Fortbildung-2011-11-mikrobiologische-Qualitaet-halbfester ...

PHARMAZEUTISCHE WISSENSCHAFT
Dr. Hagen Trommer, Hamburg
Die mikrobiologische Qualität
halbfester Formulierungen
Grundlagen, Anforderungen und Möglichkeiten der Gewährleistung
Halbfeste Arzneistoff-Zubereitungen besitzen im Vergleich zu anderen Arzneiformen (z.B. ihren
festen Pendants) durch den signifikanten Anteil der Vehikel am therapeutischen Effekt und weiteren
Besonderheiten per se eine Spezialstellung unter den Arzneimitteln. Auch der Prüfung mehr oder
minder durch die Vehikel determinierter, qualitätsbestimmender Merkmale von dermal zu applizierenden
Therapeutika kommt dementsprechend eine besondere Bedeutung zu.
8
Aufgrund dieses maßgeblichen Einflusses der Formulierungs-Grundlage
sollte die finale Rezeptur als Ergebnis umfassender relevanter
Prüfungen möglichst frühzeitig in der pharmazeutischen Entwicklung
feststehen. Formulierungsänderungen in späteren Entwicklungsphasen
verursachen unter Umständen die Wiederholung der kompletten,
bis dahin bereits durchgeführten klinischen Untersuchungen. Die von
festen Arzneiformen bekannte Vorgehensweise der Abarbeitung des
klinischen Programms (einfache Formulierungen zur Testung von Verträglichkeit
in Phase I und zur Dosisfindung in Phase II; Entwicklung
der endgültigen Marktformulierungen erst für die therapeutischen
Studien der Phase III) ist deshalb für Dermatika nur bedingt anwendbar
[1].
Die Hygiene als wichtiger Teilbereich der industriellen Pharmazie entwickelte
sich in den 1960er Jahren. Vorangegangen war eine Periode
der Erkenntniszunahme zur mikrobiellen Verunreinigung von Arzneimitteln,
die wiederum auf den wegweisenden Arbeiten aufbaute, die
ca. ein Jahrhundert zuvor zur Entwicklung der Hygiene als Teilgebiet
der Medizin geführt hatten [2]. Abbildung 1 illustriert ausgewählte
Meilensteine auf diesem Weg.
Im folgenden Beitrag sollen nach einer kurzen Darlegung der Grundlagen
die Vorgaben und Möglichkeiten zur Gewährleistung der mikrobiologischen
Qualität halbfester Dermatika detaillierter betrachtet
werden, eine Arzneiformenklasse, bei der diese Thematik neben den
Parenteralia bzw. den sterilen Arzneiformen allgemein von ganz besonderer
Relevanz ist.
Bedeutung der mikrobiologischen Stabilität
halbfester Formulierungen
Die Gewährleistung der mikrobiologischen Qualität halbfester Formulierungen
zur kutanen Anwendung ist ein Schlüsselthema, auf das,
wie einleitend angedeutet, bereits zu Beginn der pharmazeutischen
Entwicklung großes Gewicht gelegt werden sollte. Dies ist absolut
erforderlich, um auszuschließen, dass der Anwender des Dermatikums,
ein möglicherweise immunologisch bereits geschwächter Patient
mit zu behandelnder Dermatose, durch das Arzneimittel noch
weitere Schädigungen in Form mikrobieller Infektionen erleidet. Dies
ist umso wichtiger, da durch den Wassergehalt vieler topischer Dermatika
Mikroorganismen per se günstigere Bedingungen vorfinden
als zum Beispiel bei festen Arzneiformen. Darüber hinaus kann es
durch die Anwesenheit bestimmter Mikroorganismen in nicht sterilen
Zubereitungen zur Abschwächung oder sogar zur Inaktivierung der
therapeutischen Aktivität des Produkts kommen. Dies kann einerseits
im mikrobiellen Abbau der Wirkstoffe selbst begründet sein.
Andererseits ist jedoch auch die Instabilisierung der Arzneiform durch
mikrobielle Veränderung der Hilfsstoffe sehr wohl möglich. Entsprechend
hoch sind aus diesem Grund die Anforderungen an Durchführung
und Dokumentation von Prüfungen der mikrobiologischen Qualität,
von Tests auf ausreichende Konservierung und von
Untersuchungen zur Auswahl und Festlegung der Konzentration eines
Konservierungsmittels im finalen Produkt. Generell ist der pharmazeutische
Hersteller verpflichtet, durch Anwendung der bestehenden
Grundsätze der Good Manufacturing Practise (GMP) bei Herstellung,
Lagerung und Inverkehrbringen der Arzneimittel eine niedrige Ausgangskeimbelastung
der Formulierungen zu gewährleisten [3, 4].
Anforderungen an die mikrobiologische Qualität
halbfester Dermatika
Vorgaben zur Überprüfung der mikrobiologischen Qualität von Arzneimitteln
zur kutanen Applikation und der Bewertung der erzielten
Resultate macht das Europäische Arzneibuch (Pharm. Eur.) vor allem
in den Kapiteln 5.1.4. Mikrobiologische Qualität nicht steriler Zubereitungen,
2.6.12. Mikrobiologische Prüfung nicht steriler Produkte
(Zählung der gesamten vermehrungsfähigen Keime) und 2.6.13.
Nachweis spezifizierter Mikroorganismen [5].
Bei den genannten Sektionen gab es in der jüngeren Vergangenheit
Veränderungen aufgrund der sehr zu begrüßenden Harmonisierungsbestrebungen
zwischen Europa, Japan und den USA. Seit dem Stichtag
01.01.2009 gelten im Europäischen Arzneibuch die mit der US
Pharmakopöe (Kapitel 61, 62 und 1111 der USP) sowie dem Japanischen
Arzneibuch (Kapitel 35.1, 35.2 und 7 der JP) in Einklang gebrachten
Standards.
