临床前药代动力学研究制剂优化策略助力难溶性化合物研发
高疏水性、低水溶性逐渐成为先导化合物、候选化合物以及上市药物的共同特征。尤其对于新分子类型，其难溶性化合物占比可能进一步上升。化合物的低溶解度使其难以在肠道被吸收，导致低生物利用度，使得化合物的药效和毒理等性质不能被准确评估，是临床前候选化合物研发过程的“拦路虎”。临床前研究阶段，候选化合物的数量众多，获批上市的概率很低，因此临床前药代动力学研究的制剂优化需要匹配的策略和方案。在体内实验中，还需要保证制剂配方对于实验动物的安全可耐受性。药明康德临床前药代动力学研究体内制剂团队，在提高难溶性化合物溶解度的策略上，积累了丰富的经验，并创建了安全、可耐受的辅料数据库，支持动物单次、多次给药。本文我们将从组合溶媒选择和减小粒径的角度出发，介绍如何进行难溶性化合物临床前药代动力学研究制剂优化，加速药物研发进度。
一、难溶性化合物在药物研发中占比很高
生物药剂学分类系统（BCS）是基于药物的溶解性和渗透性对所有药物进行科学分类的系统，共分为4类：高溶解性和高渗透性（Ⅰ类）、低溶解性和高渗透性（Ⅱ类）、高溶解性和低渗透性（Ⅲ类）和低溶解性和低渗透性（Ⅳ类）。其中二类和四类为低溶解性药物。
图1 生物药剂学分类系统[3]
由下图我们可以看出，在NCES(New chemical entities)阶段难溶性的Ⅱ类和Ⅳ类药物占比达90%。在我们开展临床前实验时，化合物常常表现出难溶性的特点，因此需要进行临床前制剂优化以进行进一步的药代动力学研究。
图2. 难溶性化合物在NCES阶段占比[1]
对于这种趋势的出现，化学家提出了多种假设。而真正的原因是多方面的。化学家通过修饰化合物结构，追求化合物的高药效。加上考虑受体结合、靶点与细胞内信号通道、脂质架构、高亲脂性的内源性配体，只会增加对高亲脂性、低水溶性候选化合物进入靶点并与靶点相互作用的需求。
二、如何提高难溶性化合物的体内吸收
难溶性化合物的体内吸收差一方面导致动物体内暴露量低，另一方面DRF(Dose-range-finding)试验中导致暴露量不能和剂量形成良好的线性关系，困扰着PK实验的进行和IND实验的开展。从制剂的角度解决的方法主要有三个方面：
- 选用合适的溶媒；
- 减小粒径，提高溶出速度；
- 新剂型的应用，如固体分散体，脂质体，SEDDS等。
本文主要探讨前两种方法。
三、如何选择合适的溶媒
提高药物的溶解度，组合溶媒的选择和使用显得尤为重要。目前增加溶解度使用的溶剂的种类，主要有五大类：分别是pH调节剂、潜溶剂、环糊精类、表面活性剂和脂类。
01 PH调节剂
如下图药物的酸碱性占比中，酸性占比20%，碱性占比75%。多数药物分子是可以解离的弱酸或弱碱，所以调节pH值是使难溶性药物解离的一种简单有效的增溶方法。因此缓冲液得到了广泛的应用，如：柠檬酸缓冲液（Citrate Buffer），醋酸缓冲液（Acetate Buffer），磷酸缓冲液（PBS）等。不同的给药途径对pH值有不同的限定。通常口服制剂给药的pH值应在2～11的范围内，不过pH在4～8的制剂更常见，刺激性较小。静脉给药的pH值相对缩小，以减小对血管的刺激，应在3～9的范围内。
图3. 药物酸碱性占比[2]
02 潜溶剂
潜溶剂不同于增溶剂和助溶剂，它主要是使用混合溶媒，根据不同的溶剂对药物分子的不同结构具有特殊亲和力的原理，使药物在某一比例时达到最大溶解度。常用的潜溶剂有：二甲基亚砜（DMSO）、甲基-2-吡咯烷酮（NMP）、二甲基乙酰胺（DMA）、乙醇、聚乙二醇（PEG）、丙二醇（PG）等。由于潜溶剂处方的安全性，在美国食品药品管理局（FDA）批准的注射剂中，有10％应用了潜溶剂，这类处方不但能显著增加某些药物的溶解度，还可以减少一些药物在溶液中的水解反应，增加其制剂稳定性。使用潜溶剂增溶可以通过增加有机溶剂的比例达到溶解度要求，但使用比例过高会产生很多不良反应，所以使用量需要控制在一定的范围内。
