北京中仑工业微生物研究院  |  北京中工医药研究院
分享

药品生产中微生物污染控制利器--水活度

2018-08-22 分类:原创文章 作者:Array 来源:中仑研究院 浏览:
作者:雨花石
编辑:北京中仑工业微生物研究院
版权:原创文章,独家版权


 
  在制药行业内,水活度是一个既陌生又熟悉的概念。这一概念经常被提起,却很少得到合理又充分的利用。对于微生物检测和控制来说,这一利器,甚至是神器,使用的如此局限,实在是制药行业的一大遗憾。今天,笔者跟大家一起揭开水活度的神秘面纱,并一起探讨其测试及运用。  
 
  一、法规背景
  笔者有一个强迫症,在介绍某一概念之前,首先会介绍其法规背景。毕竟,遵纪守法是每一个合法公民应尽的义务。在我们制药行业内,GMP法规、指南、药典等规定即是制药行业内广义的法。
 
  水活的运用,在USP<1115>Bioburden Control of Nonsterile Drug Substances and Products(非无菌药物成分和制剂的微生物负载控制)章节中被反复提及。在制剂的开发、物料的微生物负载控制、环境取样等各个环节,考察原辅料、中间产品和成品是否可以促进微生物生长均为重要的考虑因素。而在USP<1112>Application of Water Activity Determination to Nonsterile Pharmaceutical Products(非无菌药物产品水活度的应用)章节,则系统的介绍了水活度在非无菌制剂的微生物控制和检验策略中的应用,并列出了常见微生物生长所需要的水活度,以及不同非无菌剂型的水活度值及对应的检验策略。而USP新的章节USP<922>Water Activity(水活度)也正在起草中,新增的章节侧重于水活度的测试。USP在不同章节从不同角度描述了水活度的测试和运用。
 
  在ICHQ6中,在规定原辅料、成品的微生物限度标准和检验策略时,虽然没有明确提及水活度的概念,但物料和产品是否促进微生物生长均是其评估的重要依据,并且在Decision Tree #8中,使用了Is the drug product a dry dosage form (e.g. solid oral or dry powder)?(产品是否为干的剂型,如口服固体或干燥粉末)作为其评估的依据,凸显了水分对于非无菌制剂微生物限度标准和检验策略的重要意义。
 

  从法的角度来说,水活度对于非无菌制剂的微生物污染控制、限度标准和检验策略的确定意义是重大的。

  
二、水活度的概念 
  既然有法可依,水活度的意义又如此重大,那么我们先揭开水活度的面纱,了解一下什么是水活度。
 
  在正式介绍水活度的概念之前,笔者先从基础的微生物知识谈起,便于读者更好地接受水活度的概念和重要性。微生物的生长需要很多必要的条件,这些条件包括水、碳源、氮源、能源、生长因子、无机盐、氧气(厌氧菌除外)等,这些条件为微生物的代谢和生长繁殖提供了必须的营养物质、微量元素和生长环境。其中,水是极其重要的条件,也是微生物生长必不可少的条件,没有了水,微生物是无法生长的。极端微生物可以耐高温、耐酸碱、耐营养成分缺少、耐寡氧,却唯独不能缺少水。原因其实也很容易理解,微生物的代谢本质是其在细胞质内发生的一系列生物化学反应,因此,细胞质的主要成分是水。而离开了水,这些代谢相关的反应是无法进行的,微生物自然也无法生长繁殖。这是研究水活度的一个基本前提。
 
  那么水活度究竟是什么?这里,我们引用正在起草的USP<922>的概念,Water activity (Aw) refers to the effective concentration of pure water in a raw material or product.(水活度是指物料或产品中纯水的有效浓度)。也就说,水活度是指物料或产品中纯的水的含量,并且强调的是有效浓度。为什么要强调是有效浓度,这里,我们结合前段关于微生物基础知识便不难理解。物料或产品中的水有游离水和结合水两种主要状态,其中,结合水与物料或产品紧密结合,处于非游离状态,这些水是不能够被微生物利用的,而只有游离水方可被微生物所利用,对微生物的生长繁殖起作用。因此,水活度实际上指的便是游离水的含量。

 
  既然是游离水的含量,那么,我们要描述某一物质的水活度时,很容易便会想到用单位质量中游离水的质量来表示,如g/g或%来表示。然而,我们看到的水活度的表示却是小数,如某一产品的水活度为0.95。这一点很像%,难道是换算的结果?我们看一看水活度的数学或者物理表示,结果表示为,物质的所显示的水蒸汽压与相同条件下水的蒸汽压的比值。从游离水的含量,一下子跳到蒸汽压,我想很多人已经发懵了。而如果加上如下定义:水分活度值等于用百分率表示的相对湿度,其数值在0-1之间。到这里,我估计很多人已经彻底晕了。
 
