2015, Vol. 50
因蛋白及多肽类大分子药物膜通透性差且对酶敏感,所以一直以来这类药物在临床上以注射给药为主。但注射途径使用不便、费用高、长期用药增加患者的精神负担。因此药学工作者一直致力于寻找患者更易于接受的新的蛋白及多肽类药物的非注射给药途径,包括口服、鼻腔、口腔、眼内、透皮、直肠和肺部给药等。肺部给药作为一种无创给药方式,既可发挥局部治疗作用,亦可产生全身治疗作用,所以越来越受到人们的关注。与其他给药途径相比,蛋白及多肽类药物肺部给药具有以下优势: ① 肺部具有较大的吸收面积,总面积可达80～140 m2; ②肺泡 上皮细胞层很薄,只有0.1～0.2 μm,肺泡壁或肺泡隔内有丰富的毛细血管,肺泡与周围的毛细血管衔接紧密 (仅0.5～1 μm)[1],因此药物可通过肺泡快速吸收而直接进入血液循环,避免了肝脏的首过效应,提高药物的生物利用度; ③ 肺部的化学降解和酶降解反应较低,药物被破坏的程度小[2]; ④药物可直接到达肺部病灶部位,降低给药剂量及毒副反应,这对于需局部长期治疗的疾病如哮喘、慢性肺阻塞极其 重要[3]。
除传统的溶液型、乳剂和混悬型气雾剂外,干粉吸入剂是目前研究较多的肺部给药剂型。目前上市 产品主要为用于治疗哮喘的抗组织胺药、支气管解痉剂和甾体激素等。研究表明干粉吸入方式可有效增加蛋白多肽类药物的稳定性,提高其生物利用度[4]。胰岛素肺部吸入粉雾剂于2006年上市、2008年退市、2014年重新上市更进一步说明了蛋白及多肽等大分子药物的肺部给药具有诱人的发展前景。已开展或进入制剂研制阶段的蛋白质和多肽类药物包括: 胰高血糖素、重组人粒细胞-集落细胞刺激因子、重组人脱氧核糖核酸酶、降钙素、白介素-1受体、白介素-2、α-1蛋白酶抑制剂[5]、胰岛素[6, 7, 8]、小牛血清白蛋白[9]、多黏菌素E甲磺酸钠[10]。但肺部给药系统的治疗效果易受药物理化性质、剂型因素及给药装置的影响。无论是蛋白多肽类药物还是其他化学药物,如何提高肺部有效沉积量、提高药物肺部吸收是其肺部给药所需解决的关键问题。本文重点综述了影响各种药物物理混合型干粉吸入剂肺部吸收的制剂工艺学及粉体学因素,提出了增加药物肺部沉积的有效策略,旨为成功制备蛋白及多肽类药物物理混合型干粉吸入剂提供依据。
1 干粉吸入剂的特点
干粉吸入剂 (dry powderinhalation,DPI) 又称吸入粉雾剂 (aerosol ofmicropowders for inspiration),是在定量吸入气雾剂 (pressurizedmetered— dose inhaler,pMDI) 的基础上,综合粉体学的知识发展起来的新剂型,系指固体微粉化药物单独或与合适载体混合后,以胶囊、泡囊或多剂量贮库形式,采用特制的干粉吸入装置,由患者吸入雾化药物至肺部的制剂[11]。由于不使用抛射剂,在禁用氟利昂后获得了较大发展。相比于pMDI,将蛋白及多肽类药物设计成干粉吸入剂具有优势如下: 固态比液态稳定性好、无抛射剂、吸入效率高和不易被微生物污染[12]。
吸入粉雾剂主要包括载体型和无载体型两大 类[13]。载体型粉雾剂主要由粒径为50～100 μm的载体与药物微粉混合而成,小剂量药物微粉通过吸附于载体表面以提高其流动性,减少在口腔、咽喉及上呼吸道中的沉降,使药物更多地到达肺部产生药效。无载体粉雾剂则由一定剂量的药物微粉单独组成,由于呼吸道独特的生理结构,一般要求药物微粉粒径为0.5～5 μm,此粒径的药物受药物自身理化性质如静电引力的影响作用,流动性较差。
理想的吸入制剂应该具备以下特性: 较窄的空气动力学粒径分布、较低的表面能和电位、非光滑球面表面、较低的密度及较高的物理和化学稳定性。
