레이저 회절 및 자동 입자 이미징 기법을 함께 사용하면 비강 분무 제품의 빠르고 비용 효과적인 개발을 지원하는 동시에 규제 준수에 필요한 데이터를 제공할 수 있습니다. 이 문서에서는 이들의 응용을 조사합니다.
비강 분무 제품은 전신 및 국소 작용 치료법(특히 호르몬 및 편두통 치료)을 제공하는 데 갈수록 가치가 높아지고 있습니다. 비강은 표면적이 넓고 혈액 공급이 풍부해서 약물 엔티티를 빠르게 흡수하는 데 도움이 되며, 중추신경계에 매우 근접하기 때문에 특히 도움이 됩니다.
기기와 제형이 조합되어 전달된 용량의 고유한 특성이 정의되기 때문에 비강 분무에 대한 규제 지침에서는 기기와 제형을 함께 테스트하는 것이 중요하다고 강조합니다. 투여된 액적의 입자 크기가 약물 투여의 성공에 큰 영향을 주며, 현탁액 제형의 경우에는 현탁액의 입자 크기도 중요합니다.
지침에 따르면 투여된 액적의 크기는 '에어로졸 및 분무의 비강 침착에 영향을 미치는 중요한 특성'입니다. 10마이크론 미만의 범위에 있는 매우 미세한 액적은 폐로 유입될 가능성이 있으며, 지나치게 큰 액적은 의도한 부위에 침착되지 않고 비강 전면에 그대로 있을 수 있습니다. 현탁된 활성 제약 성분(API)의 입자 크기는 체내의 용해율에 영향을 줄 수 있으며 코 안의 작용 부위에 대한 사용 가능성에도 영향을 줄 수 있습니다. 임상 효능에 대한 요구 사항이 충족되고 API 입자가 투여 과정에서 변하지 않았는지 확인하기 위해 작동 전후에 입자 크기를 측정하는 것이 좋습니다.
레이저 회절은 액적 크기 측정에 권장되는 기법이며, 이미징 또는 현미경 검사 방법은 시각적으로 유사한 부형제 입자가 존재하여 복잡해질 수 있는 현탁 API를 분석하는 데 일반적으로 사용됩니다. 이 문서에서는 비강 분무 제품 개발에서 분광 식별(Morphologi G3-ID, Malvern Instruments)과 결합하여 레이저 회절(Spraytec, Malvern Instruments) 및 자동 이미징 기술을 사용하는 것을 검토하고, 이 두 기법이 어떻게 결합되어 비용 및 시간 효율적인 방식으로 비강 분무 제품을 개발 및 최적화하는 데 필요한 이해 및 규제 데이터를 제공하는지를 보여줍니다.
기존 비강 분무는 일반적으로 수성 매질에서 용해되거나 부유하는 API로 구성됩니다. 비강을 통해 환자가 직접 투여합니다. 효과적인 약물 투여는 환자의 기술과 생리, 제형의 특성, 분무 펌프의 특성과 같은 여러 가지 요인에 따라 달라집니다. 비강 분무 개발에서는 대상 사용자 그룹에 견고한 성능을 제공하기 위해 기기 및 제형을 최적화하는 데 중점을 두고 있으며, 이는 매우 광범위할 수 있습니다.
액적 크기 측면에서 대상 범위는 20~120μm가 되는 경향이 있습니다. 이 크기 범위의 액적은 일반적으로 비강 뒤쪽 3분의 2에 있는 비판막 너머에 침착되어 치료 효과를 최대화합니다. 10마이크론 미만의 입자는 폐로 흡입되기 쉽기 때문에 이러한 입자가 생성되거나 존재하면 관련 API의 폐 전달과 관련된 임상적 위험을 평가해야 합니다. 반대로 액적이 지나치게 크면 코의 전면에 남아서 API를 의도한 부위에 전달하지 못하는 경향이 있습니다.
비강 분무 제품 중에서 계량식 분무 펌프는 약물 용량을 미립화하여 전달하며 성능은 제형의 물리적 특성에 따라 달라집니다. 비강 분무 개발자의 임무는 기기-제형의 상호 작용을 이해하고 제어하며 임상 효능 향상을 목적으로 성능을 좌우하는 파라미터를 조작하는 것입니다.
