皮肤外用制剂和透皮制剂指在皮肤表面给药，药物通过皮肤各层，进入机体发挥局部或全身治疗作用的制剂，是一种非侵入性、患者依从性高的剂型。皮肤外用制剂主要作用于皮肤局部或局部皮肤下的各层组织，其治疗领域包括细菌、真菌、病毒的感染、银屑病、特异性皮炎、痤疮等。透皮制剂可透过皮肤进入血液循环系统发挥全身作用，常用于疼痛、中枢神经系统、心血管系统等疾病，随着全球人口老龄化的趋势、慢性病患者数量的增加，这类药物市场需求也不断增加。
针对不同药物的特性和治疗目的，皮肤外用制剂和透皮制剂可被开发为从溶液、半固体到贴剂等不同剂型，如喷雾、凝胶、乳剂、软膏、凝胶贴剂等，以及微针、超声波导入等新型递药系统[1]，多样的制剂也使得研究更为复杂。本文将结合文献报道与团队研究经验，和各位读者一起探究皮肤外用制剂和透皮制剂的临床前DMPK评估策略。
图1. 皮肤外用制剂和透皮给药制剂简介
皮肤外用制剂和透皮制剂的吸收特性和研究方法
皮肤兼具化学和物理屏障特性。皮肤由外至内分为表皮层（包括角质层和活性表皮层）、真皮层和皮下层，还包括毛囊、汗腺、皮脂腺等皮肤附属器。药物需通过经皮吸收才能进入体内。药物渗透进入体内的主要途径有3种[2]:
跨细胞通路：通过跨细胞通路穿过角质细胞而进入皮肤。含有高度水合化角蛋白的角质细胞提供了亲水环境，便于亲水药物通过。
细胞间通路：主要是通过细胞间脂质基质扩散。这条路径通常被认为是小分子的、不带电的药物透过皮肤的最常见路径。
通过皮肤附属器，如毛囊、汗腺和皮脂腺等进行渗透吸收。
皮肤外用制剂扩散到表皮或真皮层就可能被皮肤有关细胞和成分吸附或结合，作用于靶位产生局部药效；而透皮制剂的药物需进一步进入真皮层血管-淋巴系统，最终进入血液。
图2. 皮肤外用制剂和透皮制剂的药物渗透示意图[3]
药物的经皮吸收主要依靠前两种路径，即药物必须透过角质层，才有可能被吸收达到靶部位。但在所有皮肤层中，角质层屏障效应最强，其中的角质层细胞和细胞间脂质组成的砖墙结构[4]，阻滞了药物的经皮吸收，直接或间接导致了该类药物较低的生物利用度。
图3. 哺乳动物皮肤的组织学结构
(a)皮肤结构（猪皮H&E染色图像）;（b）角质层结构（冷冻扫描电子显微图像）[1]
给药系统影响药物的释放性能，进而影响药物的透皮速率，药物释放越快，越有利于药物的透皮。故在早期制剂筛选及临床前申报时，需关注制剂释放与透皮能力。制剂的释放与透皮能力可通过体外、体内试验进行评估。体外人工膜释放研究试验（IVRT）和体外透皮渗透研究试验（IVPT）是评价皮肤外用制剂的常用体外研究方法，其中扩散池法是行业金标准[5]。体内动物试验有创性技术如皮肤活检、皮肤刮除术、负压吸泡技术和微透析等，非创伤性如QWBA、激光扫描共聚焦显微镜和Roman共聚焦显微镜[2]。药明康德DMPK已搭建成熟的体内外平台，目前已推出多篇文章进行介绍，欢迎阅读：
皮肤外用制剂和透皮制剂研究中DMPK研究策略
为推动此类产品申报上市，各药监当局均给予了持续、不断更新的政策指导，主要是聚焦在制剂质量控制和仿制药评估上，如下表。另颁布了多个针对单个药物的开发建议，这里不作赘述。
表1. FDA和CDE的皮肤外用制剂和透皮制剂相关指导原则
监管机构 | 指导原则 | 发布日期 | 版本 |
FDA | In Vitro Permeation Test Studies for Topical Drug Products Submitted in ANDAs | 2022/10/21 | 草稿 |
In Vitro Release Test Studies for Topical Drug Products Submitted in ANDAs | 2022/10/21 | 草稿 | |
Physicochemical and Structural (Q3) Characterization of Topical Drug Products Submitted in ANDAs | 202210/21 | 草稿 | |
