MEDICIÓN Y ANÁLISIS DE LA ACTIVIDAD DEL AGUA “aw” EN PRODUCTOS FARMACÉUTICOS

 

La actividad del agua se utiliza y acepta ampliamente en la industria alimentaria para controlar la seguridad y la calidad de los productos. Si bien en la industria farmacéutica se ha demostrado su eficacia, su uso aún no está generalizado. La USP ha desarrollado la norma USP <922> Actividad del Agua como método oficial para medirla, lo que se espera facilite su implementación como parte integral de un programa de calidad farmacéutica. Tanto la USP <922> como la USP <1112> destacan las posibles aplicaciones de la actividad del agua. Estas incluyen el control de la estabilidad, la prevención del riesgo microbiano, la optimización de la formulación, la reducción del apelmazamiento y la formación de grumos, y el control de la migración de humedad. Los principales beneficios de estas aplicaciones son: mayor calidad en la producción, mayor satisfacción y confianza del consumidor, menor desperdicio y retiradas de productos y, por consiguiente, mayores beneficios para el fabricante. Claramente, la actividad del agua es un parámetro de calidad importante y, a menudo, esencial para los productos farmacéuticos.

¿QUÉ ES LA ACTIVIDAD DEL AGUA?

La actividad del agua se define como el estado energético del agua en un sistema y se basa en las leyes fundamentales de la termodinámica a través de la ecuación de la energía libre de Gibbs. Representa la energía potencial química relativa del agua, determinada por las interacciones superficiales, coligativas y capilares en una matriz. En la práctica, se mide como la presión parcial de vapor de agua (P) en un espacio de cabeza en equilibrio con la muestra, dividida por la presión de vapor saturado (P0) del agua a la misma temperatura (T). La actividad del agua es igual a la humedad relativa de equilibrio (HRE) dividida por 100.

Este índice de actividad del agua abarca un rango desde 0 para condiciones completamente secas hasta 1,00 para agua pura, cuando la presión parcial y la presión de saturación son iguales. A menudo se hace referencia a la actividad del agua como «agua libre», lo cual es útil al hablar de mayor energía; sin embargo, resulta engañoso, ya que el término «libre» no tiene una definición científica y se interpreta de manera diferente según el contexto. Como resultado, el concepto de agua libre puede generar confusión entre la unión física del agua, una medición cuantitativa, y la unión química del agua a energías más bajas, una medición cualitativa. En lugar de una actividad de agua de 0,50, que indica un 50 % de agua libre, es más preciso indicar que el agua del producto tiene el 50 % de la energía que tendría el agua pura en la misma situación. Cuanto menor sea la actividad del agua, menos se comportará el agua del sistema como agua pura. La actividad del agua se mide equilibrando el agua en fase líquida de la muestra con el agua en fase gaseosa del espacio de cabeza de una cámara cerrada y midiendo la humedad relativa de equilibrio (HRE) en dicho espacio mediante un sensor. La humedad relativa se puede determinar utilizando un sensor electrolítico resistivo, un sensor de espejo enfriado o un sensor de polímero higroscópico capacitivo. Los instrumentos de Novasina, como el LabMaster NEO, utilizan un sensor electrolítico para determinar la HRE dentro de una cámara sellada que contiene la muestra. Los cambios en la HRE se registran mediante cambios en la resistencia eléctrica del sensor electrolítico. La ventaja de este método radica en su gran estabilidad y resistencia a lecturas inexactas debidas a la contaminación, una debilidad particular del sensor de espejo enfriado. El sensor electrolítico resistivo alcanza el máximo nivel de exactitud y precisión sin necesidad de mantenimiento ni calibración frecuente, lo que lo hace ideal para análisis farmacéuticos.

ACTIVIDAD DEL AGUA VS. CONTENIDO DE HUMEDAD

La actividad del agua es una propiedad intensiva que describe la energía del agua en un sistema, mientras que el contenido de humedad es una propiedad extensiva que determina la cantidad de humedad en un producto.

