Non-destructive testing of macrolides in tablet medicines by near-infrared fourier spectroscopy and digital colorimetry

Full Text

Метод ИК-спектроскопии в ближней области (БИК) – простой, экспрессный и сравнительно недорогой способ контроля качества лекарственных средств [1–4]. ИК-спектры в ближней области (4000–12 500 см^–1) обусловлены колебаниями связей C–H, O–H и N–H органических соединений и, в отличие от средней области (600–4000 см^–1), не проявляют характеристических частот поглощения (диффузного отражения). Однако БИК-спектр формирует суммарный “облик” лекарственных средств (включая все вспомогательные вещества, а также блистерную упаковку), и только в сочетании с хемометрической обработкой спектров возможен их анализ. С этой целью для обработки БИК-спектров применяют хемометрические алгоритмы – метод главных компонент (PCA), искусственные нейронные сети, частичную регрессию наименьших квадратов (PLS), линейный дискриминантный анализ, иерархический кластерный анализ (НСА) и др. [5, 6].

Описаны приемы неразрушающего анализа таблетированных форм лекарственных средств без упаковки. Так, в работе [7] исследованы таблетки ацетилсалициловой кислоты разных производителей методом БИК. С помощью хемометрических методов РСА и SIMCA построены модели, которые позволяют идентифицировать препарат по производителю и могут быть использованы для выявления его фальсификата.

Показана возможность применения БИК-спектроскопии для подтверждения подлинности сульфалена [8], омепразола [9], фамотидина [10], противомикробного препарата (олеандомицин, тетрациклин) [11] в субстанциях и таблетках. С помощью дискриминантного анализа выявлены различия в БИК-спектрах между субстанциями и лекарственными формами разных производителей препаратов.

Ранее нами опубликован ряд работ по применению неразрушающего цветометрического и БИК-определения фторхинолонов, тетрациклинов, нестероидных противовоспалительных средств (НПВС) в блистерной упаковке с использованием устройства для анализа [12–15]. Для получения флуоресценции фторхинолонов, тетрациклинов и измерения ее интенсивности с помощью смартфона при облучении таблеток в блистерной упаковке УФ-светом 390 нм задействовали специальное устройство. Для нефлуоресцирующих НПВС с использованием смартфона измеряли интенсивность диффузного отражения ИК-излучения (850, 880 и 940 нм). Во всех случаях применение хемометрических алгоритмов РСА, НСА, PLS позволило установить производителя лекарственного средства и определить содержание действующих веществ. Получены равноточные результаты с применением цветометрии и ИК-спектроскопии с преобразованием Фурье ближней области спектра.

В данной работе проведено сравнение Б ИК-спектроскопии с более простым и дешевым цветометрическим методом [16] с использованием разработанного устройства и детектора-смартфона для анализа таблетированных форм макролидов в блистерной упаковке.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Применяли устройство-бокс (9 × 12 × 9 см), напечатанный на 3 D принтере с установленной ИК-светодиодной матрицей SHL 0020 IR (850 нм) и блоком питания на 4.5 В (три элемента питания АА) (рис. 1). Для регистрации аналитического сигнала (диффузное отражение излучения от образца) применяли смартфон OnePlus 10 Pro (модель NE2213, Китай), iPhone 14 (модель A2884, США) с приложениями PhotoMetrix PRO^® (версия 1.1.3), ColorGrab (версия 3.9.2) и RGBer (версия 2.6). Перед началом исследований в мобильное приложение PhotoMetrix PRO^® [17–19] вводили следующие параметры: область захвата изображения (ROI) – 16 × 16 пикселей, баланс белого (White-Balance) – auto.

 

Рис. 1. Устройство для цветометрического анализа. 1 – блок питания, 2 – светодиодная матрица, 3 – анализируемый образец, 4 – смартфон.

