引言
在小分子药物发现过程中，候选化合物很少能满足固体剂型所需的所有理想条件，这导致开发进程充满挑战。许多化合物在溶解度、稳定性等理化性质方面面临问题。通过共晶或盐形成等方法改变原料药形态，是增强溶解度、溶出速率、稳定性和吸湿性等理化性质的可行途径，且无需改变化学结构。盐形式通常是开发的首选，因为它可以增强可电离药物的纯度和粉末性质。值得注意的是，大约50%的上市药物是盐形式。近年来，服药依从性下降已成为一个日益受到关注的问题。研究表明，减少服用多种药物患者的剂量次数可以直接改善治疗效果。因此，含有多种成分的复方药物开发越来越受到重视。
甲氧苄啶（Trimethoprim， TMP）是一种抗菌剂，属于生物药剂学分类系统（Biopharmaceutics Classification System， BCS） II类药物，其低水溶性是一个重大挑战。为解决这一问题，已开展了基于TMP的多组分系统（包括盐和共晶）研究。近年研究表明，TMP与共晶形成剂或其他药物形成的多组分系统可以增强溶解度和抗菌活性。在临床实践中，TMP常与其他药物联合使用。TMP最常与磺胺类药物（如磺胺甲噁唑， SMX）以1:5的重量比联合给药。与之相对，磺胺噻唑（Sulfathiazole， STZ）作为一种磺胺类药物，存在五种多晶型物（I–V），每种多晶型物的稳定性随温度等条件变化。多晶型现象显著影响溶解度和稳定性，因此，对这些活性药物成分（Active Pharmaceutical Ingredients， API）采取晶体工程方法对于设计新剂型和开发有效治疗至关重要。尽管甲氧苄啶与磺胺甲噁唑的盐形式已有报道和充分研究，但本研究重点关注一种完全不同的组合：TMP与STZ。STZ在多种多晶型、热行为和氢键能力方面与SMX不同，使其成为探索具有独特理化特性的新型盐形式的理想候选。本研究旨在制备TMP–STZ复合物并分析其晶体结构，评估结构变化对API理化性质的影响，重点探究通过与磺胺噻唑形成盐和乙醇溶剂化物来改善甲氧苄啶的吸湿性和热稳定性。固态稳定性在确保可制造性和储存性能方面起着关键作用。
实验部分
材料
TMP（A型）和STZ（III型）购自东京化成工业株式会社。所有其他分析级溶剂和试剂均为商业购买，未经进一步纯化即使用。TMP和STZ的化学结构如图1所示。
样品制备
采用液体辅助研磨（Liquid-Assisted Grinding， LAG）方法制备TMP–STZ和TMP–STZ–EtOH的晶体样品。将TMP（0.05 mmol）和STZ（0.05 mmol）以1:1的摩尔比在研钵中研磨成细粉。对于制备无水TMP–STZ盐，加入五滴（约200 μL）甲醇，再研磨10分钟以获得细粉。对于制备TMP–STZ–EtOH晶体，加入五滴乙醇，再进一步研磨10分钟以获得细粉。
粉末X射线衍射测量
使用配备Cu–Kα辐射源（λ = 0.15418 Å， 45 kV， 200 mA）的SmartLab X射线衍射仪进行粉末X射线衍射（Powder X-ray Diffraction， PXRD）测量。PXRD图谱在2θ范围5–40°内收集，步长为0.02°。
单晶X射线衍射测量
TMP–STZ–EtOH的单晶X射线衍射数据在-93°C下收集。使用配备旋转阳极源和石墨单色器的R-AXIS RAPID II衍射仪，在ω扫描模式下进行测量。TMP–STZ的单晶XRD测量在173.14 °C下使用XtaLAB Synergy-i衍射仪进行。
差示扫描量热法和热量测量
使用Thermo plus EVO2-DSC 8230和Thermo plus EVO2-TG 8120 TG-DTA仪器分别进行差示扫描量热法（Differential Scanning Calorimetry， DSC）和热量（Thermogravimetric， TG）测量。DSC样品（2–3 mg）置于卷边的铝盘中，而TG样品（5–10 mg）置于敞口的铝盘中。在氮气气氛下，DSC测量以5 °C/min的速率从25 °C升温至200 °C，TG测量以10 °C/min的速率从25 °C升温至200 °C。使用空铝盘作为参比。
