ICH Q2 – The Challenge of Measuring Total Organic Carbon in Modern Pharmaceutical Water Systems

ICH Q2

Die Internationale Konferenz zur Harmonisierung (International Conference on Harmonization, ICH) hebt in ihrem „Validierung von Analyseverfahren“² Merkmale hervor, die bei der Validierung der Analyseverfahren zu berücksichtigen sind. Der Leitfaden enthält Begriffe und Definitionen, die dazu dienen, die Unterschiede zwischen verschiedenen Kompendien und Regulierungsbehörden der EU, Japan und den USA zu überbrücken. Benutzer von TOC-Analysatoren zur Messung von Verunreinigungen in Wässern pharmazeutischer Qualität sind die Hinweise und Anleitungen möglicherweise nützlich.

KBB-Analyse

DieTOC-Analyse in pharmazeutischem Wasser ist ein unspezifischer Test. Sie kann das Gewicht von Kohlenstoff (in Teilen pro Milliarde (ppb), der aus organischem Material im Wasser gewonnen wird, effektiv angeben, kann aber nicht zwischen verschiedene Typen von organischem Material unterscheiden. Darüber hinaus kann sie nicht die tatsächliche Menge des vorhandenen organischen Materials angeben, da die Menge des Kohlenstoffs in einem organischen Molekül zwischen verschiedenen organischen Materialien variiert. Zum Beispiel enthält ein Saccharose-Molekül 12 Kohlenstoffatome, während ein Molekül Methanol nur ein Kohlenstoffatom enthält. Wenn ein TOC-Analysator einen Gesamt-OC-Wert von 100 ppb meldet, kann dies bedeuten, dass das Wasser eine große Anzahl von Molekülen eines organischen Materials enthält, das nur sehr wenige Kohlenstoffatome aufweist, oder es kann sein, dass eine viel geringere Anzahl von Molekülen mit einer größeren Anzahl von Kohlenstoffatomen pro Molekül vorhanden ist.

Gesamter organischer Kohlenstoff (Total Organic Carbon): TOC
Gesamter Kohlenstoff (Total Carbon): TC
Gesamter anorganischer Kohlenstoff (Total Inorganic Carbon): TIC

Messgenauigkeit

Alle TOC-Analysatoren, die üblicherweise in pharmazeutischen Wassersystemen eingesetzt werden, haben das Ziel, das im Wasser³ vorhandene organische Material zu oxidieren und dann das resultierende Kohlendioxid zu messen, das von dem oxidierten organischen Molekül freigesetzt wird. Einige Analysatoren messen dieses Kohlendioxid in der Gasphase, andere in der gelösten Phase. Die drei häufigsten Methoden zur Oxidation des organischen Kohlenstoffs sind (1) Exposition gegenüber ultraviolettem (UV-)Licht, (2) Persulfat in Gegenwart von UV-Licht oder (3) Verwendung eines Hochtemperatur-Verbrennungssystems.

ICH Q2 diskutiert die Messgenauigkeit und schlägt zum einen vor, dass die Genauigkeit abgeleitet werden kann, sobald Präzision, Linearität und Spezifität ermittelt wurden, und zum anderen, dass die Linearität unter Verwendung von mindestens 5 Konzentrationen des nachverfolgbaren Standards ermittelt wird.

Der Gemeinsame Ausschuss für Leitfäden in der Metrologie weist in seinem „Leitfaden zum Ausdruck von Messunsicherheit“⁴ darauf hin, dass mit zunehmender Komplexität einer Messung die Messunsicherheiten allein aufgrund der größeren Anzahl von Näherungen und Annahmen zunehmen. Dies wirkt sich auf die Genauigkeit und die Fähigkeit des Analysators aus, sehr niedrige Analytkonzentrationen zu messen.

Spezifische Herausforderungen

Die Internationale Konferenz zur Harmonisierung hebt in ihrem „Validierung von Analyseverfahren“² die Notwendigkeit hervor, dass ein Analyseverfahren Spezifität aufweisen muss, d. h. „die Fähigkeit, den Analyten in Gegenwart von Komponenten, deren Vorhandensein erwartet werden kann, eindeutig zu bewerten“³. Eine große Herausforderung bei der Messung von Kohlendioxid aus organischem Material im Wasser besteht darin, dass pharmazeutische Wasser auch relativ große Mengen an anorganischem Gesamtkohlenstoff (Total Inorganic Carbon, TIC) in Form von Carbonaten und gelöstem Kohlendioxidgas enthalten. Das ist hauptsächlich auf die erhöhte Konzentration von gelöstem Kohlendioxidgas im Wasser zurückzuführen, die durch den Umkehr-Osmoseprozess (Reverse Osmose Process, RO) bei der Herstellung von pharmazeutischem Wasser verursacht wird. Dies kann sich sowohl auf die Empfindlichkeit als auch die Spezifität des Erkennungssystems auswirken, insbesondere wenn versucht wird, Wasser mit sehr niedrigem TOC-Gehalt bei einer hohen Konzentration von TIC zu messen. Diese Anomalie wird bei den TOC-Analysatoren hervorgehoben, die mehrere Sensoren zur Messung von TC und TIC verwenden und dann mathematische Berechnungen durchführen, um das eine vom anderen zu subtrahieren, um den TOC-Gehalt zu schätzen (siehe Abb. 3).