Transdermal and Topical Delivery Systems - Product Development and Quality Considerations | 2019/11/21 | 草稿 | |
Assessing Adhesion with Transdermal Delivery Systems and Topical Patches for ANDAs: Draft Guidance for Industry | 2023年4月 | 草稿 | |
Assessing the Irritation and Sensitization Potential of Transdermal and Topical Delivery Systems for ANDAs: Draft Guidance for Industry | 2023年4月 | 草稿 | |
Residual Drug in Transdermal and Related Drug Delivery Systems: Guidance for Industry | 2011/08/17 | 终稿 | |
CDE | 局部给药局部起效药物临床试验技术指导原则 | 2022/5/30 | 颁布 |
皮肤外用化学仿制药研究技术指导原则（试行） | 2021/3/16 | 试行 | |
化学仿制药透皮贴剂药学研究技术指导原则（试行） | 2020/12/25 | 试行 | |
药物刺激性、过敏性和溶血性研究技术指导原则 | 2014/5/13 | 颁布 |
皮肤外用制剂和透皮制剂的临床前开发应遵循药物临床前试验的一般原则。同时，与其他给药途径药物相比，该类药物在处方组成、剂型特点、给药途径等方面具有特殊性，因此，应针对性进行试验设计和评价。
图4. 皮肤外用制剂和透皮制剂的临床前药代动力学评估策略
一般考虑
受试物需选择可代表临床试验用制剂：临床前PK研究的受试物应尽量选择可代表临床试验用样品的中试或中试以上规模的含有辅料的制剂，并对制剂的挥发性、稳定性、溶解性等理化性质进行必要的描述，为试验设计提供合理依据。
动物种属的选择：在评估该类药物皮肤局部药代动力学或系统吸收情况时，临床前PK研究的实验动物首先考虑与人类皮肤接近、背景研究数据较充分的种属。对于啮齿动物的选择，OECD发布的皮肤给药临床前安全性评价的指南草案[6]建议使用大鼠、兔或豚鼠进行系统暴露的安全性评价，此建议也适用于PK研究。对于非啮齿类动物的选择，小型猪与人类皮肤在解剖结构和生理状态方面具有较好的相似性，化合物的皮肤渗透数据与人相近[7]，且猪皮肤颜色浅，毛囊稀少，可操作性高。
给药剂量的考量维度：体内PK实验给药剂量和常规给药方式相同，常规设置三个剂量。一般建议使用相同的涂抹厚度、面积和涂敷时间，使用三个不同浓度的制剂来达到三个剂量的设置。临床前安全性评价中还可采用扩大给药面积、增加给药频次等方式增加给药剂量。但参考OECD指南草案Repeated Dose Dermal Toxicity: 21/28-day Study[6]，最大给药面积不宜超过体表面积的10%。
皮肤外用制剂的特殊关注点
应全面评价药物在皮肤局部及全身的生物利用度情况
皮肤局部药代动力学试验可了解药物是否到达靶部位、药物到达靶部位的速度和程度，评估局部生物利用度情况。而人局部药代动力学的研究受限于此类药物生物样品采样、试验技术方法和临床试验伦理学等问题，开展难度较高，临床前药物局部药代动力学的数据可为后续人体临床试验设计提供充分的支持性数据。另外，全身生物利用度对体内负荷毒性评价及透皮吸收系统的评价很重要。因此，皮肤外用制剂应全面评价药物在皮肤局部及全身的生物利用度情况。
应关注拟定适应症的皮肤破损PK特征
某些疾病，患者皮肤本身存在破损，其局部吸收量可能与完整皮肤存在较大的不同，临床前应研究药物在拟定适应症的皮肤情况下的PK行为。下表列举了几种疾病模型及病理情况下皮肤屏障系统改变情况。
表2. 不同皮肤疾病的皮肤屏障系统情况
疾病 | 靶组织 | 皮肤屏障 |
真菌感染 | 表皮 | 无破损，屏障高 |
单纯疱疹 | 浅层表皮 | 严重破损（创伤皮肤） |
黑色素瘤 | 深层表皮（基底层） | 无破损，屏障高 |
银屑病（斑块型） | 表皮及真皮 | 无破损，屏障高 |
特应性皮炎 | 表皮及真皮 | 部分破损，屏障低 |
痤疮 | 皮脂腺及真皮 | 部分破损，屏障低（面部） |
肌肉疼痛 | 皮下及肌肉 | 无破损，屏障高 |
临床前可使用创面动物模型来进行研究，不同的制备方式可获得不同的创面动物模型。试验中需根据动物皮肤愈合特征和试验方案中给药方式确定破损频率，确保药物吸收方式的一致性。
案例
VTAMA® (Tapinarof) 是一款用于成人轻、中、重度斑块状银屑病的新型小分子[8]，于2022年5月获FDA批准上市。Tapinarof每天一次在病变部位涂上薄薄的一层乳膏，可结合和激活芳香烃受体（AhR），从而调节体内促炎症细胞因子水平的失衡。Tapinarof进行的临床前药代动力学研究见下表：
表3. Tapinarof的临床前药代动力学研究内容
实验类型 | 试验项目 | 主要试验结果 |
吸收 | MDCKII-MDRl 细胞膜渗透性 | 高被动扩散能力，在pH 7.4和5.5孵育体系中（含P-gp抑制剂）渗透速率分别为670 nm/s和 500 nm/s |
猪多次局部皮肤给药毒代动力学 | Tmax: 6 hour；AUC0-t: 5.09 ng·hr/mL (3.0%乳膏)；Cmax: 0.686 ng/mL (3.0%乳膏)； 蓄积：无；剂量线性：0.5, 1.0 和 3.0%乳膏呈剂量线性 | |
分布 | 血浆蛋白结合 | 大鼠、猪和人血浆结合率在 99.1% ~ 99.4% |
皮肤匀浆蛋白结合 | 猪和人分别为90.7% 和92.7% | |
大鼠皮下给药（QWBA） | 所有组织在给药后约1h达峰。主要分布在给药皮肤部位、膀胱壁、肾上腺皮质、小肠壁、肝脏、脂肪和肾脏皮质中。组织中暴露量均高于血液。 | |
代谢 | 肝细胞 Met ID | 大鼠、兔子、猪和人；主要为II相代谢；人肝细胞中未发现特异性代谢物。 |
大小鼠皮下给药血浆Met ID | 主要代谢途径为氧化、葡萄糖醛酸结合、硫酸结合。 | |
排泄 | 大小鼠皮下给药[14C] | 主要通过粪便、胆汁排泄。给药24h后，回收率为80% 至88%。 |
猪局部皮肤给药[14C] | 给药后10小时，皮肤表面残留制剂的回收率为82.5%。尿液和粪便中回收率＜1%。全血和血浆中放射量均低于检测下限。 |
透皮制剂的特殊关注点
透皮制剂需分别评估吸收特性和系统暴露情况
透皮制剂为全身起效的皮肤制剂，可参考常规的系统药代动力学研究方法来评估其系统暴露量情况和药物的ADME特性。其系统暴露量的评估需选择与人代谢相似的啮齿、非啮齿动物两个种属，而透皮吸收特性的评估常选择小型猪。
改良剂型的透皮制剂临床前PK评估
FDA已批准的透皮贴剂产品多数属于改良剂型，其申报主要依靠已有的文献资料和已上市产品的真实世界数据等提供安全性和有效性证据，临床前试验则起到补充作用。临床前PK主要补充制剂中有效成分的释放速率等数据，可以使用相关动物种属进行体内PK研究。
案例
EXELON® PATCH（利斯的明透皮贴剂）是在原口服胶囊制剂基础上改良的一款新型制剂[9]，用于治疗轻、中和重度认知障碍的阿尔茨海默病。其血浆蛋白结合和体内外代谢结果参考已有的口服制剂数据，另补充了透皮给药途径下的猪PK数据（同位素标记），贴剂药物残留和人体外皮肤代谢研究。其透皮制剂与口服制剂相比，在猪中的生物利用度升高了23.8倍，并有了更稳定的血药浓度。同时减轻了利斯的明的胃肠道副作用，成为阿尔茨海默病患者更青睐的产品。
表4. EXELON® PATCH三种给药途径的药代动力学数据比较
药代动力学参数 | 静脉给药(0.1 mg/kg) | 口服给药(1.0 mg/kg) | 透皮给(18mg) | 透皮给(54mg) |
Cmax (ng/mL) | 27.04 | 0.67 | 1.03 | 4.06 |
Tmax (h) | 0.083 | 0.5 | 18 | 24 |
AUC0-96 (ng.h/mL) | 14.6 | 0.7 | 43.0 | 140.8 |
