Вольтамперометрическая идентификация лекарственных средств на основе бисопролола с использованием проекции на латентные структуры Текст научной статьи по специальности «Фундаментальная медицина»

УДК 543.552.054.1

ВОЛЬТАМПЕРОМЕТРИЧЕСКАЯ ИДЕНТИФИКАЦИЯ ЛЕКАРСТВЕННЫХ СРЕДСТВ НА ОСНОВЕ БИСОПРОЛОЛА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРОЕКЦИИ НА ЛАТЕНТНЫЕ СТРУКТУРЫ

© Ю. А. Яркаева*, Р. А. Зильберг, А. И. Хаблетдинова, А. В. Сидельников, В. Н. Майстренко

Башкирский государственный университет Россия, Республика Башкортостан, 450076 г. Уфа, ул. Заки Валиди, 32.

Тел.: +7 (347) 229 9712.

*Email: julijajarkaeva05@gmail. com

С использованием методов хемометрики и мультисенсорной системы на основе стекло-углеродого электрода, модифицированного полиариленфталидами, разработан вольтамперо-метрический способ идентификации лекарственных препаратов антиаритмического ряда по происхождению (производителю) и по признаку оригинал/дженерик. Приведены примеры воль-тамперометрической идентификации лекарственных средств, содержащих бисопролол. Методами главных компонент и проекцией на латентные структуры рассчитаны оптимальное число главных компонент, обеспечивающие минимум идентификационных ошибок первого и второго рода при распознавании оригинального препарата.

Ключевые слова: вольтамперометрия, бисопролол, лекарственные препараты, хемомет-рика, метод главных компонент, PLS - DA модифицированные электроды.

Введение

Несомненным преимуществом дженериков по сравнению с оригинальными лекарственными препаратами является их значительно меньшая себестоимость и доступность. Неоднократно показано, что действующее вещество дженериков полностью соответствует действующему веществу оригинальных препаратов как по физиологической активности, так и по своим побочным эффектам. Однако, сопоставление терапевтической эффективности оригинальных препаратов и соответствующих дженериков в виде готовых лекарственных форм, показывает, что последние могут уступать оригиналу по эффективности и также имеют побочные эффекты, отсутствующие в случае оригинала. Подобное расхождение возможно из-за различного качественного и количественного состава вспомогательных компонентов лекарственного препарата, а так же из-за содержащихся примесей [1]. Очевидно, что для надежного установления качества дженериков необходим анализ не только действующего вещества, но и многофакторный анализ вспомогательных компонентов.

В этой связи разработка экспресс-методов идентификации и контроля качества дженериков и оригинальных лекарственных препаратов на основе модифицированных вольтамперометрических мультисен-сорных систем «электронный язык» является важной и актуальной задачей. Решение этой задачи позволит быстро и качественно оценивать дженерики на соответствие оригинальным лекарственным препаратами, нормативным требованиям и устанавливать наличие контрафактной фармацевтической продукции. Для оценки качества фармацевтических препаратов в основном, применяются методы на основе высокоэффективной жидкостной хроматографии, хроматомасс-спектрометрии, УФ-, видимой и ИК- и ЯМР спектро-

скопии [2-4]. Между тем присутствие на рынке большого числа фальсифицированных лекарственных препаратов, дженериков требует оперативного контроля их качества экспрессными и достаточно дешевыми методами. В этом плане вольтамперометрические «электронные языки» имеют несомненные преимущества перед другими методами идентификации и контроля качества фармацевтических препаратов, поскольку позволяют идентифицировать не только электроактивные вещества, но и их энантиомеры, а также инертные компоненты в лекарственных формах [5]. Подобные устройства с одной стороны, удобны в использовании, с другой - их простота позволяет легко оптимизировать условия работы, подобрать модификаторы и индикаторные электроды, аппаратурное оформление.

