本文献结合两种化合物——甲磺酸伊马替尼和利格列汀的案例研究，描述了管道结构化合物通过固态溶剂交换，将不需要的溶剂合物转化为水合物或含水的共溶剂合物的方法。实验数据表明温度和相对湿度是影响加湿过程中溶剂交换速率的关键工艺参数。此外，研究人员还发现晶体尺寸在决定溶剂交换速率方面起着关键作用，通过对分子水平现象和关键工艺参数的深入理解，提供了对固态溶剂交换中稳定工艺开发的见解。
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https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.oprd.7b00114
多晶型是指同一分子由于结晶条件(如溶剂、温度、冷却速率等)不同，结晶时形成两种或多种的分子排列与晶格结构的现象。这种现象导致了不同晶型之间具有不同的物理化学性质，对生物利用度，制剂工艺以及药效等方面都可能会产生影响。因此在药物的开发中，固态筛选是必不可少的步骤。
然而，在筛选中经常会产生溶剂合物，由于ICH对溶剂类型及溶残的限制，开发者往往不会选择溶剂合物作为药用晶型。在这种情况下，可以尝试将溶剂合物脱去溶剂来产生所需的晶型。但是当晶格在没有溶剂的情况下不稳定时，尝试脱去溶剂则可能会使其转化为无定形或其他晶型。虽然在某些情况下，溶剂脱去后晶格结构仍能够保持完整，形成脱溶剂物，但此时化合物会比其溶剂合物形式处于更高能态，并表现出分解或结构松弛的趋势。一种替代脱除溶剂的方法便是溶剂交换，通过溶剂交换使水分子替代溶剂分子，与晶体结构内的溶剂位点结合，将溶剂合物转化为水合物或降低溶剂含量，成为药学上可接受的溶剂合物。
甲磺酸伊马替尼是一种抗肿瘤药物，据诺华公司和各仿制药公司报道，已经发现多种晶体形式。研究人员经过广泛的晶型筛选，只发现了一种含有5% wt甲醇和2% wt水的共溶剂合物新晶型，这种共溶剂合物非常不稳定，在25 ºC下储存几天就会转化为β型，且传统的干燥技术会使其转化为无定形。
为了开发可行的固体形式，研究人员探索了溶剂交换的可能性。虽然没有长出该共溶剂合物的单晶，但已报道的乙醇-水共溶剂合物(Form X)的单晶具有类似的粉末X射线衍射图，该结构揭示了乙醇和水共存于晶格中的通道内。
以乙醇-水共溶剂合物的单晶结构为出发点，利用同步辐射X射线衍射和粉末衍射(SDPD)对甲醇-水共溶剂合物进行了结构测定。结果表明，该晶型为管道类溶剂合物，其结构中存在两个不同的溶剂位点。实验将甲醇-水共溶剂合物放置在恒温恒湿箱中，通过加湿的方法，尝试用水取代通道中甲醇，结果得到了更稳定的，主要为水合形式的甲醇-水共溶剂合物(Figure 1)。
Figure 1. (a) Rietveld refinement of the structure of imatinib mesylate methanol−water cosolvate from synchrotron data. Black dots are observed data; the red line is the fit; the green line is the difference; tick marks are positions of allowed diffraction peaks. (b) Overlay of laboratory PXRD before and after humidification. (c) Crystal structure of methanol−water cosolvate; methanol is shown in green, water (disordered in Wyckoff site 4e) in purple.
