Lab Training notes 22 7 13 2003 format

(1)

Pre­Formulation

The   word   pre­formulation   is   composed   of   two   words  pre  and  formulation. Studies done on a drug molecule before formulation development are called as pre­formulation studies.

The various physical, chemical and physico­technical properties of the drug molecule are found out in pre formulation studies. The information obtained in pre­formulation   studies   will   be   used   in   formulation   development.   Pre­formulation can be considered as the learning phase about the molecule. Example: If the drug molecule is found to be  unstable in GIT, it has to be formulated as an injection.

Example: If the drug molecule is found to be unstable in presence of light, the product should be manufactured in a dark area and the final product is to be stored in light resistant containers.

Example: If the drug molecule is found to be unstable in presence of oxygen, filling of ampoules will be done under nitrogen blanket atmosphere.

Example: If the drug molecule is found to have poor solubility, it is converted into  salt  form.   Diclofenac   is   converted   into   diclofenac   sodium   salt   for   this reason.

Example: If the drug molecule is unstable in gastric fluids, formulate enteric coated tablets.

Example: If the drug molecule is having very poor solubility and poor tissue permeability, avoid this molecule. Fail early – fail cheap.

Example: If the drug molecule is found to be incompatible with lactose, avoid lactose in the formulation.

The various properties of a drug that are determined in pre­formulation studies are   fundamental   properties,   derived   properties   and   drug   excipients   in compatibilities.

Fundamental properties: These properties depend on the chemical structure of the drug molecule. They include


(2)

2. Dissolution kinetics 3. pKa 

4. Partition or distribution coefficient (log P or log D) 5. Permeability of a drug across biological membranes 6. Solution state stability

7. Solid state stability 8. Solid state properties

Derived pre­formulation properties:   The   properties   that   a  drug   substance should have to develop a particular dosage form like solid, oral, liquid oral or parenteral are called derived properties. 

Derived   pre­formulation   properties   for   solid   oral   dosage   form   like   tablet, include

1. Particle size 2. Bulk density 3. Flow properties

4. Compaction behavior

Derived pre­formulation properties are specific to a particular dosage form to be developed. To develop capsules, compaction behavior is not required.

Drug ­ Excipients interactions: The last activity in pre­formulation studies is compatibility studies; the physical and chemical stability of the drug molecule is studied in presence of excipients. The choice of excipients selected for the study depends on the type of dosage form to be developed.

1. Solubility:

Concept: The maximum extent to which a drug dissolves in a solvent at a particular temperature is called solubility.

Example: Solubility of paracetamol is 1 g in 70 ml water, solubility of NaCl is 35 g in 100 ml water.


(3)

Importance:  Solubility is an important pre­formulation property that affects the performance of a drug molecule. Solubility plays an important role during formulation development. 

Bioavailability of tablets and capsules depend on solubility and dissolution rate of the drug. Orally administered drug has to first dissolve in gastrointestinal fluid   before   it   can   be   absorbed.   Dissolved   drug   then   passes   through   the intestinal membrane and enters into blood.

Solubility studies in non­aqueous solvents are important for development of analytical   methods,   crystallization   method   and   formulation   development   of soluble oral or Parenteral formulations.

About 40% of drug molecules  fail to come into the market because of poor aqueous solubility.

Determination: Solubility of a drug is determined using shake flask method. Pre­formulation solubility studies are carried out in distilled water, 0.9 % NaCl (isotonic solvent), 0.01 M HCl, 0.1 M HCl, 0.1 M NaOH (all at room temperature and at 37 degree centigrade).

Solubility   studies   are   also   carried   out   in   fasted   state   simulating   intestinal fluid/ the fed state simulated intestinal fluid.

The effect of temperature and pH on solubility of drug is also studied.

If a drug is having poor solubility and dissolution rate, limited solubilization experiments   are   carried   out   using   co   solvency/   micellar   solubilization /complexation/solid   dispersions/   salt   formation   principles.   This   information will be useful for the formulation scientist to formulate his dosage form.

Example:   Diclofenac   is   converted   into   diclofenac   sodium   to   increase   its aqueous solubility and dissolution rate.