PXRD和DSC的同步分析
使用SmartLab衍射仪进行同步XRD和DSC测量，升温速率为5 °C/min。2θ范围为5–30°，扫描速率为40 min–1。使用单色化Cu–Kα辐射（λ = 0.15418 Å），发生器在45 kV和100 mA下工作。
傅里叶变换红外光谱
使用配备衰减全反射单元的傅里叶变换红外光谱（Fourier Transform Infrared Spectroscopy， FT-IR）仪获取样品红外光谱。记录的光谱是在25 °C、分辨率为4 cm–1时64次扫描的平均值。光谱采集波数范围为3600–600 cm–1。
动态蒸汽吸附
使用动态蒸汽吸附（Dynamic Vapor Sorption， DVS）仪在25 °C下测量蒸汽吸附等温线。每次实验使用约10 mg样品。所有样品在30 °C、氮气流速200 cm3/min下预处理2小时。随后，将样品暴露于不同分压的水蒸气中，在25 °C下保持相对湿度（Relative Humidity， RH）在0%至95%之间。每个分压下的平衡标准设定为15分钟内重量变化0.002%。
结果与讨论
晶体结构
通过重结晶法使用1:1摩尔比的TMP和STZ制备了TMP–STZ和TMP–STZ–EtOH的晶体。无水TMP–STZ盐通过甲醇重结晶获得，而TMP–STZ–EtOH通过乙醇重结晶获得。单晶结构分析结果如表1所示。TMP–STZ晶体被鉴定为正交晶系，空间群为Pbca，而TMP–STZ–EtOH复合物被确定为三斜晶系，空间群为p-1。晶体结构分析表明，在TMP–STZ和TMP–STZ–EtOH中，质子从STZ的磺酰胺基转移到TMP，表明两者都是盐晶体。在这两种结构中，STZ的磺酰胺和噻唑环的氮分别与TMP的氮形成氢键。这种氢键稳定且刚性，易于在这些分子之间形成。
TMP–STZ盐晶体
使用LAG方法以1:1摩尔比的TMP和STZ制备了TMP–STZ盐晶体。获得的晶体通过PXRD进行分析。如图2A(c)所示，TMP–STZ晶体的PXRD图谱在大约11.5°、17°和19°处显示出明显峰，这些峰在纯TMP或STZ的图谱中不存在。TMP在12°处有主峰，而STZ在22°和26°处有特征峰。这些原始峰的消失和新峰的出现表明形成了新的晶相。此外，如图2B(a)所示，模拟PXRD图谱与从单晶X射线衍射获得的模拟图谱匹配良好，证实形成了纯的TMP–STZ盐晶体。
TMP–STZ–EtOH晶体
图2A(d)显示了获得的TMP–STZ–EtOH晶体的PXRD图谱。获得的晶体在8.5°、14°和23°处显示出特征峰，这些峰在TMP或STZ各自的PXRD图谱中也不存在。这一结果表明形成了TMP–STZ–EtOH复合物的另一种晶相。如图2B(b)所示，PXRD图谱与从单晶结构分析衍生的模拟图谱匹配，证实形成了纯的TMP–STZ–EtOH晶体。
FT-IR测量
如图4所示，比较了TMP、STZ、TMP–STZ和TMP–STZ–EtOH的FT-IR光谱，以评估分子相互作用。TMP在1631和1588 cm–1处显示出特征吸收带，分别对应于NH2基团变形和芳香环伸缩振动。在3466 cm–1处观察到强的N–H伸缩带，在1263和1234 cm–1处分别识别出CH2基团变形和芳香带的C=N振动。STZ在3348和3315 cm–1处显示出宽的N–H伸缩带，在1493 cm–1处有C–N伸缩振动，在1320和1129 cm–1处分别有不对称和对称的O=S=O伸缩带。相比之下，TMP–STZ盐显示出TMP的N–H伸缩带（3466 cm–1）消失，同时磺酰胺O=S=O不对称和对称伸缩从1320和1129 cm–1下移至大约1312和1120 cm–1。这些光谱变化清楚地表明质子从STZ转移到TMP，证实了盐的形成。TMP–STZ–EtOH晶体显示出与TMP–STZ相似的变化，同时在3300–3400 cm–1处出现一个宽的谱带，归因于乙醇的O–H伸缩。此外，指纹区（1500–900 cm–1）与TMP–STZ相比显示出C–N和O–H相关谱带的移动，表明乙醇的掺入微妙地改变了晶格内的氢键环境。
