Russian Journal of BiotherapyRussian Journal of BiotherapyРоссийский биотерапевтический журнал1726-97841726-9792Publishing House ABV Press114610.17650/1726-9784-2019-18-1-87-94ORIGINAL REPORTSОРИГИНАЛЬНЫЕ СТАТЬИThermal cycling stage in the optimization of the freezing processes in the technology of drug lyophilizedСтадия термоциклирования в оптимизации процессов замораживания в технологии получения лиофилизированного препаратаBlynskayaE. V.БлынскаяЕ. В.
Russian Federation

8 Baltiyskaya St., Moscow 125315

125315 Москва, ул. Балтийская, 8

https://orcid.org/0000-0002-8321-6952TishkovS. V.ТишковС. В.
Russian Federation

8 Baltiyskaya St., Moscow 125315

125315 Москва, ул. Балтийская, 8

sergey-tishkov@ya.ruAlekseevK. V.АлексеевК. В.
Russian Federation

8 Baltiyskaya St., Moscow 125315

125315 Москва, ул. Балтийская, 8

MinaevS. V.МинаевС. В.
Russian Federation

8 Baltiyskaya St., Moscow 125315

125315 Москва, ул. Балтийская, 8

V.V. Zakusov Research Institute of PharmacologyФГБНУ «НИИ фармакологии им. В.В. Закусова»1904201918187941904201919042019https://bioterapevt.abvpress.ru/jour/article/view/1146

Introduction . In the lyophilization technology, the freezing stage plays a key role in determining the time of primary sublimation, secondary desorption, and often the appearance of the lyophilisate. The duration of lyophilization is related to the composition and freezing conditions through the parameter resistance to mass transfer, which depends on the size of ice crystals.Objective: to select temperature regimes of thermal cycling (“annealing”) to obtain the most vapor-permeable sublimation layer, calculate the value of resistance to mass transfer of water and select the most optimal lyophilization mode for preparing lyophilisate GK-2 for preparing solutions for injections.Materials and methods . Substance: GK-2 (hexamethyleneamide bis-(N-monosuccinyl-L-glutamyl-L-lysine)) (V.V. Zakusov Research Institute of Pharmacology, Russia); excipients intended for parenteral use: lyoprotector – sucrose (CompriSugar®) (CristalUnion, France), cryoprotector – polyethylene glycol 4000 (PEG, macrogol) (Polyglykol® 4000, Panreac, Spain). Edwards EF-6 Lyophilic Dryer (Italy); microscope Nikon Eclipse E200; digital camera Nikon DS-Ri2; confocal microscope LEXT OLS 4100. Various freezing, lyophilization, direct optical microscopy in a cold chamber, laser microscopy and mathematical formulas were used to determine the values of resistance to mass transfer of water vapor from model lyophilisates.Results . This article discusses the possibilities of optimizing the freezing stage and, accordingly, the entire lyophilization cycle by introducing an intermediate thermal cycling stage, provides calculations of the mass transfer coefficient of the composition under different freezing conditions and ice crystal sizes.Conclusion . A simplified equation for calculating the coefficient of resistance to mass transfer for model solutions of GK-2 based on the correlation dependence was determined. The selection of freezing and “annealing” modes was carried out on the basis of the most important indicators, such as productivity and time of lyophilization.

Введение . В технологии лиофилизации стадия замораживания играет ключевую роль: она определяет время первичной сублимации, вторичной десорбции и зачастую внешний вид лиофилизата. Длительность лиофилизации связана с составом и условиями замораживания через параметр сопротивления массопереноса, который зависит от размера кристаллов льда.Цель исследования – осуществить подбор температурных режимов термоциклирования («отжига») для получения наиболее паропроницаемого сублимационного слоя, рассчитать значение сопротивления массопереносу воды и выбрать оптимальный режим лиофилизации для приготовления лиофилизата ГК-2 для приготовления растворов для инъекций.Материалы и методы . Субстанция: ГК-2 (гексаметиленамид бис-(N-моносукцинил-L-глутамил-L-лизина)) (ФГБНУ «НИИ фармакологии им. В.В. Закусова», Россия); вспомогательные вещества, предназначенные для парентерального применения: лиопротектор – сахароза (CompriSugar®) (CristalUnion, Франция), криопротектор – полиэтиленгликоль 4000 (ПЭГ, макрогол) (Polyglykol® 4000, Panreac, Испания). Лиофильная сушилка Edwards EF-6 (Италия); микроскоп Nikon Eclipse E200; цифровая камера Nikon DS-Ri2; конфокальный микроскоп LEXT OLS 4100. В работе использованы различные режимы замораживания, лиофилизации, прямая оптическая микроскопия в холодной камере, лазерная микроскопия и математические формулы для определения значений сопротивления массопереносу водяного пара модельных лиофилизатов.Результаты . Рассмотрены возможности оптимизации этапа замораживания и соответственно всего цикла лиофилизации путем введения промежуточной стадии термоциклирования, приведены расчеты коэффициента сопротивления массопереносу состава при различных условиях замораживания и размерах кристаллов льда.Заключение . Определено упрощенное уравнение расчета коэффициента сопротивления массопереносу для модельных растворов ГК-2 на основе корреляционной зависимости. Осуществлен подбор режимов замораживания и «отжига» исходя из наиболее важных показателей, таких как производительность и время лиофилизации.

