近紅外光譜法分析頭孢拉定顆粒的關(guān)鍵質(zhì)量屬性及對其量值的測定

趙瑜 朱俐 尹利輝

(中國食品藥品檢定研究院，北京 102629)

國家評價性抽驗是國家藥品監(jiān)督管理局組織的對上市藥品的全環(huán)節(jié)監(jiān)督檢驗。其主要針對監(jiān)管工作中問題較多、風(fēng)險隱患較大的品種，通過對產(chǎn)品主要質(zhì)量問題等的綜合評價，促進(jìn)藥品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的提高，進(jìn)而促使企業(yè)提高產(chǎn)品質(zhì)量[1]。國家評價性抽驗平臺是在多年國家評價性抽驗工作積累的基礎(chǔ)上，由中國食品藥品檢定研究院組織、全國各藥品檢驗所共同參與建設(shè)的數(shù)據(jù)共享平臺，其中蘊藏著豐富的藥品質(zhì)量信息；針對監(jiān)管工作的需要，如何挖掘并合理利用國家評價性抽驗平臺中的信息是當(dāng)前的研究熱點。

頭孢拉定是第一代半合成頭孢菌素，臨床主要用于呼吸道、泌尿道、皮膚和軟組織的感染[2]。頭孢拉定制劑包括片劑、顆粒劑、膠囊劑和注射劑等[3]。其中，頭孢拉定顆粒劑為我國的特有品種，臨床主要用于兒童[4]。國內(nèi)生產(chǎn)廠家較多，共有33個批準(zhǔn)文號。國產(chǎn)兒童藥品一般具有生產(chǎn)批量小、多批次的特點，保證其產(chǎn)品質(zhì)量的一致性是質(zhì)量控制的關(guān)鍵。2017年，頭孢拉定顆粒被列為國家評價性抽驗品種，與其相關(guān)的各類信息包括企業(yè)的處方工藝、各種檢驗數(shù)據(jù)、用于鑒別的近紅外光譜(NIR)數(shù)據(jù)等均被收錄于國家評價性抽驗平臺的數(shù)據(jù)庫中。

近紅外光譜法(near-infrared spectroscopy)是指對波長范圍780～2500 nm(波數(shù)范圍為12500～4000 cm-1)，由分子振動的倍頻和合頻產(chǎn)生的光譜，通過化學(xué)計量學(xué)算法對其光譜特征信息進(jìn)行提取、模式識別和量值建模的分析方法，可用于對藥物制劑的一致性檢驗、定性和定量分析[5-6]。本研究探索利用國家評價性抽驗平臺數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，應(yīng)用近紅外光譜法，對頭孢拉定顆粒質(zhì)量和工藝的一致性進(jìn)行評價，并建立預(yù)測關(guān)鍵質(zhì)量屬性量值的方法，為藥品整個生命周期的監(jiān)管以及靶向抽驗等提供有效的科學(xué)依據(jù)。

1 NIR光譜

從國家評價性抽驗平臺數(shù)據(jù)庫中選取17個廠家96個代表性批次的頭孢拉定顆粒樣品NIR光譜，包括：北京首兒藥廠(簡稱BJSE)4批次，北京永正制藥有限責(zé)任公司(簡稱BJYZ)6批次，迪沙藥業(yè)集團(tuán)有限公司(簡稱DSYY)4批次，廣西邦琪藥業(yè)集團(tuán)有限公司(簡稱GXBQ)4批次，廣州白云山醫(yī)藥集團(tuán)股份有限公司白云山制藥總廠(簡稱GZBYS)10批次，國藥集團(tuán)汕頭金石制藥有限公司(簡稱GYJS)6批次，海南三葉制藥廠有限公司(簡稱HNSY)6批次，湖南康爾佳生物醫(yī)藥科技有限公司(簡稱HNKEJ)3批次，華北制藥河北華民藥業(yè)有限責(zé)任公司(簡稱HBZY)6批次，焦作市銀河藥業(yè)有限公司(簡稱JZYH)9批次，金日制藥(中國)有限公司(簡稱JYZY)4批次，荊州市津奉藥業(yè)發(fā)展有限公司(簡稱JZJF)2批次，遼寧華瑞聯(lián)合制藥有限公司(簡稱LNHR)10批次，山東云門藥業(yè)有限責(zé)任公司(簡稱SDYM)3批次，神威藥業(yè)集團(tuán)有限公司(簡稱SWYY)6批次，天津太平洋制藥有限公司(簡稱TTTPY)2批次，珠海金鴻藥業(yè)股份有限公司(簡稱ZHJH)11批次。頭孢拉定對照品(批號130427，中國食品藥品檢定研究院)。

