新药研发是一个风险大、投资多、历时长的过程。在研发过程中, 早期准确预测药物体内过程是关系到药品能否成功走向市场的重要因素之一。目前在欧美应用比较成功的生物药剂分类系统(biopharmaceutical classification system, BCS)即可用于预测药物的体内过程。BCS是基于药物成分在胃肠道的吸收主要受其溶解性和肠渗透性影响的观点, 由Amidon等^[1]于1995年首次提出的一个药物体内外相关性预测系统。时至今日, BCS被认为是最具有预测性的实用工具, 基于BCS免除生物等效研究的理论在药品研发和管理中具有重要作用, 目前已成为药剂学领域的研究热点。本文将重点阐述BCS研究的重要意义及其在兽药制剂研发领域的应用前景。

1 BCS的分类依据

BCS是根据药物的溶解性和肠渗透性进行分类, 故准确测定药物的溶解性和肠渗透性是保证科学分类的首要前提。目前根据化合物溶解性和肠渗透性特点, 药物被分为以下4类^[2]:第Ⅰ类:高溶解性、高渗透性药物。这类药物极易吸收, 为速释药物, 其溶出速率高于胃排空速率, 若忽略辅料的影响, 可免除体内生物等效性研究。第Ⅱ类:低溶解度、高渗透性药物。这类药物的体内释放是关键, 生物利用度受溶出度限制, 通过制剂学方法改善该类药物的溶出特性可显著影响其生物利用度。因难以确定该类药物的体外溶出与体内释放的相关性, 故较难进行生物等效豁免研究。第Ⅲ类:高溶解度、低渗透性药物。该类药物在体内吸收的限速步骤是药物的渗透性, 如果药物在体内能迅速释放, 并能在到达药物吸收部位时达到饱和浓度, 则可以忽略不同制剂释放速率的差异。第Ⅳ类:低渗透性、低溶解度药物。这类药物较难溶出, 即使溶出也很难在胃肠黏膜渗透, 故生物利用度很差, 且个体和种属差异较大。

1.1 溶解度的测定

溶解度主要是测定药物在生理条件下的平衡溶解度。美国食品药品监督管理局(Food and Drug Administration, FDA)指导原则明确规定了溶解度的测定条件^[3]:即采用摇瓶法或其他的酸碱滴定法在(37±1)℃时进行测定; 水性介质的pH值为1~7.5, 且选取足够的水性介质进行测定, 以保证能绘制pH-溶解度曲线。溶解度测定所用的介质通常采用美国药典规定的标准缓冲液, 当药物加入后需进行pH校准; 每种介质中的测定至少重复3次, 以减少方法误差。当药物单次最大剂量在37 ℃、pH值1~7.5范围内可完全溶解于250 mL的水性介质, 即定义为高溶解性。

不同国家的相关药物管理机构对高溶解度药物的定义有细微的差异^[4], 世界卫生组织(World Health Organization, WHO)对于pH-溶解度曲线的测定要求与FDA基本一致, 但是WHO对FDA高溶解性的定义做了修订:单次给药的最大剂量能溶解在250 mL、pH值1.2~6.8的37 ℃水溶液中^[5], 即认为该原料药属于高溶解性。欧洲药监局(European Medicines Agency, EMA)对高溶解性定义为:药物单次最大剂量能溶解在250 mL、pH值1~8的37 ℃水溶液中, 即认为该原料药属于高溶解性。

1.2 渗透性的测定

根据FDA指南^[3], 药物渗透性的测定可以使用体内药动学方法或体外渗透性方法来确定, 其中人体试验包括绝对生物利用度试验、质量平衡试验和体内小肠灌流试验; 动物体内试验包括体内小肠灌流试验和原位小肠灌流试验; 体外试验包括人体或动物小肠组织跨膜试验及单层上皮细胞转运试验。一般情况下, 一种试验方法就可以证明药物的渗透性, 但是当一种方法不能确定药物的渗透性时, 可采用两种不同的方法相互验证。为了验证所建立渗透性测定模型的可用性, 通常需要采用已知渗透性的内标物质同时进行试验, 高渗透性药物有美托洛尔、普萘洛尔等, 低渗透性物质有甘露醇、PEG4000(渗透性为零)等^[6]。