Aunque están relacionadas, la actividad del agua y el contenido de humedad no son lo mismo: el contenido de humedad se determina generalmente mediante el método de pérdida por secado o titulación química; si bien es útil como medida de pureza y como estándar de identidad, no se correlaciona tan bien como la actividad del agua con el crecimiento microbiano, la estabilidad química o la estabilidad física. La actividad del agua y el contenido de humedad están relacionados mediante la isoterma de sorción de humedad.

INFORMACIÓN REGLAMENTARIA

 

CONFERENCIA INTERNACIONAL SOBRE ARMONIZACIÓN (ICH)

La ICH ha publicado procedimientos de ensayo y criterios de aceptación para programas de liberación de fármacos en la ICH Q6A, donde los árboles de decisión n.° 6 y n.° 8 ofrecen las mejores prácticas para la determinación de los atributos microbiológicos de un fármaco. Vincula las propiedades físicas de un producto con un menor riesgo microbiano, al lograr que el producto esté lo suficientemente seco. Si bien no se define específicamente, se puede asumir que “seco” se refiere al contenido de humedad. Sin embargo, según las USP <922> y <1112>, sabemos que el crecimiento microbiano está determinado por la actividad del agua y no por el contenido de humedad. Un segundo capítulo de la ICH relevante en términos de actividad del agua es la ICH Q1A, que se centra en las pruebas de estabilidad de nuevas sustancias y productos farmacéuticos e incluye descripciones genéricas sobre las pruebas de atributos microbianos adecuadas, entre otras:

• Sustitución de las pruebas microbiológicas por pruebas de actividad del agua

• Relación entre el contenido de humedad y la actividad del agua para la estabilidad microbiológica

• Posible protocolo de estabilidad, que describe las pruebas microbiológicas y de actividad del agua.

Como se mencionó anteriormente, el control microbiano es solo una buena razón para realizar pruebas de actividad del agua. Pero dado que muchos principios activos farmacéuticos y productos farmacéuticos están por debajo del límite crítico de 0,60 aW (como se especifica en la USP <1112>), la actividad del agua se convierte en una prioridad y un aspecto fundamental para establecer y garantizar las propiedades, la estabilidad y la calidad del producto.

USP <1112>

La actividad del agua en productos farmacéuticos se describe en la USP <1112> APLICACIÓN DE LA DETERMINACIÓN DE LA ACTIVIDAD DEL AGUA EN PRODUCTOS FARMACÉUTICOS NO ESTÉRILES como una herramienta para:

• Optimizar las formulaciones de productos para mejorar la eficacia antimicrobiana de los sistemas de conservación.

• Reducir la degradación de los principios activos farmacéuticos en las formulaciones de productos susceptibles a la hidrólisis química.

• Reducir la susceptibilidad de las formulaciones (especialmente líquidos, lociones y cremas) a la contaminación microbiana.

• Proporcionar una herramienta para justificar la reducción de la frecuencia de las pruebas de límites microbianos y la detección de microorganismos indeseables para la liberación del producto y las pruebas de estabilidad, utilizando los métodos contenidos en el capítulo general de pruebas Enumeración Microbiana USP <61> y Pruebas para Microorganismos Específicos USP <62>.

En resumen, la actividad del agua debe incluirse como un punto de control crítico en cualquier programa de liberación de medicamentos como una herramienta para el control del riesgo microbiano. Sin embargo, de igual importancia es el papel que desempeña la actividad del agua en la mitigación de la pérdida de principios activos debido a la degradación, los cambios en las tasas de disolución y la prevención de la migración de humedad. Una limitación de la USP <1112> es que no proporcionaba ninguna guía para realizar pruebas de actividad del agua, ya que se trataba de un capítulo informativo, lo que dificultaba a las compañías farmacéuticas la implementación de dichas pruebas sin un procedimiento operativo estándar (POE) ni una guía de validación. Esta limitación se ha subsanado con la USP <922>, actualmente en trámite.

USP <795> y <797>

Estos capítulos proporcionan directrices para la formulación farmacéutica, tanto de preparaciones estériles como no estériles. En estos capítulos, la actividad del agua es el factor determinante para clasificar una preparación como acuosa o no acuosa. También se indica que la actividad del agua debe tenerse en cuenta al determinar las fechas de caducidad.

