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新药早期开发中关键理化性质考量-渗透性预测

药渡 | 医药研发大数据综合信息服务平台 2022/09/12 09:15

来源:药渡

撰文:木下土    编辑:丸子

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前言

基于药物的溶解度和渗透性因素形成了生物药剂学分类系统(BCS),这套系统目前已经成为世界上比较公认的影响药物的剂型设计和预测药物体内-体外相关性的重要指标,同时也指出了药物在胃肠道中的溶解性和渗透性是决定药物吸收程度的关键。

药物的肠道渗透性是指其跨肠壁细胞进入血液循环的能力,通常以单位时间或单位面积进入的药量来衡量。 高渗透性有利于药物跨细胞膜,到达作用靶点, 从而发挥其药理学作用; 而低渗透性药物则难以跨膜转运、发挥药效。若能在研发早期准确高效地评估化合物的渗透性将有助于避免后续临床前及临床研究时带来的挑战。

药物渗透性评价基于人体药动学研究吸收程度,如绝对生物利用度(absolute bioavailability)或质量平衡(mass balance)。一般认为,当绝对生物利用度不小于85% ,或不小于85% 的药物以原形药物或以原形药物及代谢物(吸收后产生的代谢物)总和的形式从尿液中排出,即可认为药物具有高渗透性。因此药物的渗透性也是一致性评价中需要关注的重点,我们需要采取多种模型预测药物在体内的渗透性,进一步了解药物的本质属性,以此给予药品更加准确的评价。

当然,在新药研究的不同阶段,可以采用不同的研究方法获知药物渗透性信息,以提高新药开发效率,推进新药向前。新药在不同研究阶段,常用的渗透性预测方法见图1。

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图1新药发现和开发不同阶段的体外渗透性模型。

PCC:临床前候选化合物;IND:研究性新药申请;ADME:吸收、分布、代谢和消除;PK:药代动力学;BE:生物等效性

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渗透性测定

工业界通常将平行人工膜渗透技术(PAMPA)和Caco-2细胞模型两种方法合用作为药物研发早期的通透性预测方法,目前尤斯灌流(Ussing chamber)大鼠模型以其吸收窗评估优势应用也较为广泛。这些方法的准确性主要依赖人体内单次灌注技术(Loc-I-Gut)与相关性进行判断,人体单次灌注技术是指示药物渗透性高低的金标准。

1 人工膜渗透性测定法(PAMPA)

PAMPA是以人造的非细胞脂质膜为基础,它没有孔隙、主动转运载体和代谢酶,被用于预测候选药物的被动跨细胞渗透性。PAMPA方法是用滤膜将96孔板和96孔滤板分成两个隔间(供体室和受体室)。供体室中加入待测化合物的缓冲溶液(pH5.0~pH7.4),受体室中加入空白缓冲液(pH7.4左右),如图2所示,在37℃孵育一段时间后,使用紫外分光光度法测定测定受体室一侧药物浓度。

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图2PAMPA试验示意图

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图3采用PAMPA预测人空肠渗透性

由图3可知,有些药物通过PAMPA预测的渗透性结果与Coca2基本一致。PAMPA的优势在于无需进行细胞培养,降低了成本,提高渗透性测定的通量。

2 Caco-2细胞模型

Caco2是可以无限分裂的人结肠癌细胞系,Caco2顶膜表面形成微绒毛形态与胃肠道上皮细胞的小肠绒毛比较相似, 且表达众多的细胞转运体,包括p-糖蛋白(p-gp),乳腺癌耐药蛋白(BCRP),多药耐药蛋白(MPR)等常见的外排型转运蛋白,还包括葡萄糖,氨基酸,寡肽等参与物质转运的吸收型体,有可能预测主动转运和有多种转运体的药物相互作用,其示意图见图4。

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图4 Caco-2细胞模型表观渗透性试验示意图

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图5 同一化合物通过Caco-2细胞模型与PAMPA测定渗透性数据的相关性

PAMPA与Caco-2细胞模型对于渗透性预测的机理根本区别在于Caco-2细胞模型不仅可以预测化合物的被动转运,还可以表征化合物外排与主动吸收;PAMPA所预测的仅仅是化合物被动转运。对于仅仅通过被动扩散进行渗透的化合物,Caco-2细胞模型与PAMPA测定渗透性数据落在图5的两条相关线之间;化合物具有外排作用,数据落在右下角;化合物具有主动摄取或者细胞旁路进行吸收,数据落在左上角。两者结合,可以更加准确表征化合物的转运特性。

3 尤斯灌流大鼠模型

尤斯灌流技术是目前常用的研究胃肠道通透性的体外方法之一。将大鼠肠道截取后,分离离体肠段的浆膜层组织,随后将肠片固定在互不相通的黏膜和浆膜腔室之间的孔上,模拟胃肠道的生理环境,将测试化合物添加到组织的黏膜或浆膜侧,可结合肠道代谢来研究药物的转运(吸收和分泌方向),其示意图如6所示。

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图6 尤斯灌流大鼠模型试验示意图

4 人体Loc-I-Gut实验

空肠是多数哺乳动物对大部分药物的主要吸收区,它具有最大的表面积,是肠道中最活跃的载体介导转运位点。最常用和最有效的临床上测定空肠近端Peff的技术是Loc-I-Gut。任何用于预测人体肠道吸收的体外模型都必须从对照相应的人体体内数据进行验证开始,这些预测的基础是与Loc-I-Gut的历史Peff测量值具有相关性。

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图7 Loc-I-Gut示意图

将这些空肠Peff值转化为肠道吸收半衰期(half-lifeofabsorption,t1/2,abs)值,再与传统药代动力学(pharmacokinetic,PK)数据分析,即血药浓度曲线计算出的相应t1/2,abs值进行比较,进一步分析这些空肠Peff值的有效性。从选定的药物子集的空肠Peff值获得的t1/2,abs值与临床PK研究(口服溶液或速释制剂)获得的“真实”体内吸收数据非常吻合。并且这些药物的人体空肠Peff值具有位置和时间依赖性,但仍然能够预测整体Fa。这都说明了Peff能反映药物在体内的“真实”吸收。因此,目前人体Loc-I-Gut实验是通透性实验的“金标准”。

但是,Loc-I-Gut 研究是在健康的受试者进行的。Loc-I-Gut 实验操作繁琐,价格昂贵,且涉及伦理学的问题, 因此无法大规模地用于药物的筛选。

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小结

渗透性预测更多的去预测API分子的渗透性,而不是药物产品。 药物产品的 变化通常对渗透性的影响较小,因为这是药物分子的一种特性,不太可能随产品和工艺变化而改变。 在新药的药物开发过程中,可以通过多种技术来评估渗透性。 在产品开发的早期阶段和用于评估候选药物时,首选更简单的方法,而在后期开发中可能会执行更复杂的测量。 虽然,更高检测的效率,使用更简单的方法,在BCS分类中不被普遍认可作为定性(例如进入高/中/低档)和定量(以数字表示的渗透性)衡量,但是仍旧具有预测的意义。 如果任何定量值可以与有意义的原位人体渗透性或吸收分数的测量相关联,则可以进一步增强其有用性。 对于正式的BCS分类,在使用的方法和方法验证方面,关于什么是可接受的渗透率评估方法有具体的指导。

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