FDA对于1995—2002年申报的172个药物的BCS分类信息进行回顾性分析^[4], 发现在渗透性测定时, 有115个药物采用绝对生物利用度方法, 103个药物采用质量平衡法, 5个药物采用体外单层细胞培养法, 其中部分药物同时采用了两种测定方法。以上结果提示体外细胞培养方法虽然在研究中应用较多, 但在药品注册申报过程中应用较少, 而人体试验方法的测定结果更具说服力。

不同管理机构对高渗透性药物的定义稍有差异^[4], FDA定义药物在肠道吸收达到90%以上时即为高渗透性药物, 否则即为低渗透性药物。WHO测定渗透性的方法与FDA指导原则基本一致, 但是WHO对FDA高渗透性的定义做了修订:制剂口服后吸收程度不小于85%, 即认为该原料药属于高渗透性^[7], EMA与WHO对高渗透性的定义基本一致。

2 BCS的应用及研究意义

Amidon等^[1]认为, 具有相同体外溶出和渗透性能的药物具有相同的体内吸收过程, 进而可以对这一部分的药物进行上市前的生物等效性试验的豁免。BCS自1995年被提出以来, 不断被后续的研究者发展和完善, 其分类依据和标准也在不断地进行调整, 以适应制药行业的发展^[8]。目前BCS研究的焦点主要集中在:1)如何用更好的模型模拟体内环境; 2)进行深入研究从而扩大豁免生物等效性药物的范围, 修改分类依据、修正错误分类药物。同时, BCS的提出也推动了生物药剂学这门学科的发展, 一些衍生的研究不断涌现, 如2005年提出的基于药物体内分布的生物药剂学分类系统(bio-pharmaceutical drug disposition classification system, BDDCS)^[9], 以药物的体内代谢程度取代肠渗透性作为分类准则, 较BCS而言, 该分类系统更注重药物的体内过程, 弥补了BCS自身存在的一些缺陷, 但不管怎样, 这一系列研究都是以BCS为基础, 或以其为启发而提出和开展的, 故BCS自提出以来的长足发展, 不仅对该系统本身, 对其他相关的研究来说, 均有重要意义。

2.1 BCS在药物管理机构中的应用

BCS概念的提出使在考证药物商品在变更及放大前后产品是否保持生物等效时, 不再采用耗时耗资源的体内研究来进行验证, 而是采用体外溶出度的测定方法^[10]。美国FDA于1995年最早采用并认可BCS作为生物等效性试验豁免的指导原则。2000年8月, FDA发布了将BCS应用于速释固体口服制剂的生物等效性豁免的指导原则^[4], 之后其他监管机构也逐渐接受这一理念并发布了相应的指导原则, 如WHO于2006年发布了Technical Report Serieso.937, 其中附件7和8引入了基于BCS的生物等效性豁免原则^[11], EMA于2010年发布的生物等效性研究指南也引入了类似内容^[12]。近年来, 基于BCS分类体系免除生物等效研究的应用已扩展至普通口服制剂仿制药的申请。

2.2 BCS应用的重要意义

对于制药行业而言, BCS分类系统的提出使生物等效性试验的豁免更加规范化和合理化。已有国家标准的药物上市时, 若已通过合理及必要的药理学和临床试验证明其安全性和有效性后, 只要通过一些体外验证试验证明两者具有等效性, 即可批准上市^[13], 这不仅为药物的研发上市节约成本和时间, 也可避免健康试验者服用未上市药物所引起的安全和人道主义危机。目前, FDA只批准了BCSⅠ类药物的生物等效性豁免^[14]。但Ⅰ类药物数量较少, 故有学者提出, 将渗透性测定时的pH值上限标准依据胃肠道实际情况从7.5降至6.8, 并根据许多完全吸收药物的通透性试验数据把高渗透性标准从90%降低到85%, 对Ⅰ类和Ⅱ类药物的豁免可能进行评估, 从而扩大豁免的范围^{[5, 11-12]}。目前学界对此争议较大, 但这些争议从侧面反映了药学工作者对这一分类工具的重视, 表明BCS对制药行业发展所发挥的巨大作用。

