糖類との薬物 Na塩共結晶化による
一般用医薬品の製剤特性改善
千葉大学大学院 薬学研究院
ひがし

東

けんじろう

顕二郎

准教授

糖類との薬物 Na 塩共結晶化による一般用医薬品の製剤特性改善

千葉大学大学院薬学研究院

東

顕二郎

【要旨】

医薬品の製剤特性改善手法として薬物の塩共結晶化が検討されている。本研究では、一般用医薬品としても広く市販されているロキソプロフェンナトリウム ( LOXNa) の吸湿性改善を目的として、コフォーマーに糖類を用いた塩共結晶を調製し、吸湿性と結晶構造の関係性を考察した。
14 種類の糖類を用いたスクリーニング測定の結果、2 種類の糖類（フルクトース ( FRU ) 及びリボース ( RIB)）が LOXNa と塩共結晶を形成することを見出した。高湿度条件下では、LOXNa 結晶、LOXNa-FRU 塩共結晶及び LOXNa-RIB 塩共結晶はそれぞれ 2 水和物、無水物及び 1 水和物を形成した。この結果より、FRU との塩共結晶化により LOXNa の水和物形成が効果的に抑制され、吸湿性が改善されたことが示された。LOX-FRU 塩共結晶の X 線構造解析の結果より、FRU が Na+ を囲む構造を形成し、水分子の Na+ への配位を阻害することで、水和物形成が抑制されていることが明らかとなった。本研究により、糖類との共結晶化技術は、薬物 Na 塩結晶の吸湿性改善手法として有用であること示された。本技術は LOXNa のみならず様々な一般用医薬品の製剤特性改善手法として広く応用されることが期待される。

１、調査研究目的
近年開発される医薬品候補化合物の多くは難水溶性である。そこで、溶解性改善手法として、薬物の解離基及びカウンターイオンがイオン結合を介して形成する結晶性複合体である薬物塩結晶の利用が広く検討されている 1。しかし、塩結晶への使用が承認されているカウンターイオンは、酸性薬物に対しては 22 種、塩基性薬物に対しては 6 種と限られており 2、塩結晶化しない又は塩結晶化しても望む製剤特性が得られないケースもある。特に、塩結晶は水和物を形成しやすく、その割合はフリー体においては 30% である一方、塩結晶においては 48% にのぼる 3。水和物を形成する場合、保存時や製造時における湿度変化に伴う水和物 - 無水物転移が、医薬品候補化合物、更には製剤の物性に影響を及ぼす可能性があるため、湿度変化時の挙動を評価することが重要である。塩基性薬物に対するカウンターイオンとしては、ナトリウム（Na）が最も多く用いられている。薬物 Na 塩であるクロモグリク酸 Na やセファゾリン Na は、
水分子が Na+ に配位結合することで Na+ と水分子からなるチャネル構造を形成し、水分子はそのチャネル構造を出入りする 4,5。このように、
薬物 Na 結晶の多くはチャ84

