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今天我們為大家推送一篇根據《原料藥和生物學性質選擇用以預測體內溶出介質》的文章，希望能給你帶來一些啟示。本文來源見截圖：
根據原料藥和生理學性質選擇用以預測體內的溶出介質
作者：Deanna M. Mudie,1,5Nasim Samiei,2Derrick J.Marshall,1,3Gregory E. Amidon,4and Christel A.S.Bergström2
作者單位：
1Global Research and Development, Lonza, Bend, Oregon 97703, USA.
2Department of Pharmacy, Uppsala Biomedical Centre, Uppsala University, P.O. Box580, SE-751 23, Uppsala, Sweden.
3Present Address: Pivotal Drug Product Technologies, Amgen, Cambridge,Massachusetts 02141, USA.
4College of Pharmacy, Department of Pharmaceutical Sciences, University ofMichigan, Ann Arbor, Michigan 48103, USA.
摘要：藥物在胃腸道的溶出速率和程度取決於藥物的理化性質和胃腸道液性質。生物相關溶出介質(Biorelevant dissolution media, BDM)的應用旨在通過體外試驗來更加便利地預測藥物在體內的溶出行為。隨著我們對於胃腸道生理學的深入了解，生物相關溶出介質亦隨之發展。目前，有一些不同性質和組成的生物相關溶出介質可供選擇，如何選擇合適的介質成為了一個挑戰。在本文中，我們介紹了一種簡單且定量的方法學來指導如何選擇出既有實用性又具有生理學相關性的用以評價速釋製劑在禁食狀態的人體內溶出行為的介質。具體來說，本方法學基於原料藥的log D，pKa和固有溶解度來闡述如何選擇介質的pH，緩衝液種類和濃度，並評價了膽酸鹽和磷脂在生物相關溶出介質中的重要性。本方法學基於對三個主要影響溶出的因素的了解，分別是(1)藥物在胃腸道pH下的離子化，(2)帶電荷藥物對於表面pH的改變，(3)包含膽酸鹽和磷脂在內的脂質混合物對於藥物的增溶作用。本方法學有助於對溶出介質的選擇做出更加全面的決定。
引言
目前，候選藥物的測試和處方開發面臨的一個挑戰是選擇最適合的溶出介質來指導體外試驗。目的是通過選擇合適的溶出介質和試驗流程得出體外結果，並且這些體外結果能夠準確反映出藥物在體內溶出的速率和程度。溶出介質的合理選擇很大程度上依賴於對藥物自身理化性質和胃腸道液性質的了解。
一直以來，藥物的溶解度和溶出度測定都是使用傳統的溶出介質，例如美國藥典中收錄的緩衝液(鹽酸、50 mM磷酸鹽、醋酸鹽和檸檬酸鹽) (1,2)。對於某些藥物來說，例如高溶解性和高滲透性的藥物(BCS I類藥物)，這些溶出介質能夠對藥物在體內的溶解和溶出速率提供簡單且較為準確的評估(3, 4)。然而，這些溶出介質不能模擬出人體胃腸道液的性質與組成，也不能反映出較高的個體差異性(5-12) (關鍵的胃腸道液性質見表I)。