F% | - | 0.5 | 11.9 | 13.0 |
结语
皮肤外用制剂和透皮制剂研究相对复杂，没有统一的方法对其进行评估，且各国监管者的接受程度不同，所以在研究时应根据其物理化学性质、疾病的靶点等选择合适的研究方法，或将多种方法结合使用，可更全面地了解皮肤用药在作用目标部位的吸收、分布和代谢情况。药明康德DMPK依托部门完善的体内外药代动力学测试平台，结合皮肤外用制剂与透皮制剂各自的特点，建立起一套此类药物的通用研究体系，具有成熟的体外IVRT和IVPT研究平台、体内皮肤药代动力学及可视化QWBA技术等，可助力从制剂筛选到药品临床申报的全过程。
作者：朱璋佩，金晶
编辑：方健，钱卉娟
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1800个新药临床研究申请（IND）。
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参考
[1] Prausnitz M R, Langer R. Transdermal drug delivery[J]. Nature biotechnology, 2008, 26(11): 1261-1268.
[2] Supe S, Takudage P. Methods for evaluating penetration of drug into the skin: A review[J]. Skin Research and Technology, 2021, 27(3): 299-308.
[3] http://www.amarintech.com/topical-and-transdermal-drug-products-making-the-difference-through-transdermal-delivery-systems/
[4] Gorzelanny C, Mess C, Schneider S W, et al. Skin barriers in dermal drug delivery: which barriers have to be overcome and how can we measure them?[J]. Pharmaceutics, 2020, 12(7): 684.
[5] Santos L L, Swofford N J, Santiago B G. In vitro permeation test (IVPT) for pharmacokinetic assessment of topical dermatological formulations[J]. Current Protocols in Pharmacology, 2020, 91(1): e79.
[6] OECD ilibrary. OECD Guidelines for the Testing of Chemicals, Section 4. http://www.oecd-ilibrary.org/environment/oecd-guidelines-for-the-testing-of-chemicals-section-4-health-effects_20745788
[7] Jung E C, Maibach H I. Animal models for percutaneous absorption[J]. Topical drug bioavailability, bioequivalence, and penetration, 2014: 21-40.
[8]http://www.accessdata.fda.gov/drugsatfda_docs/nda/2022/215272Orig1s000TOC.cfm
[9]http://www.accessdata.fda.gov/drugsatfda_docs/nda/2007/022083_exelon_toc.cfm
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