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PerkinElmer Enterprise Management (Shanghai) Co., Ltd
材料視野｜薬物錠剤のATRイメージング解析
日付：2025-11-08読み：3
近年、対薬物錠剤の化学イメージング技術ますます広く注目されている。技術の改善と応用の普及に伴い、化学イメージングは重要な品質パラメータ情報を取得する有効な手段となり、これらのパラメータは他の技術によって正確に測定することが困難であることが多い。大手製薬企業のほか、後発医薬品メーカーひいては規制当局1は現在、生産障害の調査、生産規模の向上、根本的な原因分析におけるこの技術の価値2を一般的に認めている。
多くのイメージング技術の中で、近赤外（NIR）イメージング技術その顕著な優位性により最も注目され、プロセス分析技術（PAT）手段として持続的な発展潜在力3を示した。ラマンイメージングや中赤外拡散反射などの他の化学イメージング技術はそれぞれ優劣があるが、NIR技術の実施、操作の利便性及びサンプルの適応性の面でより優れた利点。
この技術によって生成されたデータは、錠剤成分のマクロ近赤外分光分析経験を持つ可能性があるため、この分野の多くのユーザーにも理解されやすい。しかしながら、フーリエ変換、調整可能フィルタ、または固定フィルタにかかわらず、従来技術の条件下でのNIRイメージングには本質的な限界があり、その根源は技術的欠陥ではなく測定原理そのものにある。
まず
試料中の入射光の透過深さが大きく（数十マイクロメートル級）、拡散反射特性は画像を実質的にぼやけさせる。推定によると、試料の浸透深さは少なくとも10ミクロン（具体的には粒径、フィラーなどのパラメータに依存する）に達したが、多くの錠剤成分がミキサーに投入されて混合された場合の粒径は実際には10ミクロン未満であった。したがって、これらの成分が凝集体を形成しない限り、この技術では、成分の特徴が空間的に分布していることを明確に示す画像を得ることは困難である。
注目すべきは、NIRイメージングに関する従来の文献では、10ミクロン以下の単粒子粒径分布については言及していないことである。研究例は小粒子凝集体や数十〜数百ミクロンの大きな粒子に焦点を当てることが多いが、粒径が10ミクロン未満の粒子は分布中に存在するはずである。ステアリン酸マグネシウムなどの特定の成分については、濃度が高くても、約30〜40ミクロン以上の凝集体が形成されていないと、この物質が比較的微細な粒子でマトリックス全体に分布しているため、NIRイメージングによって検出されにくい。実際、1%未満の量の活性成分の中には、凝集体を形成しない限り検出されないものもある。
次に
イメージングにおいて測定されたNIRスペクトルはしばしば高度なオーバーラップが存在する。マクロ近赤外スペクトル分析において、NIRスペクトルの区別度は通常、対応するラマンイメージングまたは中赤外スペクトルに及ばないが、この劣勢は、マクロ近赤外スペクトル分析よりも信号対雑音比が低いNIRイメージングにおいてさらに際立っている。この2つの要因は、イメージング解析がスペクトルデータの化学量論的解析に高度に依存することをもたらす。さらに、後続の画像解析には画素統計技術を使用する必要があり、これは一般的に単一の画像画素を化学的に分類することを要求しているが、NIR画像中に単一の画素が示す成分スペクトルは極めて純粋であるため、実際の動作では非常に挑戦的である。これにより、階調画素に対して「1」または「0」の代入を行う際にある程度の主観性があるため、NIR画像の全体解析がより困難になる。
