内容导览
1. 引言
2. 晶型研究策略
3. 晶型研究方案
3.1 多晶型筛选方案
3.2 盐/共晶筛选方案
4. 盐型筛选案例
5. 参考文献
6. 结语
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1. 引言
新药研发是一项复杂且高风险的系统性工程，历经药物发现、药学研究和临床研究层层考验，才能实现药品上市。“晶型研究”贯穿于药物研发的始终，在药物研究的不同阶段，晶型研究的目的及筛选策略有所差异。
结合晶云12年的晶型研究经验，本文将与各界同行分享晶型研究的意义与策略，从“筛”与“选”的角度剖析多晶型筛选与盐型/共晶筛选方案，通过切实的案例解析多晶型筛选与盐型/共晶筛选的关键要点。
2. 晶型研究策略
药物晶型研究通常围绕多晶型筛选和盐型/共晶筛选展开，“筛”的阶段采用多样的实验技术发现潜在的晶型和盐型，“选”的阶段通过不同的实验和表征手段综合评估各潜在晶型/盐型的性质优劣，从而确定可用于后续开发的优势盐型/优势晶型。
值得注意的是，选择开发游离态还是其盐型/共晶，化合物的性质和对应的研究需求是选择的关键因素，同时还需结合药物的研发阶段。
结合以往的项目经验，化合物筛选及优化阶段，临床前研究阶段以及临床试验阶段开展不同程度的晶型研究。
化合物筛选及优化
优选化合物筛选及确定阶段，得到的化合物可能呈无定形、油状、胶状或者蜡状等性状，其物理化学性质需要改善。开展晶型研究的主要目的是评估化合物是否可以结晶，以及初步评估其固体形态是否有优化的空间。
临床前研究阶段
在充分了解候选化合物性质的基础上，此阶段晶型研究的策略需要重点考虑以游离态的优势晶型还是以盐/共晶的形式开展后续的研究：对于优势盐型/共晶，还需进行盐/共晶的多晶型筛选与评估，从而在安全评价实验之前确定其优势晶型。
临床试验阶段
临床试验阶段，晶型研究的策略是扩大晶型研究的试验空间，尽可能多地找到目标化合物的多晶型、盐型和共晶等，部署晶型专利，夯实专利壁垒。
3. 晶型研究方案
3.1 多晶型筛选方案
多晶型筛选方案设计，初始化合物的理化性质表征是研究工作的第一步。在初步了解其理化性质的基础上，通常结合热力学和动力学两方面的控制因素开展系统的筛选试验。
常规的多晶型筛选方法有溶剂辅助法、热处理法、机械化学法、固相转变法等。其中，最常用、也是最容易发现新晶型的方法是溶剂辅助法，包括蒸发结晶、冷却结晶、溶剂-反溶剂、悬浮搅拌等。溶剂体系、温度、结晶方式等因素均可能对结晶试验的结果产生影响，在设置实验时应考虑不同因素。通常情况下，速率慢的结晶方式有利于发现热力学更稳定的晶型，而速率快的结晶方式易发现亚稳晶型。
药物分子存在晶体和无定形形式，对于晶体的固态形式又可细分为无水晶型、水合物和溶剂合物，研究不同晶型间的转化关系对最终优势晶型的选择起着举足轻重的作用。
无水晶型（Anhydrate）
当化合物存在多种无水晶型时，不同晶型的热力学稳定性判断方法有Burger-Ramberger规则，Van't Hoff Plot 以及混悬竞争实验等。
1）Burger-Ramberger规则
无水晶型之间有两种转化关系：单变与互变，其转变关系可由Gibbs自由能-温度曲线示意图来表示。
如果两种晶型的 Gibbs自由能vs温度曲线在其熔点以下没有交点，则这两种晶型之间为单变关系，如图1所示，测试温度范围内，晶型B比晶型A稳定。
如果两种晶型的 Gibbs自由能vs温度曲线在晶型的熔点以下某一温度之间相交，则该两种晶型之间为互变关系，交点所对应的的温度为转换温度（Tt）。在图2中，T < Tt，晶型A比晶型B更稳定；T > Tt ，晶型B比晶型A更稳定；T = Tt，晶型A与晶型B具有相同的稳定性。
2）Van't Hoff Plot
不同晶型的溶解度差异是造成溶液中晶型转化的驱动力，根据Van't Hoff Plot 可以评估无水晶型的相互转化关系。如果两种晶型是单变关系，溶解度同样也是单变关系，即在任何温度下稳定晶型的溶解度都小于亚稳晶型；如果两种晶型是互变关系，则它们的溶解度也是互变关系，即它们的溶解度大小关系在转化温度前后也随之发生改变。如下图所示，根据Van't Hoff Plot绘制溶解度曲线，找到Type A和Type C的转化温度T为23°C。
溶剂合物(Solvate)/水合物(Hydrate)
溶剂合物和水合物在本质上是类似的，水作为特殊溶剂容易被人体接受，稳定的水合物可用于后续药物开发。从安全性角度考虑，溶剂合物一般不是最终给药的首选。尽管也有不少已上市药物，由于无法得到最优的无水晶型或者水合物，只能以溶剂合物作为原料药最终的固体形态。对于溶剂合物的研究，在实际案例中可以中间体的形式用于药物提纯，或者作为一种过渡晶型，用于制备难以直接得到的晶型。
