新药固态形式开发之曲折性：奥氮平晶型开发的故事

2024-06-16

本文通过OZPN的视角，强调了晶体和晶体化学在药物开发中的重要性。

研究背景

制药行业多年的经验告诉我们，药物研发之路曲折且漫长，这样造成了每个药物分子似乎都有着一段“艰苦决绝”的故事。然而，由于药物开发中的失败率居高不下，估计每10000个化合物中就只有1个可以进入市场；他们中大多数故事永远不会被讲述，只会被厚重的历史尘埃所淹没。

对于少数幸运的分子，在将分子转化为药物的过程中，包括结晶固体形式的鉴别和定量、分子结构和特性的表征、结晶的纯化、储存以及制剂开发，会积累大量关于固态形式及其性质的信息。重磅药物也会引起仿制药公司的关注，通过规避原研晶型专利或使原研晶型专利无效的方式，来寻求其仿制药早日进入市场，这个过程可能又会引起该药物新一轮的晶型研究。当然，具有商业意义的分子在开发过程中也伴随着新兴实验设计和计算方法的同步发展，科技创新或许可以让我们看见不一样的晶体世界。

在早期开发阶段，大多数候选化合物都会通过结晶筛选去确定可行的晶型（一般筛选暂时表明为优势晶型），而对于有潜力进入商业化开发的候选药物的固体形式将进行更为全面研究。在这个过程中，化合物有可能以多种固态形式呈现（如多晶型（稳定型/亚稳定型，无水物/水合物/溶剂合物），盐型/共晶及无定形等），当然受限于技术和表征设备，并非所有的固态形式并都能被发现和深入研究。本文详细介绍了以奥氮平为案例的药物固态形式研发之路，主要介绍晶型研究的复杂性以及技术在晶型表征上的重要应用。

案例分享:奥氮平晶型开发

奥氮平（OZPN）是一种非典型抗精神病药，最初以商品名Zyprexa进行上市销售，用于治疗双相情感障碍和精神分裂症。在礼来公司的早期开发阶段，表明OZPN能够自行结晶，易于结晶且高度可结晶，但也特别容易与各种溶剂形成溶剂化物。在许多晶型中，鉴定出两种无水多晶型，即晶型I和II。晶型II通常通过脱溶剂化获得，而晶型I直接从不与OZPN不形成溶剂化且含相对较少溶剂的溶液中获得。晶型I是热力学上最稳定晶型且具有优异的固态性能（热稳定性、溶解度、引湿性和形态等），商业化开发阶段以晶型I在上市品种上应用，但是OZPN晶型发现和开发之路也不是一帆风顺。

在1990年代中期，在晶型I和II被发现（并获得专利）很久之后，确定亚稳态形式（晶型II）是两种亚稳态晶型的混合物（以下称为晶型II和III）。虽然原则上可以使用任何能够区分晶体形式的技术来识别它们，但并非所有技术可以获得相同的结论，正如上文中所说:常用固态分析技术对分子排列具有不同敏感性，有时需要分析工具的组合表征。在研发早期，用于表征OZPN晶型的XRPD、FTIR或DSC结果来看，晶型III相杂质的存在并不明显。直到固态¹³C NMR波谱的应用，它发现不同批次的“晶型ⅠI”之间存在明显的差异，这只能归因于存在不同数量的固相杂质。如图2（a）所示，晶型II/III批次（A和B）的ssNMR谱图惊人地相似，但在15-20和115-120p.p.m处的相对峰强度明显不同。

图2.（a）两种OZPN II/III型混合物（批次A和B）的固态¹³C NMR波谱。突出显示了显示不同相对峰强度的区域，这是相混合物的最清晰指示。（b）晶型II（CSD代码：AQOMAU03）的晶体结构视图和最接近晶型III（结构A162）的CSP匹配。突出显示朝外的噻吩S原子（黄色），以强调实验晶型II和计算晶型III晶体结构之间的堆叠差异。¹

由于无法培养III型单晶进行结构测定，因此尝试通过two-phase Pawley-type refinement来鉴定其结构。使用晶型II晶体结构的晶格参数和晶体结构预测（CSP）研究以及最佳可用的晶型II/III混合相PXRD图谱进行精修（refinement）。最终的晶型III结构模型与晶型II相结合，提供了最佳的统计拟合，但与PXRD模式并不完全匹配（精修没有考虑一些假定为晶型III的峰）。然而，它似乎足够接近，可以将晶型ⅠII表征为晶型ⅠI的分层变体（layered variation），见图2（b）。这对于理解为什么脱溶剂化总是导致晶型II和III的伴随形成非常重要。

