近日，博腾的结晶团队与基因泰克在《Pharmaceutical Research》期刊上共同发表了一篇题为《新药化合物中管道水合物的相变》的论文。该期刊是美国药剂科学家协会的官方出版物, 重点专注发布医学-化学综合领域的新研究成果。
多晶型是制药行业在药物发现和开发阶段的关键研究内容之一。同时，通过形成水合物改变药物分子的晶体结构，可以在不增加毒性风险的情况下改善其物理化学性质。然而，水合物中的水合程度对其理化性能有显著影响，如结晶度、引湿性、溶解性、稳定性、可加工性和溶出速率。因此，筛选药物分子的不同水合物也极其重要，并尽可能对水合物进行结构鉴定，以了解水合物的形成机制和脱水动力学，从而评估在药物生产过程中的潜在风险。
本文章研究了一个新药物化合物的三种管道水合物的不同相变行为，其中两种管道水合物的单晶结构得到了确认（图1）。研究发现，水合物1在无水丙酮和无水四氢呋喃中会转化为水合物2，这表明水合物2在低水活度下更稳定，当水活度继续增加时，水合物2可以进一步转化为水合物3。在有水存在的条件下，水合物2也会转化为水合物3。后续实验证实，水合物2在高水活度的溶剂体系(如丙酮/水)中会转化为水合物3。此外，从水合物1和无水晶型开始，在丙酮/水中也能实现向水合物3的转变。值得注意的是，水合物1在固体状态下甚至在室温室湿环境条件下也能转化为水合物3，说明水合物3在高水活度更稳定。
图1：管道水合物形貌
水合物2和3的脱水/再水合行为通过X射线衍射（XRD）进行了研究。当水合物2在室温室湿条件下存放5天，XPRD图谱未观察到显著变化，表明晶格没有膨胀或改变（图2）。这表明水合物2的晶胞结构非常刚性，可能不会在不改变晶格的情况下容纳额外的水。然而，当加热至120°C持续30分钟后，观察到水合物2的PXRD图谱发生变化，这表明脱水可能引起了晶体结构的转变。晶体结构的变化也通过单晶样品从室温加热至120°C后崩塌得到了验证。有趣的是，如图2所示，如果将脱水后的样品冷却至室温并放置30分钟，样品晶型(XRPD图谱)又回到了最开始的晶型2，这表明脱水/再水合过程是可逆的，并且在这个过程中涉及到一种新的晶型。
为了进一步理解晶格中这种可逆现象的机制，我们对晶体结构进行了分析，以研究水管道的存在及其与特定晶面的关联。在水合物2中，水分子沿着(202)和(-202)晶面排列，并与在17 °2Ɵ处观察到的峰值相关。这个衍射峰的强度在脱水后显著减少，同时出现了一组新的衍射峰值，比如在11.7、12.9、13.7、17.5和18.1 °2Ɵ处，证明得到了一个具有不同的晶胞的新晶体结构，而不是通常管道水合物出现的晶格收缩/膨胀现象。有趣的是，尽管脱水后产生了完全不同的XRPD图谱，但在常湿条件下（图2），脱水得到的新晶型会转变回初始的水合物。水合物2的这种脱水/再水合现象在作为管道水合物中是非常独特的，展示了该研究工作的新颖性。
图2：水合物2脱水/再水合行为图谱
与水合物2的脱水/再水合行为不同，水合物3在室温室湿条件下储存5天后，XRPD衍射信号向较低角度偏移（图3），说明了晶胞通过吸水后发生膨胀。当其加热至120°C并保持30分钟时，XRPD图谱衍射信号移回高角度，这表明水分子从晶格中移出。这很可能是单晶到单晶的直接脱水现象，因为从室温加热到120°C时，单晶的形貌保持不变。单晶整体形貌的保持表明这是一个局部规整脱水过程。如果脱水后的晶型冷却到室温下并保持24小时，XRPD衍射信号再次向低角度偏移，表明其再次吸收了水分。因此，脱水/再水合过程也是可逆的，并且在脱水后晶体结构得以维持，因为水合和脱水后的晶型的XRPD图谱相似。