根据ICH Q3C(R6)指南，该形式具有药学上可接受的甲醇含量，命名为Form-Y。此外，根据ICH指南对Form-Y在不同温度和相对湿度下(5±3 ºC、25 ºC/60% RH和40 ºC/75% RH)进行了三个月的稳定性评估。结果表明，在所有条件下，Form-Y均表现出稳定的物理性质和化学性质。
然而，由于Form-Y不能直接从水或含水的混合溶剂体系中结晶，因此开发一种将甲醇-水共溶剂合物转化为Form-Y的稳定工艺仍然存在一些挑战，研究人员系统地研究了加湿工艺和结晶参数对晶型和固态溶剂交换动力学的影响。
温度和湿度对溶剂交换的影响
实验使用含有5-6% wt甲醇的同一批甲醇-水共溶剂合物进行，研究了不同温度(20 ~ 80 ºC)和湿度(20 ~ 60% RH)条件下加湿24小时对甲醇-水共溶剂合物溶剂交换的影响(Table 1)。结果表明温度和湿度对溶剂交换速率和晶型都有非常显著的影响。高温高湿使粉体具有粘性，高温低湿使粉体转化为Form-β。在低温低湿条件下，粉体保持完整，溶剂交换速率较慢，甲醇含量由5-6% wt降低至2-3% wt。溶剂交换的最佳操作范围为环境温度20 ~ 30 ºC，湿度40 ~ 55% RH。
Table 1. Effect of Humidification on the Methanol Content and Crystalline Form
结晶参数对溶剂交换的影响
实验通过考察三个参数：结晶温度、搅拌速度和反溶剂的添加速率，对结晶过程进行调整(Table 2)。结晶后，所有样品在30 ºC, 45% RH的恒温恒湿箱中加湿1天，然后在50 ºC下真空干燥以去除表面吸附水（二次干燥对甲醇含量没有影响）。实验结果发现虽然在所有实验中均获得了Form-Y，但发现加湿过程中溶剂交换的速率非常依赖于结晶工艺参数，特别是反溶剂添加速率和温度：温度越低，反溶剂加入速度越快的体系中，溶剂交换后的甲醇含量越低。
Table 2. Process Variables and Their Ranges Considered for the First and Second DoE
这种差异可以用结晶动力学来解释：结晶温度和反溶剂的添加速率直接影响结晶过程的过饱和度。在伊马替尼碱和甲磺酸反应结晶过程中，由于较低的温度和较快的反溶剂添加速率形成较高的过饱和度，有利于晶体成核而不是生长，导致晶体尺寸分布较小。从SEM图像可以明显看出，在5 ºC下较慢的反溶剂添加导致较大的片状晶体的生长，而在-20 ºC下较快的添加导致细小晶体的生长，尺寸约为8-10 μm (Figure 2)。同时，研究人员发现SEM下观察到的晶体尺寸与溶剂交换后的甲醇含量之间存在正相关性(Figure 3)，尺寸越小的晶体中甲醇的残留量越少。
Figure 2. SEM images of Form-Y crystals obtained from experiments conducted with (a) addition of MTBE over 180 min at 5 ºC and (b) addition of MTBE over 45 min at −20 ºC
Figure 3. Correlation between crystal sizes, estimated from SEM images, and methanol content after humidification.
晶体尺寸对溶剂交换的影响
为了进一步证实晶体尺寸对溶剂交换动力学的影响，研究人员分别用小尺寸晶体(约5 μm)和大尺寸晶体(约15~30 μm)进行加湿实验。温度、相对湿度和时间分别为25~40 ºC、20~55% RH和2~13 h。选择甲醇的残留量作为反应溶剂交换的指标。结果发现，对于两种晶体尺寸，三个因素的影响都是显著的，更高的湿度和温度驱动更快的溶剂交换。对于大尺寸晶体，各因素间的相互作用均显著，而对于小尺寸晶体，只有湿度和时间的相互作用显著。Figure 4所示的40 °C时两种晶体尺寸的代表性等值线图清楚地表明，随着晶体尺寸的增加，动力学变慢。晶体尺寸对溶剂交换动力学的影响将在接下来利格列汀的案例研究中进一步讨论。
Figure 4. Contour plots of methanol content (in ppm) at 40 °C as a function of relative humidity and time from humidification DoE for imatinib mesylate Form-Y: (a) fine crystals (around 5 μm) and (b) coarse crystals (around 15−30 μm).
