生物科学与工程前沿综述.doc

硕士研究生课程论文

木质纤维素微生物直接转化的关键问题及对策
学 院： 生物科学与工程学院
专 业： 生物工程
学生姓名： 詹舒瑶
学 号： 201421025386
指导教师： 谭 文
课程名称： 生物科学与工程前沿
提交日期： 2015年1月5日
研 究 生 课 程 论 文
(2014-2015学年第一学期)

研究生：詹舒瑶
提交日期：： 2015年1月5日 研究生签名：
学 号
201421025386
学 院
生物科学与工程学院
课程编号

课程名称
生物科学与工程前沿
学位类别
硕士
任课教师
谭文
教师评语：

成绩评定： 分 任课教师签名： 年 月 日

吸入剂质量评价方法的研究进展
摘要：肺部吸入给药成功用于肺部疾病和全身疾病的治疗。研究吸入制剂在体内的沉积和分布对吸入剂型开发和质量控制很重要。目前，吸入剂质量评价方法主要有体外评价和体内评价。体外评价法能得到粒径分布和喷出剂量，对药物在肺部沉积的体内评价作出预测。体内评价能获得药物在肺部沉积和分布的直接信息。
关键词：吸入剂 评价方法 药物递送 碰撞器 激光衍射
Progress of Inhalation Assessment methods
Abstract：The pulmonary route has been used with success for the treatment of both lung and systemic diseases. To study the deposition and distribution of an inhaled drug is very important for formulation development and quality control. Recently, inhalation assessment methods is in vitro assays and in vivo experiments. In vitro assays measure particle size distribution and emitted drug dose, which could be predictive of lung deposition pattern in vivo. In vivo methods provide direct information about the distribution and the location of inhaled drug within lung.
Key wards: inhalation, assessment methods, drug delivery, impaction, laser diffraction
哮喘又称支气管哮喘，是严重威胁人类健康的慢性呼吸系统疾病，全球约有3亿患者。在我国哮喘患病率也呈逐年上升趋势，成人发病率为0.7%~1.5%，儿童为0.11%~2.03%。全国约有2000万患者之多[1]。在欧美形势也不容乐观，根据美国疾病防控中心的最新统计数据显示，在美国每11个儿童中就有1个患有哮喘；此外，每5个儿童中就有1个因为哮喘发作必须就诊于急救中心，每年政府需要花费数十亿美元用于儿童哮喘发病住院就医[2,3]。因此有国外专家预测，到2020年，哮喘疾病会成为世界第三大杀手。
目前来说临床中已采用了多种方法用于治疗哮喘，对于不同发病时期和症状的患者，哮喘的治疗应各有不同，有的采用联合用药，比如糖皮质激素类药物布地奈德和硫酸沙丁胺醇联合用药治疗[4]以及异丙托溴铵联合硫酸沙丁胺醇给药雾化吸入[5]；有的采用单独给药[6]。治疗手段既有基于控制目的需要长期每天使用的药物如糖皮质激素和长效β2受体激动剂福莫特罗、班布特罗以及沙美特罗等；也有按需使用的缓解药物，这主要针对于病症急性发作时迅速解除支气管痉挛缓解哮喘症状，避免患者因呼吸困难而有生命危险，使用的有抗胆碱能药物如异丙托溴铵、阿托品以及速效β2受体激动剂如沙丁胺醇、特布他林等。
对于肺部疾病，吸入制剂被认为是有效的给药途径。近年来，吸入剂也被作为全身性疾病的治疗（如糖尿病的治疗）的有效的选择替代手段。相比口服用药和注射给药，肺部吸入给药有起效快、特异性高、有效剂量低、更低的全身副作用、避开肝脏的“首过效应”以及药物递送效率高等优点[7]。
1.吸入剂的种类
通过呼吸道给药的主要有三种剂型：水雾剂、定量气雾剂(MDIs)和干粉剂(DPI)。MDIs中的药物可以是悬浮状、乳业状或者溶液，里面包含有推进剂。当MDIs装置被触发时，定量的剂量就会以高的速率喷射出来，这时需要病人同时吸入。因此，在触发和吸入之间需要很精准的协调性。显然MDIs对于缺乏协调性的儿童是不适合的[8]。另外，很高的喷射速度会使大部分的药液在口咽沉积。为了保证触发和吸入之间的协调性，研制出了呼吸触发的MDIs。使用这种装置时，吸气就会触发药物释放。呼吸触发的MDIs有个缺点，推进剂快速蒸发会导致温度降低，即所谓的“冷氟利昂效应”。冷的气雾会导致支气管痉挛。用一个间隔空间可以在一定程度上克服这个缺点。