Zyprexa的商业成功为仿制药行业提供了巨大的动力，仿制药科学家致力于寻找新的OZPN晶体形式或绕过已知（专利）形式的方法。沿着这些思路，努力生产具有亚稳态形式的产品，使稳定形式专利无效，并寻找可用于向患者提供OZPN的完全不同的固态形式。关于OZPN的新多晶型形式的报告很快出现在科学和专利文献中，如果属实，这将使已知的纯OZPN多晶型的总数增加到至少六个。但是比较遗憾，基于对物理混合物的PXRD认识的误解，新的晶型形式的主张实际上并不正确。一些出版物以及新的OZPN晶型ⅠII的专利权利要求，忽略或忽略了2003年的报告（确定了与晶型ⅠI混合物中的晶型III），而在2011年的出版物中承认了晶型ⅠII的存在，报告了新发现的晶型ⅠV，从本报告中公开的单晶结构的PXRD图谱与晶型II的非常吻合，很快反驳了新晶型的主张。直到2020年的近期，OZPN晶型ⅠV才得到证实。

奥氮平属于苯二氮类化合物，是第2代非典型抗精神病药，主要用于治疗精神分裂症及相关精神疾病。根据生物药剂学分类系统，奥氮平属于Ⅱ类药物，即具有低溶解性，高渗透性，奥氮平的晶型及共晶受到广泛研究。据英国剑桥大学晶体数据库(Cambridge Crystallographic Data Centre，CCDC)报道，目前奥氮平已报道4种晶型，56种溶剂合物及4种共晶。当然，奥氮平的固态研究之路仍在继续。

总结

通过OZPN的视角，强调了晶体和晶体化学在药物开发中的重要性。细细品味OZPN的研究经过，可以呈现一个津津乐道的晶型研发的故事，但值得相信，对OZPN固态化学的集体理解依然会继续发展，而每一段对于固态形式的研发，后来者再来翻阅其中的故事，其所描绘出药物分子令人惊讶的复杂晶体化学画面也永远闪耀在历史的长河中。以上又能给予我们怎样的启发呢？

1)从产品开发角度，目标是开发出具有稳定性良好，满足临床需求的生物利用度以及工艺开发可行性的产品，而这些目标都与药物的固态形式有关。在药物发现和开发阶段，都需要关注药物固态形式的筛选和表征工作，建立药物固态形式与产品关键质量参数的联系，并对药物固态形式进行控制，以保证持续生产出符合质量标准的产品。

2)根据药物性质，疾病特点等进行药物设计和制剂开发，固态开发一般目标是固态优势晶型，其最大特点就是稳定性良好以保证不同批次间产品固态形式的一致性。但是为了满足一定的开发需求，有的时候需要进行其他形式固态筛选，比如无定形固体分散体以解决难溶性药物的增溶问题。这样也使得固态筛选的形式更加多样，以满足不同的固态形式需求。

3)小分子药物的晶体结构测定是原料药工业的基础，传统的晶体结构测定方法依赖于X射线衍射（X-ray diffraction，XRD）技术，例如单晶X射线衍射（single crystal X-ray diffraction，SCXRD）和粉末X射线衍射（powder X-ray diffraction，PXRD或XRPD）。类似于OZPN晶型II和晶型III混晶问题上，传统表征手段无法进行区分，MicroED是可以解析混合物中不同晶体组分的结构的。值得相信，技术可以让我们看见更多的美好。

参考文献

1.Rantanen J, Rades T, Strachan C. Solid-state analysis for pharmaceuticals: Pathways to feasible and meaningful analysis. J Pharm Biomed Anal. 2023 Nov 30;236:115649. doi: 10.1016/j.jpba.2023.115649. Epub 2023 Aug 19. PMID: 37657177.

2.Reutzel-Edens SM, Bhardwaj RM. Crystal forms in pharmaceutical applications: olanzapine, a gift to crystal chemistry that keeps on giving. IUCrJ. 2020 Oct 3;7(Pt 6):955-964. doi: 10.1107/S2052252520012683. PMID: 33209310; PMCID: PMC7642794.