В настоящей работе рассмотрено применение вольтамперометрической мультисенсорной системы типа «электронный язык» [6,7] на основе модифицированных полиариленфталидами стеклоуглеродных электродов [8-10] для быстрой и надежной идентификации многокомпонентных оригинальных лекарственных форм и их дженериков на примере кардиологического препарата "Бисопролол". Данный препарат относится к группе Р-адреноблокаторов и входит в «Перечень важнейших лекарств ВОЗ», необходимых для базовой системы здравоохранения [11]. Нами рассмотрена возможность отнесения препаратов бисопролола к указанным классам по данным вольтамперограмм на модифицированных электродах с последующей хемометрической обработкой. В качестве хемометрических методов мы использовали хорошо зарекомендовавшие себя в подобных задачах метод главных компонент (МГК) и проекции на латентные структуры (PLS) [12-14]. Хемометрическая обработка вольтамперограмм методом главных компонент (МГК) позволяет перенести массивы экспериментальных данных в новую систему координат X, Y,

Ъ и т.д., где координатные оси - векторы главных компонент, и представить вольтамперограммы точками, группирующимися в виде эллипсоидов или сфер в пространстве, соответствующих препаратам бисопролола различных производителей [8, 9]. Идентификация бисопролола по признаку оригинал/дже-нерик проводили методом PLS-DA [15, 16], представляющим собой многомерный вариант регрессионного анализа, который позволяет решить указанную задачу. При распознавании лекарственных средств рассчитывали значения дискриминантных откликов и идентифицировали по ним бисопролол по признаку оригинал/дженерик. Чем ближе значения дискрими-нантных откликов распознаваемых препаратов к единице, тем с большей вероятностью они принадлежат к тому или иному классу. Результат распознавания считается положительным, если анализируемый препарат правильно отнесен к тестовому образцу той же

природы и не отнесен к тестовым образцам другой природы. Для хемометрической обработки данных эксперимента использовали программное обеспечение Chemometrics Add-In для Microsoft Excel [14].

Экспериментальная часть

В данной работе вольтамперометрическим методом были исследованы оригинальные препараты Конкор и Конкор Кор и их дженерики: Арител, Би-прол, Нипертен, Бисогамма, Бисопролол, Бидоп, Биол, Кординорм (табл. 1). Активным веществом в этих лекарственных препаратах является бисопролол.

Вольтамперометрическое измерение проводилось в стандартной термостатированной при 25 °С трехэлектродной ячейке с помощью прибора гальва-ностат/потенциостат Elins P-8-Nano (Россия). Рабочим электродом служил стеклоуглеродный электрод (СУЭ), модифицированный полиариленфталидами

Таблица 1

Состав антиаритмических препаратов различных производителей

№ | Препарат, обозначение

Производитель

Инертные компоненты

Арител А

Бидоп Bd

Биол Bl

Бипрол Bp

Бисогамма Bg

Бисопролол Bs

Конкор K

Конкор Кор Kk

ЗАО «Канонфармапродакшн», г.Щелково.

Ниш Генерикс Лимитед, Ирландия.

СалютасФармаГмбХ, Германия.

ОАО «Макиз-Фарма»,Москва.

«ВервагФармаГмбХ и Ко.КГ», Германия

ЗАО «Вертекс», Россия.г.Санкт-Петербург.

Мерк КГаА, Германия.

Мерк КГаА, Германия.

Кординорм Ka АО «Актавис групп», Исландия.

10

Нипертен N

ООО «КРКА-РУС», г. Истра

Крахмал картофельный, целлюлоза микрокристаллическая, кремния диоксид коллоидный, магния стеарат, лактозы моногидрат, повидон.

Оболочка: гипромеллоза, макрогол-400,6000, титана диоксид, краситель солнечный закат желтый.

целлюлоза микрокристаллическая, магния стеарат, лактозы моногидрат, кросповидон,пигмент марки РВ 22812 желтый, 27215 бежевый.

Крахмал кукурузный, целлюлоза микрокристаллическая, кремния диоксид коллоидный безводный, магния стеарат, кальция гидрофосфат, кроскармеллоза натрия. Оболочка: гипромеллоза, макрогол, титана диоксид, лактозы моногидрат,краситель железа(Ш)оксид желтый,краситель железа(Ш)оксид красный.

крахмал кукурузный, Целлюлоза микрокристаллическая, кремния диоксид коллоидный, магния стеарат, лактозы моногидрат, повидон, кросповидон. Оболочка: гипромеллоза, макрогол, титана диоксид, тальк,красительтропеолин-О

крахмал, целлюлоза микрокристаллическая, кремния диоксид коллоидный, магния стеарат, Кросповидон, прежелатинизированный, макрогол 6000, полисорбат 20,титана диоксид Е 171, кальция карбонат Е 170, тальк, краситель железа(Ш) оксид желтый Е 172, гипромеллоза (НРМС 5),(НРМС 50!