  为了弄明白这几个概念的原理以及相互之间的关系,我们梳理一下。前面我们提到,水活度是指物质中的游离水,不包含结合水。而常规的测试方法,如卡尔费休水分测定法所测得的水分含量是包含游离水和结合水的。要只测游离水的含量,我们可以曲线救国,通过另外的途径 – 蒸汽压。蒸汽压是什么,如下图所示:

 
 
 
  液体的分子在气相和液相的交界处会发生逃逸现象,即液体分子会进入到气体中去。在某一密闭容器中,进入气体的液体分子所产生的压力便为蒸汽压。图片我们可以看到,液体分子在气相和液相中的进出是双向的,随着液体分子进入到气体的量越来越多,逐渐会达到饱和状态,这一饱和状态下,液体分子产生的压力便为水分分压。在温度、压力相同的情况下,饱和状态下的水分分压与物质中自由水的含量是紧密相关的,因为结合水结合牢固,是无法逃逸到气体中的,于是,测量蒸汽压可以间接的反应出物质中自由水的含量。当自由水的含量增加,并直至极限比例时,即纯水时,此时饱和状态下的蒸汽压即为纯水蒸汽压。而水分分压与纯水蒸汽压的比值即为水活度
 
  那么,水活度又如何跟湿度(其实是相对湿度)联系在一起呢?我看看湿度的定义,湿度的定义分为:
 
  绝对湿度:即单位体积空气中水蒸汽的含量,通常用g/m3表示;

  饱和湿度:当空气中的水蒸汽达到饱和时(可以想象,在一密闭容器中,当空气接触的对象为纯水时,气液相平衡时,空气中的水蒸汽含量最大,此时方可达到水蒸汽饱和的状态),单位体积空气中水蒸汽的含量,通常用g/m3表示;

  相对湿度(RH, Relative Humidity):绝对湿度与饱和湿度的比值即为相对湿度。
通过水活度和相对湿度的概念比较,再结合基本的物理知识(气体的质量、压力关系),我们不难看出,水活度和相对湿度的值是相等的,不同的是,水活度用小数表示,而相对湿度则是用%表示。


  水活度的测量

  结合水活度的概念和原理,水活度的测量有以下几种方法:

  ※ 直接测量物质中的水分含量,如冰点法,通过测量物质的冰点下降温度确定水分含量;


  ※ 通过水分在气相和液相之间的逃逸和进入,对溶液或者水分吸附物的物理性质产生影响,如溶液电导率的变化、聚合薄膜的电容变化、吸水纤维纵向变化等进行测量;

  ※ 通过空气中水分含量进行测量,如水分分压、露点等。这里,我们介绍一种不需特殊仪器的方法,即GB5009.238—2016《食品安全国家标准食品水分活度的测定》中的第一法康卫氏皿扩散法。需要的关键材料如下:

  ※ 不同种类的饱和盐溶液(用于提供不同水活度的标准溶液);

  ※ 康卫氏皿(如下图,用于提供一个密闭的环境):

 
 
 
  ※ 其他常见实验用品,如烘箱、天平等。
 

  原理:

  将一定重量的被测物质和不同的水活度标准溶液至于同一康卫氏皿中,平衡足够的时间,如被测物质的水活度大于标准溶液的水活度,则物质产生的水分分压大于标准溶液产生的水分分压,此时,标准溶液的气液相平衡被打破,空气中的水分子会进入到标准溶液中,造成溶液的质量增加而被测物质的质量减少,直至被测物质和标准溶液的水活度达到平衡状态,被测物质减少的质量与水活度的大小相关;反之,如被测物质的水活度低于标准溶液,则被测物质的质量增加,增加的量与水活度大小相关。将被测物质用不同水活度的标准溶液进行测定,则可绘制出质量变化与标准溶液水活度值相关的标准曲线,如下:

 
 
  通过这一标准曲线便可得到被测物质的水活度。
 
  三、水活度的运用
  掌握了水活度的概念和测量原理,我们进一步探讨水活度的运用。
 

  ※ 非无菌产品的检验策略

  因水活度代表了物质中自由水的含量,因此,水活度的高低便与物质支持微生物生长的能力紧密结合在了一起。USP<1112>中列出了不同微生物生长所需要的水活度,如下图:
   
 
  通过这张表我们可以看出,革兰氏阴性菌生长繁殖所需要的水活度在0.91以上,而革兰氏阳性菌所生长繁殖所需要的水活度在0.86以上,而霉菌生长繁殖所需要的水活度通常在0.77以上,而即使是耐受缺水的霉菌和酵母菌在水活度为0.60以下时也无法生长。因此,如果药品的水活度如低于0.77,则不支持微生物的生长和繁殖,其微生物污染的风险很低,这类产品的标准和检验频次也可相应放宽,这也是为什么ICHQ6将产品是否干燥作为产品标准和检验策略评估的一项重要依据。
 
  USP<1112>同时还列出了不同剂型的水活度及其USP推荐的检验测量:

 
   