Damit fallen die hier betrachteten halbfesten Zubereitungen als Formulierungen
zur kutanen Anwendung entsprechend der neu erstellten
Gliederung und den daraus abgeleiteten Akzeptanzkriterien für
die mikrobiologische Qualität nicht steriler Darreichungsformen in
eine gemeinsame Kategorie mit den Formulierungen zur Anwendung
in der Mundhöhle, am Zahnfleisch, in der Nase und am Ohr. Als Akzeptanzkriterien
der Keimbelastung für diese Darreichungsformen
sind 10 2 koloniebildende Einheiten (KBE) pro g bzw. ml als Gesamtheit
aerober Mikroorganismen sowie 10 1 koloniebildende Einheiten
(KBE) pro g bzw. ml als Gesamtwert an Hefen und Schimmelpilzen
angegeben. Die Mikroorganismen Staphylococcus aureus und Pseu-
Abbildungen 1, 4, 5: Dr. Hagen Trommer

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Abbildung 1: Ausgewählte Meilensteine der Entwicklung von Mikrobiologie und Hygiene zu
wichtigen Bereichen der industriellen Pharmazie.
Abbildung 2: Schematische Darstellung der Vorgehensweise zur Keimzahlbestimmung
mittels Plattengussverfahren nach Pharm. Eur. - modifiziert nach [6].
domonas aeruginosa dürfen, wiederum bezogen auf eine Substanzmenge
von 1 g bzw. eine Volumeneinheit von 1 ml, nicht anwesend
sein [5].
Neben Nachweisprotokollen für diese beiden spezifizierten Keime
werden in Kapitel 2.6.13 der Pharm. Eur. überdies Untersuchungsmethoden
für Escherichia coli, Salmonellen, Clostridien und gegen Gallensalze
resistente gramnegative Bakterien aufgeführt mit – im Gegensatz
zu den nur in Europa geltenden Vorgängertexten des
Arzneibuches – nun detaillierteren Angaben zu den Untersuchungsbedingungen
(z.B. Selektivmedien und Bebrütungstemperaturen). Neu
hinzugekommen ist in der harmonisierten Version die Methode zur
Untersuchung auf Candida albicans, gestrichen wurde die Bestimmungsmethode
von Clostridium perfringens.
Die im Kapitel 2.6.12. des Europäischen Arzneibuches aufgeführten
Methoden zur Zählung der vermehrungsfähigen Keime haben durch
die Harmonisierung ebenfalls Änderungen und Erhöhungen des Detaillierungsgrades
erfahren. So wurden
die oben bereits verwendeten Maßzahlen
als Grundlage der Akzeptanzkriterien
neu eingeführt und deren jeweilige Bestimmungen
exakt definiert. Grundsätzlich
kann die Prüfung nach der
Membranfilter-Methode, dem Plattengussverfahren
oder dem Ausstrichverfahren
erfolgen. Abbildung 2 verdeutlicht
schematisch die wichtigsten Arbeitsgänge
bei der Keimzahlbestimmung
nach dem Plattengussverfahren entsprechend
Arzneibuchvorgaben [6]. Für die
Ermittlung der Gesamtzahl aerober Mikroorganismen
(TAMC – Total Aerobic Microbial
Count) muss ein Agarmedium mit
Casein- und Sojapepton (CASO) verwendet
werden, das 3-5 Tage bei 30-35°C
bebrütet wird. Zur Messung der Gesamtzahl
an Hefen und Schimmelpilzen
(TYMC – Total Combined Yeast/Mould
Count) ist nunmehr der Einsatz von Sabouraud-Dextrose-Agar
(SDA) ohne Zusatz
eines Antibiotikums und einer Bebrütungsdauer
von 5-7 Tagen bei
20-25°C vorgeschrieben. Neu in diesem Kontext ist ferner, dass auch
Ausgangsstoffe halbfester Dermatika (Wirk- und Hilfsstoffe), bei
denen in der Monographie keine mikrobiologische Prüfung verlangt
wird, Prüfungen hinsichtlich TAMC und TYMC unterzogen werden
müssen. Als Akzeptanzkriterien sind hierbei 10 3 KBE/g bzw. ml für
TAMC und 10 2 KBE/g bzw. ml für den TYMC-Wert gefordert.
Wesentlich weniger Spielraum lässt der harmonisierte Arzneibuchtext
bei der Beurteilung überhöhter Ergebnisse. Während bislang mit dem
Fünffachen des Akzeptanzkriteriums argumentiert werden konnte, ist
laut aktueller Vorgabe zur Ermittlung der maximal annehmbaren KBE-
Anzahl lediglich die Multiplikation mit Faktor 2 statthaft [5].
Prüfung auf ausreichende Konservierung
Während die im vorangegangenen Abschnitt dargelegten Anforderungen
vor allem die Einhaltung mikrobiologischer Grundsätze vor und
während der Herstellung halbfester Formulierungen sicherstellen sollen,
ist es überdies nötig, Vorkehrungen
zu treffen resp. Standards zu schaffen,
die den mikrobiellen Produktschutz während
der Verwendung des Arzneimittels
gewährleisten.
Sofern eine Formulierung nicht schon
selbst ausreichende antimikrobielle Eigenschaften
besitzt, kann dazu – besonders
bei mikrobiologisch anfälligen Systemen
mit hohen Wassergehalten (z.B.
O/W-Cremes) – eine Konservierung der
Zubereitung sinnvoll sein [7]. Wie jedoch
schon in den allgemeinen Ausführungen
zur mikrobiellen Qualität angedeutet
wurde, muss die Notwendigkeit der Konservierung
als Maßnahme zur Vermeidung
von Patientengefährdungen bzw.
des Verderbs der Zubereitung klar nachgewiesen
werden. Sie darf nicht etwa als
Ersatz für das Außerachtlassen von GMP-
Regularien und mangelnder Hygiene
während der Arzneimittelherstellung eingesetzt
werden [3, 8].