他の技術に比べて、中赤外スペクトル分析におけるATR（減衰全反射）スペクトルイメージング技術はこの応用分野で顕著な優位性を示している：その空間分解能はNIRイメージングより約1桁向上し、現在すでに多くの成分が加工に入る時の単一粒径尺度、すなわち10ミクロン未満に達している。ATRイメージング技術は5ミクロンより優れた空間分解能を有することが確認された4;第二に、画像中のスペクトルはNIRと比べてコントラストが高く、異なる成分を区別しやすい、第三に、この技術は実際には表面分析技術であり、以下に述べる光学構成を採用した場合、サンプルの貫通深さは約1〜2ミクロンにすぎない。これにより、単一画素のスペクトルが比較的純粋になり、後続の画像解析の作業量が大幅に軽減され、NIR技術より明らかに優位性がある。高スペクトルNIRイメージング解析におけるいくつかの技術はATRイメージング解析に完全に応用できる。
ATR技術には、次のような利点もあります。
•大型商用スペクトルライブラリを直接呼び出して定性鑑別することができる、
•NIR技術で識別しにくい物質（例えば、無水無機塩）に対して、ATR技術は高コントラストスペクトルを生成することができる。
私たちはパーキンエルマーSpotlight™ 400マイクロイメージングシステムによるATRアクセサリの開発，そして多種の薬物錠剤試験を完成する本応用文献に市販されている薬物錠剤のATRイメージング測定を用い、上述の多くの技術的利点を検証した。この技術は薬物錠剤イメージング技術が重大な突破を遂げたことを示している。現在はまだ「萌芽」段階にあるが、将来の薬物錠剤及び混合物の分析において重要な役割を果たすことが予想される。
実験デザイン
01 サンプルの調製と状況の紹介
本文はコーティングされていない完全薬物錠剤（処方薬と非処方薬（OTC）を含む）を採用し、錠剤中に存在することが知られている原料のサンプルを取得した。処方薬の成分は：活性成分、微結晶セルロース、リン酸水素カルシウム、澱粉とステアリン酸マグネシウム、OTC製品の原料はアスピリン、p−アセトアミノフェン、カフェイン、及び多種の有機及び無機添加剤である。本例では、錠剤の厚さは2〜3 mmであり、側面は垂直で表面は平らである。
ATRアタッチメントはゲルマニウム結晶（図1）を用いて、錠剤表面に貼り合わせた。この付属品の設計特徴は：可視光顕微鏡カメラを通じてサンプル目標領域（ROI）を位置決めでき、サンプルを移動することなくATRサンプリング表面を正確にROIをカバーできることである。結晶貼合端部は円形サンプリング領域を形成することができ、この範囲内で異なるサイズの正方形または矩形イメージング領域を定義することができる。1.56ミクロンの画像ピクセルサイズで計算すると、500×500ミクロン領域に102000を超える独立したスペクトルデータが含まれます。
図1.ATRサンプリング構成
最も包括的な画像解析を行うためには、錠剤原料のATRスペクトルを参考にする必要がある場合があります。最適な方法は、標準リファレンスライブラリから抽出するのではなく、ATRイメージングシステムを直接使用してスペクトルを測定することです。後者の方法を使用することもできますが、画像分析の品質が低下する原因になります。本文は赤外スペクトル分析によく用いられる標準臭化カリウム（KBr）マイクロ打錠アタッチメントを用いて、錠剤の各原料のために簡易マイクロ打錠を調製した。標準マイクロ打錠（2 mm金型）付属品を使用する場合、手持ち圧力でATRデータ収集に適したマイクロ打錠を製造することができる。プレス成形後、打錠をATRアタッチメントに移し、精製成分に対して50×50ミクロンの小領域イメージング測定を行った。これらの画像に基づいて、ソフトウェアを使用して個別の参照スペクトルを計算します。各成分の参照画像収集には数分しかかからず、そのような操作は通常1回しか行われない。
02 イメージング
ATRイメージングアクセサリを搭載した標準Spotlightを採用™ 400顕微イメージングシステムによる画像収集。システムは、MCTアレイ検出器と移動サンプリングステーション／ATRアクセサリとの協働により画像を生成する。ATR結晶はサンプル表面に固定され、サンプルと相対的に静止したままであり、サンプルとATR結晶は全体として検出器に対して移動する。画像のピクセルサイズは1.56×1.56ミクロン（オプションで6.25×6.25ミクロン）、スペクトル分解能は16 cm−1である。本論文で収集した実際の画像サイズは100×100ミクロン〜400×400ミクロンの範囲であり、総収集時間は1分〜約40分である。
