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β-内酰胺类抗生素异构体杂质研究和质控进展

2022-09-04 来源:乌哈旅游
中国抗生素杂志2010年8月第35卷第8期561.文章编号:1001.8689(2010)08-0561-06p一内酰胺类抗生素异构体杂质研究和质控进展蒋煜-张哲峰1王虹:(1国家食品药品监督管理局药品审评中心,北京100038;2中国医药对外贸易公司,北京100088)摘要:杂质研究是p一内酰胺类抗生素的重要研究内容,与药物的安全性直接相关。B.内酰胺类抗生素一般由微生物发酵、纯化、精制以及化学修饰等过程制得。与一般化学合成药物相比生产过程更加复杂,其纯度一般也较化学药品低,而且该类抗生素对热、光和湿的稳定性一般不是很好,因此更应该对其杂质进行深入研究。本文主要对D.内酰胺类抗生素构造异构体以及立体异构体等杂质的产生途径,国内外对该类抗生素的质控情况等进行了介绍。关键词:弘内酰胺类抗生素;异构体;质量控制文献标示码:A中图分类号:R978.1+lIsomericimpurityresearchandqualitycontrolofp-lactamantibioticsJiangYul,ZhangZhe-fen91andWangHon92(1CenterforDrugEvaluationSFDA,Beijmg100038;2ChinaNationalPharmaceuticalForcignTradeCorporation,Beijing100088)AbstractImpuritycontrolisantibioticsareaveryimportantpartfor13.1actamantibioticsresearch.whichiSrelatedtosafetydirectly.B—iactamusuallyobtainedfromfermentation,purification,chemicalmodmcationandrefiningprocess.Themanufacturingprocessof8一lactamantibioticsismorecomplicatedthanthatofotherchemicalsyntheticproducts,thepurityislowerthanchemicals,anditmaynotbestabletoheat,lightandhumidity.WemainlydiSCUSStheproducingroutesofisomersofB-lactamantibiotics,andintroducethequalitycontrolofB.1actamantibiotics.KeywordsB.Lactam;Isomericimpurity;Control1概述精制以及化学修饰等过程制得。与一般化学合成药物相比,其生产过程更加复杂,产品纯度一般也低于化学合成药品(如国内外药典中多数头孢菌素的含量按纯度计算仅为90%或95%,而多数化学合成药品则为98%以上)。该类抗生素对热、水分和光的稳定性一般较差,因此注射制剂多为无菌分装的粉针。考虑到其处方组成相对比较简单,在该类抗生素的研究和技术评价中,需要重点关注原料药的合成以及质量控制,特别是杂质研究。本文主要对B.内酰胺类抗生素构造异构体和立体异构体等杂质的研究及控制进行探讨。2异构体种类及其引入途径从结构上p.内酰胺类抗生素主要可分为青霉素类、头孢菌素类等典型的B。内酰胺和非典型内酰胺如青霉烯、氧头孢、碳头孢、单环内酰胺等。由于该类抗生素新结构化合物创新难度较大,目前国家食品药品监督管理局(以下简称SFDA)受理的该类品种注册申报绝大部分属于仿制药,或者改剂型品种(化学药品注册分类5),少部分为在国外已经上市在国内尚未上市的品种(化学药品注册分类3),创新药物极少。上述情况表明,目前国内在研究的绝大部分B.