Die Prüfung auf ausreichende Konservierung
halbfester Formulierungen erfolgt
gemeinhin mit einem landläufig als
Keimbelastungstest (KBT) bezeichneten
9

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Abbildung 3: Der Schimmelpilz Aspergillus niger
A) Lichtmikroskopische Aufnahme bei 400-facher Vergrößerung -
modifiziert nach [11].
B) Eine durch den Mikroorganismus infizierte Küchenzwiebel -
modifiziert nach [12].
Abbildung 4: Häufig in Dermatika eingesetzte Konservierungsmittel,
sortiert nach Klassen.
Verfahren. Die von manchen Autoren verwendete synonym gemeinte
Bezeichnung Konservierungsmittelbelastungstest ist etwas unglücklich
gewählt, da der Qualitätsnachweis des ausreichenden Schutzes
vor unerwünschten Wirkungen durch mikrobielle Kontamination oder
Vermehrung von Mikroben während Lagerung und Anwendung des
Arzneimittels für die Formulierung in jedem Fall erbracht werden
muss, unabhängig davon, ob dafür ein zusätzliches Konservierungsmittel
vonnöten war oder nicht [1].
Bei einem KBT werden die Zubereitungen, falls möglich in ihrem
Endbehältnis, mit geeigneten Mikroorganismen kontaminiert. Hierfür
finden nach festgelegten Protokollen hergestellte, genau vorgeschriebene
Inokuli der jeweiligen Testkeime Verwendung. Die derart
beimpften Proben werden bei ebenfalls exakt vorgegebenen Temperaturen
gelagert und in bestimmten Zeitabständen auf die Anzahl der
Kontrollkeime analysiert [9, 10].
Als Problemkeim unter den Testmikroorganismen und damit häufig
maßgebend für das Ergebnis der Prüfung auf ausreichende Konservierung
erweist sich in vielen Fällen der Schimmelpilz Aspergillus
niger (Schwarzschimmel). Er hat seinen Namen von den dunklen,
nahezu schwarzen Sporen (Abbildung 3A – modifiziert nach [11]),
deren Bündel bei infizierten Organismen teilweise sogar mit bloßem
Auge zu erkennen sind (Abbildung 3B – modifiziert nach [12]), und ist
in der Lage, große Intervalle in Temperatur und pH-Wert ohne Einfluss
auf sein Wachstum zu tolerieren.
Detailliert beschrieben ist die KBT-Methodik im Kapitel 5.1.3 Prüfung
auf ausreichende Konservierung des Europäischen Arzneibuchs [5].
Auch diese Prüfung war Gegenstand der Harmonisierungsbestrebung
en zwischen den Behördenvertretern aus Europa, den USA und
Japan. Im Gegensatz zu den im vorigen Abschnitt besprochenen Verfahren
konnte für die Ausführung und vor allem die Ergebnisbewertung
des Keimbelastungstests keine Einigung erzielt werden, so dass
die Arbeit an der Harmonisierung dieses Verfahrens zunächst eingestellt
wurde.
Die Methode des Japanischen Arzneibuchs kann aufgrund von nur
minimalen Unterschieden als mit der USP-Methode identisch angesehen
werden [13]. Der tabellarische Vergleich (Tabelle 1) illustriert die
wesentlichen Unterschiede der Arzneibuchvorgaben zum Test in Europa
(Pharm. Eur., 5.1.3. Prüfung auf ausreichende Konservierung)
und den USA (USP, 51 Antimicrobial Effectiveness Testing). Abgesehen
von einem marginalen Unterschied bei der Auswahl der Testkeime
(die USP fordert zusätzlich die Belastung der Formulierungen
mit Escherichia coli, was in der Pharm. Eur. lediglich für orale Arzneiformen
erforderlich ist) liegt die Hauptdifferenz neben der vergleichsweise
erhöhten Anzahl an Prüfzeitpunkten in der Durchführung nach
der Pharm. Eur.-Methode vor allem in der Bewertung der Ergebnisse
[14, 15]. Dabei beinhaltet das Verfahren nach Europäischem Arzneibuch
eindeutig die strikteren, schwieriger zu erfüllenden Akzeptanzkriterien.
Dies war auch der Grund für die bislang nicht erfolgte Einigung
auf ein gemeinsames Protokoll. Ein harmonisiertes Verfahren
auf Basis der Pharm. Eur.-Akzeptanzkriterien würde die amerikanische
Zulassungsbehörde Food and Drug Administration (FDA) dazu
zwingen, für schon lange im Markt befindliche Topika (sogenannte
„Grandfather“-Produkte) detaillierte Schutz- bzw. Ausnahmevorschriften
zu erarbeiten, um zu verhindern, dass diese Produkte aufgrund
der härteren europäischen Kriterien zur ausreichenden Konservierung
nicht mehr marktfähig sind, obwohl sie sich als sicher und wirksam
erwiesen haben [16].
Konservierungsmittel für topische Dermatika
Abbildung 4 zeigt eine Auswahl häufig in Dermatika eingesetzter
Konservierungsmittel und ihre chemische Klassifizierung. Ingesamt
finden in etwa 40 Substanzen Verwendung zur Konservierung von
Arzneimitteln zur dermalen Applikation. Bei den kosmetischen Präparaten
zur Anwendung auf der Haut ist die Zahl der zulässigen Konservierungsmittel
rund doppelt so hoch [17, 18].