ネル型水和物を形成するため、湿度の変化に伴い水和物 - 無水物転移を引き起こす。
近年、薬物塩結晶の他に、共結晶、塩共結晶及びイオン共結晶等の新規結晶形態も検討されている。共結晶とは、薬物がコフォーマーと水素結合などの弱い分子間相互作用を形成する結晶性複合体である。塩共結晶は、塩化された薬物と電気的に中性なコフォーマー、又は電気的に中性な薬物と塩化されたコフォーマーを含む結晶形であると定義されている 6 。また、イオン共
結晶は電気的に中性な薬物及びアルカリ金属或いはアルカリ土類金属の無機塩を含む結晶形である。共結晶は、塩結晶とは異なり、解離基を有しない薬物に対しても適応できることが利点である。また、塩共結晶やイオン共結晶においても、コフォーマーやカウンターイオンの組み合わせを変更することで、結晶形態の選択肢が大幅に広がることが期待される。また、コフォーマーは、結晶構造内で水分子の代わりに薬物分子との相互作用を形成することで、水和物形成や吸湿性の抑制に寄与しうることが報告されている 7。医薬品は高い安全性が求められており、医薬品に適応可能なコフォーマーは GRAS や EAFUS に収載されている。この中でもアミノ酸やカルボン酸を用いた共結晶や塩共結晶が多数報告されている。糖類はアミノ酸やカルボン酸と同様に安全性が高いうえ、安価であり様々な種類があるといった利点がある。一方、医薬品分野においてコフォーマーとしての糖類の応用例は限られていた。
本研究では、薬物 Na 塩と糖類の複合体結晶形成が薬物 Na 塩の製剤特性を改善する有用な手法となりうるかを検討した。特に、水和物形成や湿度変化に伴う水和物 - 無水物転移挙動に、結晶構造が及ぼす影響を詳細に評価した。モデル薬物として一般用医薬品としても広く用いられている NSAID であるロキソプロフェンナトリウム ( LOXNa) を、またコフォーマーとして 14 種類の糖類を選択した。LOXNa は 2 水和物 ( LOXNa-2H2O) として上市されている一方、低湿度条
件下においては無水物へと転移する。そこで、上市されている原薬形態である LOXNa-2H2O の水和物形成を抑制する目的で、糖類と LOXNa の塩共結晶形成を試みた。エタノールを用いた
liquid-assisted grinding（LAG）法により試料を調製した。各試料に対し粉末 X 線回折（PXRD）
測定により、複合体結晶形成の有無を評価し、原薬形態スクリーニングにおける糖類の適応可能性について検討した。その後、塩共結晶形成が認められた試料について水蒸気吸脱着（DVS）
測定を行い、その物性を評価した。さらに、単結晶 X 線回折（SC-XRD）測定による詳細な構
造評価を行った後、結晶構造と吸湿時の水和物形成の関係性について考察を行った。

２、調査研究方法
2-1

試料調製

2-1-1 混合粉砕物 ( ground mixture; GM)
LOX 又は LOXNa-2H2O と各種糖類をモル比 1 : 1 で秤量し、エタノールを添加した後、振動型ボールミルを用いて 10 分間粉砕する LAG により、GM を得た。その後、試料をガラスバ

85

イアルに入れ、1 日減圧乾燥を行った後、各種測定を行った。
2-1-2 単結晶の調製
LOXNa-2H 2O/FRU GM を 60℃にてメタノールに溶解させた後、アセトニトリルを添加し、容器に蓋をして室温で静置することにより、LOXNa-FRU 塩共結晶の単結晶を調製した。また、
LOXNa-2H 2O/RIB GM を 70℃にてメタノールに溶解させた後、容器に穴を開け室温で静置することにより LOXNa-RIB-H 2O 塩共結晶の単結晶を調製した。
2-2

測定方法

2-2-1 粉末 X 線回折 (PXRD) 測定
各試料をガラスプレートに充填し、試料表面を均一にした後、MiniFlex II ( Rigaku Co.,
Ltd., Tokyo, Japan) を用いて PXRD 測定を行った。
2-2-2 水蒸気吸脱着 (DVS) 測定
各試料の無水物について評価を行う目的で、90°C にて 6 時間事前乾燥した試料を、25℃/0% RH 環 境 下にてアルミニウム製パンに 乗 せ、Dynamic Vapor Sorption Advantage
Instrument (Surface Measurement Systems Ltd., London, UK) を用いて DVS 測定を行った。
2-2-3

単結晶 X 線回折 (SC-XRD) 測定

Smart ApexII Ultra (Bruker, Billerica, US) を用いて単結晶 X 線構造解析を行った。2-1-2 で得られた結晶を母液から Paratone-N オイル中に移し、マイクロマウント上にマウントし、測定した。