기기 측면에서 주요 변수로는 펌프 작동 및 사전 압축률, 작동기의 길이, 기하학적 구조 및 오리피스 크기 등이 있습니다. 이러한 변수가 함께 작용하여 사용 중에 제형에 적용되는 전단력이 결정됩니다. 이 적용된 전단에 대한 제형의 반응은 물리적 특성의 함수입니다. 점도는 특히 중요한 파라미터이며 조절제와 첨가제를 포함하여 정기적으로 조작합니다. 제품 개발자는 이러한 변수의 일부 또는 전부를 조정하여 환자 사용 중에 적용되는 조건에서 필요한 액적 크기를 제공할 수 있도록 비강 분무 기기를 조정할 수 있습니다. 신뢰할 수 있는 적시 액적 크기 측정으로 이 최적화 과정을 지원합니다.
현탁액 기반 제품 개발은 투여된 용량의 API와 액적 양쪽의 크기가 모두 중요하다는 사실 때문에 복잡해집니다. 체내에서 필요한 용해율과 생체이용율을 보장하는 크기의 입자로 안정적인 현탁액을 공식화하는 것은 개발 과제의 한 부분입니다. 다른 하나는 입자 크기가 투여 과정의 영향을 받지 않는지 확인하는 것입니다. 즉, 투여 전후에 활성 입자의 입자 크기를 측정하는 데 의존하는 점검입니다.
레이저 회절은 광범위한 동적 범위(0.1~3000마이크론)에서 실시간으로 측정할 수 있는 비파괴 입자 크기 측정 기법입니다. 습식 및 건식 분무 시료의 특성화에 적합하며, 최소 교정 요구 사항으로 분산 입자 크기 및 분무 형성과 역학의 연구에 모두 적용할 수 있습니다. 비강 분무의 개발 및 제조에서 다음을 보장하기 위해 레이저 회절을 사용합니다.
입자 크기는 입자가 시준된 광 빔을 통과할 때 생성된 산란 패턴으로부터 레이저 회절을 사용하여 결정합니다. 작은 입자는 넓은 각도에서 약하게 빛을 산란시키고 큰 입자는 좁은 각도에서 더 강한 신호를 제공합니다. 레이저 회절 분석기는 Mie의 빛의 이론을 적용하여 시료에서 생성된 산란된 광 패턴을 감지하고 이로부터 완전한 입자 크기 분포를 생성합니다.
그림 1에는 분무 측정을 위해 구성된 레이저 회절 입자 크기 분석기를 사용하여 측정한 일반적인 비강 분무 데이터가 나와 있습니다(Spraytec, Malvern Instruments). 데이터 획득 속도는 매우 빨라서 0.1ms마다 완전한 측정을 1회 수행할 수 있습니다. 이것은 겨우 160ms 동안 지속되는 분무 이벤트의 세부 사항을 캡처하는 데 필수적입니다. 결과를 조사하면 투여 과정에서 형성, 완전 발달/안정, 소산의 세 개별 단계를 관찰할 수 있습니다.
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작동 직후에 세 크기 파라미터 전부와 전파가 가파르게 감소합니다. 이 단계는 형성 단계입니다. 그림 2에서 녹색 선으로 표시된 전파는 시료를 관통하는 소스 광의 척도이기 때문에 분무 밀도의 척도이기도 합니다. 따라서 이 단계 중의 전파 데이터에서는 분무 밀도가 지속적으로 증가하는 것으로 나타납니다. 처음에는 분무 펌프를 통과하는 흐름이 작지만 펌프가 프라이밍됨에 따라 빠르게 형성됩니다. 펌프를 통과하는 흐름이 최대 정속 속도에 도달하면 액적 크기가 안정된 최소값으로 감소하여 안정된 완전 발달 단계가 이루어집니다. 대부분의 약물 투여가 이러한 조건에서 발생하기 때문에 이 단계는 가장 관심 있는 단계입니다. 기기의 미터링 챔버가 비워지면 유속이 한 번 더 감소하여 이벤트의 끝을 표시하는 소산 단계 중에 액적 크기가 증가합니다.
미국 식품의약국(FDA) 지침에서는 비교 연구를 위해 통계적으로 관련된 액적 크기 정보를 제공하기 위해 완전 발달 단계의 데이터를 사용할 것을 권장합니다. 적절한 데이터 처리 소프트웨어를 사용하면 이 단계를 정확하게 정의할 수 있으므로 대표적인 평균 데이터를 쉽게 생성할 수 있습니다. 완전 발달 단계가 가능한 오래 지속되도록 형성 및 소산 단계의 지속 시간을 줄이는 것을 공통 목표로 기기가 작동하는 방식에 대한 이해를 높이기 위하여 이 두 단계의 크기 정보도 유용하게 사용할 수 있습니다.
