Hydrogen Bonding in Pharmaceutical Particles Composed of Salbutamol Sulphate and L-leucine

Abstract

Salbutamol sulphate is used in the relief of asthma. Aerosol flow reactor method produces drug particles of salbutamol sulphate, which are coated with L-leucine. Depending on the production temperature, the L-leucine layer possesses different properties.

The interactions between salbutamol sulphate and L-leucine molecules are studied, to learn about the behaviour of the combination drug particles. Differential scanning calorimetry (DSC) is used to gather information about the interactions taking place during heating. DSC shows evidence of water evaporation, melting of salbutamol sulphate in the particles, and an endothermic reaction that can be assigned to hydrogen bonding.

Hydrogen bonding is complex to study because of its unstable nature. However, techniques like infrared (IR) spectroscopy can be used to locate hydrogen bonding in the molecular structure. Spectra of the vibrations of the structural elements of the samples, in various temperatures, are recorded with an IR spectrometer. In the spectra, distinct bands can be assigned to specific structural elements, based on previous literature. By studying the differences in band intensities between samples and temperatures, information about the molecular structures can be gathered.

The intensities of the DSC endotherms of the samples are compared with specific band intensities in the IR spectra, and the location of the hydrogen bonding between the salbutamol and L-leucine molecules, can be restricted to few locations in the salbutamol molecule, and to one specific location in the L-leucine molecule.

The increasing knowledge about the hydrogen bonding in these drug particles can be used to control the release of salbutamol sulphate in the lungs, when administered through inhalation. For example information about the advantage of sustained release caused by the hydrogen bonding, can be gained from dissolution studies. In the experiments, controlled pH and temperature are used to imitate the conditions in human lungs. Because of some unexpected problems in the measurement system, the dissolution studies could not give the wanted information.

During the experiments, a great amount of information about the properties of the salbutamol sulphate and L-leucine molecules, and hydrogen bonding, was obtained. Evidence of hydrogen bonding was found, and the location of the bonds could be restricted to a few structural locations in the participating molecules.

Salbutamol sulfaattia käytetään lääkityksenä astmaan. Salbutamol sulfaatti partikkeleita voidaan valmistaa ja päällystää L-leusiinilla käyttämällä aerosolivirtausreaktoria. L-leusiinipäällystyksen ominaisuuksiin vaikuttaa reaktorissa vallitseva lämpötila valmistushetkellä.

Jotta tällaisen yhdistelmälääkkeen käyttäytymistä voidaan ennakoida, tutkitaan salbutamol sulfaatin ja L-leusiinin välisiä vuorovaikutuksia. Differentiaalista skannauskalorimetriaa (DSC) käytetään, kun tutkitaan lämpötilan noususta aiheutuvia muutoksia sidosrakenteissa. DSC-kalorimetrillä nähdään, että lääkepartikkeleissa tapahtuu veden höyrystymistä, salbutamol sulfaatin sulamista sekä lisäksi osassa näytteistä endoterminen reaktio, joka voidaan liittää vetysitoutumiseen.

Vetysidos on hyvin epästabiili luonteeltaan, ja siksi sen tutkiminen on haastavaa. Tässä tutkimuksessa infrapuna (IR) spektroskopiaa käytetään vetysidoksen tutkimiseen. IR-spektrejä näytteiden värähtelytaajuuksista kerätään useassa eri lämpötilassa. Tietyt taajuudet spektreissä voidaan yhdistää tiettyihin molekyylitason rakenteisiin aiempien tutkimusten perusteella. Muutokset värähtelyintensiteeteissä taajuuksien sekä lämpötilojen välillä antavat tietoa molekyylitason sidoksista ja niiden muutoksista.

DSC-spektrien ja IR-spektrien vertailun perusteella näytteissä tapahtuva vetysitoutuminen pystytään paikallistamaan muutamaan kohtaan salbutamolmolekyylissä, sekä yhteen tiettyyn kohtaa L-leusiinimolekyylissä.

Lisätiedon toivossa lääkepartikkeleilla tehtiin myös liukoisuuskokeita. Näissä kokeissa määriteltyä pH:ta ja lämpötilaa käyttämällä yritettiin luoda samanlainen ympäristö kuin ihmiskeuhkoissa, ja siten saada tietoa vetysitoutumisen vaikutuksista lääkepartikkeleiden liukoisuuteen. Paremmin näitä vaikutuksia ymmärtämällä olisi mahdollisuus esimerkiksi hallita pitkäkestoisempaa vaikutusaineiden vapautumista keuhkoissa. Valitettavasti mittauslaitteistoon liittyvistä epätarkkuuksista johtuen liukoisuuskokeiden tulokset olivat lähes hyödyttömiä.

Tutkimuksen aikana saatiin kerättyä paljon tietoa sekä ainesosista, salbutamol sulfaatista ja L-leusiinista, että vetysitoutumisesta. Tutkimuksen perusteella voidaan todeta, että yhdistelmälääkepartikkeleissa tapahtuu vetysitoutumista, ja myöskin tämän sidoksen sijainti molekyylirakenteissa pystyttiin paikallistamaan.