Implémentation de la spectroscopie et de la microscopie Raman pour la caractérisation de formes pharmaceutiques solides

During this thesis, several analytical methods were developed and validated to characterize Itraconazole (ITZ) raw material and the final product. Indeed, numerous Active Pharmaceutical Ingredient (API) drugs belong to the Biopharmaceutical Classification System (BCS) class II inducing a low solubility and thus bioavailability leading to restrictive integration in pharmaceutical processes. To circumvent this issue, the Hot-Melt Extrusion (HME) process was selected to produce amorphous solid dispersions increasing the API solubility and bioavailability. Itraconazole was the selected BCS class II drug.Preliminary studies were first required to characterize ITZ raw material before considering the development of quantitative methods. As a first step, ITZ purity was determined using the European Pharmacopeia monograph of ITZ related substances based on a HPLC method. Moreover, synthesis and degradation ITZ impurities profiles were studied to control the latter in real samples using a UHPLC transferred method. Then, Raman reference spectra were acquired on the components present in the formulation, for their future identification, using a dispersive Raman spectrophotometer and a confocal Raman microspectrophotometer. During the HME process, crystalline ITZ was converted in its amorphous state, so Raman analyses of both states were also performed.Based on these preliminary studies, off-line and in-line Raman methods were developed to quantify the API content in extrudates and to determine the crystalline API content remaining in amorphous solid dispersions produced by HME. In a first time, an off-line Raman method determining the API content in extrudates was developed using a confocal Raman microspectrophotometer. A film-casting technique was developed to calibrate the equipment. This method was validated according to the accuracy profile approach and was compared to the results obtained using a UHPLC reference method to demonstrate the accuracy and robustness of the Raman one. Then, an off-line Raman method was developed to determine the crystalline ITZ content remaining in amorphous solid dispersions produced by HME. This study was very interesting because the main aim of a HME process is to convert a crystalline API in its amorphous state. In this context, the analytical performances of a confocal Raman microspectrophotometer and of a transmission Raman spectrophotometer were carried out leading to highlight the influence of the analyzed sampling volume.Finally, an in-line Raman spectroscopic method quantifying the API content in real-time was performed and was considered as valid. A Raman probe was implemented on the HME process to control the manufacturing process in real-time. The analytical performances of the in-line Raman method were determined, on one hand, by comparing the results obtained using a univariate and a multivariate approach; and on the other hand, by correlating the in-line results with the theoretical ITZ content based on the weighing of the components in the mixture and with the real ITZ concentration based on the results of the off-line validated Raman method quantifying the API content in extrudates. This study underscored the importance to use a reference method.Durant cette thèse, plusieurs méthodes analytiques ont été développées et validées en vue de caractériser la matière première (Itraconazole) et le produit fini. En effet, de nombreux principes actifs sont classés dans le système de classification biopharmaceutique (BCS) comme appartenant à la classe II induisant une faible solubilité et biodisponibilité conduisant à une intégration difficile au sein des procédés pharmaceutiques. L’extrusion à chaud a, dans ce cas, été sélectionnée comme procédé de fabrication pour produire des dispersions solides amorphes augmentant la solubilité et biodisponibilité du principe actif. La molécule modèle choisie pour ce travail était l’Itraconazole (ITZ) qui appartient à la classe II du système BCS.Plusieurs études préliminaires ont été réalisées en vue de caractériser l’ITZ avant le développement de méthodes quantitatives. Dans le cadre de cette étude, la pureté de l’ITZ a été déterminée sur base de la monographie de la Pharmacopée Européenne à l’aide d’une méthode HPLC. De plus, les profils des impuretés de synthèse et de dégradation ont été étudiés en vue de contrôler leur présence au sein d’échantillons réels à l’aide d’une méthode UHPLC. Les spectres de référence des différents composés de la formulation ont ensuite été acquis, pour leur identification future, en utilisant un spectrophotomètre Raman dispersif et un microspectrophotomètre Raman confocal. Lors du procédé HME, l’ITZ cristallin est transformé en sa forme amorphe, des analyses Raman sur les deux états ont donc été réalisées.Sur base de ces études préliminaires, des méthodes Raman hors ligne et en ligne ont ensuite été développées pour quantifier la concentration en principe actif au sein des extrudats et pour déterminer la quantité d’ITZ cristallin restant dans les dispersions solides amorphes produites par HME. Dans un premier temps, une méthode quantitative Raman déterminant le contenu en principe actif dans les extrudats a été développée en utilisant un microspectrophotomètre Raman confocal. La technique du film-casting a été développée en vue de calibrer l’appareil. Cette méthode a été validée sur base de l’approche du profil d’exactitude et a été confrontée aux résultats obtenus par une méthode de référence UHPLC afin de démontrer l’exactitude et la robustesse de la méthode Raman.Ensuite, une méthode Raman hors ligne a été développée pour déterminer la quantité d’ITZ cristallin restant au sein des dispersions solides amorphes produites par HME. Cette étude était très intéressante étant donné que l’objectif principal du procédé HME est de convertir le principe actif cristallin en sa forme amorphe. Dans ce contexte, les performances analytiques d’un microspectrophotomètre Raman confocal et d’un spectrophotomètre à transmission Raman ont été réalisées permettant de mettre en évidence l’influence du volume d’échantillon analysé.Finalement, une méthode Raman en ligne, quantifiant le contenu en principe actif, a été développée et validée. Une sonde Raman a été implémentée au procédé d’extrusion à chaud en vue de contrôler le procédé de fabrication en temps réel. Les performances analytiques de la méthode Raman en ligne ont été déterminées, d’une part, en comparant les résultats obtenus en utilisant une approche univariée et multivariée ; et d’autre part, en confrontant les résultats en ligne avec la concentration théorique en ITZ basée sur les pesées des composés présents dans les mélanges et avec la concentration réelle en ITZ basée sur les résultats de la méthode Raman hors ligne quantifiant le contenu en ITZ dans les extrudats. Cette étude a permis de mettre en évidence l’importance d’utiliser une méthode de référence