近紅外光譜均采用MPA型傅里葉變換近紅外光譜儀(Bruker Optics GmbH)，PbS檢測器，在儀器性能測試通過的狀態(tài)下進(jìn)行采集。樣品置低羥基石英樣品瓶中，采用積分球模式采樣，測試條件為光譜范圍12000～3500 cm-1，光譜分辨率8 cm-1，背景掃描次數(shù)32次，樣品掃描次數(shù)32次，采集3次。

2 NIR光譜分析方法

采用OPUS6.5(Bruker Optics GmbH)軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和建模。

2.1 模式識別模型

通過對頭孢拉定對照品、各同廠家的頭孢拉定顆粒的近紅外光譜圖進(jìn)行分析，選擇特征譜區(qū)(圖1)，并結(jié)合模型優(yōu)化選擇適宜的光譜預(yù)處理方法；通過因子分析法提取主成分光譜，用第一主成分表征制劑工藝的共性信息，用第二、三、…主成分表征不同工藝的特征信息；通過特征信息建立模式識別模型；利用模式識別的結(jié)果與制劑處方分類的相關(guān)性，評價不同廠家頭孢拉定顆粒質(zhì)量和工藝一致性。

2.2 NIR量值預(yù)測模型

將近紅外光譜與參考方法測定的化學(xué)值相關(guān)聯(lián)，應(yīng)用偏最小二乘法(PLS)建立定量模型[7]，實現(xiàn)對關(guān)鍵質(zhì)量屬性量值的快速預(yù)測。優(yōu)化的定量模型參數(shù)[光譜范圍、光譜預(yù)處理方法、算法、維數(shù)(rank)等]，根據(jù)模型的決定系數(shù)R2和均方根誤差(RMSEP)確定。

3 結(jié)果與討論

3.1 頭孢拉定顆粒處方分析

顆粒劑由原料藥和一定比例的賦形劑，通過混合、制軟材、制濕微粒、干燥、整粒與分級、裝袋等過程生產(chǎn)[8]。通過對數(shù)據(jù)庫處方工藝信息的發(fā)掘，得到部分廠家頭孢拉定顆粒的處方組成信息(表1)。頭孢拉定顆粒處方中除賦形劑外，還添加了改善口感的香精作為矯味劑和改善觀感的食用色素，以提高兒童臨床用藥的依從性。雖然各廠家的頭孢拉定顆粒處方和工藝各異，但均采用蔗糖作為主要的賦形劑。

表1 頭孢拉定顆粒的處方組成信息Tab.1 Prescription composition information of cefradine granules

3.2 頭孢拉定顆粒質(zhì)量和工藝一致性評價

近紅外光譜中除包含有制劑活性成分和處方中諸輔料的信息外，還包括產(chǎn)品中有關(guān)物質(zhì)(工藝穩(wěn)定性)、粒度(制粒工藝)、水分(干燥工藝)等與制劑工藝相關(guān)的信息。通過比對頭孢拉定、頭孢氨芐對照品和頭孢拉定顆粒的典型近紅外光譜(圖1)發(fā)現(xiàn)：頭孢拉定的近紅外信號在5100 cm-1附近呈較強的特征吸收峰，制劑中輔料未見其有干擾；顆粒劑中輔料在7500～5400 cm-1和5000～4000 cm-1的信號比較豐富且吸收較強，對頭孢拉定信號存在干擾。同時，17個廠家的頭孢拉定顆粒的近紅外光譜(圖2)顯示，他們的相似度較高，這可能與處方中蔗糖的含量均較高有關(guān)。

圖2 17個廠家頭孢拉定顆粒的近紅外光譜圖Fig.2 NIR spectra of cefradine granules from 17 maufacturers