Example:   Nimesulide   is   complexed   with   beta   cyclo   dextrin   to   increase   its aqueous solubility, dissolution rate and bio­availability.

2. Dissolution Rate: 

Concept: The process by which a drug goes into a solvent to form a solution is called   dissolution.   The   speed   of   dissolution   is   called   dissolution   rate.   For


(4)

example salt dissolves fast in water when compared with sugar. 

Importance: Orally administered drug has to first dissolve in gastrointestinal fluid   before   it   can   be   absorbed.   Dissolved   drug   then   passes   through   the intestinal membrane and enters into blood circulation. 

Dissolution   rate   (speed   of   dissolving)   of   drug   particles   depend   on   several physico   chemical   properties   like   chemical   form,   crystal   habit,   particle   size, solubility, surface area and wetting properties. Dissolution experiments help to identify   the   solvate   /   polymorph   /   complex   /   solid   dispersions/   solvent deposited systems/ salt forms having high dissolution rates. The fast dissolving forms will be used by the formulation scientist to develop tablets.

Example:   Diclofenac   is   converted   into   diclofenac   sodium   to   increase   its aqueous solubility and dissolution rate.

Example:   Nimesulide   is   complexed   with   beta   cyclo   dextrin   to   increase   its aqueous solubility, dissolution rate and bio­availability.

Example: Generally solid dispersions of drugs in hydrophilic carriers have good dissolution rate and oral bio­availability.

Determination:  Dissolution studies are carried out using official dissolution testing apparatus.

3. Dissociation Coefficient (pKa ):

Concept:  Most of the drugs are weak acids or weak bases. The dissociation coefficient is a measure of the drugs ability to ionize in water. The extent of ionization of a drug depends on its dissociation coefficient value and pH of the solvent. 

The Henderson – Hasselbalch equation can be used to calculate the extent of ionization of a drug at a particular pH value.   

For weak acids, pH = pKa + Log [ionized form/unionized form]


(5)

Importance: Ionized drug molecules have more water solubility but less tissue permeability.   Unionized   drug   molecules   have   less   water  solubility  but   more tissue permeability. This is because unionized molecules are more lipophillic and can easily cross biological membranes.

Gastrointestinal tract exposes the drug molecule to a wide range of pH values. Information on pKa value allows understanding the behavior of ionizable drug molecule, under different pH conditions.

For example a weakly acidic drug with a pKa value greater than three remains unionized in stomach (pH is 1) and is ionized in intestine. Hence we can predict that this drug is going to be rapidly absorbed in the stomach. Due to large surface area of the intestine this drug will be absorbed from the intestine also. Determination:  pKa  values   of   a   drug   can   be   determined   by   potentiometric method or by spectral shifts in UV/Visible spectroscopy. Buffers, temperature, ionic strength and co solvents affect the pKa  value and should be controlled during pKa experiments.

4. Partition coefficient:

Concept: It indicates the lipophillic nature of a drug molecule and its ability to cross biological membranes. It   is given by the equation: P = Ko/w = Co / Cw

P   = Partition coefficient of drug between n­ octanol and water Co  = Concentration of drug in octanol

Cw  = Concentration of drug in pH 7.4 buffer

Importance: The lipophillic nature of a drug molecule is expressed in terms   of   P   and   Log  P   values.   Higher   log  P   values   indicate   that  the   drug  is   more lipophillic   in   nature.   For   example,   Log   P   value   of   diclofenac   is   4.0   and Log P value of ibuprofen is 3.65.

If a drug is highly lipophillic, it will easily cross biological membranes in the body.

A  small log P  value indicates that the drug is  hydrophilic  in nature, it will have good water solubility but it will not easily cross biological membranes. A higher log P value indicates that the drug is strongly lipophillic. It has poor aqueous solubility, but once it goes into solution in G.I fluids, it enters into the biological membrane and stays there only. It will not go into the blood. This drug gets accumulated in the membrane.


(6)

Hence a drug should have  optimum hydrophilic and lipophillic nature. It should   dissolve   easily   in   G.I   fluids   and   pass   through   biological   membrane easily. A log P value of two is considered optimal for good bio­availability.  Determination: It is determined by shaking the drug between octanol and pH 7.4   buffer   until   equilibrium   is   achieved.   The   two   layers   are   separated   and assayed for drug content. 