Raman hyperspectral imaging: a single tool to characterise pharmaceutical products

Raman hyperspectral imaging is an increasingly used tool in the pharmaceutical field because it allows for the investigation of many characteristics on a solid sample. This paper delves into Raman spectroscopy and imaging, including spectral and spatial information, and presents some applications of Raman hyperspectral imaging in the pharmaceutical field

Raman Hyperspectral Imaging: An essential tool in the pharmaceutical field

Raman hyperspectral imaging results from the powerful combination of spatial (imaging) and spectral (Raman) information. It is increasingly used both in R&D and in the industry because it allows the investigation of many characteristics of solid samples. This technique provides an accurate tool for qualitative and quantitative analysis of a pharmaceutical solid formulation. In this webinar, Assoc. Prof. Ziemons will present fundamental concepts of hyperspectral imaging data analysis and key applications in pharmaceutical and biomedical field

Raman Hyperspectral Imaging: An essential tool in the pharmaceutical field

Resulting from the combination of Raman spectroscopy and optical microscopy, Raman hyperspectral imaging has proven to be an indispensable tool in the pharmaceutical field. This article will broach a number of Raman hyperspectral imaging applications that were developed in our laboratory, in order to demonstrate the significance of the technique

Thorough characterization of a Self-Emulsifying Drug Delivery System with Raman hyperspectral imaging: A case study.

Newly developed drugs often have poor bioavailability due to their poor water solubility (BCS class 2 drugs). It is therefore necessary to develop new strategies to enhance their solubility and their activity, among which, Self-Emulsifying Drug Delivery System (SEDDS). The efficacy of the drugs contained in these preparations is mainly affected by the solid state and the particle size of the active pharmaceutical ingredient (API). However, it is quite complex, long and expensive to characterize these parameters with classical techniques such as X-Ray powder diffraction, differential scanning calorimetry or hot stage microscopy. The present article presents, through a case study, the advantages of the Raman hyperspectral imaging in the characterization of such formulations. Indeed, Raman chemical imaging may fully characterize SEDDS with single equipment and operator in a non-destructive way allowing the follow-up of the formulation during stability studies. Raman imaging is therefore a tool of choice in the PAT framework since it increases the knowledge of the formulation and the process. A quantitative multivariate method using Raman hyperspectral imaging to assay the API in the lipid based formulation has been developed and fully validated following the “total error” approach

De la spectroscopie Proche Infrarouge et Raman à la diffusion Raman exaltée de surface : Progrès, limitations, perspectives en bioanalyse

Over recent decades, spreading environmental concern entailed the expansion of green chemistry analytical tools. Vibrational spectroscopy, belonging to this class of analytical tool, is particularly interesting taking into account its numerous advantages such as fast data acquisition and no sample preparation. In this context, Near-Infrared, Raman and mainly Surface-Enhanced Raman Spectroscopy (SERS) have thus gained interest in many fields including bioanalysis. The two former techniques only ensure the analysis of concentrated compounds in simple matrices, whereas the emergence of SERS improved the performances of vibrational spectroscopy to very sensitive and selective analyses. Complex SERS substrates were also developed enabling biomarker measurements, paving the way for SERS immunoassays. Therefore, in this paper, the strengths and weaknesses of these techniques will be highlighted with a focus on recent progress

Development of SERS nanosensors for the detection of active molecules in biological matrices

Development of SERS nanosensors for the detection of active molecules in biological matrice