３、調査研究成果および考察
3-1

PXRD 測定による薬物 - 糖類複合体結晶形成のスクリーニング検討

LOXNa-2H 2O と糖類からなる新規複合体結晶の形成スクリーニングを行う目的で、PXRD
測定を行った。Figure 1 には、薬物として LOXNa-2H 2O、糖類として FRU 及び RIB を用いた際の結果を示す。LOXNa-2H 2O/FRU GM 及び LOXNa-2H 2O/RIB GM ではいずれも、LOXNa-2H 2O 及び各糖類に由来する結晶ピークが消失し、複合体結晶形成を示唆する新規
回折ピークが認められた。一方、LOXNa-2H 2O とその他の 12 種類の糖類を用いた際の GM
では新規回折ピークは認められなかった（data not shown）。以上の結果から、薬物として
LOXNa-2H 2O、コフォーマーとして FRU 及び RIB を用いた際に、エタノールを用いた LAG法により、薬物 Na 塩 - 糖類の複合体結晶が調製可能であることが示された。また、糖類は新規複合体結晶形成スクリーニングにおけるコフォーマーの候補となりうることが明らかとなった。

86

3-2

DVS 測定による糖類 -LOX-Na 塩共結晶の吸湿性評価

Figure 2 には、事前乾燥処理により調製した各試料の無水物である LOXNa, LOXNaFRU 及び LOXNa-RIB について、DVS 測定を行った結果を示す。LOXNa は水 蒸気の吸着過程において、0–50%RH ではほとんど質量増加を示さず、無水物を維持した。一方、50–55%RH で 13.3% の質量増加を示し 2 水和物へと転移した。また、55–85%RH ではほとんど質量変化は認められず 2 水和物を維持したが、85%RH 以上において潮解に由来する質量増加を示した。水蒸気の脱着過程においてはヒステリシスを示し、85–5%RH ではほとんど
質量変化は認められず、2 水和物として存在した。また 5–0%RH で 13.2% の質量減少を示し、2 水和物から無水物へと転移した。LOXNa-FRU では、吸着過程及び脱着過程のプロファイルが一致した。いずれの過程でも 80%RH 以上では潮解に由来する質量増加を示した
一方、0–75%RH においてはほとんど質量変化が認められず、無水物を維持した。LOXNaRIB は、水蒸気の吸着過程において 0–60%RH ではほとんど質量増加が認められず、無水物を維持した。一方、60–70%RH で質量増加を示し、70%RH 条件下では 0%RH 条件下と比較して 4.1% の質量増加が認められたことから、1 水和物へと転移したことが示唆された。
また、70–80%RH ではほとんど質量変化は認められず 1 水和物を維持したが、80%RH 以
上では潮解に由来する質量増加を示した。水蒸気の脱着過程においてはヒステリシスを示し、80–5%RH ではほとんど質量変化は認められず 1 水和物として存在した。5–0%RH で 3.9%の質量減少を示し 1 水和物から無水物へと転移した。以上の結果より、FRU との塩共結晶化により、LOXNa の水和物形成が抑制されることが示された。
3-3

単結晶 X 線構造解析による糖類 - LOXNa の構造評価

Figures 3 及び 4 には、LOXNa-FRU の構造解析結果を示す。非対称単位には、LOX− ,Na+ 及び FRU 分子が等モル比で含まれていた ( Figure 3a)。興味深いことに、カルボキシ
レート基と Na+ 間にイオン結合は認められなかった。一方、Na+ と FRU 分子間には相互作用が認められ、FRU 1 分子が 3 つの Na+ から配位を受けていた。また各 Na+ は、6 員環のイス形配座をとる FRU 3 分子の酸素原子と計 7 本の配位結合を形成することで、正 10 面体構造を形成した ( Figure 3b)。Na+ に配位する FRU 3 分子のうち 2 つは二座配位しており、それぞれ 3 α - 及び 4 β -OH 基、4 β - 及び 5 β -OH 基が結合部位であった ( Figure 3c)。また、残りの 1 つの FRU 分子は、1 β -, 5 β -OH 基及びエーテル基を用いた三座配位であった。
LOX−のカルボキシレート基の酸素原子は、FRU 4 分子の水酸基と計 5 本の水素結合を形成した ( Figure 4a)。FRU 分子の 2 α -OH 基を除く全ての酸素原子は、3 つの Na+ と配位結合を形成し、b 軸方向への 1 次元連鎖構造を形成した ( Figure 4b)。また、LOX−は FRU との相互作用を介して Na+ と FRU からなる 1 次元連鎖構造を挟むように存在し、2 次元シート構造を形成した ( Figure 4c)。
Figures 5及び 6 には、LOXNa-RIB-H2O の構造解析結果を示す。非対称単位には、LOX−,
Na+, RIB 分子及び水分子が等モル比で含まれていた ( Figure 5a)。また、カルボキシレート87