5. Permeability:

Concept:     The   ability   of   a  drug   molecule   to   cross   biological   membranes   is called permeability. Drugs after dissolution have to cross the membrane for reaching into blood.

Permeability   along   with   solubility   forms   the   scientific   basis   of   Bio­pharmaceutics  Classification   System  (BCS).  According   to  the   BCS,   drug substances, are classified as follows:

Class 1: High Solubility – High Permeability  Class 2: Low Solubility – High Permeability  Class 3: High Solubility – Low Permeability Class 4: Low solubility – Low permeability

A drug substance is considered highly soluble when the highest dose strength is soluble in 250 ml or less of aqueous media over the pH range of 1­7.5.

A  drug  substance   is   considered   to  be   highly  permeable   when  the  extent  of absorption in humans is determined to be  90%  or more of an administered dose. 

In terms of apparent permeability coefficient (Papp) across Caco­2 cell line, a value greater than 2×10­5 cm/s indicates good permeability. 

Importance:  A successful drug molecule should possess a balance between hydrophilic   and   lipophillic   nature,   to   achieve   optimal   solubility   and permeability.   A   log   P   value   of   about  2  is   considered   optimal   for   good permeability. 


(7)

system. Drugs belonging to BCS class 3 and 4 have poor permeability and are hence administered using Parenteral route.

Permeability   of   a   drug   can   be   increased   by   use   of   permeability   enhancers. Some   of   the   commonly   used   excipients   like   polysorbate   80,   poloxamer   and cremophor RH 40, are used for enhancing permeability.

Determination:  Permeability   can   be   determined   using   in   vitro   tools   like PAMPA, Caco­2 cell lines, everted rat intestine; in situ experiments like single pass intestinal perfusion in rats and in vivo data like human absorption data. 

6. Solution state stability:

Concept: A drug is said to be stable, if it does not undergo any physical and chemical degradation in solution state during storage. Most common pathways for degradation are hydrolysis, oxidation and light.

Importance:  From   solution   state   stability   studies,   we   can   identify   the conditions to prepare a stable solution and for developing liquid formulations. Example: Ampicillin undergoes degradation very fast in solution state. Hence it is formulated as  dry syrup. It is to be  reconstituted before use  and this syrup should be used in 4 days.

Example: Insulin is stable at    pH.

Example: If a drug undergoes oxidative degradation, the ampoules are filled under nitrogen blanket atmosphere.

Storage conditions for the dosage form can be recommended basing on this information.

Determination: 

1. Solution   state   stability   is   first   studied   in   extremes   of   pH   and temperature. Drug is dissolved in 0.1N HCL / water/ 0.1N NaOH, the solutions are filled into ampoules and are sealed. These ampoules are stored   at   90  0C.   At   different   time   intervals   these   solutions   are   assayed   by   HPLC   for   drug   content   /degraded   products.

2. Drug is dissolved in solvents having different pH and the solutions are filled   into   ampoules   and   are   sealed.   These   ampoules   are   stored   at


(8)

elevated temperatures (40 0C, 50 0C and 60 0C). At different time intervals these   solutions   are   assayed   by   HPLC   for   drug   content   /degraded products. From this information pH of optimum stability can be found out. Order of decomposition and shelf life of the solutions can be found out   by   constructing   Arrhenius   plots.

3. To check for oxidative degradation of drugs, drug solutions are filled in vials   and   are   capped   with   Teflon   coated   rubber   stoppers.   After penetrating the stoppers  with needles,  the head space  is flooded  with oxygen, needles are removed and the needle holes are sealed with wax to prevent degassing. At different time intervals samples are analyzed for

drug   content.

4. If   the   drug   is   found   to  undergo   oxidative   degradation,   drug  solutions having antioxidants / nitrogen atmosphere are treated as in the above step.

5. Photo­stability testing of solutions is carried out by exposing the drug solution   in   sealed   ampoules   to   artificial   light   of   defined   intensity. Controls covered with aluminum foil are also placed along with the test sample. Analysis of drug solution in test and control is carried out to predict photo­degradation of drugs.