干粉吸入系统由干粉剂、定量装置和吸入装置组成[9]。在大部分的干粉吸入系统中，微分化的有效成分都加入了无药效的赋形剂，如可吸入的乳糖。但是，没加赋形剂的DPIs也已经研制出来了。干粉吸入器使用病人吸气的气流携带药物和使粉末分开。许多DPIs都需要相对高的吸气流速来保证递送足够的药物剂量。对于一些患有严重的支气管阻塞疾病的病人和幼小儿童，可能不能保证有足够的吸气流速。
喷雾剂是使用雾化器使药物水溶液或悬浮液雾化成水雾状，然后被病人吸入。对于严重的气管阻塞和不适应其他给药系统的病人，往往选择水雾剂。除此之外，对于一些不能做成DPI或MDI的药物，可以选择做成水雾剂。例如抗生素类、酶类或化痰药。再者，雾化β2受体激动剂和抗胆碱能受体的药物普遍用于急性哮喘的治疗。水雾剂治疗的缺点是在靶区域的沉积效率低。喷射出来的药物，平均只有10%可以在靶区域沉积而产生药效[10]。
水雾剂的雾化装置主要两种基本类型：压缩雾化器和超声雾化器。压缩雾化器是利用压缩空气使药液雾化。超声雾化器是利用超声波产生的能量将药液雾化。
2.评价吸入剂肺部沉积率的方法
2.1 吸入剂在肺部沉积的机制
有文献报道，主要有三个物理过程影响药物在肺部沉积：基于布朗运动的扩散、重力沉降和惯性碰撞[11,12,13]。
对于大的粒子（粒径>3um），惯性运输是主要的起作用的运输机制。随着粒径、粒子密度和在气道内速率的增加，由于惯性碰撞引起的沉积量会增加。惯性碰撞主要在上支气管发生。重力沉降（粒径范围是1~3um）主要在下支气管和肺泡中发生。粒径<1um时，重力沉降的作用可以忽略，粒子在细的气道和肺泡中的沉积主要是布朗运动的作用。由于有药效的吸入剂的平均粒径是1~10um，所以布朗运动对药物的沉积没有太大影响[14]。
药物粒子在呼吸道的命运是非常复杂的，主要依赖以下三个因素的相互影响。气雾剂的特性（气雾剂处方、活性成分和递送速率等）、呼吸道和最重要的呼吸模式（流速和潮气量等）和病人（年龄、性别和病情等）[15,16,17]。
药物粒径是影响药物沉积最重要的因素。它将影响药物在气道的沉积位点和沉积量。药物粒子在呼吸道内的命运主要由空气动力学质量中位直径（MMAD）衡量。粒子的MMAD的定义是与该粒子有相同空气动力学行为的单位密度（1g/cm3）的球形粒子所具有的粒径[11,12,13]。
粒径>10um的粒子不能进入肺，因为由于惯性碰撞，它早已在口鼻或咽喉处沉积了。粒径在0.1~1um之间的也不能在肺部沉积，很大一部分会被呼出来。
2.2 体外评价方法
评价吸入剂肺部沉积率的主要参数是MMAD和喷出的有效成分的量。目前用于体外评价的主要技术有光学法（激光衍射）和惯性碰撞法（碰撞器）。由这些得到的参数有药物的粒径（几何或空气动力学粒径）、小粒子的百分比（FPF）、喷出的药物总量（UDD）和小粒子的量（FPD）。
目前所用的光学法主要是激光衍射法，准确讲是“小角度激光衍射”，激光衍射法成为粒径测量的普遍方法。激光衍射分析法的原理是基于通过激光束的粒子使激光发生衍射的角度与粒径呈反比（大粒径的粒子激光衍射的角度小，小粒径的粒子激光衍射的角度宽）。运用傅里叶透镜，是得到的衍射模型被在焦平面上的检测器捕获。目前广泛使用的两种将光强衍射模式转化为粒径分布的方法是Fraunhofer理论和Lorenz–Mie理论。前者主要描述粒子外周的光衍射，后者增加了粒子对光的吸收和折射作用[18,19]。
碰撞器法是已经运用很广泛的吸入剂粒径分布评价方法。主要有两个级别的惯性碰撞器：单级碰撞器和多级碰撞器。碰撞器法的原理是基于药物粒子在空气流中的空气动力学行为。多级碰撞器的每个级都一定数量的喷孔，越到下一级，孔径越小，在每一级都有收集盘。真空泵提供一定流速的空气流，携带药物粒子达到不同的级段[20]。当气流路线由于收集盘的阻挡而发生偏离时，小的粒子由于惯性小不会在收集盘表面不规则运动，会跟随气流运动；大的粒子由于惯性大会与收集盘发生碰撞。越到下一级，随着孔径变小，每一级的空气线速度和粒子惯性会变大，从而提高了粒子沉积的可能性。FDA和多国药典都对推荐使用碰撞法来测试吸入制剂的处方和吸入装置；EP和USP都对碰撞法的技术参数和标准测试作了明确规定[21]。随着近年来对吸入粒子中静电特性的研究，基于净电荷和粒径分布的碰撞器被研发出来，如电子低压撞击器（ELPI）和新一代电子撞击器（eNGI）。
有很多因素会影响碰撞器的粒径分布结果，如流速的控制、漏气、环境因素（温度和湿度）、粒子的蒸发以及收集盘的涂层等。因此在优化测试方法时，这些影响因素是首先要考虑的。
2.3 激光衍射法和碰撞器法的比较
已有很多关于激光衍射法和碰撞器法的比较研究被报道，得到的数据表明这两种技术有很好的一致性，激光衍射法可以做为碰撞器法的有效补充方法。碰撞器法得到的是空气动力学粒径（MMAD），激光衍射法得到的是几何粒径。它们之间有如下等式关系[22]：