MÉTODO ESTÁNDAR – USP <922>

USP <922>

Las recomendaciones para la determinación de la actividad del agua se describen en la USP <922> Actividad del Agua. Este método entró en vigor en mayo de 2021 y proporciona orientación para la medición de la actividad del agua. Incluye una breve explicación teórica y analiza algunos factores que influyen en la actividad del agua, como la concentración de solutos y la temperatura.

Tipos de sensores y calibración

La USP <922> también ofrece una breve revisión de los distintos tipos de sensores disponibles para medir la actividad del agua y destaca las ventajas de cada uno. Proporciona orientación sobre la cualificación de los instrumentos, incluidos los instrumentos de actividad del agua clasificados como instrumentos del Grupo B. Destaca que los medidores de actividad del agua deben calibrarse utilizando soluciones estándar, al menos anualmente o siempre que falle una verificación de calibración. Las verificaciones de calibración deben realizarse diariamente según las instrucciones del fabricante del instrumento y utilizando un mínimo de dos estándares que abarquen el rango típico de actividad del agua.

Muestreo

Para el muestreo, se recomienda limitar la exposición de la muestra a las condiciones ambientales mediante el uso de recipientes sellados con un espacio libre reducido.

Se desaconseja el traslado de muestras desde temperaturas extremas debido a la posible formación de condensación dentro de los recipientes. Las mediciones de actividad de agua deben realizarse según las instrucciones del fabricante y registrarse junto con la temperatura.

Aplicaciones

En cuanto a los usos sugeridos para la actividad del agua, la USP <922> va más allá de las sugerencias de uso de la USP <1112> e incluye:

• Selección de las condiciones del proceso de aislamiento de ingredientes y fabricación del producto para mantener la actividad del agua por debajo del umbral crítico y obtener el control termodinámico de la forma sólida deseada (p. ej., hidrato frente a anhidrato).

• Selección de excipientes cuya actividad del agua pueda afectar su fluidez, características de compresión, dureza y características de rendimiento (p. ej., desintegración y disolución) de las formas farmacéuticas.

• Optimización de los procesos de secado en lecho fluidizado.

• Reducción de la degradación de los ingredientes activos en las formulaciones de productos (p. ej., aquellos susceptibles a la hidrólisis química).

• Determinación del nivel de protección de las formulaciones de productos frente a la humedad mediante los materiales de envasado primario durante su vida útil.

• Optimización de la estabilidad de la vida útil de los probióticos.

• Proporcionar un método complementario para monitorizar los cambios en el contenido de agua.

• Control y monitorización de la estabilidad física, química y microbiológica del producto.

• Optimización de las formulaciones para mejorar la eficacia antimicrobiana de los sistemas conservantes.

• Reducción de la Susceptibilidad de las formulaciones a la contaminación microbiana

• Proporcionar una herramienta para justificar la reducción de las pruebas microbiológicas de formulaciones de medicamentos y suplementos dietéticos no estériles (véase Aplicación de la determinación de la actividad del agua a productos farmacéuticos no estériles, pág. 1112)

Analicemos cada una de estas aplicaciones por separado.

ACTIVIDAD DEL AGUA CRÍTICA PARA EXCIPIENTES CRISTALINOS

Los excipientes, entre otras funciones, actúan como agentes de carga y protegen los principios activos farmacéuticos (API) en los productos farmacéuticos de dosificación sólida.

Normalmente, la matriz de estos excipientes es cristalina o amorfa. En el caso de los excipientes cristalinos, la adición o pérdida de agua de hidratación o delicuescencia puede provocar cambios indeseables en la calidad del producto, como la modificación de las propiedades de disolución o la reducción de la eficacia del API. Estos procesos de cambio están controlados termodinámicamente y, por lo tanto, están relacionados con la actividad del agua. La isoterma de sorción de humedad, que describe la relación entre el contenido de humedad y la actividad del agua, de un material cristalino mostrará claramente la ganancia y la pérdida de agua de hidratación como un aumento abrupto del contenido de humedad al aumentar la actividad del agua, y una pérdida abrupta de humedad al disminuir la actividad del agua.