7. Solid State Stability Studies:

Concept: A drug is said to be stable if it does not undergo any physical and chemical degradation in solid state during storage. Solid state reactions are slower than solution state reactions. Solid state stability depends on the nature of the chemical substance and its type of crystalline form.  

Importance:  Stability   studies   provide   useful   information   for   formulation development, processing and packaging development.

Addition of stabilizing excipients, environment control during manufacturing and   protective   packaging   systems,   can   be   identified   from   these   stability studies. 

Determination: 


(9)

directly   to   a   variety   of   temperatures,   humidity   conditions   and   light intensities up to 12 weeks. Samples are analyzed by HPLC/DSC/FT IR techniques.   As   the   quantity   of   drug   decomposed   is   very   less   to   be detected by HPLC, it is better to estimate degraded products. The various conditions of stability testing are as follows.

S.NO Test Condition Storage condition

1 5  0 Refrigerator

2 22  0C Room temperature

3 37  0C Ambient humidity

4 37  0C and 75 % RH Accelerated testing 5 50  0C ambient humidity Accelerated testing 6 50  0C, O

2 head space Accelerated testing 7 50  0C ambient humidity, N

2 head space Accelerated testing 8 70   0C ambient humidity Accelerated testing 9 90  0C ambient humidity,  Accelerated testing

2. Polymorphic   changes   are   detected   by  DSC   or   XRD  techniques.

3. Surface discoloration due to oxidation is studied using diffuse reflectance equipment.

4. To check for oxidative degradation of drugs, samples are filled in 25 ml vials   and   are   capped   with   Teflon   coated   rubber   stoppers.   After penetrating the stoppers  with needles,  the head space  is flooded  with oxygen, needles are removed and the needle holes are sealed with wax to prevent   degassing.   Controls   are   filled   with   nitrogen.   At   different   time intervals samples are analyzed for drug content, polymorphic changes


(10)

5. The decay process should be analyzed for zero order / first order kinetics and shelf life determined.

6. To check for oxidative degradation of drugs, drug samples are spread in a watch glass and exposed to artificial light of defined intensity. Controls covered with aluminum foil are also placed along with the test sample. Analysis of drug samples in test and control is carried out to predict

photo­degradation   of   drugs.

7. The hygroscopic nature of a drug can be determined by gravimetry or Karl Fischer titration. Drug is spread as a thin layer on a watch glass and   is   exposed   to   75   %   RH.   The   increase   in   weight   is   monitored   to measure moisture uptake. Moisture uptake is monitored for 24 hours.  8.Solid State Properties:

Concept:  A number of drugs are used in the solid form and their solid state properties  influence  their  stability and  performance.  The   various  solid   state properties are

1. Crystalline form ­ determined by XRD

2. Solvated state ­ determined by XRD

3. Crystal habit by ­ microscopy

4. Particle size ­ determined by microscopy/sieving/light scattering

5. Particle shape ­ determined by shape factors

6. Particle surface area ­ determined by adsorption/air permeability method

7. Bulk density ­ determined by three tap method

8. Flow   properties   determined   by   angle   of   repose/Hausner   ratio/ flowability/ compressibility index method.

9. Compaction   behavior   determined   by   using   instrumented   tabletting machines.

Importance:  Solid state properties of a drug influence solubility, dissolution rate   and   stability.   Most   stable   solid   form   has   the   lowest   solubility   and reactivity. It is better to develop a drug product using most stable form because meta­stable form may convert to stable form, during shelf life.


(11)

Particle size and shape of the drug influence flow of powders. It is difficult to compress powders having low bulk density. Granulation is done to improve particle size, increase density and flow of powders.

If the drug powders do not have satisfactory compaction profiles, binders have to be included in tablet formulations. 

9. Compatibility studies for selection of excipients:

Concept:   Compatibility studies are carried out to study the interactions of drug   substance   with   excipients.   Selection   of   excipients   is   important   for development of a quality drug product. Choice of excipients depends on the type of dosage form. For example, for a tablet dosage form, diluents, binders, disintegrants,   lubricants,   glidants   are   selected   for   compatibility   studies.   If necessary, solubilizer, stabilizing agent, buffer and rate controlling polymers can also be included. 

