Elementanalytik und Schwermetalle

Elementanalytik und Schwermetalle

Schwermetallrückstände in pharmazeutischen Produkten

Gemäss den Monografien der europäischen und amerikanischen Pharmakopöe (Ph. Eur.; USP) dürfen die Schwermetalle von pharmazeutischen Fertigprodukten und Rohstoffen zur Patientensicherheit vorgegebene Grenzwerte nicht überschreiten und sind daraufhin zu prüfen. Schwermetalle können durch Katalysatoren, Synthesereagenzien sowie durch den Fabrikationsprozess selbst in das Produkt eingebracht werden.

Durch den Ersatz der bisherigen USP-Schwermetalllimittests durch die neuen, elementspezifischen Kapitel <232> und <233> werden in naher Zukunft für den amerikanischen Markt neue Prüfungsmethoden vorgegeben. Als FDA-geprüftes und GMP-zertifiziertes Auftragslabor in der Schweiz führen wir Analysen nach allen gängigen Pharmakopöen und auch den neuen USP-Vorschriften für Sie durch.

Möchten Sie wissen, ob Ihre Produkte durch die Gesetzesänderungen betroffen sind und welche Änderungen auf Sie zukommen?


Wir beraten Sie gerne.

Lesen Sie hier weiter, auf welche Punkte Sie achten müssen - oder nehmen Sie mit uns Kontakt auf.


Definition Schwermetalle

Probenaufschluss: z.B. Mikrowellenaufschluss (Mitte) oder Veraschen im Muffelofen (Rechts)
Probenaufschluss: z.B. Mikrowellenaufschluss (Mitte) oder Veraschen im Muffelofen (rechts)

Der Begriff "Schwermetalle" ist wissenschaftlich nicht eindeutig definiert. Je nach Zuordnungskriterium (Dichte, Ordnungszahl etc.) werden teils unterschiedliche Elemente hier eingeordnet. Im technischen Bereich gelten Metalle mit einer Dichte von mehr als 5 g/cm3 als Schwermetalle. Im öffentlichen Sprachgebrauch wird "Schwermetalle" meist als Bezeichnung für toxische Elemente verstanden. Dies ist jedoch nur bedingt richtig, da auch für den Menschen in kleinen Mengen essentielle Elemente in diese Kategorie fallen.

Ursprung der Schwermetalle in der Natur

Schwermetalle sind in der Natur grösstenteils als Minerale und Erze gebunden. Durch Förderung, Erosion oder vulkanische Aktivitäten gelangen sie in die Umwelt. Schwermetalle finden in vielen technischen Anwendungen und Prozessen Verwendung und können unbeabsichtigt in die Umwelt oder auch Produkte gelangen.

Schwermetalle in Medizinpflanzen

Die Aufnahme von Schwermetallen erfolgt im Wachstumsprozess von Pflanzen durch Aufnahme aus Wasser, Boden und durch Aerosole aus der Luft. Auch treten Kontaminationen durch das Ausbringen von schwermetallhaltigen Pflanzenschutzmitteln oder Klärschlamm auf.

Schwermetalle in Fertigprodukten und Rohstoffen

Bei der Herstellung pharmazeutischer Produkte sind oftmals schwermetallhaltige Katalysatoren an der Synthese beteiligt. Auch aus Anlagen können durch Abrieb oder Leaching (z.B. Fe, Ti, Cu, Cr,...) Schwermetalle in den Prozess übertreten. Werden diese nicht effizient entfernt, können die entsprechend belasteten Produkte in den Verkehr gelangen.

Gesetzliche Vorgaben

Seit langem ist bekannt, dass bestimmte Schwermetalle bereits in niedrigen Konzentrationen toxisch wirken. Entsprechend wurden in der Gesetzgebung und in den Pharmakopöen (z.B. Ph. Eur., USP, JP, BP) Grenzwerte zum Schutz des Patienten festgelegt.

Nachweismethoden

Probenvorbereitung für den Limittest auf Schwermetalle
Probenvorbereitung für den Limittest auf Schwermetalle

Wird nicht auf ein bestimmtes Schwermetall getestet ist der häufigste Nachweis von Schwermetallen heute noch die Durchführung als Grenztest:
Nach Aufarbeitung werden die Schwermetalle mit Thioacetamid komplexiert, bzw. als Sulfide ausgefällt. Dann vergleicht man die so entstandene Färbung der Probenlösung gegen diejenige einer Bleireferenzlösung.

Diese Limittests bilden immer noch das Gros der Prüfungen auf Schwermetalle der aktuellen nationalen und internationalen Arzneimittelbücher (z.B. Ph. Eur. 2.4.8 oder USP <231>).Damit lässt sich jedoch nur eine semiquantitative Aussage über den Gesamtgehalt an Schwermetallen in der Probe machen – und dazu nur über diejenigen, die auch tatsächlich dunkel gefärbte Komplexe oder Sulfide bilden.