целлюлоза микрокристаллическая, кремния диоксид коллоидный, магния стеарат, лактозы моногидрат, кросповидон. Оболочка: гипромеллоза, макрогол, титана диоксид, тальк крахмал кукурузный мелкий порошок, целлюлоза микрокристаллическая, кремния диоксид коллоидныйбезводный, магния стеарат, кросповидон, кальция гидрофосфат, безводный. Оболочка: гипромеллоза, макрогол, титана диоксид,диметикон,краситель железа оксид желтый, краситель железа оксид красный.

крахмал кукурузный мелкий порошок, целлюлоза микрокристаллическая, кремния диоксид коллоидныйбезводный, магния стеарат, кросповидон, кальция гидрофосфат, безводный.

Оболочка: гипромеллоза, макрогол, титана диоксид,диметикон. Целлюлоза микрокристаллическая, магния стеарат, маннитол, натрия кроскармеллоза, гипромеллоза, титана диоксид, макрогол.

Целлюлоза микрокристаллическая, кремния диоксид коллоидный безводный,, магния стеарат, повидон, карбоксиметил крахмал натрия.

Оболочка: гипромеллоза, макрогол, титана диоксид, тальк.

1

2

3

4

5

6

7

8

9

(ПАФ). Применяемые для модифицирования электродов ПАФ содержат в мономерных звеньях основной цепи полимера один (ПАФ-ТО), два (ПАФ-ТОО) или три (ПАФ-ТООО) дифениленоксидных фрагмента. Модифицирование электродной поверхности осуществляли осаждением пленки полимера на стекло-углерод из 0.1% (масс.) раствора в хлороформе с последующим испарением растворителя при комнатной температуре. Вспомогательным электродом служил стеклоуглеродный стержень, в качестве электрода сравнения - хлорсеребряный электрод. Скорость развертки потенциала составляла 1 В/с.

Массив данных для каждого образца формировали из 3 параллельных измерений с регистрацией 10 вольтамперограмм, включающих 250 значений мгновенных токов при различных потенциалах.

Стандартные растворы, содержащие 10 мг бисопролола, готовили, растворяя точную навеску препарата в 25 мл 0.1 М H2SO4.

Результаты и их обсуждение

На модифицированных полиариленфталидами стеклоуглеродных электродах в условиях анодной вольтамперометрии бисопролол необратимо окисляется в диапазоне потенциалов 1.6-1.8 В с переносом двух электронов, что согласуется с его электрохимическим поведением на СУЭ, модифицированном пленкой нафиона [17]:

В качестве примера на рис. 1 приведены дифференциальные формы линейных вольтамперо-граммы 0.52 мМ водных растворов бисопролола различных производителей снятые на модифицированном электроде при скорости изменения потенциала 1 В/с. Для сравнения на графике приведена фоновая вольтамперограмма. Видно, что величины токов и форма вольтамперограмм отличаются для препаратов бисопролола различных производителей.

Предлагаемый способ идентификации бисопро-лола различных производителей с использованием модифицированных полиариленфталидными полимерными пленками СУЭ основан на различии откликов подобных электродов (перекрестная чувствительность) от природы и содержания электроактивных не-электроактивных веществ в анализируемом препарате. Указанное различие проявляется в изменении формы всей вольтамперометрической кривой, что собственно и учитывается в хемомертическом анализе. При этом различия наблюдаются не только в фа-радеевской, но и в емкостной составляющих тока.

Для оценки схожести и различий между вольт-амперограммами проводили их моделирование с помощью метода главных компонент. На графиках счетов МГК-моделей в координатах ГК1 - ГК2 воль-тамперограммы лекарственных средств различных производителей определенным образом группируются на плоскости главных компонент в зависимости от природы и содержания вспомогательных веществ (рис. 2). Идентификация фармацевтических препаратов, отличающихся составом вспомогательных веществ, с использованием трехфакторных образов (регистрация вольтамперограмм на трех модифицированных ПАФ электродах) позволяет существенно улучшить разделение кластеров на графике

Рис. 1. Дифференциальные формы линейных вольтамперограмм электроокисления бисопролола различных производителей на СУЭ, модифицированном ПАФ-ТООО (0.1 М H2SO4; V = 1 В/с).