為了更為準確的評估水溶性差的藥物(BCS II和BCS IV類藥物)在整個胃腸道中的體內外相關性，提出了生物相關溶出介質(Biorelevant dissolution media, BDM)這一概念。隨著我們對於胃腸道生理學的深入了解(13-19)，逐步開發出了能夠模擬整個胃腸道在禁食狀態和進餐狀態下的具有代表性的生物相關溶出介質(6-8, 20, 21)。這些介質具備不同的pH、緩衝液種類、緩衝液濃度、滲透壓、黏度、表面張力以及膽汁組成濃度和類別，已被用來準確地預測很多藥物在腸液中的溶解度(22)。
本文旨在描述一種簡單實用的選擇生物相關溶出介質的方法，考慮到大部分藥物的吸收部位在上消化道，因此本文主要介紹速釋製劑在健康人群禁食狀態下的上消化道中(胃、十二指腸和空腸)的體內外相關性。這些建議可以用於藥品開發初期及後續臨床測試時的生物相關溶出試驗(23)，還可以用於質控或其他臨床相關方法。對於某些案例來說，用於質控、生物相關和臨床相關的溶出方法有所不同；而對於有些案例，一種溶出方法即可以滿足所有試驗的需求(23)。
對於體外溶出試驗領域，有其他已發表的決策樹，本文內容可作為補充，同時在某些方面本文也有獨特的見解。例如，Andreas等人介紹了名為OrBiToWP2的決策樹，為口服速釋製劑和緩控釋製劑的體外溶出方法選擇提供指導(24-28)。這個決策樹指導用戶使用由Markopolous等人提出的不同標準的溶出介質(27)。他們根據可開發性分類系統(DevelopabilityClassification System, DCS)展示了選擇體外溶出介質來模擬不同製劑在禁食狀態和進餐狀態下的胃腸道吸收情況的一般策略。本文作為Markopoulos等人工作內容的補充，以藥物的pKa、固有溶解度和logD為基礎，為讀者提供選擇溶出介質的工具。本文主要針對BCS II和BCS IV類藥物。此外，在介質的緩衝能力選擇方面，本文的建議與Markopoulos等人有所不同。Markopoulos將生物相關介質的緩衝能力定義為在體內的本體溶液(bulk solution)緩衝能力範圍內的一種溶出介質；相反的，我們將生物相關介質的緩衝能力定義為與藥物性質相關的。即藥物在某一介質中溶出時，該介質的緩衝能力能使藥物溶出表面的pH和溶出速率與其在生理條件下的情況相似。
表I影響溶出的禁食狀態人胃液和人腸液(空腸)的相關性質
a源自參考文獻(78);b源自參考文獻(7, 8);c源自參考文獻(39);d源自與參考文獻(7)作者的溝通;e源自參考文獻(7);f源自參考文獻(54, 55);g源自參考文獻(29)
表III常用體外生物相關介質的緩衝能力以及膽汁和磷脂成分
TC，牛磺膽酸鹽；GC，甘膽酸鹽；PC，磷脂醯膽鹼(卵磷脂)；LPC，溶血磷脂膽鹼(溶血卵磷脂)
a源自參考文獻(19);b介質還包括0.1 mg/mL胃蛋白酶;c源自參考文獻(14);d源自與參考文獻(16);e源自參考文獻(13);f源自參考文獻(59);g源自參考文獻(15)
溶出介質選擇方法
引言
原料藥和製劑的溶出度是溶出介質、生理環境、原料藥、製劑和產品性質的複雜相互作用的結果。本文介紹的方法基於對影響溶出的三個主要因素的理解：(1)藥物在胃和小腸不同pH水平下的離子化；(2)帶電藥物對於表面pH的改變；(3)藥物在由膽汁成分(膽酸鹽、磷脂和膽固醇)組成的混合脂質物中的溶解度。溶出介質和原料藥屬性間相互作用下對這三個因素的影響見表II。
