制剂设计考虑：第一章 药物研究和制剂产品开发中的处方前研究
作为医药研发工作者，一直想系统的去学习制剂开发的基础理论知识，深知：“工欲善其事必先利其器”的道理，只有对于制剂的开发具有比较系统化，深入化的认识和掌握，才能在药物开发中以不变应万变，特别是创新药和创新药物制剂的开发。根据近些年的工作感悟来看，每个项目，每个化合物，每个要开发的制剂产品，都有其独特之处，如果仅仅通过经验去套用，有的时候又会出现新的问题，多半来源于对于基础知识掌握不牢，基本概念理解不清，基本思路实施不符合一般逻辑所致。 为了解决上述问题提高知识的系统性，理论的科学性，从经典的著作处着手，将会获益良好。后面的时间将会不间断对于此书进行学习！如果大家如我一样，迫切需要学习，提高自己的专业技能，还请关注我们！当然，毕竟个人能力有限，如若翻译不当之处，还请包涵和理解！尚无“为天地立心，为生民立命，为往圣继绝学，为万世开太平”之志，但也希望哪天提及此事，可以骄傲的说这事我翻译之书也。加入我们，期待我们终点相会！！
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制剂设计考虑：第三章 理化参数对药物吸收的作用及其在制剂开发中的意义
制剂设计考虑：第五章 GIT吸收药物的理化、药剂学和生物学因素
药物研发客 为药物研发人员提供一些比较实用的经典的药物研发资料，希望大家一起学习与成长。目前来看，中国医药的现状与国外差距很大，即使在国内研发实力比较强的医药公司里面，仍旧普遍存在药学知识薄弱，实验设计不合理，实验结果的真实性以及是否值得相信仍待考证。千里之台起于垒土，雄关漫道真如铁，而今漫步从头越，希望吾辈药研人员，埋头苦学，师夷长技，逐步提高药物研发实力，获得个人与企业的双重提升。
Advances in Pharmaceutical Product Development and Research : Dosage Form Design Considerations
剂型设计参数，第一卷，审查了历史和当前状态的领域内的制剂科学，提出了关键的发展。内容包括药物开发问题，处方的规模，监管问题，知识产权，固态特性和多态性。由该领域的专家撰写，在药品开发和研究系列的进展这卷加深了我们对剂型设计参数的理解。章节深入到这个基本领域的一个特定方面，包括原则，方法和制剂科学家采用的技术。此外，这本书包含了一个全面的综述，适合研究人员和先进的学生在药剂学，化妆品，生物技术和相关行业的工作。
主要章节内容如下：
1.药物研和制剂产品开发中的处方前研究
2.药品开发中考虑的理化方面
3理化参数对药物吸收的作用及其在药物开发中的意义
4.与药物吸收有关的生理因素
5. GIT药物吸收中的物理化学、药剂学和生物学考虑
6.药物性质和给药途径对控释系统设计的影响
7.药物稳定性和降解研究
8.药品开发中的首过代谢考虑
9药品开发期间的溶出曲线考虑因素
10药品开发中的药物处置考虑因素
11.蛋白质和组织结合：对药代动力学参数的影响
12. 原料药、蛋白质和肽的处方前研究：在药物发现和药物产品开发中的作用
13.盐选择在药物发现和开发中的作用
14.药物络合：药物增溶和口服生物利用度增强的含义
15.药品开发中的溶解度和增溶方法
16.流变学及其对液体剂型性能的影响
17. 医药产品开发中的微粒学
18在医药产品开发的四个阶段-处方前-原型开发-生物学方面-放大研究-商业化
19.医药产品开发中的放大研究
20.药品开发生理过程的操纵
21.药品质量对临床疗效的影响
22. 药品中使用的制剂添加剂：强调监管视角和GRAS
第一章 药物研究和制剂产品开发中的处方前研究
1.1简介
制药行业在促进全球健康科学方面发挥着关键作用。研发团队在开发新药、疫苗、医疗器械、技术等方面负有独特的责任，以提高全球患者的依从性。只有通过对创新进行基础研究，这才有可能实现。任何一家制药公司的成功都建立在其不断创新的基础上，特别是在预防和治疗常见病、复杂病、忽视病以及改进现有治疗方法方面。从工业角度来看，处方前通常被视为一项多部门活动，涉及不同技能领域之间的协调工作，如分析、处方开发、监管和整个开发周期中的其他领域。
1.1.1综述制剂生命周期和管理
在任何一家制药公司，研发团队都处于产生新概念的前沿，以推动公司的品牌发展。该部门负责根据理化和生物活性在几种筛选出的化合物中鉴定一种新的潜在部分，用于治疗目标疟疾死亡。为了确保其安全性和有效性，对该部分进行了广泛的测试。整个过程要求很高，很有挑战性，也很耗时，如图1.1所示，它可以持续10到15年。例如，2015年，推出了56种新药，而目前，全球有7000多种化合物处于不同的开发阶段。
了解为一家公司生成一个研究性新药（IND）申请的任务的艰巨性，当务之急是通过进行适当和明确的研究来预测新化学物质（NCEs）的成功，从而最大限度地降低失败的倾向。从这个角度来看，处方前成为一种有效的工具，有助于研究人员生成用于筛选先导化合物化合物的物理化学和生物药剂学数据。因此，这需要药物发现和处方科学家之间的科学合作，以避免产品开发后期失败的风险。
制药公司在产品开发过程中遇到的各种挑战包括：需要新分子实体的批准和reimbursements、靶点识别、缺乏预测性动物模型、管理层的临床试验、监管机构的低风险承受能力、企业类型（即共同开发许可或合资企业）、不断变化的战略动态、，商业需求的增长和研究驱动的制药公司数量的减少。
这些挑战往往导致研发资本化成本高，导致新分子实体（NME）产量低，从而降低了研究驱动的制药企业的研发效率。因此，出于以降低或具有竞争力的经济成本进行创新的需要，公司采取了并购等增长选择，与知名大学和/或其他生物技术/制药研究组织进行成本效益高的外包合作机会，通过在研发的所有阶段许可现有药物来利用其专业知识，通过与风险资本主义者结成战略联盟，并可能通过众筹（Schuhmacheretal.，2016）。
全球制药行业的销售额估计为9670亿加元（仅在美国就达到4460亿加元，占46%）。仅在2016年，就有1570亿美元用于药物研发。预计2022年将增至1800多亿美元（Statista，2017）。
认识到创新的必要性，并理解制药行业产生的高昂费用，设计工具来区分产品开发的众多化学结构中的活性部分变得至关重要。选择将由生物利用度决定，因为物理化学性质影响制造、加工、稳定性以及与辅料的相互作用，从而产生治疗活性、安全有效的制剂。
从概念上讲，处方前提供了关于新化学实体特征的全面知识，这在早期开发阶段至关重要。这也将增强筛选和设计合适制剂所需的基础知识。从而减少总体药物开发支出，促进产品的商业化（Gaisford和Saunders，2012）。
处方前研究的目的是选择用于产品开发的正确原料药、辅料和包装材料。这评估了物理化学性质，并生成了材料在不同条件下稳定性的详细数据。产品生命周期管理为通过发现、临床前、临床、监管批准和全面商业化过程做出精通决策创造了一个战略框架。这些支架使公司在增值合作和评估点方面具有很高的知名度和可能性，以管理药物在其整个产品生命周期中获得最有利的盈利能力。
1.1.2处方前的需求：制剂开发的第一阶段
最近，美国食品药品监督管理局对批准统计数据的审查表明，大多数产品在第二阶段和第三阶段的临床研究中失败，可能是由于药物无效（B55%）、毒性问题（30%）、商业原因（5%）、操作障碍（5%）和未知错误（5%）（Arrowsmith和Miller，2013）。因此，为了在产品开发和注册的后期最大限度地减少所有这些处方和交付问题，始终需要在开发阶段之前进行处方前研究（Cook等人，2014）。处方前研究是产品开发的关键组成部分，它支持临床试验各个阶段的处方开发。“处方前”一词的意思是预先的，“处方”是指最终制剂的设计。如前所述，为了开发药物处方，进行了处方前研究，以确定可能影响处方开发过程的药物分子的基本物理化学和其他衍生特性（Arrowsmith和Miller，2013）。从根本上讲，处方前科学包括使用生物药剂学code对NCE进行物理化学表征，其唯一目的是获得最佳剂型。
除上述术语外，在处方前的早期阶段设计和开发测定法决定了其生物利用度、剂量和毒性数据。溶解度的基本概念和开发合适的测定方法是配制合适的有效剂型的初始步骤。表1.1列出了在处方前研究期间要评估的各种分子性质（来源于分子结构），表1.2列出了所测量的药物的各种宏观（或本体）性质（来自分子间相互作用）（Gaisford和Saunders，2012）
