Oberflächencharakterisierung pharmazeutischer Glasbehältnisse und Messung verschiedener Wechselwirkungen zwischen Interferon [alpha]-2a und Glas

Um die Kompatibilität von Wirkstoffen mit pharmazeutischen Verpackungsmaterialien zu charakterisieren, sind Informationen über die Wechselwirkungen zwischen beiden Komponenten von grosser Bedeutung. In dieser Arbeit hat sich die Rasterkraftmikroskopie als wertvolle Methode zur Messung von topographischen Strukturen, sowie intermolekularen Wechselwirkungskräften zwischen proteinbedeckten Oberflächen und Glas erwiesen. Im ersten Teil wurden die Innenoberflächen von Glasbehältnissen morphologisch untersucht und die beobachteten Strukturen in Zusammenhang mit der Verformung des Rohrglases zur Ampullenflasche resp. Fertigspritze gebracht. Es hat sich gezeigt, dass Ausdampfprozesse von leichtflüchtigen Alkali- und Borbestandteilen während der Fertigung von Ampullenflaschen für die typischen Linsenstrukturen auf der Innenoberfläche verantwortlich sind. Andere Merkmale, z.B. die Ringlistrukturen, treten bevorzugt auf Gläsern mit geringerem Alkali- und erhöhtem Boroxidanteil auf und deuten eher auf eine nachträgliche Korrosion der Oberflächen hin. Ergänzende chemische Oberflächenverfahren lieferten weitere Informationen über die Verteilung der chemischen Glasbestandteile auf der Oberfläche. Sowohl anhand der topographischen Merkmale, als auch der chemischen Beschaffenheit der Innenoberflächen, liessen sich die Gläser mit einem hohen thermischen Ausdehungskoeffizienten (FIOLAX) von denen mit einem tieferen Koeffizienten (KG-33) unterscheiden. Die Rasterkraftmikroskopie kann damit zur Herkunftsbestimmung und Identifizierung von pharmazeutisch gebräuchlichen Borsilikatgläsern herangezogen werden. Der zweite Teil der Arbeit beinhaltet die Abbildung von adsorbierten Interferon α-2a Molekülen auf verschiedenen Substraten, sowie die Messung von Wechselwirkungskräften zwischen einer proteinmodifizierten Messspitze und Glas mit Hilfe der Rasterkrafttechnik. Die Adsorption von Interferon α-2a auf Glimmer und Glas aus Lösungen mit unterschiedlichen pH-Werten konnte die Bedeutung der elektrostatischen Wechselwirkungen auf das Adsorptionsverhalten aufzeigen. Anhand einer rechnerischen Überlegung wurde ferner die
Relevanz der Proteinadsorption an Glas für die pharmazeutische Industrie verdeutlicht.
Mit einer Interferon α-2a-funktionalisierten Messspitze wurden erstmals Adhäsionskräfte auf
herkömmlichem FIOLAX Glas und speziell beschichtetem SCHOTT Type 1 plus Glas gemessen.
Übereinstimmend mit der für Type 1 plus postulierten verringerten Proteinadsorption
lagen die experimentell ermittelten Adhäsionskraftwerte jeweils tiefer als beim unbehandelten
Glas. Für diesen Fall wurde also eine Korrelation zwischen der Adsorption und der Adhäsionskraft
gefunden.
Daraus ergeben sich interessante Möglichkeiten, das Ausmass der Wechselwirkungen
zwischen Proteinen und der Behältnisinnenwand vorauszusehen resp. für jedes Protein das
bestgeeignete Packmittel zu finden. Die Methode lässt sich prinzipiell auf alle denkbaren
Wirkstoffe übertragen, wenn geeignete Immobilisierungsmethoden an die Messspitze anwendbar
sind. Eine individuelle Abklärung ist nötig, und sie sollte wenn möglich auch im
entsprechenden Lösungsmittel durchgeführt werden. Hilfsstoffe und Zusätze, wie Salze oder
Tenside, können die Oberflächenladungen eines Moleküls drastisch verändern und die
Interaktionsbereitschaft damit wesentlich beeinflussen.
Lösungswege, die Proteinadsorption in pharmazeutischen Formulierungen zu kontrollieren,
setzen beispielsweise genau an diesem Punkt an. Duncan [1995] vermochte die Adsorption
von Serumalbumin auf Glas sowohl durch Erhöhung der Ionenstärke, als auch durch Zusatz
von verschiedenen Lösungsvermittlern, wie Tween 20 oder Natriumdodecylsulfat, zu erniedrigen.
Ferner erreichte Van Oss [1998] mit dem Komplexbildner Natrium-EDTA eine Reduktion
der Serumalbuminadsorption auf Silika um 50%.
Weitere Schlüsselstellen in der Problematik der Proteinadsorption an Glasoberflächen sind die
kontrollierte Temperatureinstellung bei der Verformung von Glasrohren, sowie die Lagerung
der fertigen Glasprodukte. Durch Aufbewahrung der Glasrohre und Glasbehältnisse in klimatisierten
Räumen bei rund (20±1)°C und einer relativen Luftfeuchtigkeit von weniger als 20%
kann die Bildung einer Wasserhaut auf der Glasoberfläche weitgehend verhindert werden
[Scheerer, 1993]. Folglich findet die Dissoziation der leichtlöslichen Metalloxide in der
Glasmatrix und damit die Auslaugung resp. Korrosion der Glasoberfläche praktisch nicht
mehr statt.
Mit hochempfindlichen Rasterkraftmikroskopen wird es in Zukunft möglich sein, die Kraftbeiträge
einer Wechselwirkung einzeln aufzutrennen und den Adsorptionsmechanismus unter
definierten Bedingungen zu beschreiben.