 

Использовали ИК-спектрометр с преобразованием Фурье Frontier фирмы PerkinElmer (США) с приставкой NIRA, работающий в диапазоне ближнего ИК-излучения (4000–10 000 см^–1). Для обработки полученных ИК-спектров применяли специализированные программы, использующие хемометрические алгоритмы для анализа большого массива данных: TQ Analyst (версия 9.7.179) Thermo Fisher Scientific Inc. и The Unscrambler X (версия 10.4) CAMO Software (США).

При цветометрическом анализе лекарственные средства в блистерной упаковке с разной концентрацией действующего вещества поочередно вводили на середину смотрового окна, прикладывали камеру смартфона к окну с захватом середины таблетки в области (ROI) 16 × 16 пикселей и проводили фотографирование с переменным фокусированием (infinity), автоматическим балансом белого (white balance auto) и разрешением камеры (resolution) 640 × 480. Для получения ИК-спектров лекарственные средства, находящиеся в блистерной упаковке, поочередно помещали на сапфировое окно интегрирующей сферы для образцов и сканировали заданную область спектра. Измерение для каждой пробы проводили трижды.

Лекарственные препараты для анализа приобретали в аптеках г. Владимира. Состав и производители анализируемых проб представлены в табл. 1.

 

Таблица 1. Состав лекарственных препаратов и их производители

Лекарственный препарат (действующее вещество, мг в таблетке)	Вспомогательные вещества	Производитель
Суматролид Солюшн (азитромицин, 250, 500)	Целлюлоза микрокристаллическая, крахмал прежелатинированный, кросповидон, кремния диоксид коллоидный, натрия сахаринат, магния стеарат, ароматизатор черносмородиновый, ванилин	ООО “ОЗОН”
Азитроминиц Реневал (азитромицин, 250, 500)	Кальция гидрофосфат безводный, крахмал прежелатинизированный, целлюлоза микрокристаллическая 101, кроскармеллоза натрия, крахмал кукурузный, магния стеарат, гипромеллоза, кремния диоксид коллоидный (аэросил), натрия лаурилсульфат. Оболочка: вивакоат PC - IO -609 белый (гипромеллоза, титана диоксид, полисорбат 80, тальк)	АО “Обновление ПФК”
Азитромицин Вертекс (азитромицин, 125, 500)	Целлюлоза микрокристаллическая, лактозы моногидрат, повидон К-30, кросповидон, натрия лаурилсульфат, кремния диоксид коллоидный, магния стеарат. Оболочка: гипромеллоза, тальк, титана диоксид, макрогол 4000 (полиэтиленгликоль)	АО “Вертекс”
Кларитромицин (кларитромицин, 250, 500)	Повидон, целлюлоза микрокристаллическая, натрия кроскармелоза, кремния диоксид коллоидный, магния стеарат. Оболочка: опадрай II 31 F 58914 белый (запатентованная смесь, содержащая гипромелозу, лактозы моногидрат, титана диоксид (Е171), макрогол 4000, натрия цитрат)	ООО “ОЗОН”
Кларитромицин (кларитромицин, 250, 500)	Крахмал прежелатинизированный, целлюлоза микрокристаллическая, кроскамеллоза натрия, повидон-К30, кремния диоксид коллоидный, магния стеарат. Оболочка: опадрай II белый 85 F 28751(поливиниловый спирт, титана диоксид, макрогол, тальк)	АО “Рафарма”

 

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

ИК-спектроскопия. На рис. 2 представлены ИК-спектры таблетированных форм макролидов в блистерной упаковке. Хемометрическая обработка спектров показывает различие не только по производителям, но и по концентрациям действующих веществ в таблетках (рис. 3, 4). Так, графики РСА и НСА кларитромицина показывают дифференциацию производителей – пробы 1 – 4 располагаются в различных квадрантах графика и образуют различные кластеры (рис. 3). Аналогичные результаты получены и для азитромицина разных производителей (рис. 4). При анализе препаратов для определения концентрации действующего вещества важно показать, в каком кластере и в каком квадранте находится исследуемое лекарственное средство для его идентификации и определения.