1.1.3阻碍产品开发成功的主要障碍
在药品的成功开发中，需要首先解决监管档案和现场文件等几个基线困难。其他问题包括定义不清的项目、提交前的障碍、非质量的间接变化和成本（Gibson，2016）。表1.3中还总结了问题的完整总结。
具体而言，就基于纳米技术的药物而言，选择正确有效的候选药物来靶向预期疾病很重要，因为它必须提高疗效并将副作用降至最低。然而，应该注意的是，纳米药物可以调节生物药剂学和活性部分的药代动力学倾向。例如，在某些情况下，已经观察到表面配体密度的变化可能引发不希望的补体激活和其他免疫反应。这可能会限制多功能和多组分纳米颗粒的广泛使用，因此需要明智地选择纳米颗粒系统作为药物货物（Havel等人，2016）。
对于任何固体剂型，处方前研究对于预测典型生产过程中可能的工艺诱导的药物转化至关重要。
例如，在压片过程中，可以通过添加合适的助流剂来改善粉末混合物表现出的较差的流动特性。类似地，在可压缩性差的混合物的情况下，胶囊剂型可以被认为是合适的替代品。进一步通过精心设计的处方前研究，不耐热药物可以在远低于其玻璃化转变温度（Tg）的温度下进行干燥，以防止多晶型转化。另一个强调处方前的例子是包衣工艺，其中对于水分敏感片芯的有效薄膜包衣，使用低粘度溶液以低速喷涂的密封涂层将更合适。因此，上述例子清楚地概述了处方前研究在合理选择成分、工艺变量和处方方面的相关性，最大限度地降低了产品开发后期出现意外故障的风险。
1.1.4处方前在产品开发过程中的作用
国际协调理事会（ICH）建议了稳定性和测试条件的标准，这些指南可用于设计稳定性风险最小的处方（Lawrence等人，2014）。由于每个分子的独特性质，这一发展始于一门实证科学。在给定的产品战略中，任何类型的处方开发的设计都需要对资源、技术、监管和产品开发有深入的了解。对于临床前研究，需要一个可以优化和选择的原型，以获得临床试验所需的更好处方。确保治疗蛋白或任何肽部分的安全性和有效性是至关重要的，随着开发的进展，很难对产品做出任何改变。产品开发过程中需要考虑的重要问题包括
•该产品将治疗什么样的疾病？它是慢性的还是急性的？目标产品简介对于了解给药途径的选择非常重要。
•治疗窗口呢？当我们针对产品时，我们需要具体化是广义的还是狭义的？
•给药或消费是在家里亲自完成的，还是在诊所或医院由助理完成的？
•市场状况如何？是否有其他药物分子适用于相同的治疗？
•我们开发的产品将如何优于现有的治疗方法和可能出现的治疗方法？
对于稳定和强健的产品，要求制剂的性能不影响活性部分的稳定性和生物利用度。应特别强调遵守法规，特别是在生产和商业化方面。
配制成功的药物产品有四个阶段：（i）处方前；（ii）bulk物质的稳定；（ii）药物递送制剂策略；然后是最后的（iv）制造活动（填充和精加工过程）。处方前研究是药物开发的一个重要工具，从最初的药物开发过程开始。这些研究旨在系统地生成与理化性质、药物初始辅料相容性相关的综合信息，开展分析研究，以及直接或间接支持制剂开发的其他信息。
从处方前调查中获得的结果反映了处方尝试的有用基础信息。成功的处方考虑了稳定性，并记录了药物与其他辅料、食品等的相互作用数据。并对最终产品的安全性和稳定性进行了研究，使其成为有益的和可销售的产品。图1.2和图1.3对药物产品开发的各个阶段进行了系统评估，并简要总结了其开发生命周期及其管理。
1.2处方前研究参数
处方前研究参数允许制剂制定者选择各种添加剂和制剂条件，以成功有效地给药。物理化学参数包括溶解度、稳定性、pH、pKa、logP、logD等。表1.4总结了处方前的一些重要特征参数。
1.2.1溶解度
溶解度可能是产品开发的主要障碍。通常，药物发现和开发的失败通常归因于药物的溶解性差。化合物的可显影性可能因溶解度不足而受到阻碍，因为它可能在测定开发中造成问题，并且不利地影响化合物的体内处置。因此，缺乏足够的溶解度可能会成为药物发现和开发的障碍。在产品开发过程中，由于水溶性差而出现的并发症有：
•在缓冲液中稀释期间，在生化测定、功能测定和基于细胞的测定等测定中，化合物沉淀。
•靶标特异性降低，生物利用度低。
•精确的溶解度数据和溶解度曲线对于开发成功的液体剂量处方至关重要。它还确保成品中含有规定数量的API，以确认给药后的预期疗效。
图1.3用不同量的起始材料作为Di-HCl盐构建的新化学实体E2050的pH-溶解度曲线。改编自（Augustijns和Brewster，2007）。
需要注意的是，如果药物表现出水溶性差，则假定其在胃肠道（GI）内可能表现出溶出差和/溶解性有限的吸收特征。这一事实突出了生物药剂学分类系统（BCS）的构成，该系统指出，如果药物在250mL水溶液（pH17.5）中的水溶性小于其总剂量，则其可溶性较低（Lobenberg等人，2000；Amidon等人，1995年）。一般来说，最大可吸收剂量（MAD）是一种概念工具（方程1.1），它将定义口服吸收所需的溶解度联系起来，考虑到其渗透性、胃肠道体积和传输时间（Johnson和Swindell，1996）。
其中“S”是药物在pH6.5下的水溶性；“Ka”是固有吸收速率常数，“SIWV”是小肠中的水量（通常认为是～250mL）；“SITT”是小肠中的运输时间（通常为～270分钟）（Amidon等人，1995年）。
通常，药物的溶解度受到参数的影响，例如在增溶溶剂中的亲脂性、氢键、分子体积、晶体能和电离性。类似地，溶液条件受pH、共溶剂、添加剂、离子强度、时间和温度的影响。因此，总体而言，影响药物溶解度的因素可能包括溶剂类型、溶剂温度、介质pH值（如果是可电离的API化合物）、添加剂、固体API化合物的物理状态（精细、粗等）、药物的结晶性、释放介质中常见离子的存在、溶剂中的增溶添加剂等。溶解度的测定方法分为平衡法和非平衡法。
平衡法的突出例子是“饱和摇瓶法”，其中溶解度是在建立平衡后确定的。它主要包括以下步骤：在各种缓冲液中制备样品、平衡执行、固相和溶液相的分离、饱和药物溶液的分析，然后进行数据分析和解释（Yalkowsky和Banerjee，1992）。
正如该术语所表明的，在非平衡方法中，这些方法不涉及建立平衡。突出的例子是设计用于高通量仪器的浊度和紫外线检测。除此之外，还采用了电位滴定法。
通常，为了评估溶解度，使用不同的缓冲液组合物（即pH1.2盐酸缓冲液、pH4.5乙酸缓冲液、pH6.8磷酸盐缓冲液和pH7.4磷酸盐缓冲液）在pH1.2至8范围内对药物进行溶解。除此之外，为了模拟生物环境，测定了NCE在生物相关介质中的溶解度，如禁食状态模拟肠液（FaSSIF）和进食状态模拟肠水（FeSSIF）（Shah等人，2014）。此外，还确定了动力学溶解度，以确定药物的无定形形式的溶解度。然而，据报道，与热力学溶解度相比，这种溶解度往往高估了药物溶解度（Saal和Petereit，2012）。
图1.4含有溶解辅料的0.05 M HCl中对乙酰氨基酚的IDR。结果是在50转/分下至少五次重复的平均值（Shaw等人，2005）。
表观溶解度可以通过加入用作起始材料的药物候选化合物的离子形式来提高。当向溶液中加入不同量的盐时，可以观察到这些差异。例如，Brewster等人研究了他们的实验化合物E2050的pH溶解度曲线：他们观察到，当在本研究中使用过量的该化合物的二盐酸盐（2*HCl）盐时，在单盐酸盐控制溶解度的pH区域中的溶解度受到由二盐酸盐转化为单盐酸盐所产生的过量氯离子的抑制（Augustijns和Brewster，2007）。
在动力学状态的极端情况下，表面pH等于本体溶液中的pH，而表面浓度接近0（在漏槽条件下），因此，内在溶解速率（IDR）与本体溶液pH下的平衡溶解度成正比。Shaw等人设计了一项研究，以研究在一系列选定的潜在辅料存在下对乙酰氨基酚和布洛芬的溶出行为（Shaw等人，2005），如图1.4所示。首先，对于扑热息痛，观察到所有辅料都抑制了溶出速率，尤其是在较高浓度下的乳糖，这显示出最大的效果。在布洛芬的情况下，可以看到较高浓度的乳糖和氯化钠都能抑制IDR。而碳酸氢盐的钠盐和钾盐被证明可以大大提高溶出速率。
1.2.2确定药物的渗透性