利格列汀是一种用于治疗II型糖尿病的DPP-4抑制剂。根据勃林格-殷格翰公司报道，目前已经发现了五种晶型(A、B、C、D和E)。在固态筛选过程中，通过在乙醇中结晶，又发现了一种新的结晶形式——Form-I。与甲磺酸伊马替尼的情况类似，Form-I是一种管道溶剂合物，乙醇，甲醇或水都可以占据通道。然而Form-I的管道水合物不能直接从水中结晶，而获得水合物的唯一途径是通过甲醇/乙醇溶剂合物的溶剂交换。根据ICH指南进行了Form-I水合物形式的稳定性评估，发现其具有良好的物理和化学稳定性，具有一定的开发价值。
实验以甲醇溶剂合物为起始，然后通过加湿的方法将其转化为水合物。以相对湿度、温度和时间为变量对加湿过程进行优化。设计的相对湿度范围为30~90% RH，温度范围为25~40 ºC（最高温度设置为40 ºC，因为在40 ºC以上观察到向Form A的转化），时间范围为2~24 h。为了研究晶体尺寸对溶剂交换速率的影响，对两批不同粒径的甲醇溶剂合物进行了实验。这两个批次的SEM图像如Figure 5所示。
Figure 5. SEM images of the two batches of methanol solvate used for humidification DoE: (a) smaller particle sizes (∼15 μm) and (b) larger particle sizes (∼30 μm)
实验中各变量参数对溶剂交换的影响程度见Table 3。结果表明，相对湿度和时间对溶剂交换速率有显著影响，而温度对溶剂交换速率的影响在研究范围内几乎不显著。相对湿度和时间的影响效果取决于晶体的大小。对于较小尺寸的晶体，相对湿度的作用更为显著，而对于较大尺寸的晶体，时间的作用更为显著。这是由于小尺寸晶体的溶剂交换动力学更快，与大尺寸晶体相比，时间对溶剂交换的影响较小(Figure 6)。
Table 3. Relative Contributions of Humidity, Time, and Temperature to Solvent Exchange
Figure 6. Decrease in methanol content with time for large and small crystals at (a) 30% RH and (b) 90% RH within the temperature range of 25−40 ºC
此外，研究还对利格列汀的Form-I水合物晶型进行了单晶结构解析(Figure 7)，并将利格列汀晶体结构和各溶剂的总能量使用material studio 8.0的DMol3模块计算，对利格列汀溶剂合物/水合物的总能量与相应的脱溶剂/脱水形式的总能量进行比较，计算出甲醇/乙醇和水的结合能。结果发现与甲醇/乙醇相比，水分子与通道的结合更强。这种差异结合能为水取代晶格中的甲醇/乙醇提供了热力学驱动力。虽然未得到甲磺酸伊马替尼Form-Y的单晶和结构解析，无法进行类似的比较，但根据稳定性数据结果，甲磺酸伊马替尼的Form-Y晶体结构明显比甲醇-水共溶剂合物的更稳定。这一事实同样表明水分子在晶格中的结合能力比甲醇更强。
Figure 7. Crystal structure of linagliptin Form-I with water in the channel: (a) view into the channel, and (b) view along the channel.
固体溶剂交换已被证明可以有效地将药学上不可接受的或不稳定的溶剂合物转化为商业上可行的，稳定的水合物或含水的共溶剂合物（溶剂含量在ICH限制范围内），在管道类化合物的开发上有着巨大潜力。研究发现，温度和相对湿度是影响溶剂交换速率的主要因素，在较高的温度和湿度下溶剂交换进行更快。此外，晶体尺寸对溶剂交换动力学也有重要影响。
结合晶云药物多年的研发经验，尽管溶剂合物很少作为直接开发的固体形态，但其仍存在一定的应用价值。一方面，溶剂合物可作为中间态，通过多种方式（如脱除溶剂/溶剂交换等）探索水合物及无水晶型发现的可能性；另一方面，通过培养溶剂合物的单晶，可以进行化合物的结构包括绝对构型的确证。此外，溶剂合物本身，可以作为原料药或中间体进行结晶提纯的较好途径。
晶云药物的研发团队拥有丰富的固体形态研发经验，已成功为超过1,000个化合物开展了晶型相关研究。针对临床前研究阶段的药物，晶云药物通过多样化的筛选方法以及系统的评估研究，为新药公司选择和开发首次正确的晶型，并进行结晶工艺的开发和优化研究，帮助客户降低后期开发的风险。针对临床及NDA申报阶段的药物，晶云药物基于法规及审评要求，帮助客户系统地梳理和分析前期已有的研究数据、结果以及需要在NDA阶段进一步完善的研究方案，在完成研究的基础上，支持客户NDA申报和核查。晶云药物希望未来能与更多的全球新药公司展开更多更深入交流与合作。
参考文献
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