吸入制劑體內(nèi)外相關(guān)性評(píng)價(jià)模型的概述
An Overview on Evaluation Models with in vivo-in vitro Correlations for Inhalation Products
來源
中國(guó)醫(yī)藥工業(yè)雜志 Chinese Journal of Pharmaceuticals 2019, 50(1)
作者
胡 玥，盛云華，唐黎明，陳 剛，陳桂良
上海市食品藥品檢驗(yàn)所
復(fù)旦大學(xué)藥學(xué)院
中國(guó)醫(yī)藥工業(yè)研究總院
上海藥品審評(píng)核查中心
摘要
吸入制劑體內(nèi)外相關(guān)性研究，是通過建立體外模型預(yù)測(cè)藥物在體內(nèi)的作用特征，指導(dǎo)和優(yōu)化處方設(shè)計(jì)，調(diào)整制劑工藝，評(píng)估藥效和安全性，從而提高研發(fā)效率，節(jié)約研發(fā)成本。
本文總結(jié)了吸入制劑體內(nèi)外相關(guān)性研究中常用的體外模型，包括用于預(yù)測(cè)藥物肺部沉積的呼吸道物理模型，預(yù)測(cè)藥物體內(nèi)藥代動(dòng)力學(xué)的計(jì)算機(jī)模型，以及預(yù)測(cè)藥物安全性和體內(nèi)過程的體外細(xì)胞和3D 器官模型，并探討不同模型的應(yīng)用范圍、優(yōu)勢(shì)和局限性。
正 文
吸入制劑主要用于哮喘和慢性阻塞性肺病(chronic obstructive pulmonary disease，COPD) 的治療，近年來還應(yīng)用于治療肺部感染、肺部囊性纖維化和呼吸道腫瘤等，同時(shí)也用于糖尿病等全身性疾病，應(yīng)用十分廣泛[1]。
與傳統(tǒng)劑型不同，大多數(shù)吸入制劑主要對(duì)呼吸道和肺部產(chǎn)生局部作用，其藥效不依賴于全身循環(huán)吸收。
由于局部藥物濃度與血液和尿液中的藥物濃度缺乏相關(guān)性，建立能夠有效預(yù)測(cè)肺部藥物沉積和體內(nèi)過程的體內(nèi)外相關(guān)性模型是一項(xiàng)艱巨的挑戰(zhàn)。
此外，大多數(shù)吸入制劑產(chǎn)品復(fù)雜，處方和裝置的結(jié)合增加了生物等效性(bioequivalence，BE) 建立的復(fù)雜性。
體內(nèi)外相關(guān)性( in vivo-in vitro correlation，IVIVC) 指的是用于描述某一藥物的體外特征與體內(nèi)反應(yīng)間相關(guān)關(guān)系的一種預(yù)測(cè)性數(shù)學(xué)模型[2]。
吸入制劑體內(nèi)外相關(guān)性研究的主要目的是通過藥物體外特性預(yù)測(cè)其在體內(nèi)的作用特征；建立體內(nèi)外相關(guān)性能更好地表征產(chǎn)品性能，反映肺部沉積和臨床效果，其意義在于指導(dǎo)和優(yōu)化處方的設(shè)計(jì)、確立更具代表性的試驗(yàn)方案、合理調(diào)整制劑和工藝以及用于生物等效豁免，節(jié)約開展臨床試驗(yàn)所需的時(shí)間和費(fèi)用。
藥效和毒性的體內(nèi)外相關(guān)性模型可為藥物劑量設(shè)計(jì)和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供參考依據(jù)。建立可靠的體內(nèi)外相關(guān)性評(píng)價(jià)模型能夠縮短藥物研發(fā)周期，降低研發(fā)成本[3]。
本文總結(jié)了吸入制劑體內(nèi)外評(píng)價(jià)研究中常用的模型，包括用于預(yù)測(cè)肺部沉積的模型、預(yù)測(cè)體內(nèi)藥代動(dòng)力學(xué)的計(jì)算機(jī)模型以及預(yù)測(cè)安全性和有效性的體外細(xì)胞/ 離體組織模型，并探討不同模型的應(yīng)用范圍、優(yōu)勢(shì)和局限性。
1
預(yù)測(cè)藥物肺部沉積的模型