그림 2에는 제형 점도가 미립화 거동 및 투여된 액적 크기에 미치는 영향을 평가하기 위해 수행한 실험 연구의 레이저 회절 데이터가 일부 나와 있습니다. 이러한 결과는 40mm/s의 최대 속도를 달성하도록 설정된 속도 조절식 작동기(SprayVIEW NSx, Proveris Scientific)를 사용하여 제어되는 펌프를 작동하는 일반적인 상용 비강 펌프 분무를 사용하여 수집하였습니다. 테스트한 용액은 폴리비닐피롤리돈(PVP) 농도에 따라 달라지며, PVP는 현탁액 제형의 점도를 수정하기 위해 정기적으로 사용되는 첨가물입니다. 무게 기준으로 0~1.5% 범위의 용액을 평가하였습니다.
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PVP 농도가 0.5% 이하인 용액의 경우 관찰된 액적 크기 프로파일은 분명한 완전 발달 단계를 나타냅니다. 하지만 용액의 점도가 증가하면 미립화의 성공률이 떨어집니다. 액적 크기는 훨씬 크고, 특히 1.5% 용액의 경우에 완전 발달 단계가 잘 정의되어 있지 않습니다.
자동으로 제어되는 각 작동 중에 펌프는 동일한 수준의 전단을 적용하지만, 점도가 높은 용액의 경우 이 전단은 용량 미립화의 측면에서 영향력이 줄어듭니다. 점도가 높은 용액은 동일한 액적 크기에 대한 미립화에 성공하려면 에너지 입력이 더 많이 필요합니다. 현탁액 기반 제품의 점도를 높이는 중요한 이유 중 하나는 보관 중 침전 위험을 줄이는 것이고, 다른 하나는 코에서 체류 시간을 늘리는 것입니다. 이러한 결과는 다른 조치가 없을 경우 이러한 조치가 액적 형성에 부정적인 영향을 줄 수 있고, 결과적으로 약물 투여에도 영향을 줄 수 있다는 것을 보여줍니다.
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그림 3에는 Equadel 펌프(Aptar Pharma)를 사용하여 미립화된 동일한 PVP 용액에 대한 데이터가 나와 있습니다. 이 비교 데이터에서는 어떻게 펌프 메커니즘 변경이 점도가 더 높은 제형으로 미립화를 개선하기 위한 성공적인 전략이 될 수 있는지를 보여줍니다. Equadel에서는 에너지 저장 메커니즘을 사용하여 미립화 과정을 보다 세밀하게 제어합니다. 펌프가 눌려 있으면 에너지가 스프링 안에 저장됩니다. 이 에너지는 펌프가 사전에 결정된 유압에 도달하면 해제됩니다. 이로 인해 기존 펌프와 비교하여 작동 중에 적용된 에너지가 제형으로 해제되는 방식이 바뀌며, 미립화 거동에 두드러진 효과가 있습니다. 그림 4의 데이터에는 모든 용액에서 길고 안정된 단계가 나타났고, 점도가 높은 경우에도 길고 안정된 단계가 나타나서 투여가 더욱 성공적일 것이라고 생각할 수 있습니다.
하지만 1.0% 및 1.5% 용액의 경우 안정된 단계에 대해 보고된 Dv50 값은 여전히 비교적 높습니다. 이를 시정하기 위해 사용할 수 있는 단계로는 대상 사용자 그룹의 능력을 반영하는 제약 조건 내에서 미립화가 발생하는 오리피스의 직경 감소 및/또는 작동 속도 증가 등이 있습니다. 레이저 회절은 두 전략에 대한 평가를 효율적으로 지원합니다.
현탁액 비강 분무의 경우, 액적 크기 측정과 함께 API 입자 크기 분포를 신뢰할 수 있게 측정하는 것이 매우 중요합니다. 이렇게 하면 API를 존재하는 다른 현탁물과 구분할 수 있고 통계적으로 유효한 크기 척도를 제공할 수 있는 보충 분석을 수행해야 합니다. 기존 접근법은 수동 현미경 검사를 사용하는 것이지만, 이 기법은 노동 집약적이면서 작업자에 따라 달라집니다. 자동 이미징 기술은 보다 효율적인 대안이며, 더욱 통계적으로 관련된 데이터를 훨씬 빠르게 수집할 수 있습니다.