30 п

25 -

20

15

10

)

)% 5

о\

1(

14 0

К

Г

-5

-10

-15

-20

-25

до

О)

Конкор Кор

-40

-30

-20

10

20

30

-10 0 ГК1 (55%)

Рис. 2. График счетов МГК-моделирования линейных вольтамперограмм лекарственных средств на основе бисопролола различных производителей, зарегистрированных на СУЭ, модифицировнном ПАФ-ТО (на фоне 0.1М Н2Б04 V = 1 В/с).

счетов по сравнению с регистрацией вольтамперо-грамм только на одном электроде (рис. 3).

Для исследуемых образцов бисопролола оптимальное число главных компонент МГК-моделирова-ния равно 5, доля объясненной дисперсии более 90%.

Этого числа главных компонент достаточно для построения регрессионных моделей бисопролола и проведения идентификации методом PLS-DA.

В алгоритме классификации PLS-DA классовая принадлежность образца кодируется нулем, либо

ГК1 (41%)

Рис. 3. График счетов МГК-моделирования линейных вольтамперограмм лекарственных средств на основе бисопролола, с использованием мультисенсорной системы с тремя модифицированными ПАФ электродами

(на фоне 0.1М ШБ04 V = 1 В/с).

единицей и затем эта переменная-код (Б) используется в качестве зависимой для создания обычной PLS-регрессии (рис. 4).

Видно, что величина ошибки прогнозирования классовой принадлежности образца в валидации КМЕЕР составляет 0.056, что вполне приемлемо для достоверного отнесения образцов к соответствующему классу на шкале от нуля до единицы.

PLS-DA классификация тестового множества лекарственных препаратов: Арител (А), Бидоп (Бф, Биол (Б1), Бипрол (Бр), Бисогамма (Bg), Бисопролол (Бб), Конкор (С), Конкор Кор (Сс), Кординорм (Со), Нипертен (И) представлена в табл. 2.

Данная модель во всех случаях правильно определяет класс анализируемого препарата (Ори-гинал/Дженерик). При этом в случае препаратов Арител (А), Бидоп (Бф, Бисогамма (Bg), Бисопролол (Бб), Конкор (С), Кординорм (Со) и нипертен (И) модель правильно предсказывает класс джене-риков. В случае препарата Бипрол (Бр) предсказание осуществляется верно, но относительная доля правильно распознанных образцов снижается до 80%. Снижение точности отнесения в случае препарата Конкор Кор (Сс) до 70%, на наш взгляд объясняется введением красителя в состав оболочки, который вносит вклад в емкостную составляющую вольтамперограммы. При этом препараты Конкор Кор (Сс) и Конкор (С) производятся одним и тем же

производителем и практически не отличаются по составу вспомогательных веществ.

Таким образом, применение 3-х электродной сенсорной системы и МГК/PLS-DA методов обработки ее вольтамперометрических данных позволяет с минимальными ошибками первого и второго рода идентифицировать лекарственные препараты антиаритмического ряда по производителю и по признаку Оригинал/Дженерик.

Работа выполнена при поддержке РНФ: грант №16-13-10257.

ЛИТЕРАТУРА

1. Ревельский И. А. Способ сравнительной физиологической оценки фармацевтических субстанций и препаратов на их основе // Вестн. Росздравнадзора. 2009. N°4. С. 45-48.

2. Елизарова Т. Е., Морозова М. А., Плетенева Т. В. Проблемы аналитической химии. Т. 16. Фармацевтический анализ // Под ред. Будникова Г. К., Гармонова С. Ю. М.: АГРАМАК-МЕДИА. 2013. С. 111.

3. United States Pharmacopeia. The United States Pharmacopeial Convention. 2009. 1792 с.

4. Государственная Фармакопея Российской Федерации XII издание. Т. 1. М: Научный центр экспертизы средств медицинского применения. 2008. 696 с.