freezing stagelyophilizationice crystal sizethermocycling“annealing”стадия замораживаниялиофилизацияразмеры кристаллов льдатермоциклирование«отжиг»1. Гулякин И.Д., Хашем А., Николаева Л.Л. и др. Разработка новой технологии получения лекарственной формы для внутривенного введения производного индолокарбазола ЛХС-1208. Российский биотерапевтический журнал 2016;15(2):55–60. [Gulyakin I.D., Hashem A., Nikolaeva L.L. et al. Development of a new technology for the preparation of a dosage form for the intravenous administration of an indole carbazole derivative LHS-1208. Rossiysky bioterapevtichesky zhurnal = Russian Journal of Biotherapy 2016;15(2):55–60. (In Russ.)]. DOI: 10.17650/1726-9784-2016-15-2-55-60.Гулякин И.Д., Хашем А., Николаева Л.Л. и др. Разработка новой технологии получения лекарственной формы для внутривенного введения производного индолокарбазола ЛХС-1208. Российский биотерапевтический журнал 2016;15(2):55–60. [Gulyakin I.D., Hashem A., Nikolaeva L.L. et al. Development of a new technology for the preparation of a dosage form for the intravenous administration of an indole carbazole derivative LHS-1208. Rossiysky bioterapevtichesky zhurnal = Russian Journal of Biotherapy 2016;15(2):55–60. (In Russ.)]. DOI: 10.17650/1726-9784-2016-15-2-55-60.2. Аршинова О.Ю., Оборотова Н.А., Санарова Е.В. Вспомогательные вещества в технологии лиофилизации лекарственных препаратов. Разработка и регистрация лекарственных средств 2013;(2):20–5. [Arshinova O.Yu., Oborotova N.A., Sanarova E.V. Auxiliary substances in the technology of lyophilization of drugs. Razrabotka i registratsiya lekarstvennykh sredstv = Development and Registration of Medicines 2013;(2):20–5. (In Russ.)].Аршинова О.Ю., Оборотова Н.А., Санарова Е.В. Вспомогательные вещества в технологии лиофилизации лекарственных препаратов. Разработка и регистрация лекарственных средств 2013;(2):20–5. [Arshinova O.Yu., Oborotova N.A., Sanarova E.V. Auxiliary substances in the technology of lyophilization of drugs. Razrabotka i registratsiya lekarstvennykh sredstv = Development and Registration of Medicines 2013;(2):20–5. (In Russ.)].3. Блынская Е.В., Тишков С.В., Алексеев К.В., Марахова А.И. Вспомогательные вещества в технологии лиофилизации пептидов и белков. Фармация 2017;66(1):14–8. [Blynskaya E.V., Tishkov S.V., Alekseev K.V., Marakhova A.I. Auxiliary substances in the technology of lyophilization of peptides and proteins. Farmatsiya = Pharmacy 2017;66(1):14–8. (In Russ.)].Блынская Е.В., Тишков С.В., Алексеев К.В., Марахова А.И. Вспомогательные вещества в технологии лиофилизации пептидов и белков. Фармация 2017;66(1):14–8. [Blynskaya E.V., Tishkov S.V., Alekseev K.V., Marakhova A.I. Auxiliary substances in the technology of lyophilization of peptides and proteins. Farmatsiya = Pharmacy 2017;66(1):14–8. (In Russ.)].4. Блынская Е.В., Тишков С.В., Алексеев К.В. Технологические подходы к совершенствованию процесса лиофилизации белковых и пептидных лекарственных препаратов. Российский биотерапевтический журнал 2017;16(1):6–11. [Blynskaya E.V., Tishkov S.V., Alekseev K.V. Technological approaches to improving the process of lyophilization of protein and peptide drugs. Rossiysky bioterapevtichesky zhurnal = Russian Journal of Biotherapy 2017;16(1):6–11. (In Russ.)]. DOI: 10.17650/1726-9784-2017-16-1-6-11.Блынская Е.В., Тишков С.В., Алексеев К.В. Технологические подходы к совершенствованию процесса лиофилизации белковых и пептидных лекарственных препаратов. Российский биотерапевтический журнал 2017;16(1):6–11. [Blynskaya E.V., Tishkov S.V., Alekseev K.V. Technological approaches to improving the process of lyophilization of protein and peptide drugs. Rossiysky bioterapevtichesky zhurnal = Russian Journal of Biotherapy 2017;16(1):6–11. (In Russ.)]