画像データ処理はスペクトル微分化、正規化、主成分分析などのステップを含み、最小二乗全スペクトル曲線フィッティングを行う。他の5つは、さらなるグラフィックス画像の強化と統計解析を行った。
結果とディスカッション
接触技術としては、試料が結晶表面に接触すると汚染されるため、画像形成前に毎回結晶を洗浄する必要がある。しかし、錠剤粒子が強い接着性を持たない限り、洗浄プロセスは比較的迅速である。
接触技術としては、試料が結晶表面に接触すると汚染されるため、画像形成前に毎回結晶を洗浄する必要がある。しかし、錠剤粒子が強い接着性を持たない限り、洗浄プロセスは比較的迅速である。
図2 aは、錠剤表面の可視光顕微鏡画像を示す。一部の粒子構造は認識できるが、可視光画像だけでは各成分粒子を効果的に区別することはできない。
図2 bはデンプン成分の分布を明らかに示している。この画像は、ATRイメージングデータに対して、本節で説明する多重処理ステップを行った後に得られる。
同様の方法を用いて各成分の分布パターンを導出し、合成画像を構築することができる。本文は3種類の主要成分の画像を1つの単独のRGB（赤/緑/青）3チャンネル合成画像（図2 c）に合成し、このような特徴付け方式はこのような製品のNIRイメージングによく使われる。本試験の相違点は：NIRイメージングに比べて、その空間分解能は著しく向上し、画像の空間コントラストは更に高く、それによって比較的に短い測定時間内により明確で、より詳細な錠剤表面画像を得ることができ、そして現在のNIRイメージング技術では検出できないミクロ領域を位置付けることができる。
図2.3主要成分の錠剤表面可視光画像（a）、微分処理後の単群配当外イメージング図（b）及び合成画像（c）（クリックして大図を見る）
01 げんりょうスペクトル
図3は錠剤原料のATRスペクトルとその対応する1次微分処理スペクトルを示す。ATRイメージングにより、結晶素子の表面全体の照明場は完全に平坦ではなく、これは主に結晶領域全体で測定されたスペクトルに平滑なベースラインオフセット現象が存在することを示している。この問題は、1次または2次微分を使用することで簡単に解決できます。本方法の原料スペクトル特性は近赤外イメージングに比べて顕著であり、これは画像解析により簡単な単変数方法を採用するためにより大きな可能性を提供することを指摘する必要がある。試験の過程で、錠剤中に本来発生しない一般原料のポリビニルピロリドンを試験サンプルとして添加し、後続のデータ処理の有効性を検証した。
図3.原料成分（クリックして大図を見る）
02 錠剤成分の存在を検出する
最初のステップは、画像スペクトルに原料のスペクトル特徴が存在するかどうかを確認することです。このステップは、ソフトウェアの「Target」機能によって実現されます。まず画像スペクトルを前処理（1次微分処理、二酸化炭素吸収領域を削除）し、主成分分析（PCA）により主要な独立スペクトル寄与を抽出する。その後、原料または「目標」スペクトルとPCA主成分の線形結合をフィッティングし、フィッティングの緊密さは画像スペクトルに目標スペクトルが存在するかどうかを判断することができる。【図4】錠剤5成分の検出結果を示す。五つの成分のフィッティング品質はすべて非常に優れている，一方、ポビドンのフィッティング品質は劣っている、この方法の信頼性。
図4.原料の存在を検出する
03 錠剤内の各成分の分布を評価する
画像スペクトルに目標スペクトルが存在することを確認した後、次のステップは画像中の各画素点の成分の相対的な存在度を推定することによって、各成分の分布図を生成することである。様々な方法があるが、このような5成分系（成分間に化学反応がなく、純粋な原料スペクトルが得られると仮定する）に対して、簡単な全スペクトル曲線フィッティング方法は効果が良いことが分かった。上記主成分分析により残留画像を検査し、他の化学成分が存在するかどうかを検査した後、画素ごとのスペクトルを原料スペクトルの線形結合としてモデル化すればよい。注目すべきは、ターゲットスペクトル間に強い交差相関（すなわち、複数のターゲットスペクトルが複数の共通特徴ピークを有する）が存在すると、この技術の信頼性が低下することである。本例では、微結晶セルロースとデンプンスペクトルは明らかに一定の相関性があるが、その差は良好な最小二乗曲線適合条件を保証するのに十分である。【図5】5つの成分のスペクトル曲線フィッティング結果を示す、各画像中の画素強度は、画像スペクトル中の目標スペクトルの相対的な存在度を直感的に反映している。