Mechanisms for incompatibility:  Compatibility studies are done to identify physical and chemical incompatibility between drug substance and excipients. Excipients may be responsible for incompatibility by 

(i) altering the moisture content 

(ii) altering the micro­environment pH

(iii) acting as a catalyst for degradation 

(iv) acting as an impurity that causes degradation

Compatibility   study   procedures:  Isothermal   stress   testing,   differential scanning calorimetry and isothermal micro calorimetry are used for conducting compatibility studies. 

Stress conditions like thermal, humidity, oxidation and mechanical, are used in   compatibility   studies.   Studies   can   be   performed   between   two   or   multi­component   systems.   Mini­formulation   studies   are   also   used   to understand compatibility in multi­component systems.

Drug and excipients in powder or compacted form are taken in vials and are stored   at   temperatures   of   50,   60  oC   or   even   higher.   Additional   stress   like moisture can also be included. The samples are monitored on weekly basis (for a period of 4 weeks). If there is color, odor, deliquescence and flow behavior changes, incompatibility can be suspected. Samples are also analyzed using


(12)

UV spectroscopy or HPLC. Samples are examined by X ray diffraction, FTIR and solid state NMR for change in crystalline form /incompatibility. 

Importance   of   compatibility   studies   in   formulation   development: Compatibility studies allow systematic selection of excipients, for formulation development. 

Preformulation Studies for Generic Products

A generic product is defined as “a drug product that is comparable to branded innovator product in dosage form, strength, route of administration, quality and performance characteristics”.  As per the description given in USFDA, a generic   product   is   pharmaceutical   equivalent   and   bioequivalent   to   the innovator product. A generic product is a duplicate of the innovator product. If   the   innovator   and   generic   product   are   being   developed   using   same   solid form,   fundamental   pre­formulation   properties   like   aqueous   solubility,   pKa,   log   P,   pH­solubility   profile,   intestinal   permeability,   stability   and   solid   state properties, are expected to be similar. However, derived properties like bulk density, flow and compactability may differ. However, some of these studies may have to be repeated in case the solid form used by the innovator and generic products is different.

The   most   important   pre­formulation   study   for   a   generic   product   is compatibility studies. From a formulation development point, a generic product may or may not have same excipients as the innovator. Let us consider that the generic   product   is   qualitatively   similar   to   innovator   product.   Qualitative similarity   means   that   both   innovator   and   generic   product   have   similar excipients. Theoretically, there should not be a need for compatibility studies. However,  a need for compatibility studies could arise, because of differences in (i) solid state properties of API, (ii) impurity profile of the API and (iii) source / vendor of excipients. The second situation is when excipients in innovator and generic   formulation   differ   qualitatively.   This   would   call   for   a   more   rigorous compatibility studies as some of the excipients have not been used earlier with that API.

Conclusion:  Many   pre­formulation   studies   should   be   performed,   though generic   product   can   be   considered   a   duplicate   of   the   innovator   product. Differences   in   the   material   properties   of   the   API   and   excipients,   used   by innovator   and   generic   manufacturer,   can   affect   performance   of   the   dosage form.   Thus   it   is   important   to   perform   pre­formulation   studies   for   generic products also.


(13)

Pre­formulation report is like the resume of the molecule and provides scientific basis for drug discovery and development.

By

Dr. M. Eswar Gupta

Professor   and   Head,   Dept.   of   Pharmaceutics,   Sir   C.R.R   College   of   Pharmaceutical Sciences, Eluru, A.P., India. Email: meguptas@yahoo.com


(1)

elevated temperatures (40 0C, 50 0C and 60 0C). At different time intervals these   solutions   are   assayed   by   HPLC   for   drug   content   /degraded products. From this information pH of optimum stability can be found out. Order of decomposition and shelf life of the solutions can be found

out   by   constructing   Arrhenius   plots.

3. To check for oxidative degradation of drugs, drug solutions are filled in vials   and   are   capped   with   Teflon   coated   rubber   stoppers.   After penetrating the stoppers  with needles,  the head space  is flooded  with oxygen, needles are removed and the needle holes are sealed with wax to prevent degassing. At different time intervals samples are analyzed for

drug   content.

