阿斯利康，GSK等巨头联合发文：当溶解性差成为问题时

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发布于 03-31 · 浏览 780 · IP 上海上海

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当溶解度成为问题时，药物体内吸收生物利用度可能存在问题；

当溶解度成为问题时，药物体内吸收在人与人之间及个人之间可能存在差异；

当溶解度成为问题时，药物药效大打折购；

当溶解度成为问题，药物可能出现毒副作用；

当溶解度出现问题，制剂开发难度增加；

当溶解度出现问题......

摘要

药物吸收，充分和可重复的人体生物利用度和/或药代动力学特征如今被认为是口服新药的主要挑战之一。20世纪90年代中期，当药物发现和药物化学从湿化学转向组合化学和高通量筛选时，这个问题尤其突出。考虑到药品开发时间为8-12年，由当今临床开发后期产品数量决定的明显研发生产力差距是20世纪90年代末药物发现和制剂开发的结果，当时是组合化学和高通量筛选的早期和繁荣时期。在实施这些新技术的同时，对转运蛋白、代谢酶和外排系统等生物因素以及影响口服生物利用度的药物晶体结构和成盐等理化特性也积累了丰富的知识。已经、正在和将要开发研究工具和技术，以评估这些因素对新化学实体药物吸收的影响。

会议特别关注了溶解度差的化合物对分析评估、口服吸收预测、原料选择、材料和配方策略及开发的影响。详细讨论了现有的工具和技术、它们在整个药物开发过程中的潜在用途以及克服现有差距和影响这些药物特性的进一步研究方向。

1.引言

随着组合化学和高通量筛选的引入，新化学成分的性质向更高分子量和更高的亲脂性转变，导致水溶性降低（Lipinski等人，1997；Lipinski，2000）。

在不同溶剂中的溶解度是特定分子的固有材料特征。为了实现药理活性，分子通常必须在生理肠液中表现出一定的溶解度，才能在吸收部位以溶解状态存在。水溶性是肠液溶解度及其对生物利用度问题潜在贡献的主要指标。

在药物开发过程中，分子在纳摩尔受体测定中进行筛选。选择具有最佳受体结合的分子进行进一步的临床前研究，从而合成更多的药物。

在这个阶段，溶解度已经至关重要，因为对定义不清的药物成分的溶解度估计有助于其药理学和毒理学分析。

当首先进入人体时，充分和良好的溶解性变得更加关键。从现在开始，原料药或配制的原料药在各种生物生理介质中的溶解度或溶出度预计将是可重复的，并在最终开发和最终上市时保持不变。如今，整个科学界普遍认为，药物的溶解度，特别是水溶性药物的溶解度是药物发现以及早期和晚期药物开发过程中的一个问题，因此需要在化合物设计和优化过程中尽早解决。

原料药的溶解度或溶出度主要可以通过原料药的材料工程或配方方法在两个层面上改变。无论采取何种途径来提高或改变先导物质的溶解度和/或溶出，它都需要在开发后期扩展到商业上可行的工艺。

除了药物的水溶性外，其渗透性是口服生物利用度的第二个关键方面。

生物药剂学分类系统（BCS）于20世纪90年代中期引入，用于根据药物的水溶性和膜渗透性对药物进行分类（Amidon等人，1995）。提高溶解度可以提高口服生物利用度的原料药分为第2类（难溶/渗透性）和第4类（难溶解/渗透性差）。特别是对于第2类物质，提高溶解度是提高口服生物利用度策略的一部分。

BCS分类考虑了所需的剂量，因为低剂量的药物会充分溶解在胃肠道的肠液中被吸收，而具有相似水溶性的高剂量药物则不会。为了概括地描述“溶解度”，药典（USP）使用了七种不同的溶解度表达式，如表1所示。《欧洲药典》使用了类似的溶解度定义，但“几乎不溶”的特性没有明确规定（欧洲药典5.0）。

在查看1995年至2002年间的产品发布时，100种物质中有14种被视为I类，12种被归类为II类，28种为III类，46种为IV类物质（Mehta，2002）。如果原料药表现出较差的水溶性，产品开发将不得不重点研究各种其他原料药的特性，如其物理化学、生物药剂学特性和目标剂量，以确定溶解度对进一步产品开发的潜在影响。目前，已知约35-40%的先导物质在pH7下的水溶性小于10μM或5mg/ml，预计这一数字在未来不会改变。

2.原料药的物理/化学性质

溶解度是一种固有的材料性质，只能受到分子本身化学修饰的影响，如盐络合物或前药形成。与此相反，溶解是一种外在的材料性质，可能受到各种化学、物理或晶体学手段的影响，如络合、粒径、表面性质、固态改性或增溶增强配方策略。

溶解度是新分子的关键物理化学参数之一，需要在药物发现和候选药物选择过程中尽早评估和理解。从合成的第一批物质开始，通常是几毫克，第一系列分析测试包括物质在给定溶剂中的平衡溶解度，以及表观或动态溶解度，这反映了物质在某些条件下在溶液中的浓度。平衡溶解度的值通常受到测试持续时间的限制，通常在4到24小时之间。物质在水性系统中的溶解度和表观溶解度取决于几个因素（表2）。

为了识别体内药物沉淀的潜在问题，需要物质的溶解度曲线，而不是单点测定。特别是弱碱性盐的pH值分析至关重要，因为它们的溶解度会在肠道pH值（通常为pH1-8）中变化，并且可能会发生预沉淀。pH值分析应在不同的生物相关缓冲系统中进行，以模拟胃肠液中最常见的药用盐反离子的高浓度。该筛选允许检测潜在的反离子交换和形成更稳定/溶解度更低的分子盐，这将导致体内沉淀。pH值曲线还为选择潜在的增溶策略提供了基本指导。