图4. 潜溶剂的作用原理
03 环糊精类
环糊精（CD）被广泛应用于难溶性药物的增溶，其独特的笼状结构可以形成主客分子复合物，非极性药物分子位于非极性的笼状结构内部，环糊精外部的多羟基与极性的水分子亲和力强，从而有增溶效果。作为药物的增溶剂最常用的是两种β-CD的衍生物：羟丙基-β-环糊精 (HP-β-CD）和磺丁基-β-环糊精 (SBE-β-CD），其优点是提高药物的稳定性、水溶性、安全性、降低肾毒性、缓和药物溶血性、控制药物释放速率、掩盖不良气味等，是目前被FDA批准的仅有的两种可注射型环糊精辅料。
图5. 羟丙基-β-环糊精的结构（A为分子结构，B为立体结构）
04 表面活性剂
表面活性剂通过形成胶束来增加非极性药物在水中的溶解度；同时由于药物在胶束中与水分子的接触减少，增加了稳定性；在含蛋白质的制剂中还可以减少蛋白质的降解。传统的表面活性剂有：吐温80、聚氧乙烯蓖麻油等；新型的表面活性剂有：甘油酯44/14、聚乙二醇硬脂酸酯15（Solutol HS-15）。新型比传统表面活性剂，助溶效果、生物相容性及安全性更好，所以现在常用Solutol HS-15替代吐温80。
图6. 表面活性剂包裹药物
05 脂类（Lipids）
脂类可以有效的帮助脂溶性强的化合物溶解，常用的有油类、辛酸/癸酸甘油三酯等。
图7. 脂类包裹药物
脂质给药系统(LBDD)是一种能成功提高脂溶性药物在制剂中溶解度的方法，更重要的是使药物在胃肠道(GI)中可以正常吸收和提高生物利用度。常用的有Labrafac PG, Maisine® CC和Transcutol® HP等。脂质辅料已被证明可用于BCS II类药物，并很有潜力用于III类和IV类药物，因为它们能够提高药物在制剂中的溶解度，使药物在胃肠道中保持溶解状态，脂质辅料体内可以被消化和吸收，这个协同作用亦有利于药物吸收，脂质辅料的消化过程使药物保持溶解状态。脂质辅料在制剂中溶解药物，并使药物进入体内，暴露在水性体系后仍保持溶解状态，这一点是至关重要的。
对于脂质辅料处方，药物的生物利用度提高的方式为中等链段长度的油脂(C＜12)促进药物通过肠上皮的渗透，直接扩散到血管中；长链(C≥12)的不饱和油脂刺激乳糜微粒分泌，通过淋巴途径增加药物吸收，避免肝脏的首过效应。
现在，亲脂性化合物采用的热点制剂SEDDS，助溶剂/表面活性剂/油酯类的不同比例、动物种属的耐受量、给药途径、食物等变量的综合因素，以及体外模拟测试评估方法，都有临床前制剂筛选决策树和成功应用的案例。
图8. 低水溶性药物从脂类制剂(LBF)吸收的机制示意图，包括LBF促进低水溶性药物吸收或生物利用度的机制示意图[3]
合理使用以上五大类组合溶媒可以有效提高药物的溶解性。增溶方法中，潜溶剂、环糊精及表面活性剂是最常用的，可以结合pH调节，增溶效果显著。
四、减小粒径以提高溶出速度
图9. 粒径减小后比表面积增大
减小化合物的粒径，增加其比表面积（比表面积指单位质量物料所具有的总面积），可以提高难溶性化合物的溶出速度(dissolution rate)。溶出速度是指在一定温度下，单位时间药物溶解进入溶液主体的量，溶出速度取决于溶剂与溶质分子之间的引力及溶质分子在溶剂中的扩散速率。固体药物的粒径变小，比表面积增大，较大的比表面积增加药物与溶剂相互作用而增加溶解度。所以通过减小粒径得到微粉化制剂或者纳米制剂，可以提高难溶性化合物的生物利用度。
常用的减小粒径的方法包括：研钵研磨，超声波破碎，超高速匀浆和球磨。