表观渗透系数非常重要，以考虑进行临床前动物试验的正确活性分子。Caco-2单层渗透能力技术（13）是一种异质性的人类上皮性结肠直肠腺癌细胞，具有P-糖蛋白外排转运蛋白、各种酶（如肽酶和酯酶）、微绒毛和模仿肠道的紧密细胞连接。该测定法评估制剂中活性物质的渗透性，并在产品开发过程中始终使用体外诊断工具。它具有在短时间内筛选大尺寸样本数据的特性，并给出准确和精确的结果。在使用这种Caco-2渗透性技术成功筛选后，这可以进一步用于体内药代动力学研究。因此，它被用于进行过量P糖蛋白外排的药物和/或被肠分解酶广泛代谢的药物。它也是评估BCSII类和IV类药物的好工具。近年来，渗透性也使用人工膜进行测定，例如平行人工膜渗透性测定（PAMPA）（Bennion等人，2017；Mensch等人，2010），尤其是通过被动扩散吸收的药物（Liu等人，2011；Leung等人，2012）。图1.5给出了选择最终盐形式的重要考虑因素的流程（Huang和Tong，2004），图1.6描述了为提高口服生物利用度而遇到的临床前制剂场景（Shah等人，2014）（图1.7）。
Pawar等人研究了制剂因素对药物莫西沙星和水滴剂在绵羊、山羊和水牛新鲜切除角膜上的体外渗透行为的影响（Harapanhalli，2017）。辅料如EDTA（0.01%w/v）和苯扎氯铵（BAK）（0.01%w/v）在制剂中的存在在所有角膜中显示出最大程度的渗透增强。关于在配制的0.5%眼用溶液（pH7.2）上研究的渗透性和生物利用度，建议莫西沙星溶液与EDTA（0.01%w/v）和BAK（0.01%w/v）一起通过山羊、绵羊和水牛角膜提高体外角膜的有效性。
1.2.3bulk表征：物理、分析和物理化学
表面科学用于评估表面和物理化学性质，以设计处方策略。在处方前阶段，粉末表征通常在经过认证和校准的设备上进行，该设备有助于处方师对材料进行表征，无论是活性材料还是任何辅料。处方的开发重点是其表面、物理化学性质，以及其功能是否可用于口服或吸入器剂型。以下强调/介绍了一些本体表征参数：
•bulk表征涉及颗粒间相互作用以及不同颗粒表面与水蒸气的相互作用的研究。
•颗粒团聚以及随后的流动特性。
•颗粒对不同加工设备和/或基材的表面附着力。
•量化表面可变性对产品性能的影响，以建立验收标准。
•通过压力测试或强制降解研究进入降解途径的初始阶段。
•加工和储存的稳定性研究。
•研究研磨、干燥、热熔挤出、喷雾干燥过程对颗粒性质的影响，即分离和团聚、稳定性和性能、溶解性和可有可无性。对于颗粒尺寸分析和流动表征，使用了一些技术，如使用激光衍射分析仪的颗粒尺寸分析（0.7400μm）、光散射分析（0.04200μm）（Hao等人，2015）、筛分析、空气喷射筛（Meier等人，2015；Muller等人，2015。）、Rototap（Maginness等人，2015年）、沉降分析（0.01μm-50μm），充气和填充堆积密度（Serrano等人，2016）、休止角（Sharma等人，2016；Kaur等人，2016年）、铲角、内聚力、均匀性、接触角测量、吸水率（水等温线）和水分分析、显微镜（光学、SEM）（Goldstein等人，2017；Furukawa等人，2017）和表面能分析（Skoog等人，2017年）。
1.2.4固有特性：pH、pKa、LogP、LogD和固有溶出度
众所周知，药物要发挥其治疗作用，必须与特定受体相互作用，这进一步取决于受体附近的药物浓度。pH曲线通常用于评估具有可电离官能团的药物在不同pH下的溶解度。在液体制剂开发中，pH溶解度曲线可以深入了解溶解难溶性化合物的方法，即缓冲液。李等人的研究结果表明，药物的电离影响自乳化制剂的药物增溶、液滴尺寸形成、药物负载和药物分散/沉淀特性（Omar等人，2018）。然而，可能需要多种缓冲系统来控制整个pH范围，导致缓冲物质形成盐（Tong和Whitesell，1998）。
Dean（1979）提出了“p”标度，其中KW等数字将表示为其基数为10的Log的负数。在吸热反应中，特别是在水的自电离过程中，温度的升高会增加KW（Dean，1979）。这种温度依赖关系如图1.8所示。
Pramar等人在螺内酯的处方前研究中研究了离子强度、温度、pH和两种缓冲物质对稳定性的影响。如图1.9A和1.9B所示，稳定性的最佳pH值似乎约为4.5。当缓冲液浓度增加时，两种物质都加速了螺内酯的降解，但药物的稳定性不受离子强度的影响。在pH4.3时，活化能（Ea）估计约为78.8kJ/mol。未结合的螺内酯受到一般的酸碱催化作用。40℃时的Kh和Koh值估计分别为1.63和2.83*105/天。HPO4-2离子的催化作用大约是H2PO4离子的10倍。此外，对于所有更高的温度（40摄氏度、50摄氏度和60摄氏度），分解遵循一阶定律（图1.9C）。这是一个可以开发螺内酯和其他药物的稳定口服液剂型的平台（Osorio和Muzzio，2016）。
图1.9（A）40℃时pH对螺内酯稳定性的影响。（B） 40℃时螺内酯的pH速率曲线。（C） 螺内酯在较高温度下的一阶图。经许可改编自（Osorio和Muzzio，2016）。
对于最佳的药物-受体相互作用，亲脂性和水溶性都是必不可少的。如果口服，药物必须处于溶解状态，通过被动扩散穿过膜屏障到达作用部位。被动扩散取决于分子的亲脂性，而亲脂性又由药物的pKa决定。然而，具有高亲脂性的化合物存在水溶性差的缺点（N-甲基化肽除外）。因此，在药物发现计划中，希望在先导化合物优化阶段，优化的先导化合物必须具有足够的溶解度和亲脂性，以实现药理活性和所需处方有利的物理化学性质的微妙平衡。化合物的亲脂性用LogP表示，其中LogP为0表示该化合物在水和正辛醇中具有相等的溶解度。而5和2的LogP分别反映了它是亲脂性的和亲水性的。理想情况下，介于1和3之间的LogP值表现出良好的吸收曲线，而0.6或1的LogP数值表现出较差的渗透率。另一个重要参数包括分布系数，pH7.4时的LogD，它给出了血浆pH中亲脂性的估计。与logP不同，logP假设药物分子为中性形式，logD假设化合物分子可能部分为离子形式。除此之外，电离常数（pKa）是一个考虑化合物电离状态的参数。对于弱酸性或碱性药物吸收位点的预测，pKa的知识是非常重要的。
这些参数加在一起，为预测整个胃肠道的药物吸收曲线提供了关键信息，尤其是最重要的是了解pH溶解度曲线。根据定义，众所周知，电离药物具有良好的溶解性（氨基酸除外），但它们的被动渗透性较差。
该药物的亲脂性及其穿过细胞膜的能力可以通过测量分配系数来指示。它被定义为平衡时有机相和水相之间分配的未结合药物的比例。在任何药物递送系统中，主要的贡献因素是亲脂性/亲水性平衡，它影响药物吸收的速率和程度。被动吸收药物的药物转移速率与分子的亲脂性直接相关，因为生物膜本质上是类脂的。
通常，在实验室实践中，使用摇瓶法来确定药物的分配系数。在该方法中，将溶解在一种溶剂中的药物与另一种分配溶剂振荡30分钟。将混合物静置5分钟。将水溶液离心，然后测定药物含量。它有许多应用，例如用于测定在水性和混合溶剂中的溶解度。它适用于同源药物系列，用于体内药物吸收的结构-活性关系。分配色谱法有助于柱和固定相的选择（HPLC）、TLC的板的选择以及流动相（洗脱液）的选择。这些信息可以有效地用于粗药物提取、从发酵液中回收抗生素以及从细菌培养物中回收生物技术衍生药物。它还可用于从生物液中提取药物过程中的治疗药物监测，了解药物从各种剂型（如制剂、乳膏、透皮系统、栓剂）吸收的药代动力学行为，以及研究香料油在乳液油相和水相之间的分布。
Pongcharoenkiat等人的一项引人注目的研究证明了分配系数和表面电荷对O/W乳液中溶质化学稳定性的影响。通过在乳液中用各种对羟基苯甲酸酯代替对羟基苯甲酯（MP），如对羟基苯丙酯（PP）、对羟基苯乙酯（EP）和对羟基苯丁酯（BP），研究了表面电荷对水解速率的影响。
水解速率与分配系数成反比。在含有MP和EP的乳液中观察到表面电荷对水解速率的影响的明显结果。在含有PP和BP的乳液中，对分配系数的影响最大。通常，当分配系数小时，表面电荷的影响占主导地位，而当分配系数大时，分配系数的影响大于表面电荷（Pongcharoenkiat等人，2002）。
文献表明，分配系数可以使用不同的程序来确定，例如：
a.使用96孔板法和RP-HPLC进行分析。
b.摇瓶/搅拌瓶法。
c.两相滴定。
d. Generator column method.