表II生物相關溶出介質和原料藥性質間的相互作用對於溶出的影響
pKa，酸解離常數(Ka)的負對數；LogP，非電離化合物在辛醇和水中分配係數的對數；logD，化合物在辛醇和水中pH調節分配係數的對數
圖1匯總了用於預測體內溶出測定結果的推薦的溶出介質種類。由於溶出結果同時受胃腸道液體的滲透壓、表面張力、粘度和離子強度的影響，本文所推薦的生物相關溶出介質選擇使用了與生理學一致的數值。當然，原料藥其他的性質以及固體屬性也會影響溶出結果，在此本文不予討論。此外，輔料和製劑劑型設計對於藥物釋放的影響也不予討論。例如，製劑中的酸性或鹼性輔料會影響胃腸道局部的pH (29-31)。因此，本文主要應用對象為由標準壓片輔料製備所得的速釋製劑。
圖1用於預測體內溶出的介質類型。對於pKa£7.0(酸)和pKa³5.5(鹼)，提供三種不同選項以適應不同溶出試驗目的。
接下來，我們將介紹如何選擇生物相關溶出介質中最優的(1) pH, (2)緩衝液種類和濃度, (3)膽酸鹽/磷酸含量的方法。
pH的選擇
溶出介質pH的選擇是基於兩個主要變量—原料藥的pKa和酸/鹼性。具體的，我們將闡述這兩個變量是如何在胃腸道pH水平下影響藥物的離子化。
理論
藥物顆粒在溶液中的溶出速率可用以下公式來表述
其中，Cb為藥物濃度，t為時間，Vb為溶液體積，Sh為舍伍德數(Sherwood number)，即分子從顆粒表面向周圍流體擴散的非量綱係數，等於有效顆粒半徑除以擴散層厚度，Deff為藥物在溶出介質中的有效擴散係數，As為溶出顆粒的表面積，Cs為顆粒溶出表面藥物的飽和濃度(即飽和溶解度) (32)。在下文的表述中，我們將顆粒溶出表面的pH定義為表面pH，而Cs值受此pH影響。
公式(1)中的Sh顯示了在某些因素(如流體剪切力、對流或濃溶液中相鄰分子作用)的影響下，會呈現出高於簡單擴散的溶出速率。當溶出為簡單擴散時，有效擴散層厚度等同於有效顆粒半徑(32-34)。
一個弱酸或弱鹼藥物的離子化程度顯著地影響Cs，進而影響溶出的速率和程度。離子化程度取決於平衡狀態下介質的pH和藥物的pKa值。胃腸道不同區域的pH不同，也導致Cs和溶出速率及程度存在差異。弱酸分子在酸性胃液中溶解度低，而在小腸裡溶解度增加；弱鹼分子在胃中溶解度較高，而在小腸裡溶解度降低，可能會出現過飽和及(或)沉澱現象(37)。對於游離酸和游離鹼來說，在不同區域裡的溶解度取決於藥物的pKa值以及生理因素，如pH，緩衝液種類及濃度。
此外，還需要注意在某一特定區域內由於pH變化導致的溶解度差異。據報導，禁食狀態下人體胃液pH範圍為1-3，而空腸pH範圍為5.5-7(見表I) (8, 38, 39)。在pH 1-3的胃液中，對於pKa值大於2.5的弱酸來說，Cs可視作一個常數。然而，對於pKa³1的弱鹼來說，Cs可增大2倍或更多。例如，pKa³4.5的弱鹼在pH 1-3範圍內測得的Cs相差100倍。因此，相較於弱酸藥物，胃液pH的變化更有利於弱鹼藥物的溶解和溶出。
當弱酸藥物的pKa降低，其離子化程度以及溶解度對於空腸pH範圍的變化變得更加敏感。例如，當藥物pKa=5時，在pH5.5和pH7兩個條件下測得的Cs相差24倍；當藥物pKa=7時，同樣兩個pH下測得的Cs僅相差2倍。弱鹼藥物正相反，當pKa增加，其離子化程度以及溶解度對於空腸pH範圍的變化變得更加敏感。當藥物pKa=8時，在pH5.5和pH7兩個條件下測得的Cs相差29倍；當藥物pKa=5.5時，同樣兩個pH下測得的Cs僅相差2倍。