喉部沉積是藥物肺部沉積變異度的主要來源。
然而，用于測(cè)定空氣動(dòng)力學(xué)粒徑的美國(guó)藥典人工喉過于簡(jiǎn)單，無法充分模擬呼吸道的幾何形狀和實(shí)際使用時(shí)的呼吸模式。
該模型主要用于產(chǎn)品的質(zhì)量控制，在預(yù)測(cè)體內(nèi)藥物沉積方面十分局限。
利用各種影像技術(shù)獲得呼吸道的立體構(gòu)造，構(gòu)建呼吸道物理模型可以更加準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)肺部沉積。通過在體外測(cè)定藥物沉積，建立擬合曲線得到預(yù)測(cè)結(jié)果，可以與體內(nèi)沉積數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。
盡管一些案例中體外和計(jì)算機(jī)的方法能夠預(yù)測(cè)體內(nèi)沉積，但使用成像技術(shù)和模型無法獲得所有呼吸道中的流體和氣溶膠力學(xué)的細(xì)節(jié)特征，氣溶膠在裝置和呼吸道中高度復(fù)雜的行為也對(duì)計(jì)算機(jī)方法提出了更高的要求，因此仍存在一些局限性[3]。
美國(guó)FDA 也表示，盡管對(duì)于用體外方法證明吸入制劑仿制藥的生物等效性有了前瞻性的研究，但仍需要仿制藥企業(yè)采用包括體外方法證明BE 的研究、藥代動(dòng)力學(xué)為終點(diǎn)的BE 研究、比較臨床終點(diǎn)BE 研究以及證明處方和器械相同性的研究，這4 個(gè)因素的證據(jù)權(quán)重(weight-of-evidence)方法證明生物等效性。
1.1 利用影像技術(shù)構(gòu)建仿真呼吸道物理模型
利用3D 計(jì)算機(jī)斷層掃描(computerized tomography，CT) 和核磁共振(magnetic resonance imaging，MRI) 成像，可獲得呼吸道和肺部的高分辨3D 圖像，尤其是MRI 能夠區(qū)分軟組織和呼吸道本身之間的界面，進(jìn)而建立物理模型[4]。
盡管多層掃描能夠顯著提高CT 的分辨率，但對(duì)人體的放射性劑量過高，限制了CT 在氣管、支氣管模型上的應(yīng)用[5]。
此外，口咽部的角度隨著頭部的傾斜而改變，喉部的形態(tài)還與性別、年齡和氣流速度有關(guān)，氣管支氣管和肺部的大小以及棱狀突起的形態(tài)隨著呼吸不斷變化，因此很難預(yù)測(cè)和模擬患者實(shí)際使用吸入制劑的模式[6]。
近年來，動(dòng)態(tài)MRI 具有較高的時(shí)間分辨率，觸發(fā)核磁共振成像(triggered MRI)能夠呈現(xiàn)口咽部和上呼吸道詳細(xì)的3D 圖像，其圖像的改變代表藥物沉積模式的改變[7—9]。
呼吸道物理模型需要在內(nèi)表面涂覆一層黏性液體( 如硅油、甘油等)，避免粒子沉積后再飛散。結(jié)合活體3D 成像得到的口腔- 咽喉的物理模型與呼吸模式，用于IVIVC 造模預(yù)測(cè)總肺沉積( total lung deposition，TLD)，能獲得準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)結(jié)果[10]。
2016 年美國(guó)FDA 向弗吉尼亞聯(lián)邦大學(xué)撥款，用于研發(fā)替代吸入制劑體內(nèi)BE 研究的體外模型。
Byron等證明經(jīng)幾何參數(shù)優(yōu)化的口腔和咽喉模型可以用于估算總肺沉積，但仍存在一些局限性，有待進(jìn)一步研究[3]。
1.2 計(jì)算機(jī)流體動(dòng)力學(xué)(computational fluid dynamics，CFD) 模型
CFD 模型能夠預(yù)測(cè)藥物在呼吸道的局部沉積，進(jìn)而測(cè)試并優(yōu)化吸入制劑產(chǎn)品。研究者一般通過以下3 種方式建立物理模型：
①文獻(xiàn)中的幾何學(xué)參數(shù)；
