Warum Wasseraktivität?

Anstatt die Gesamtwassermenge in einem System zu messen, wird bei der Wasseraktivität gemessen, wie viel von diesem Wasser ungebunden ist und frei mit anderen Substanzen reagieren kann.

Auf den ersten Blick mögen die Auswirkungen unbedeutend erscheinen. In der Anwendung sind sie jedoch beträchtlich. Die Wasseraktivität hat einen klaren und direkten Einfluss auf das mikrobielle Wachstum, den Abbau von Wirkstoffen, die Produktstabilität und die Auflösungsraten. Darüber hinaus ist die Wasseraktivität im Allgemeinen eine leichter zugängliche und direktere Methode zum Verständnis dieser Faktoren als andere, zeit- und fachkenntnisintensivere analytische Messungen.

Neue Vorschriften erkennen die Vielseitigkeit der Wasseraktivität an

More than a decade ago, the USP introduced General Chapter <1112>, the pharmaceutical industry’s first significant approval of water activity. The chapter describes water activity as an aid to:

• Bereitstellung eines Instruments zur Begründung der Reduzierung der Häufigkeit von mikrobiellen Grenzwerttests und Screenings auf unerwünschte Mikroorganismen
• Optimierung von Produktformulierungen zur Verbesserung der antimikrobiellen Wirksamkeit von Konservierungssystemen
• Verringerung des Abbaus von pharmazeutischen Wirkstoffen in Produktformulierungen, die anfällig für chemische Hydrolyse sind
• Verringerung der Anfälligkeit von Formulierungen (insbesondere Flüssigkeiten, Salben, Lotionen und Cremes) für mikrobielle Kontamination

Das Kapitel verweist auch auf mehrere Methoden zur Bestimmung der Wasseraktivität in den offiziellen Analysemethoden der AOAC International.

Zur Unterstützung der Anerkennung der Wasseraktivität durch die USP hat die ICH in Q1A, Q6A und den dazugehörigen Entscheidungsbäumen zusätzliche Informationen zur Verwendung der Wasseraktivität bereitgestellt.

Im Laufe der Zeit hat die Akzeptanz zugenommen, und damit auch die Erkenntnis, dass die Wasseraktivität zwar bei mikrobiologischen Tests viel Zeit spart, das Potenzial für profitable Anwendungen in der Qualitätsprüfung, Forschung und Entwicklung sowie anderen Bereichen jedoch ebenso bedeutend ist.

More recently, USP has introduced two more water activity-related chapters – USP <795> and a draft of <922>. The former focuses on microbial growth and preservative efficacy, while the latter “is intended to provide guidance for performing measurements of water activity,” and will “specify methods for qualification of instruments, calibration of instruments, methods for performing water activity measurements, and reporting of results.”

Neue Technologien akzeptiert, neue Anwendungen entdeckt

Technological innovation hasn’t slowed its pace since the introduction of USP <1112>, and water activity instruments have seen the benefits. Significant advances have been made – both adding new methods for measurement and improving existing ones.

Eine solche Weiterentwicklung ist der Einsatz des abstimmbaren Diodenlasers (TDL). Der TDL ist in der Lage, die Signatur von Wasser auf molekularer Ebene zu isolieren, und ermöglicht es Materialwissenschaftlern, schnelle und direkte Messungen von bisher nicht lesbaren, hochflüchtigen Substanzen durchzuführen. Dadurch können Forscher eine größere Bandbreite an Substanzen verwenden, um die Hydratbildung und API-Stabilität zu testen, ohne die mit der Verwendung theoretischer Daten verbundenen Risiken einzugehen.

Andere neue Geräte nutzen maschinelles Lernen und KI, um Messwerte in viel kürzerer Zeit zu liefern – während ältere Geräte bis zu 20 Minuten benötigen, liefern die neueren Geräte präzise Messwerte in etwas mehr als einer Minute. Bei Anwendungen, die wiederholte Messungen erfordern, ist die Zeitersparnis erheblich.