基と Na+ 間にイオン結合は認められなかった。一方、Na+ と RIB 分子間には相互作用が認められ、RIB 1 分子が 3 つの Na+ から配位を受けていた。また各 Na+ は、6 員環のイス形配座をとる RIB 3 分子の酸素原子と計 8 本の配位結合を形成することで、正 12 面体構造を形成した ( Figure 5b)。Na+ に配位する RIB 3 分子のうち 2 つは三座配位しており、それぞれ
2 β -, 3 β - 及び 4 β -OH 基、2 β -, 4 β -OH 基及びエーテル基が結合部位であった ( Figure5c)。また、残りの 1 つの RIB 分子は、1 β -OH 基及びエーテル基を用いた二座配位であった。
LOX−のカルボキシレート基の酸素原子は、RIB 2 分子の水酸基と計 3 本の水素結合を形成した ( Figure 6a)。水分子は、LOX−のカルボキシレート基の 2 つの酸素原子及び RIB の水
酸基と水素結合を形成した。水分子は分子間の水素結合を形成し、パッキングの充填化に寄与することで、結晶構造を安定化させることが報告されている 8 。LOXNa-RIB-H 2O においても、水分子がこのような水素結合を形成し、結晶構造の安定化に寄与していると推察した。RIB
分子の酸素原子は全て、3 つの Na+ と配位結合を形成し、b 軸方向への 1 次元連鎖構造を形成した ( Figure 6b)。また水分子は、この 1 次元連鎖構造には関与していなかった。さらに、
LOX−は RIB との相互作用を介して Na+ と RIB からなる1 次元連鎖構造を挟むように存在し、2 次元シート構造を形成した ( Figure 6c)。

４、考察
4-1

結晶構造が水和物形成に及ぼす影響

ここでは、本研究で見出した LOXNa-FRU 塩共結晶で安定な無水物が形成された要因を結晶構造から議論する。薬物 Na 塩結晶の多くでは、Na+ に水分子の酸素原子が配位することでチャネル構造を形成するため、湿度環境下で水和物へと転移しやすく、またその水和数が多くなる。一方、本研究で得られた 2 種の塩共結晶 LOXNa-FRU 及び LOXNa-RIB-H 2Oの結晶構造中においては、Na+ は糖 3 分子とのみ相互作用を形成し、Na+ と糖類が交互に並んだ一次元連鎖構造を形成していた。このように、糖分子が Na+ を囲む構造を形成することで、水分子が Na+ に配位することを阻害したと推察した。Figure 7 には、両塩共結晶中の糖１分子に対する水素結合様式を比較した結果を示す。LOXNa-FRU では、FRU 分子の 5 つの水酸基全てが、LOX 4 分子と水素結合を形成した。一方、LOXNa-RIB-H 2O では、RIB 分子の 4 つの水酸基のうち、3 つが直接 LOX 2 分子と水素結合を形成した。加えて、残りの 1 つの水酸基は水分子を介して、LOX 2 分子と間接的に水素結合を形成した。従って、いずれの糖類も LOX 4 分子と計 5 か所で水素結合を形成し相互作用していることが示された。しかし、FRU は RIB より水酸基を一つ多く有するため、LOXNa-FRU 中において FRU 分子と LOX
分子は、水分子を介することなく強固な水素結合ネットワークを形成可能であった。そのため、LOXNa-FRU 塩共結晶は安定な無水物を形成したと考えられた。