4. If   the   drug   is   found   to  undergo   oxidative   degradation,   drug  solutions having antioxidants / nitrogen atmosphere are treated as in the above step.

5. Photo­stability testing of solutions is carried out by exposing the drug solution   in   sealed   ampoules   to   artificial   light   of   defined   intensity. Controls covered with aluminum foil are also placed along with the test sample. Analysis of drug solution in test and control is carried out to predict photo­degradation of drugs.

7. Solid State Stability Studies:

Concept: A drug is said to be stable if it does not undergo any physical and chemical degradation in solid state during storage. Solid state reactions are slower than solution state reactions. Solid state stability depends on the nature of the chemical substance and its type of crystalline form.  

Importance:  Stability   studies   provide   useful   information   for   formulation development, processing and packaging development.

Addition of stabilizing excipients, environment control during manufacturing and   protective   packaging   systems,   can   be   identified   from   these   stability studies. 

Determination: 


(2)

directly   to   a   variety   of   temperatures,   humidity   conditions   and   light intensities up to 12 weeks. Samples are analyzed by HPLC/DSC/FT IR techniques.   As   the   quantity   of   drug   decomposed   is   very   less   to   be detected by HPLC, it is better to estimate degraded products. The various conditions of stability testing are as follows.

S.NO Test Condition Storage condition

1 5  0 Refrigerator

2 22  0C Room temperature

3 37  0C Ambient humidity

4 37  0C and 75 % RH Accelerated testing

5 50  0C ambient humidity Accelerated testing 6 50  0C, O2 head space Accelerated testing 7 50  0C ambient humidity, N2 head space Accelerated testing 8 70   0C ambient humidity Accelerated testing 9 90  0C ambient humidity,  Accelerated testing

2. Polymorphic   changes   are   detected   by  DSC   or   XRD  techniques.

3. Surface discoloration due to oxidation is studied using diffuse reflectance equipment.

4. To check for oxidative degradation of drugs, samples are filled in 25 ml vials   and   are   capped   with   Teflon   coated   rubber   stoppers.   After penetrating the stoppers  with needles,  the head space  is flooded  with oxygen, needles are removed and the needle holes are sealed with wax to prevent   degassing.   Controls   are   filled   with   nitrogen.   At   different   time intervals samples are analyzed for drug content, polymorphic changes


(3)

5. The decay process should be analyzed for zero order / first order kinetics and shelf life determined.

6. To check for oxidative degradation of drugs, drug samples are spread in a watch glass and exposed to artificial light of defined intensity. Controls covered with aluminum foil are also placed along with the test sample. Analysis of drug samples in test and control is carried out to predict

photo­degradation   of   drugs.

7. The hygroscopic nature of a drug can be determined by gravimetry or Karl Fischer titration. Drug is spread as a thin layer on a watch glass and   is   exposed   to   75   %   RH.   The   increase   in   weight   is   monitored   to measure moisture uptake. Moisture uptake is monitored for 24 hours. 

8.Solid State Properties:

Concept:  A number of drugs are used in the solid form and their solid state properties  influence  their  stability and  performance.  The   various  solid   state properties are

1. Crystalline form ­ determined by XRD 2. Solvated state ­ determined by XRD 3. Crystal habit by ­ microscopy

4. Particle size ­ determined by microscopy/sieving/light scattering 5. Particle shape ­ determined by shape factors

6. Particle surface area ­ determined by adsorption/air permeability method 7. Bulk density ­ determined by three tap method

8. Flow   properties   determined   by   angle   of   repose/Hausner   ratio/ flowability/ compressibility index method.

9. Compaction   behavior   determined   by   using   instrumented   tabletting machines.

Importance:  Solid state properties of a drug influence solubility, dissolution rate   and   stability.   Most   stable   solid   form   has   the   lowest   solubility   and reactivity. It is better to develop a drug product using most stable form because meta­stable form may convert to stable form, during shelf life.


(4)

Particle size and shape of the drug influence flow of powders. It is difficult to compress powders having low bulk density. Granulation is done to improve particle size, increase density and flow of powders.