e.基于保留时间或容量因子法的HPLC分析。
f.反向色谱法/离心分配色谱法。
g.流动注射萃取。
h.计算方法。
然而，由于与这些方法相关的复杂性，它们具有固有的缺点，例如结果可能发生变化，它们通常需要大量的介质，样品需求也很大（从1mg到3000mg不等），并且需要专门的复杂仪器或试剂；所有这些都限制了它们在药物研发中的功效。尽管如此，已经努力通过依赖经验相关性的间接方法创建简明的协议。这些是基于化合物的分子性质，如保留时间和容量因子的测定（HPLC），以及通过直接法（包括化合物在正辛醇和水之间的分配）（摇瓶法）。类似地，为了估计pKa，使用电位滴定法从滴定曲线、紫外光谱、，HPLC色谱图（记录在不同的缓冲液中）和毛细管电泳，其中离子在不同缓冲溶液中的相对迁移率
1.2.5稳定性：溶液、固态和ICH光稳定性
对于具有治疗活性的药物产品，在储存和给药过程中形成的轻微降解产物通常会使产品脱轨（Singh等人，2013）。由于已知药物物质通过与内源性物质相互作用在体内具有光诱导的副作用。因此，药物的光稳定性被考虑用于体外和体内稳定性（ICH，欧洲药品管理局，2003年8月）。有报告表明，药物硝苯地平衍生物的光稳定性仅为几分钟，而其他药物在暴露几周后显示出较小的光不稳定性（Tough和Mengesha，2015）。因此，必须了解药物物质和药物产品的光稳定性，以确定处理、包装和标签条件，估计可能的不良反应以及对治疗方面和新药递送系统的影响。
卡尼等人研究了N-环己烷羰基-3-（4-吗啉基）-悉尼酮亚胺盐酸盐（环己胺）在溶液中的稳定性与pH、温度、离子强度和缓冲物质的关系（Liu等人，2016）。在没有光的情况下，发现在药物和一般的酸和碱催化反应中水解速率是明显的一级反应。在60℃下0.1M的离子强度下，pH速率分布具有接近pH6.0的最小值。在60℃下，在离子强度在0.05至0.2M范围内变化期间，在pH7.0（碳酸盐缓冲液）或pH2.0（磷酸盐缓冲液）下的降解速率不受影响。
在没有光的情况下，在pH3.0、5.0和6.0以及在空气或氮气的存在下，报道了类似的降解率。然而，在光的存在下，在pH3.0、5.0和6.0的任何一种情况下，降解速率都很快。因此，建议在所有研究期间保护溶液免受光照。在离子强度为0.154M的稀磷酸盐或柠檬酸盐缓冲液中，pH为6.0时，预计溶液中90%或10%药物损失的时间在20℃为9M，在30℃为2.6M。稳定性也会受到湿度水平的影响。
Carstensen（1988）研究了有限水分和体积水分理论所产生的问题。使用1%至2%的不同水浓度，他们还探索了阿司匹林水分系统，如图1.10所示。
图1.10阿司匹林在不同水分含量下的稳定性分析。经许可改编自（卡斯滕森，1988）。
药物和辅料的光稳定性需要在制剂开发阶段进行评估，以评估制剂和包装对最终产品稳定性的影响。了解光稳定性研究的重要性，应设计一篇照片文章，以揭示降解途径、由此产生的降解产物、母体化合物或体内代谢物的增敏潜力。图1.11显示了光稳定性室的图像。
图1.11用于测定产品水分含量、干燥损失和稳定性的仪器。
ICH光稳定性指南建议在与产品相同的条件下进行原料药光稳定性测试，以便进行直接比较。建议曝光量为120万勒克斯和200W/m2紫外线。在原料药的纯化和生产过程中，在没有紫外线照射的情况下，副产物的总暴露量极不可能超过100klux的可见光。在此基础上，欧洲制药工业联合会（EFPIA）专家工作组非正式地同意，100kluxh暴露量适合于模拟制造过程中的暴露量。尽管这种测试不是ICH指南的一部分，但它可能对内部控制有用。该指南建议使用经验证的化学光量计系统（例如，近紫外线区域的奎宁）并排暴露样品，以确保获得规定的暴露量。或者，当使用校准的辐射计/照度计监测条件时，可以采用适当持续时间的暴露。所使用的程序应确保考虑到样品区域辐照度的任何不均匀性。任何被用作暗控制以补偿温度影响的受保护样品（例如，用铝箔包裹）都应与真实样品放在一起。然而，事实上，由于箔的反射特性，箔包裹的样品可能处于比未包裹的样品更低的温度。
为了探索氧化稳定性，在模型二肽（甘氨酰酪氨酸、N-乙酰酪氨酸、谷氨酰酪氨酸和酪氨酸精氨酸）和三肽（赖氨酰酪氨酸赖氨酸）中检测了处方变量和相邻树脂对酪氨酸氧化的影响。据报道，在碱性条件下在光存在下氧化的酪氨酸肽中观察到零级反应。光反应的速率取决于酪氨酸pKa，其被相邻带电氨基酸残基的存在所干扰。光照强度、氧气顶部空间和阳离子表面活性剂十六烷基三甲基氯化铵的存在对酪氨酸光氧化动力学有显著影响。酪氨酸和模型酪氨酸肽也被过氧化氢/金属离子在中性pH下氧化。金属催化氧化遵循一级动力学。由于负电荷对金属离子的亲和力，相邻的带负电荷的氨基酸加速了酪氨酸的氧化，而带正电荷的氨基酸残基不利于反应。肽中酪氨酸的氧化在很大程度上受到相邻带电残基的影响，并且影响的程度取决于溶液环境。
Dinarvand等人研究了微胶囊化对硝苯地平光稳定性的影响。其中，他展示了硝苯地平在粉末、缓冲液或酸性溶液以及微球制剂中的光降解（Dinarvant等人，2010）。图1.12A显示，可溶性溶液的光降解率最高。缓冲液和酸溶液之间没有显著差异。当硝苯地平的酸性溶液和缓冲溶液在光照一天内降解时，由乙基纤维素和氧化钛微球组成的硝苯地平含量保持80%不变。结果表明，在光照条件下，硝苯地平可溶性形式降解速率较高。
图1.12（A）粉末、酸性或缓冲溶液和微球形式的硝苯地平的光稳定性比较。（B） 不同量乙基纤维素对硝苯地平降解的影响。（C） 氧化钛对硝苯地平在乙基纤维素微球中光稳定性的影响。（D） 氧化钛含量对硝苯地平在乙基纤维素微球中光稳定性的影响。（E） 用于微胶囊化的不同聚合物对硝苯地平光稳定性的影响。经许可改编自（Dinarvand等人，2010）
筛选了不同配比的乙基纤维素等聚合物制备硝苯地平微球，并对其光稳定性进行了研究。图1.12B显示微球中乙基纤维素的比例对药物的光稳定性没有显著影响。观察到，在EC:NIF比率为90:10、70:30和50:50制备的所有制剂中，在一个日光暴露后，药物含量（NIF）损失。
因此，显然乙基纤维素对硝苯地平的光降解没有保护作用。但是，当不透明材料（如氧化钛）与EC结合使用时，NIF的光稳定性增强，并且在光照射6天后，约20%的NIF在微球内保持完整（图1.12C）。观察到EC与氧化钛的所有不同比例（99:1、95:5和90:10）的保护效果相似，如图1.12D所示。图1.12E显示不同聚合物微胶囊化对硝苯地平光稳定性的影响。在四种制剂中，果胶制备的微球对硝苯地平的光保护作用最高。聚合物的光保护能力按以下顺序排列：果胶>乙基纤维素+氧化钛>明胶>NIF粉末>乙基纤维素。
片剂的光稳定性受到处方变量和生产工艺的显著影响。Aman等人对处方变量及其影响进行了研究。在硝苯地平和莫西多明片作为高度光敏药物的处方开发过程中，还研究了生产参数（Aman和Thoma，2002）。关于处方中的变量，在光测试柜中照射12小时后，药物损失在30%至55%之间变化（SuntestsCPS1）（图1.13）。
图1.13药物含量对片剂光降解的影响。A、 B，相对药物损失；C、 D、药物分解量；A、 C，硝苯地平片（双平面，d =8 mm）（Suntest CPS +，720 W/m2，紫外线专用过滤器）；20毫克；10毫克；4毫克；B、 D，莫司多明片（双平面，D=8 mm）（Suntest CPS +，415 W/m2，窗户玻璃过滤器）。经许可改编自（Aman和Thoma，2002）。
此外，不同粒径的100%药物粉末的辐照显示出光稳定性的显著差异。辐照2小时后，较细粉末中的药物损失高出约5%-10%（图1.14A和B）。
图1.14粒径对硝苯地平制剂光稳定性的影响（Suntest CPS+720W/m2，紫外线专用过滤器）。A、 硝苯地平散；C、 硝苯地平片20 mg（双平面，d = 8 mm）；粒度对莫西多胺制剂（Suntest CPS +，415W/m2，窗口玻璃过滤器）光稳定性的影响。B、 莫西多明粉；D、 莫司多明片20 mg（双平面，D =8 mm）。经许可改编自（Aman和Thoma，2002）。
然而，将药物粉末掺入片剂后，从结果中不能推断出颗粒大小对光稳定性的影响。然而，硝苯地平和莫西多明片的光降解率非常高：在光照12小时后，超过30%的初始药物含量被分解（图1.14C和D）。
此外，从图1.15A中可以看出，压缩稀释剂对莫西多明片的光稳定性有显著影响。在用微晶纤维素制备的片剂中，莫西多明在辐照12小时后的残留量为68%，而在乳糖片剂中，只有61%的原料药保持完整。用改性淀粉制成的片剂观察到最低的光稳定性。在相同的光照后，仅发现了初始莫西多胺含量的50%。此外，润滑剂对莫西多明片光稳定性的影响不显著。每种制剂的光分解相似，导致暴露12小时后药物损失35%至40%（图1.15B）。