지난 10년 동안 자동 이미징 기술은 카메라 기술 및 데이터 분석 소프트웨어의 발전에서 엄청난 혜택을 누렸습니다. 이 기법에서는 플레이트에 적절히 분산된 3차원 입자의 개별 2차원 이미지를 캡처합니다. 그런 다음 각 이미지의 치수에서 다양한 크기와 형상 파라미터를 결정합니다. 크기에 대하여 이러한 사항 중 주요 사항은 입자 크기를 단일 숫자(직경)로 표현하기 위해 캡처된 이미지를 등가 면적의 원으로 변환하여 계산하는 등가원(CE) 직경입니다(그림 4).
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형상과 관련하여 입자의 정의 치수에서 일련의 파라미터를 개발할 수 있습니다(그림 5 참조). 전체 그림을 만듭니다. 볼록성, 신장률 및 원형도와 같은 파라미터는 둘레가 매끄럽든 콘볼루션에 더 가깝든 입자의 전체 형상과 함께 형상의 규칙성을 설명합니다.
Malvern Instruments의 Morphologi G3와 같은 시스템에서는 겨우 몇 분만에 수천 개의 입자를 측정하여 매우 미묘한 차이도 식별하고 정량화할 수 있는 크기, 형상 및 투명도에 관한 통계적으로 관련된 설명자를 만들 수 있습니다.
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레이저 회절 및 이미징을 함께 적용하려는 사람을 위하여 앞선 논의에서는 인식하고 이해해야 할 몇 가지 중요한 차이를 강조하였습니다. 레이저 회절 분석은 전체 시료에 대해 단일 데이터 지점(입자 크기 분포)을 생성하는 앙상블 기술입니다. 이 분포는 체적 분포입니다. 즉, 각 크기 분획에서 시료의 상대적 부피를 나타냅니다. 반면에 이미징 기술에서는 개별 입자를 측정하여 크기 및 형상에 대한 숫자 기반 분포를 만듭니다. 이러한 분포에서는 각 크기 또는 형상 분획에서 상대적 입자 수를 나타냅니다. 이미징과 레이저 회절 데이터 및 사양을 직접 비교할 수 있지만 이러한 기술의 기본적인 특성은 직접 비교할 때 고려해야 합니다.
비강 분무 펌프를 통한 미립화 과정에서 어떤 변화가 발생했는지 결정하기 위해 자동 이미징 기술을 사용하여 약물 투여 전후에 비강 분무 제형에서 API의 입자 크기를 측정하였습니다. 시료를 측정 플레이트에 적절히 분산시킨 다음 제형의 크기와 형상 데이터를 양쪽 모두 수집하기 위해 분석하였습니다.
이 제품을 사용하면 부형제 및 API의 형태가 매우 다르게 나타나고 특정 형상 파라미터를 기준으로 신뢰할 수 있게 구분할 수 있습니다. 따라서 API 모집단을 식별하기 위해 형상 분류 필터를 데이터에 적용하였습니다. 그런 다음 이러한 입자에 대해서만 입자 크기 데이터인 CE 직경 값을 생성하였습니다. 결과는 그림 6에 나와 있습니다.
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이 프로파일은 분무로 인해 입자 크기 분포가 더 미세한 크기로 약간 이동하는 것을 나타내어 용량을 미립화하기 위해 적용한 전단 때문에 입자 크기가 감소한다는 것을 알 수 있습니다. 이러한 효과는 API의 침착 및 체내 흡수에 영향을 미칠 수 있으므로 임상 효능 결정에도 영향을 미칠 수 있습니다.
설명한 대로 비강 분무 연구에서는 이미징에서 생성되는 파라미터를 사용하여 입자 모집단을 신속하게 분류하여 API에 대한 정보만 식별하고 제공할 수 있습니다. 하지만 이미징과 현미경 검사에는 형태학적으로 유사한 부형제와 API를 구별할 수 없다는 공통적인 한계가 있습니다. 이 문제를 해결하는 한 가지 방법은 Raman 분광법과 같은 화학적 식별 기법으로 이미징을 보완하는 것입니다. 관심의 대상이 되는 입자 모집단에 대한 Raman 스펙트럼을 수집하고 참조 스펙트럼에 대한 상관 관계를 구하여 API 입자를 안전하게 식별하고 해당 입자에 대하여 고유하게 데이터를 수집할 수 있습니다.