②分析影像學(xué)數(shù)據(jù)得到代表性幾何學(xué)參數(shù)；
③整合醫(yī)學(xué)影像和空氣動(dòng)力學(xué)參數(shù)得到理想化的幾何學(xué)參數(shù)。
多數(shù)情況下，簡(jiǎn)化幾何學(xué)參數(shù)能使模型更容易被制造和應(yīng)用[11—13]。
然而由于呼吸道結(jié)構(gòu)、流體動(dòng)力學(xué)和氣溶膠理化性質(zhì)的復(fù)雜性，精確模擬呼吸道十分困難。
Koullapis 等根據(jù)人體真實(shí)的呼吸道結(jié)構(gòu)建立了體外仿真模型和用于沉積測(cè)試的物理模型，包含口腔、喉部、氣管支氣管等結(jié)構(gòu)[14]。
同時(shí)應(yīng)用3 種不同的大渦模擬(large eddy simulation，LES) 模型和3 種RANS(Reynolds Averaged Navier Stokes) 模型模擬呼吸道氣流和不同粒徑大小顆粒的沉積模式。
對(duì)于較大的顆粒，LES 模型預(yù)測(cè)局部沉積獲得了較好的結(jié)果，RANS 模型對(duì)于較小和中等大小的顆粒的沉積預(yù)測(cè)過度，而對(duì)于較大的顆粒沉積則預(yù)測(cè)不足。因此篩孔大小和顆粒軌跡對(duì)沉積有較大影響[10,14—15]。
1.3 改良撞擊器模型
患者的呼吸模式對(duì)氣溶膠的形成和沉積模式具有顯著影響，在固定氣流下進(jìn)行測(cè)試主要用于產(chǎn)品質(zhì)量控制[16]。
在患者的實(shí)際使用過程中，流速是隨著時(shí)間而變化的。因此，IVIVC 需要考慮不同呼吸模式的影響，將用口腔、咽喉、上呼吸道模型得到的與撞擊器得到的空氣動(dòng)力學(xué)粒度分布 (aerodynamic particle size distribution，APSD) 數(shù)據(jù)結(jié)合，預(yù)測(cè)肺部沉積。
Thiel 等采用Stahlhofen 模型，通過分析不同吸入制劑( 沙丁胺醇?xì)忪F劑、特布他林粉霧劑等)的空氣動(dòng)力學(xué)粒度分布數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)TLD，并提出在預(yù)測(cè)肺泡沉積時(shí)氣溶膠在肺部的滯留時(shí)間需加入呼吸控制校正[17]。
與此同時(shí)，在線Aerosol Research Laboratory at Alberta(ARLA) 呼吸道計(jì)算器，采用無量綱參數(shù)獲得個(gè)體間的幾何學(xué)差異，可以獲得與Thiel 等報(bào)道相近的預(yù)測(cè)結(jié)果。
Stahlhofen 方程采用APSD 數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)吸入制劑在肺部和氣管支氣管的沉積，其預(yù)測(cè)的不確定性在于吸入制劑通常是不穩(wěn)定的多分散體系[16]。
Finlay 等采用吸濕性人體肺部沉積模型(hygroscopic human lung deposition model) 將不穩(wěn)定且易吸濕的氣溶膠在氣管支氣管和肺泡的局部沉積預(yù)測(cè)結(jié)果與單光子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層顯像(single photon emission computed tomography，SPECT) 數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，同時(shí)預(yù)測(cè)不同人群的沉積變化情況，獲得了良好的驗(yàn)證結(jié)果[18]。
為了準(zhǔn)確預(yù)測(cè)氣溶膠在口咽部的沉積以及離開口咽部進(jìn)入氣管的氣溶膠特征，還需要考慮熱能、質(zhì)量、物態(tài)變化( 液滴與氣態(tài)相互轉(zhuǎn)化)。這類模型的研究和驗(yàn)證有待深入進(jìn)行。