Die schädigende Wirkung der eingesetzten Chemikalien auf Mikroorganismen
liegt in der primären Toxizität dieser Stoffe begründet, also
in ihrer Fähigkeit, entweder an der Mikroben-Zellwand oder in ihrem
Zellinneren als Zellgift zu agieren. Dabei werden – meist in Abhängigkeit
von der eingesetzten Konzentration – mikrobistatische, d.h.
wachstumshemmende, und mikrobizide, d.h. den Zelltod der Mikroben
herbeiführende, Effekte unterschieden. Neben diesen Eigenschaften,
die den Sinn ihres Einsatzes begründen, gibt es viele weitere
Anforderungen an ein ideales Konservierungsmittel, die in ihrer Gesamtheit
keine der eingesetzten Substanzen zu erfüllen vermag [17,
18]. Diese sind vor allem physiologische Verträglichkeit, Kompatibilität
mit Wirk- und Hilfsstoffen, chemische Stabilität und ein möglichst
breites Wirkungsspektrum mit wenig Abhängigkeiten von Umgebungseinflüssen,
wie z.B. pH-Wert- oder Temperaturänderungen.
Die Phenolderivate gehören zu den ältesten zum Einsatz kommenden
Konservierungsmitteln. Ihre Wirkung ist an das Vorhandensein der
freien funktionellen Phenolgruppe geknüpft, wobei Chlorierungen
und Alkylierungen am Ring zu Wirkverstärkung führen. Als wesentlicher
Nachteil dieser Hilfsstoffe ist das Risiko von Kontaktekzemen
und Sensibilisierungen zu nennen. Dies hat unter anderem dazu geführt,
dass der Einsatz der Parabene (p-Hydroxybenzoesäureester),
als deren wichtigste Vertreter die hier abgebildeten Methyl- und Propylester
gelten, heutzutage eher kritisch zu bewerten ist und als nicht
ratsam erscheint. Lange Zeit galten diese Substanzen als Universalkonservierungsmittel
[4, 17].
Auch bei den Alkoholen, deren antimikrobieller Wirkmechanismus
Abbildungen 1, 4, 5: Dr. Hagen Trommer

Zertifizierte Fortbildung
mit denen der Phenole vergleichbar ist, sind bei dermalem Einsatz
besonders in höheren Konzentrationen Reizungen beschrieben worden.
Hinzu kommt die geringe chemische Stabilität der stärker wirksamen
chlorierten Alkohole, z.B. des hier angeführten Chlorobutanol,
und die Möglichkeit der Packmittelinteraktion vor allem der halogenierten
Verbindungen durch Absorption von beispielsweise Elastomeren.
Sowohl bei Phenolderivaten als auch bei den Alkoholen ist
die Wirksamkeit zum Teil sehr stark pH-abhängig mit einem strukturell
bedingten Wirkungsoptimum im sauren Bereich und nahezu vollkommener
Unwirksamkeit oberhalb pH 6 [17].
Ebenfalls im sauren Milieu (pH < 4,5) liegt die zur konservierenden
Wirkung notwendige Effektivität der beispielhaft in der Übersicht aufgeführten
Carbonsäuren Sorbinsäure und der aromatischen Benzoesäure.
Neben dem schmalen Wirkungsspektrum ist die Oxidationsanfälligkeit
dieser Derivate nachteilig.
Im Unterschied zu den bisher besprochenen Konservierungsmitteln
handelt es sich bei den quartären Ammoniumverbindungen (Quats)
um kationenaktive Tenside, deren antimikrobielle Wirkung in ihrer
Oberflächenaktivität begründet ist. Sie interagieren daher mit der
Mikroben-Plasmamembran und verändern deren Permeabilität in toxischem
Ausmaß, was die Breite ihres Wirkungsspektrums erklärt.
Eingeschränkt wird ihr Einsatz allerdings dennoch durch vielfältige
Möglichkeiten der Inkompatibilität, denen sie als Kationen unterworfen
sind [17, 18]. Hinzu kommen auch bei dieser Klasse allergische
Reaktionen und weitere Kontaktdermatitiden, wie sie für das abgebildete
Quaternium-15 (durch die Methenamin-Struktur zusätzlich zur
Wirkung als Quat noch ein potentieller Formaldehydabspalter), aber
auch für weitere Vertreter dieser Klasse (Benzalkoniumchlorid, Cetylpyridiniumchlorid
etc.) beschrieben wurden.
Schließlich existieren noch einige weitere als Konservierungsmittel
für halbfeste Dermatika eingesetzte Verbindungen, bei denen eine
eindeutige Klassenzuordnung allerdings schwieriger ist. So ähnelt
beispielsweise Chlorhexidin, das als Dihydrochlorid, Diacetat und
Digluconat verwendet wird, sowohl in Wirkmechanismus als auch bei
den Nachteilen den quartären Ammoniumverbindungen. Es besitzt
einen vergleichsweise geringeren Tensidcharakter, weist jedoch nahezu
identische Inkompatibilitäten und ebenfalls ein gewisses Allergenisierungspotential
auf [17]. Darüber hinaus hat es ebenfalls die
den Quats eigene Wirkungslücke gegenüber verschiedenen hydrophilen
Viren sowie einigen gramnegativen Bakterien, so dass oftmals ein
Einsatz lediglich als synergistisches Konservierungsmittel in Verbindung
mit anderen Substanzen möglich ist.
Abbildung 5: Einige in Dermatika eingesetzte Hilfsstoffe
mit antimikrobieller Potenz
Die Kombination von Konservierungsmitteln verschiedener Klassen
kann als genereller Trend auf dem Gebiet der klassischen Konservierung
beobachtet werden. Neben der Verbreiterung des mikrobiellen
Wirkungsspektrums im Vergleich zu den Monosubstanzen liegt der
Hauptgrund dafür in der Verringerung des Auftretens von Hautirritationen
und Kontaktdermatitiden – unerwünschte Nebenwirkungen,
die als klar konzentrationsabhängig bekannt sind. Durch Nutzung
von Synergismen gelingt es meist, die Konzentrationen der Einzelsubstanzen
zu verringern und damit die Wahrscheinlichkeit derartiger
Reaktionen einzudämmen.