  从上图我们可以看出,水活度较低的剂型,如软膏剂、唇膏、片剂、胶囊剂等水活度均低于0.60,其微生物污染的风险很低,因此经过风险评估后,无需逐批检验,这一点,《中国药典》2015年版的指导原则“9202非无菌产品微生物限度检査指导原则”也给予了支持。
 
  ※ 非无菌产品的整体微生物控制

  USP<1115>对于水活度在非无菌产品的微生物负载的控制上也作了较大篇幅的描述,产品剂型的开发、原辅料微生物的控制、生产环境的控制和监测、取样和检验策略等,其风险均可通过物料和产品的水活度的大小评估其微生物污染的风险。
 

  ※ 生产过程控制

  产品的生产工艺中,通常会包含中间产品的储存期限设置,这一期限,很多与微生物的污染风险相关。在确定储存期限时,水活度也是评估的一项重要手段,对于干燥的中间产品,微生物污染风险低,储存期限可延长,这包括称量后的物料、干燥后的颗粒、素片等等。而水活度高的中间产品,微生物污染风险高,则不易储存较长时间,这包括制粒溶液、包衣液等等。
 

  ※ 微生物清洁验证
  
  不同于传统的基于API残留的清洁验证,微生物清洁验证主要考察生产设备的微生物污染风险,这包括验证生产设备可连续生产的批次、连续生产的时间、生产结束后清洁前的放置时间(DHT, Dirty Holding Time)、清洁后的放置时间(CHT, Clean Holding Time)等等。在做这些验证时,无需对每一产品逐一验证,而是可以通过选择最差产品、最差设备进行验证,其中最差产品的选择,水活度也可作为一项重要的评估手段(非唯一手段)。
 

  ※ 环境监控
  
  非无菌产品生产区的环境监控策略也可通过水活度进行评估。我们知道,环境监控程序评估的最重要的依据便是产品微生物污染的风险。对于水活度低、不易被污染的产品,环境监控的频率和标准和适当放宽,而水活度较高的产品,则环境监控的频率和标准则需要适当加严。
 

  总的来说,水活度可以客观的反应物质支持微生物生长繁殖的能力,从而在评估产品微生物污染的风险中起着重要的重要。
 
  五、注意事项
  水活度的作用如此强大,有了这一利器,我们是否就可以一招先吃遍天,完全依赖其进行微生物污染的评估和控制呢?答案是否定的。有以下几点需要注意的:
 
  ● 水活度仅能够反应物质支持微生物生长繁殖的能力,而不是作为杀灭微生物的手段进行使用的。事实上,在评估微生物污染风险时,我们通常从两个角度去思考,一是微生物进入产品的风险,二是产品中的微生物生长繁殖的风险。水活度可以用于第二点的评估,却无法对第一点作出保证。因此,微生物进入产品的风险需通过其他手段进行评估和控制。所以,即使是水活度低的产品,在降低其检验频率时,亦需要进行科学的风险评估,评估原材料、生产工艺、设备、环境等对产品微生物污染的影响,并收集足够的历史数据,从而科学的觉得产品的检验频率;
 
  ● 产品水活度低,则产品支持微生物生长繁殖的能力低,这一点是成立的。但是,产品的水活度高,不一定其支持微生物生长繁殖的能力就一定高。微生物的生长繁殖不仅仅取决于水,还取决于其他很多条件,这一点在本文开头已有描述。如果产品的具有高盐浓度、极端pH、含防腐剂等,即使其水活度高,也不易支持微生物的生长和繁殖,在评估其风险时,也不可错判其风险;
 
  ● 水活度的概念可以扩展到生产过程中的微生物控制。通过研究水活度的概念,我们知道水是微生物生长必不可少的,那么,在生产过程中,需要控制水的残留,如生产设备需要便于清洁后的水排出,设备清洁后也需要干燥保存。生产区域,对于水比较多的房间,如清洗间、湿法工艺的功能间,易滋生微生物,霉菌在这些房间也时常会产生,这些房间,在生产操作结束后,需要及时将水清除干净;
 
  ● 生产区域,常常会担心湿度过高导致微生物滋生和繁殖。事实上,洁净室的气体只是微生物传播的载体,本身不会容纳微生物在空气中生长和繁殖。再结合湿度与水活度的关系,空气的湿度大于77%时,与其接触的对象与其充分平衡后,尚可达到支持微生物生长所需要的水活度,而此次,只能支持某些霉菌的生长,要支持细菌的生长,这一湿度需要达到86%。水活度只是支持微生物生长的一个必要条件,再结合微生物生长所需要的营养物质、温度、酸碱度等条件,湿度直接引起的微生物繁殖的风险会进一步降低。

 
  因此,科学的使用水活度,对于产品,尤其是非无菌产品,从产品开发、原辅料原则、工艺设计、生产过程控制、检验策略等整个产品生命周期内,均具有科学意义和实践价值。


 
更多资讯
  • 010-80338393(制药培训)
  • 010-69382762(医械培训)
  • 010-69383722(监督电话)
最近浏览: