Schutz vor Verderben

Gefährdete Produkte und Materialien

Ob eine Arzneiform anfällig für einen mikrobiellen Befall ist oder nicht hängt von der Zusammensetzung und dem physikalischen Zustand ab. Wie andere lebende Organismen benötigen auch Bakterien und Pilze Wasser, um wachsen zu können. Vor allem Produkte mit ausreichend großem Wasser­anteil sind hinsichtlich eines mikrobiellen Wachstums und Verderbs gefährdet. Hierzu zählen flüssige und halbfeste Darreichungsformen wie Lösungen, Säfte, Suspensionen, Emulsionen, Cremes etc. Die Tatsache, dass ein Produkt Wasser enthält, bedeutet aber noch nicht automatisch, dass das Wasser auch für die chemischen Reaktionen zur Verfügung steht, die den Mikroorganismen das Wachstum ermöglichen. Einige der Wassermoleküle in Lösungen sind an die gelösten Moleküle über Wasserstoffbrückenbindungen oder andere Mechanismen gebunden. Daher sollte das freie verfügbare Wasser betrachtet werden, mit dem Mikroorganismen interagieren können. Dies geschieht durch Berechnung der Wasseraktivität (AW), die definiert ist als der Quotient des Dampfdrucks von Wasser über einer Lösung geteilt durch den Dampfdruck über reinem Wasser bei der gleichen Temperatur. Die Zahlenwerte liegen zwischen 0 und 1,0, wobei 1,0 reines Wasser repräsentiert. Mit zunehmender Konzentration gelöster Bestandteile in der Lösung sinkt der Wert für die Wasseraktivität und damit auch die Zahl der verschiedenen Arten an Mikroorganismen, die noch wachsen können. An vielen Stellen spiegeln die Werte für die Wasseraktivität die natürliche Umgebung des Mikroorganismus wieder. So braucht Pseudomonas und andere durch Wasser übertragene Mikroorganismen eine hohe Wasseraktivität für optimales Wachstum, wohingegen auf der Haut vorkommende Organismen wie Staphylococcus und Mikrococcus eine niedrigere Wasseraktivität tolerieren können. Letztere sind eine Umgebung mit hoher Salzkonzentration, sezerniert durch die Schweißdrüsen, gewohnt. Dieser Zusammenhang zwischen Wasseraktivität und mikrobiellem Wachstum ist auch der Grund, warum hoch konzentrierte Sirupe meist selbst-konservierend und nicht durch mikrobiellen Verderb gefährdet sind.

Kontaminationsquellen

Um Arzneiformen mit akzeptabler mikrobiologischer Qualität herzustellen, ist es notwendig, die häufigsten Kontaminationsquellen einschließlich der assoziierten Mikroorganismen zu kennen. Eine mikrobielle Kontamination bei der Herstellung kann prinzipiell durch die Ausgangsstoffe oder Ausgangsmaterialien (einschließlich Wasser), durch Verpackungsmaterialien, durch die Arbeitsumgebung oder durch das herstellende Personal erfolgen. Eine der wesentlichen Maßnahmen zur Verminderung des Keimgehalts ist deshalb das „Fernhalten“ von Mikroorganismen aus dem Produkt durch kontrollierte Ausgangsmaterialien sowie einer angepassten und kontrollierten Produktionshygiene. Darüberhinaus kann aber auch die Anwendung und Lagerung durch den Patienten eine nicht zu unterschätzende Kontaminationsquelle sein. Um die vorliegende mikrobiologische Reinheit während der Aufbewahrung zu gewährleisten, ist deshalb eine Stabilisierung mit antimikrobiell wirksamen Stoffen (Konservierungsmitteln) notwendig.

Konservierungsmittel und Wirkungsweise

Konservierungsmittel sind chemische Stoffe, die auf Mikroorganismen schädigend wirken, indem sie den Mikroorganismus an der Zellwand oder im Zellinneren angreifen. Ihre Wirkungsweise ist zum einen anhängig von der Konzentration und zum anderen von je nach Substanzgruppe spezifischen Reaktionen. Konservierungsmittel haben in der Regel einen amphiphilen Charakter. Die Hydrophilie ist dafür verantwortlich, dass die Konservierungsmittelmoleküle sich in Wasser lösen und an die Mikroorganismenmembran transportiert werden. Die Lipophilie ist Voraussetzung für ein Eindringen bzw. Durchdringen der Membran. In mikrobi­statischer Konzentration, das heißt in Konzentrationen, die das Wachstum blockieren, kommt es zu einer Anreicherung der Stoffe an der Zellmembran der Mikroorganismen, die zu toxischen Zellmembranveränderungen und einer Permeationserhöhung in das Zellinnere führen. In mikrobizider ­Konzentration, das heißt in Konzentrationen, die den Zelltod direkt herbeiführen, ist die Durchlässigkeit der Zellmembran derart hoch, dass ins Zellinnere eingedrungene Konservierungsmittelmoleküle eine Desorientierung des kolloid-­physikalischen Systems bewirken, was zu Autolyse führen kann [3]. Eine solch strenge Differenzierung zwischen Mikrobistase und Mikrobizidie ist bei genauer Betrachtung allerdings nicht gerechtfertigt, da sich beide vor allem durch die Absterberate unterscheiden, das heißt durch die Geschwindigkeit der Abtötung der Mikroorganismen [4].