If the drug powders do not have satisfactory compaction profiles, binders have to be included in tablet formulations. 

9. Compatibility studies for selection of excipients:

Concept:   Compatibility studies are carried out to study the interactions of drug   substance   with   excipients.   Selection   of   excipients   is   important   for development of a quality drug product. Choice of excipients depends on the type of dosage form. For example, for a tablet dosage form, diluents, binders, disintegrants,   lubricants,   glidants   are   selected   for   compatibility   studies.   If necessary, solubilizer, stabilizing agent, buffer and rate controlling polymers can also be included. 

Mechanisms for incompatibility:  Compatibility studies are done to identify physical and chemical incompatibility between drug substance and excipients. Excipients may be responsible for incompatibility by 

(i) altering the moisture content  (ii) altering the micro­environment pH (iii) acting as a catalyst for degradation 

(iv) acting as an impurity that causes degradation

Compatibility   study   procedures:  Isothermal   stress   testing,   differential scanning calorimetry and isothermal micro calorimetry are used for conducting compatibility studies. 

Stress conditions like thermal, humidity, oxidation and mechanical, are used in   compatibility   studies.   Studies   can   be   performed   between   two   or   multi­component   systems.   Mini­formulation   studies   are   also   used   to understand compatibility in multi­component systems.

Drug and excipients in powder or compacted form are taken in vials and are stored   at   temperatures   of   50,   60  oC   or   even   higher.   Additional   stress   like moisture can also be included. The samples are monitored on weekly basis (for a period of 4 weeks). If there is color, odor, deliquescence and flow behavior changes, incompatibility can be suspected. Samples are also analyzed using


(5)

UV spectroscopy or HPLC. Samples are examined by X ray diffraction, FTIR and solid state NMR for change in crystalline form /incompatibility. 

Importance   of   compatibility   studies   in   formulation   development:

Compatibility studies allow systematic selection of excipients, for formulation development. 

Preformulation Studies for Generic Products

A generic product is defined as “a drug product that is comparable to branded innovator product in dosage form, strength, route of administration, quality and performance characteristics”.  As per the description given in USFDA, a generic   product   is   pharmaceutical   equivalent   and   bioequivalent   to   the innovator product. A generic product is a duplicate of the innovator product. If   the   innovator   and   generic   product   are   being   developed   using   same   solid form,   fundamental   pre­formulation   properties   like   aqueous   solubility,   pKa,   log   P,   pH­solubility   profile,   intestinal   permeability,   stability   and   solid   state properties, are expected to be similar. However, derived properties like bulk density, flow and compactability may differ. However, some of these studies may have to be repeated in case the solid form used by the innovator and generic products is different.

The   most   important   pre­formulation   study   for   a   generic   product   is compatibility studies. From a formulation development point, a generic product may or may not have same excipients as the innovator. Let us consider that the generic   product   is   qualitatively   similar   to   innovator   product.   Qualitative similarity   means   that   both   innovator   and   generic   product   have   similar excipients. Theoretically, there should not be a need for compatibility studies. However,  a need for compatibility studies could arise, because of differences in (i) solid state properties of API, (ii) impurity profile of the API and (iii) source / vendor of excipients. The second situation is when excipients in innovator and generic   formulation   differ   qualitatively.   This   would   call   for   a   more   rigorous compatibility studies as some of the excipients have not been used earlier with that API.

Conclusion:  Many   pre­formulation   studies   should   be   performed,   though generic   product   can   be   considered   a   duplicate   of   the   innovator   product. Differences   in   the   material   properties   of   the   API   and   excipients,   used   by innovator   and   generic   manufacturer,   can   affect   performance   of   the   dosage form.   Thus   it   is   important   to   perform   pre­formulation   studies   for   generic products also.


(6)

Pre­formulation report is like the resume of the molecule and provides scientific basis for drug discovery and development.

By

Dr. M. Eswar Gupta

Professor   and   Head,   Dept.   of   Pharmaceutics,   Sir   C.R.R   College   of   Pharmaceutical Sciences, Eluru, A.P., India. Email: meguptas@yahoo.com