此外，通过增加粒径，提高了莫西多明片的光稳定性。这种影响很小，但却很显著。辐照12小时后，72%的药物在12毫米片剂中未分解，而5毫米片剂的残留量仅为65%（图1.15C）。此外，还发现形状会影响稳定性，因为双凸片的辐照比双层片（直径均为8毫米）的辐照产生更高的光降解。然而，差异仅为3%（图1.15D）。
此外，辐照试验表明，莫西多明片的光稳定性随着压缩力的增加而降低。在辐照3小时后，当以3.5kN制备片剂时，只有12%的药物被破坏，而当选择9.0和21.0kN的压缩力时，超过20%的药物被降解（分别为22%和24%）（图1.15E）。最后，研究了造粒对光稳定性的影响。分别使用纯水或5%聚乙烯吡咯烷酮在异丙醇中的溶液作为造粒液体。直接压片后的水分含量为4.9%，水制粒后的水分为5.7%，酒精制粒后的含水量为4.8%，降低了莫西多明片的光稳定性。无论造粒液是什么，药物损失都比直接压片高出约4%（图1.15F）。
1.2.6药物-辅料相容性
这是处方前研究的一个重要方面，旨在评估辅料对药物物理和化学稳定性的影响，并最终评估剂型的性能。了解本研究的广泛性质，本研究的辅料选择仅限于拟开发的制剂类型。
因此，可以说，处方前为产品开发提供了一个全面的见解，即一个稳健的处方，可以维持制造的刚性和与稳定性相关的储存条件。因此，定义明确的处方前可以最大限度地降低产品成本，并可以克服产品开发过程中的挑战。
最初，处方前研究通常是通过对药物、治疗特性、预计剂量、暂定成本和药物量进行深入的文献调查/综述来启动的。信息的主要来源是制造商的技术数据包，它提供了各种信息，包括原材料的制造过程、分子式、化学结构、物理和化学性质，即降解途径、处理危险、稳定性条件以及原材料的质量和安全性（暴露限值），在某些情况下，还可以包括分析方法。
图1.15（A）压缩稀释剂对4 mg莫西多明片剂光稳定性的影响（双平面，d =8 mm）（Suntest CPS +，415 W/m2，窗口玻璃过滤器）。（B） 润滑剂对4 mg（双平面，d =8 mm）莫西多明片剂（Suntest CPS +，415 W/m2，窗口玻璃过滤器）光稳定性的影响。（C） 直径对4 mg（双平面）莫西多明片剂光稳定性的影响。（D） 形状对4 mg莫西多明片剂光稳定性的影响。
根据待开发的剂型，必须研究与剂型的物理化学和物理机械特性相关的参数，以及图1.16所示的体外释放曲线和稳定性。图1.17描述了在处方前阶段要考虑的各种参数。
1.2.7粒径和分布
药物分子的一个重要特征是粒径及其分布，这对其性能有很大影响。为了实现有效药物的最佳生产，颗粒固体的尺寸是必不可少的。
粒度影响一系列关键参数，如药物含量及其分布的均匀性、悬浮性、溶出速率、渗透性和缺乏砂砾性。评估颗粒尺寸的各种方法包括显微镜、筛分、沉降率法、光能衍射、激光全息和级联冲击。
1.2.8热性能
熔点测定是对热性能最准确的测定。它是需要的，以便在一个稳健的产品过程中表征处方。表1.1中给出了使用毛细管法测定熔点的程序。测定熔点的典型装置如图1.11所示。有一些复杂的分析仪器，如差示扫描量热法（DSC）和差示热分析（DTA），能够测定药物化合物的这种热特性。
1.2.9吸湿性
吸附、吸收、潮解和晶格结合是固体中水分相互作用的不同方式。任何从大气中吸收足够水分以溶解的物质都是潮解性的，例如氢氧化钠。任何失去水分形成较低水合物或变得无水的物质都被称为风化物。这些都是极端情况，根据相对湿度（RH）的不同，大多数药物化合物通常会对周围大气中的水产生冲击，或者从大气中流失或获得水。不受RH影响的材料被称为不吸湿材料，而那些在大气中与水动态平衡的材料则是吸湿材料。水分含量的程序如表1.11所示。用于测定熔点的典型仪器如图1.11所示。
众所周知，在水分存在的情况下，药物物质会影响药物的物理化学性质及其稳定性。阿司匹林是一个经典的例子，这就是为什么它在产品开发过程中没有制粒的原因。即使在储存过程中，也需要评估和考虑水分含量。水分的存在也会影响超级崩解剂促进体外溶出的有效性（Tanner等人，2017）。
在一项研究中，Rohrs等人研究了暴露在高湿度下200mg甲磺酸德拉韦定片剂溶出度降低的原因。研究表明，4.4-4.6%（重量）之间的水溶出度从80%以上降至70%以下，并随着片剂中水量的增加而继续减少（图1.18）。水被认为是本研究中使用的崩解剂（交联羧甲基纤维素钠）的反应介质和增塑剂，其促进崩解时羧基位点的质子化（Rohrs等人，1999）。
图1.18片剂中水的重量百分比对片剂溶出度的影响。经许可改编自（Rohrs等人，1999年）。
水分子中氢键的存在以及由于极性，这些极性部分结合/吸附在药物固体的固体表面上，并且这些因素控制对水吸附的亲和力。颗粒尺寸起着关键作用，因为它取决于其尺寸和可用于吸湿或水解反应的表面积。应强制进行原料药的水分含量评估，以帮助产品开发，从而选择辅料、药物-辅料相容性、稳定性、工艺设计、流动性、压实性和包装。
1.2.10 bulk性质
大多数药物材料以多相形式提供，称为粉末，因为它们表现为固体和流体。粉末的独特性对其所具有的物理性能至关重要。例如，粉末可以通过其尺寸、形状、密度、孔隙率和压缩性来评估。药物颗粒的大小、形状和表面形态直接影响体积流量、制剂均匀性和表面积控制过程，如溶出和化学反应性。
1.2.11机械性能和相容性
在各种药物固体中观察到各种排列。不同固体中分子之间相互作用的性质和水平不同。自然地，在机械应力作用下，人们可以预期这些材料可能会发生相反的反应。同样，原料药的适用性取决于颗粒大小分布、流动性和形态。因此，当在开发过程中使用辊压或任何压片工艺时，评估用于制造剂型的药物成分和辅料的机械材料和适用性至关重要。
1.2.12结晶度和多态性
固体化合物的结构是指结晶度，这些结构在液体和蒸气状态下消失。它可以按内部结构（立方、四方、六边形、菱形等）和固体习性（板状、针状、板状、棱柱状、叶片状等）进行分类。改变内部结构会改变晶体的习性。改变化学形式（例如，盐的形成）会改变内部结构和晶体习性。不同的多晶型是通过从不同的溶剂中结晶和熔融后固化而获得的。当加入的溶剂是水时，它被称为“水合物”。晶体结构中不含任何水的化合物被称为”无水物“。晶体中的原子在三维中以规则和重复的模式排列，例如金属和矿物，以及在无定形固体中无规则原子排列的随机原子或分子。它们具有不同的物理化学性质（熔点、密度、蒸气压、X射线、颜色、晶体形状、硬度、溶解度、溶出速率和生物利用度）
稳定的多晶型物具有低自由能、低溶解度和高熔点。亚稳态多晶型物不太稳定，具有更高的溶解度和生物利用度以及更低的熔点。通过显微镜、热分析和X射线衍射方法对晶体和多晶型进行了表征。晶体形状和内部结构鉴定的显著性可以影响溶解度和稳定性，例如，棕榈酸氯霉素以三种晶体多晶型（A、B和C）和一种非晶型（D）存在。由于其较高的水溶性，增加形式B的浓度导致血清水平的增加。熔点也会产生影响。例如，Cacaobutter作为栓剂的油性基质，以四种多晶型存在（α、β-素数、γ和β-稳定）。只有β-稳定形式才能用作栓剂基质，因为它的熔点更高。密度和晶体形状影响粉末的流动特性。片剂硬度影响压缩性能和研磨过程。
图1.19溶剂介导的卡马西平多晶型物在乙酸乙酯中在25℃和初始C/s形式III =2.0下的反式形成。经许可改编自（Kelly，2003）。
例如，图1.19显示了卡马西平在乙酸乙酯中在25℃和初始C/sCBZ（III）52.0下溶剂介导的多晶型转化的过饱和曲线（Kelly，2003）。最初，II型成核，因为如前所述，由于特定溶剂-溶质相互作用对III型成核的抑制，这种多晶型是有利的。随后是形式II的溶出/平衡，以形成相对于形式III过饱和的溶液。这导致形式III的随后成核和生长，直到整个混悬液由热力学上最稳定的形式，卡马西平形式III组成（Kelly，2003）。
1.3处方前在药物发现中的作用
新产品开发包括以下主要过程，从药物发现到早期临床试验：
1新化学实体（NCE）的发现和早期开发。
2.药物再利用，即发现目前上市的药物对新的药物靶点具有创新和有利的药理活性，
3通过应用新的技术平台改进目前上市药物的递送。
产品开发团队应制定各种决策点，以开发新的化学实体（NCE）、探索性研究新药（IND）再利用的描述以及药物递送技术，然后合理化它们对新药发现和开发计划的重要性。这将有助于揭示早期药物发现各个阶段的治疗假设、靶点及其途径的验证、概念验证和成本分析（Strovel等人，2016）。
1.3.1先导选择中的材料特性、高通量处方前研究
