Raman spectroscopy, a non-invasive mesurement technique for the detection of counterfeit medicines

Tese de mestrado, Engenharia Farmacêutica, Universidade de Lisboa, Faculdade de Farmácia, 2016Perhaps no greater challenge exists for public health, patient safety, and shared global health security, than fake, falsified, fraudulent or poor quality unregulated medicines - also commonly known as “counterfeit medicines” - now endemic in the global drug supply chain (Tim K Mackey & Liang, 2013). Counterfeit medicines pose a serious risk to public health around the world. It is low- and middle-income countries and those in areas of conflict, or civil unrest, with very weak or non-existent health systems that bear the greatest burden of SSFFC (Substandard, Spurious, Falsely labelled, Falsified and Counterfeit) medical products because the cost of legitimate drugs is beyond the reach of much of the population and legal controls are often weak (World Health Organization, 2010). For this purpose, further scientific research and development is called for to design user-friendly, low-cost and robust portable (hand-held) devices and techniques for detecting and identifying counterfeit medicines in real settings (Karunamoorthi, 2014). This dissertation promotes a technique called Raman spectroscopy that has the potential to optimize quality testing for a broad range of medicines. The aim of this dissertation was to study de detection of medicines through its package, for which it was relevant to investigate if there were differences within the package material and how these differences could affect the spectrums of the tablets under analysis. The results revealed that in fact there are variations in package materials that influence the spectrums acquired. These variations can be due to thickness or density variations. Nevertheless, these variations can be easily overcome using preprocessing methods. For this study, calibration tablets of paracetamol, were also made on purpose for experiencing the detection of different concentrations of an API through blister packages. Furthermore, in this investigation, three different probes were used for the measurements: PhAT probe, MKII probe attached to Raman Workstation microscope, and a green laser, to compare results. Results show that it is possible to detect different concentrations of an active ingredient of tablets through a white blister package using Raman spectroscopy, namely the PhAT probe. This equipment can be put in place analysis enabling faster detection of counterfeit medicines, in a non-invasive and non-destructive way that requires no sample preparation and does not need highly specialized personnel for its use. It provides reliable and useful data and it is portable. This is a promising technique for detecting counterfeit medicines and it is relatively low cost.Talvez não exista maior desafio para a saúde pública global do que a existência de medicamentos não regulamentados, de fraca qualidade, falsificados ou fraudulentos – também conhecidos como "medicamentos falsificados" - agora endémicos na cadeia global de abastecimento e distribuição de medicamentos (Tim K Mackey & Liang, 2013). A qualidade dos medicamentos disponíveis varia muito entre diferentes países devido à falta de regulamentos bem definidos e existência de práticas de controlo de qualidade deficientes. Os medicamentos falsificados incluem produtos com as substâncias adequadas ou com ingredientes errados, sem substância ativa, com quantidade insuficientes ou excessiva de substância ativa, ou com rotulagem errada e falsa. Por vezes, os medicamentos podem ser contaminados com outras substâncias ou podem até sofrer degradação química devido a fracas condições de armazenamento por exemplo em ambientes húmidos. Os medicamentos falsificados são amplamente distribuídos e podem ser bastante sofisticados, incluindo embalagens e estratégias de marketing muito convincentes. Os medicamentos falsificados representam um sério risco para a saúde pública em todo o mundo, sendo que a maioria das denúncias estão relacionadas com antibióticos, anti protozoários, hormonas e esteroides. São os países em desenvolvimento e aqueles em áreas de conflito, ou agitação civil, com sistemas de saúde muito fracos ou inexistentes que mais sofrem com produtos médicos “SSFFC” (Substandard, Spurious, Falsely labelled, Falsified and Counterfeit - denominação atribuída pela Organização Mundial de Saúde, para a definição de medicamentos falsificados), uma vez que o custo dos medicamentos legítimos está fora do alcance de grande parte da população e o controlo legal dos medicamentos é muitas vezes fraco (World Health Organization, 2010). Os medicamentos falsificados nestes países aumentaram devido à existência de muitas doenças infecciosas como a malária e a tuberculose. Neste estudo, é dado o exemplo do sistema de vigilância e monitorização da Organização Mundial de Saúde, que utiliza um sistema de inspeção constituído por três níveis: um primeiro nível realizado no local, que inclui uma inspeção visual da embalagem do medicamento em análise e a sua comparação com embalagens de medicamentos originais; um segundo nível, também este realizado no local, que se segue quando existem dúvidas relativamente aos testes realizados no primeiro nível e que inclui uma validação laboratorial utilizando métodos relativamente simples; se ainda assim os resultados forem inconclusivos segue-se o terceiro nível onde o medicamento é enviado para um laboratório forense, fora deste local, onde são realizados testes mais específicos de confirmação. Trata-se de um processe demorado pelo que mais investigação e desenvolvimento científico são requeridos para projetar técnicas de deteção e equipamentos fáceis de utilizar, de baixo custo