内酰胺类抗生素,其活性成分的安全性和有效性是基本明确的。p.内酰胺类抗生素一般由微生物发酵、纯化、p.内酰胺类抗生素可能产生的异构体包括构造收稿日期:2009.11.16作者简介:蒋煜,男,生于1975年,主管药师,从事新药评价工作。E-mail:jiangy@cde.org.cn万方数据.562.13-内酰胺类抗生素异构体杂质研究和质控进展蒋煜等异构体(如△,异构体)、立体异构体(如对映异构体、顺反异构体)等。这些异构体可能由起始原料引入,在合成过程中生成,或者在保存过程产生,需要结合具体情况分别进行研究和控制。国药典收载的头孢哌酮钠及头孢哌酮钠积,7孓异构体结构式。产生6S,7R一异构体的可能性较小,目前仅在少数头孢菌素中发现该异构体。2.1.2由侧链引入除母核之外,青霉素类抗生素还可由C6位侧链引入手性碳原子,如:氨苄西林及羟氨苄西林由6-APA与苯甘氨酰氯(羟基苯甘氨酰氯)合成得到,由后两者引入一个新的手性碳原子。通过过程控制和终点控制可以有效控制终产物的光学纯度:如采用光学纯度较高的苯甘氨酰氯,并制定包括光学纯度在内的内控标准;以及在终产品对孓异构体进行检查。英国药典在氨苄西林钠及羟氨苄西林等品种的杂质栏中均列出了该2种由C6位侧链引入的S一异构体,并列出了D.苯甘氨酸的结构。图3为氨苄西林钠和氨苄西林譬异构体的结构式。将7.ACA分子结构C3位上的乙酰氧甲基用其他侧链取代,可以得到一系列高级中间体【s】,如7.ADCA、GCLE,7一TMCA、7-TDA等。上述中间体的质量对下游产品质量可产生明显影响。2.1对映异构体2.1.1由母核引入20世纪50年代末和60年代初,Sheehan和Morin等分别制得了6.氨基青霉烷酸f6.APA)和7.氨基头孢烷酸(7.ACA),见图1。由此衍生得到了众多的半合成青霉素和头孢菌素,6-APA分子结构中含有3个手性碳原子,绝对构型为2&5R.6R,7-ACA分子结构含有2个手性碳原子,绝对构型为6R,7R。文献【--:】显示头孢菌素在贮藏过程中在6、7位碳上可发生差向异构化,生成6R,7S一异构体而失去抗菌活性,该反应在碱性条件下更容易发生。Okamoto等【3卅考察了头孢地尼在不MpH水溶液中降解途径,结果显示在碱性条件下更容易发生7位差相异构化,生成6R,7孓异构体,该杂质可进一步水解生成其他杂质。图2为英RlN:U壤R2Fig.1HK哆融心stmcturesof6-APAand7-ACA需要注意的是,不同品种的侧链光学异构体对产品临床使用的影响有所不同,因此具有不同的质控要求。如对于羧苄西林钠和替卡西林钠(图4),C6位侧链也引入一个新的手性碳原子,但由于与手性碳相连的氢原子比较活泼,很容易发生差向异构图16-APA和7.ACA的结构式The化,而该两种药物侧链的立体化学异构对药物疗效并无重要影响,因此侧链的尺、S构型均作为药物的哟一嬲Fig.2TheQ江厂咀头孢哌酮钠6R,7S-异构体图2头孢哌酮钠及头孢哌酮钠觎,7孓异构体结构式snllcturesofcefoperazonesodiumandits6R.7S-isomer;q笛COON8;氨苄西林钠氨苄西林钠量异构体图3氨苄西林钠及其孓异构体结构式ofampicillinsodiumanditsS-isomerFig.3Thestructures万方数据中国抗牛素杂志2010年8月第35卷第8期563.有效成分。而对于哌拉两林钠(图5)、美洛西林在C6位侧链引入的娶异构体则需要进行控制。对于第一代头孢菌素,在C7位侧链引入苄氨基,需对新引入的孓异构体进行质控,包括头孢氨苄、头孢羟氨苄、头孢克洛、头孢拉定等。另外,头孢菌素在C7位和C3位侧链上也可引入新的手性碳原子。对于部分口服头孢菌素,由于在2位羧基上形成酯键前药,而得到R、譬异构体。该前药需经酯酶水解脱去酯键后方可发挥药效,因此R、S.异构体均为有效成分,如头孢呋辛酯、头孢泊肟酯等。2.2顺反异构体鉴于头孢呋辛对B.内酰胺酶的高度稳定性,人们将氨噻头孢菌素的2.