Vor allem die bei den jeweiligen Verbindungsklassen aufgeführten
Nachteile verdeutlichen anschaulich, dass es einerseits kein universell
anwendbares Konservierungsmittel für Dermatika gibt, andererseits
erscheinen die vielfältigen Bestrebungen einer möglichst kompletten
Vermeidung der klassischen Konservierung von kutan zu
applizierenden Arzneiformen und die Suche nach alternativen Möglichkeiten
zur Gewährleistung der mikrobiellen Stabilität nun in
einem klareren Licht.
Pharm. Eur. 6.0 (2008) USP 31 (2008)
Testkeime
Pseudomonas aeruginosa
Staphylococcus aureus
Candida albicans
Aspergillus niger
Pseudomonas aeruginosa
Staphylococcus aureus
Candida albicans
Aspergillus niger
Escherichia coli
Durchführung Keimzahlbestimmung nach 0, 2, 7 ,14 und 28 Tagen Keimzahlbestimmung nach 0, 2, 7 ,14 und 28 Tagen
Akzeptanzkriterien
für Dermatika
Kategorie A
Keimzahlminderung um 2 Log-Stufen nach 2 Tagen und 3
Log-Stufen nach 7 Tagen sowie keine Zunahme für Bakterien
Keimzahlminderung um 2 Log-Stufen nach 14 Tagen sowie
keine Zunahme der Keimzahl nach 28 Tagen für Pilze
Kategorie B
Keimzahlminderung um 3 Log-Stufen nach 14 Tagen sowie
keine Zunahme der Keimzahl nach 28 Tagen für Bakterien
Keimzahlminderung um 1 Log-Stufe nach 14 Tagen sowie
keine Zunahme der Keimzahl nach 28 Tagen für Pilze
Keimzahlminderung von mindestens 2 Log-Stufen nach
14 Tagen sowie keine Zunahme der Keimzahl nach 28
Tagen für Bakterien
keine Zunahme der Keimzahl nach 14 Tagen sowie nach
28 Tagen für Pilze
Tabelle 1: Vergleich der Testmethoden zur Prüfung auf ausreichende Konservierung im Europäischen (Pharm. Eur.) und Amerikanischen
Arzneibuch (USP)
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Abbildung 6: Logarithmische Keimreduktion des Testkeims Aspergillus
niger bei einer O/W-Standardemulsion in Anwesenheit
der angegebenen Glycol-Konzentrationen nach 7, 14 und
28 Tagen relativ zur glycolfreien Formulierung – modifiziert
nach [22]
A) Keimbelastungstest der Formulierung mit 1,2-Pentandiol
B) Keimbelastungstest der Formulierung mit 1,2-Hexandiol
Alternative Möglichkeiten der mikrobiologischen Stabilisierung
Die Attribute „konservierungsmittelfrei“, „hypoallergen“, „parabenfrei“
oder „selbstkonservierend“ – vielfältig lediglich im Sinne von
„frei von den klassischen chemischen Substanzen zur Konservierung“
verwendet – werden in der heutigen Zeit vor allem im Bereich der
dermalen Kosmetika werbewirksam für Konzepte eingesetzt, die ihrerseits
wiederum Anlass zu kontroverser Diskussion geben. Die folgenden
beiden Abschnitte erläutern die grundlegenden Prinzipien
der mikrobiellen Stabilisierung halbfester Zubereitungen unter Verzicht
auf klassische chemische Konservierungsmittel.
Antimikrobielle Wirkstoffe
Diverse Erkrankungen des Hautorgans haben ihre Ursachen in einem
Befall durch Mikroorganismen bzw. in einer Störung der natürlichen
Hautflora zugunsten bestimmter Mikroben. Zur Behandlung werden
daher folgerichtig Formulierungen eingesetzt, die bereits mikrobizide
Wirkstoffe enthalten und bei denen zum Teil eine zusätzliche Konservierung
im klassischen Sinne nicht mehr nötig ist.
Als Beispiel hierfür seien antibiotisch wirksame Zubereitungen genannt,
die die Arzneistoffe Erythromycin, Gentamicin oder Oxytetracyclin
enthalten. Auf zusätzliche Konservierung kann vor allem dann
verzichtet werden, wenn die Formulierungen wenig oder gar kein
Wasser enthalten. Bei stark wasserhaltigen O/W-Emulsionen reicht
die Konzentration der antibiotischen Wirkstoffe jedoch oft nicht aus,
um die mikrobiologische Stabilität über die gesamte Laufzeit des
Präparats sicherzustellen [19]. Demzufolge muss beispielsweise das
hydrophile Metronidazol-Gel 0,75% nach DAC (NRF 11.65) zusätzlich
mit 0,1% Kaliumsorbat versehen werden, da sonst aufgrund des Wassergehaltes
von über 93% trotz des Metronidazol-Gehaltes von
0,75% eine längere, über sieben Tage hinausgehende mikrobiologische
Haltbarkeit nicht gewährleistet werden könnte [19]. Gleiches
trifft für Unguentum Oxytetracyclini 1% zu (diese 1%ige Oxytetracyclinhydrochlorid-Emulsion
ist eine Standardrezeptur gemäß SR 90-Vorschriften),
die aufgrund des extrem hohen Wassergehaltes mit Methyl-
und Propylparaben konserviert ist [20].
Eine Konservierung trotz antiinfektiven Wirkstoffes ist selbstverständlich
auch dann dringend erforderlich, wenn die Formulierung
zwar einen entsprechenden Arzneistoff enthält, dieser jedoch nicht
das gesamte Spektrum des nötigen mikrobiologischen Schutzes abdeckt.
Als Standardbeispiele seien hier die moderneren Antimykotika
angeführt. So werden Cremes mit dem Wirkstoff Terbinafinhydrochlorid
zur Behandlung von Pilzinfektionen, die zudem ebenfalls O/W-
Charakter besitzen, meist mit Benzylalkokol konserviert. Bei einigen
Fertigarzneimittel-Cremes mit dem Antimykotikum Bifonazol erfolgt
die Konservierung mit Chlorhexidindigluconat.