図5 a.微結晶セルロースの最小二乗フィッティング画像
図5 b.デンプンの分布図
図5 c.リン酸カルシウムの分布図
図5 d.ステアリン酸マグネシウムの分布図
図5 e.活性成分（<1%）の分布図
ほとんどの場合、派生画像中の「ホットスポット」領域は清浄成分スペクトルと類似した特徴を示し、粒子エッジの画素は所望の「混合」スペクトル特徴を示す。図に典型的なホットスポットスペクトルと対応する原料スペクトルを示す。
これらの画像は3つの顕著な特徴を示しています。
1 スペクトルコントラストと画像解像度は極めて顕著であり、ほとんどのNIRイメージング技術によって生成された画像をはるかに上回っている。画像のヒストグラム分布を描くことで簡単に検証できます。
2 異なる成分のホットスポット領域（粒子）には形状の違いだけでなく、原料粒子と同様の形状が現れ始めている。例えば、図6 aは、他の多くの成分とは異なる高度な球形をしたデンプン粒子走査電子顕微鏡（SEM）画像を示している。一方、対応するATR誘導体画像（図6 b）では、粒子は類似した形状を呈している。同様に、ステアリン酸マグネシウムと微結晶セルロース領域の不規則な形状も原料SEM画像と高度に一致している。この発見はイメージング忠実度がNIRより改善されたおかげで、空間分布と製品品質属性の関連を理解するために追加の重要な根拠を提供した。
図6.ATR粒子画像形状−SEMとの比較
3 この技術は10ミクロン以下の単一粒子を識別することができる。図7は、錠剤中の既知濃度が1%未満（重量ベース）であり、直径6〜7ミクロンのホットスポットが見られる活性成分計算分布図の拡大領域を示す。ホットスポットにおけるスペクトルは、多くの画素点がほぼ完全に活性成分の純粋なスペクトルを呈していることを示している。注目すべきは、独立分解能研究6は、約1700 cm−1波数付近の空間分解能が3〜4ミクロンオーダーに達すると推定し、単粒子スペクトルの明瞭度も非常に際立っている。
図7 a.活性成分（<1%）の分布図
図7 b.<10ミクロンの活性成分粒子
第2の例は、小粒径の分解能を示す図8を参照してください。この例では、あるOTC可溶性鎮痛剤のイメージング分析を行った。NIRイメージング技術は、そのような製品をプレゼンテーションサンプルとして分析能力を示すことが多い。その主要成分であるアスピリン、p−アセトアミノフェン及びカフェインは、数十〜数百ミクロンの粒径で広範囲に分布している。しかし、本例は上述の主成分の画像を提示するだけでなく、（a）含有量が低い、（b）より重要なのは、その分布領域のサイズが10ミクロン未満であることである。多くの賦形剤と原薬（API）の初期粒径は10ミクロン未満であるが、NIRイメージング技術ではこのスケールの単一粒子を検出することは難しく、これらの粒子が形成するより大きなサイズの凝集物しか検出できない。図には主成分だけでなく、アスピリン/カフェイン/p−アセトアミノフェン分布に含まれるNIRでは検出されなかった単一リン酸カルシウム粒子も示されている。
図8 a.鎮痛剤–全体構造-アスピリン
図8 b.アセトアミノフェン分布の重複
図8 c.微結晶セルロース分布の重複
図8 d.微量成分−炭酸カルシウムを開示する
図8 e.炭酸カルシウム画像の分解図
図8 f.アスピリン領域内の炭酸カルシウム
04 錠剤成分分布の特徴づけ