在溶解度分析中需要考虑和评估分子向其他盐或水合物的转化。根据缓冲体系及其离子强度，可以形成不同的物质盐。人们普遍认为，可电离基团和可能的反离子的pKa值之间应至少相差三个单位（Bowker，2002）。（Ampholytes显示出更复杂的增溶过程（两步反应），包括在高离子强度下形成胶束。缓冲盐和水合物可能具有不同的溶解特性。）因此，已经开发了不同的分析方法来评估溶液或固态（沉淀物）中的物质（Giron和Grant，2002）。pH控制溶液中物质的分析方法是LC结合UV和MS。对于固态分析，使用粉末X射线衍射、能量色散X射线（EDX）、拉曼光谱、红外光谱、显微镜（偏振光显微镜（PLM）、环境扫描电子显微镜（ESEM））和热分析

溶解度分析应包括任何其他生物佐剂溶出介质，如有或没有酶的模拟胃液（SGF）、pH5.0和6.5的禁食状态模拟肠液（FaSSIF）和进食状态模拟肠液（FeSSIF）或人类胃液或肠液（HIF）。

在对原料药初始材料进行分析表征的同时，我们也投入了大量精力来理解和优化晶体结构，并确定该物质的潜在伪热力学稳定形式。这些研究正在研究该物质在各种条件下形成的多晶型物、溶剂化物和盐，以确定最适合剂型开发、扩大规模和后期制造的材料。

多晶型以多种不同的结构出现，如非混合多晶型（游离碱或酸）或混合多晶，如盐、共晶（Vishweshwar等人，2006）、客体物质、水合物或溶剂化物（Bernstein，2002；Brittain，1999）。

虽然过去多晶型筛选更多地关注在不同溶剂中结晶的不同多晶型的数量，但现在它已经转向在热力学控制条件下多晶型形成的定性数据，以获得在预期储存条件下最终剂型多晶型变化的潜在风险的更准确数据。这些恒定和受控的条件包括压力、温度、溶剂和时间。一旦发现并表征了多晶型，应进行额外的多晶型评估实验，以提供其动力学稳定性的信息。

评估首先要确定，例如，该物质是只形成一种脱水物还是形成几种脱水物。一旦鉴定出不同的多晶型，重要的是要表征它们是单向性还是对映性相关。在对映体相变的情况下，必须很好地表征转变温度和温度稳定范围。在不同的非溶剂化物形成溶剂和/或脱水物稳定性范围内的温度下，在浆料实验中测试长期稳定性至少2个月。从这一系列多晶型实验中，选择了热力学最稳定的形式，并将在室温下与任何其他已知的酸酐和溶剂化物进行竞争性浆料实验中进一步评估。不同形式之间的可逆性将包括在长期浆料实验的评估中，并使用二元和三元相图进行总结。例如，在多晶型筛选中发现富马酸福莫特罗形成七种修饰。

通过多晶型实验，二水合物形式被确定为最稳定的固体形式，因为它有利于在福莫特罗和富马酸盐之间形成有效的氢键，从而形成堆积良好的晶体结构（Jarring等人，2006）。

为了改善药物物质在制造、分离和长期储存方面的物理化学性质，以及提高原料药的溶解度和/或溶出性能，药物化学家传统上更倾向于使用弱碱或弱酸形成盐。由于只有20-30%的新分子容易形成盐，70-80%仍然具有挑战性（Serajuddin和Pudipeddi，2002）。盐的形成是一个两步过程，其中质子在溶液中的转移必须发生，然后是结晶步骤。需要鉴定合适的溶剂，以实现物质盐的足够吸引力，并克服离子和分子溶剂化。为了获得具有足够水溶性的热力学稳定盐，了解特定反离子形成的盐结构非常重要。反离子充当模板，通过其构象和键合能力通过非共价键与分子相互作用，直接影响三维结构。基于官能团可能的盐结构的数据库可以对可能的溶剂化物和水合物的数量及其配位数提供一些有价值的预测，配位数定义为由离子形成的非共价键的数量（例如剑桥晶体学数据中心）。分子的选定盐将在盐筛选中按照与多晶型筛选相同的原理进行评估，以研究其长期稳定性及其转化为其他更稳定的盐及其在不同水性和生物相关介质中的沉淀。

随着对多晶型和盐在药物发现中的影响的了解越来越多，正在开发自动化工具，将这些实验作为药物发现和先导物质选择的常规过程进行标准化和实施（York，1999；Rohl，2003）。

为了克服水溶性差或生物利用度不稳定的问题，化学修饰导致前药已成功用于几种物质。最常用的前药方法是将极性或可电离部分掺入分子中。不同链长的N-酰氧烷基部分的掺入导致晶格相互作用减少，熔点随着亚甲基数量的增加而降低（Stella等人，1998）。用苯妥英钠的N-酰氧烷基衍生物对狗进行的体内研究证实，在进食状态下，生物利用度更高，与水溶性降低无关（Stella等人，1999）。前药也可能通过酶切药物吸收部位附近的前药部分来减少胃肠道中物质的前体代谢或药物本身的释放。苯妥英是苯妥英的磷酸盐前药，由磷酸酶代谢释放其活性部分苯妥英。对狗和人类的体内研究表明，口服、肌肉注射和静脉注射后，生物利用度更好。此外，与原始形式的苯妥英钠相比，氟苯妥英显示出更好的安全性（Stella，1996）。成功的磷酸盐前药的例子是磷苯妥英（CerebyxTM）和磷酸氨苯那韦（VX-175/GW908）。另一种成功的前药开发是硼替佐米，一种硼酸前药（VelcadeTM）（Sanchez-Serrano，2006）。目前的研究重点是开发新的前药部分，如N-甘氨酸、亚磺酰胺和半胱胺，通过更好的溶解度或代谢稳定性来提高生物利用度。

一旦确定了先导物质最有利的热力学稳定形式并对其溶解度进行了表征，使用体外、计算机或动物体内试验对其生物制药特性的研究将提供有关物质预测体内性能和药物输送系统设计的必要信息。

3.原料药的生物药剂学评估

生物药剂学评估和预测是主要候选药物选择过程的另一个关键部分。如今，公认的是，不符合至少某些生物药剂学标准的药物物质会被退回给药物化学家进行先导优化（Clark和Grootenhuis，2003）。

体外筛选试验最关键的方面之一是测定试验中游离药物的真实浓度。测定中游离药物的浓度通常是计算出来的，而不是测量出来的。据报道，由于稀释顺序（例如从缓冲水溶液或DMSO溶液中稀释），药物在介质中的溶解度和沉淀出乎意料地低。当未达到测定中计算的药物浓度时，最有可能就有效性、毒性或渗透性得出错误的结论（Di和Kerns，2004）。

表3列出了用于评估药物吸收和渗透性的主要体外工具。

CaCo-2细胞单层是成熟的体外系统，用于药物开发过程的各个阶段，以评估药物吸收和潜在过程（Shah等人，2006）。CaCo-2细胞系提供了有关药物渗透性和吸收潜力的宝贵信息。它们还可以在以后的开发中用于提供有关代谢或外排系统对原料药的潜在影响的信息，并根据BCS对药物进行分类。当使用CaCo-2细胞单层来测量难溶性物质的渗透性时，必须注意细胞内可能的药物积聚、与蛋白质的结合或与塑料表面的粘附。为了避免通过CaCo-2电池测试获得的渗透率数据变化超过±10%，标准化和校准至关重要。平行人工膜渗透性测定（PAMPA）是一种人工的内在渗透性测量方法，用于药物先导物质选择和高通量的临床前研究。PAMPA系统基于模拟生理条件的合成磷脂和脂肪酸。PAMPA被用作基于细胞的系统的低成本替代品，用于早期ADME筛查（Avdeef，2005）。据报道，使用PAMPA对有效渗透性良好（>10-6cm/s）和有效渗透性较差（<2.5^-6cm/s）的药物进行预测的置信度很高，而介于两者之间的药物的结果则难以解释。

为了高效快速地研究药物吸收机制，将CaCo-2细胞单层与PAMPA测定相结合（Kerns等人，2004）。比较中相关的药物主要通过被动扩散吸收。PAMPA中的物质比CaCo-2模型中的物质具有更高的渗透性，是CaCo-2pH梯度下酸流出或减少被动扩散的底物。与PAMPA系统相比，具有更高CaCo-2细胞渗透性的物质具有潜在的吸收机制，如细胞旁、主动转运或在CaCo-2细胞pH梯度中增加的被动扩散。

固定化人工膜（IAM）是脂质体膜的固相模型，用于将药物分配到膜中的研究。IAM色谱法是一种简单的实验工具，允许在药物发现阶段进行大量筛选测试，以确定药物被吸收的潜力，独立于其他影响生物利用度差的因素，如全身前代谢、外排系统或转运蛋白（Pidgeon等人，1995）。

结肠中药物吸收的预测仍然很差。由于细胞旁或载体介导的吸收、外排机制减少、表面积减小、结肠溶解环境（pH6-7）、体积和混合减少以及胃肠道沿线物质的未知化学代谢，对药物吸收的贡献仍不清楚。然而，缓释制剂中的难溶性物质和药物会以相当高的浓度到达结肠并在那里停留很长时间。即使吸收缓慢，这也可能大大提高绝对生物利用度。

最早的预测模型之一使用数学方法来估算吸收的剂量分数（Oh等人，1993）。这种数学计算只使用四个参数来估计可以吸收的剂量：初始饱和度、吸收数、剂量数和溶解数。

对于当今人类药物吸收的预测，经常使用比吸收率（SAR）或人类可吸收剂量（Dabs）模型。SAR绘制了吸收数与剂量数的关系图（Collins和Rose，2004）。Dabs模型基于物质的渗透性、其在模拟肠液中的溶解度、定义为800cm²的人体胃肠道表面积和3.3小时的胃肠道转运时间（Yu，1999）。绘制Dabs与预期治疗剂量的关系图已经暗示了药物吸收是否是传统剂型的限速步骤。例如，吡格列酮是一种弱碱，在低pH值下具有良好的溶解性，由于其在胃中的增溶作用，不需要启用制剂；他达拉非也是如此，他达拉非是一种在生理pH范围内不可电离的物质，由于剂量低（20mg），在所有相关介质中的溶解度都很低。

另一个提出的模型是使用最大可吸收剂量（MAD）概念，考虑到4.5小时的小肠转运时间、250ml的小肠液体积、药物的溶解度和吸收常数（Johnson和Swindell，1996）。如果预计的人体剂量可以被吸收，MAD值提供了很好的预测。评估一系列物质，它可以作为一种指导工具，对特定系列物质中的潜在先导药物候选化学物进行排序（Curatolo，1998）。

以MAD模型为起点，开发了计算系统来模拟体内药物吸收（Johnson，2003）。引入了其他输入参数，如胃肠道的吸水率和胃肠道通透性的变化，以改进模拟。另一种用于模拟药物吸收的计算系统基于先进的隔室吸收和转运（ACAT）模型（Agoram等人，2001）。ACAT模型是隔室吸收和转运（CAT）模型的扩展版本，该模型使用七个小肠隔室进行预测。ACAT将结肠视为药物吸收的另一个隔室，对于难溶性和渗透性差的物质以及缓释制剂来说，结肠是不可忽视的。每个隔室溶出介质的选择是影响ACAT模型预测准确性的重要因素。例如，在pH6.5下，使用FaSSIF介质比简单的缓冲系统对可溶性物质提供了更好的相关性，然而，对于难溶性物质，pH6.5缓冲液更有可能低于预测值，而FaSSIF介质则可能高于预测值。ACAT模型的输出通过包括原料药的其他参数如粒径/半径、密度、扩散系数、logD、pKa和分子量而得到了改善。这两个系统的模拟都相对较好，但由于难以模拟结肠药物吸收，对于难溶物质的模拟往往不太准确。

