粒径对口服药物吸收的影响及其优化和表征方法

新化学实体（NCE）转化为有效的药物分子是一项复杂且具有挑战性的工作^[1]，对于溶解度较差的BCS Ⅱ/Ⅳ类化合物显得尤为困难^[2]。为了提高这类化合物的口服生物利用度，研究者们通常会采用多种优化策略，旨在提升化合物的溶解度与渗透性。对于溶解度低的化合物，减少药物粒径，被认为是改善因药物溶解度差而造成吸收不佳的主要策略之一（如图1所示）^[3]。

图1. BCS Ⅱ⁓Ⅳ类药物优化策略

粒径大小会直接影响药物剂型的适应性、稳定性以及药物在生物体内的吸收速率。相对于大粒径药物，小粒径药物可提供相对较大的比表面积，这样不仅可以促进药物颗粒的溶解，还可以提高药物与细胞膜之间的互动性。在药物粒径优化策略中，通常采用微粉化、纳米粒、微乳化和固体分散技术等多种方法来实现。对于因溶解度低造成口服生物利用度低的化合物，减少粒径通常被认为是可以有效地改善化合物吸收，提高生物利用度和优化在体内药代动力学特征的手段之一。本文主要介绍粒径对口服药物吸收的影响，并总结了临床前研究中药物粒径优化和表征方法。

粒径对口服吸收的影响

在药物递送系统中，口服给药是临床应用中最为常见的给药途径，而固体制剂是这类给药途径中占比最高的剂型。药物经口服进入胃肠道，经过制剂的崩解、药物的释放、溶解以及跨肠上皮细胞的转运等一系列复杂的过程，最终被吸收进入体循环系统。口服药物的吸收主要依赖于被动扩散、主动转运和促进扩散等途径，而药物粒径的减小能够有效提升这些途径的吸收效率。

减小药物颗粒的粒径，实际上是增加了其比表面积，这样对药物颗粒的溶解过程和透膜过程都有促进作用^[4]。这一过程可以通过微粉化、纳米粒等多种技术来实现。其中，微粉化是通过机械力将药物颗粒减小至较小的尺寸，而纳米粒则是通过溶剂交换或相分离过程制备纳米级的药物颗粒。这些技术不仅可以改善药物的溶解性，还会影响了药物在体内的分布和生物利用度。

Wu Y 等^[5]人使用比格犬探究不同粒径的阿瑞吡坦（MK-0869）混悬液在体内生物利用度的变化。研究结果表明，如图2所示，尽管0.12 µm与5.5 µm粒径的制剂具有相似的达峰时间（T_max），但血药浓度峰值（C_max）却相差较大，0.12 µm粒径制剂C_max值是5.5 µm粒径制剂的4倍。因此，通过对制剂进行微粉化处理，适当地减少制剂粒径有助于促进药物在体内的吸收，从而提高药物在体内的生物利用度。

图2. 不同粒径的阿瑞吡坦混悬液在体内血药浓度的变化

与此同时，Alshora D等^[6]人在兔体内进行罗苏伐他汀钙（ROSCa）纳米粒研究中获得了类似的结果，研究人员对比未处理药物与研磨法制备的纳米颗粒药物的血药浓度变化。结果表明，纳米颗粒药物的C_max值是未处理药物的2倍，血药浓度-时间曲线下面积（AUC）也显著增加了1.5倍（P<0.05）。与未处理的药物相比，研磨法制备的ROSCa纳米颗粒在溶出率和血药浓度方面均有显著提高。（如图3所示）。

图3. 未处理药物与研磨法制备的纳米颗粒药物的溶出率（A）和血药浓度（B）变化

那在制剂优化过程中，纳米粒与微粉混悬液该如何选择呢？Nekkanti 等^[7]人在大鼠体内实验中使用口服药物坎地沙坦西酯开展了该类型的对比研究。从图4所示的数据分析可知，粒径中位数（X₅₀）为127 nm的纳米粒与X₅₀为1102 nm的微粉混悬液相比，AUC增加了2.5倍，C_max增加了1.7倍，T_max由1.81小时缩短到了1.06小时。