疾病选择、靶点识别、靶点验证、先导生成、先导选择、先导优化和候选药物选择是药物发现的主要活动。这些活动本质上是临床前的，使用了许多工具，这些工具可以是in vitro, in situ,ex situ, and in vivo animal models.和体内动物模型。药物开发涉及“新化学实体”的临床试验。图1.20解释了从鉴定阶段到NCE发现的药物发现过程流程，图1.21解释了天然来源鉴定的先导阶段（Guido等人，2011）。
化学和生物空间的定义和评估加强了筛选模型，并强调了在药物研究中采用经典和现代方法的内在互补性的重要性（Edwards，2009）。
组合化学的广泛应用为一系列药物发现项目生产了许多有机小分子。另一方面，机器人技术和小型化的进步推动了高通量筛选（HTS）的发展（图1.22），这是一种快速大规模生物筛选化学文库的通用方法（Macarron，2006）。
图1.21天然来源的先导化合物识别阶段示意图。
图1.22HTS 流程图
1.3.2新化学实体的“可药用性”
在药物发现过程中，关键的一步是分子对靶位点的选择性和效力。在过去的几十年里，范式发生了转变，ADME和具有性质的材料表征在选择先导化合物分子方面发挥了重要作用。许多药物分子因吸收低或非最佳生物药理学特性（包括药代动力学和药物递送特性）而失效。药物动力学和材料特性决定了分子向作用位点的递送，从而有助于其“可药用性”。现代药物发现工具，如联合药物化学和高通量筛选，也有助于非最佳材料特性。组合化学涉及少量化学试剂的反应，同时产生大量化合物，这些化合物被称为文库。图1.23解释了基于片段的药物发现中的各种参数。然后使用高通量筛选对这些化合物进行筛选，以确定候选药物。在此之前，已经形成了目标对接研究等计算工具，以提出使用组合化学平台合成的先导分子。因此，最初的潜在客户生成和选择仅受分子-目标相互作用的指导。多年来，这种方法已经导致先导化合物分子的分子量和亲脂性逐渐增加。
图1.23基于片段的药物发现中的参数。
1.3.3辅助先导化合物选择的工具
材料特性是一组物理化学特性，包括溶解度、溶出速率、分配系数、固态特性、稳定性和吸湿性。各种术语，如“初步处方前”和“发现药物”，用于描述在药物发现过程中进行的这种处方前活动。这个处方前活动的主要目的是选择候选化合物。
用于初步处方前的计算机内工具：可以使用计算机内和实验平台进行初步处方前，以生成先导化合物分子的处方前特征。许多计算软件，如PALLAS、gastro-plus、ACD/Phys-Chem和ALOGPS，都是可用的，并且需要将结构公式作为计算物理化学参数的输入，如电离常数、分配系数的pH依赖性、溶解度和渗透率。类似地，ADME属性的计算也是可能的。
用于初步预计算的实验工具：尽管预测工具的准确性有所提高，但实验测量是必不可少的，因为预测的复杂性使得计算几乎没有用处。在药物发现阶段使用高通量小型化实验工具，以使用少量NCEs筛选大量的候选化合物。这个阶段最重要的问题是该分子的口服吸收。高通量溶解度筛选可以使用市售设备如PIONpSOL和SiriusCheksol进行。然而，这些设备需要用于溶解度分析的固体样品，这在早期阶段可能不可用。早期溶解度实验的一种流行方法是使用二甲基亚砜储备溶液的“沉淀溶解度”。使用机器人的自动化可以更快地筛选大量化合物。类似地，高通量渗透性研究可以使用“平行人工膜渗透性测定”（PAMPA）进行（Strovel等人，2016）。
失败-早期失败-廉价：在药物发现过程中，每家制药公司都以“失败-早期-失败-廉价”为目标，通过筛选符合所有药物能力标准的分子。在药物开发后期失败的分子研究上花费大量资金是灾难性的。因此，我们可以得出结论，初步处方前有助于药物发现过程中的候选药物选择，从而增强“分子”向“药物”的转化。此外，它还为设计处方前方案提供了一个框架，以支持以后的药物开发活动。
1.4 处方前开发在药物开发中的作用
处方前有助于科学家筛选和选择用于临床前疗效和毒性研究的新化学实体，从而进行新药应用研究。候选先导化合物的筛选是基于其物理化学和生物药理学特性。基于药物发现和处方开发的广泛知识有助于NCE降低产品开发后期的失败率。基于表征的决定性参数，它有助于预测和选择候选物的合适物理形式（盐、多晶型物等）。1期临床研究可根据药代动力学和疗效/毒性研究进行设计。这有助于疗效/毒理学评估，使其在药理学上有效。这有助于开发分子，并为临床和最终上市开辟新的途径。
对于先导化合物优化和化学基因组学，各种计算方法通常用于具有生物活性的选择性化学结构。还有其他几个参数，例如初始药物处方，其过程识别取决于生物药剂学分类系统（BCS）；体外-体内相关性（IVIVC）。候选药物需要筛选亲脂性和酸度。这两个参数可以通过梯度反相HPLC适当地预测（Leucuta，2014）。
Bharate等人研究了物质的结构方面、pKa和其他物理化学性质、吸收、分布、代谢、排泄、毒性（ADMET）和生物学特性的重要性，包括生物利用度作为药物发现和药物剂型设计中的一个重要参数。在此过程中，还研究了ADMET方法开发配体特征的临床前研究（Bharate和Vishwakarma，2013）。
1.4.1处方开发过程中挑战的识别：预先假设
所有处方策略都是基于假设的，因此识别其存在并进行管理很重要。方法的实施应基于选择具体行动、执行这些行动的能力，并将行动和结果与里程碑联系起来。预先假设是计划工具，假设的基本定义是“标记为真实、真实或确定的参数，以创建对计划的共同评价。”模型是利用最佳判断/数据进行计划的。否则，“计划”只是一份文件。
典型的增溶方法，如药物晶体的物理改变（如药物的表面修饰、微粉化），会在有限的范围内增加溶出和溶解度。然而，在开发具有相对更高剂量的制剂的同时，新的制剂策略被更多地利用，特别是在水不溶性化合物的情况下，其特征在于高熔点和非常高的亲脂性（Ali和Kolter，2012）。所考虑的因素包括聚合物、表面活性剂和增溶剂类型、热稳定性、水溶性和有机物溶性及兼容性、pH依赖性不变性和增溶能力等。总之，这些处方方法是由辅料驱动的。因此，功能性辅料因使用最新技术开发新的安全有效剂型以获得更好的性能而获得了大量的市场关注，这需要对剂量稳定性、治疗效果和减轻食物影响等因素进行全面评估。
1.4.2制剂特异性研究
制剂中最大的挑战是儿科制剂。药剂师或护理人员通常要求以非产品特征的方式操纵成人治疗方法。为此目的使用了简单的方法，如用药片分离器在没有分数线的情况下打碎药片，或使用药片作为药物来源制备混悬液。有时，药剂师可能需要根据API配制药物。然而，这个过程本身会增加剂量精度的误差，增加产品的可变性。世界卫生组织2010年儿童模型处方集提供了有关剂量/剂量的自治数据，治疗药物的治疗指南取决于世界卫生组织所需儿科药物模型列表。该计划于2007年首次制定，每两年审查和更新一次（世界卫生组织，2011年）。
产品和处方设计的一个重要特点是成本。安全有效的药物治疗需要及时开发药物，并提供适合年龄、生理状况和体型的正确使用信息。对特定产品和原料相关的风险进行评估，以及在药品开发过程中识别生产或分销的特定阶段的危害，将有助于加强质量保证机制，例如实施良好生产规范。这样，使用更系统方法开发产品的制造商将在更广泛的质量保证原则背景下遵循开发，包括使用质量风险管理和药品质量体系（McNeil等人，2015；世界卫生组织，2016）。目前，儿科药物在广泛人群中的使用显示出成人使用的各种剂型和给药途径。儿科患者的一般给药途径有口服、静脉注射、皮肤、肺部、直肠、鼻腔和眼部。（Zisowsky等人，2010年；Lal等人，2017年）
1.5蛋白质和肽的处方前研究
在过去的几十年里，人们对生物治疗进行了深入的研究。生物治疗包括各种生物产品，如蛋白质（如抗体）、较小的肽（如激素）、用于基因转移治疗的DNA、疫苗和血液分级产品、过敏原和RNA。它们在小分子和大型生物制品之间占据着治疗地位，因为它们表现出更好的选择性、降低脱靶副作用的潜力、提高的效力和降低的全身毒性。
活性分子在转运和储存过程中的稳定性和结构完整性、靶向递送、开发成本和最终产品的商业价值是生物治疗制剂中的一些关键问题。包装材料、递送装置和剂型、辅料、稳定剂和成分兼容性等因素对生物治疗药物的稳定性以及理化性质、分析方法和测试方案起着至关重要的作用。
在制定战略规划过程中，决策树需要以下类型的选择：
1.给药途径及其给药方法（肠外、肺等）。
2.最终产品的剂型（溶液、冻干等）。
3.根据多剂量或单剂量，其防腐剂的使用要求。
4.处方中的成分类型（辅料、稳定剂、防腐剂等）。
5.剂量的详细信息——浓度、剂量、频率等。
6.储存条件、物流、保质期等。
7.最终包装和标签说明，即小瓶、安瓿等，甚至标签。
8.生产过程，即扩大技术转让、设备、协议等。对于任何药品的成功，过程和产品开发经验以及监管指导都很重要。（Cheryl，2006）。
处方前应该是一个迭代过程。在处方前研究的产品开发阶段，必须考虑纯化肽和蛋白质的独特特性，即。
