2021 年 5 月 12 日，美国 Vertex 公司研究学者 Ales Medek 博士受邀参与晶泰科技与 博腾子公司J-STAR联合主办的 FSF 2021 线上研讨会，发表《 15N 固态核磁共振技术在鉴别和定量复杂片剂中不同无定型活性药物成分时的应用 》报告。
Ales Medek 博士是一名物理化学家，拥有丰富的药物开发经验，专注于药物固态表征中的无序态的表征研究。他通过开发新颖的多维固态核磁共振实验材料研究，获得了伊利诺伊州立大学芝加哥分校的博士学位。在 Abbott Labs 进行博士后研究期间，他设计了通过溶液核磁共振获得高分辨率蛋白质结构的新策略，并于 2001 年至 2008 年在辉瑞公司建立了全球固态核磁共振业务，完成了大量新的固态核磁共振药物应用。目前 Ales Medek 博士就职于 Vertex 公司，研究方向从固态核磁共振扩展到所有固态表征技术，是多种科学出版物和专利的作者和合著者。
研讨会中， Ales Medek 博士就固态核磁共振技术的应用进行了详细介绍，详情请见下文。
研究背景
化学家提出利用成盐的方法来降低 API 的化学降解速率，但仍有其他问题需要解决，例如评估加工成片剂或者储存过程中盐发生歧化形成游离态的风险，而通过固态核磁技术有助于帮助理解相关过程。
以 API 形成钾盐为例：
片剂中可能存在：1）结晶态的钾盐形成无定型钾盐；2）无定型盐在酸性赋形剂存在下转变为无定型游离态；3）无定型和结晶态的游离态发生化学降解。
因此固态测试必须鉴别片剂中 API 的结晶态盐、无定型盐、无定型游离态和结晶态游离态。常规的固态表征技术难以鉴别单独药物样品中两种无定型相，而片剂赋形剂的存在使这变得更加困难。
因此固态核磁共振技术（SSNMR）变得尤为重要，SSNMR 在药物领域可以应用于多晶型鉴别（IP）与 XRPD 类似，可用于计算每个非对称单元的分子数（z’），计算距离（域尺寸）和 NMR 晶体学等。与其他技术相比 SSNMR 技术可以应用于复杂制剂的鉴别，对不同晶型非常敏感，几乎不依赖于晶体尺寸、同质性或水分，可以进行定量分析，没有择优取向，特定分子位点，检测限低，不具有破坏性等优点。
NMR 可以精确测量距离，比如磁偶极-偶极耦合中 H-H 的距离，在液体核磁中，由于分子翻转速度快，难以测量。有机分子可能是网状的结构，存在许多分子间或分子内的耦合，在 SSNMR 中 H-H 距离可以通过自旋扩散系数和时间获得。
SSNMR 魔角旋转（MAS）
样品绕着相对于 z 轴为魔角（即 54.74° ）的方向轴高速旋转，极大程度地消除偶极-偶极和化学位移各向异性相互作用，得到各向同性的高分辨固体谱。魔角旋转（MAS）技术只适用于丰核如 19F, 31P, 1H，可以通过峰强进行定量计算；交叉极化旋转（CPMAS）是一种信号强化的技术，由丰核（如1H）到稀核（如13C）的交叉极化使信号增强，适用于稀核（13C，15N），可以敏感增强（4x13C，10x15N ）；循环延迟短（1H T1），但不能用于定量分析。
Case1：区分溶剂包藏 vs 存在于缺陷中的溶剂 vs 溶剂合物
根据固体核磁 1H 谱中宽峰上的两个尖峰（下图右下），可以认为固体中存在液体的甲基叔丁基醚（MTBE），通过积分定量液体含量，具有较高的敏感度。结合 TGA 结果，在晶体的熔点有 0.90% 的失重，表明 MTBE 出现在包藏中。而没有尖锐峰的固体核磁 1H 谱，表明样品中不存在 IPA 液体，其他表征谱图表明不是溶剂合物，TGA 显示有对应 IPA 的 0.23% 的失重，表明 IPA 存在于缺陷中。
Case 2：区分混合物和多个相
以 Form A 和 B 的混合物为例，其中每个晶型的不对称单元中含有两个分子；可以通过 1H T1 的弛豫时间来进行分辨，如果弛豫时间相同，可以通过 2D 相关性进行分辨，通过 cross peak 判断是否为混合物。
Case 3：19F SSNMR 用于晶型区分
选用 19F SSNMR 是因为其在复杂片剂中可以只对 API 具有完全选择性，可以定量，且具有高敏感度（ 19F 天然丰度达 100% ），对结晶态盐和结晶的游离态具有很好的分辨率，但几乎无法分辨无定型盐和无定型游离态。
因此需要进一步通过 15N SSNMR 获得无定型相全分辨。 15N SSNMR 可以很好地分辨盐的无定型和游离态的无定型。但是 15N SSNMR 也存在问题：15N 的天然丰度只有 0.36% ，所以可以通过 15N 的富集来解决敏感度低的问题，并根据参考混合物进行校准来解决由于质子交叉极化导致的难以定量的问题。
首先 15N 标记和未标记的样品的氟光谱重叠良好，表明 15N 标记对固体形态不产生影响。进而对校准的混合物进行测试，获得相对反应因子（RRF），在 50/50 无定型钾盐/无定型游离态混合物和 45/45/10 无定型钾盐/无定型游离态/结晶态钾盐的混合物的 15N 的 SSNMR 谱中，发现无定型游离态的峰面积是无定型盐的 6 倍，这是由于游离态中 H 与 N 直接相连，在 CPMAS 测试中具有很好的强度，而无定型钾盐中信号来自远方的端基。
将原型片剂放置于 70ºC / 75% RH 条件下不同时间，发现随着放置时间增加，无定型钾盐和游离态的含量不断提高。以在 70ºC / 75% RH 条件下为例进行定量计算，通过 19F SSNMR 计算整体无定型含量，利用 15N CPMAS 和 RRF 计算样品中无定型钾盐和无定型游离态的含量，从而获得原型片剂在 70ºC / 75% RH 条件下无定型含量随时间的变化。结果表明，这一条件下结晶的药物分子溶解在高分子中，随着时间的推移，代表无定型含量的曲线出现平台意味着药物分子在高分子中的溶解达到临界值，而无定型的含量不是从 0 开始表明在压片制剂的过程有无定型的产生。
进一步进行机理探究发现：1）结晶态的API盐在高分子玻璃化转变温度（Tg）之上，溶解于高分子之中，形成无定型盐。基于未标记的药物产品的 19F SSNMR 得到无定型含量在不同温度和湿度条件下随时间的变化，随着 T-Tg 的差值越大，无定型的含量越高，由此可知结晶的 API 溶解于高分子中；2） HPMCAS 中的羧基与盐反应产生无定型游离态，尽管在不含 HPMCAS 体系的压片中发现仍有非晶化的过程发生，但是没有形成游离态，表明 HPMCAS 是导致无定型游离态产生的原因。3）游离态容易引起化学降解。
总结
利用 15N SSNMR 技术可以使我们明确药品的变化过程，定量分析无定型盐和无定型游离态的变化，明确反应机理，提出缓解策略避免药物化学降解。
特此鸣谢晶泰科技固态研发实验团队的 “谢谢不客气” 女士，完成本文章内容的整理
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