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Einschlägiger Stand
der Technik
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein Lösungen für die Ernährung von Patienten. Insbesondere betrifft
die vorliegende Erfindung Aminosäurelösungen.
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Es
ist bekannt, Patienten Aminosäuren
in parenteralen Lösungen
zur Verfügung
zu stellen. Diese Lösungen
können
für eine
gänzlich
parenterale Ernährung
(TPN) verwendet werden. Beispiele solcher Lösungen schließen die
Injektionspräparate
10%, 8,5%, 5,5% und 3,5% Travasol® (Aminosäure) mit
und ohne Elektrolyte ein, die von Clintec Nutrition Company, Deerfield,
Illinois erhältlich
sind.
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Es
ist auch bekannt, verzweigte Aminosäuren, d. h. Isoleucin, Leucin
und Valin, in parenteralen Lösungen
zur Verfügung
zu stellen. Ein Beispiel eines solchen Produktes ist das Injektionspräparat 4%
Branchamin (verzweigte Aminosäure),
das von Clintec Nutrition Company, Deerfield, Illinois erhältlich ist.
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Es
ist aus verschiedenen medizinischen Gründen, z. B. bei Patienten mit
einer Flüssigkeitsbeschränkung, erwünscht, daß eine Aminosäurelösung für die TPN
zur Verfügung
steht, die möglichst
konzentriert ist. Natürlich
muß sich
eine solche Lösung
in einem geeigneten Nährstoffgleichgewicht
befinden. In ähnlicher
Weise ist es der Bequemlichkeit halber, z. B. wegen des Volumens
des Materials und wegen des Transports, erwünscht, daß eine TPN-Lösung mit
einer möglichst
hohen Aminosäurekonzentration
zur Verfügung
steht.
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Die
Lösung
mit der höchsten
Aminosäurekonzentration,
die laut Kenntnis der Erfinder gegenwärtig für die TPN zur Verfügung steht,
ist eine Lösung
mit 15% (Gew./Vol.). Obwohl Versuche unternommen worden sind, stärker konzentrierte
Aminosäurelösungen bereitzustellen,
waren diese Versuche bisher nicht völlig erfolgreich.
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Ein
bisher übliches
Verfahren, um eine Aminosäurelösung mit
einer höheren
Konzentration zu entwickeln, bestand einfach darin, die Mengen der
Aminosäurekomponenten
zu erhöhen.
Dieses Verfahren funktioniert jedoch nicht, wenn die Mengen der
Komponenten einer Formulierung mit 15% proportional erhöht werden.
Eine rein proportionale Erhöhung
der Mengen der Aminosäuren
führt dazu,
daß die
Aminosäuren
beginnen, aus der Lösung
auszufallen.
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Ein
Versuch, dieses Problem zu lösen,
besteht in einer Erhöhung
der gesamten Aminosäurekonzentration,
indem dem Gemisch die Aminosäuren
zugeführt
werden, die am besten löslich
sind. Bei diesem Verfahren werden andererseits die Mengen der weniger
löslichen
Aminosäuren
nicht signifikant erhöht.
Das Ergebnis dieses Versuchs ist jedoch eine Aminosäurelösung, die
für die
Ernährung
nicht vorteilhaft ist, obwohl sie möglicherweise stärker konzentriert
ist.
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Es
ist auch erwünscht,
daß eine
Lösung
zur Verfügung
steht, bei der sowohl die verzweigten Aminosäuren als auch die Aminosäuren in
einer hohen Konzentration vorliegen. Der einzige Weg, eine solche
Lösung
zu erhalten, besteht gegenwärtig
im Vermischen einer Lösung
von verzweigten Aminosäuren,
z. B. 4% Branchamin®, mit einer anderen Aminosäurelösung, die
ein breites Aminosäure-Profil
hat, z. B. Travasol®. Durch dieses Vermischen
wird jedoch keine hochkonzentrierte Aminosäurelösung erhalten. Außerdem wird durch
dieses Verfahren keine einzelne stabile Lösung bereitgestellt, die sich
aufbewahren läßt.