1.待研究分子的一般结构和分子量。例如，环肽环孢菌素A为1.2kDa，但典型的单克隆抗体（mAb）为144kDa；以及3D结构的维护。
2.在不同pH值下的溶解度和构象，其pKa值导致化学和物理不稳定性，其保质期，并因此决定配制液体或固态（冻干）或制剂的类型。在冻干技术的情况下，冷冻溶液的玻璃化转变温度（Tg）以及冻干饼的坍塌温度（Tc）是重要的参数。（Henninot等人，2017）。
3.在空气-水界面和冷冻/解冻过程中的行为。
4.高水溶性增加了浓度高于50mg/mL时的粘度，特别是对于皮下注射；与诸如涂有硅树脂的玻璃注射器之类的包装相互作用。
5.表面吸附。产品稳定性必须与无菌加工和制造相兼容，这可能使用冷冻或喷雾干燥等非常规技术（Chris，2011）。
6.与有机溶剂的相容性。
7.总体聚集趋势。稳定性研究，以了解由于缓冲液（pH和离子强度）、金属杂质、温度、辐射、气体（特别是氧气和水分）、剪切和表面吸附的变化而可能发生的降解情况。
各种分析技术是处方前研究的核心，包括以下方法：
1.色谱法和光散射法，用于测定纯度和聚集性。
2.显微镜观察2至10微米大小的颗粒。
3.圆二色性和红外光谱，用于构象变化。
4.等电聚焦，用于测定等电点（Pi）和电荷变化。
5.用于测定化学降解的质谱法。
6.用于测定展开或稳定的量热法和荧光法。
7.流变学。
8.电泳。
9.用于测定其功能的生物测定法。
10.超滤（用于溶解度）和差示扫描量热法（用于熔融温度）。
强制或应力降解研究是在极端的热、pH和氧化条件下进行的，在这些条件下，一些变化是明显的，降解途径可以通过色谱技术进行分析。关于科学文献的知识有助于将分析置于背景中（Cheryl，2006）。表1.5给出了降解途径，表明蛋白质和肽的不稳定性以及蛋白质递送的障碍。
化学和物理稳定性：在开发任何药物产品时，都应牢记产品责任。关于临床和商业空间，令人满意的肽类药物应在至少2年的保质期内保持化学和物理稳定。在蛋白质和肽治疗中，如表1.6所示，很少有物理化学性质被常规评估其降解能力。除了化学稳定性风险外，还必须仔细监测肽的物理稳定性，以确保处方一致，否则可能导致性能差异和免疫原性安全问题。这些风险包括聚集和自缔合、二级和三级结构的变化以及对表面的吸附（Menzen和Friess，2013）。
构象的变化可能会增加肽序列疏水区的溶剂暴露，导致自缔合，特别是在较高浓度下。添加冷冻保护剂，如非还原糖（如蔗糖和海藻糖）和聚乙二醇（PEG），以在配制、加工时稳定蛋白质，并延长保质期。稳定机制还取决于通过从蛋白质/多肽表面优先排除而导致热力学稳定折叠状态，或通过与蛋白质表面上的极性基团形成氢键而产生的大量糖浓度。PEG通常通过蛋白质相互作用的空间位阻增加溶液粘度并降低蛋白质的结构迁移率（Chris，2011）。表1.6说明了稳定性风险和策略（Baketal.，2015）
1.6疫苗开发中的处方前：关键观点
除了药品开发之外，从疫苗开发的角度来看，处方前确实是一个不可避免的参数。White等人旨在开发敏感技术，以识别低浓度的双突变热不稳定毒素（DMH-LT），并在处方前研究中使用这些测试来观察DMH-LT在口服疫苗遇到的条件下是否保持稳定（White等人，2017）。
作者证明了一种对完整DMH-LT特异的夹心ELISA和一种灵敏的十二烷基硫酸钠-聚丙烯酰胺凝胶电泳密度测定技术，并测定了DMH-LT在玻璃和塑料容器、唾液、胃液pH值和高渗压缓冲液中的稳定性。所开发的ELISA的定量范围为65.2至0.8ng/mL，检测下限为0.4g/mL；十二烷基硫酸钠-聚丙烯酰胺凝胶电泳的定量限为10μg/mL。作者得出的结论是，DMH-LT测定在研制含有DMH-LT的口服疫苗的处方前研究中的应用。该研究中报告的分析促进了对DMH-LT作为佐剂的理解和应用。
疫苗开发的另一个关键点是，自1926年以来一直使用激活免疫活性的含铝佐剂，尽管直到最近才知道它们的特性和与抗原的相互作用。最近，处方前研究成为生物药剂学（如单克隆抗体）生产的重要一步。据推测，现在是时候为处方前研究提供更多资金/投资，使其更具探索性，并包括一些重要参数，如等电点、表面OH/PO4比率和微环境pH，以设计最有效的含铝佐剂疫苗了（Russel，2010）
1.7包装成分的处方前研究
药物包装一直被认为是产品开发的最后阶段；它现在是开发过程中的一个核心权宜之计。药物包装系统通常包括合适的容器与封装在外罩中的合适的封闭件的组合，该封闭件适当地补充有合适的标签。在处方前研究期间，最终包装系统中已开发产品在预计保质期内的稳定性数据为该产品获得监管机构的批准以营销任何药品提供了先决条件。对保护、保存、容纳和提供安全有效的药品至关重要的成分或成分组合称为药品包装。包装系统有两种类型，即初级包装系统和次级包装系统。在初级包装系统中，它们与产品直接接触，可能对产品的保质期产生直接影响。二级或三级包装系统是纸箱、瓦楞纸箱和托盘。在处方前筛选包装时，组件必须符合以下标准：
1.药品的敏感性及其在环境条件下的稳定性：其与含量、水分、氧气、温度、光照、火灾等的适应性，例如，需要具有低MVTR和OTR值的包装材料。
2.剂型类型；例如，高密度聚乙烯（HDPE）瓶用于固体口腔，可折叠/不可折叠管用于半固体，玻璃或低密度聚乙烯瓶用于液体口腔和安瓿，小瓶或预充注射器用于无菌肠外注射。
3.不与产品反应：容器的强度和所需的保护程度，防潮、防盐。
4.不应给产品带来任何味道或气味：气味保持和传播。
5.经美国食品药品监督管理局批准的惰性无毒：耐酸或碱、油脂腐蚀。
6.保护剂型免受损坏或破损。
7.在适用的情况下，满足防篡改要求：包装和填充方法的机器适用性。
8.符合高速更新技术设备。
9.对微生物、昆虫和啮齿动物的抗性。
10.材料应具有美观效果且经济实惠。
11.方便药剂师、医生和患者（尺寸、重量、打开/重新关闭的方法、打印的易读性）。
12.各种监管要求和批准。例如，在美国，固体剂型必须以HDPE包装/仅具有儿童防护功能的泡罩包装提供。
13.知识产权方面；在选择包装及其材料时，这个问题是关键问题，尤其是当创新者已经为特定类型的包装申请了专利或设计时。
14.包装材料的渗透性，特别是对湿气和氧气的渗透性。水蒸气和氧气的透过率，即分别为湿气/水蒸气透过率（MVTR/WVTR）和氧气透过率（OTR）。例如：玻璃和铝不透湿气和氧气。（Kamal等人，1984年；Weeren和Gibboni，2002年）。
1.8 21世纪的进展：技术进步21世纪的制药技术发展出现了新的技术突破。
信息技术、遗传技术、新材料、环境保护和能源技术等领域有望取得快速进展。各种技术的新的可能组合和相互作用也将具有重要意义。处方开发中少数较新技术的例子是热熔挤出（Tiwari等人，2016；Cosse´等人，2017；张等人，2017）和3D打印（Goyanes等人，2015；Choonara等人，2016年；Hsiao等人，2017年）。美国食品药品监督管理局（FDA）的“21世纪的制药cGMP：基于风险的方法”倡议涵盖了一系列主题，如基于风险的检查、争议解决、过程分析技术（PAT），而《美国联邦法规》第21卷第11部分侧重于有效风险管理的原则（Methfesel，2004）。药物设计的几种方法如表1.7所示。
1.8.1处方前研究中的计算机化和软件辅助
在开发阶段很少使用生理学相关的生物建模，这种预测性生物建模为产品开发的发现和初始步骤提供了有益的设备。与使用这些预测的BCS系统的基本指南相比，化合物可以分为更精确的不同类别。预测模型也有助于预测增溶技术口服递送给定分子或化合物组的能力。虽然已经开发了用于pK建模的商业软件包，但BendResearch最近开发了一个生理学相关的房室模型来预测药物的口服吸收。Bloom等人已用于使用BendResearch生物模型预测药物吸收。已经预测了大块晶体药物和SDD制剂对假想化合物的吸收。
对所选参数进行了几个假设，如渗透率（假设为LogP的函数）、剂量（假设为本次比较的恒定值为10mg/kg）、进食状态（本次比较禁食）和溶出速率。如果出现化合物和制剂具有可接受吸收的情况，则应在进入下一个制剂开发步骤之前判断和利用代谢/渗透性问题（表1.8）
1.8.2因子设计中使用的人工神经网络工具：一种优化方法
实验设计（DoE）作为一种统计分析工具在制药领域得到了广泛的应用，尤其是在产品开发和分析方法开发方面，作为一种设计质量（QbD）策略。响应面方法（RSM）也是国防部另一个常用的工具。除了应用统计方法外，机器学习工具在产品开发中也占有重要地位。人工神经网络（ANN）等新技术已被用于研究生产工艺参数、药物释放曲线、稳定性评估和其他与药品质量相关的属性。在产品开发和工艺优化阶段，DoE是将药物/辅料的特性与工艺参数联系起来以定义关键质量属性（CQA）的最方便方法之一。