이러한 기술을 적용하는 최적의 방법은 Raman 스펙트럼의 획득을 목표로 크기, 형상 또는 투명도 데이터를 사용하는 것입니다. 소위 형태학적 기반 라만 분광법이라고 하는 것입니다. 이렇게 하면 기존 Raman 매핑 방법과 비교하여 측정 시간이 크게 단축됩니다. 또한 표준 분광법과 비교할 때도 입자 위치가 분석 전에 자동으로 결정되어 작업자 주관성이 제거되어 측정이 단순화됩니다.
사례 연구: 형태학적 기반 라만 분광법을 사용하여 제형에서 API의 양을 확인
현탁액 비강 분무에 대한 이미지가 존재하는 API 및 부형제에 대한 참조 스펙트럼과 함께 그림 7에 나와 있습니다. 단일 스캔 영역에서 입자 9000개에 대한 화학적 스펙트럼 데이터를 수집하여 존재하는 API 입자의 모집단을 화학적으로 식별하고 제형에서 API의 비율을 확인하기 위해 이러한 참조 스펙트럼과 비교하였습니다. 스펙트럼 예 2개가 나와 있습니다.
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화학적으로 생성된 상관 관계 점수 산포도(그림 8)에서는 API 및 부형제 입자의 모집단을 구분하고 분석한 입자 9000개 중에서 450개가 API로 분류된다는 것을 보여줍니다. 이를 보면 제형에서 API 대 부형제의 양 비율이 무게 기준으로 1:20으로 기술된 조성과 일치한다는 것을 알 수 있습니다.
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이러한 데이터를 이용하여 API 및 부형제에 대한 성분별 입자 크기 및 형상 분포를 비교할 수 있으며, 이를 통해 형상 기준만으로 모든 분석에서 대량의 부형제를 제외할 수 있다는 것을 알 수 있습니다(그림 9 참조). 신장률이 0.4보다 큰 입자는 API가 아니라고 안전하게 식별할 수 있으므로 화학적 분석이 필요하지 않습니다. 신장률 기준으로 자동 분류하면 원본 입자 9000개 중에서 3000개만 화학적으로 식별하면 되기 때문에 측정 시간을 66% 줄일 수 있습니다.
이러한 방식으로 자동화된 이미징을 기준으로 화학적 분석을 실시하면 측정이 효율적으로 간소화되고 제조 및 QC에서 일상적인 사용에 대한 이 접근법의 실용성이 향상됩니다.
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임상적으로 효과적인 비강 분무의 개발 및 제조는 대상을 정확하게 찾는 침착과 일관된 체내 거동을 보장하기 위해 투여를 이끄는 미립화 과정을 이해하고 제어하는 데 달려 있습니다. 레이저 회절은 미립화의 역학을 이해하는 데 필요한 실시간 액적 크기 데이터를 제공하여 기기 및 제형 양쪽의 최적화를 지원합니다. 자동 이미징 기술은 이러한 데이터를 현탁된 활성의 입자 크기 및 투여의 영향을 받는 방식에 관한 정보로 효율적으로 덮어씌웁니다. 이미징을 분광법과 함께 사용하면 비강 분무 제품을 심층적으로 조사할 수 있는 매우 강력한 도구가 될 수 있고 규제 기관에서 지지하는 것처럼 혁신 주자 및 일반 비강 분무를 비교하기 위한 객관적이고 통계적으로 건전한 데이터를 만들 수 있습니다.
이러한 기술을 함께 사용하면 비강 약물 투여 응용을 확대하는 데 도움이 됩니다. 중요한 활동 영역 중 하나는 코의 경로를 이용하여 투여하는 약물 엔티티의 범위를 넓히는 것이고, 다른 하나는 폐 영역에서 건식 분말 흡입기를 사용하는 것과 유사한 개발품인 건식 비강 분말 제품을 발전시키는 것입니다.
건식 비강 분말을 통한 투여의 잠재적인 이점으로는 높은 환자 수용성, 우수한 제품 안정성 및 멸균, 그리고 정밀 표적 약물 투여 등이 있습니다. 이 분야에 대한 연구는 아직 초기 단계에 있지만, 조기에 나온 사항을 보면 이 분야에서도 레이저 회절과 자동 이미징 기술이 발전을 지원하는 데 어떤 역할을 할 것이라는 것을 알 수 있습니다. 이러한 기술을 상호 보완적으로 적용하면 다른 많은 제약품에 대해서처럼 비강 분무 발전의 모든 측면에서 가치가 있기 때문에 이러한 기술은 제약품 산업의 분석 분야에서 중심이 될 수 있습니다.