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Kurzbeschreibung
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung gibt eine für die Ernährung vorteilhafte, hochkonzentrierte
Aminosäurelösung an.
In einem Ausführungsbeispiel
hat die Formulierung ein breites Aminosäure-Profil, das sowohl viele verzweigte
Aminosäuren
als auch einen hohen Prozentsatz der Aminosäuren insgesamt enthält.
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Insbesondere
gibt die vorliegende Erfindung eine stabile, hochkonzentrierte Aminosäurelösung mit
einem für
die Ernährung
vorteilhaften Aminosäure-Profil
an, wie es im Anspruch 1 beansprucht ist.
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Außerdem gibt
die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Auswählen eines Aminosäure-Profils
an, so daß die
maximale Aminosäurekonzentration
erhalten wird.
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In
einem Ausführungsbeispiel
umfaßt
die hochkonzentrierte Aminosäurelösung zumindest
die Aminosäuren
Leucin, Isoleucin, Valin, Glutaminsäure, Aspartinsäure, Lysin,
Histidin, Arginin, Phenylalanin, Methionin, Threonin, Alanin, Glycin,
Prolin, Serin, wobei das Verhältnis
(Gew./Gew.) von Glutaminsäure,
Aspartinsäure,
Lysin, Histidin und Arginin zu Phenylalanin, Methionin, Threonin,
Alanin, Glycin, Prolin und Serin 0,57 bis 0,65 beträgt und wobei
das Verhältnis
(Gew./Gew.) von Glutaminsäure,
Aspartinsäure,
Lysin, Histidin und Arginin zu Phenylalanin, Methionin, Threonin,
Alanin, Glycin, Prolin, Serin, Leucin, Isoleucin und Valin etwa
0,45 beträgt.
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Die
Erfindung gibt auch eine hochkonzentrierte Aminosäurelösung an,
die eine Aminosäurekonzentration
von mindestens 18% (Gew./Vol.) aufweist, wobei das Verhältnis der
Aminosäuren
mit einem pI-Wert (isoelektrischer Punkt) außerhalb des Bereiches von 5
bis 7 zu den Aminosäuren
mit einem pI-Wert von 5 bis 7 (ausgenommen verzweigte Aminosäuren und
jene Aminosäuren,
die mit weniger als oder gleich 2% (Gew./Vol.) vorhanden sind) einen
Wert von 0,57 bis 0,65 hat.
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Die
vorliegende Erfindung gibt ferner Verfahren zum Herstellen einer
hochkonzentrierten Aminosäurelösung an.
Das erfindungsgemäße Verfahren
umfaßt
ein Verfahren zum Herstellen einer stabilen, hochkonzentrierten
Aminosäurelösung, das
die folgenden Schritte aufweist:
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Herstellen
einer Aminosäurelösung, die
mindestens 18% (Gew./Vol.) Aminosäuren aufweist, und Auswählen des
Verhältnisses
der Aminosäuren
zumindest teilweise auf der Basis der ionischen oder nichtionischen
Eigenschaften der Aminosäuren.
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Durch
die vorliegende Erfindung werden zahlreiche Vorteile erzielt. Die
Konzentration der entstehenden Aminosäurelösung ist um mindestens 33%
höher als
die von gegenwärtig
erhältlichen
Aminosäurelösungen.
Die Lösung
kann mehr als oder gleich 18% verzweigte Aminosäuren bei mehr als oder gleich
45% essentiellen Aminosäuren
aufweisen.
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Die
erhöhte
Konzentration ermöglicht
es, daß die
Aminosäurelösung bei
Patienten mit einer Flüssigkeitsbeschränkung verwendet
werden kann, wobei für
die erforderliche Ernährung
gesorgt wird. Außerdem sorgt
die geringere Versand- und Lagermenge für niedrigere Kosten bei den
gleichen Aminosäure-Äquivalenten.
Diese verbesserte Zusammensetzung wird ohne einen Verlust der Konzentration
der verzweigten Aminosäuren
oder des Anteils der essentiellen Aminosäuren erreicht.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind in der ausführlichen
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung
beschrieben und werden anhand dieser deutlich.
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Ausführliche
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung
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Aminosäuren werden
auf der Basis ihrer pI-Werte (isoelektrischer Punkt) sowie der prozentualen
Konzentration der Zusammensetzung klassifiziert. Die meisten Aminosäuren werden
somit als Typ 1 oder Typ 2 klassifiziert.
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Die
maximale Aminosäurekonzentration
wird erhalten, wenn das Verhältnis
der Aminosäuren
vom Typ 1 zu denen vom Typ 2 in einem bestimmten Bereich liegt.
Werte außerhalb
dieses Bereichs sind entweder nicht stabil oder repräsentieren
nicht die höchste
Aminosäurekonzentration
für dieses
Aminosäuregemisch.
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Es
können
Aminosäurelösungen mit
20% (Gew./Vol.) erreicht werden. Außerdem kann man durch die Anwendung
dieser Werte schneller ein stabiles Produkt erhalten.
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Statt
sich mit den einzelnen Aminosäuren
in dem Gemisch zu beschäftigen,
dienen diese Klassifizierungen dazu, den Charakter der Lösung zu
steuern, um die maximale Stabilität vorzugeben. Das vereinfacht das
Verfahren sehr stark, da die Löslichkeiten
von Aminosäuregruppen
bei unterschiedlichen Verhältnissen bestimmt
werden können,
statt daß man
die maximalen Löslichkeiten
der einzelnen Aminosäuren
in Gegenwart oder bei Nichtvorhandensein anderer Aminosäuren bestimmen
muß.
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Angesichts
der Tatsache, daß in
typischen Lösungen
17 Aminosäuren
vorhanden sein können,
läßt sich
diese größere Erleichterung
leicht würdigen.
Mit den herkömmlichen
Verfahren zum Erhöhen
der Konzentrationen muß die
Löslichkeit
einer einzelnen Aminosäure
mit der der 16 anderen Aminosäuren
verglichen werden. Gemäß der vorliegenden
Erfindung muß aber
nur eine Aminosäuregruppe
mit der anderen Aminosäuregruppe
verglichen werden.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung läßt sich
für irgendeine
Formulierung leicht der Wert bestimmen, über den hinaus die Formulierung
nicht mehr stabil ist.
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Dieser
Wert, der zum Bestimmen der maximalen Konzentration verwendet wird,
spiegelt die Natur der Matrix der Aminosäurelösung wider. In diesem komplexen
Gemisch wirken viele physikalische und chemische Prinzipien, die
die Stabilität
der Lösung
in verschiedene Richtungen lenken.
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Bei
einer niedrigen Aminosäurekonzentration,
d. h. 15% (Gew./Vol.) oder darunter, sind die Merkmale der Matrix
nicht kritisch. Wenn jedoch die Konzentration steigt und einige
der Aminosäuren
in Mengen vorhanden sind, bei denen sie allein nicht mehr in Wasser
löslich
sind, werden diese Merkmale zu einem wichtigen Parameter, um eine
stabile Lösung
zu erhalten.
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Nachstehend
sind einige physikalisch-chemische Eigenschaften von Aminosäuren aufgeführt. Abkürzungen
der Aminosäuren
| Aminosäure | Abkürzung |
| Leucin | LEU |
| Isoleucin | ILE |
| Valin | VAL |
| Phenylalanin | PHE |
| Methionin | MET |
| Lysin | LYS |
| Threonin | THR |
| Tryptophan | TRP |
| Histidin | HIS |
| Alanin | ALA |
| Glycin | GLY |
| Arginin | ARG |
| Prolin | PRO |
| Tyrosin | TYR |
| Serin | SER |
| Aspartinsäure | ASP |
| Glutaminsäure | GLU |
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Physikalisch-chemische
Eigenschaften
1,2 -
Die
Erfinder haben ein System zum Klassifizieren von Aminosäuren in
Gruppen (Typ 1, Typ 2 und andere) gefunden, so daß man die
wahrscheinlichste Formulierung mit der höchsten Konzentration entwickeln kann,
ohne daß man
den Effekt jeder einzelnen Komponente dieser Aminosäurekonzentration
von weniger als oder gleich 15% untersuchen muß, die wahrscheinlich Teil
der Formulierung ist.
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Die
Entwicklung einer Lösung
mit so vielen Komponenten, bei der der begrenzende Faktor darin
besteht, das Material in Lösung
zu halten, würde
eine extensive Matrix der Löslichkeiten
der einzelnen Aminosäuren
und zahlreiche Lösungen
mit unterschiedlichen Konzentrationen jeder Komponente erfordern.
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Da
die Zusammenhänge
zwischen den Einflüssen,
die das Vorhandensein einer Aminosäure auf die Löslichkeit
hat, nicht nur für
die Aminosäure,
die von Interesse ist, sondern auch für alle anderen Komponenten der
Lösung
unbekannt sind, wäre
selbst bei dieser Formulierung die Stabilität zweifelhaft.
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Die
Erfinder haben vier Typen von Aminosäuren und die relativen Verhältnisse
identifiziert, die bei der Bestimmung des Profils einer hochkonzentrierten
Aminosäurelösung wichtig
sind. Diese Aminosäuren
werden klassifiziert als: Typ 1, Typ 2, verzweigte und spezielle.
Die Kategorien werden wie folgt bestimmt: spezielle Aminosäuren sind
jene, bei denen die Konzentration der bestimmten Aminosäure weniger
als oder gleich 2% (Gew./Gew.) der Aminosäuren beträgt; verzweigte Aminosäuren sind
natürlich
Leucin, Isoleucin und Valin; Aminosäuren vom Typ 2 sind jene mit
einem pI-Wert (isoelektrischer Punkt) zwischen 5 und 7 (nichtionische Gruppe);
und Aminosäuren
vom Typ 1 sind solche mit einem pI-Wert (isoelektrischer Punkt)
außerhalb
des Bereichs von 5 bis 7 (ionische Gruppe).
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Die
Mengen jeder Aminosäure
in jeder Gruppe werden auf der Basis der gewünschten Natur der Aminosäureformulierung
bestimmt. Die Erfinder haben sowohl die Konzentration der verzweigten
Aminosäuren
als auch das Verhältnis
der Aminosäuren
vom Typ 1 zu denen vom Typ 2 bestimmt, die die maximale Konzentration
der Aminosäuren
als auch die maximale Konzentration der verzweigten Aminosäuren ergeben,
die erzielt werden können,
ohne daß die
gesamte Aminosäurekonzentration
unter 20% (Gew./Vol.) fällt.
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Es
wurde festgestellt, daß die
maximale Konzentration der verzweigten Aminosäuren in einer Aminosäurelösung mit
20% (Gew./Vol.) vorzugsweise ein Gewichtsverhältnis von Typ 1/Typ 2 von etwa
0,62 hat. Die Lösung
wird auch durch einen Wert von Typ 1/Typ 2 + verzweigte Aminosäuren von
etwa 0,45 gekennzeichnet.
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Es
wurde festgestellt, daß nur
eine Formulierung mit einem Verhältnis
von Typ 1/Typ 2 von etwa 0,57 bis etwa 0,65 (Gew./Gew.) stabil ist.
Obwohl nicht jede derartige Formulierung stabil sein muß, haben
die Erfinder festgestellt, daß man
jede Formulierung, die nicht in diesen Bereich fällt, aus der Betrachtung ausschließen kann.