目前，计算机模拟模型的主要局限性在于胃肠道中潜在的药物沉淀（例如弱碱、难溶性物质的盐），结肠药物吸收的影响，特别是高剂量时难溶性药物的影响，以及药物粒径对吸收的影响。虽然进一步的验证工作正在进行中，但现有的计算机辅助工具已经为潜在候选化合物的选择和/或优化提供了重要信息，并且可以进一步开发以提高模拟的准确性（Kuentz等人，2006）。

在对物质在水性或生物相关介质中的溶解度/溶出行为进行生物药剂学评估后，在体外评估其渗透性、化学和代谢稳定性。此后，以剂量递增的方式最终量化不同动物物种（大鼠、狗、猴子）的吸收、食物效应、首过代谢、PK谱。这些研究旨在建立首次体内口服暴露率和剂量线性关系。对于这些研究，药物以固体、悬浮液或溶液的形式给药。这些研究还应提供有关吸收对粒径的任何依赖性以及标准制剂的暴露上限、清除率和潜在食品影响的信息。

后来，特别是当考虑到缓释制剂开发的潜力时，可以使用例如可应用于动物（如狗）或人类的区域灌注模型对药物吸收机制进行更深入的研究（Lenneras等人，1992）。区域灌注模型还用于建立人体渗透性和CaCo-2细胞渗透性之间的相关性（Lenneras等人，1997¨），并为药物输送系统的设计提供重要信息。为了促进和改进对区域药物吸收及其潜在机制的研究，已经开发了特殊的胶囊，允许在胃肠道的特定区域进行药物或配方的时间和位置控制释放（Wilding等人，2000）。为了在选择先导物质或进入临床开发之前获得至少一些关于人体药物性能的数据，欧洲药品管理局（EMEA）最近接受了人体单次微量给药研究的概念（EMEA，2003）。微剂量研究允许单次剂量小于计算药理学剂量的1/100，小分子总剂量不超过100μg。即便如此，到目前为止，微剂量研究的经验及其在药物开发过程中的价值仍然非常有限。微剂量有望成为识别具有关键生物制药特性的物质的有用工具，并显著改善药物吸收和沉积的计算机预测（Wilding和Bell，2005）。

虽然一些工具为一种物质的潜在客户选择提供了非常有价值的数据，但它们可能不会为其他物质提供数据。因此，一系列不同的体外、体内和预测方法和工具为制定有意义的评估计划提供了良好的基础，该计划需要根据药物发现和物质表征过程中收集的信息为每种物质设计。

4.候选药物选择

多学科小组正成为制药行业主要候选化合物甄选过程的重要组成部分。他们的目标是从化学以及药理学、毒理学和生物药剂学的角度尽早解决原料药的各种特征。这些多学科团队共同判断该物质通过各种标准成为有效和安全药品的能力（Bowker002）。虽然高通量筛选中的受体亲和力仍然是选择的基线，但人们更加关注特征本身，因为它们可能决定开发过程中的潜在问题（表4）。

先导物质选择过程可以是药物发现和临床开发之间不同阶段开发过程的一部分。上述工具基本上可以在药物发现和先导物优化过程的各个阶段使用，随着对物质知识的积累，它们的准确性、精确性和预测性将逐渐提高。在发现阶段，对大量物质进行评估，基于MAD、分子物理参数（如“五法则”（Lipinski等人，1997）和结构相关物质的渗透率数据的一些粗略估计可能会发出警报，并提供远离已知会导致吸收问题的结构区域的方向。一旦合成了一系列物质，就应该在动物和CaCo-2细胞中进行药代动力学筛选。至少对于一些合成的物质，该筛选以及溶解度测试可以为先导优化计划提供进一步的指导。当选择一些物质作为潜在的主要候选药物时，应进行至少2种动物的代谢和药代动力学研究以及进一步的溶解度研究。考虑到预期的人体剂量，这些数据将在MAD和计算机模型等预测工具中提供更好的输出（Curatolo，1998）。

进入临床项目的决策过程包括对所进行的测试进行严格审查，以及这些实验得出的数据的一致性，这些数据可能会揭示物质溶解度特征引起的问题。缺乏足够水溶性的物质，特别是当预计以高剂量给药时，可能不会显示其毒理学特征，因为它们在毒理学试验中没有达到计算浓度。

如果一种物质与生理液或食物成分形成稳定且不易溶解的形式（如盐），则需要考虑药物在胃肠道沉淀的潜在风险。物理性质也必须从加工的角度加以解决。在大规模商业规模的合成和制造过程中，物质的吸湿性、无定形性、结晶度和多晶性需要在工业环境中得到控制和管理。对于溶出或溶解度有限吸收的物质，通常会观察到生物利用度的变化，这可能是一个关键的选择标准。这种变异可能被视为食物效应，但也可能只出现在特定的患者群体（老年人、儿科）或疾病阶段。在这种情况下，必须尽早考虑制定策略，以减少受试者之间和受试者内部的差异。

在先导识别和优化过程中，必须考虑原料药的药理学和生物药剂学特性的所有合格数据。主要候选化学物的选择是一个涉及所有学科的复杂决策过程。选择过程不一定导致选择一种先导物质；它还可以为进一步优化先导物质提供明确的方向和建议。

虽然在决策过程阶段通常存在关于先导物质的大量数据，但对于可能的备用物质或潜在的优化先导物质来说，这些数据并不一定存在。缺乏这些数据使得在主要候选化学物选择过程中很难决定停止使用主要物质或对分子进行修饰，无论是在这个阶段引入额外的官能团还是“缩小”分子。决策过程将包括评估先导物质的预期限制是否可以通过特定技术或商业上可行的药物递送策略轻松解决，或者是否可以在将物质开发为上市产品的时间线内成功开发。

5.溶解性和生物增强的制剂策略

最初的药物发现筛选通常是用二甲基亚砜（DMSO）中的无定形物质进行的。这些高能形式的物质“制剂”足以进行受体和功效筛选，但忽略了该物质在现阶段的任何溶解度特征，因此无法进行相关的生物药剂学（即吸收）评估。