Spektroskopische Tests finden sich bisher nur in einzelnen Monografien und Methoden (z.B. Nickel in Polyolen und Ölen, Blei in Zucker).

Änderungen bezüglich der Methoden sind für die Ph. Eur. und JP in nächster Zeit nicht in Sicht. Anders sieht das beim amerikanischen Arzneimittelbuch aus.

Neue Prüfvorschriften im amerikanischen Arzneimittelbuch (USP)

Ab Mai 2014 ersetzen die Kapitel <232> <<Elemental Impurities – Limits>> und <233> <<Elemental Impurities – Procedures>> die alten Schwermetalltests komplett und gelten für alle monografierten Arzneistoffe. Kapitel <232> dient dazu, die in jedem pharmazeutischen Produkt erlaubten Grenzwerte für 15 einzelne Schwermetalle festzulegen. Für Hilfsstoffe und Wirkstoffe gelten diese Grenzwerte nur, wenn in einer Monografie explizit darauf verwiesen wird.

USP: Erlaubte tägliche Einnahme für jedes Element festgelegt – im Fertigprodukt

In Abhängigkeit von der Art der Verabreichung – oral, inhalativ oder parenteral – ist die erlaubte tägliche Belastung (permissible daily exposure, PDE) für jedes Element in Abhängigkeit seiner Toxizität festgelegt. Unter Berücksichtigung der maximalen Tagesdosis DD eines pharmazeutischen Produktes lässt sich berechnen, welche maximalen Elementkonzentrationen cmax darin erlaubt sind:

 

Formel: PDE ≥ c × DD → cmax = PDE/DD

 

USP: Messung der Schwermetalle in Ausgangsstoffen

Wird nicht das Endprodukt untersucht, sondern nur die Ausgangsstoffe, darf die erlaubte tägliche Einnahme nicht durch die Summe der Verunreinigungen überschritten werden. Die Summe der Verunreinigungen ergibt sich aus den über alle Komponenten summierten Massenanteilen an Schwermetallen, bezogen auf die maximale tägliche Dosis.

 

Formel: PDE ≥ (∑M(cM × mM)) × DD

USP: Muss immer das Endprodukt getestet werden?

Das Testen des Endproduktes ist gemäss dieser Vorschrift nicht nötig, wenn der Hersteller mit validierten Prozessen und durchgängiger Überwachung der Zuliefererkette nachweisen kann, dass die Verunreinigungen in seinem Produkt nicht vorkommen. Der Hersteller muss jedoch nachweisen, dass im Herstellprozess keine weiteren Kontaminationen dazukommen können.

USP: Welche elementaren Verunreinigungen werden analysiert

Hochreines Wasser ist Grundvoraussetzung für qualitativ hochwertige Analysen
Hochreines Wasser ist Grundvoraussetzung für qualitativ hochwertige Analysen

Die USP listet Grenzwerte für 15 Schwermetalle. Dabei ist zu beachten, dass nicht immer alle untersucht werden müssen. Die Bestimmung beschränkt sich nach einer risikobasierten Abschätzung auf diejenigen Elemente, die entweder auf natürlichem Wege, durch Zugabe (z.B. Katalysatoren) oder ungewollt in das Endprodukt gelangen können. Ausgenommen davon sind die "Bad 4", Arsen, Blei, Cadmium und Quecksilber, die immer in die Risikobewertung mit einbezogen werden müssen.

Für Hilfs- und Wirkstoffe in pharmazeutischen Produkten, deren tägliche Dosis 10g/Tag nicht überschreitet, wurden Standardlimits für alle Verabreichungsformen festgelegt.

Wichtig: Zur Einhaltung der GMP-Konformität müssen alle Methoden produktspezifisch validiert werden.

Aktuell: Auch bei der ICH (International Conference on Harmonization) war das Testen auf elementare Verunreinigungen bereits Thema. Die Q3D Elemental Impurities Working Group hat dazu bereits eine pre-stage 2 Draft Guideline erfasst. Während die in Kapitel <232> aufgeführten Grenzwerte grösstenteils mit denen der Guideline konsistent sind, gibt es bereits Überlegungen, Kapitel <232> auf mehr Elemente auszuweiten. Alternativ ist die Erweiterung um ein informatives Kapitel angedacht, um die USP durch die Aufnahme weiterer Elemente geringer Toxizität in Einklang mit ICH Q3D zu bringen. (Referenz: Webinar „Only 12 months left to implement US Pharmacopeia chapters <232>, <233> & <2232> - will your laboratory be ready in time“, April 2013, D. Kutscher, M. Cassap)

Probenaufschluss

Zur Messung müssen Feststoff-Proben in gelöster Form (meist in wässriger Lösung) vorliegen. Ein Aufschluss beinhaltet fast immer eine zusätzliche Verdünnung der Probe und macht damit noch niedrigere Nachweisgrenzen nötig. Matrix-zerstörende Methoden reduzieren dabei matrix-bedingte Interferenzen bei der Messung.