Anforderungen an Konservierungsmittel

Die Anforderungen, die an ein Konservierungsmittel gestellt werden sind vielfältiger Natur. Dazu gehören

• ein breites Wirkungsspektrum gegen grampositive und gramnegative Bakterien, Hefen und Pilze;
• keine Anfälligkeit für Resistenzenbildung;
• niedrige Humantoxizität und somit einsetzbar in topischen, oralen und parenteralen Produkten;
• gute Löslichkeit in Wasser und niedrige Löslichkeit in Öl;
• stabil und wirksam über einen großen pH-Bereich und kompatibel mit anderen Formulierungsbestandteilen;
• nicht flüchtig, geruchlos und geschmacklos.

Beeinflussung der Aktivität

Wie erwähnt haben Konservierungsmittel amphiphile Eigenschaften und somit auch eine gewisse Affinität zur lipophilen Phase, wenn es sich bei der Arzneiform um flüssige oder halbfeste Emulsionszubereitungen handelt. Ist die Affinität zu hoch, das heißt ist der Verteilungskoeffizient groß, reichert sich das Konservierungsmittel in der lipophilen Phase an. Dies kann zu einer Verringerung der Konzentration in der Wasserphase führen, wodurch der mikrobielle Schutz gemindert wird. Wird zum Beispiel Chlorocresol mit einem Verteilungskoeffizienten von 117 in der wässrigen Phase eines Systems bestehend aus Wasser und Erdnussöl (1:1) in einer Konzentration von 0,1% gelöst, so sinkt durch die anschließende Verteilung der Substanz und der Anreicherung in der Öl­phase die Konzentration von Chlorocresol in der Wasserphase auf 0,0017% [3]. Bei der Auswahl des Konservierungsmittels in Emulsionen ist deshalb stets auf den Verteilungskoeffizienten der konservierenden Substanz sowie das Phasenverhältnis zwischen Wasser- und Ölphase zu achten.

Und wieder mal der pH-Wert

Bei Konservierungsmitteln, die sowohl im dissoziierten als auch im undissoziierten Zustand vorkommen können, ist der Dissoziationsgrad und damit häufig auch ihre Aktivität stark vom pH-Wert abhängig. Die undissoziierte Form ist aufgrund ihrer höheren Lipophilie meist besser antimikrobiell wirksam, ist aber auch schlechter wasserlöslich als die dissoziierte Form. Deutlich wird das am Beispiel der Sorbinsäure (Hexadiensäure, E 200) bzw. ihres Alkalisalzes Kaliumsorbat. Sorbinsäure wirkt vor allem gegen Hefen und Schimmelpilze, nur untergeordnet auch gegen Bakterien [6, 7]. Die Wirkung ist an die undissoziierte Form, also die Sorbinsäure, gebunden. Die Sorbinsäure steht aber mit ihrem Salz, dem Sorbat, in einem pH-abhängigen Gleichgewicht. Unter Verwendung der Henderson-Hasselbalch-Gleichung und des pK_S-Werts der Sorbinsäure lässt sich das Verhältnis von Sorbinsäure zu Sorbat beim in der Formulierung vorliegenden pH-Wert berechnen. In der Literatur wird der optimale pH-Bereich für die Verwendung von Sorbinsäure als Konservierungsmittel mit 3,5 bis 5,5 angegeben [5]. Oberhalb dieses pH-Werts liegen weniger als 20% Sorbinsäure im Gleichgewicht vor, was die Konservierung negativ beeinflusst. Bei der Rezepturherstellung muss auch beachtet werden, dass Sorbinsäure selbst nur begrenzt wasserlöslich, wasserdampfflüchtig und sublimierbar ist [6]. Aus diesem Grund wird bei der Rezepturherstellung das deutlich besser wasserlösliche Kaliumsorbat eingesetzt, aus dem im sauren pH-Bereich durch das Gleichgewicht das eigentliche Konservierungsmittel Sorbinsäure entsteht.