Neben der Verringerung des mikrobiellen Risikos und der Beschleunigung der API-Stabilitätsforschung wird die Wasseraktivität nun auch genutzt, um die Wirksamkeit von Hilfsstoffen zu maximieren, Verpackungen zu entwickeln und zu bewerten, die ideale Tablettenhärte zu erreichen, die Auflösungsraten zu beeinflussen und vieles mehr.

Ersatz für Karl Fischer und andere Methoden

Da die Anwendungsbereiche der Wasseraktivität immer vielfältiger werden, überschneiden sich einige davon mit bereits seit längerem etablierten Messmethoden. Oftmals behindert die Investition in Schulungen und Validierungen die Einführung der Wasseraktivität in einer neuen Rolle, doch langfristig bringen die Geschwindigkeit, Genauigkeit und Nützlichkeit der Wasseraktivität erhebliche Vorteile mit sich.

Das Ersetzen der Karl-Fischer-Titration ist das offensichtlichste Beispiel, aber vielleicht auch das am meisten missverstandene. Wissenschaftliche Untersuchungen kommen zu dem Schluss, dass die Wasseraktivität ein weitaus besserer Prädiktor für die Produktsicherheit und -stabilität ist als der Karl-Fischer-Wassergehalt. Dennoch halten sich weiterhin Missverständnisse – möglicherweise weil der Zusammenhang zwischen Feuchtigkeitsgehalt und Wasseraktivität nicht intuitiv nachvollziehbar ist.

Ein Produkt mit einem hohen Gesamtwassergehalt kann eine sehr geringe Wasseraktivität aufweisen oder umgekehrt – ein entscheidender Faktor, wenn es um chemische und biologische Reaktionsgeschwindigkeiten geht.

Die Wasseraktivität liefert nicht dieselben Informationen wie die Karl-Fischer-Methode, aber sie liefert nützlichere Informationen. Die Ergebnisse sehen anders aus, aber sobald man sie verstanden hat, bieten sie bessere Korrelationen zur mikrobiellen Sicherheit, chemischen Stabilität und den physikalischen Eigenschaften. Darüber hinaus erfordern Wasseraktivitätsmessgeräte in der Regel keine umfangreiche Schulung und bieten vergleichsweise wenig Gelegenheit für Fehler während der Prüfung.

Obwohl sich die Wasseraktivität von anderen Messverfahren wie HPLC oder GC unterscheidet, gelten viele der gleichen Vorteile: geringerer Schulungsaufwand, schnellere Ergebnisse, direktere Messungen, geringeres Risiko einer Fehlbedienung der Geräte und kein Bedarf an gefährlichen Chemikalien.

Potenzial für neue Anwendungen

Die Wasseraktivität ist mehr als nur ein Instrument zur Erfüllung gesetzlicher Standards. In den letzten Jahren hat sie dazu beigetragen, Innovationen voranzutreiben, die wissenschaftliche Produktivität zu verbessern und die Arzneimittelpipeline bei vielen der weltweit größten Pharmaunternehmen zu verkürzen – und es gibt noch viele weitere Anwendungsmöglichkeiten zu entdecken.

Verwandte Referenzen

Enigl, Davin C. und Kent M. Sorrells. „Wasseraktivität und selbstkonservierende Formeln.“ Cosmetic Science And Technology Series (1997): 45-74.

Friedel, R. R. „Die Anwendung der Wasseraktivitätsmessung bei der Prüfung mikrobiologischer Eigenschaften von Rohstoffen, die bei der Herstellung nichtsteriler pharmazeutischer Produkte verwendet werden.“ In: Pharmacopeial Forum, Band 25, Nr. 5, S. 8974–8981. United States Pharmacopeial Convention, 1999. Link zum Artikel.

Heidemann, D. R. und P. J. Jarosz. „Preformulation Studies Involving Uptake in Solid Dosage Forms” (Vorformulierungsstudien zur Aufnahme in festen Darreichungsformen). Pharmaceutical Research 8, Nr. 3. (1991): 292–97. Link zum Artikel.

Pader, Morton. Mundhygieneprodukte und -praxis. Dekker, 1988. Link zum Buch.

Pader, M. „Glycerin in Mundpflegeprodukten.“ Kosmetikwissenschaft und -technologie, Reihe 11 (1991): 381–393. Link zum Artikel.

‍