Analysatoren, die sich auf die Berechnung des TOC aus TC und TIC verlassen, stehen vor einer Herausforderung, wenn sie versuchen, sehr geringe TOC-Mengen bei relativ hohen TIC-Mengen zu messen, da relativ kleine Ungenauigkeiten zwischen den TIC- und TC-Sensoren entweder zu einer Über- oder Unterschätzung von TOC5 führen können (siehe Abb. 4).

Inhärente Messunsicherheiten im TOC-Analysator können zu einer potenziellen Ungenauigkeit des gemeldeten TOC-Spiegels von +/- 78 % führen, wie im Beispiel in Abb. 4 zu sehen ist. Das führt zu einem Vertrauensverlust in das Erkennungssystem und stellt die Zuverlässigkeit der Daten zur Qualifizierung von pharmazeutischem Wasser in Frage. Das Problem wird für Qualitätskontrolllabore, die den gesamten organischen Kohlenstoff in der eingehenden Wasserversorgung messen möchten, noch verschärft. Saisonale Schwankungen der TIC-Spiegel bedeuten, dass der Benutzer in ein Gerät zur Entfernung von TIC investieren und die TIC-Spiegel in seinem zugeführten Wasser ständig überwachen muss, um sicherzustellen, dass er niemals den von seinem Hersteller des TOC-Analysators empfohlenen Höchstwert überschreitet. Einige Hersteller von Analysatoren empfehlen ein maximales Verhältnis von TIC zu TOC von 10:16. So darf in einer Wasserprobe, die 10 ppb TOC enthält, der TIC 100 ppb nicht überschreiten, damit der Analysator korrekt arbeitet.

Hochtemperatur-Verbrennungsanalysatoren versuchen, das Problem des TIC zu umgehen, indem sie einen Schritt zur Entfernung des TIC einbauen. Der pH-Wert der Wasserprobe wird durch Zugabe einer Säure verschoben, wodurch der TIC gezwungen wird, in Form von Kohlendioxidgas aus der Lösung auszufällen. Das Kohlendioxid aus dem TIC wird dann aus der Lösung herausgespült, indem ein CO2-freies Trägergas durch die Probe geleitet wird. Diese Durchspülungszyklen haben eine feste Dauer. Es besteht jedoch immer das Risiko, dass nicht der gesamte TIC entfernt wird und ein Rest zurückbleibt, der die TOC-Schätzung stört. Folglich sind Benutzer gezwungen, den unnötigen Schritt der Messung von TIC-Spiegeln in der Wasserprobe vorzunehmen, um sicherzustellen, dass sie die vom Hersteller ihres TOC-Analysators angegebenen Höchstwerte nicht überschreiten.

Eine Alternative besteht darin, die TIC-Entfernung zu überwachen, um sicherzustellen, dass der TIC vollständig entfernt wird, bevor mit der TOC-Analyse begonnen wird. Diese Methode umgeht das Problem der TIC-Spezifität und die Genauigkeit der TOC-Messung ist unabhängig von der Menge des vorhandenen TIC. Die Methode kann weiter verbessert werden, indem ein einziger CO2-Sensor verwendet wird, um sowohl den TIC als auch den TOC zu messen. Anstatt den TOC aus TC und TIC zu berechnen, misst diese Methode in einer separaten Messung das CO2 direkt aus dem TOC, sobald der TIC vollständig entfernt ist. Die Genauigkeit des Messsensors von +/- 2 % bezieht sich nun ausschließlich auf den gemessenen TOC-Wert, anstatt auf die gemessenen TC- und TIC-Werte, die von den anderen Methoden verwendet werden. Wenn man das Beispiel in Abb. 4 wieder aufgreift, bei dem der tatsächliche TOC-Wert 100 ppb beträgt, würde diese Methode Ergebnisse zwischen 98 ppb und 102 ppb berichten. Das würde dem Benutzer weitaus mehr Sicherheit geben, dass die berichteten TOC-Ergebnisse die tatsächliche Menge an TOC im Wasser aus einer direkten Messung und nicht aus einer Berechnung wiedergeben.