热稳定性
如图5所示，TMP–STZ和TMP–STZ–EtOH的DSC和TG曲线揭示了反映其不同固态性质的独特热行为。对于TMP–STZ（图5A），DSC曲线在169.3 °C显示一个尖锐的吸热峰，在此温度之前无显著重量损失，表明无水盐的熔化。随后在200 °C以上观察到重量损失，表明化合物开始热分解。这可能归因于与纯TMP（约200 °C）和纯STZ相比熔点较低，导致因氢键减少而稳定性降低。相比之下，TMP–STZ–EtOH（图5B）在106.9 °C和127.0 °C处显示出两个吸热峰，均低于无水形式类似的165.4 °C处的熔化峰，即溶解盐的熔化。与TMP–STZ一样，在200 °C以上也观察到进一步的重量损失，表明分解开始。为确认这种去溶剂化和晶体转变，进行了XRD-DSC测量。图6显示，TMP–STZ–EtOH的XRD图谱在约110 °C时发生变化，另一个峰与TMP–STZ的PXRD峰重合。这表明在106至120 °C之间观察到的吸热峰对应于EtOH的去溶剂化以及从TMP–STZ–EtOH到TMP–STZ的相变。这种溶剂化和无水相之间的明确对应关系在药物-药物多组分晶体背景下尤为值得注意。尽管多晶型、溶剂化和水化在单一API晶体和API-共形剂体系中有广泛记录，但在药物-药物晶体中类似行为的报道极为有限。因此，无水相和结构表征的乙醇溶剂化物的共存，代表了药物-药物结晶体系中溶剂化现象的罕见实例，并突出了TMP和STZ之间独特的分子互补性。与先前报道的TMP–SMX盐相比，本研究中获得的TMP–STZ–EtOH复合物表现出独特的结构和理化行为。乙醇掺入晶格形成独特的氢键网络，显著降低了吸湿性，并将去溶剂化温度提高到100 °C以上。这些发现表明，在旨在改善复合物固态性质的盐设计策略中，乙醇可能发挥有希望的作用。
吸湿性测试
吸湿性是影响API稳定性的最关键因素之一。DVS提供了在不同相对湿度下化合物稳定性的信息，并传达了固体物种吸湿性质的信息。DVS对于比较一种固体形式与另一种形式的吸湿性数据特别有用。在该研究中，仅测量了水吸附等温线，因为未进行脱附。TMP–STZ（非溶剂化形式）表现出与理论预期基本一致的吸附行为；因此，仅吸附数据被认为足以评估吸湿性。吸附曲线显示，TMP–STZ–EtOH的吸湿性最低，其次是纯TMP、纯STZ和TMP–STZ（图7）。在TMP–STZ中，大多数亲水基团不参与晶体形成，更多游离亲水基团的存在被认为增加了吸湿性。相反，在TMP–STZ–EtOH复合物中，大多数亲水基团参与了晶体形成，留下较少的游离亲水基团，这可能降低了吸湿性。
结论
成功制备了TMP–STZ和TMP–STZ–EtOH，并通过单晶X射线结构分析确定了其晶体结构。单晶X射线结构分析和FT-IR证实TMP–STZ和TMP–STZ–EtOH是盐晶体。热分析表明，TMP–STZ具有较低的熔点。相比之下，TMP–STZ–EtOH表现出更低的熔点，这可归因于相对于独立形式，其氢键和稳定性降低。此外，TMP–STZ–EtOH显示出去溶剂化现象。熔点的降低归因于在去溶剂化过程中TMP–STZ转化为晶体，正如XRD-DSC分析所观察到的那样。在吸湿性测试中，TMP–STZ表现出比TMP和STZ更高的吸湿性，而TMP–STZ–EtOH显示出比TMP–STZ更低的吸湿性。这表明TMP–STZ由于较少的亲水基团用于氢键而具有更高的吸湿性，而TMP–STZ–EtOH由于更多亲水基团参与成键而表现出更低的吸湿性。TMP和STZ形成了一种盐晶体，与母体药物相比，其吸湿性降低，热稳定性提高。研究结果表明，通过盐形成进行结构修饰可以改善TMP的固态稳定性。这项工作为理解分子间相互作用如何影响API盐的物理稳定性提供了一个结构框架。