氨基噻肟与头孢呋辛中的甲氧肟基结合,形成一系列具有顺式甲氧亚氨基以及类似结构的第三代、第四代头孢菌素,如头孢噻肟、头孢唑肟、头孢甲肟、头孢曲松、头孢唑喃、头孢他啶、头孢克肟、头孢匹罗、头孢吡肟,头孢唑兰,以及单环类B.内酰胺氨曲南等,图6为头孢他啶及其E.异构体的结构式。研究显示该顺式甲氧亚氨基结构对于抗菌活性起着重要作用,如头孢噻肟(顺式结构)抗菌活性要比反式结构强40~lOO倍。而顺式异构体对紫外光敏感,头孢噻肟钠水溶液(2×10。m),254nm紫外光照射45min有50%降解,4h后损失95%,光降解产物主要是反式异构体【s】。中国药典收载的头孢曲松即采用将其在紫外线照射24h后产生反式异构体进行系统适用性试验。另外文献[7】显示氨曲南在pH2~5的溶液中也有异构化反应发生,所以需在配制后立即使用。此外,文献报道在碱性条件下C7位侧链甲氧亚胺键也可能发生顺反异构现象…,如头孢地尼、头孢克肟、头孢他啶等。2.3构造异构体13.内酰胺类抗生素可能产生的构造异构体主要为△,异构体,由构效关系知道,△s头孢烯类头孢菌素是无活性的。该异构体主要通过三条途径产生:2.3.1由起始原料引入在合成7一ADCA过程中,在扩环过程容易产生7-ADCAA异构体【8】(图7)。当使用含该杂质的7一ADCA为起始原料合成各种头孢菌素时,对下游产品质量出现明显影响。如,头孢氨苄以及头孢羟氨苄分别为7.ADCA与苯甘氨酸和7.ADCA与对羟基苯甘氨酸缩合而成,研究显示二者可能含有的杂质包括7-ADCA、7-ADCAA异构体,头孢氨苄△异构体(或头孢羟氨苄△异构体),见图8。因此如果7.ADCA质控水平较低可能导致终产物有关物质不合格,需要再次进行重结晶。增加了纯化难度,降低了产率,增加了生产成本。2.3.2在合成过程中引入如部分第三代或第四代头孢类抗生素在头孢母核C,位引入季铵杂环,由于离去效应,该步反应是产生△,异构体的关键步骤。典型的品种包括头孢他啶,头孢吡肟等。合成过程中引入△。异构体的含量受多种因素影响,如化合物结构,反应的路线、关键步骤使用的试剂种类、试剂加入顺序,以及反应温度等。例如在合成头孢吡肟【10】的过程中(图9),母环引入N.甲基吡咯烷的反应可以同时生成A3/A2异构体,其中△,异H3C"N八II・为异构位置熊拼搏哥添vI蹶8C02-图4Fig.4替卡西林钠R、S异构体结构式ThestructureofticarcillinsodiumH3eH3C、I/,oN州曲勺头孢他啶Fig.65H20酬从。沁葑。妙酬价小朴√头孢他啶B异构体H銎孓c02H图6头孢他啶及头孢他啶尽异构结构式ThestructureofceftazidimeanditsE-isomer万方数据.564.p一内酰胺类抗生素异构体杂质研究和质控进展蒋煜等构体的含量与合成路线是先3位取代后7位酰化或先7位酰化后3位取代以及反应的具体工艺条件如反应溶剂,反应温度等密切相关。如果对工艺中不做控制,产生的△,异构体可能高达30%。而如果采用先3位取代后7位酰化的合成路线,并使用二苯甲基作为2位羰基或7位氨基的保护剂,则可大大降低终产物中的△,异构体,如果使用TMSI作为C3位乙酰氧基离去反应试剂,并控制反应有机溶剂,也可控制△,异构体的含量。当使用FreonTF作为反应溶剂时,由于A2异构体在该有机溶剂中溶解度很低,在反应过程中一旦生成得到△:异构体,立即从溶剂中沉淀析出,使反应向△:异构化转移而极大程度地降低了生成△,异构体的可能性。同时可以利用常规色谱柱和洗脱方法检出△,异构体【10】。由头孢菌素中间体GCLE生成C,位硫甲基中间体时,可能得至IJA3和△2异构体的混合物,而且△3异构体的含量与合成过程中使用的缩合剂种类密切相关。2.3.3在保存过程中降解产生醒SiMe,一wCOOS。V1%COOSiNIe3如:头孢泊肟酯、头孢呋辛酯,头孢克洛铮・】。部分口服头孢菌素在C一2位羧酸基酯化形成前体药物。研究认为当头孢菌素在2一位羧基存在吸电子基团时,容易产生△异构现象,该反应受碱催化,在较高的pH值或者高温条件下更容易发生,而当2.