利用化學(xué)計量學(xué)方法挖掘各產(chǎn)品近紅外光譜中的工藝信息，利用模式識別法對不同的工藝特征進(jìn)行區(qū)分，探索不同廠家頭孢拉定顆粒質(zhì)量和工藝的一致性。

對17個廠家96個批次的頭孢拉定顆粒的近紅外光譜(光譜范圍為5000～5600 cm-1、7000～7400 cm-1、6200～6900 cm-1)進(jìn)行矢量歸一化預(yù)處理，通過因子分析，提取主成分光譜(表2)；其中第一主成分代表率達(dá)99.9%，表征顆粒劑工藝的共性信息；第2～5主成分表征不同廠家的工藝特性。

表2 頭孢拉定顆粒近紅外光譜因子分析的特征值及代表率Tab.2 Eigenvalues and representative rate of NIRS factor analysis of cefradine granules

用第2、3、4主成分進(jìn)行數(shù)據(jù)重構(gòu)，通過主成分空間表征不同工藝的特征(圖3)。模式識別結(jié)果顯示，17個廠家(工藝)頭孢拉定顆粒在工藝特征空間中呈現(xiàn)5類工藝特征。

圖3 模式識別區(qū)分頭孢拉定顆粒的工藝特征Fig.3 Pattern recognition of the process characteristics of cefradine granules

用光譜的第2、3、4主成分進(jìn)行Ward’s聚類分析，光譜距離的閾值設(shè)為1，將模式識別結(jié)果與不同廠家產(chǎn)品相關(guān)聯(lián)，對頭孢拉定顆粒的產(chǎn)品質(zhì)量和工藝的一致性進(jìn)行分析(圖4)。GYJS各批次聚為一類，與類1相對應(yīng)，且與其他廠家樣品的光譜距離最遠(yuǎn)，顯示其具有獨特的工藝特異性；ZHJH與類2對應(yīng)，各批次樣品的光譜距離較小，顯示了較好的批間一致性；HNKEJ的光譜和LNHR的光譜距離較近，與類3對應(yīng)，LNHR表現(xiàn)出相對較大的批間波動；與類4對應(yīng)的有5個廠家的樣品，其中GZBYS和BJYZ的光譜距離相對較近，GZBD、JZJF、JZYH 3個廠家的光譜距離相對較近；其余廠家的樣品與類5對應(yīng)，包括BJSE、JRZY、HBZY、SDYM、SWYY、DSYY、HNSY、GXBQ、TJTPY 9個廠家，其中SDYM、SWYY和DSYY的產(chǎn)品各批次樣品光譜距離較小且各聚為一類，其他廠家的樣品各批次之間存在交叉，均顯示出較大的批間變異性。

圖4 產(chǎn)品基于NIR光譜第2、3、4主成分的Ward′s聚類結(jié)果Fig.4 Ward′s clustering results of products based on the 2nd，3rd and 4th principal components of NIR spectra

3.3 關(guān)鍵質(zhì)量屬性的量值預(yù)測模型

頭孢拉定、頭孢氨芐和水分的含量是頭孢拉定顆粒的關(guān)鍵質(zhì)量屬性。其中，頭孢拉定為API成分，頭孢氨芐為頭孢拉定的降解物，可來源于原料藥和制劑過程，水分主要由顆粒制粒給出引入。中國藥典2020版頭孢拉定顆粒各論中規(guī)定：頭孢氨芐不得過頭孢拉定和頭孢氨芐總量的6.0%。利用近紅外光譜建立定量模型，可實現(xiàn)對制劑中頭孢拉定、頭孢氨芐和水分的含量的快速預(yù)測。

3.3.1 參考方法[9]

利用國家評價性抽驗的檢測結(jié)果作為近紅外模型的化學(xué)參考值。其中，頭孢拉定含量和頭孢氨芐含量為采用中國藥典2010版HPLC法(C18柱，流動相水-甲醇-3.86%醋酸鈉溶液-4%醋酸溶液(1564:400:30:6，V/V/V/V)，流速0.8 mL/min，檢測波長254 nm)測得的百分含量(W/W，%)。水分為卡爾非休法測得的百分含量(W/W，%)。