e que sejam robustos e portáteis permitindo a identificação de medicamentos falsificados rapidamente e no local (Karunamoorthi, 2014). Esta dissertação promove uma técnica chamada espectroscopia Raman, que tem o potencial para otimizar testes de qualidade para uma ampla gama de medicamentos. Quando um feixe de luz interage com matéria, este pode ser transmitido, absorvido ou espalhado. Quando a luz é espalhada a partir de uma molécula, a maioria dos fotões é espalhada elasticamente, sendo que os fotões espalhados têm a mesma energia, frequência e comprimento de onda que os fotões incidentes. Contudo, uma pequena quantidade de luz é espalhada inelasticamente ou seja, a frequências diferentes, e normalmente mais baixas, do que os fotões incidentes. Este é chamado efeito Raman e foi descoberto por Krishna e Raman. Um espectro Raman contém bandas que são características e proporcionais a concentrações específicas de moléculas numa amostra, pelo que a espectroscopia Raman fornece uma boa análise qualitativa e quantitativa. A intensidade do espalhamento Raman é proporcional ao número de moléculas que produzem este espalhamento Raman. Como resultado, a intensidade do espalhamento Raman pode ser utilizada para medir quanto de um material está presente na amostra em análise (análise quantitativa). A forma de um espectro Raman pode ser utilizada para determinar que tipos de vibrações moleculares existem na amostra em análise. Esta informação vibracional pode ser utilizada para identificar materiais numa amostra (análise qualitativa). Diferenças em termos de stress, temperatura, estrutura cristalina, micro-heterogeneidade etc, podem, portanto, frequentemente ser medidas usando a espectroscopia Raman. A espectroscopia Raman é benéfica para diversos tipos de análise quantitativa e qualitativa num vasto número de campos, incluindo investigação química fundamental, ciências da vida (por exemplo, estudos biomédicos in vivo), controlo de processos, ciências forenses e na área farmacêutica. A espectroscopia Raman pode, deste modo, ser utilizada como uma tecnologia não destrutiva, não invasiva e ainda, como uma tecnologia de monitorização à distância. De um modo breve, as vantagens conhecidas da espectroscopia Raman incluem: elevada especificidade química, a capacidade de quantificar múltiplos constituintes numa forma farmacêutica sólida, a capacidade de analisar diferentes polimorfos e formas cristalinas; a elevada velocidade de análise; a ausência de necessidade de preparação da amostra; a ausência de necessidade de utilização de solventes e/ou consumíveis e a natureza de análise não destrutiva em comparação com outras técnicas de análise tradicionais. Portanto, a espectroscopia Raman é uma tecnologia estabelecida para assegurar a qualidade de produtos farmacêuticos permitindo identificar substâncias ativas e dar informação adicional sobre os excipientes, assim como a concentração relativa das substâncias ativas para os excipientes. Estes rácios podem ser a chave para detetar medicamentos falsificados uma vez que os indivíduos que produzem este tipo de produtos frequentemente têm em conta a quantidade da substância ativa mas não são tão precisos com as quantidades exatas de excipientes. Os instrumentos baseados na tecnologia do efeito Raman têm vindo a evoluir ao longo dos anos, passando de espectrómetros tradicionais de laboratório para ferramentas de menores dimensões, mais acessíveis em termos de custo, mais rápidas e eficientes, pelo que a análise de amostras em situações reais (em campo) ou até dentro de embalagens ou contentores, passou de um conceito ideal para uma tecnologia bem estabelecida para diferentes produtos farmacêuticos. O objetivo desta dissertação é explorar a deteção de medicamentos falsificados utilizando técnicas de espectroscopia Raman para uma análise não destrutiva e não invasiva, tendo em vista a sua aplicabilidade em campo (ou seja, em locais como fronteiras ou locais onde se realiza a inspeção e distribuição de medicamentos) e não, em laboratórios com boas condições e equipamentos assim como pessoal especializado. Esta investigação procura estudar a deteção de medicamentos falsificados através da sua embalagem, para a qual foi relevante investigar possíveis diferenças no próprio material de embalagem e o quanto essas diferenças poderiam interferir com os espectros obtidos dos comprimidos em análise. Os resultados revelaram que, de facto, existem variações em materiais de embalagem que influenciam os espectros adquiridos. Estas variações podem dever-se a diferenças de espessura ou densidade no material. Ainda assim, concluiu-se que estas variações podem ser facilmente ultrapassadas através da utilização de métodos de pré-processamento dos espectros. Para este estudo, foram também produzidos comprimidos de paracetamol, no sentido de experimentar a deteção de diferentes concentrações de um princípio ativo, através da sua embalagem. Além disto, nesta dissertação, foram ainda utilizadas três sondas para as mesmas medições: a sonda PhAT, a sonda MKII conectada ao microscópio Raman Workstation, e um laser verde, para comparar os resultados. Os resultados mostram que é possível detetar concentrações diferentes de um princípio ativo em comprimidos, através de um blister branco, utilizando espectroscopia de Raman, mais precisamente, a sonda PhAT. Este equipamento pode ser colocado em qualquer local de análise, permitindo uma deteção rápida dos medicamentos falsificados, de modo não-invasivo e não-destrutivo sem necessitar de preparação prévia da amostra nem de pessoal altamente especializado para a sua utilização. Este equipamento fornece dados confiáveis e é portátil. Esta é uma técnica promissora para a deteção de medicamentos falsificados e apresenta um custo relativamente baixo