位为羧酸根时,在相同条件下则不会产生△异构化【--・”】。图7Fig.77.ADCA△异构化的可能机理A—isomerizationmechanismof7-ADCAFabreH等【¨】利用3.酯头孢唑林进一步对异构化的机Thepossible理和影响条件进行了研究,并探讨了可能的降解途径(图10)。对于头孢克洛【12】,除6,7位结构外,△异构体是头孢克洛在固态下的主要降解产物。3分离分析方法目前主要采用HPLC,U『V、HPLC/DAD、LC/MS等液相方法对p.内酰胺类抗生素异构体等杂质进行研究和检验,相关研究信息和报道较多。采用胶束约啪10Ao电动毛细管色谱、毛细管区带电泳,近红外光谱法等对杂质进行研究和控制的报道也逐渐增加。头孢哌酮钠在C7位侧链上引入手性碳原子后,可形成尺或S.异构体,其中S一异构体的抗菌活性要远远弱于尺.异构体,中国药典在头孢哌酮钠含量测1:7-ADCAA3异构体:2:7-ADCA2异构体;3:头孢氨苄△,异构体;4:头孢氨苄A:异构体图8头孢氨苄可能含有的杂质Fig.8Thepossibleimpurityofcefalexin-一TMSOAc吣p图9合成头孢吡肟产生△,异构体的可能机理Fig.9Thepossible△3一isomerizationmechanismduringsynthesiscefepime厂B一可s*o产NpRCO凹MSFig.10The图lO头孢菌素在碱性条件下异构化的可能机理当磋possibleisomerizationmechanismofcephalosporininalkycondition万方数据中国抗生素杂志2010年8月第35卷第8期定时采用S一异构体对照品进行了系统适用性试验。研究显示如果合成工艺控制得当,可有效控制娶异构体的含量。张慧文等【14】采用胶束电动毛细管色谱法,以十二烷基硫酸钠(SDS)胶束为准固定相,对头孢哌酮与其S.异构体等杂质进行了研究和控制。另外,头孢哌酮钠在C3位可形成同分异构体,即日抗基所称副产物II,质量标准中控制限度1.5%。需要注意的是,头孢哌酮常有一未知杂质容易被误为认为是娶异构体,但是其UV吸收与娶异构体不同,可采用二极管阵列检测器进行鉴别或者控制。中国药典对头孢曲松钠有关物质的控制方法是将其经紫外线照射24h后,产生E.异构体,用HPLC法,在254nm条件下进行系统适用性试验以及杂质控制。英国药典采用B异构体对照品,用HPLC法对其进行控制。目前,关于头孢菌素△,异构现象较多,如由中国药品生物制品检定所胡昌勤等老师编著的《高效液相色谱法在抗生素质控分析中的应用》【9】一书中,在头孢氨苄、头孢他啶、头孢呋辛酯等多个品种均可采用HPLC法对△,异构体进行分离和检查。有报道[¨--s】采用HPLC法,对头孢菌素的重要合成中间体GCLE的△s异构体进行检查。采用胶束电动毛细管色谱(MECC)法对头孢克洛△。异构体进行了研嵇"】。姜恩铸等【埔】采用HPLC/DAD法对头孢他啶△3异构体进行了研究。赵玲等【19】采用LC/MS/MS法对盐酸头孢吡肟的△,异构体进行了控制。4质量控制美国FDA已经制定了关于开发立体异构体新药的相关政策,也出台了相关技术指导原则。我国也正在拟定手性药物药学研究等相关技术指导原则,研究者可参考相关要求,并结合药物的结构特点、理化性质、合成工艺等进行研究。目前对于D一内酰胺类抗生素,在进行异构体研究过程中需要注意以下几方面内容:①合成工艺:对于引入手性碳原子的起始原料6.APA、7-ACA、7-ADCA以及GCLE等,或者引入手性碳原子的合成中间体如D一苯甘氨酸、D.对羟基苯甘氨酸等,需要建立光学纯度的控制方法;对于通过不对称合成反应得到的手性碳原子,需要建立生产工艺以及关键中间体光学纯度的质控方法。②结构确证:需要注意对立体构型的研究,以及针对双键顺反结构进行规范解析。否则在缺少相关研究信息的情况下,难以进行正确判断。