图10. 减小粒径的常用仪器
传统上，小颗粒是通过自上而下的方法获得，例如研钵研磨、超声波破碎和超高速匀浆可以得到微米级小颗粒，直径是1um至10um，该过程称为微粉化。
随着技术的发展，结合稳定剂的广泛应用，采用球磨机可以生产更小的纳米颗粒，尺寸在200nm到500nm的纳米范围内。
我们可以通过偏光显微镜准确测量出颗粒的大小，也可以通过粒径分布仪检测纳米制剂的粒径分布情况，有效地评估制剂的质量。
图11. 偏光显微镜与粒径分布仪
图12. 偏光显微镜检测结果图与粒径分布仪检测结果图
结 语
药明康德临床前药代动力学研究体内制剂团队历经十几年的发展，我们总结了可用于动物实验的上千条的组合溶媒耐受数据，形成了临床前动物实验的组合溶媒数据库。可在一个工作日内根据化合物的性质、动物种属、给药方式、给药体积设计出动物可耐受的溶媒组方，并完成3~5个组合溶媒筛选；或为MTD/DRF实验在3-5个工作日筛选出10多个不同组合的溶媒。同时依据体外模拟试验、制剂的稳定性、制剂溶解度等参数，最终推选出最优的组合溶媒，用于动物试验。
对于减小药物粒径方面，药明康德临床前药代动力学研究体内制剂团队借助先进的设备和技术，制备微粉化或纳米制剂，来增加其在水中的溶出速度。微粉化或纳米制剂的一个显著优势是容易被制备到片剂或胶囊剂中，或者是制备成简单的口服混悬液体制剂，用于临床前药代动力学和毒理学研究。依托我们临床前药代动力学研究制剂团队的服务，助力许多合作伙伴解决了新药开发中的一个重要的痛点，让大家少走弯路，我们期待可以帮忙更多候选化合物上市，造福广大病患。
药明康德DMPK依托在中国（上海、苏州、南京和南通）和美国（新泽西）的研发中心，提供从早期筛选、临床前开发、到临床研究阶段的综合型药代动力学服务，助力您快速推进药物研发流程。拥有上千人的研发团队，服务超1500家全球客户，具有超过十五年的新药申报经验，已成功支持超过1200个新药临床研究申请（IND）。
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参考文献：
[1] M. Sherry Ku. Use of the Biopharmaceutical Classification System in Early Drug Development. The AAPS Journal. 10 (1): 208-212(2008).
[2] 爱德华·H.克恩斯，邸力. 钟大放等译. 类药性质: 概念、结构设计与方法: 从ADME到安全性优化. 北京: 科学出版社, 2011: 44
[3] Hywel D. Williams, Natalie L, Trevaskis, Susan A. Charman, Ravi M Shanker, William N. Charman, Colin W. Pouton, and Christopher J.H. Porter. Strategies to Address Low Drug Solubility in Discovery and Development. PHARMACOLOGOCAL REVIEWS 321-418(2013).
[4] Gintare Leonaviciute & Andreas Bernkop-Schnurch. Self-emulsifying drug delivery systems in oral(poly)peptide drug delivery. Expert Opin Drug Deliv REVIEWS (2015).
作者：陈雨，张超，刘守桃
编辑：方健，钱卉娟
设计：倪德伟