设计空间是输入变量（如材料特性）和工艺参数的多维界面，对产品质量有直接影响（Ibricetal.，2012´）。DOE实践对建立和规范所需的设计和设计空间非常有帮助。它在人工神经网络（Ann）上工作，人工神经网络是一种计算机程序，用于识别给定研究数据集的趋势，并为这些数据生成相关模型（Aganovic-Kustrin和Beresford，2000；Sun等人，2003年）。因子设计方法用于合理设计科学实验，并研究分配的项目相关变量的影响。在这项工作中，每个因素都被视为一个自变量，因此在一系列不同的层面上进行了研究。费舍尔和他的团队是第一批通过他的研究工作提出这一概念和“阶乘”一词的人。
通常，析因设计分为全析因设计和部分析因设计。通过利用全因子设计，该研究是通过假设所有可能水平上的因子与所有其他因子的组合来进行的。因此，在这些实验中，正在进行所有可能的实验组合。一般情况下，每个实验相关因素考虑两个或三个水平；然后，因子设计是根据每个因子的水平数以因子的数量命名的，例如，2*2或22因子设计。
在具有不同水平的因素的情况下使用可比较的表示，例如，35*2表示有五个因素，每个因素具有三个不同的水平，一个因素具有两个水平，即必须进行总共35*2=486个实验。然而，很明显，这样的设计导致了无法实现的强制实验数量。这种设计最终导致显著高的工作量或额外的实验成本。另一方面，分数析因设计需要作为全析因设计的结果出现的代表性实验运行总数的确定子集/分数。这一子集实验是明智地选择的，采用了适当的统计程序来研究原始问题，该问题包含了关于实验的足够信息。当表示分数析因策略时，使用了与全析因设计相关的表示，例如，24-2设计意味着只需要进行25%的所需实验。除了这两大类外，其他类型的现有多因素设计是随机区组设计（RBD）、Plunkett-Burman设计、田口设计以及与响应面方法学（RSM）相关的设计。对于DOE的大家族，必须对析因设计方法的数学基础进行大量的理论研究（Markopoulos等人，2016）。
1.9剂型处方前的案例研究
近年来，新的剂型进入市场，如水凝胶、脂质体，因此处方前策略更为重要。未来的时间将属于使用基于纳米技术的平台开发的处方（Tekade等人，2017b）。这可能涉及脂质体（Maheshwari等人，2015b；Maheshwary等人，2012）、树枝状聚合物（Soni等人，2017；KumarTekade等人，2015）、固体脂质纳米颗粒（Tekadeetal.，2017c）、碳纳米管（Tekadetal.，2017a）和聚合物纳米颗粒（Sharma等人，2015；Maheshwalli等人，2015a）。
在这样的研究中，McKenzie等人开发了半胱胺凝胶，用于治疗胱氨酸症的眼科异常（Cho等人，2017）。为了进行这项研究，作者首先进行了处方前研究，以减少开发剂型的频率并提高其疗效。作者在制备制剂和处方前研究之前测试了八种不同的凝胶载体。他们基本上检查了这些载体作为眼科载体的适当性。经过广泛的文献检索，作者根据其作为眼科多聚体的报道用途选择了八种不同的载体。处方前检查的参数包括对眼睛无毒、假塑性流变学、生物粘附性、合适的光学清晰度、稳定性以及与胱氨酸的兼容性。对由八种不同聚合物组成的八种凝胶制剂进行了流变学和光学清晰度的非中介处方前评价测试。将聚合物溶解在注射用水（WFI）中，如果需要，用氢氧化钠中和至pH7.4，并在测试前允许在4℃下充分水合24小时。结果显示，透明质酸钠在处方前测试中表现出最佳性能，具有假塑性（剪切速率增加时表观粘度降低）、生物粘附性、在39分钟内释放半胱胺，并随着时间的推移表现出稳定性（图1.24）。研究得出结论，透明质酸钠可能是一种更安全的半胱胺水性滴眼液处方的替代品。
图1.24%三个月内半胱胺盐酸盐含量。透明质酸钠对照品是用石蜡膜密封的烧杯，保持在4℃。经许可改编自（沃尔瑟和多曼斯基，2017）。
最近，Linares-Alba等人证明了装载西罗莫司（吸湿链霉菌产生的大环内酯）的新型脂质体制剂用于干眼病的处方前研究（Russel，2010）。脂质体评估参数包括大小、ζ电位、多分散性、差示扫描量热法、摩尔光度法、包封效率、磷脂含量、热稳定性和无菌性。该研究得出的结论是，加热方法可以容易地制备具有更高包封能力的脂质体制剂，从而可能最大限度地缩短制备时间并避免使用酒精。加热技术是对制造工艺的替代，其特征是不存在氯仿和甲醇等溶剂或用于溶解脂质的张力活性剂，这在毒性和制造时间方面具有优势（Russel，2010）。
Kuehl等人对Imexon药物进行了处方前研究，该药物是一种含有氮丙啶的亚氨基吡咯烷酮，由于其对多发性骨髓瘤的选择性生长抑制作用而备受关注。令人遗憾的是，Imexon的给药已被证明是困难的，主要是由于其在水性介质中的快速降解。他们研究的共同目的是进行处方前研究，以表征和了解Imexon在水和非水系统中的稳定性和溶解度（Medvedev等人，2017）
1.10药代动力学和处方前：注意事项
系统和优化的给药不仅需要了解药物处置（即ADME）的理解和机制，还需要了解其发生的速率和程度（药代动力学）（Rajadhyaksha等人，2016）。事实上，由于药物控制学的问题，超过75%的药物分子甚至未能进入临床研究，其中大多数涉及生物利用度受损和动物血浆半衰期小。优选地，能够单独从分子特征（如溶解度、亲脂性、分子大小、晶体学信息等）分析分子的药代动力学性质将是有利的，因为只有具有所需性质的分子才能被生产和进一步研究。通过评估药物的理化性质，对药物在体内的活性进行合乎逻辑和科学的测定是公认的。今后，处方前是一个主要领域，从事该领域（处方）工作的研究人员应了解处方前数据的解释，并通过它了解重要的药代动力学信号，以解决药物开发周期的有效导航问题。
在一项研究中，Sanghvi等人对应激抑制剂安他拉明进行了处方前、溶解度和ADME评估（Sanghvietal.，2009）。经证实，安他拉明在水中的溶解度较低（<1μg/mL），性质为弱碱性（pK5.0）。其中三种制剂为水溶液（10%乙醇、40%丙二醇、20%cre-mophorEL、20%磺丁基醚β-环糊精），每种溶液的pH值为1。除了这三种处方外，下一种是基于脂质的处方，由20%油酸、40%cremophorEL和40%Labrasol组成。结果表明，这是第四种在用无酶模拟肠液稀释后成功抵抗药物沉淀的制剂。除此之外，该制剂还显示出比其他三种悬浮型制剂高15倍的生物利用度。与混悬液制剂相比，基于脂质的制剂的生物有效性提高了13倍以上，在所研究的制剂中是最大的。
1.11处方前研究中的规则和条例：监管机构的作用
药物条例在产品批准和最终营销的研究中至关重要。因此，根据监管机构的不同，它有一系列复杂的法律和指导文件。产品开发应符合大多数监管机构的要求，如美国食品药品监督管理局（FDA）、欧洲药品管理局（EMA）、日本PMDA，以在全球范围内提供有益的治疗产品、安全和最大的投资回报。国际协调会议（ICH）协调了欧洲、日本和美国三个地区的稳定性测试要求。ICH指导文件分为安全性、有效性和质量。本指南有助于确定产品开发中涉及的关键要素，并找到成为定义产品基础的规定（Chris2011）。表1.7概述了规范的发展。
监管机构认识到，修改是在产品开发的早期阶段进行的。强调法规为开发稳定的处方提供信息，该处方可以支持适合初始临床研究完整持续时间的保质期。在I期和II期临床试验期间，所开发产品需要稳定性数据（12年）。生成适当的质量数据，以便向支持临床试验申请（CTA）或研究新药（IND）提交的监管机构提交质量。它还为产品许可证申请提供支持数据。这些信息将检查产品性能行为的变化，并确定在实际储存条件下观察到的处方退化。充足的稳定性数据将有助于开发最终处方，也有助于选择最合适的初级容器和封闭包装材料。
详细的监管指南可用于协助制药公司提交监管意见，包括稳定性研究的设计、实施和使用建议。此类指南的例子包括美国食品药品监督管理局关于“原料药和药品的稳定性测试”的指南，以及专利药品委员会关于“稳定性测试：新原料药和产品的测试”的说明（CPMP/ICH/380/95）。信息可从各种国家和国际监管机构以及制造商协会的网站上获取（Gibson，2016）、（美国食品药品监督管理局指南）、（CPMP指南）和（ICH指南）。
1.12未来备注和结论
在药品开发生命周期中，处方前阶段起着不可或缺的作用。它支持任何新药的剂型的制造/设计，其质量控制过程产生有效的药物。基于人工神经网络的新技术和统计软件的使用正在出现，以平滑处方前阶段的过程。优化过程变得更加容易和方便。应准确筛选NCEs的理化性质和生物药剂学特征，并将其作为产品开发过程中的决定性参数。基于这些药代动力学和毒性数据，可以在早期阶段进行临床研究，这总体上有助于简化药物生态效应和开发临床实践分子。