 

Рис. 2. ИК-спектры таблеток в блистерной упаковке азитромицина (а) и кларитромицина (б) разных концентраций и производителей. (а): 1, 2 – Азитромицин Вертекс (125, 500 мг); 3, 4 – Суматролид Солюшн Таблетс (250, 500 мг); 5, 6 – Азитромицин Реневал (250, 500 мг). (б): 1, 2 – Кларитромицин Озон (250, 500 мг); 3, 4 – Кларитромицин Рафарма (250, 500 мг).

 

Рис. 3. Графики (а) PCA и (б) HCA для идентификации производителя лекарственных препаратов с кларитромицином: 1, 2 – Кларитромицин Озон (250, 500 мг); 3, 4 – Кларитромицин Рафарма (250, 500 мг).

 

Рис. 4. Графики (а) PCA и (б) HCA для идентификации производителя лекарственных препаратов с азитромицином: 1 – Азитромицин Вертекс (500 мг); 2 – Суматролид Солюшн Таблетс (500 мг); 3 – Азитромицин Реневал (500 мг).

 

Цветометрия. Задействовали многомерный анализ в приложении Photometrix PRO^® с использованием цветометрических каналов R, G, B, H, S, V, L и I, который позволяет применять хемометрические алгоритмы РСА, НСА и PLS. Данные алгоритмы позволили определить концентрацию действующего вещества по градуировочной зависимости, рассчитанной методом PLS, а также установить производителя лекарственного средства. При исследовании таблеток цветометрическим методом оценивали влияние блистерной упаковки и оболочки таблетки на результат анализа. Как видно из рис. 5, блистерная упаковка и оболочка таблетки уменьшают аналитический сигнал, однако зависимость цифровых значений RGB от концентрации действующего вещества сохраняется.

 

Рис. 5. Влияние блистерной упаковки на цифровые значения цветометрических каналов для (а) Азитромицина Реневал и (б) Кларитромицина Рафарма.

 

На рис. 6, 7 представлены данные РСА и НСА для таблетированных макролидов разных производителей. Как видно, кластеры располагаются в разных квадрантах на рисунках в зависимости от производителя и концентрации действующего вещества. Последний факт положен нами в основу определения концентрации действующих веществ в таблетках с применением алгоритма PLS в Photometrix PRO^®.

 

Рис. 6. Графики PCA и HCA для определения производителя лекарственных средств клоритрамицина: 1, 2 – Кларитромицин Озон (250, 500 мг); 3, 4 – Кларитромицин Рафарма (250, 500 мг).

 

Рис. 7. Графики PCA и HCA для определения производителя лекарственных средств азитромицина: 1, 2 – Суматролид Солюшн; 3, 4 – Азитромицин Реневал; 5, 6 – Азитромицин Вертекс.

 

Алгоритм PLS удобно использовать при определении концентрации действующего вещества в таблетках: задается концентрация, указанная в инструкции к таблеткам, далее выдается концентрация, рассчитанная в ходе анализа (OUTPUT SAMP). Точность градуировочной модели PLS характеризовали величиной среднеквадратичного остатка градуировки (RMSEC, root-mean square error of calibration) [6]. При этом чем меньше RMSEC, тем точнее описываются исходные данные. Значения RMSEC не превышали 0.96 мг (табл. 2). Прогнозные свойства модели оценивали величиной среднеквадратичного остатка прогноза (RMSEP, root-mean square error of prediction) [6] по результатам анализа таблеток другой серии. Величина RMSEP составила максимально 13.6 мг (табл. 2). В табл. 2 показаны результаты определения действующих веществ в лекарственных препаратах с применением многомерного цветометрического и ИК-спектроскопического анализа. Как видно из таблицы, относительное стандартное отклонение результатов анализа не превышает 0.06. Применение алгоритма PLS способствовало получению равноточных результатов при анализе таблеток в блистерной упаковке по диффузному отражению ИК-излучения в методах ИК-спектроскопии и цветометрии. Относительная погрешность результатов анализа не превышает рекомендуемую при приготовлении лекарственных средств согласно приказу Министерства здравоохранения РФ от 26.10.2015 № 751н (табл. 2).