2 药物微粉化制备技术
制备干粉吸入剂首先需要制备药物的微粉。理想的肺部吸入药物的空气动力学粒径为0.5～5 μm,大于此范围的粒子发生惯性碰撞易沉积在上呼吸道,不能进入细支气管内; 而更小的粒子,通过布朗扩散可分布到肺泡内,但易随气流呼出[14]。因此,对颗粒较大的蛋白及多肽类药物必须通过粉碎满足肺部给药要求。
由于蛋白及多肽药物对生产过程较敏感,其制备工艺比较局限,目前冷冻干燥后磨粉碎[4]、喷雾干燥技术[12, 15]、喷雾冷冻干燥技术和超临界流体技术[16]已研究用于制备可吸入的蛋白质/多肽粉末。
2.1 磨粉碎法 蛋白质粗粉能在喷射磨(流能磨)、球磨、胶体磨和锤击磨上粉碎成可吸入的粉末,多数吸入性粉末是用喷射磨制成的。使用高纯度气体喷射磨能避免其他碾磨方法可能带来的污染问题。但采用磨粉碎法,其微粉化过程容易使微粒表面产生静电荷和不定型区域而具有较高的表面能,导致微粒间发生晶体增长、黏附和聚合等物理不稳定现象; 同时由于研磨过程中放热,使热不稳定的药物 (如蛋白质和多肽等) 容易发生变性或降解。多肽和蛋白质类如降钙素等可通过冷冻干燥制备粗粉,再经喷射研磨,生产出可吸入粒子,药效学实验表明此方法制备的干粉仍具有降钙活性[4]。
2.2 喷雾干燥法含有活性药物分子的溶液,经喷雾干燥一步操作即可得到干燥的细粉,由于干燥过程中蒸发冷却,材料温度明显低于干燥空气温度。故喷雾干燥能用于对热不稳定粉末的制备,对于多肽和蛋白质类药物制备DPI较适宜。使用喷雾干燥方法得到的颗粒并不总是球形的,颗粒形状取决于干燥度、表面张力和液体黏度等因素。一些药物喷雾干燥后形成无定型粉末,容易出现吸湿、黏附等不稳定现象[17]。
2.3 喷雾冷冻干燥法喷雾冷冻干燥技术 (spray freezedrying,SFD) 是将药物水溶液通过双流喷头或超声喷头雾化到充满低温液体 (液氮)或卤烃制冷剂 (如氟氯烷烃或碳氟化合物) 的喷雾室中。雾化液滴接触到低温媒介的瞬间即迅速固化,由于较高的传热率,固化过程只需数毫秒。为防止新生粒子发生聚合,需要对低温液体进行搅拌。当喷雾过程结束后,立即对粒子冷冻干燥。制备的粒子粒径可被控制在可吸入的粒径范围内。与喷雾干燥相比,大多数热不稳定性的药物 (如蛋白质、多肽和DNA等) 经喷雾冷冻干燥法制备得到的粒子具有更好的稳定性和分散性。
2.4 超临界流体技术近年来,超临界流体 (supercritical fluid,SCF) 技术在制备微粒方面应用广泛。其基本原理是,在流体的临界点以上,溶质的溶解度随着压力的较小变化而产生较大变化,含有溶质的SCF迅速减压会引起高度的超饱和状态而生成大量细微结晶。二氧化碳是SCF方法中较常用的溶剂。其生产过程温和,适用于热敏性、生物活性药物如蛋白质和多肽类药物的微粉化,如将溶菌酶的水溶液加压加热后进入水化空力混合器与超临界CO2混合后经不锈钢进样器进入结晶器结晶,形成溶菌酶微粉且粒径适宜雾化吸入,并仍然保持生物活性[18]。
2.5 控制结晶法疏水性药物可通过控制结晶法制备可吸入微粒,即向含有稳定剂的药物溶液中加入抗溶剂,疏水性药物立即结晶析出。研究显示,结晶法制备的微粒比流能磨微粉化的粒子具有更好的物理稳定性[19]。但是,该法制备的大多数小粒径微粒都倾向于形成大的结晶。为了得到合适粒径的粒子,常需添加晶体增长抑制剂或稳定剂等辅料,如羟丙甲基纤维素[20]、羟丙基纤维素[21]或其他表面活性剂。此种方法利用药物在不同溶剂中溶解度不同因而生成药物结晶,如在布地奈德的乙醇或丙酮溶液中加入其抗溶剂水或含稳定剂的水即可[21]。
3 干粉吸入剂常用载体