可以结合比旋度、红外、核磁共振(二维谱女HCOSY万方数据.565.谱、NOE谱等)等分析方法进行综合研究,并与上市品或者文献数据进行比较,必要时应采用单晶X射线衍射分析以确证绝对构型。在确证立体构型时,应充分利用从制备工艺中所获取的信息,为结构确证提供必要的线索。③质量研究和质量标准:需要重视对控制光学纯度的项目如比旋度、具立体专属性的鉴别项、异构体杂质检查等进行研究;在制定质量标准时,也要注意纳入控制光学纯度的项目。④稳定性研究:设置考察项目时要重视对光学异构体和顺反异构体的考察。由于B一内酰胺类抗生素发生顺反异构的程度受光照等因素影响,更应该在具有相关结构的部分抗生素影响因素试验中增加针对性项目。各国药典已经对部分品种的△,异构体进行了控制,如:英国药典纳入的头孢克洛、头孢西丁,头孢他啶在有关物质项中均采用△,异构体对照品进行了系统适用性试验,并且均规定各单个杂质(包括△,异构体在内)不得超过0.5%。对于头孢呋辛酯,该版药典将其在溶液状态下于60。C保持lh,以产生A3异构体确定HPLC图谱中的保留时间,限度控制为不超过1.5%。该版药典纳入的头孢氨苄杂质栏中列出了△,异构体结构,并且规定除7一ADCA夕b的其他单个杂质均不得超过1.0%。美国药典(USP)在头孢他啶含量测定时采用△,异构体对照品进行了系统适用性试验。日本药局方JPXV对头孢替坦,控制△,异构体不超过0.5%。中国药典20109版在头孢克洛有关物质项中采用杂质对照品法对△,异构体进行了控制,限度为各杂质均不得超过0.5%,对于头孢呋辛酯也采用英国药典相同方法进行质控。以前国内研究单位在研制头孢菌素时,容易忽视对△异构体的研究,在质量标准中也基本未进行控制,想比之下国外对其的质控要求更高。如:头孢泊肟酯,国内多数研究单位制订的有关物质总限度为不超过4%,未对单个杂质进行控制。而国内某药检所对某国外企业样品进行检验后可知,△,异构体是本品的主要杂质,结合相关信息可以知道样品中该异构体的含量可达到3%左右。又如盐酸头孢吡肟,某国外企业生产的盐酸头孢吡肟对照品对△,异构体的控制限度为2.5%,实测值为O.05%,而国内研究单位最初多未对其进行研究。虽然进口品注射用盐酸头孢吡肟未对△,异构体进行单独控制,但是经查询资料后可以知道,该杂质与原料药生产工艺过.566.p.内酰胺类抗生素异构体杂质研究和质控进展蒋煜等mechanismforbeta—lactamring程明显相关,在保存过程中基本不发生异构现象,因此如果对盐酸头孢吡肟原料药△,异构体进行了控制,在无特殊情况下,制剂中该杂质的含量水平应基本能得到控制。5小结B.内酰胺类抗生素是我国临床应用较大的一类抗生素,但是与国外发达国家的该类抗生素相比,国内产品无论是在生产工艺,还是在质量控制等方面,仍存在一定的差距。此类品种引入有关物质特别是异构体的途径和机理均非常复杂。合成起始原料、合成工艺、光、湿、热等均可能是引入异构体的因素,产生异构体的可能性与合成路线、工艺以及保存条件等密切相关。上述因素给研究工作带来较大困难。目前国内研发单位申报的D一内酰胺类抗生素多为国外已经上市产品。对于此类品种,保证与上市品物质基础相同、质量特征一致,是保证生物等效并进一步保证临床等效的前提条件。而对于原料药,即使是仿制品种,如果合成路线不同,或者合成工艺(温度、溶剂,反应时间等)不同,其产生的杂质种类和含量均可能与上市产品不同,甚至可能有较大『111『101f81degradationpathwayandopenedlaetones[J].JPharmSci,1996,85(9):984-989.[5]侯钰,张越等.头孢菌素类半合抗的高级中间体【J】.精细与专用化学品,2002,12(3/4):9-11.【6】LemerpathsDA,BonnefondG,FabreH,etaLPhotodegradationSci,1988,77(8):699-703.ofcefotaxime[J].JPharm[7】FloreyK.Analyticalprofilesofdrugsubstances.Volume17[M].America:AcademicPressInc.1988:1.