对于水合物的研究，其吸附/脱附条件对晶型评估至关重要，可结合多种表征手段评估，如X-射线衍射法（XRPD）、单晶衍射（SXRD）、动态水分吸附法（DVS）、热重分析法（TGA）、差示扫描量热法（DSC）以及水分分析（KF）等。 水合物的稳定性与温度和水活度相关，如下图所示，在某一温度条件下，当水活度高于关键水活度时，水合物比无水晶型在热力学上更稳定；水活度低于关键水活度时，无水晶型比水合物在热力学上更稳定。水分吸附/脱附曲线以及水活度混悬实验，可以帮助评估水活度区间内的稳定晶型。
晶型筛选的最终环节需通过一系列性质的研究与评估(包含溶解度、引湿性、稳定性等)，确定适合后续开发的优势晶型。
3.2 盐/共晶筛选方案
盐/共晶筛选是药物开发中的重要策略：
● 改善药物分子理化性质，提高溶解度和生物利用度，提高成药性
● 改善药物依从性，提高药物稳定性
● 夯实药物的专利保护或规避其专利保护
盐型/共晶筛选方案设计，结合游离态化合物的理化性质，需考虑多方面的因素，包含但不限于配体、溶剂体系以及结晶方式等。
配体
结合游离态化合物的结构和性质，成盐筛选需考虑配体的pKa、结构、分子量、安全性等；共晶筛选还可以选择合成子作为配体，考虑配体的氢键和溶解度。一般而言，游离态和配体的ΔpKa>2时，理论上可以成盐，ΔpKa<2时，成共晶的可能性较大。
溶剂体系
溶剂体系的选择需考虑化合物的溶解度，选择多种溶剂体系(包括含水体系)开展筛选，初步考察盐型/共晶的多晶型现象。同时，还需要关注化合物和配体在溶液中的稳定性。
结晶过程
盐型筛选的常用结晶方式有反应结晶法、降温法、挥发法和反溶剂添加法，或者几种结晶方式的结合。共晶筛选的结晶方式除了常用的反应结晶法，还有研磨法、熔融法和超声混悬法。
盐型/共晶筛选分为“筛”和“选”两个阶段，利用有效的表征手段鉴定潜在的盐/共晶，挑选出进入“选”阶段的候选盐/共晶。在“选”阶段中，放大制备样品进行全面的表征和评估（一般重点关注溶解度和稳定性)，选择出可用于后续开发的盐/共晶。下图中列出了一个典型的盐/共晶评估流程决策树，帮助评估筛选试验的开展，及时调整策略，降低药物研发风险。
与化合物的游离态类似，化合物的盐/共晶同样存在多晶型现象，为确保后续选择的是最合适开发的晶型，需开展盐/共晶的多晶型筛选，找到优势盐型的优势晶型。
4. 盐型筛选案例
结合晶云前期的项目经验，以下通过盐型筛选案例简要阐述和分析盐型筛选在候选化合物开发中的策略以及具有代表性的研究流程。
案例1 提升溶解度
项目背景
目标化合物A计划用于开发口服制剂，但游离碱在水中溶解度较差，不能满足溶解度以及生物利用度的需求。因此希望通过对目标化合物进行全面的盐/共晶筛选研究，以寻找到在溶解性和工艺可开发性上均满足需求的盐型或共晶。
结合化合物结构和pKa(8.7)，选择25种配体以及3种溶剂体系开展盐/共晶筛选试验。本案例中，设置不同摩尔比投料实验，评估半盐的可能性；溶剂体系选择溶解度相对较高的体系中以促进成盐，同时选择合适的三类溶剂丰富溶剂种类以考察盐的多晶型。
前期试验得到了40个潜在的盐型，通过基础理化性质表征以及晶型鉴定挑选出4个hits用于进一步评估。
所有盐型的溶解度（水和FaSSIF介质）相较于游离碱都有显著提升，结合引湿性、固态稳定性等方面综合评估，并结合客户的PK实验结果，B盐具有更优的性质，因此推荐客户用于后续开发。由于B盐存在多晶型现象，后续还需开展盐的多晶型筛选，选出其优势晶型。
案例2 改善药物稳定性
项目背景
目标化合物呈胶状，难以结晶，且存在降解的风险，后续评估和工艺开发有很大困难。因此希望通过对目标化合物进行全面的盐/共晶筛选研究，以解决化合物稳定性问题，提升工艺可开发性。
从化合物结构分析，目标化合物为长链结构，结晶的难度较大。根据化合物pKa(9.5)，选择20种配体以及4种溶剂体系开展盐/共晶筛选试验。
前期试验的大部分样品仍呈现胶状或油状，只得到了3个潜在的盐型。初步分析实验结果，A盐的配体为II类酸，考虑到安全等级，A盐不是首选；B盐为无定形，存在引湿性的风险；C盐为中等结晶度，化合物稳定性与目标需求还存在差距。
A盐的安全风险由配体本身的性质造成，被首先排除，后续优化实验则围绕B盐和C盐展开。B盐的策略是找到结晶态的盐，相比于无定形，晶态化合物在引湿性、固态稳定性等方面有优势，遗憾的是，一系列结晶的方式并未得到结晶态的B盐。C盐则成为开发的重点，其研究策略是通过多晶型筛选发现理化性质更优的晶型，并针对优势晶型开展结晶工艺研究。结合多晶型筛选和结晶工艺研究，推荐C盐晶型B用于后续开发，化合物的稳定性以及工艺可开发性问题得以解决。
小结
盐型/共晶评估需关注的关键性质：
配体：考虑安全级别(通常优先级I类> II类> III类)
引湿性：影响储存条件，稳定性，原料药工艺以及制剂工艺
形貌：影响溶出，原料药制备工艺以及制剂工艺
多晶型：晶型控制
稳定性：影响储存条件，制剂开发
pH溶解度：影响生物利用度
溶出速率：影响生物利用度，制剂处方
5. 参考文献
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6. 结语
晶型研究在药物开发过程中的重要性不言而喻，盐型筛选在晶型研究的过程中可能只是一个开端，而远非终点。后续将陆续分享多晶型筛选、结晶工艺研究等内容。