnicas (figura 3) como se mostró con anterioridad. Cabe mencionar que las fases formadas con los ácidos 3,4,5 THBZ, 2,6 DHBZ, 2,5 DHBZ y 2,4 DHBZ que no contienen disolvente (agua) en su red cristalina, tienen pérdidas de masa cercanos o superiores al 90% de la masa por arriba de 100°C, lo que sugiere que la descomposición de la fase es como co-cristal o la sal correspondiente y no hay separación previa de los componentes (fármaco coformador). Por otro lado, la fase que contienen al ác. 4 HBZ que tampoco contiene disolvente en su red cristalina tiene perdidas de masa por debajo de 100°C siendo menos estables térmicamente y; la fase que contiene al ácido 3 HBZ muestra perdida inicial del 41% y posteriormente del 53% que corresponde primero a la pérdida del coformador y posteriormente a la pérdida del fármaco lo que indica que la fase co-cristalina se descompone a las materias con el
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incremento de temperatura, de lo que se sugiere que no es estable térmicamente. En cuanto al análisis por DSC (tabla 3) se observan puntos de fusión con descomposición, para las fases que contienen a los ácidos 3,4,5 THBZ, 2,6 DHBZ, 2,5 DHBZ y 2,4 DHBZ a temperaturas superiores al punto de fusión de fármaco que es de 73.7°C, además se observan picos endotérmicos debido a la perdida de disolvente para las fases que contienen a los ácidos 3,5 DHBZ, 3,4 DHBZ y 2,3 DHBZ que de acuerdo al TGA corresponden a hidratos de las NFS obtenidas. Y finalmente para las fases que contienen a los ácidos 3 HBZ y 4 HBZ se observan puntos de fusión menores a los del fármaco puro, pero con descomposiciones de acuerdo al TGA superiores o cercanas a los 100°C.
Tabla 3.- Análisis térmico de las NFS formadas en comparación con el fármaco puro.
NFS o Fármaco Punto de Fusión Pérdida de masa
Sec-Ac. Gálico 172.19 °C 77.09% Sec-Ac. 3,5 DHBZ 83.65 °C 5.08/ 58.73% Sec-Ac. 3,4 DHBZ 63.68 °C 5.38/94.10% Sec-Ac. 2,6 DHBZ 131.10 °C 82.23% Sec-Ac. 2,5 DHBZ 128.31 °C 93.0% Sec-Ac. 2,4 DHBZ 111.79 °C 95.69% Sec-Ac. 2,3 DHBZ 91.2 °C 2.5%/97% Sec-Ac. 4 HBZ 51.86 °C 93.75% Sec-Ac. 3 DHBZ 54.80 °C 93.84% Secnidazol 73.78 °C 93.84%
Por otro lado, el análisis de los estudios de estabilidad física indicativa de las NFS bajo condiciones de controladas de temperatura y de HR indica que no hay cambio de fase solida a 40°C con 0% HR y a 40°C con 75% de HR, lo que indica la estabilidad de las NFS en estas condiciones de almacenamiento. Sin embargo a 50°C con 0% de HR se observan cambios en el patrón de difracción de las NFS de Sec:Ac. 3,4 DHBZ, Sec:3 HBZ y Sec:4 HBZ, lo que indica que en esta condición de temperatura y HR no son estables estas fases. Esta observación es interesante ya que corresponde a lo observado en el estudio por calorimetría de barrido diferencial en donde para el solvato del co-cristal Sec:Ac. 3,4 DHBZ aproximadamente a 60°C se observa la pérdida de masa de una molécula de agua (desolvatación) con una posterior descomposición y, para las fases co-cristalinas Sec:Ac 4 HBZ y Sec:Ac. 3 HBZ a 5°C1 y 54 °C se observa en el termograma del DSC un punto de fusión con una posterior descomposición. De los estudios es evidente que la mayoría de las NFS permanecen estables en casi todas las condiciones de almacenamiento lo que brinda un potencial uso como fármaco a demás de acuerdo a los estudios de DSC la mayoría de las temperaturas de fusión y descomposición son superiores a la del fármaco puro (tabla 3) lo que sugiere una mayor estabilidad en las NFS obtenidas que en el IFA puro.