大多数蛋白和多肽类药物发挥作用所需剂量小,同时药物微粉化后,具有较高的表面自由能,粉粒易聚集成团,因此常需加入载体物质作为填充剂制备吸入粉雾剂以改善其流动性[22]。载体的加入具有以下优点: ① 改善粉末流动性,提高药物的肺沉积性能; ② 增加单剂量的给药体积,实现小剂量药物的准确分装,提高吸入药物转运剂量的重现性。
使用干粉吸入装置时,药物与载体借助吸气气流进入上呼吸道,随着气流速度加快,药物与载体分离,而后药物继续在高速气流作用下进入人体肺部[23, 24]。一般适宜药物与载体分离的吸入速率为30～120 L·min-1。理想的干粉吸入剂在低流速和低压力时药物载体应该能够迅速解聚,药物随呼吸气流进入肺内。所选择载体的种类、粒径分布及形状均会影响药物的肺部沉积。作为DPI载体的辅料需具备以下特征: 无毒、有一定晶型但无多晶型、具有适宜的大小、较好的流动性、适当的内聚力和表面粗糙度、制备过程中稳定和来源丰富[24]。目前所用的载体多为无毒、惰性、具有生物相容性的可溶性物质,如乳糖、甘露醇、赤藓糖醇、木糖醇和阿拉伯胶等。
3.1 乳糖已被美国FDA批准用于干粉吸入剂的载体。目前上市的干粉吸入剂中基本都是使用乳糖一水合物作为载体,如PulmicortFlexhaler和Pulmicort Turbuhaler (布地奈德)、Spiriva (噻托溴铵)、ArnuityEllipta (糠酸氟替卡松) 等干粉吸入剂。乳糖一水合物具有很多优点: 原料易得、价格低廉、无药理毒性、晶体表面性质可通过重结晶及其他加工技术加以改造。粗乳糖 (粒径约30～100 μm) 已成功用作上市干粉吸入剂的载体。粗乳糖的加入可提高干粉的流动性和分散性[25, 26]。
但乳糖作为载体稀释药物的主要缺点是一部分药物被牢固地束缚在乳糖微粒表面,不能在吸气循环中释放。加入一定比例的微细乳糖或增加乳糖表面的粗糙度可在一定程度上提高药物的分散度和可吸入粒子百分率。此外,乳糖为非还原糖,与蛋白质或多肽的功能基团反应,而且乳糖从牛乳中加工提炼而得,有携带疯牛病病毒的危险。因此有必要寻找适宜蛋白质或多肽吸入的其他载体[27]。如2014年由赛诺菲—安万特和MannKind研发上市的人胰岛素干粉吸入剂使用的是富马酰基二酮哌嗪和Tween 80组成的载体颗粒。
3.2 甘露醇首先它为非还原糖,其次与乳糖相比不易吸湿。加之甘露醇还具有稳定蛋白质的作用,所以被应用到多种市售蛋白质制剂中,如治疗Ⅰ型、Ⅱ型糖尿病患者通过吸入发挥全身治疗作用的胰岛素 (Exubera®)。这种干粉制剂是由60% 重组人胰岛素及甘露醇、甘氨酸、枸橼酸钠和氢氧化钠等组成[22]。近年来越来越多的研究用其替代乳糖作为DPI的载体。
3.3 赤藓糖醇赤藓糖醇的吸湿性、理化性质与乳糖相似,且不会引起血糖水平变化,可用于糖尿病的治疗[25]。Trainia等[27]采用原子力显微技术比较了粒径、表面形貌、吸水性均相似的赤藓糖醇、一水合乳糖与微粉化硫酸沙丁胺醇之间的黏附力 (adhesion),预测两种DPI的空气动力学性质。与体外分析结果一致,赤藓糖醇与药物的黏附力较大,因而细粉组分量 (fineparticle dose,FPD)值较小{Trainia,2006 #177;Trainia,2006 #177}。Endo等[28]制备了以体积中位径为36 μm的赤藓糖醇作为载体的胰高血糖素DPI用于肺部给药,其可吸入组分 (respirablefraction,RF) 值为33.9%,而以乳糖为载体时,RF值仅为6.4%。扫描电镜结果显示其表面较乳糖光滑因而分散性好。
蛋白质及多肽的肺部给药尚存在以下问题: 上皮细胞屏障、蛋白酶、肺泡巨噬细胞导致其生物利用度低[29]。因此,除上述用于增加药物分散度和粉体流动性的载体外,还可以根据需要在吸入粉雾剂中加入吸收促进剂、酶抑制剂、润滑剂及抗静电剂等附加剂。另外,蛋白稳定剂如海藻糖、蔗糖、山梨醇和葡萄糖等,肺部内源性物质如白蛋白等,β-环糊精和二甲基β-环糊精均具有良好的粉末特性和较低的毒性,也可作为DPI载体。
4 影响干粉吸入剂肺部沉积的处方工艺因素
理想的干粉处方及制备工艺都应使药物微粉在吸入前具有良好的流动性,吸入后能迅速解聚释放出药物粒子发挥治疗作用。但吸入粉雾剂中载体的加入所带来的最主要问题是,含药细粉与载体的表面吸附太强,以致药物吸入后不能脱离载体,一起沉积于口咽部,导致进入呼吸道的有效药量降低、肺沉积性能下降,有时甚至会进入消化道引起全身性不良反应。
影响药物从载体表面解吸附的制剂因素很多,除含药细粉本身性质外,载体性质、药物载体比例、混合顺序、混合方法和混合时间、药物载体相互作用等,对DPI的含量均匀度、排空率和肺沉积性能都有重要影响。通常体外肺部的沉积效率可以用细粉分布比例 (fine particlefraction,FPF) 或可呼吸比例 (respirablefraction) 表示。
4.1 载体的性质载体种类、形态、表面粗糙度和粒径等可对吸入粉雾剂的肺部沉积产生影响。不同载体具备不同的形态、表面粗糙程度等均影响与药物 的接触面积,因而与药物的相互作用力不同。Momin等[30]研究比较了甘露醇、山梨醇、右旋糖苷、木糖醇与布地奈德混合后的流动性、表面形态及体外空 气动力学行为,尽管布地奈德-甘露醇混合物流动性最差,但其FPF最高,可达55.75%。考虑辅料的安全性,木糖醇和山梨醇的吸湿性影响混合物的分散性能,且甘露醇是细长形的,而其他载体形状不规则。因此甘露醇最为适宜作为布地奈德DPI的载体。Kaialy[31]将市售甘露醇在一定比例的乙醇溶液中重结晶得到不同伸长率的针状晶体,将其作为硫酸沙丁胺醇DPI的载体后FPF由15.42% 增加了2～3倍。在另一研究中得到一致的结论。Shadbad等[32]通过乙醇等溶液处理乳糖和甘露醇,降低其粗糙度来提高硫酸沙丁胺醇干粉吸入剂的FPF。Kaialy等[33]尝试将市售的乳糖与甘露醇采用反溶剂沉淀法共重结晶得到形态规则、细粉含量高、内表面积大的DPI载体,保证了制剂中药物的均一性和良好的空气动力学性质。调节乳糖与甘露醇比例可制备具有不同表面粗糙度的载体,其FPF较单一乳糖或甘露醇均有所提高。Singh等[34]采用表面修饰的乳糖 (surfacemodified lactose,SML) 作为氟替卡松丙酸酯干粉吸入剂载体时,其体外FPF值较未处理乳糖增大,说明SML具有提高DPI吸入性能的性质。Du等[35]将粒径为850～1 000 μm颗粒状乳糖作为硫酸沙丁胺醇DPI的载体时,其FPF较含粒径为200～250至600～850μm乳糖的处方增大,表明这种载体与药物的黏附力较小。
对于细粉、粗粉和含药细粉组成的三元混合系统来说,细粉的种类、粒径和用量同样影响干粉吸入剂的肺部沉积。Tee等[36]考察了以粗乳糖为载体加入不同量的细乳糖、甘露醇和山梨醇后FPF的变化,结果表明,加入不同于载体的糖类即甘露醇和山梨醇细粉后显著增加了FPF; 但继续增加用量时,几种细粉的效果无显著差异[20]。Kaialy等[37]比较了将喷干甘露醇细粉、市售甘露醇细粉、冷结晶甘露醇细粉、丙酮结晶甘露醇和乙醇结晶甘露醇细粉分别加入到含乳糖-硫酸沙丁胺醇的DPI后其空气动力学性质的变化。结果发现,处方中含细长形甘露醇的DPI具有 更好的空气动力学性质。据报道,用于DPI的最合适细粉粒径为5～8μm[35]。