図9に示す高品質単一成分分布図、人間の目には錠剤中の異なる成分間の明らかな差異が観察される。しかし、より迅速で客観的な特徴づけが必要な場合は、異なる画像表現を採用する必要があります。1つの方法は画像の強度ヒストグラム表示法。従来の方法では、指定された画像に対して、ピクセル数に基づいて対応するピクセル輝度を描画し、生成されたヒストグラムを解析することで錠剤の重要なプロセスパラメータに関する有用な情報を得ることができる。高精細度ATR画像の場合、このように成分分布図を描画すると、生成されたヒストグラムは通常、2つの異なるパターンを示し、それぞれに対応するターゲット粒子群和ざんりゅうりゅうしつ（図9 aに示すように）。しかし、この2つのヒストグラム領域の間の境界線は常にはっきりしているわけではありません。これはグレースケール画像であるため、「純」粒子ピクセルと「純」背景ピクセルの間に多数のピクセルが存在します。ピクセルカウントを行う場合、これらのピクセルは前景ピクセルまたは背景ピクセルとして分類される必要があります。つまり、閾値を超えるピクセルはターゲットパーティクルに属し、閾値を下回るピクセルは背景ピクセルに属する強度閾値を設定する必要があります。
図9 a.単一成分分布ヒストグラム（クリックして大図を見る）
閾値は、数学的アルゴリズム（例えば、「最大エントロピー法」ロジウム）によって、または主観的経験に基づいて決定することができる。ATR画像解析では、原料粒子径、反復閾値調整、および下地画素スペクトルの検査結果などの情報を組み合わせて強度閾値を決定することが有用であることが分かった。
【図9 b】閾値設定手順を示す：図には、強度閾値を2つのレベルに設定して、最も強度の高い画像画素を保持するための成分分布の計算階調画像が表示されています。どの画像が正しいですか。この問題についての詳細な議論は本論文の範囲を超えているが、この閾値の設定はこれらの画像から正確な定量情報を得るための鍵であり、極めて慎重に処理しなければならない。しかし、明確に識別可能な粒子分布を計算すると、得られたいくつかの統計結果（例えば、平均粒子径、分布形状、最隣接情報など）は製品品質特性と関連している。
図9 b.2値画像を生成するためにA−Bしきい値を設定する（大図をクリック）
図9 cは、「合格」と「不合格」と表記された2ロットの製品のうち、ある指定成分の計算成分分布比較を示している。合格ロットと不合格ロットの異なるサンプルの5つの画像をそれぞれ採取した。1つの成分を除いて、合格と不合格ロット中の他のすべての成分の平均粒径計算結果は一致した。一方、この特殊成分については、すべての画像が不合格ロットの平均粒径が合格ロットの約2倍であることを示している。このような情報は、生産プロセスの問題を識別するために極めて高い価値を持っている。
図9 c.一部の指標は品質パラメータと関連付けることができる（クリックして大図を見る）
結論
ATR化学イメージング技術いくつかのタイプの薬物錠剤の化学イメージングを向上させた技術水準。NIR化学イメージングに比べて、この技術は実現可能な画像空間分解能を著しく向上させ、より鮮明で一般的に解読しやすい画像。この技術は中赤外スペクトル分析における直接拡散反射イメージングの主な限界、すなわち画像中の高信号減衰と制御されない鏡面反射干渉の問題を克服した。同時に解決したラマンイメージングの複数の欠陥、試料の過熱、潜在蛍光干渉、空間分解能が限られている（ラマンイメージングハードウェア構成に依存）および画像収集時間が相対的に長い。
参考文献
1. リヨン、R.;レスター,D.;ルイス、E.N.;リー、E。ユ、L.X.;ジェファーソン、E.H.;Hussain, A. S.：AAPS
PharmsciTech 2002年第17条第3項
2. クラーク、F.;Vib Spec., 34 (2004) 25-35。www.sciencedirect.comでオンラインで利用できます。
3. ルイス、E.N.;ショッペレイ、W.;リー、E.;キッダー,L.; 『Process Analytical Technology』ブラックウェル（2005年）ISBN-10 1-4051-2103-3。
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6.「FT-IR ATRイメージングの空間解像度」PerkinElmer技術ノート＃007641_03（2006）。