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Nachstehend
werden Beispiele der vorliegenden Erfindung, nur als Beispiel und
nicht als Einschränkung,
aufgeführt.
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Beispiel 1
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Es
wurde die nachstehend aufgeführte
Formulierung A hergestellt.
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In
Versuchen wurde festgestellt, daß bei der Formulierung A die
Aminosäuren
Leucin, Isoleucin, Methionin, Phenylalanin und Valin ausfallen.
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Die
Lösung
wurde modifiziert, um den ionischen Charakter der Lösung abzuschwächen. Die
Menge der stärksten
ionischen Spezies, Lysin und Glutaminsäure, wurde verringert. Eine
Verringerung der Lysinmenge verringerte auch die Acetatmenge. Die
Menge an Glutaminsäure
wurde ebenfalls verringert, um den ionischen Charakter der Lösung abzuschwächen und
die Konzentration stärker
an ihre Löslichkeit
in Wasser anzunähern.
Glutaminsäure
hat eine Löslichkeit
bei 25°C
von 0,84 g pro 100 ml. Die Aminosäuren, deren Mengen erhöht worden
waren, waren die Aminosäuren,
die stärker
nichtionisch und besser löslich
waren. Diese waren Glycin, Serin und Prolin.
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Änderung
der Formulierung
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Gemäß der Hypothese,
daß die
Formulierung A zu stark ionisch war, wurde angenommen, daß die gefällten Aminosäuren in
Lösung
gehalten werden könnten,
wenn der ionische Charakter des Gemischs verändert (abgeschwächt) wird.
Um dies am wirksamsten zu erreichen, wurden die Aminosäuren in
die folgenden vier Gruppen unterteilt:
- (1)
verzweigte Aminosäuren,
- (2) spezielle Aminosäuren,
- (3) nichtionische Aminosäuren
und
- (4) ionische Aminosäuren.
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Die
verzweigten Aminosäuren
sind Leucin, Isoleucin und Valin. Die speziellen Aminosäuren sind
Tyrosin und Tryptophan. Sie sind in einer getrennten Gruppe, da
ihre Mengen nicht im Verhältnis
zu den anderen Aminosäuren
verändert
werden können.
Die nichtionische Gruppe besteht aus Aminosäuren, deren isoelektrischer
Punkt zwischen 5,0 und 7,0 liegt. Die restlichen Aminosäuren wurden
in die ionische Kategorie eingeteilt. Es wurde berechnet, daß die Formulierung
A einen Anteil von 32,05% (Gew./Gew.) "ionische" Aminosäuren enthielt und die Formulierung
B aus 30,5% bestand.
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Um
diese Theorie zu bestätigen
und die beste Formulierung mit der höchsten Konzentration an verzweigten
Aminosäuren
zu entwickeln, wurden vier weitere Modifikationen der Formulierung
B abgeleitet. Es wurden zwei Formulierungen mit 20% (Gew./Gew.)
verzweigten Aminosäuren,
mit einer proportionalen Zunahme im Verhältnis zur Formulierung B, abgeleitet.
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In
einer Formulierung wurde die Differenz des Gewichtes der verzweigten
Aminosäuren
(eine Zunahme von 0,4 g pro 100 ml) durch eine proportionale Verringerung
der ionischen Gruppe (B20H) und in der anderen durch eine Verringerung
der nichtionischen Gruppe (B20L) ausgeglichen. Es wurden zwei weitere
Formulierungen abgeleitet, indem die Gruppe der verzweigten Aminosäuren in
der Formulierung B18 von 18% (Gew./Gew.) auf 16% (Gew./Gew.) verringert
wurde.
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Diese
Verringerung wurde durch eine Verstärkung der ionischen Gruppe
(B16L) oder durch eine Verstärkung
der nichtionischen Gruppe (B16H) ausgeglichen. Die Formulierungen
wurden entsprechend der Formulierung (B), des Prozentsatzes der
verzweigten Aminosäuren
(16, 18 oder 20) und der relativen Menge der nichtionischen Gruppe
(H – hoch
oder L – gering)
bezeichnet.