3.3.2 頭孢拉定含量預(yù)測模型

頭孢拉定顆粒中活性成分的含量約在4%～12%之間。將96個批次樣品中的67批次作為訓(xùn)練集(百分濃度范圍(3.93～11.93)(W/W，%)，29批次作為驗證集(百分濃度范圍(4.0～11.7)(W/W，%)，建立頭孢拉定定量模型。優(yōu)化后的模型參數(shù)：光譜范圍為11600～9830、8940～7150和6270～5380 cm-1，采用矢量歸一化法進(jìn)行光譜預(yù)處理。頭孢拉定PLS模型的校正和驗證結(jié)果如圖5所示。訓(xùn)練集模型擬合值和真值的決定系數(shù)R2達(dá)99.5，RMSEE值0.205，維數(shù)為8；交叉驗證預(yù)測值和真值的決定系數(shù)R2達(dá)99.1，RMSECV值0.27，偏移量0.004486。驗證集預(yù)測值和真值的決定系數(shù)R2達(dá)97.63，RMSEP值0.389，偏移量-0.0253。

圖5 頭孢拉定顆粒中頭孢拉定PLS模型校正和驗證結(jié)果Fig.5 Results of calibration and validation of PLS model of cefradine content in cefradine granules

3.3.3 頭孢氨芐含量預(yù)測模型

頭孢拉定顆粒中頭孢氨芐的含量約在1%～6%之間。將96個批次中的67批次樣品作為訓(xùn)練集(百分濃度范圍(1.3%～5.7%)(W/W)，29批次作為驗證集(百分濃度范圍1.36%～4.2%(W/W)，建立頭孢氨芐的PLS定量模型。優(yōu)化后的模型參數(shù)：光譜范圍為8940～7150和6270～5380 cm-1，采用矢量歸一化法進(jìn)行光譜預(yù)處理。頭孢氨芐PLS模型的校正和驗證結(jié)果如圖6所示。訓(xùn)練集模型擬合值和真值的決定系數(shù)R2為86.8，RMSEE值0.0351，維數(shù)為8；交叉驗證預(yù)測值和真值的決定系數(shù)R2為70.0，RMSECV值0.0483，偏移量-0.00076。驗證集預(yù)測值和真值的決定系數(shù)R2達(dá)57.2，RMSEP值0.531，偏移量-0.0991。

圖6 頭孢拉定顆粒中頭孢氨芐PLS模型校正和驗證結(jié)果Fig.6 Results of calibration and validation of PLS model of cephalexin content in cefradine granules

3.3.4 水分含量預(yù)測模型

頭孢拉定顆粒中水分的含量約在0.3%～1.4%之間。將96個批次中的67批次樣品作為訓(xùn)練集(百分濃度范圍0.3%～1.31%(W/W)，29批次作為驗證集(百分濃度范圍0.4%～1.26%(W/W)，建立水分的定量模型。優(yōu)化后的模型參數(shù)：光譜范圍為10533.5～5450 cm-1，采用矢量歸一化法進(jìn)行光譜預(yù)處理。訓(xùn)練集模型擬合值和真值的決定系數(shù)R2為86.5，RMSEE值0.104，維數(shù)為8；交叉驗證預(yù)測值和真值的決定系數(shù)R2為55.9，RMSECV值0.476，偏移量0.00519。驗證集預(yù)測值和真值的決定系數(shù)R2為53.0，RMSEP值0.149，偏移量0.0604，參見圖7。

圖7 頭孢拉定顆粒中水分PLS模型校正和驗證結(jié)果Fig.7 Results of calibration and validation of PLS model of water content in cefradine granules

4 結(jié)論

本文以頭孢拉定顆粒為例，探討了通過發(fā)掘國家評價性抽驗平臺數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，采用近紅外光譜結(jié)合模式識別的方法，對不同廠家產(chǎn)品的質(zhì)量和工藝的一致性進(jìn)行評價，對其中關(guān)鍵質(zhì)量屬性的量值(頭孢拉定含量、頭孢氨芐含量和水分含量)，通過PLS定量模型進(jìn)行快速預(yù)測。該研究表明，國家評價性抽驗平臺對服務(wù)于藥品的監(jiān)管及靶向抽驗具有重要價值。