为了继续早期药物发现计划，需要足够浓度的溶解在水性测试介质中的无定形或结晶药物进行适当的体外和体内测试。当物质在水性介质中的溶解度有限时，在药物发现的早期就需要制定配方策略，这些策略对于先导物质选择和商业药品开发仍然至关重要。表5总结了主要的药物增溶策略。

为了支持早期药物发现计划，开发并研究了实验制剂的溶出和短期稳定性。当物质的溶解性或溶出被确定为体外和体内测试的问题时，应用简单有效的制剂策略来确保体外和体内试验中预期的药物沉积。

粒径减小是最早研究的策略之一。湿法研磨用于减小粒径，可以实现约200nm的粒径。如果这不会导致体外试验或体内暴露的预期浓度，则对含有增溶剂（如环糊精或胶束系统）的制剂进行评估。使用的其他系统是基于溶剂和表面活性剂的制剂（例如微乳液）或固体分散体。后一种系统需要大量的开发时间，并且可能由于潜在的赋形剂相关毒性或对测试系统的不利影响而受到限制。

低分子量聚乙二醇（PEG）的增溶效率经常用于体内研究的药物增溶。除了增溶作用外，低分子量PEG，如PEG400，已被证明对药物吸收具有剂量依赖性影响。根据形式中PEG400的量，雷尼替丁的吸收增加（1gPEG增加41%）或减少（2.5和5.0gPEG减少38%）。虽然胃排空保持不变，但PEG增加了肠道转运时间（1、2.5和5.0克分别增加了9%、20%和23%）。1gPEG400的吸收增加也可能显示PEG400对肠道通透性的影响（Schulze等人，2003）。

如上所述，物质的溶解度取决于其固态形式。为了获得药物的最可溶形式，最近开发了一种技术，可以制备粒径在100nm范围内的足够稳定的无定形纳米混悬剂。药物溶解在有机水溶性溶剂中。然后将原料药的有机溶液加入到含有稳定剂的水溶液中，并使用超声波混合。药物的无定形形式是由均匀成核过程产生的，它沉淀到水相中，从水相中去除有机溶剂。为了避免奥斯特瓦尔德熟化引起的颗粒生长，将水溶性较差的稳定剂（主要是PVP或HPMC等非离子聚合物）掺入加入有机药物溶液的水相中。稳定剂起到奥斯特瓦尔德熟化抑制剂的作用，并防止颗粒在储存过程中生长。对于非洛地平、硝苯地平和比卡鲁胺，药物/抑制剂比例为4:1的Miglyol足以防止Ostwald成熟，而对于其他研究药物，则需要额外的成分。在这种情况下，癸醇作为额外的、基本上不溶于水的组分与Miglyol以1:1的比例添加，药物与抑制剂的组合比例为4:1，成功抑制了颗粒生长。当与无定形药物形成均匀混合物时，抑制剂或抑制剂组合可防止奥斯特瓦尔德成熟（Lindfors等人，2006a）。

无定形材料的溶出可以使用光散射技术在纳米悬浮液中确定。光散射技术的基本原理是确定胶体颗粒在浓度增加过程中的外观。已经发现，非晶态纳米混悬剂的溶解量是相应晶形的数倍。非晶态与晶形的溶解度差异可以通过使用晶体熔点的溶解度和热力学数据从化学势差计算出来（Lindfors等人，2006b）

非晶态纳米悬浮剂可以在早期药物发现阶段常规用作实验制剂。

最近已经使用糖玻璃制备了无定形药物材料的纳米分散体。糖玻璃是物理稳定的非晶态系统（处于玻璃态），具有高水溶性。已经描述了使用海藻糖、蔗糖和两种不同的菊粉（聚合度分别为21和23的菊粉DP21和DP23）作为糖玻璃载体制备纳米分散体的方法。通过将糖溶解在水中并将药物溶解在叔丁醇中，制备了地西泮的无定形纳米分散体。将两相以6:4的水∶醇的比例混合，然后冷冻干燥。地西泮以无定形形式掺入，在所有糖中药物负荷为10%和20%时浓度高达100%，在海藻糖、菊粉21和23中药物负荷分别为40%和63%时浓度高至97%，而无定形形式在蔗糖中仅占89%。在25℃和45%相对湿度下放置60天后，在菊粉DP21和菊粉DP23的纳米分散体中，在高达20%的药物负载下，地西泮的晶体尺寸没有增加，而其他糖的结晶明显进展。在40%的药物负荷下，菊粉DP21和63%的菊粉DP23也观察到结晶。这种差异是由于菊粉的高玻璃化转变温度有利于纳米分散体的物理稳定性（VanDrooge等人，2004a）。不同无定形糖玻璃的溶出行为取决于糖玻璃的溶出和掺入的药物浓度。在快速溶解的糖（海藻糖和蔗糖）中，初始释放很快，但随后被片剂表面边界层过饱和引起的结晶所抵消。对于溶解较慢的糖（菊粉DP21和菊粉DP23），这种现象不太明显。结晶也被发现与糖中的药物负荷有关。当无定形药物的溶出曲线与载体的溶出曲线一致时，达到最佳溶出（VanDrooge等人，2004b）。为了提高糖玻璃中难溶物质的溶解度，正在进行进一步的研究，包括添加表面活性剂和控制结晶，以获得含纳米晶体药物的糖玻璃。