La delicuescencia del material cristalino se indica en la isoterma de sorción de humedad mediante un cambio brusco de 90 grados (Figura 1). La actividad del agua en la que se producen estos cambios se denomina «actividad crítica del agua». La clave para evitar problemas con un excipiente cristalino reside en especificar que la actividad del agua se encuentre dentro de un rango seguro, basándose en las actividades críticas del agua identificadas mediante la isoterma de sorción de humedad. Posteriormente, se debe controlar la actividad del agua de todos los excipientes recibidos para garantizar que se cumpla esta especificación.

Figura 1. Isoterma de sorción de humedad que muestra la delicuescencia de un material cristalino.

 

ACTIVIDAD CRÍTICA DEL AGUA PARA EXCIPIENTES AMORFOS

Los excipientes amorfos suelen tener un bajo contenido de humedad y se encuentran en un estado vítreo metaestable. Su capacidad para proteger el principio activo depende de que permanezcan en estado vítreo durante toda la vida útil del producto.

Una transición de la matriz del excipiente del estado vítreo al estado gomoso, denominada «transición vítrea», provoca un colapso estructural, mayor movilidad, cambios en la disolución y una mayor susceptibilidad a la aglomeración y la cristalización. En consecuencia, el producto no fluirá, se comprimirá ni se comprimirá correctamente, y la disolución puede producirse prematuramente. La transición vítrea puede inducirse mediante un cambio de temperatura o un cambio en la actividad del agua. La actividad del agua a la que se produce la transición vítrea en un producto se denomina «actividad crítica del agua» y se identifica como un punto de inflexión pronunciado en la isoterma de sorción de humedad (Figura 2). Para mantener la funcionalidad de los excipientes amorfos, es importante determinar su actividad de agua crítica y tomar medidas para asegurar que la actividad de agua del producto se mantenga por debajo de esa actividad de agua crítica durante toda la vida útil del producto.

Figura 2. Isoterma de sorción de humedad que indica la actividad de agua crítica para la transición ítrea. Por debajo de la actividad de agua crítica, el producto permanece estable. Por encima de la actividad de agua crítica, el producto se vuelve inestable y su vida útil se reduce.

 

ACTIVIDAD DEL AGUA Y SEGURIDAD MICROBIANA

Los microorganismos requieren acceso a agua con la energía suficiente para permitir su entrada en la célula. Esta agua es fundamental para mantener la presión de turgencia y la actividad metabólica normal. La energía del agua que rodea al microorganismo se describe mediante la actividad del agua, y para que el agua entre en él, la actividad del agua en su interior debe ser menor que la actividad del agua de su entorno. En otras palabras, la actividad del agua no es la cantidad de agua disponible para el crecimiento de los microorganismos, sino la energía del agua que determina si puede entrar o salir de la célula. Cuando un microorganismo se encuentra con un entorno con menor actividad del agua que su actividad interna, experimenta estrés osmótico y el agua sale de la célula, lo que reduce la presión de turgencia y detiene la actividad metabólica (Figura 3). En respuesta, el organismo intenta controlar su actividad interna del agua mediante la concentración de solutos. Esta capacidad de reducir la actividad interna del agua es única para cada organismo, razón por la cual los diferentes microorganismos tienen diferentes límites mínimos de crecimiento en cuanto a la actividad del agua (Tabla 1). Cabe destacar que el contenido de humedad no se ha mencionado como un factor que influye en el crecimiento microbiano, ya que no es la cantidad de agua lo que determina si un microorganismo puede acceder a ella, sino su actividad del agua (energía) en comparación con la actividad interna del agua del organismo. Por consiguiente, cualquier esfuerzo por establecer límites de control para el riesgo de contaminación microbiana, y la consiguiente reducción de las pruebas de límites microbianos, debe basarse en mediciones de la actividad del agua y no en el contenido de humedad.