Diese alternative Methode setzt natürlich voraus, dass der Analysator in der Lage ist, die vollständige Entfernung des TIC zu messen. Der Sensor muss messen können, wann das CO2 aus dem TIC entfernt wurde, bevor das UV-Licht eingeschaltet wird und die Oxidation der organischen Stoffe zu CO2 beginnt.

Die Herausforderung der Erkennungsgrenze

Der ICH Q2 Leitfaden unterscheidet zwischen drei Analyseverfahren: Identifikation, Prüfung auf Verunreinigungen und Assays. Obwohl das Dokument darauf hindeutet, dass die Quantifizierungsgrenze eines Analysators bei einem Verunreinigungsgrenztest, wie dem TOC-Test, nicht relevant ist, gibt es an, dass die Erkennungsgrenze ein wichtiges Merkmal für solche Tests ist.

Wie bereits erwähnt, geben TOC-Analysatoren das Gewicht Kohlenstoffs, der aus organischem Material im Wasser gewonnen wird, in Teilen pro Milliarde (ppb) an. Dies bringt eine eigene Herausforderung mit sich, da moderne pharmazeutische Wassersysteme 10 ppb TOC enthalten können und viele TOC-Analysetechnologien im Labor Schwierigkeiten haben werden, bei diesen niedrigen Werten genaue Ergebnisse zu liefern. Daher kann der Analysator den TOC-Gehalt nicht melden und der Benutzer erhält Fehlermeldungen wie „TOC-Gehalt liegt unter der Nachweisgrenze“. Natürlich ist dies vielen Benutzern nicht bewusst, da die Entnahme einer Stichprobe aus einem Wassersystem unweigerlich zu einer Kontaminierung der Probe führt, was typischerweise zu TOC-Werten von über 100 ppb führt. Es kann also durchaus sein, dass Eigentümer von Wassersystemen mit sehr niedrigem TOC-Gehalt zwar die TOC-Kontaminierung durch die Probenahme messen und melden, nicht aber den tatsächlichen TOC-Gehalt in ihrem Wassersystem.

Sehr niedrige TOC-Werte sind eine noch größere Herausforderung für Analysatoren, die mehrere Sensoren verwenden und den TOC durch Subtraktion des gemessenen TIC vom TC schätzen. Der Analysator kann tatsächlich einen geschätzten TOC-Wert melden, selbst wenn die inhärenten Genauigkeitsfehler in den Sensoren, die zur Messung des TC und TIC verwendet werden, einen so großen Einfluss auf die Genauigkeit des gemeldeten TOC-Werts⁵ haben können, wie in Abb. 4 dargestellt.

Obwohl man versteht, dass einige Analysatoren diese niedrigen TOC-Werte nicht genau auflösen können und nur „TOC-Wert liegt unter der Nachweisgrenze“ melden, ist es unangenehm, eine Produktserie aufgrund fehlender Daten freizugeben, wenn die Möglichkeit besteht, dass der Analysator tatsächlich keine korrekte Messung durchgeführt hat, weil ihm das Trägergas oder das oxidierende Reagenz ausgegangen ist. Der Benutzer muss sicherstellen, dass das Trägergas und die Reagenzien vor und nach der Analyse vorhanden sind. Dies erfolgt in der Regel durch Zugabe zertifizierter 500 ppb TOC-Standards in die Serie der zu analysierenden Wasserproben am Anfang, in der Mitte und am Ende des Autosampler-Tabletts des Analysators. TOC-Analysatoren werden im Labor häufig über Nacht eingerichtet und verwendet. Ein Ausfall der Trägergas- oder Reagenzienzufuhr während der Nacht kann dazu führen, dass der Benutzer bei der Überprüfung des Analysators am nächsten Tag feststellt, dass die Ergebnisse der Wasserprobenserie nicht korrekt sind, er diese aber nicht erneut testen kann, weil der Analysator alle Proben verbraucht hat, um sie während der Nacht zu analysieren. Dies kann dazu führen, dass der Benutzer keinen Nachweis hat, dass das Wassersystem bei der am Vortag hergestellten Produktserie konform war.