88

５、まとめ薬物 Na 塩と糖類の複合体結晶形成が薬物 Na 塩の製剤特性を改善する有用な手法となりうるかを検討した。LOXNa をモデル薬物として用いたスクリーニングの結果、2 種の塩共結晶( LOXNa-FRU 及び LOXNa-RIB-H 2O) が調製された。LOXNa-FRU は、いずれの湿度環境下においても無水物を維持し、優れた製剤特性を有することが示された。単結晶 X 線構造解析
により、結晶構造と水和物形成の関係性を解明した。両塩共結晶の水素結合ネットワーク様式は類似しており、糖分子が Na+ を囲む構造を形成することで、水分子が Na+ に配位することを抑制した。しかし、FRU は RIB より水酸基を一つ多く有するため、LOXNa-FRU では水分子の寄与無く安定な水素結合ネットワークを形成可能であった。以上より、糖類を用いた塩共結晶化技術は、薬物 Na 塩結晶の製剤特性改善手法として有用であると示された。現状の検討では薬物 Na 塩と糖類からなる塩共結晶のみに限られているが、Na＋以外のカウンターイオン（Mg2+,
Ca 2+ 等）を有する薬物塩と糖類との塩共結晶形成も理論的には可能である。今後は、薬物塩ごとに水和物形成や無水物 - 水和物転移を抑制出来る糖分子の選択指針を確立し、その応用性を広く示す必要がある。将来的には、本研究で開発した “ 糖類を用いた塩共結晶化技術 ” が、
一般用医薬品を含めた様々な医薬品の製剤特性改善手法として応用されることが期待される。

６、調査研究発表（口頭叉は誌上発表）
1. Takayuki Fujito, Tsumugi Oshima, Kenjirou Higashi, Keisuke Ueda, Masataka Ito,
Hyuma Masu, Shuji Noguchi, Kunikazu Moribe, Salt cocrystallization of loxoprofen
sodium with sugar: Reduction of the propensity for hydrate formation by forming acontinuous one-dimensional chain structure of sodium and sugar. Cryst. Growth Des.,
2022, 22, 1094-1103（誌上発表）
2. 大嶋 紬、藤戸 貴之、植田 圭祐、東 顕二郎、桝 飛雄真、森部 久仁一、糖類との塩共結晶化によるロキソプロフェンナトリウムの吸湿性改善機構解明、日本薬剤学会 第 36 年会（口頭発表）
3. 大嶋 紬、藤戸 貴之、植田 圭祐、東 顕二郎、桝 飛雄真、森部 久仁一、糖類と Na+ からなる一次元連鎖構造形成によるロキソプロフェンナトリウムの吸湿性改善、日本結晶学会令
和 3(2021) 年度年会（口頭発表）
4. 藤戸 貴之、大嶋 紬、植田 圭祐、東 顕二郎、伊藤 雅隆、桝 飛雄真、野口 修治、森部
久仁一、糖類との塩共結晶形成によるロキソプロフェンナトリウムの水和物形成抑制メカニズ
ムの解明、日本薬学会第 142 年会（口頭発表）89７、引用文献
1. Serajuddin, A. T. M., Salt formation to improve drug solubility. Adv. Drug Deliv. Rev.
2007, 59 (7 ), 603-616.
2. 日本薬剤学会 物性 FG, " 固体医薬品の物性評価 第 2 版 ", 株式会社 じほう , 2018; p 246247.
3. Reutzel-Edens, S. M.; Braun, D. E.; Newman, A. W., Hygroscopicity and hydrates inpharmaceutical solids. In Polymorphism in the pharmaceutical industry, 2018; pp 159188.
4. Chen, L. R.; Young Jr, V. G.; Lechuga-Ballesteros, D.; Grant, D. J. W., Solid-state behaviorof cromolyn sodium hydrates. J. Pharm. Sci. 1999, 88 (11), 1191-1200.
5. Stephenson, G. A.; Diseroad, B. A., Structural relationship and desolvation behavior of
cromolyn, cefazolin and fenoprofen sodium hydrates. Int. J. Pharm. 2000, 198 (2), 167177.
6. Cerreia Vioglio, P.; Chierotti, M. R.; Gobetto, R., Pharmaceutical aspects of salt andcocrystal forms of APIs and characterization challenges. Adv. Drug Deliv. Rev. 2017,
117, 86-110.
7. Thakur, T. S.; Thakuria, R., Crystalline multicomponent solids: An alternative foraddressing the hygroscopicity issue in pharmaceutical materials. Cryst. Growth Des.
2020, 20 (9), 6245-6265.
8. Jurczak, E.; Mazurek, A. H.; Szeleszczuk, Ł.; Pisklak, D. M.; Zielińska-Pisklak, M.,
Pharmaceutical hydrates analysis—Overview of methods and recent advances.
Pharmaceutics 2020, 12 (10).