张方丽.头孢菌素类抗生素中间体7.ADCA合成工艺研究[D】.天津大学硕士学位论文,2003.[9】胡昌勤.高效液相色谱法在抗生素质控分析中的应用【M】.北京:气象出版社,2001.WalkerDG,BrodfuerhrerPR,eta,.USeofbistrimethylsilylatedintermediatesinthepreparationofsemisyntheticSynthesisofa7-amino-3一substituted—cephems.Expedientnew3-【(1一Methyl—l—pyrrolidinio)methyl】Chem,1988,53(5):983-991.cephalosporin[J】.JOrgFabreH,IborkH,LemerDA.Photoisomerizmionkineticsofcefuroximeaxetilandrelatedcompounds[J].JeharmSci,1994,83(4):553—558.【12】RichterWF,ChongYH,SteallaVJ.onthemechanismof差异。由于不同种类杂质的药理、毒性活性不尽相同或有较大差异,在这种情况,仅仅保证产品与被仿品在杂质总量上保持一致,并不能完全保证两个产品在安全性方面等效或可替换。尚需要结合具体产品的结构特征、理化性质以及合成工艺,对可能产生的杂质(包括异构体)进行充分研究,并在此基础之上结合安全性研究数据制订合理的质控方法。致谢:中国药品生物制品检定所胡昌勤教授对本文进行过指导,特此感谢。isomerizationofcephalosporinesters[J].JPharm&f,1990,79(2):185-186.【13】DormanDE,LorenzLJ,OccolowitzJL,甜a1.Isolationandstructereelucidationofthemajordegradationproductsofcefaelorin540.549.thesolidstate[J].JPharmSei,1997,86(5):『141张慧文,胡昌勤,杭太俊.胶束电动毛细管色谱法分析头孢哌酮与其量异构体等杂质[J】-色谱,2007,25(5):699-704.【15】戎晓娟,肖丹,王炜等.头孢菌素中间体GCLE的主要相关参考文献【I】陈兆坤,胡吕勤.头孢菌素类抗生素的降解机制[J】.国外医药抗生素分册,2004,25(6):249.252.[2】胡敏,胡昌勤,刘文英.LC/MS鉴定头孢菌素降解物结构【J】.药物分析杂志,2005,25(3):369.373.【3】OkamotoY,KiriyamakineticsandK,Namiki杂质研究【J】.中国抗生素杂志,2009,34(3):163-167.『161肖丹,杨红,戎晓娟,等.反相高效液相色谱法测定GCLE含量及有关物质[J】.中国抗生素杂志,2009,34(5):285・290.[17】张慧文,胡昌勤,杭太俊.胶束电动毛细管色谱法分析头孢克洛与A-3头孢克洛的可行性探讨【J】.药物分析杂志,2009,29(3):351-355.[18】姜恩铸,胡昌勤.高效液相色谱法测定头孢他啶的含量及Y’eta1.Degradationisomerizationofcefdinir,aneworalcephalosporin,inaqueoussolution.1[J】.JPharmSci,1996,85(9):976—983.杂质[J】.色谱,2008,26(1):75-79.K,Namiki【4】OkamotoY,KiriyamakineticsY'eta1.Degradation【19】赵玲,郭继芬,张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