Zusammenfassung

Eine genaue Analyse des gesamten organischen Kohlenstoffs von Wasser mit niedrigem TOC und moderner pharmazeutischer Qualität ist mit vielen Herausforderungen verbunden. Bei Geräten, die mehrere Sensoren zur Messung von TC und TIC und zur anschließenden Berechnung des TOC verwenden, können aufgrund von Ungenauigkeiten bei der TC- und TIC-Messung Fehler auftreten⁵. Analysatoren, die nur einen Sensor für die Messungen verwenden, können ein genaueres Ergebnis liefern, da es weniger Annäherungen und Annahmen bei der Messung gibt⁴.

Die Spezifität bei vorhandenem anorganischen Kohlenstoff ist für viele Analysatoren eine Herausforderung. Eine genauere Methode ist die Sicherstellung und Überwachung der vollständigen Entfernung von TIC vor der direkten Messung des TOC.

Die Konstruktion vieler Analysatoren ist schlichtweg nicht in der Lage, niedrige ppb-TOC-Werte zu messen, da die Nachweisgrenze des Analysators aufgrund der zahlreichen Näherungen und Annahmen bei der Messung überschritten wird⁴. Obwohl die Pharmakopöen vom TOC-Analysator eine Nachweisgrenze von 50 ppb¹ verlangen, ist dies bei der Messung von Wasser mit einem modernen TOC-System mit niedrigem ppb-Wert einfach nicht ausreichend.

Anwender, die einen TOC-Analysator mit größerem Messbereich einsetzen möchten, der eine Kombination aus oxidierenden Reagenzien und/oder Trägergasen verwendet, sollten Methoden und Kontrollen einrichten, die sicherstellen, dass der Analysator keine weiteren Analysen durchführen und Wasserproben zerstören kann, wenn das Reagenz oder das Gas ausgeht. Dies kann eine manuelle Prüfung sein oder in den Analysator integriert werden, so dass alle kritischen Analyseparameter kontinuierlich überwacht werden und die Analyse gestoppt wird, wenn etwas schief läuft.

Die im ICH Q22 Leitfaden gegebenen Hinweise können den Benutzern helfen, die Eignung des Designs und der Leistung von Labor-TOC-Analysatoren im Hinblick auf die in diesem Beitrag beschriebenen Herausforderungen der TOC-Messung in modernen Wassersystemen mit niedrigem TOC-Gehalt zu bestimmen.

Literaturhinweise

1. US Pharmacopeia Convention, US-Pharmakopöe, Rockville MD, USA und Europarat, Europäisches Direktorat für die Qualität von Arzneimitteln, Europäisches Arzneibuch, Straßburg, Frankreich

2. International Conference on Harmonisation of Technical Requirements for Registration of Pharmaceuticals for Human Use, Validation Of Analytical Procedures: Text und Methodik Q2 (R1), November 2005 [8th August 2014],http://www.ich.org/fileadmin/Public_Web_Site/ICH_Products/Guidelines/Quality/Q2_R1/Step4/Q2_R1__Guideline.pdf [8th August 2014]

3. Europarat, Europäisches Direktorat für die Qualität von Arzneimitteln, Europäisches Arzneibuch 8.0, 01/2008: 20244, Gesamtanteil von organischem Kohlenstoff in Wasser für pharmazeutische Zwecke, Straßburg, Frankreich

4 Gemeinsamer Ausschuss für Leitfäden in der Metrologie, Auswertung von Messdaten – Leitfaden zur Angabe der Messunsicherheit, Ref. JCGM 100:2008, Erste Ausgabe September 2008, http://www.iso.org/sites/JCGM/GUM-JCGM100.htm [8. August 2014]

5. GE-Analysengeräte, Technisches Merkblatt, The Sievers Inorganic Carbon Remover (ICR), Boulder, Colorado, USA www.geinstruments.com [8. August 2014]

6. GE Analytical Instruments, Sievers 900 Series Total Organic Carbon Analysers, Bedienungs- und Wartungshandbuch, Ref. DLM 90688-03 Rev. A, 2011, Boulder, Colorado, USA www.geinstruments.com [8. August 2014]

7. Internationale Gesellschaft für pharmazeutische Technik (ISPE), Good Practice-Leitfaden der ISPE: Ozon-Desinfektion von pharmazeutischen Wassersystemen, Erste Ausgabe Juli 2012 http://www.ispe.org/ispe-good-practice-guides/ozone-sanitization-pharmaceutical-water-systems [14. August 2014]

8. Pharmazeutische und Gesundheitswissenschaftliche Gesellschaft (PHSS), Best Practices für die Partikelüberwachung in pharmazeutischen Einrichtungen, PHSS Technical Monograph No.16, Erstausgabe 2008, ISBN 978-1-905271-15-3