5. Sidel'nikov A. V., Zil'berg R. A., Yarkaeva Yu.A., Maistrenko V. N., and Kraikin V. A. Voltammetric Identification of Anti-arrhytmic Medicines Using Principal Component Analysis // Journal of Analytical Chemistry. 2015. Vol. 70. No. 10. Pp. 1261-1266

Таблица 2

Классификационная таблица распознавания оригинала бисопролола

Доля тестовых образцов, отнесенных к образцам сравнения

Оригинал Дженерик "Оригинальные препараты

A Bd Bg Bp Bs C* Co Cc* N

0 0 0 20 0 100 0 70 0

100 100 100 80 100 0 100 30 100

1.5

1 -

Q

о и

S 0.5 -

Elements: 40

Slope: 0.986681

Offset: 0.010196

Correlation: 0.991699

RMSEP: 0.056163

1.4

-0.5 J

Введено D

Рис. 4. График «Введено-найдено» для дискриминантных откликов PLS-DA модели группы оригинального бисопролола и дженериков.

0

6. Власов Ю. Г., Легин А. В., Рудницкая А. М. Электронный 11. язык - системы химических сенсоров для анализа водных сред // Рос. Хим. Журн. 2008. Т. 52. №2. С. 101-112.

7. Майстренко В. Н., Евтюгин Г. А., Сидельников А. В. Про- 12. блемы аналитической химии. Т. 14. М: Наука, 2011. С. 285.

8. Зильберг Р. А., Яркаева Ю. А., Сидельников А. В., Майст- 13. ренко В. Н., Крайкин В. А., Гилева Н. Г. Вольтамперомет-рическое определение бисопролола на модифицированном 14. полиариленфталидами стеклоуглеродном электроде// Журнал аналитической химии. 2016. Т. 71. №9. С. 1-7.

9. Сидельников А. В., Зильберг Р. А., Яркаева Ю. А., Майст- 15. ренко В. Н., Крайкин В. А. Вольтамперометрическая идентификация антиаритмических лекарственных средств с ис- 16. пользованием метода главных компонент // Журнал аналитической химии. 2015. Т. 70. №10. С. 1095-1101.

10. Сидельников А. В., Зильберг Р. А., Кудашева Ф. Х., Майстренко В. Н., Юнусова Г. Ф. и др. Вольтамперометрическая идентификация многокомпонентных растворов с использо- 17. ванием метода главных компонент // Журнал аналитической химии. 2008. Т. 63. №10. С. 1072-1078.

Кириченко А. А. Место бисопролола в терапии артериальной гипертензии и ишемической болезни сердца // Фарма-тека. 2009. №8. С. 10.

Pomerantsev A. L. Chemometrics in Excel. New York: Wiley, 2014. 336 p.

Brereton R. G. Chemometrics: Data Analysis for the Laboratory and Chemical Plant. Chichester: UK: Wiley, 2003. Rodionova O. E. and Pomerantsev A. L. Chemometrics: achievements and prospects // Usp. Khim, 2006. Vol. 75. №4. Pp. 301-302.

Barker M., Rayens W. // J. Chemomet. 2003. Vol. 17. №3. Pp. 166-176.

Сидельников А. В., Дубровский Д. И., Кудашева Ф. Х., Майстренко В. Н. Идентификация минеральных вод с использованием импедансной спектроскопии и проекции на латентные структуры // Журн. аналит. химии. 2016. Т. 71. №11. С. 1166-1171.

Nigovic B., Marusic M., Juric S. A highly sensitive method for determination of P-blocker drugs using a Nafion-coated glassy carbon electrode // J. Electroanal. Chem, 2011. Vol. 663. №2. Pp. 72-78.

Поступила в редакцию 09.09.2016 г.

VOLTAMMETRIC IDENTIFICATION OF BISOPROLOL-BASED MEDICINES WITH THE USE OF PROJECTION TO LATENT STRUCTURES

© Yu. A. Yarkaeva*, R. A. Zilberg, A. I. Khabletdinova, A. V. Sidelnikov,V. N. Maistrenko

Bashkir State University 32 Zaki Validi St., 450076 Ufa, Republic of Bashkortostan, Russia.

Phone: +7 (347) 229 9712.