Figura 3. Modo de acción para el control de la actividad del agua sobre el crecimiento microbiano

 

Tabla 1. Niveles mínimos de actividad de agua requeridos para el crecimiento de diversos microorganismos

 

ACTIVIDAD DEL AGUA Y DEGRADACIÓN DE LOS INGREDIENTES ACTIVOS

La actividad del agua de los fármacos en forma sólida suele ser inferior a 0,70, lo que indica que es improbable que se produzca crecimiento microbiano. Sin embargo, los productos en este rango no tienen una vida útil ilimitada.

Figura 4. Diagrama de estabilidad de la actividad de agua que muestra el impacto de la actividad de agua en diversas reacciones de degradación que acortan la vida útil.

 

Para estos productos con una actividad del agua entre 0,40 y 0,70, la degradación química del principio activo es una causa probable de fallo, ya que las velocidades de reacción alcanzan su máximo. En general, a medida que aumenta la actividad del agua, también aumentan las velocidades de reacción; sin embargo, la oxidación lipídica es particular, ya que la velocidad de reacción también aumenta a actividades del agua muy bajas (Figura 4). La reacción más común que puede provocar la degradación de los principios activos es la hidrólisis, aunque la oxidación lipídica (rancidez) y las reacciones enzimáticas también pueden influir en la pérdida de los mismos. La forma más eficaz de evitar que estas reacciones provoquen una pérdida significativa del principio activo es procesarlo hasta alcanzar una baja actividad de agua, donde las reacciones se reduzcan al mínimo, y luego seleccionar el excipiente adecuado que mejor mantenga dicha actividad de agua. Como se explicó en las secciones anteriores sobre excipientes, mantener la actividad de agua por debajo de la actividad crítica es la mejor manera de preservar la estabilidad, ya que una transición vítrea también conlleva un aumento sustancial en la velocidad de reacción. Por lo tanto, la clave para prevenir la pérdida de eficacia del principio activo es mantener su actividad de agua a un nivel que minimice la velocidad de las reacciones de degradación.

ACTIVIDAD DE AGUA Y ESTABILIDAD DURANTE LA VIDA ÚTIL

Cuando la falla se debe a reacciones químicas que inactivan el principio activo, el tiempo necesario para que la reacción progrese hasta un punto inaceptable a una actividad de agua y temperatura determinadas será la vida útil del producto. Si se determinan las constantes de velocidad de estas reacciones en diferentes condiciones de almacenamiento, se puede utilizar un modelo predictivo para estimar el tiempo necesario para que la reacción alcance un nivel inaceptable bajo cualquier condición de almacenamiento. Para ello, será necesario monitorizar el progreso de la reacción mediante algún tipo de evaluación cuantitativa. Si bien existen ejemplos de modelos de vida útil en la literatura, el único modelo fundamental que incluye tanto la actividad del agua como la temperatura es el tiempo higrotérmico. Esta medida se deriva de una forma de la ecuación de Eyring para el cambio de velocidad, con la ecuación de Gibbs para la energía libre sustituida de la siguiente manera:

donde T es la temperatura (K), R es la constante de los gases (J mol⁻¹ K⁻¹), Ea es la energía de activación (J mol⁻¹), B es la relación de volumen molecular, aw es la actividad del agua y r₀ es la velocidad en el estado estándar (Carter et al., 2017). En la práctica, los valores de B, Ea/R y r0 serán únicos para cada situación y se derivan empíricamente mediante iteración por mínimos cuadrados. Una vez conocidas las constantes, se puede utilizar cualquier temperatura y actividad del agua con el modelo de tiempo higrotérmico para determinar la velocidad de oxidación en esas condiciones; por lo tanto, el tiempo de conservación durante el cual el producto seguirá siendo aceptable para el consumidor (Figura 5).

Figura 5. Vida útil en tiempo real de un producto, determinada por la pérdida acumulada de vida útil debido a la exposición a diferentes temperaturas y niveles de actividad de agua. La vida útil total se determina sumando los días transcurridos en las distintas condiciones más los días restantes de vida útil, según lo previsto en función de las condiciones de almacenamiento esperadas y el porcentaje de vida útil restante.