Grasmeijer等[38]研究了与药物粒子具有相似粒径、形状的细乳糖细粉 (fine lactose fines,FLF,X50 = 1.95 μm) 和粗乳糖细粉 (coarse lactose fines,CLF,X50 = 3.94μm) 对布地奈德干粉吸入剂的分散性能的影响,结果表明粒径较小的乳糖细粉因在载体表面形成网状结构而降低分散性能,粒径较大乳糖细粉可阻止上述作用。Zeng等[39]研究不同粒径的细乳糖用于硫酸沙丁胺醇DPI时,与体积平均直径为15.9 μm的处方相比,含体积平均直径为5.0 μm细粉的处方FPD明显增大[40]。Cordts等[41]研究了布地奈德、乳糖SV003(D50 = 60 μm,D90 = 100 μm) 及细乳糖LH300(D50 < 5 μm,D90 < 10 μm) 三元组分中,加入不同量的LH300对FPF的影响。随着LH300用量由0增加至7.5%,FPF由14% 增加至31%。继续增加LH300的量,FPF持续下降。作者认为随着细粉加入,使得与乳糖结合的布地奈德被置换而自身聚集或与乳糖细粉聚集,导致较多的布地奈德包在聚集物中导致FPF下降。Young课题组[42]及Louey课题组[43]也得到相同结论,更加印证了上述假说。
4.2 药物与载体比例药物载体比例亦可影响吸入粉雾剂的肺部沉积率。研究认为载体表面存在活性位点,一旦未饱和的活性位点被药物粒子占据,势必影响可吸入药物的量,尤其在低剂量药物递送中会造成与目标递送剂量偏差较大。因此研究不同药物载体比例对体外肺部沉积的影响十分必要。Young等[44]研究了10～450μg硫酸沙丁胺醇加入到50 mg乳糖载体 (2%,< 5 μm) 时各处方干粉的空气动力学行为。结果显示,10～135 μg时,FPD无显著差异,FPF呈线性下降; 135～450 μg时,FPD和FPF均有显著增加。这表明原料药的浓度介于0.02% 和0.27% (W/W) 之间时得到相同的FPD。结果说明,只有活性位点饱和后,FPD才会出现线性增加。与此结果一致,当硫酸沙丁胺醇质量浓度为0.5%～4.5%,远远高于活性位点饱和浓度时,FPD随着浓度增加而增加[45]。
4.3 混合顺序两种混合顺序: 粗载体与细载体混合后再与药物混合、粗载体与药物预先混合,是否对DPI空气动力学行为产生影响一直备受关注。Lucas等[46]研究了混合顺序对牛血清白蛋白的干粉吸入剂肺部沉积的影响。结果表明,细乳糖的加入顺序对FPF无明显影响,推测可能是因为在混合过程中蛋白质重分布。Jone等[45]研究表明,当硫酸沙丁胺醇为原料药时,混合顺序是否影响FPF与沙丁胺醇浓度有关: 在相同混合时间条件下,药物浓度低时细粉与载体先混合,FPF较大;药物浓度较大时,FPF与混合顺序无关。
4.4 混合方法和混合时间混合方法会影响混合均匀性从而影响干粉吸入剂的肺部沉积。Alway等[47]在混合物料时将微粉化药物放于两层载体中间,然后将此混合物放于玻璃小瓶中,晃动5 min,即所谓的“三明治法”。这种方法相比于其他机械翻滚方式能够生产更均匀的混合物。Louey等[48]和Handoko等[49]将上述混合方法进行了改进,即将物料放于含3个陶瓷球的玻璃管中,晃动5 min。这几种方法得到的混合物均匀度符合要求,标准偏差较小。
混合时间影响微粉化药物自身解聚是否充分,药物是否与载体充分作用等,这些均会影响肺部沉积率。但Jone等[45]报道使用Turbula混合器混合制备布地奈德与粗乳糖、细乳糖的三元系统时,无论是细乳糖与粗乳糖先混合,还是药物与粗乳糖先混合,FPF均随着混合时间发生变化。短时间 (如15 min)混合,药物自身形成的聚集体解聚不充分,从而造成FPF较低; 30 min时,药物与细粉形成聚集体,此特殊的结构使FPF值较高; 60 min时,时间过长又会造成药物-细粉聚集体解聚,FPF较低。