In Abhängigkeit von Matrix oder Probe sind folgende Aufschlüsse gängig:

  • Lösen in wässrigem Medium (meist angesäuert)
  • Lösen in organischen Lösungsmitteln
  • Extraktion
  • Offene Aufschlüsse (Veraschen, Abrauchen,…)
  • Mikrowellenaufschlüsse – für hohen Durchsatz und hohe Temperatur
Probenaufschluss: Vorbereitung der Mikrowellenbehältnisse für den geschlossenen Aufschluss
Probenaufschluss: Vorbereitung der Mikrowellenbehältnisse für den geschlossenen Aufschluss

Spektrometrische Messtechniken

Atomabsorptionsspektrometrie (AAS)

Graphitrohr-AAS: Autosampler
Graphitrohr-AAS: Autosampler

Bei der AAS wird die Schwächung (Absorption) einer elementspezifischen Strahlung durch Wechselwirkung mit freien Atomen dazu benutzt, viele Elemente quantitativ und qualitativ zu bestimmen. Freie Atome können durch verschiedene Methoden generiert werden. Gängig sind Flamme (F), Graphitrohr (GR), Kaltdampf (CV) und Hydridgenerator (HG).

Bei der AAS handelt es sich auf Grund der eingestrahlten, elementspezifischen Strahlung um eine sehr selektive Methode, besonders in Kombination mit CV und HG. In Kombination mit GR, CV und HG ist die AAS empfindlicher, aber zeitaufwendiger. F-AAS weisst im Allgemeinen die geringste Empfindlichkeit auf, ist jedoch toleranter gegenüber einem hohen Anteil an Probenmatrix und bis zu 100% organischem Lösungsmittel.

Der grösste Nachteil der AAS liegt jedoch darin, dass die klassische AAS eine Einzelmethode ist, auch wenn jüngste Entwicklungen mit Breitbandstrahlern auch die AAS zur Multimethode machen können. Eine Bestimmung von vielen Elementen in derselben Probe ist somit zeitaufwändig.

Optische Emissionsspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICP-OES)

Bei der ICP-OES werden Atome, Ionen und Moleküle im hochenergetischen Plasma angeregt. Die Emission, die die Teilchen beim Relaxieren dann wieder abgeben, wird im Spektrometerteil aufgetrennt und detektiert.

Die ICP-OES bietet als Multimethode mit mittlerer Empfindlichkeit – abhängig von Element und Matrix – für viele Elemente stabile und quantitative Analysen bis ca. 10 ppb. Zur Überprüfung der Selektivität können zudem mehrere Emissionslinien parallel herangezogen werden. Da die Zahl der Emissionslinien jedoch auch zu Interferenzen führen kann, kann sich dies in manchen Fällen auch nachteilig auswirken. Generell liegt die Empfindlichkeit für viele Elemente weniger tief als bei GR-AAS oder ICP-MS. Als robuste Methode eignet sich die ICP-OES jedoch sehr gut zur quantitativen Elementbestimmung oder zu qualitativen Übersichtsanalysen bis in den mittleren Spurenbereich.

Massenspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICP-MS)

Elementanalytik: Messung von Schwermetallen am ICP-MS
Elementanalytik: Messung von Schwermetallen am ICP-MS

Bei ICP-MS werden die im induktiv gekoppelten Plasma generierten Ionen nach Sampling durch ein Interface im Hochvakuumteil des Spektrometers nach ihrem Masse-zu-Ladungsverhältnis aufgetrennt.
Trotz meist sequentieller Detektion handelt es sich um eine Multimethode, die sich auf Grund ihrer niedrigen Bestimmungsgrenzen vor allem zur Überprüfung vieler Spurenelemente empfiehlt.

Diese Methode ist insbesondere für die neuen Schwermetallprüfungen gemäss USP und EMEA überaus geeignet. Zur Messung muss jedoch stets eine höhere Verdünnung in Kauf genommen werden, da die hochempfindliche Methode weniger matrixtolerant ist als beispielsweise ICP-OES.

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ICP-MS: Optimierte Probeneinführung mit FAST-System
ICP-MS: Optimierte Probeneinführung mit FAST-System