Cleaning validation applications using Mid-Infrared quantum cascade laser spectroscopy

Abstract

According to the Recall Root Cause Research (RRCR), an initiative governed by the U.S. Food and Drug Administration (FDA), the contamination of pharmaceutical products is an alarming cause of public concern. During 2015, four hundred and fifty reported recalls were listed for: foods, drugs, pet medicine, biological products, medical devices, cosmetics, and tobacco. Therefore, the importance of developing a quantification method for cleanliness validation of manufacturing devices and vessels using direct and indirect surface sampling is presented. The proposed methodology was established to detect the presence residues of chemicals left as residues after cleaning of surfaces a result of manufacturing processes as well as foraneous microorganisms in the form of biofilms. These contaminants have been detected in real manufacturing substrates with mid-infrared (MIR) spectroscopy. A quantum cascade laser (QCL) aimed at various substrates containing the target residues was employed for developing methodologies for cleaning validation purposes. Stainless steel, TeflonTM and swabs are real substrates that were considered for direct transition of the methodology into a manufacturing environment. The adsorbate residues selected included over-the-counter active ingredients (OTC-AI), microorganisms, detergents and mixtures of these to simulate substrates contamination. This work was directed to assess constraints experienced in process analytical technology at-line or in-line using spectroscopic tools coupled with chemometric statistical methods. Quantitative and qualitative analysis of four microorganisms were evaluated: Bacillus subtilis, Burkholderia cepacia, Staphylococcus aureus, Pseudomonas aeruginosa and Escherichia coli. Detection limits and quantification limits, before and after chemometric analysis, were calculated for Bacillus subtilis and Burkholderia cepacia. A significant improvement was found with chemometric analysis with a detection limit of 7 and 13 CFU/mL for Burkholderia cepacia and Bacillus subtilis, respectively. The results compare very well to many techniques to quantify microorganisms, including polymerase chain reaction analysis, with quantification limit values of 45 and 20 CFU/mL for Burkholderia cepacia and Bacillus subtilis, respectively.

Dado a que los eventos de recolección de productos por contaminación resultan ser costosos para la industria y para los consumidores, se deben establecer métodos de validación de limpieza. La Administración de Drogas y Alimentos de Estados Unidos (US-FDA, por sus siglas en inglés) ha exhortado a las compañías a establecer unas normas a seguir para mejorar la calidad de los productos. En adición a la subjetividad de la inspección visual, la FDA expresa que no es su responsabilidad la de proveer un rango estándar para límites de detección de limpieza. Debido a la alta cantidad de superficies de acero inoxidable que se utiliza en la industria, se propone una iniciativa de investigación. Durante el 2015, cuatrocientos cincuenta eventos de recolección de productos contaminados con microorganismos han ocurrido para comida, drogas, medicinas, dispositivos biológicos y médicos, cosméticos y el tabaco. Por lo tanto, la importancia para el desarrollo de un método de cuantificación directo e indirecto de residuos es vital para evitar contaminación farmacéutica o con microorganismos. Estos contaminantes se han detectado a nivel de trazas con espectroscopía infrarroja media. Para este propósito, se propone el uso de un láser de cascada cuántica acoplado a un sistema o arreglo óptico externo para alcanzar niveles de confiabilidad aceptables. Se utilizaron dos sistemas de láseres de cascada cuántica, uno acoplado a una ventana espectral de 800-1428 cm-1 y otro de 1000-1600 cm-1. Debido a la alta cantidad de superficies de acero inoxidable que se utiliza en la industria, se analizan en este estudio al igual que los hisopos. Los adsorbatos serán residuos seleccionados como ingredientes activos de farmacéuticos no-controlados, microorganismos, detergentes y mezclas para demostrar su viabilidad en eventos de contaminación. Este trabajo se dirige para aplicación bajo el proceso de tecnologías analíticas dentro de una línea o de forma contigua a este. Para este propósito, se utilizan herramientas multivariables de quimiometría acoplados a los análisis. Los análisis cuantitativos se llevaron a cabo para: Bacillus subtilis, Burkholderia cepacia, Staphylococcus aureus, Pseudomonas aeruginosa y Escherichia coli. Como una posible aplicación y prueba conceptual, se analizaron mezclas binarias de algunas bacterias con una de las formulaciones obtenidas donde se logró distinguir la señal y contribución por bacteria. Esto hace posible la determinación inmediata de contaminación de superficies metálicas. En adición, se obtuvieron límites de detección de 7 y 13 unidades formadoras de colonias para B. cepacia y B. subtilis los cuales fueron más bajos que métodos aceptados y estudiados en la literatura. Se obtuvieron límites de cuantificación de 45 y 20 unidades formadoras de colonias para B. cepacia y B. subtilis. Se validaron los parámetros de cuantificación con cromatografía líquida de alta presión acoplado a un arreglo de diodos (HPLC-DAD, por sus siglas en inglés). El límite de detección obtenido y validado por HPLC fue para el ácido salicílico con un valor de 7 μg/cm².