4.5 药物与载体相互作用用于肺吸入的药物微粒通常小于10 μm,流动性能差,在干粉吸入剂设计时常将药物微粒黏附在载体表面制成载体型干粉吸入剂。在吸入的过程中,部分药物微粒借助吸入气流作用从载体表面分离,进入肺部发挥药效,而未能分离的药物大部分随同载体沉积在口咽部,所以药物与载体的分离程度显著影响制剂的临床表现。除干粉吸入器的解聚效果和患者吸气的强度等因素影响外,药物与载体相互作用对其吸入后的分离产生重要影响。
在干粉吸入剂中药物与载体主要存在3种基本力: 范德华力、静电和毛细管作用。这些力的大小、雾化效果与药物及载体的表面性质有关[50]。直接测量药物载体之间的相互作用可为干粉吸入剂设计提供重要参考。利用原子力显微镜 (AFM) 技术进行CAB(cohesive-adhesive balance) 分析直接测量分离药物与载体所需能量[51],定量研究药物与载体的相互作用。Hooton等[52]利用此方法研究了硫酸沙丁胺醇与β-环糊精、乳糖、棉子糖、海藻糖和木糖醇间黏附力大小,且FPF值与AFM测量值线性相关。β-环糊精与药物黏附性最小,其对应处方FPF最大。另一种测量方法为抗张强度实验 (tensile strength method),用于测量同种物质粒子间的结合力。Lohrmann等[53]使用改进的表面张力计测定不同物质间黏附力的大小,过程大致为将一种粉体放在上圆盘上,另一种粉体放在与装置平行的下圆盘上,下圆盘上移与上圆盘接触,接触一段时间后,使下圆盘下移的力即为黏附力。离心技术也用于测量混合物粒子间的相互作用,具体方法为将混合物粒子黏附于特殊装置的圆盘中再进行离心。分离的粒子量由离心速度决定[54]。另外考虑到整体混合物性质,可基于呼气原理将混合物通过空气筛分,一定时间后测量残余药物量[33]。
5 影响干粉吸入剂肺部沉积的粉体学性质
载体的种类、大小、表面性质、密度、吸湿性及流动性等对药物的肺部沉积量有很大影响。
5.1 粒径大小和形态干粉吸入递药系统中一般用空气动力学直径 (aerodynamic diameter,da) 对药物粒子大小进行表征。da是指在静息状态下与该粒子具有相同沉降速度的单位密度 (ρ0,1 g·cm-3) 球体的直径,计算方程为[55]:
| ${d_a} = {d_v}\cdot{\left( {\rho /{\rho _0}\chi } \right)^{1/2}}$ |
其中,ρ是粒子的密度,χ是粒子的动态形态因 子 (球形时,χ = 1); dv是粒子的几何学粒径。该公式将粒子的大小、密度和形态联合考虑,并由一个值表示。当粒径符合对数正态分布时,可用几何标准偏差 (geometricstandard deviation,GSD) 表征粒径分布情况。
空气动力学直径和吸入气流情况共同决定了颗粒沉积的机制。da大于5 μm的粒子主要受惯性碰撞机制影响而沉积在口咽部和大的传导性气道处,da在0.5～5 μm之间的粒子主要受重力影响沉降在呼吸性细支气管和肺泡处; 而小于或等于0.5μm的粒子主要受布朗运动的影响而扩散,因其惯性小易被呼出。因此,一般认为供肺部给药合适的粒子da值为0.5～5 μm[56]。
粒子的形态千变万化,有球形、针形、多角形、枝状、纤维状和片状等。如果粒子形态不规则或偏离球体较远,会显著影响气流动力学行为。一般认为,球形的气雾粒子较好。因此,粒子形态也是粒径表述中的一个方面。通常采用形态因子分析其形态不规则度[57]。