 

SEGUIMIENTO DE LOS CAMBIOS DE HUMEDAD CON LA ACTIVIDAD DEL AGUA

Como muestra la isoterma de sorción de humedad, un aumento en la actividad del agua se acompaña de un aumento posterior de la humedad; sin embargo, la relación no es lineal y es única para cada producto. Un aumento en la pendiente de la isoterma indica un aumento de la higroscopicidad, lo que limitará el cambio en la actividad del agua a medida que se absorbe la humedad. Esta característica suele ser deseable en los excipientes, ya que permite que el producto absorba humedad manteniendo la actividad del agua del principio activo en niveles que limitan la velocidad de las reacciones de degradación, como se muestra en la sección anterior.

Otra forma en que la actividad del agua de un principio activo puede aumentar a niveles peligrosos es mediante la migración de humedad en productos farmacéuticos multicomponentes, como las cápsulas. Si los componentes tienen diferentes actividades de agua, el agua se moverá entre ellos independientemente de su contenido de humedad. El agua se mueve de zonas con alta actividad (energía) a zonas con baja actividad (9). La humedad seguirá moviéndose entre los componentes hasta alcanzar una actividad de agua de equilibrio, determinada por las isotermas de sorción de humedad de cada componente y que no corresponde al punto medio entre las actividades de agua iniciales (Figura 4). Si la actividad de agua del principio activo aumenta, podría alcanzar niveles suficientemente altos como para acelerar su degradación. Para evitar este problema, los componentes deben diseñarse para que tengan la misma actividad de agua.

Figura 6. Isotermas de sorción de humedad para un producto con dos componentes a diferentes actividades de agua iniciales. Los puntos negros indican la actividad de agua inicial, mientras que las flechas indican la dirección del movimiento del agua para cada componente y el cambio correspondiente en el contenido de humedad. La línea vertical punteada indica la actividad de agua en la que los componentes alcanzan el equilibrio y el movimiento de humedad se detiene. Los puntos donde las curvas de la isoterma cruzan la línea vertical punteada indican el contenido de humedad de cada componente a la actividad de agua final.

 

 

ACTIVIDAD DEL AGUA Y SELECCIÓN DEL EMBALAJE

Una vez identificada la actividad del agua ideal, es fundamental que el producto mantenga dicha actividad durante el transporte y el almacenamiento. La exposición a la humedad ambiental puede provocar cambios en la actividad del agua. Como se describió en la sección teórica anterior, la actividad del agua también corresponde a la humedad relativa de equilibrio y está relacionada con la humedad de almacenamiento. Si un producto con una actividad del agua de 0,40 aw se expone a una humedad relativa de almacenamiento del 60 %, absorberá agua del ambiente hasta que su actividad del agua se equilibre a 0,60 aw. Este proceso, por supuesto, lleva tiempo. Sin embargo, si no se protege, la actividad del agua del producto aumentará fuera del rango ideal y perderá estabilidad. Colocar el producto en un embalaje con barrera antihumedad ralentizará el cambio en la actividad del agua. Las propiedades de barrera antihumedad del embalaje se suelen expresar como tasas de transmisión de vapor de agua (WVTR) y deben estar disponibles para cualquier material de embalaje proporcionado por el fabricante. Si bien es fundamental utilizar envases con un valor de WVTR lo suficientemente bajo para evitar cambios en la actividad del agua, también es posible sobre envasar, lo que genera gastos innecesarios. La tasa de cambio de la actividad del agua dentro de un envase con un WVTR conocido puede modelarse mediante la difusión de Fick, al igual que la permeabilidad necesaria del envase para lograr la vida útil deseada.

LA ESPECIFICACIÓN MÁS IMPORTANTE

La actividad del agua es un parámetro que a veces se pasa por alto y se subestima en la calidad y formulación farmacéutica. Sin embargo, junto con las isotermas de sorción de humedad, ofrece información crucial para optimizar la estabilidad del producto. Problemas como la delicuescencia, el apelmazamiento, la disolución, la susceptibilidad microbiana y la degradación del principio activo pueden resolverse identificando el rango ideal de actividad del agua para el producto e implementando la medición de la actividad del agua como un parámetro rutinario para la liberación de lotes.

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