 

Таблица 2. Результаты анализа лекарственных препаратов (n = 3, P = 0.95)

Наименование лекарственного препарата (действующее вещество/допустимые отклоненияa)	Уравнения зависимостей “измерено–предсказано”	RMSEC, мг	Найдено, мг в таблетке	RMSEP, мг	sr	Относительное отклонение, %
Азитромицин Вертекс (азитромицин, 125, 500 / ±10, ± 6%)	y = 0. 999x + 0.232b	0.48	134 ± 20	13.6	0.06	+7.4
			500 ± 10	3.18	0.01	0.0
	y = 1.000x + 0.140c	0. 96	113 ± 11	15.7	0.04	–9.6
			468 ± 11	4.12	0.01	–6.4
Суматролид Солюшн Таблетс (азитромицин, 250, 500 мг / ±8, ±6%)	y = 1. 000x + 0. 003 b	0. 22	244 ± 6	1.51	0.01	–2.3
			498 ± 7	1.47	0.01	–0.4
	y = 0. 992x + 3.129 c	0.12	262 ± 15	2.53	0.02	4.8
			491 ± 30	1.45	0.02	–1.8
Азитромицин Реневал (азитромицин, 250, 500 мг / ±8, ±6%)	y = 1.000x + 0.071b	0. 56	257 ± 11	0.564	0.02	+2.6
			485 ± 10	1.016	0.01	–3.0
	y = 0. 997x + 1.092c	0.67	2 76 ± 17	1.33	0.02	+8.0
			519 ± 15	2.17	0.02	+3.8
Кларитромицин Озон (кларитромицин, 250, 500 мг / ±8, ±6%)	y = 0. 999x + 0.324b	0. 65	234 ± 9	0. 2 2	0.01	–6.5
			494 ± 7	0.16	0.01	–1.3
	y = 0. 996x + 1.49c	0.78	2 43 ± 39	0.27	0.06	–2.8
			4 70 ± 2 7	1.10	0.03	–3.5
Кларитромицин Рафарма (кларитромицин, 250, 500 мг / ±8, ±6%)	y = 1. 000x + 0.031b	0. 32	230 ± 21	0.10	0.04	–7.9
			473 ± 32	0.61	0.03	–5.4
	y = 0. 999x + 0.535c	0.47	2 54 ± 10	0.65	0.02	+1.6
			4 92 ± 1 2	0.73	0.01	–1.6

^a Приказ Министерства здравоохранения РФ от 26.10.2015 № 751н; ^b анализ в блистерной упаковке по диффузному отражению ИК-излучения, ^c цветометрический анализ.

 

Таким образом, данные сравнительного анализа методами БИК-спектроскопии и цветометрии показывают приемлемые результаты, что позволяет рекомендовать более дешевый и простой цветометрический метод для анализа лекарственных средств.

ФИНАНСИРОВАНИЕ РАБОТЫ

Данная работа финансировалась за счет средств бюджета Всероссийского государственного центр качества и стандартизации лекарственных средств для животных и кормов. Никаких дополнительных грантов на проведение или руководство данным конкретным исследованием получено не было.

КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ

Авторы данной работы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

About the authors

V. G. Amelin

Vladimir State University; Russian State Center for Animal Feed and Drug Standardization and Quality

Author for correspondence.
Email: amelinvg@mail.ru
Russian Federation, Vladimir, 600000; Moscow, 123022

О. E. Emelyanov

Vladimir State University

Email: amelinvg@mail.ru
Russian Federation, Vladimir, 600000

References

Supplementary files