环糊精（CD）是环状低聚物，通常由6-8个葡萄糖单元组成。CD代表一类增溶剂，通过包合与亲脂性分子形成非共价、动态复合物。包合物暂时改变了物质的物理性质。受游离药物、游离CD和药物-CD复合物之间的平衡常数的控制，药物在稀释时会不断快速释放。CD已被证明可以提高蛋白质或肽等物质的稳定性（Davis和Brewster，2004）。批准用于药品的CD可分为三种主要类型，仅在分子量和各自的中心腔直径方面有所不同。α-环糊精（-CD）的分子量为972，中心空腔直径约为5A，β-CD的分子量分别增加到1135和中心空腔直径约为6.2A，γ-CD的分子量增加到1297和中心空腔直径约为8A。尽管市场上大部分口服CD产品都使用-CD复合物，但-CD因其较差的水溶性、可能形成结晶复合物以及经肠外给药时的肾毒性而存在一些局限性。为了改善环糊精的性质，化学修饰产生了两种新的衍生物，2-氢丙基环糊精（HP-CD）和磺丁基醚环糊精（SBE-CD）。HP-CD是一种无定形异构体混合物，在保持其络合电位的同时，具有改善的水溶性。以伊曲康唑为模型物质，研究了HP-CD的络合行为。发现伊曲康唑与HP-CD的络合作用取决于CD/药物比和系统的pH值（Peeters等人，2002）。对HP-CD的安全性进行了彻底调查，发现其口服和注射耐受性良好，毒性有限。静脉注射HP-CD后，根据剂量比例动力学，消除半衰期短，不到2小时。口服后，只有不到3%的HP-CD被吸收（Gould和Scott，2005）。HP-CD已在欧洲药典中获得专着，HP-CD和SBE-CD均已列入美国食品药品监督管理局的非活性成分清单。肠外和口服制剂已在美国和欧洲获得批准并上市。

基于脂质的药物递送系统代表了由亲脂性、两亲性和亲水性赋形剂组成的各种制剂，这些赋形剂能够溶解水溶性和亲脂性较差的药物。该系统专为每种药物设计，以在暴露于水性介质时表现出其他特征，如自乳化。基于脂质的药物递送系统已被证明可以提高口服生物利用度，减少食物效应，并将亲脂性药物递送到淋巴系统（Charman，2000）。

在过去的几年里，人们对基于脂质的制剂有了很多了解，以便更好地设计和评估这些用于难溶物质药物输送的系统。人们已经认识到，口服脂质制剂会经历生理消化，在到达吸收侧之前会大大改变系统特性。

脂质消化始于唾液腺、胃黏膜和胰腺分泌脂肪酶和共脂肪酶，它们将甘油三酯水解成二甘油酯、单甘油酯和游离脂肪酸。胆汁盐释放后，形成囊泡和胶体颗粒，并从脂质表面释放出来。在沿着胃肠道行进的过程中，进一步溶解成一系列乳液液滴、囊泡结构和含有胆汁盐、磷脂和胆固醇的混合胶束（Porter和Charman，2001）。这些胶束和囊泡结构中的每一种都代表了原料药不同的增溶能力，并可能对药物沉积产生直接影响。已经开发了体外消化模型来评估制剂消化及其对药物增溶的影响（Kaukonen等人，2004a，b）。脂质配方对药物的增溶能力可能会受到消化的影响，从而影响生物利用度。低水溶性达那唑的脂质制剂是使用长链甘油三酯的简单溶液和由长链脂质（C18）和中链脂质（C8-C10）组成的两个自乳化系统制成的。体外消化后，达那唑在中链衍生的自乳化系统中发生沉淀，导致狗的生物利用度（AUC）比长链自乳化系统低五倍。该研究还表明，两种不同的制剂（长链甘油三酯溶液和基于长链的自乳化系统）显示出相似的生物利用度，这可以通过消化导致体内相似的吸收阶段来解释（Porter等人，2004）。

具有低水溶性的高亲脂性物质（logP>5）可能是使用淋巴途径吸收的合适候选者。消化后，短链和中链甘油三酯和脂肪酸直接被吸收到门静脉中，而长链甘油三酯和长链脂肪酸导致乳糜微粒的形成，从而引发淋巴吸收。为了有效地将药物输送到淋巴系统，药物在长链甘油三酯中的最小溶解度应为50mg/ml，以便在乳糜微粒中充分溶解（Porter和Charman，2001）。较小动物（如大鼠）的淋巴吸收结果被发现低估了人类的潜在运输能力。为了更好地预测人体的淋巴吸收，开发了一种收集胸淋巴、门静脉和全身血液样本的三管犬模型，以评估配制药物在餐前和餐后状态下的淋巴吸收（Khoo等人，2001）。

卤芳醇游离碱是一种高度亲脂性物质（计算LogP≈8.5；在甘油三酯中的溶解度≈50mg/ml）。卤烷醇主要通过淋巴转运吸收，摄入食物后吸收增加。当在禁食状态下模拟为含有长链脂质或中链脂质的微乳液时，可以证明使用即使是小脂质体积制剂的制剂方法也可以刺激甘油三酯的内源性释放、脂蛋白的形成和药物通过淋巴途径的转运（Khoo等人，2003）。

当使用不良脂溶性的卤芳醇盐酸盐时，也观察到类似的效果。这些研究表明，在进食状态下，卤代芳烷醇HCl的肠道增溶会导致转化为脂溶性卤代芳烯醇游离碱，并将其掺入脂质消化过程中形成的乳糜微粒中（Khoo等人，2002；Taillardat-Bertschinger等人，2003）。

对于基于脂质的制剂系统，特别强调了自乳化药物递送系统（SE）（Constantinides，1995）。SE通常由3-5种赋形剂按一定比例组成，在暴露于水中时形成热力学稳定的微乳液。在水中粒径小于200nm时，系统看起来是半透明的。SE可以通过合理的赋形剂选择和组合方法进行设计。起点是选择SE的物质，这需要满足剂量、渗透性和logP的某些标准（Benameur，2006）。对该物质在不同亲脂性、两亲性和亲水性赋形剂中的溶解度进行了研究。绘制了赋形剂混合物的相图，赋形剂通常由亲脂性溶剂（油）、亲水性溶剂（水）和表面活性剂以及原料药的组合组成。进一步评估赋形剂与原料药形成微乳液的组合的相行为和热力学稳定性（Kang等人，2004）。