*Email: julijajarkaeva05@gmail. com

The apparent advantage of generic medicines compared to original ones is their significantly lower cost and availability. Voltammetric identification method of anti-arrhythmic medicines based on manufacturers and on the grounds of original/generic using the methods of chemometrics and multisensory system based on glassy carbon electrode modified with polyarylenephthalides differing number of diphenyloxide fragments was developed. Examples of voltammetric identification of anti-arrhythmic medicines containing bisoprolol were provided. Current values and form of voltammograms of bisoprolol medicines from different manufacturers are unequal. The optimal number of principal components, which provide a minimum of the identification errors of the first and second kind, in recognition of the original drug, was calculated using the principal component analysis and projection to latent structures. Identification of pharmaceutical preparations differing auxiliary substances composition using a three-factor images allows significantly improve the separation of clusters on the chart of accounts. The magnitude of the prediction error class affiliation of the sample in the validation RMSEP is 0.056, which is quite acceptable for a reliable classification of the samples to the appropriate class on a scale from zero to one.

Keywords: voltammetry, pharmaceutical preparations, bisoprolol, chemometrics, principal component analysis, PLS - DA, modified electrodes.

Published in Russian. Do not hesitate to contact us at bulletin_bsu@mail.ru if you need translation of the article.

REFERENCES

1. Revel'skii I. A. Vestn. Roszdravnadzora. 2009. No. 4. Pp. 45-48.

2. Elizarova T. E., Morozova M. A., Pleteneva T. V. Pod red. Budnikova G. K., Garmonova S. Yu. Moscow: AGRAMAK-MEDIA. 2013.

Pp. 111.

3. United States Pharmacopeia. The United States Pharmacopeial Convention. 2009.

4. Gosudarstvennaya Farmakopeya Rossiiskoi Federatsii XII izdanie. Vol. 1 [State pharmacopoeia of the Russian Federation 12th edition.

Vol. 1]. M: Nauchnyi tsentr ekspertizy sredstv meditsinskogo primeneniya. 2008.

5. Sidel'nikov A. V., Zil'berg R. A., Yarkaeva Yu.A., Maistrenko V. N., and Kraikin V. A. Journal of Analytical Chemistry. 2015. Vol. 70.

No. 10. Pp. 1261-1266

6. Vlasov Yu. G., Legin A. V., Rudnitskaya A. M. Ros. Khim. Zhurn. 2008. Vol. 52. No. 2. Pp. 101-112.

7. Maistrenko V. N., Evtyugin G. A., Sidel'nikov A. V. Problemy analiticheskoi khimii. Vol. 14 [Problems of analytical chemistry. Vol. 14].

M: Nauka, 2011. Pp. 285.

8. Zil'berg R. A., Yarkaeva Yu. A., Sidel'nikov A. V., Maistrenko V. N., Kraikin V. A., Gileva N. G. Zhurnal analiticheskoi khimii. 2016. Vol.

71. No. 9. Pp. 1-7.

9. Sidel'nikov A. V., Zil'berg R. A., Yarkaeva Yu. A., Maistrenko V. N., Kraikin V. A. Zhurnal analiticheskoi khimii. 2015. Vol. 70. No. 10.

Pp. 1095-1101.

10. Sidel'nikov A. V., Zil'berg R. A., Kudasheva F. Kh., Maistrenko V. N., Yunusova G. F. i dr. Vol'tamperometricheskaya identifikatsiya

mnogokomponentnykh rastvorov s ispol'zovaniem metoda glavnykh komponent. Zhurnal analiticheskoi khimii. 2008. Vol. 63. No. 10.

Pp. 1072-1078.

11. Kirichenko A. A. Farmateka. 2009. No. 8. Pp. 10.

12. Pomerantsev A. L. Chemometrics in Excel. New York: Wiley, 2014.

13. Brereton R. G. Chemometrics: Data Analysis for the Laboratory and Chemical Plant. Chichester: UK: Wiley, 2003.

14. Rodionova O. E. Usp. Khim, 2006. Vol. 75. No. 4. Pp. 301-302.

15. Barker M., Rayens W. J. Chemomet. 2003. Vol. 17. No. 3. Pp. 166-176.

16. Sidel'nikov A. V., Dubrovskii D. I., Kudasheva F. Kh., Maistrenko V. N. Zhurn. analit. khimii. 2016. Vol. 71. No. 11. Pp. 1166-1171.

17. Nigovic B., Marusic M., Juric S. J. Electroanal. Chem, 2011. Vol. 663. No. 2. Pp. 72-78.

Received 09.09.2016.