此外, BCS分类的溶解性和肠渗透性两个依据, 也为新药的研发提供参考。这主要体现在药物研发过程中诸如候选分子的筛选、药物剂型的选择、体内体外相关性以及药物和食物间相互作用等诸多环节^[15]。具体而言, 同样类别、疗效相似的化合物, 其溶解性和渗透性越高越受到青睐, 针对已有的化合物, 可以通过基团修饰来增加其溶解性和渗透性, 这样有利于缩短药物的研发周期, 减少研发的成本。一些吸收较差的药物, 也可以从上述两个方面进行考虑, 继而开发更为有效的剂型, 提高这类药物的使用价值。故BCS的提出与发展, 对药剂学领域的发展也具有巨大的推动作用。

3 BCS在兽药制剂研发中的应用 3.1 BCS在兽药研发领域应用的必要性和重要意义

我国兽药行业自2006年强制实施兽药GMP企业准入管理以来, 发展初具规模, 行业成就巨大。随着行业科技的发展, 兽药剂型逐步丰富, 品种不断增多, 《中国兽药典》共收载兽用化学药品592个, 16个剂型, 其中兽用专用药物品种增加至68个^[16-18]。目前我国兽用新药研发以仿制药为主, 其次是原料药研发^[19-20]。药品在批准上市之前, 必须进行安全性和有效性评价, 因需要进行体内试验, 故新药开发成本颇高, 对于兽药而言, 因其应用的靶动物可能不止一种, 所以对产品标签上的每一种动物的安全有效性都要分别检测^[21], 这就意味着兽用新药上市前的过程更漫长, 成本更高, 考虑到经济条件的约束, 将BCS的概念应用于兽药是十分必要的。目前, 美国药典专家委员会成立的特别委员会建议将BCS应用于犬, 认为此应用具有重要的现实意义^[22]。但作为药物研发的工具, 在其他动物中仍未开展研究。

BCS理论对候选药物的筛选、剂型的选择均具有指导意义, 研究人员可以根据化合物的溶解和渗透特点来相应地修正其在体内的吸收^[15]。另外, 对于BCS Ⅰ类、Ⅲ类药物授予生物等效性研究的豁免, 则可降低药物制剂的研发成本, 缩短其上市时间。虽然人药BCS发展已经接近完善^[12], 但仍具有某些局限性, 若将BCS应用于具有多样性和复杂性的兽药研究时, 也会促进人药BCS的进一步完善。因此将BCS应用于兽药, 不仅可以促进兽用药物发展, 推动我国养殖业进步, 同时还对人药BCS的完善产生贡献, 将会给药物研发工作者、养殖户及兽医工作者均带来便利及收益, 故此应用具有重大意义。

3.2 人用BCS外推给不同种属动物时的局限性

尽管在兽药上应用BCS的概念对兽药发展起到重要的推动作用, 但想要把人药BCS直接外推运用到兽药行业, 仍存在一些局限, 这主要体现在人与动物之间的种间差异。

3.2.1 解剖学和生理学差异

首先, 动物和人之间存在着较大的解剖学差异, 若该差异存在于消化系统, 那么药物在不同物种体内被处置的方式也就存在差异, 从而影响药效发挥。例如反刍动物特有的复胃系统会延长药物到达肠道的时间, 故会延缓其吸收; 犬虽然具有比较简单的结肠, 但是肠绒毛非常发达, 可能是吸收的重要部位; 马的消化是后肠发酵, 其胃内容物pH值范围较宽, 绝大多数药物的吸收都发生于大肠; 禽类的消化道较为特殊, 包括用于机械消化的肌胃和分泌消化液的腺胃, 另外, 禽类的盲肠较为发达^[23]。这些解剖生理学差异都会影响药物在体内的溶出和吸收过程, 所以应用BCS概念时, 不能进行单纯的种间外推。

3.2.2 胃排空及肠转运时间

有研究显示, 当用比格犬作为模型动物代替人测定阿司匹林缓释片、灰黄霉素片、丙戊酸以及氨苄西林的生物利用度时, 发现二者之间误差较大是缘于物种间胃肠排空时间差异^[24-26]。比较禁食状态下人、犬和小型猪的胃排空速率, 发现胃排空速率从大到小排序为犬、人、小型猪^[22]。胃排空时间对药物尤其是高溶解度药物的生物利用度影响非常大, 排空过快会导致药物不能完全溶出。另外, 由于犬的肠转运时间比猪和人的都短, 所以同一种制剂在犬及人、猪体内驻留时间存在显著差异, 进而影响药物的生物利用度。

3.2.3 胃肠容积

生理容积量是影响药物溶解度的一个关键因素。不同物种日常分泌和吸收的液体量存在较大差异^[27], 如马的胃容积18 L, 小肠容积64 L; 牛的胃容积253 L, 小肠容积66 L; 羊胃容积38 L, 小肠容积9 L; 猪胃容积8 L, 小肠容积9 L; 犬胃容积0.5~1 L, 小肠容积0.3 L; 人胃容积1~1.6 L。另外唾液也是需要考虑的因素, 唾液日间平均分泌量的种间差异十分明显, 牛为160 L、马为40 L、猪为15 L、犬为0.5 L、人类大约为1.5 L。

3.2.4 药物代谢

物种间药物代谢过程也存在较明显的不同^[28], 种间药物代谢酶和肠道存在的药物转运体的表达水平不同, 则会直接影响药物的首过效应和清除速率, 从而影响药物的生物利用度。

3.2.5 其他

人类和动物用药的剂量、剂型, 同一物种不同品种个体大小, 药物临床使用方法, 例如混饲、混饮^[29]以及部分动物特殊的生活习性, 例如异嗜等, 均会影响药物的代谢和吸收。

所以将BCS用于兽药时, 不能忽视上述影响药物在体内吸收的诸多因素, 不能直接进行种间外推, 而需针对各个物种分别根据其具体情况制定特定的BCS分类标准。

3.3 兽药BCS的研究进展

美国率先开展有关兽药BCS的研究, 美国药典专家委员会成立的特别委员会建议将BCS应用于犬。Papich等^[30]为了探讨人药的BCS分类是否能直接应用于犬, 通过采集50种人用药物的药动学参数, 将其与犬所得的试验参数进行线性回归分析, 结果发现二者之间的相关性较差, 因此认为不能将人用BCS标准直接进行单纯的种间外推。Dressman^[31]研究发现犬的胃肠液pH值高于人的, 禁食犬的胃肠液pH值有较大的跨度范围(3~8), 这就表明药物在禁食犬体内吸收情况较为复杂, 在进食之后, 犬胃肠液pH值又会高于人类, 所以对于弱酸弱碱药物来说食物也会显著影响其口服吸收。

生物利用度是表征药物口服吸收的重要参数之一, 为了研究同一种药物的生物利用度在人和动物上是否存在相关性, Musther等^[32]收集了现有的184种化合物的生物利用度文献, 然后把人的数据与其他不同物种的生物利用度数据进行线性回归分析, 结果表明人与动物的生物利用度参数之间的相关性较差, 由此也说明BCS的概念不能直接进行种间外推应用。

3.4 不同动物进行BCS研究时有待解决的问题 3.4.1 溶解性测定

FDA有关高溶解性药物的测定条件比较明确, 即在37 ℃时, 药物在体积小于250 mL、pH值在1~7.5范围内的水性介质中完全溶解^[3]。其中温度条件是参考人体的正常体温, 但不同种属动物的正常体温与人体存在差异, 如猪为38~39.5 ℃, 牛为37.5~39.5 ℃, 鸡为40~42 ℃, 因此针对不同动物制定药物溶解度测定条件时, 需要考虑每种动物的正常体温。另外, FDA规定的250 mL的溶出体积是基于人胃液50 mL和送服固体制剂所饮用的200 mL水^[33], 故用于动物时, 溶出体积确定时需要明确各物种的胃肠容积。FDA规定的pH值范围为1~7.5, 此范围包括了人各种状态时的pH值, 同时排除了因小肠液pH值比胃液高而在小肠内有沉淀析出的情况, 所以针对动物, 需要了解其胃肠道pH值的情况, 选择足够宽的pH值范围, 然后在此pH范围内对药物的溶解度进行测定并分类。