图4. 大鼠口服不同粒径的坎地沙坦西酯颗粒血药浓度的变化

这些研究结果说明了在纳米粒和微粉化技术中，粒径与药物的吸收之间存在着直接的关系。在药物制剂的开发中，粒径的控制对药物的生物利用度的影响起重要作用。它不仅可以提高药物的溶出速率，还可以帮助药物提升透膜吸收速度，从而提高药物的治疗效果。因此，在制剂优化的方法选择中，结合药物的特性，选择合适的制剂优化策略是非常有意义的。

减小粒径有助于提高溶出

药物颗粒的大小直接影响其在胃肠道中的溶出速率。研究表明，颗粒越小，制剂崩解和药物释放的速度就越快，从而可以加速药物在胃肠道中的溶解过程。研究人员通过激光衍射法检测评估不同粒径药物（埃索美拉唑，esomeprazole，质子泵抑制剂药物）的溶出速率，如图5所示，X₅₀为648 μm的制剂（下图中的Nexium）其溶出中位数时间（t₅₀）约为61分钟，而X₅₀为494 μm的制剂（下图中的Actavis）的t₅₀降低至约38分钟。结果表明，粒径与药物溶出速率呈反比关系，即颗粒尺寸越小，药物溶解速度越快。因此，通过优化药物颗粒的粒径大小，可以有效调控药物的溶解度，进而可以提高其在体内的生物利用度 ^[8]。

图5. 不同粒径制剂在模拟体内胃肠道pH环境下的药物释放情况

减小粒径有助于透膜吸收

药物的跨肠细胞膜转运过程涉及双层黏液层和上皮细胞膜的渗透。如图6所示，黏液层由高分子量的黏蛋白组成，内层含有直径10 nm到200 nm的小孔。若将药物粒径调整到这一范围内，可以有效的延长药物在黏液层内的驻留时间，从而提高药物通过肠壁的渗透程度。研究表明，粒径低于200 nm的药物能够顺利穿越双层黏液层，进入上皮细胞，随后通过跨膜转运吸收入血或淋巴液，最终进入体循环到达靶组织器官 ^[9-11]。

图6. 小肠结构示意图

如图7所示，药物在肠道的吸收途径主要包括穿透吸收（Persorption uptake）、跨细胞吸收（Transcellular uptake）和细胞间隙吸收（Paracellular uptake）。研究表明，药物能否能够顺利通过这些吸收途径与药物的粒径有着密切的联系^[12]。但是，关于50 nm和100 nm粒径的药物在肠道吸收的研究结果却存在相悖的结论与观点，而研究者们普遍认为粒径在50~100 nm范围内的药物比该范围外的药物更容易被肠道吸收^[13-16]。

图7. 小肠上皮细胞的跨膜转运方式

粒径减小技术的比较

在药物制剂的开发过程中，粒径减小技术是一种提高难溶性药物生物利用度的有效手段，这不仅适用于固体剂型，还可以用于液体类制剂。针对不同的剂型的特性与需求，其对应的优化策略和方法略有不同，如表1所示^{[12, 17]}。

表1. 粒径减少技术的方法比较

在临床前的制剂配制中，多采用均质化技术进行粒径减小。常规的均质化技术多采用超声法，其中大功率的聚焦超声能够有效地减小粒径。结合液态反溶剂结晶法和聚焦超声技术，可以选择基于结构式或筛选实验计算得到的反溶剂对，从而有效提高药物在肠道的吸收（如表2所示）。 

表2. 不同粒径减少技术的粒径下限比较

综上所述，粒径减小技术在提高药物吸收方面发挥着重要作用。在选择粒径减小技术时，需要考虑药物的特性、所需粒径范围以及经济和技术等多方面的因素。

粒径分析技术的比较

在药物制剂的研发和质量控制过程中，粒径分析是非常关键的步骤之一，特别是对于因溶解度限制而造成的生物利用度不佳的化合物，其粒径分析的准确度显得尤为重要。目前，粒径检测技术主要分为流扫描和场扫描两大类，这些技术通过捕捉与颗粒外形相关的光电信号，并利用数学模型将这些信号转化为长度标量的统计均值，从而实现对颗粒立体尺寸的定量描述。然而，不同仪器之间可能会存在因等效粒径、颗粒形状和颗粒分散等因素所导致的粒度数据差异。因此，对于粒度数据的解读就需要详尽的数据分析和合适的数学描述来支持与解答^[18]。

主流的粒径检测技术^[19]