选定的先导配方将根据其各向同性、流变行为、热力学和物理稳定性以及水介质中的液滴尺寸进行表征。CaCo-2细胞可用于比较纯药物渗透性与配制药物的渗透性，以选择先导SE制剂。已发表的（Gao等人，2004；Kang等人，2004）和几个案例研究的未发表数据证实，对于在水性介质中的溶解度限制了生物利用度的药物，设计SE系统的合理方法可以提高药物的体内吸收。

最近的发现表明，难溶性物质主要结合在靠近核心的地幔（mantle）中，而不是乳化液滴的亲脂性核心中，这引起了人们对表面活性剂本身的更多关注。它们的疏水链和亲水头基团主要决定了现有非离子表面活性剂的增溶能力。为了提高增溶能力，通过改变疏水链和亲水头基团设计了新的非离子表面活性剂。与现有的非离子表面活性剂（聚氧乙烯醚衍生物）相比，N、N-二甲基烷基胺-N-氧化物（DDNO）对大多数难溶物质（倍他米松、醋酸可的松、睾酮、苯丁氮酮、灰黄霉素）的增溶能力有所提高。由于DDNO的毒性特征主要归因于其代谢稳定性，因此通过引入可生物降解的羰基连接体合成了可生物降解版本的DDNO。然后研究了N，N-二甲基-N-（3-十二烷基羰基氧丙基）氧化胺（DDCPNO）的增溶能力。DDCPNO表现出比聚氧乙烯醚表面活性剂更大的增溶能力，但低于DDNO（Tolle等人，2000）。在使用胺-N-氧化物表面活性剂的另一种衍生物N，N-二甲基十二烷基胺-N-氧化物（DDAO）的进一步研究中，发现油相中脂质的链长及其与DDAO的比例对液滴半径和聚集数有影响（Warisnoicharoen等人，2000）。因此，微乳液中的增溶取决于油的性质及其在微乳液体系中的掺入，而在胶束结构中，头基团是最重要的。

胡萝卜素代表了多种具有关键生物利用度的亲脂性物质。番茄红素是一种难溶性胡萝卜素衍生物，其天然来源（如新鲜番茄）的生物利用度较低，食品工业对其生物利用度的提高进行了研究。虽然番茄红素晶体的粒径减小略微提高了生物利用度，但加工（如番茄酱）使生物利用度提高了三到四倍。对口服生物利用度的研究揭示了番茄红素分子立体化学的潜在影响。在天然来源中，全反式异构体是主要形式（95%），这与石蒜烯类的体内立体化学形式形成鲜明对比。在皮肤和前列腺中，顺式异构体分别占70%和85%。胶束、乳糜微粒和CaCo-2细胞的体外试验表明，30%的全反式番茄红素异构化为顺式异构体。在随后的研究中，证明了加工对顺式异构体的形成有影响，这可以解释加工天然来源（番茄酱）的高生物利用度。研究结果表明，立体化学可能对番茄红素的吸收起着关键作用，5-顺式番茄红素是最有利于吸收的形式。

为了通过配方提高番茄红素的生物利用度，番茄红素与乳清蛋白（乳番茄红素）形成复合物，并喷雾干燥成粉末形式。乳番茄红素复合物与加工的天然来源（番茄酱）具有生物等效性，并在口腔黏膜细胞中表现出相同的分布（Richelle等人，2002）。

当与游离或酯化的植物甾醇一起服用时，胡萝卜素的吸收会减少。虽然甾醇酯对胡萝卜素的吸收有特定的影响，但这些发现清楚地表明了食物成分在药物吸收中的重要性（Richelle等人，2004）。

6.药物递送系统的生物药剂学评估

当溶解度被确定为生物利用度和/或主要候选药物选择的关键参数时，需要评估和比较配方策略在人体内的性能。表6列出了用于比较不同制剂或药物递送系统与物质的生物药剂学评估的主要工具。

制定策略的起点仍然是溶出试验。溶出试验方法可能实现不同的目标，如先导制剂的选择、制剂再现性的质量评估、建立体外/体内相关性（IVIVC）和监管目的。

对于水溶性差且溶解度是药物吸收的主要限制因素（BCS为2类）的物质，反映体内条件的体外溶出介质对于制剂的快速筛选和评估至关重要。已经提出并评估了几种溶出介质，如FeSSIF、FaSSIF、SIF等，但它们的预测精度仍然不足。主要原因之一是胃肠道生理和消化过程的复杂性，这一点尚不清楚。

为了研究禁食和进食状态下上消化道的管腔组成，健康志愿者接受了250ml水（禁食）或500mlEnsurePlus®（进食），并在不同时间点从胃窦和十二指肠吸出样本。选择EnsurePlus^®是因为它反映了用于生物利用度/生物等效性研究的标准FDA膳食。结果清楚地表明，除了禁食和进食条件下pH值和胆汁盐水平的已知变化外，缓冲能力、表面张力、渗透压、胃蛋白酶水平和食物成分也存在差异（Kalantzi等人，2006a）。

这些差异尚未在溶出介质中得到很好的反映，尤其是对于联邦政府来说。例如，在标准溶出介质的相同pH水平下，观察到酮康唑和双嘧达莫在肠道中的溶解度要高得多（Kalantzi等人，2006b）。之前的一项研究也证实了这一点，该研究使用Loc-I-Gut灌注管对禁食和进食（FDA标准早餐）受试者的人体肠液（HIF）进行了表征。几种难溶性物质（达那唑、非洛地平、环孢菌素和灰黄霉素）的溶出证实，与禁食HIF或FeSSIF相比，进食HIF的溶解度高3.5-30倍。这种增加主要是由于在进食条件下HIF中胆汁盐浓度高出4倍，磷脂浓度高出14倍（Persson等人，2005）。在另一项研究中，使用非洛地平溶液、微粉化（中值粒径8m）和粗悬浮液（中值粒度125m）研究了胃水动力学对狗生物利用度的影响。