3.4.2 渗透性测定

生物利用度反映了口服药物制剂的质量和体内的作用效果, 定义为药物在体吸收的速率与程度, 这个过程包括药物的释放和溶出、在肠腔内潜在的稳定性和结合问题、转移时间以及在肠壁的有效通透率。其中, 肠壁的有效通透率是整个吸收过程的限速步骤, 低通透率是候选药物成功开发最主要的障碍。

根据FDA的BCS指导原则^[4], 可以用质量平衡、绝对生物利用度和肠灌流法作为药物通透性的测定方式。具体的模型包括人体内肠灌流、在体灌流的适宜动物模型、人或动物组织的体外转运模型、肠上皮单层细胞的体外转运模型。无论选取何种模型, 均需考虑药物主要的转运机制、代谢途径以及有关转运载体/酶的活性特征^[34]。例如动物机体小肠上皮细胞中高度表达的P-糖蛋白(P-gp)、多药耐药相关蛋白(MRP)及乳腺癌耐药蛋白(BCRP)等ATP结合盒转运体, 这些转运蛋白对药物的渗透性会产生影响, 若建立体外转运模型用以预测药物的肠通透性时, 则需要考虑具体药物在动物体内的转运特点, 进而建立与体内相关性良好的体外预测模型。

3.4.3 溶出度测定

FDA的药物评估与研究中心(CDER)已经将BCS概念引入一些指导性文件^[35-36], 一些经过工艺放大或审批后变更的新产品, 其生物等效性研究可被体外溶出度试验所代替, 从而授予其生物等效性研究豁免。

CDER建议体外溶出度试验应该遵循以下条件:①试验方法应该为美国药典(USP)规定的转篮法或浆板法; ②试验所使用的溶出介质体积应为900 mL; ③溶出介质包括:0.1 mol · L^-1 HCl或不含酶的USP模拟胃液、pH4.5的缓冲液、pH6.8的缓冲液或不含酶的USP模拟肠液。④每一种制剂, 必须测定至少12个剂量单位的溶出度, 绘制溶出曲线。若2个溶出曲线的相似因子(f₂)值大于50, 则认为这两种制剂具有相似的溶出过程。

现在认为传统的转篮法和浆板法提供的环境是相对封闭的, 与体内吸收和体内流体力学性质缺乏相关性^[36], 故现在针对溶出度的测定进一步发展了与生理环境相关的溶出介质, 还提出了动态溶出度的测定方法。无论如何, 溶出度测定条件的选择主要依据胃肠道环境的模拟结果。通常需考虑机体胃内的pH值和酶, 表面张力, 胃液体积, 温度及肠道内的pH值、压力等因素。在体外溶出试验中, 通过选择不同的溶出装置和溶出介质, 实现对胃肠道环境的模拟。因此针对不同动物建立其体外溶出度测定方法时, 需要考虑以上因素。

3.5 基于BCS理论提高兽药制剂生物利用度的基本策略

目前新药研发过程中, BCS的概念已不仅仅用于使药物获得生物等效性试验豁免权, 也开始应用于从初期到临床试验阶段的处方设计^[37], 深入了解药物的理化性质及生物药剂学性质有助于新药研发。BCS是从生物药剂学角度制定处方研发策略的有力工具。

3.5.1 提高药物溶解性

溶解性低不仅会降低药物在体内的吸收与生物利用度, 而且影响药物制剂的制备。常用的兽药剂型, 如可溶性粉、溶液剂、针剂等都需药物有一定的溶解度^[38]。因此, 增加难溶性兽药的溶解度是兽药工作者经常遇到的难题。BCS主要应用于BCS Ⅱ类药物的处方设计, 其重点主要解决难溶性药物的增溶问题, 具体方法如下:

1) 减小粒径  减小粒径的途径主要有:①微粉化:药物的溶出速率随药物颗粒表面积的增大而增加。根据普朗特的边界层方程, 减小粒径, 尤其是降到小于5 μm, 能降低扩散层厚度, 从而加速溶解, 进而提高难溶性药物的生物利用度, 如阿莫西林、灰黄霉素、地高辛和非洛地平等。②纳米晶体技术:原理同微粉化, 通过湿法珠磨、高压匀浆或控制沉淀等方法, 将难溶性药物颗粒粒径减小到纳米范围, 进而提高难溶性药物的生物利用度^[38-39]。

2) 制成固体分散体  固体分散体是指药物以分子、无定型或微晶等状态均匀分散在某一固态载体物质中所形成的分散体系。将难溶性兽药分散在水溶性载体中可增加溶解度。常用的水溶性载体材料有聚乙二醇、聚维酮、表面活性剂、有机酸、糖、醇、纤维素衍生物等^[39]。目前, 难溶性兽药中有广谱抗菌药氟苯尼考, 抗球虫药地克珠利、妥曲珠利、癸氧喹酯等应用固体分散体增溶的研究报道^[40-42]。

3) 结构修饰  难溶性弱酸或弱碱性药物, 可通过制成可溶性盐, 使其变为极性化合物增加溶解度。这种方法简单方便, 相关的药物也最多。如抗菌药中头孢喹肟用其硫酸盐, 沙拉沙星用其盐酸盐, 头孢噻呋用其钠盐、盐酸盐来提高溶解度^[43-45]。

4) 环糊精包合  包合是指一种分子被包嵌于另一种分子的空穴结构内而形成包合物的技术。难溶性兽药包合物在水中溶解时, 由于包合材料的亲水性从而提高药物溶解度。常用包合材料有环糊精(CYD)及其衍生物, 尤以β-CYD多用。用羟丙基-β-环糊精包合吡喹酮, 使溶解度增大27倍。羟丙基-β-环糊精包合对伊维菌素也有很好的增溶效果^{[39, 46]}。

5) 引入亲水基团  难溶性药物分子中引入亲水基团如多元酸盐、磺酸钠、羧酸钠、醇、氨基、糖等, 可增加其在水中的溶解度。如不溶于水的氢化可的松, 通过酯键引入亲水基团琥珀酸钠(丁二酸钠)形成水溶性前药, 可制成氢化可的松琥珀酸钠注射液^{[39, 46]}。

(6) 乳化技术  目前, 乳化技术备受重视, 水相与油相同时存在, 亲水性药物和疏水性药物均能被溶解。乳化液包括3种类型:油包水(W/O)型、水包油(O/W)型及双连续相, 药物在乳液中的增容量高出药物在水中和油中的溶解度之和^{[38-39, 46]}。

3.5.2 提高药物渗透性

从理论上讲, 药物从肠腔进入血液的转运途径有3种:载体介导的主动转运、易化扩散被动转运及旁路转运。大多数口服药物通过被动转运吸收, 故药物脂溶性强弱是决定药物吸收的关键因素, 脂溶性较高的药物其膜渗透性更好。药物脂溶性主要由药物本身的化学结构决定, 因此, 可通过优化其化学结构的方法来增加脂溶性, 从而提高其渗透性。部分亲水性药物可经旁路转运透过肠膜, 此类药物可通过在处方中加入渗透促进剂的方法来提高其渗透性。常用的渗透促进剂有脂肪酸、胆盐、表面活性剂、多糖等^{[2, 39]}。总体而言, 制剂学手段在低渗透性药物的处方设计中作用有限, 是一个尚待探讨的领域^[33]。

4 小结

生物药剂分类系统对兽药研发、管理乃至行业发展均体现了非常重要的意义。虽然人药BCS已经近乎完善, 然而由于存在物种间差异, 限制了其种间外推。但是研究者可以参照建立人药BCS的理论及方法, 建立种间的相关性, 或者参考不同物种自身的生理生化特性等创建新的标准。目前国外在此方面已开展相关的研究, 但在建立标准上仍存在一些难以攻克的难题, 有待深入探讨及研究。若成功将BCS应用于兽药, 则有利于解决兽药研发及应用上存在的问题, 进而推动兽药制剂行业的发展, 所以将BCS应用于兽药具有非常重要的实际意义。