. DOI: 10.17650/1726-9784-2017-16-1-6-11.5. Блынская Е.В., Тишков С.В., Алексеев К.В., Минаев С.В. Математическое моделирование этапа замораживания в технологии лиофилизированных лекарственных форм. Российский биотерапевтический журнал 2018;17(2):15–21. [Blynskaya E.V., Tishkov S.V., Alekseev K.V., Minaev S.V. Mathematical modeling of the freezing stage in the technology of lyophilized drug forms. Rossiysky bioterapevtichesky zhurnal = Russian Journal of Biotherapy 2018;17(2):15–21. (In Russ.)]. DOI: 10.17650/1726-97842018-17-2-15-21.Блынская Е.В., Тишков С.В., Алексеев К.В., Минаев С.В. Математическое моделирование этапа замораживания в технологии лиофилизированных лекарственных форм. Российский биотерапевтический журнал 2018;17(2):15–21. [Blynskaya E.V., Tishkov S.V., Alekseev K.V., Minaev S.V. Mathematical modeling of the freezing stage in the technology of lyophilized drug forms. Rossiysky bioterapevtichesky zhurnal = Russian Journal of Biotherapy 2018;17(2):15–21. (In Russ.)]. DOI: 10.17650/1726-97842018-17-2-15-21.6. Поварнина П.Ю., Воронцова О.Н., Гудашева Т.А. и др. Оригинальный дипептидный миметик фактора роста нервов ГК-2 восстанавливает нарушенные когнитивные функции в крысиных моделях болезни Альцгеймера. Acta Naturae (русскоязычная версия) 2013;5(3):48–52. [Povarnina P.Yu., Vorontsova O.N., Gudasheva T.A. et al. The original dipeptide mimetik of the nerve growth factor GK-2 restores impaired cognitive functions in rat models of Alzheimer’s disease. Acta Naturae (Russian version) 2013;5(3):48–52. (In Russ.)].Поварнина П.Ю., Воронцова О.Н., Гудашева Т.А. и др. Оригинальный дипептидный миметик фактора роста нервов ГК-2 восстанавливает нарушенные когнитивные функции в крысиных моделях болезни Альцгеймера. Acta Naturae (русскоязычная версия) 2013;5(3):48–52. [Povarnina P.Yu., Vorontsova O.N., Gudasheva T.A. et al. The original dipeptide mimetik of the nerve growth factor GK-2 restores impaired cognitive functions in rat models of Alzheimer’s disease. Acta Naturae (Russian version) 2013;5(3):48–52. (In Russ.)].7. Hottot A., Vessot S., Andrieu J. Freeze drying of pharmaceuticals in vials: Influence of freezing protocol and sample configuration on ice morphology and freeze-dried cake texture. Chemical Engineering and Processing: Process Intensification 2007;46(7):666–74. DOI: 10.1016/j.cep.2006.09.003.Hottot A., Vessot S., Andrieu J. Freeze drying of pharmaceuticals in vials: Influence of freezing protocol and sample configuration on ice morphology and freeze-dried cake texture. Chemical Engineering and Processing: Process Intensification 2007;46(7):666–74. DOI: 10.1016/j.cep.2006.09.003.8. Serp D., Mueller M., von Stockar U., Marison I.W. Low-temperature electron microscopy for the study of polysaccharide ultrastructures in hydrogels. II. Effect of temperature on the structure of Ca2+-alginate beads. Biotechnol Bioeng 2002;79(3):253–9. DOI: 10.1002/bit.10287. PMID: 12115413.Serp D., Mueller M., von Stockar U., Marison I.W. Low-temperature electron microscopy for the study of polysaccharide ultrastructures in hydrogels. II. Effect of temperature on the structure of Ca2+-alginate beads. Biotechnol Bioeng 2002;79(3):253–9. DOI: 10.1002/bit.10287. PMID: 12115413.9. Caillet A., Cogné C., Andrieu J. et al. Characterization of ice cream structure by direct optical microscopy. Influence of freezing parameters. LWT-Food Science and Technology 2003;36(8):743–9. DOI: 10.1016/S0023-6438(03)00094-X.Caillet A., Cogné C., Andrieu J. et al. Characterization of ice cream structure by direct optical microscopy. Influence of freezing parameters. LWT-Food Science and Technology 2003;36(8):743–9. DOI: 10.1016/S0023-6438(03)00094-X.