5.2 密度颗粒密度也是影响干粉吸入剂肺部沉积性能的重要因素。低密度多孔性大颗粒因其较低的密度和多孔结构而具有较好的气流顺应性和体内沉积性能。其几何粒径通常为5～20μm,但由于密度低,其空气动力学粒径仅为1～3 μm,其几何学粒径的增大带来以下优点: ① 降低粉末聚集、提高雾化和沉积性能,所需吸入速度慢,更易进入下呼吸道,从而大幅提高肺部生物利用度和药物疗效; ② 几何粒径在1～2 μm的颗粒最易被巨噬细胞吞噬,粒径增大可使巨噬细胞对其吞噬作用降低[58]; ③ 由于其大大提高了粉末的分散性和沉积性,因此能提高吸入药物转运剂量的重现性,降低不同吸入器和呼吸模式引发的个体差异; ④ 不必借助载体即可获得较好的流动性和分散性,有利于大剂量药物的递送。
5.3 带电性干粉吸入剂在生产过程中由于颗粒间摩擦产生的静电会使粉末发生聚集、黏附,影响其流动性、分散性和黏附性等粉体学性质,从而影响其组方、生产和使用。通过适当提高环境湿度、加入少量表面活性剂或采用不同性质粉末混合,往往可以消除静电荷的影响。不同物质在生产和使用过程中电荷的消失和增长情况差异较大。
5.4 分散性为改善粉末的流动性,有人将极细粉末吸附于粗粉末上,以减少其黏附力。然而,这样又会使粉末分散性变差,使其无法在患者吸气时迅速雾化而形成可吸入的药物粒子。对药物颗粒进行表面修饰,可有效降低药物颗粒之间的范德华力和静电力,从而减小药物颗粒间的相互黏附作用,使分散性得以改善。此外,通过不断改进吸入装置,使粉末能更好地雾化,从而提高其有效部位沉积量。
5.5 吸湿性由于粒子的引湿性,其表面吸附水分后会产生表面张力及毛细管引力,影响粒子的大小、结晶形态,使粉末聚集,破坏其分散性。此外,在蛋白质类药物的吸入剂中,湿度增加还会破坏蛋白质的化学稳定性。因此,研究粉末的吸湿性是很有必要的。有研究表明,甘露醇经喷干后,仍为100% 结晶型,未体现吸湿导致的晶型变化,而喷雾干燥后的乳糖、海藻糖和蔗糖呈无定形,在RH为23% 放置30天,表现出一定的吸湿性,但无重结晶发生。当RH ≥ 52% 时,则发生重结晶,形成黏结团块[59]。如果粉末存在吸湿性,在生产和贮存过程中,要严格控制环境的湿度。
5.6 粉体流动性流动性是粉末的重要性质之一。粉末流动性好坏除取决于物质本身的特性 (如粒子大小、孔隙率、密度和形态等) 外,还受很多因素的影响。包括 ①形态不规则粒子间的剪切力; ② 粒子间作相对运动时产生的摩擦力; ③ 粒子间因摩擦而产生的静电荷,不同电荷粒子间的吸引力; ④ 粒子表面吸附着一层水,因此有表面张力及毛细管引力; ⑤ 粒子间的分子间引力 (范德华力)[5]。当粒子的粒径小于90 μm时,其流动性就会很差。将极细粉末与粗粉末混合,可改善粉末流动性,减少药物的黏附作用。粒径大致相等但形状不同的粉末也具有不同的流速,球形粒子因其相互间的接触面最小而具有最好的流动性,片状或枝状的粒子具有大量的平面接触点,故流动性差。此外,粉末干燥状态时,流动性一般较好,吸收水分后流动性变差。因此,要严格控制湿度条件。
表征粉末流动性的方法很多,常用的有休止角和流速等。休止角可提示颗粒间的黏附性,休止角小则流动性好,粉末的分散性好,有利于粉末的“雾化”,使吸入剂量准确。
6 提高蛋白多肽药物干粉吸入剂肺部沉积率的策略
成功开发DPI产品关键在于: 制剂中粉末的性质、吸入装置的设计和患者的吸入能力[32]。药物和载体混合后,在雾化过程中存在一个普遍性的问题,即药物与载体结合力太强,从载体上分离效率低,到达肺部仅有10%～20%[60]。改变载体的粒径分布、形状、结构和密度等均能改变药物与载体的结合力[61]。