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Löslichkeitsversuch:
Es wurden Gemische von verzweigten, ionischen und nicht-ionischen Aminosäuren hergestellt
und aus diesen Gemischen wurden jeweils 200 ml von fünf Formulierungen
B mit einem getrennten Zusatz von Tyrosin und Tryptophan hergestellt.
Die Aminosäuren
wurden in Wasser gegeben und auf 80°C erwärmt, und es wurde 0,5 ml Essigsäure zugesetzt.
Die Lösungen
wurden 30 Minuten gerührt
und abgekühlt.
Die Lösung
der Formulierung B20H wies eine geringe Menge eines ungelösten Materials
auf, das nach 30 Minuten bei 80°C
auf der Oberfläche
schwamm.
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Alle
fünf Lösungen wurden
in einem Eisbad auf 25°C
abgekühlt,
der pH-Wert wurde mit Essigsäure auf
6,0 eingestellt und das Volumen wurde auf 200 ml eingestellt. Die
Lösungen
wurden durch eine 0,2 μ Membranfilter
filtriert. Zwei 100 ml Portionen jeder Lösung wurden in 100 ml Glasflaschen
verschlossen. Ein Satz wurde bei 5°C und der andere bei 25°C aufbewahrt.
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Nach
einer Woche wurde das ausgefällte
Material bei allen Lösungen
geprüft.
Bei der Probe B20L, die bei 25°C
aufbewahrt worden war, waren auf der Oberseite der Lösung schwimmende
Flocken zu erkennen. Alle anderen bei 25°C aufbewahrten Lösungen und
alle bei 5°C
aufbewahrten Lösungen
waren klar. Nach zwei Wochen war die einzige Lösung mit einem Niederschlag
noch immer B20L. An der Oberseite der Flüssigkeit entlang des Glases
befand sich ein Ring aus dem Material. Alle bei 25°C und 5°C aufbewahrten
Lösungen, abgesehen
von B20L bei 25°C,
waren nach 3 Wochen klar.
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Dieser
Versuch bestätigte,
daß die
Löslichkeit
insgesamt verbessert werden kann, wenn die ionische Natur der Lösung abgeschwächt wird.
Es konnten Formulierungen hergestellt werden, die 20% (Gew./Gew.) verzweigte
Aminosäuren
enthielten.
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Beispiel 2
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Es
wurden vier Zusammensetzungen C bis F hergestellt, um die Stabilität zu bestimmen.
Die Zusammensetzungen enthielten verzweigte Aminosäuren. Das
Verhältnis
der Typen der Aminosäuren
(ROT) ist nachstehend zusammen mit den Stabilitäten aufgeführt. Die Zusammensetzung weist
18% (Gew./Gew.) der gesamten Aminosäuren als verzweigte Aminosäuren auf,
und die gesamte Konzentration der Aminosäuren wurde geändert.
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Obwohl
dieser Versuch zeigt, daß nicht
alle Zusammensetzungen mit einem ROT (1/2)-Verhältnis von 0,57 bis 0,65 stabil
sind, haben die Erfinder festgestellt, daß die Zusammensetzungen im
hochkonzentrierten Bereich von 21,08%, die in diesen Bereich fallen,
stabil waren.
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Beispiel 3
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Es
wurden die folgenden Aminosäurelösungen hergestellt
und als stabil eingeschätzt. Testformulierung
- I
- ionische Aminosäuren (Typ
1)
- N
- nichtionische Aminosäuren (Typ
2)
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Bei
der ersten vorstehend aufgeführten
Formulierung (B18), einer 20%igen (Gew./Vol.) Aminosäureformulierung
mit 18% (Gew./Gew.) verzweigten Aminosäuren, wurde festgestellt, daß sie über einen
Zeitraum von mindestens zwölf
Monaten stabil war.