Nachdem sowohl auf antibiotisch als auch auf antimykotisch wirksame
Substanzen eingegangen wurde, soll abschließend auf Formulierungen
mit Antiseptika hingewiesen werden, also auf topische
Dermatika zur Therapie infektiöser bzw. superinfizierter Dermatosen
[19]. Bei dieser Klasse bedient man sich vor allem aus der Gruppe der
bereits vorgestellten Konservierungsmittel, die als Antiseptika allerdings
in einer höheren Konzentration Verwendung finden. Dazu gehören
Chlorhexidin, das halogenierte Phenolderivat Triclosan, die
quartäre Ammoniumverbindung Benzalkoniumchlorid ebenso wie die
noch nicht genannten Antiseptika Ethacridinlactat, 8-Hydroxychinolin,
Polyvinylpyrrolidon-Jod, Polihexanid, Octenidindihydrochlorid und
weitere Verbindungen [17, 19].
Antimikrobiell wirksame Hilfsstoffe
Die vorangegangenen Ausführungen haben verdeutlicht, dass Pauschalaussagen
zur mikrobiellen Stabilität halbfester Dermatika meist
nicht möglich sind, sondern dass es sich in der Mehrzahl der Fälle um
ein Konservierungs-System handelt. Das bedeutet, bei der Festlegung
der Maßnahmen zur Sicherstellung der regulatorisch geforderten
mikrobiellen Qualität müssen stets Gesamtformulierung und multifaktorielle
Beiträge zur Konservierung betrachtet werden. Diese
können sich aus klassischen Chemikalien, antimikrobiell wirksamen
Arzneistoffen sowie eben auch aus Vehikelbestandteilen mit antimikrobieller
Potenz zusammensetzen.
Derartige Hilfsstoffe (siehe Abbildung 5) sind beispielsweise die
mehrwertigen aliphatischen Alkohole vom Typ des Propylenglycols,
eine in jedem Verhältnis mit Wasser mischbare Flüssigkeit. Diese
Verbindungen (Propylenglycol, Butylenglycol, Pentylenglycol, Hexylenglycol
u.a.) wirken einerseits in pH-neutraler Weise selbst antimikrobiell
und tragen andererseits synergistisch mit klassischen Konservierungsmitteln
zur mikrobiologischen Stabilität bei. Als
Mechanismus für diesen Synergismus wird die Verbesserung der Löslichkeit
des Konservierungsmittels in der Wasserphase und damit die
Begünstigung des Verteilungsgleichgewichts diskutiert [19, 21].
Das Standardbeispiel für die antimikrobielle Wirkung des Propylenglycols
und eine sich daraus ergebende Möglichkeit zum Verzicht auf
weitere Konservierung (sofern keine weitere Wassereinarbeitung erfolgt)
ist die amphiphile Basiscreme nach DAC. Sie enthält 40%
Wasser und 10% Propylenglycol. Für die mikrobielle Stabilität ist
jedoch die auf die Wasserphase bezogene Konzentration des Alkohols
von Interesse, die in diesem Fall 20% beträgt und somit die
Emulsion sicher vor mikrobiellem Verderb schützt [19, 22].
Abbildung 6 illustriert die antimikrobielle Potenz verschiedener
Konzentrationen der beiden Glycole 1,2-Pentandiol (Pentylenglycol)
und 1,2-Hexandiol (Hexylenglycol) hinsichtlich ihres Vermögens,
den Problemkeim Aspergillus niger nach Beimpfung einer O/W-Standardemulsion
zu reduzieren [23]. Die Daten sind relativ zur glycolfreien
Formulierung im Diagramm abgebildet. Erkennbar ist die
Abbildungen 1, 4, 5: Dr. Hagen Trommer

Zertifizierte Fortbildung
höhere Wirksamkeit des Hexylenglycols (Abbildung 6B) im Vergleich
zum Pentylenglycol (Abbildung 6A) in der dargestellten Studie. Aus
den experimentell ermittelten Werten errechneten die Autoren die
Konzentrationen, die zur Erreichung von Kriterium A im Keimbelastungstest
nach Pharm. Eur. (Keimreduktion um 2 Log-Stufen) benötigt
werden [23]. Im Falle des Pentylenglycols sind dies 5% des Alkohols
in der Emulsion, während bei Einsatz von Hexylenglycol 2,6%
ausreichen.
Weitere Hilfsstoffe mit antimikrobieller Wirksamkeit sind die Macrogole,
das eher schwach wirksame Zinkoxid sowie Harnstoff in einer
Konzentration ab 10%, bezogen auf die Wasserphase [19].
Eine andere Möglichkeit, die mikrobiologische Stabilität halbfester
Zubereitungen sicherzustellen, ist die Schaffung extremer, für Mikroben
ungünstiger pH-Bedingungen. Das bedeutet in praxi entweder
sehr hohe oder auch sehr niedrige pH-Werte, wodurch diese Option
in der dermalen Therapie nur eingeschränkt anwendbar ist [19, 21].
Die Herabsetzung der Wasseraktivität – Maß für das den Mikroorganismen
für ihre Wachstumsprozesse zur Verfügung stehende freie
Wasser – stellt eine weitere Variante der mikrobiologischen Stabilisierung
dar. Verschiedene Hilfsstoffe sind in der Lage, die Wasseraktivität
zu verringern, wie beispielsweise Glycerol, Sorbitol, Säuren,
Basen, bestimmte anorganische Salze und wiederum Propylenglycol
[17, 19, 21].
Damit in gewissem Zusammenhang steht die Erhöhung der osmotischen
Aktivität der Wasserphase, die sich gleichsam negativ auf das
Mikrobenwachstum auswirkt. So haben Formulierungen hoher osmotischer
Wasserphasenaktivität, wie das 23% Natriumchlorid enthaltende
Starksolegel, auch ohne klassische Konservierung eine ausreichende
mikrobielle Stabilität [19].