从理论方面出发,考虑增加蛋白质及多肽DPI的FPF。FPF = F × G × H × P × J × K × L (F代表凝聚力; G代表细粉因素; H代表载体因素; P代表制备过程因素; J代表装置因素; K代表流速; L代表相对湿度)[62]。
6.1 加入载体细粉通过加入载体细粉改善FPF的理论依据如下: 一是“活性”位点[63]假说,认为载体表面存在黏性强的位点,加入的细粉比药物颗粒优先结合到黏性强的位点,药物颗粒则黏附于结合力弱的位点,因而吸入时更易于与载体分离,增加了吸入药物的有效量; 二是聚集假说,细粉的加入有效增大药物粉末间的距离,降低分子间的范德华引力从而降低了粉末的黏着性,改善粉体的流动性,形成更利于雾化及分散的结构[45]。对于硫酸沙丁胺醇、倍氯米松和牛血清白蛋白药物,三元混合物比二元混合物均表现出更高的FPF。然而,有时细粉的加入并不能明显改善粉末的流动性,如前所述,载药量、混合方法、混合时间、药物粉末和细粉的类型、粒径大小形态和表面粗糙度等都会对最终药物在肺部沉积率产生影响。Zhu等[64]指出细粉的密度和粒径大小要分别小于吸入剂干粉的1/2和1/7,才能明显降低颗粒间的相互作用。
6.2 加入黏附力控制物质为增加肺部沉积率,首先需要改善粉末的流动性及分散性。微米级的吸入粉雾剂具有很大的比表面积,使其在潮湿的空气中很容易吸收水分,从而影响粉体的流动性和分散性。可通过对颗粒表面进行化学修饰来降低粉体间的黏着性,有报道称可加入“黏附力控制物质”如硬脂酸镁和L-亮氨酸。考虑到肺部给药的安全性,优先选择使用亮氨酸。亮氨酸可以促进粉末分散,使其具备良好的空气动力学性质[65]。研究发现,在喷雾干燥过程中,亮氨酸会迁移到颗粒表面,改变其表面化学性质,从而大大提高粉体的流动性和肺沉积性能。也有研究证明亮氨酸本身就是抗黏附的物质[31]。
6.3 对药物微粉再加工另一种增加药物肺部沉积的策略是对药粉进行再加工,使其在吸入前以一定大小的聚集体存在。如可用流化床使药物微粉在一定湿度环境中聚集成松散的小球,具有很好的流动性,在吸入气流作用下通过呼吸道时,随着气流的加速,松散的药物小球解聚为粒子,达到增强肺沉积的目的。
此外,利用喷雾干燥可以从药物溶液、混悬液或乳液中一步制得大粒径的药物粒子,而不需载体吸附; 但喷雾干燥制得的粒子往往比较致密,在吸入时不易分散雾化。Rabbani等[66]在药物乙醇溶液中加入亮氨酸作为分散强化剂,在喷雾干燥后得到了疏松易解聚的大粒径药物粒子。这些不使用载体而制成的干粉吸入剂非常适用于乳糖酶缺乏患者,目前已有Pulmicort Turbuhaler (主药为布地奈德)、Bricanyl® (主药为特布他林)、Bricanyl-Turbuhaler (主药为特布他林) 和Intal®Spincaps® (主药为微粉化色甘酸钠) 无载体干粉吸入剂上市。
此外,采用亲水性粒子修饰疏水性药物亦可有效增加肺部沉积[67, 68]。有研究者利用硅酸的高度亲水性,将其与色甘酸钠预先混合后再与载体混合,从而提高了FPF[69]。还可加入纳米粒添加剂作为第3组分,如将纳米大小Aerosil®加入至木糖醇、山梨醇作为载体的DPI中,一方面可以降低药物与载体的接触面积; 另一方面降低药物间的凝聚力从而改善分散性能,提高FPF[31]。设计新型吸入装置亦是增加肺部沉积的有效策略。
7 结语
综上所述,成功设计蛋白及多肽类药物的干粉吸入剂需要系统筛选吸入载体,研究药物与载体相互作用,系统考察影响干粉吸入剂肺部沉积的处方工艺因素,以及粉体学性质对肺部沉积率的影响。同时,需关注蛋白及多肽类药物制备和贮存过程中的稳定性及肺部的吸收行为。
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