类似于水合物2，在水合物3中，晶面(020)和(002)被识别为管道水的位置，并与在18.5° 2Ɵ观察到的衍射峰相关。当水合物3加热至120°C时，该峰向更高角度19.0° 2Ɵ偏移，明确表明晶格在-x和-y方向收缩。在(0-12)晶面上还观察到了另一个通道，与11.0° 2Ɵ处的峰相关，该峰在加热时没有出现偏移，表明该通道参与稳定整个晶格结构。在环境条件下，沿(020)和(002)晶面的通道允许水分子重新进入，可能会重新排列晶格以保持水合物3的晶体结构。
这种可逆行为通过动态水蒸气吸附仪（DVS）得到了进一步证实，DVS显示了可逆的吸附和解吸曲线，这表明水合物3中的水分子可以轻松转移，并随着温度和相对湿度的变化在晶格之间进出。
图3：水合物3脱水/再水合行为图谱
如上数据所示，水合物2和水合物3表现出不同的脱水行为。水合物2通过脱水形相变改变了长程有序的晶体结构，正如XRPD图谱变化所显示的那样。然而，它可能保留了短程有序结构，因为脱水中间态一旦暴露于湿气中就能转变回水合物晶型。管道水合物在水分子从晶格中驱出时会变成高能量的亚稳态形式（图4），对于这种高能量的亚稳态状态，有两种主要途径来稳定脱水后的晶格：一种是吸收水分并恢复到其原始水合物形式，另一种是在高温下进行晶格弛豫，进一步减小晶胞体积，从而提高晶体堆积效率。如果晶格弛豫是对称的，则预期会出现类似的XRPD图谱，除了较小范围的峰偏移外，这正是水合物3的情况。另一方面，在水合物2中生成了不同的XRPD图谱，这表明该晶格弛豫在高温下是非对称的。
图4：水合物2和水合物3脱水后的晶格变化
本论文利用先进的分析技术，探讨了水合物作为活性药物成分（API）的关键作用。研究中，我们在一种具有三个管道水合物的新型药物化合物中发现了独特的相变行为，揭示了对称和非对称的晶格弛豫现象。这些发现对于确保药物制造和存储过程中水合物的稳定性至关重要，为未来制药研发和生产提供了宝贵建议。
博腾结晶团队在中国上海和美国新泽西都设有研发实验室，提供多晶型研究、结晶工艺开发、粒子工程、药辅协同精制及处方前评估等专业服务，在推动全球药物开发项目中发挥了关键作用。通过与全球合作伙伴的紧密合作，该团队以其专业能力和经验，协助药物开发者减轻可能影响候选药物开发各阶段的瓶颈问题，致力于探索小分子药物研发的技术前沿，提供从临床前到商业化阶段的一站式服务。
博腾文章通讯作者介绍：
匡善明博士
博腾J-STAR药物结晶研发副总裁
匡善明博士现任博腾股份美国J-STAR药物结晶研发副总裁，拥有香港中文大学化学博士学位和普渡大学博士后研究经历，曾先后就职于美国施贵宝、瑞士罗氏制药、英国葛兰素史克和苏州晶云药物，拥有20多年的药物固态研发、生产和管理经验。他在药物晶型研究、结晶工艺开发和处方前制剂开发以及评估小分子候选药物可开发性等方面有着丰富的行业经验，曾参与了多个上市药物（如阿立哌唑、威罗菲尼、卡博特韦和达格拉西布）的晶型研究。其所带领的团队已累积完成超500小分子药物的固态研发，发表国际期刊杂志学术论文及专利60多篇，专题演讲报告30余次。
参考资料：Phase Transitions Involving Channel Hydrates of a New Pharmaceutical Compound. Shanming Kuang, Harsh S. Shah, Baoshu Zhao. Pharmaceutical Research,
https://doi.org/10.1007/s11095-024-03724-z 