Schließlich kann die mikrobiologische Stabilisierung durch Verwendung
chelierender Hilfsstoffe gesichert werden. Der Wirkmechanismus
des Natriumsalzes der Ethylendiamintetraessigsäure (EDTA), des
am häufigsten verwendeten Komplexbildners für zwei- oder mehrwertige
Metallkationen, ist wiederum multifaktoriell. Durch Bindung von
Übergangsmetallionen, die zur Katalyse von Oxidationen nötig sind,
wirken die Chelatoren einerseits antioxidativ und somit chemisch stabilisierend.
Im Sinne der Mikrobiologie kommt ihrem Einsatz andererseits
dahingehend Bedeutung zu, dass mehrwertige Metallionen
ebenfalls wichtige Enzym-Kofaktoren darstellen, die vor allem gramnegative
Bakterien zur Aufrechterhaltung ihrer Zellmembranintegrität
benötigen [17, 21]. Die Komplexbildner wirken damit synergistisch mit
konventionellen Konservierungsmitteln.
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[10] Denyer SP, Baird RM: Guide to Microbiological Control in Pharmaceuticals
and Medical Devices. Boca Raton, CRC Press, 2007
[11] http://www.schimmel-schimmelpilze.de/images/aspergillus-niger-1.jpg
[12] 123rf.com – lizenzfreie Stockfotos: http://de.123rf.com/photo_
832375_eine-zwiebel-mit-einer-strengen-plage-der-schwarzen-formaspergillus-niger-eine-pilzartige-krankheit.html
[13] United States Pharmacopeia/The National Formulary (USP 31/NF
26). Rockville, MD, USA, The United States Pharmacopeial Convention,
2008
[14] Orth D Preservative Efficacy Testing. A review of various testing
methods and their reliability. Cosmetics and Toiletries 1997;112,59- 62
[15] Sutton SVW, Porter D Development of the Antimicrobial Effectiveness
Test as USP Chapter . PDA J Pharm Scie Technol
2002;56,300-311
[16] Sutton S Overview of Pharmaceutical Regulations that Apply to
Microbiologists. http://microbiol.org/pmflist_files/aai_regs.ppt, 2009
[17] Voigt R: Pharmazeutische Technologie. Für Studium und Beruf.
Stuttgart, Deutscher Apotheker Verlag, 2010
[18] Bauer KH, Frömming KH, Führer C: Lehrbuch der Pharmazeutischen
Technologie. Stuttgart, Wissenschaftliche Verlagsgesellschaft
mbH, 2006
[19] Garbe C, Reimann H: Dermatologische Rezepturen. Schlüssel zur
individualisierten topischen Therapie. Stuttgart, Georg Thieme Verlag,
2005
[20] SR. Standardrezepturen für den Arzt und den Apotheker. München,
Urban & Fischer Verlag, 1999
[21] Kabara JJ, Orth DS: Preservative-free and Self-preserving Cosmetic
and Drug Products. Principles and Practise. New York, Marcel
Dekker Inc., 1997
[22] Deutscher Arzneimittel-Codex/Neues Rezeptur-Formularium (DAC/
NRF). Eschborn, Govi-Verlag, 2009
[23] Ibarra F, Jänichen J, Petersen W Wirksamkeiten unterschiedlicher
1,2-Alkandiole als antimikrobielle Agentien. SOFW Journal
2008;4,40-48
Der Autor
Dr. Hagen Trommer
studierte in Halle/Saale Pharmazie. Nach Approbation und Diplom wurde er dort 2002 zum Dr. rer. nat. promoviert.
Von 1998 bis 2002 war er wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Pharmazeutische Technologie und Biopharmazie
der Martin-Luther-Universität mit Forschungsschwerpunkt „Biomolekülschädigungen der Humanhaut durch
UV-induzierten oxidativen Stress“, zu dem zahlreiche Veröffentlichungen vorliegen. Von 2002 bis 2006 war Dr. Trommer
bei Bayer Healthcare tätig. Seit 2007 ist er als Leiter Galenik und Herstellungsleiter für die Fertigung klinischer
Prüfmuster in der Entwicklungsabteilung von Almirall Hermal beschäftigt. Der ausgebildete Fachapotheker für Pharmazeutische
Technologie, Pharmazeutische Analytik sowie Arzneimittelinformation engagiert sich als Referent in der Fachapotheker-Weiterbildung
und als Gastdozent in der universitären Pharmazeuten-Ausbildung.
Korrespondenz:
Dr. Hagen Trommer, Doktorberg 36, 21029 Hamburg, E-mail: hagen.trommer@pharmazie.uni-halle.de
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Fortbildungs-Fragebogen 11/2011 Faxnummer: 02 08 / 6 20 57 41
Mit dem Apotheken Magazin Fortbildungspunkte sammeln
Das Apotheken Magazin veröffentlicht in jeder Ausgabe einen speziellen Fortbildungsartikel und einen dazu gehörigen Fortbildungsfragebogen,
für dessen richtige Ausfüllung und Einsendung jeder Einsender einen von der Bundesapothekerkammer Berlin akkreditierten Fortbildungspunkt
erhalten kann. Zusätzlich sind im gesamten Heft Beiträge enthalten, die als Fortbildungsbeiträge gekennzeichnet sind. Zur Gesamtheit dieser
Beiträge gibt es einen weiteren Fragebogen, den Sie als Abonnent des Apotheken Magazins ebenfalls an den Verlag faxen und für den Sie einen
weiteren Fortbildungspunkt erhalten können. Pro Frage auf beiden Fragebögen ist stets nur eine Antwort richtig. Die Lösungen werden Ihnen
zusammen mit dem Fortbildungspunkt mitgeteilt. Wenn Sie in jeder Ausgabe des Heftes beide Fortbildungsfragebögen bearbeiten, können Sie
sich übers Jahr insgesamt 20 Fortbildungspunkte aus der Kategorie „Bearbeiten von Lektionen“ (rezertifiziert durch die Bundesapothekerkammer,
Veranstaltungs-Nr.: BAK 2011/006) sichern. Bitte tragen Sie unbedingt Ihre Postanschrift und Ihre Telefon-Nummer (für evtl. Rückfragen) lesbar
in die Fragebögen ein! Die Faxnummer lautet: 02 08 / 6 20 57 41.