Además, se realizaron análisis de estabilidad de las NFS a diferentes medios acuosos a pH de 1.2, 6.8 y 4.5. En donde, el análisis de resultados indica que las NFS son estables en todos los medios de disolución hasta por 48 horas y la mayoría de las fases, a excepción Sec:Ac. 3 HBZ y Sec:Ac. 4HBZ, son estables en todos los medios hasta 72 horas. La determinación de la estabilidad e integridad de las NFS en estos medios es relevante ya que los estudios de solubilidad y velocidad de disolución se realizan en los mismos medios además de que son concluyentes determinar su uso potencial como fármaco oral.
Finalmente, el análisis de solubilidad de las NFS en los diferentes medios de disolución (pH 1.2, 4.5 y 6.8) se resumen en la tabla 4, figura 6 en donde se incluyen los gramos de las NFS por litro de disolución acuosa.
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Tabla 4 y Figura 6. Solubilidad (gramos disueltos por litro) de las NFS en los diferentes medios de disolución.
NFS/ pH 1.2 4.5 6.8 Sec 26.2±1.6 17.5± 4.0 15.6±1.8 ●Sec:Ac. 3HBZ 99.4± 3.3 87.9± 8.2 78.0±5.1 ●Sec:Ac. 4HBZ 87.2± 8.1 84.9± 3.8 104.1±4.5 *Sec:Ac. 2,3 DHBZ 41.9± 2.0 37.8± 5.8 31.0±1.8 ●Sec:Ac. 2,4 DHBZ 43.1± 8.6 67.1± 4.1 50.7±2.5 ●Sec:Ac. 2,5 DHBZ 27.95±0.7 41.5± 4.6 42.6±10.9 *Sec:Ac. 2,6 DHBZ 15.9± 0.6 9.8± 1.2 11.6±0.7 +Sec:Ac. 3,4 DHBZ 49.3± 2.7 54.5± 5.7 48.3±2.0 +Sec:Ac. 3,5 DHBZ 43.9± 2.2 57.1± 6.5 54.1±2.7 ●Sec:Ac. 3,4,5 THBZ 26.5± 0.9 28.9± 2.6 28.5±0.2 *Sales, +Solvatos, ●Co-cristal
Los resultados mostrados indican que casi todas las NFS obtenidas tienen una solubilidad mayor a la de secnidazol puro, excepto la fase iónica que contiene al ácido 2,6 DHBZ que tiene una solubilidad menor al IFA puro. La baja solubilidad de la fase salina Sec:Ac 2,6 DHBZ se explica analizando el empaquetamiento cristalino, en donde además del establecimiento de numerosos puentes de hidrógeno estables destaca una interacción aromática entre del anillo del 2,6 dihidroxibenzoato con el anillo de imidazolamonio (figura 7). En esta interacción el catión imidazolamonio se posiciona justo por debajo del anillo aromático del coformador lo que dificulta la interacción intermolecular entre las moléculas de agua del medio de disolución y los sitios polares de la NFS lo que genera una disminución de la solubilidad en esta fase. Cabe mencionar que este tipo de interacción únicamente se observa en esta NFS.
Figura 7. Interacción aromática entre el 2,6 dihidroxibenzoato del coformador con el anillo de imidazolamonio del
fármaco.
CONCLUCIONES
Mediante la co-cristalización fue posible modificar las propiedades de solubilidad y de estabilidad de IFA secnidazol. Esta estrategia es interesante dado que se puede modular las propiedades fisicoquímicas de un IFA como su solubilidad, sin modificar su estructura química y por ende su propiedad farmacológica. AGRADECIMIENTOS
CONACyT-PROINNOVA proyecto 230448. Laboratorios Senosiain S.A. de C.V. por el apoyo financiero. REFERENCIAS
[1] Y. Hu, et al. Cryst. Growth Des., 14, 803, 2014.
[2] A. Boza Rivera, R. González. Physico-chemical and solid-state characterization of secnidazole, 700– 707, 2000.