与粗悬浮液相比，微粉化悬浮液的tmax高出22倍，AUC高出14倍，并且不受食物摄入的影响，这与在进食状态下AUC加倍的粗悬浮液不同。对于水溶性较差的非洛地平，当通过微粉化达到足够的溶解度时，运动模式对生物利用度的影响很小或没有影响（Scholz等人，2002）。

最近，营养行业用于评估和预测功能性食品成分吸收和代谢的多室动态计算机控制系统已被用于药物吸收和剂型评估。该系统通过6个小肠（TIM1）和2个大肠隔室（TIM2）模拟胃肠道。每个隔室的设计都代表了生理条件，包括体温、蠕动、胃肠pH值、胃肠混合和转运时间、胃酸和酶的分泌、胆汁盐、胰液以及通过人工膜吸收消化产物。人工膜由Cuprophan透析膜组成，它允许梯度驱动的吸收过程和水槽条件的模拟。透析膜仅通过被动扩散反射吸收，不允许主动转运机制。该系统旨在评估原料药或药物递送系统在进食和禁食条件下的体内性能。该系统提供了有关食物影响、药物沉淀甚至药物与药物相互作用的潜在风险的重要信息。总体而言，使用对乙酰氨基酚作为模型药物，已经证明了良好的再现性和与体内人体研究的相关性（Blanquet等人，2004）。主要缺点是产量有限（每天只有一项研究），缺乏自动化，难溶物质的回收率可变，吸收有限。尽管这阻碍了该系统在今天被广泛用作开发中的筛选工具，但预计该系统将在首次人体研究之前得到进一步开发，以提高其在配方筛选方面的性能。

磁标记监测（MMM）也称为磁矩成像或胃肠道磁标记能图，已被引入作为一种非常有趣的工具，通过非侵入性手段通过胃肠道连续监测剂型的命运（Weitschies等人，2001）。研制了一种侵蚀缓释非洛地平片剂，并在禁食和进食条件下监测其胃肠道位置和侵蚀情况。结果证实，在进食条件下，片剂的位置以及血浆浓度因受试者而异。然而，血浆浓度主要受片剂在胃肠道中的位置的影响。在进食状态下观察到的剂量倾倒与剂型在近端胃中的停留时间直接相关。在禁食条件下，早期胃排空被确定为血浆浓度与片剂释放量相关的原因（Weitschies等人，2005）。监管机构已经制定了建立药品体外-体内相关性（IVIVC）的指南（USP29/NF24；FDA指南，19972000；EMEA，2000）。由于难以将体外-体内相关性的理论概念轻松转化为实际应用，IVIVC已被缩小到用于缓释产品、质量保证目的和基本相似产品的应用范围。随着BCS的引入，第2类物质也被确定为另一类应建立IVIVC的物质。使用IVIVC代替生物研究的局限性是缺乏与生物相关的溶解介质。结合计算机模拟方法，生物相关介质中的溶解数据可能有助于预测和IVIVC模拟，并有助于产品变更和批准的监管决策。

7.未来展望

在过去几年中，人们对药物分子的固态性质的了解越来越多，对其进行评估和改性以获得更稳定、更好的溶出特性，创造了一系列新技术。它们的进一步开发和常规应用已经并将继续改进候选药物的选择过程。

了解禁食和进食条件下的生理流体将促进生物相关溶出介质的开发和质量。同时应用血浆水平和MMM将进一步了解药物输送系统的性能。使用生物相关介质可以预测具有已知绝对生物利用度的亲脂性药物的血浆特征（Nicolaides等人，2001），这将成为主要候选药物和主要制剂选择的一个组成部分，并取代许多体内研究。

基于这种理解，可以优化药物输送技术。

在选择主要候选药物或开发合适的药物递送系统时，越来越多地考虑胃肠道生理学和药物吸收过程的复杂性。药物递送策略通常是基于潜在生理过程的综合方法开发的，如脂质通过肠内脂肪酸结合蛋白（FABP）在肠上皮细胞中的结合和运输（Velkov等人，2005），以及淋巴吸收的淋巴脂质前体库（LLPP）（Trevaskis等人，20052006a，b）。

人们已经认识到，结肠吸收可能主要归因于难溶性物质和缓释制剂的吸收。进一步了解结肠在药物吸收中的作用和参与，将有助于更好地预测难溶性物质并制定新的药物输送策略。

除此之外，正在进行更多的跨学科工作，以改善药物发现、药物先导候选化学物选择和药品开发。无论是药物化学还是药物科学，都无法单独解决为未满足的需求开发安全有效的疗法的挑战。

8.总结

了解药物口服生物利用度差或高度可变的不同根本原因已经是找到解决方案的关键资产。众所周知，药物在胃肠道生理条件下的溶解度有限是主要根源之一。新的工具和技术已经开发出来并引入到药品开发中，作为主要候选药物选择过程的一部分，这些工具和技术在早期就基本解决了溶解度因素。持续的科学发展也让我们意识到为未满足的医疗需求识别和开发创新疗法的复杂性。来自学术界和工业界的药物化学和药物科学的跨学科方法得到了广泛的实践。这导致并将进一步导致将新的创新产品推向市场的巨大进步，但由于当今工业临床产品管道的形象不佳，社区的认知将落后。

材料科学小组正在密切关注原料药及其在稳定性和溶解度方面最适合开发的形式。进行早期评估并最终进行实验配方工作，以确保临床前试验中的增溶药物浓度。开发工作得到了各种计算工具的支持，这些工具可以对药物的可能晶体形式及其体内性能进行粗略预测。当生物利用度问题被确定时，临床和商业阶段的制剂策略在早期就得到了研究。增强溶解度的配方方法已经开发出来并继续发展。更复杂的工作正在进行中，以更好地了解胃肠道的生理条件和药物吸收的潜在过程，这将导致更好的体外评估和预测工具，以及更有针对性的药物递送系统.

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阿斯利康，GSK等巨头联合发文：当溶解性差成为问题时

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