1. Warum ist die Gewährleistung der mikrobiologischen Stabilität bei
halbfesten Dermatika so bedeutsam?
A) Wegen ihrer Einsatzfähigkeit für sämtliche Erkrankungen
B) Aufgrund ihrer niedrigen Viskosität und ausgeprägten
Fließfähigkeit
C) Wegen ihrer plastischen Verformbarkeit
D) Zur Vermeidung mikrobieller Infektionen beim Patienten und zur
Gewährleistung der therapeutischen Wirksamkeit der Zubereitungen
2. Was war der Grund für die Veränderung der diesbezüglichen
Arzneibuchvorgaben in der jüngeren Vergangenheit?
A) Die vielen Arzneimittelzwischenfälle aufgrund der mangelhaften
mikrobiologischen Stabilität von Dermatika in der letzten Dekade
B) Die Harmonisierungsbestrebungen zwischen Europa, Japan
und den USA
C) Die Auflagen der deutschen Zulassungsbehörde
D) Die EHEC-Infektionen der letzten Monate
3. Welches sind die Akzeptanzkriterien der Keimbelastung bei halbfesten
Dermatika für die Gesamtheit an anaeroben Mikroorganismen
und die Gesamtheit an Hefen/Schimmelpilzen, ausgedrückt in koloniebildenden
Einheiten (KBE) pro g bzw. ml?
A) 10 2 für Anaerobier, 10 1 für Hefen/Schimmelpilze
B) 10 20 für Anaerobier, 10 10 für Hefen/Schimmelpilze
C) 10 50 für Anaerobier, 10 5 für Hefen/Schimmelpilze
D) 10- 2 für Anaerobier, 10 -1 für Hefen/Schimmelpilze
4. Was darf nicht der Grund für die Konservierung eines halbfesten
Dermatikums sein?
A) Die Sicherung der mikrobiologischen Qualität der Zubereitung
B) Die Verhinderung von Schäden beim anwendenden Patienten
C) Die Vernachlässigung von GMP-Regularien und mangelnde Hygiene
während der Produktion
D) Schutz des Wirkstoffes vor Inaktivierung durch Mikroorganismen
5. Wie erfolgt die Durchführung des Keimbelastungstests (KBT)
grundsätzlich?
A) Konnektivitäts-Test, Erosivität-Index-Bestimmung, Leitfähigkeits-
Untersuchung
B) Kontamination der Formulierung mit festgelegten Mikroorganismen-Inokuli,
Lagerung bei festgelegten Temperaturen, Analyse der
Kontrollkeime nach bestimmten Protokollen
C) Mechanoluminiszenz-Experiment, Chemotaxis-Analyse, Chemiluminiszenz-Konstantenberechnung
nach Hirschgarten
Berufsbezeichnung: Apotheker/in PTA
D) Kohärenzuntersuchung der Formulierung, Isotopieauslöschungs-
Test, Heterophorie-Grenzwertbestimmung
6. Was sind die Anforderungen an ein ideales Konservierungsmittel?
A) Hoher g-Faktor, mittlerer HLB-Wert, Pseudo-Polymorphie,
niedriger Seebeck-Koeffizient
B) Strukturviskosität, hoher Brechungsindex, niedriger Hausner-
Faktor, kleines ψ*
C) Autosterilität, hohe spezifische Wärmekapazität, negative
Anzengruber-Konstante
D) Physiologische Unbedenklichkeit, chemische Stabilität,
breites Wirkspektrum, Kompatibilität mit Wirk- und Hilfsstoffen
7. Welches sind verbreitete Nebenwirkungen von Konservierungsmitteln
in halbfesten Dermatika?
A) Cushing-Syndrom und Morbus Crohn
B Dysfunktionale Kognitionen und inguinale Lymphadenopathien
C) Hautirritationen und Kontaktdermatitiden
D) Morbus Meulengracht und idiopathische Fazialisparese
8. Welche grundlegenden Alternativen zum Einsatz klassischer
chemischer Konservierungsmittel gibt es bei Dermatika zur kutanen
Applikation?
A) Antimikrobiell effektive Wirk- und Hilfsstoffe
B) Mannich-Basen und Brönstedt-Säuren
C) Rosenmund-Addukte und Wolf-Kishner-Edukte
D) Rensenbrink-Metalle und Lanthanide
9. Welches sind typische Hilfsstoffe mit antimikrobieller Potenz, die in
halbfesten Dermatika Verwendung finden können?
A) 3-Arylhydrazo-2,3,4-triketoester B) Pyridinium-Ylide
C) Violette Hydraziniumsalze
D) Mehrwertige aliphatische Alkohole
10. Welche weiteren Möglichkeiten zur Sicherstellung der
mikrobiologischen Stabilität halbfester Zubereitungen gibt es?
A) Aussalzen des Grundgerüstes, Veraschen der Lipidphase,
Sublimieren der Wirkstoffe
B) Reduktion des Ostwald-Koeffizienten, Einstellung einer
subakuten Otoxizität
C) Senkung der Wasseraktivität, Erhöhung der osmotischen Aktivität
der Wasserphase, Komplexierung von Mikroorganismen-Enzym-
Kofaktoren
D) Verdampfen des Kristallwassers, Erhöhen der
Baeyer-Ringspannung, Maximieren des positiven M-Effektes
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