90

図

図

LOXNa-2H2O ＋ FRU

3 5

10

15

20
25
2θ (º)

LOXNa-2H2O ＋ RIB

LOXNa-2H2O

LOXNa-2H2O

FRU

RIB

PM

PM

GM

GM

30

35

40 3 5

10

15

20

25

30

35

40

2θ (º)

Figure 1. PXRD patterns of LOXNa-2H2O, sugars (FRU and RIB), LOXNa-2H2O/sugar physicalmixtures (PMs), and LOXNa-2H2O/sugar GMs (from top to bottom).

: Sorption: Desorption
LOXNa-FRU

LOXNa-RIB

30

30

25

25

25

20
15
10
5
0

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90100
Target RH (%)

Change in mass (%)

30

Change in mass (%)

Change in mass (%)

LOXNa

20
15
10
5
0

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90100
Target RH (%)

20
15
10
5
0

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90100
Target RH (%)

Figure 2. Water vapor sorption/desorption of LOXNa, LOXNa-FRU, and LOXNa-RIB at 25°C.

891

(a)(a)

(b)
(b)
c

(c)
(c)
a

1
6

b

2α

5β
4β

3α

Figure 3. (a) Crystal structure of LOXNa-FRU, (b) sodium atom coordination polyhedron in the
crystal structure of LOXNa-FRU, and (c) β-D-fructose, with thick bonds (α) above the plane anddashed bonds (β) below the plane. Oxygen atoms are depicted in red, carbon atoms in gray,sodium atoms in yellow, and hydrogen atoms in white. Hydrogen bonds are indicated as blue
dotted lines. Coordination bonds are indicated as red dotted lines.
(a)

(b)

(c)

Figure 4. (a) Hydrogen bonds around a LOX molecule, (b) one-dimensional chain of bridged
sodium atoms along the b axis, and (c) hydrogen-bonded 2D planar structure in the crystal of
LOXNa-FRU. Hydrogen bonds are indicated as blue dotted lines. Coordination bonds areindicated as red dotted lines.

(a)
(a)

(b)
(b)

(c)
(c)

1β

5

b

4β
3β

2β

Figure 5. (a) Crystal structure of LOXNa-RIB-H2O, (b) sodium atom coordination polyhedron in
the crystal structure of LOXNa-RIB-H2O, and (c) the molecular structure of α-D-ribose, with thickbonds (α) above the plane and dashed bonds (β) below the plane.

9

92

(a)

(b)

(c)

(a)

(b)

(c)

Figure 6. (a) Hydrogen bonds around a LOX molecule, (b) one-dimensional chain of bridged
sodium 6.
atoms
along the bonds
b axis,aroundand (c)a hydrogen-bonded
2Done-dimensional
planar structure chain
in theofcrystal
of
Figure(a) Hydrogen
LOX molecule, (b)bridged
LOXNa-RIB-H
sodiumatoms along
the b axis, and (c) hydrogen-bonded 2D planar structure in the crystal of
2O.
LOXNa-RIB-H2O.
LOXNa-FRU

LOXNa-RIB-H2O

LOXNa-FRU

LOXNa-RIB-H2O

Figure 7. Hydrogen bonding motifs of LOXNa-FRU and LOXNa-RIB-H2O around a sugar
molecule.
Figure 7. Hydrogen bonding motifs of LOXNa-FRU and LOXNa-RIB-H2O around a sugar
molecule.

101093