建議
考慮到弱酸性藥物在胃中溶出量有限，我們推薦使用具有代表性的小腸相關溶出介質進行弱酸性藥物的檢測。考慮到弱鹼性藥物在胃中溶出量較大，並在小腸段易發生過飽和/沉澱現象(圖1)，我們推薦使用貫序的從胃到小腸的溶出介質進行弱鹼性藥物的檢測。例如，Gao等人推薦的「pH稀釋」法(40)或多室法均可以用來測試藥物在貫序的溶出介質下的溶出，如從pH 2.0到pH 6.4(40-53)。中性藥物在腸道pH範圍內不發生電離，因此可使用任一pH介質進行檢測。
對於pKa£7的弱酸和pKa³5.5的弱鹼，讀者可以選擇(1)平均pH，(2)某個pH範圍，(3)某個pH範圍的下限或上限來研究藥物的溶出和/或沉澱。選擇單一或多個條件取決於讀者是旨在掌握藥物在某一pH範圍內的溶出行為(選項2)還是為了開發具有區分力的試驗(選項3)。
我們選擇pH 2作為胃液的平均pH。據報導，禁食狀態的健康受試者在攝入一杯水後的胃液pH範圍為~1-3 (7, 11, 38)。我們選擇pH6.5作為腸液的平均pH。此pH落在近期發表的兩篇文章裡所報導的數據之間，且該pH為體外模擬小腸液的pH (即FASSIF和FASSIF-V2) (13, 27)。此外，我們建議使用氯化鈉將胃液和腸液的緩衝介質的離子強度均調節至0.15 M，與胃腸道的平均離子強度相一致(9)。
緩衝液種類和濃度的選擇
此段將重點介紹緩衝液種類和濃度的選擇，尤其是藥物pKa、酸/鹼性和固有溶解度對於表面pH的影響。
理論
當可電離的藥物溶解於緩衝能力不夠強的介質中，會降低介質的pH(酸)或增加介質的pH(鹼)。這兩種情況都會導致藥物離子化程度的降低。因此，藥物在緩衝能力較弱的介質中的溶解度和溶出速率均低於其在緩衝能力強的介質(即弱酸和弱鹼的溶解不會造成介質pH變化)中的溶解度和溶出速率。
據文獻報導，受試者胃腸道不同區域的體液緩衝能力較弱。近期，Hens等人報導了健康志願者在禁食和進餐狀態下的人腸道液的緩衝能力為2-6 mM/DpH (7)。另有研究表明，上小腸段的碳酸氫鹽濃度在6-20 mM範圍內，相對應的緩衝能力範圍為2.5-13 mM/DpH (6, 38, 54-57)。相反的是，幾種生物相關溶出介質的緩衝能力均為體內測得範圍的上限(見表III)，而常用美國藥典中的人工模擬腸液對應的緩衝能力為50 mM磷酸鹽和18mM/DpH。這些過高的介質緩衝能力可能會導致藥物在體外的溶出速率比在體內預期的速率要快。
藥物溶於介質後改變介質pH的程度不僅取決於介質的pH和緩衝能力，還受藥物的pKa和固有溶解度的影響。對於一個酸性藥物，相較於介質的初始pH，其pKa越低，固有溶解度越高，溶於介質後降低介質pH的程度越高；對於一個鹼性藥物，相較於介質的初始pH，其pKa越高，固有溶解度越高，溶於介質後增加介質pH的程度越高。對於這兩種情況，介質中離子化藥物的濃度與緩衝液濃度和pH改變程度密切相關。我們分別使用pKa-logSo(記為a)和pKw-pKa-logSo(記為b)來表示弱酸和弱鹼藥物的pKa和固有溶解度綜合改變表面pH的能力。註：在37°C和飽和蒸氣壓條件下，pKw值為13.6 (60)。
圖2(酸)和圖3(鹼)分別以a和b顯示了藥物在pH6.5磷酸鹽緩衝液中的相對溶出速率。相對溶出速率為藥物在高濃度緩衝液(50 mM)和低濃度緩衝液(1mM)條件下的溶出速率的比值。圖2顯示，對於pKa£6的一元弱酸，當a在5-10範圍時，藥物的溶出速率差異可達2倍或更大；圖3顯示，對於pKa³7的一元弱鹼，當b在5-11範圍時，藥物的溶出速率差異可達2倍或更大。當a或b在這個範圍之外時，緩衝液濃度對於溶出速率的影響不再顯著。
圖2一元弱酸在pH6.5磷酸鹽介質中的相對預測溶出速率。假設在高(50 mM)和低(1mM)緩衝液濃度下不同的藥物pKa值。藥物擴散係數= 7.9 × 10-6cm2/s。有效擴散層厚度= 30mm
圖3一元弱酸在pH6.5磷酸鹽介質中的相對預測溶出速率。假設在高(50 mM)和低(1mM)緩衝液濃度下不同的藥物pKa值。藥物擴散係數= 7.9 × 10-6cm2/s。有效擴散層厚度= 30mm
建議
如果一個藥物能夠改變表面pH，我們建議使用的緩衝液濃度/能力需低於標準緩衝液(即美國藥典50 mM)。對於那些不會改變表面pH的藥物，任一便利的緩衝液均可使用。例如，無需刻意選擇一個等同於碳酸氫鹽的緩衝液，使用其他介質，如馬來酸鹽或磷酸鹽，均不會對溶出速率造成影響。
Krieg等人開發了一種調節磷酸鹽緩衝液的方法(圖4)，使之與生理狀態下碳酸氫鹽達到等效性(48)。對於酸性藥物，Krieg等人建議根據a值，選擇磷酸鹽濃度在1-25 mM；對於鹼性藥物，建議極低的緩衝液濃度(
圖4預測用以匹配生理條件下碳酸氫鹽緩衝液的等效磷酸鹽濃度
本文介紹的這些方法，描述的是在一個密閉容器裡，藥物在充分混合的介質中溶出的靜態過程，而與之對比的是，藥物在體內的溶出是一種動態過程。在腸腔內，某一特定區域的腸液組成和腸液的緩衝能力受諸多因素影響，如碳酸氫鹽和消化酶的分泌、腸液吸收、腸液輸運和流體動力學(58)。然而用於體外溶出試驗的密閉系統無法模擬這種複製的情況(40-53)。
當考慮藥物在腸段溶出時，選擇一個生物等效的緩衝液對於弱酸性藥物來說，比弱鹼性藥物更為重要。弱酸性藥物在小腸段能夠溶出更多的量，而弱鹼性藥物首先在胃中溶出，隨後可能會在小腸段發生過飽和及/或藥物沉澱現象。因此，介質的緩衝能力對於弱鹼性藥物在小腸中溶出速率的影響有限。可能更為重要的是介質的緩衝能力對於弱鹼性藥物過飽和/沉澱/再溶出這一現象的程度的影響。
對於弱鹼性藥物來說，胃內的表面pH尤為重要。Pepin等人闡述了表面pH對於弱鹼性藥物阿卡替尼溶解度和溶出速率的影響(61)。此外，他們還提供了預測一元和二元弱鹼性藥物表面pH的方法。
膽酸鹽和磷脂類選擇
理論
脂質混合物對於親脂性藥物的增溶作用能夠增加Cs，進而提高溶出速率和程度。腸內混合物是由膽酸鹽、磷脂和膽固醇組成的混合膠束和囊泡。這類脂質混合物在不同個體間以及不同膳食狀態間的差異顯著(62)。Riethorst等人提供了最新的相關信息(20)。在人工腸液中，可以分別使用直徑約為45 nm或6.5 nm的囊泡或膠束來代表禁食狀態下或進餐狀態下介質中的混合脂質體(5, 63-66)。
脂質體混合物的增溶效果取決於脂質濃度、膽酸鹽和磷脂組成、膽酸鹽和磷酸比例以及結構。此外，藥物的性質(例如大小、電荷、極性、柔性、親脂性)也影響著藥物在脂質膠體內的包裹和分配(5)。Fagerberg等人根據100多個藥物的溶解度數據得出，對於一個在pH6.5條件下辛醇和水分配係數大於3的藥物來說，在人工腸液中的溶解度要顯著高於在空白介質(和前者相同，僅僅不含膽酸鹽和磷脂)中的溶解度(5)。根據這些數據，親脂性藥物(logD>3)的溶解度須始終用人工腸液來評估，而非使用簡單的緩衝液(14, 55, 67-72)。
有一些案例，藥物的劑量超出其在空白緩衝液中的飽和溶解度，此時在介質中的脂質混合物的增溶作用下，藥物的溶出程度也會隨之增加。而當藥物的劑量低於其在空白緩衝液中的飽和溶解度時，藥物的溶出程度在有脂質混合物和無脂質混合物兩種情況下是類似的。此外，在有脂質混合物的情況下，溶出速率受有效擴散係數(Deff)和飽和溶解度(Cs)競爭作用的影響。當脂質混合物通過增溶作用增加了飽和溶解度(Cs)，同時也由於藥物與脂質體混合物結合後有效粒徑的增加而導致有效擴散係數的降低(73-76)。
圖5根據藥物在人工腸液和空白緩衝液中的溶解度比例來預測藥物在人工腸液對比空白緩衝液中的相對溶出速率。從圖中可以看出，在滿足漏槽條件且假設Deff= 5 × 10-6cm2/s時，藥物在人工腸液中的飽和溶解度(Cs)相比於在空白緩衝液中增加了10倍，然而溶出速率僅僅提高了1.2倍。Fagerberg和Bergström發現只有logD6.5>3的藥物在人工腸液中溶出速率的增加倍數能夠超過10倍。因此，對於logDeff= 5 × 10-6cm2/s的藥物來說，在人工腸液和空白緩衝液的溶出速率僅有較少差別，而對於那些在脂質混合物中增溶程度更高的藥物，在兩種介質中的溶出速率差異更加顯著。假設滿足漏槽條件且Deff= 5 × 10-6cm2/s，當飽和溶解度增加50倍時，溶出速率增快2倍；當飽和溶解度增加450倍時，溶出速率增快10倍。
圖5根據具有不同擴散係數的藥物的溶解度比例(例如在人工腸液中溶解度/空白緩衝液中溶解度)計算得出的相對溶出速率(人工腸液對比空白緩衝液)。其中，空白緩衝液組成與人工腸液相同，僅僅不含膽酸鹽和磷脂。另假設膠束擴散係數=1 × 10-7cm2/s
建議
我們在圖1對溶出介質中膽酸鹽和磷脂的添加提供了相關的建議。我們選擇logD>3作為添加膽酸鹽和磷脂的最低值。當logD不是混合脂質物增溶作用的唯一決定因素時，可作為便利的評估指標(5)。如前所述，混合脂質體的增溶作用還受藥物的理化性質影響。膽酸鹽和磷脂可以通過降低溶出介質和藥物間的表面張力來改善潤溼性。因此，對於logD
目前沒有可用於所有藥物的單一種類和濃度的膽酸鹽和磷脂。因此，我們建議選擇標準禁食狀態下的介質(例如FaSSIF, FaSSIF-v2或FaSSIF-v3)作為腸液以及選擇FaSSGF作為胃液。FaSSIF和FaSSIF-v2包含兩種膽汁成分(卵磷脂和牛磺膽酸鹽)，而FaSSIF-v3中還添加了卵磷脂水解產物和膽固醇(見表III)，因而更接近於腸腔內的成分。對於酸或鹼，FaSSIF和FaSSIF-v2均提供了與抽吸出的人腸液相似的溶解能力(72)。對於中性藥物，FaSSIF似乎過度預測了增溶作用，而FaSSIF-v2的增溶作用則與抽吸出的人腸液相一致(72)。Fuchs等人比較了十種不同模型藥物在FaSSIF，FaSSIF-v2和FaSSIF-v3中的溶解度。他們發現有些藥物在所有介質中具有相同的溶解度，而有些藥物在一種或兩種介質中溶解度有所增加。
結論略
參考文獻略
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