激光衍射法（LD）因其快速且无需离心的测量方式而被广泛应用。LD能够准确测量粒子大小分布，但其局限性在于对粒子球形的假设，这可能会导致对非球形粒子的测量结果出现显著偏差。与此同时，为了获得准确结果，通常需要稀释样品，这可能会影响粒子间的相互作用，这在处理复杂样品时尤为突出。

动态激光散射法（DLS）适用于分析复杂样品，包括非球形和自聚粒子，能够提供关于粒子大小和形状的信息，并可以处理较高浓度的样品。然而，DLS的操作复杂度较高，通常需要离心样品，且其结果同样基于粒子球形的假设，这可能导致对非球形粒子的测量偏差，并对非自聚粒子的浓度分析有所限制。

扫描电镜法（SEM）允许直接观察粒子的大小和形状，无需对样品进行稀释。尽管SEM提供了高分辨率的图像，但其操作繁琐，不适合大批量样品处理。视野范围的限制可能导致统计误差增大，且对重叠粒子的区分也较为困难。

透射电镜法（TEM）能够提供处理重叠粒子的三维信息，适用于直接观察粒子的大小和形状。然而，TEM的操作同样繁琐，不适合大批量样品处理，并且可能导致较大的统计误差。

主流粒径分析技术适用粒径范围比较

将上述粒径检测技术总结对比如图8所示。

图8. 主流粒径分析技术的检测范围比较

综上所述，不同的粒径检测技术各有优势和局限性，选择合适的技术需要考虑样品的特性、分析的目的以及实验条件。在药物制剂的研发过程中，综合运用多种技术以提高分析的准确性和可靠性是至关重要的。

粒径减小和粒径表征技术的案例分享

实验选择商品化化合物Cinnarizine作为待制备药物，以期获得粒径小于200 nm以下的药物制剂。实验过程中使用溶剂-反溶剂沉淀法（solvent-antisolvent precipitation），利用聚焦超声破碎仪（Covaris）进行粒径处理，后通过马尔文检测仪对处理后的粒径进行检测，从而获得符合实验预期的纳米级药物。实验结果表明，如图9所示，通过超声处理后的药物，经检测处理后的药物粒径分布范围在10 nm到10 μm之间，粒径中位数（X₅₀）为200 nm，药物粒径成功减小到了预期范围。

图9.  验证试验粒径分布

本实验采用了Covaris的聚焦超声破碎仪（如图10左）进行粒径减小处理。该仪器基于Covaris自适应聚焦声学（AFA）技术，能够提供精确的自适应声学能量控制。在实验过程中，该仪器在样品处理容器内精确控制空化和声流动，生成并传递聚焦声学能量至个别样品上。这一过程导致了一系列受控的压缩和稀疏事件发生，在不破坏样品的前提下，实现了对样品的非接触、等温声学处理，实验参数如表3所示。

表3.  纳米粒径制备的实验条件

采用了Mastersizer 3000激光粒度分析仪（如图10右）进行粒径分析。该仪器采用了专利的折叠光路设计和同轴双光源技术，能够同时检测从10 nm到3.5 mm的颗粒。该仪器表现出可验证的准确性和重复性，重现性超过了ISO 13320:2009和USP <429>的建议值。

图10. Covaris超声机（左）和Mastersizer粒径仪（右）

结语

药物粒径的减少可以很好地改善因溶解度限制而带来的胃肠道吸收不佳的情况，很多成熟的方法已经可以有效地改善化合物的粒径。而在临床前研究中，针对化合物量少，需要的制剂体积小的前提下，聚焦超声和激光衍射检测的方法可以很好地实现粒径减少与粒径分布的快速检测，是临床前相对较优的实验方法。另外，粒径研究还关系到药物的有效性和安全性，是药物制剂研发中不可或缺的一个环节，对于加速新药开发和提高药品质量具有重要意义。药明康德药性评价部（DMPK）拥有较为完备的临床前化合物粒径减小和检测技术，并结合临床前体内药代动力学实验，可以评估减小化合物粒径对体内生物利用度以及药代动力学特征的影响，助力药物的研发进程。

作者：温源，冯全利，焦桴荣，汤城

编辑：钱卉娟，富罗娜·克里木

设计：倪德伟，张莹莹

药明康德DMPK依托中国（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1600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1700个新药临床研究申请（IND）。

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