对于球形粒子而言，坎宁安滑移修正系数（Cae和Cp）近似为1，动态形状因子χ 也为1.公式可以简化为[23]：

因此，当粒子是球形时（ρ=1）激光衍射法和空气动力学法有很好的一致性。对于非球形的粒子或密度小于1的药物粒子，空气动力学法得到的粒径Dae要小于激光衍射法得到的粒径Dv。现在已有多篇文献报道了激光衍射法和碰撞器法在测试DPI粒径分布时具有很好的一致性[24,25,26]。
2.4 体内评价方法
评价吸入剂在肺内分布和沉积的直接方法有：成像技术和药理学分析。成像技术由于能提供药物在肺部沉积的直接信息而广泛用于吸入剂递送性能评价[27,28]。最近，将三维成像技术运用到吸入剂肺部递送性评价，主要有单光子发射计算机断层扫描（SPECT）和正电子发射断层摄影术（PET）[28]。但是三维成像技术成本高，药物被组织吸收可能会影响结果以及药物分子放射性示踪类似物合成困难[29]。
药理学的评价方法主要是药代动力学（PK）和药效动力学（PD）。药代动力学能很好的评价吸入剂在肺部沉积和生物利用度的情况，主要是定量药物在血液中的含量[30]。药效动力学被认为是评价新吸入剂有效性和安全性的“金标准”，也是临床试验注册申报的基础。在实际过程中，吸入进气管树的药物，有部分可能会被粘液纤毛清除或被气管上皮细胞吸收或者直接在口咽处沉积，再被口腔吸收而进入全身循环，或者直接由胃肠道吸收后经肝脏的首过代谢而进入全身循环。因此，将药物由肺吸收和由胃肠道吸收区分开是很重要和必要的。如果胃肠道吸收可以忽略或者肝脏的首过效应很高，就可以推断血浆中药物分子的浓度全部是经肺部吸收的。否则，PK实验就要想办法绕开胃肠道吸收的问题。例如，口服活性炭阻止药物经口吞咽由胃肠道吸收或者探究药物在口服和肺部吸收之间的时间间隔，如果时间允许可以选择在药物只由肺部吸收入血的时间段采集血液[31,32]。将成像技术和药代动力学联合起来（即药理显像），可以获得药物活性分子的局部和全身的许多有价值的信息。
3 结论
肺部吸入制剂使用方便、起效迅速、药物能以较高浓度到达作用部位以及避免了肝脏首过效应，减少全身给药可能产生的不良反应，是目前国内外研发的热点剂型之一。将吸入制剂的体外评价和体内评价联合起来，全面评价吸入药物在肺部的沉积和分布状态，对于药物处方的优化、递送装置的开发、药效和安全性的评估很重要。惯性碰撞法和激光衍射法是比较常用的吸入剂粒径分布测试方法。对于惯性碰撞法，不同剂型有不同的测试标准和测试环境。目前，药典还没有明确规定激光衍射的测试环境，但是测试过程中外界环境会影响测试结果，尤其对水雾剂，环境的影响很大，所以探究激光衍射法测试粒径分布的最优环境条件很有必要。

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