2
預(yù)測(cè)體內(nèi)藥代動(dòng)力學(xué)的計(jì)算機(jī)模型
吸入制劑的療效在較大程度上取決于藥物、制劑、裝置、患者各個(gè)因素之間的復(fù)雜的相互作用。
在傳統(tǒng)的新藥研發(fā)過程中需要對(duì)候選藥物開展一系列臨床前和早期臨床試驗(yàn)，若藥代動(dòng)力學(xué)特征或治療窗不合適就可能會(huì)被終止。
僅僅依賴實(shí)驗(yàn)方法會(huì)延長(zhǎng)研發(fā)周期，同時(shí)提高研發(fā)成本[19]。
利用計(jì)算機(jī)模型如生理藥動(dòng)學(xué)(physiological based pharmacokinetic model，PBPK) 模型，可以預(yù)測(cè)藥物在體內(nèi)局部或全身的吸收、分布、代謝、排泄 (absorption, distribution, metabolism and elimination，ADME)，充分理解藥物遞送系統(tǒng)、藥物分子與肺部的相互作用，在治療的程度和時(shí)間以及全身性的不良反應(yīng)之間找到合適的平衡點(diǎn)。
PBPK 模型可通過一系列的步驟預(yù)測(cè)藥物在肺部的行為。需要充分了解以下多個(gè)環(huán)節(jié)之間的關(guān)系：
①藥物在肺部沉積的量；
②沉積的藥物粒子的溶解度；
③溶解的藥物通過肺黏液層進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)的擴(kuò)散速率；
④滲透進(jìn)入和穿過細(xì)胞進(jìn)入體循環(huán)的藥量，以及上述參數(shù)與沉積部位之間的關(guān)系[20]。
然而，目前無法對(duì)上述所有的過程進(jìn)行量化，這方面的研究尚在初始階段。
目前商品化的軟件僅有GastroPlusTM和Simcyp SimulatorTM ，還有一些實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部開發(fā)的軟件[21]。
計(jì)算機(jī)模型的發(fā)展能夠幫助篩選吸入制劑藥物、制劑、裝置的組合，用試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行描述，并用模型將試驗(yàn)數(shù)據(jù)和過程機(jī)制進(jìn)行整合，找到?jīng)Q定局部和整體暴露的關(guān)鍵性過程。
2.1 GastroPlusTM ADRM
GastroPlusTM ADRM(GastroPlusTM 鼻腔- 肺部房室吸收轉(zhuǎn)運(yùn)模型，美國(guó)Simulations Plus 公司) 是目前唯一將PBPK 模型與肺部沉積、溶出度、肺部清除等數(shù)據(jù)結(jié)合的商品化計(jì)算機(jī)模型。
該程序包含肺部3 個(gè)主要部分( 分別為大、小氣管和肺泡間隙，即BB、bb 和AI) 以及胸腔外部分(ET)。
各部分又進(jìn)一步分為呼吸道黏液部分和上皮/ 肺組織部分。用戶可以對(duì)每個(gè)部分設(shè)置相關(guān)的生理學(xué)參數(shù)，定義沉積模式，與其他類似的沉積模型( 如ARLA和Mimetikos 模型) 兼容[21]。
該軟件應(yīng)用Noyes-Whitney 原理，基于粒度分布、溶解度和擴(kuò)散速率的數(shù)據(jù)模擬溶出過程；運(yùn)用一級(jí)黏膜纖毛轉(zhuǎn)運(yùn)模型模擬藥物由氣管上行進(jìn)入胸腔外，而后進(jìn)入胃腸道的過程[22]。溶出的藥物從呼吸道黏液進(jìn)入肺組織的方式分為被動(dòng)擴(kuò)散和主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)。
根據(jù)藥物的相對(duì)分子質(zhì)量和呼吸道不同部位的上皮厚度估算肺泡間隙的滲透性。
兩種動(dòng)力學(xué)清除過程與溶出模型結(jié)合，能夠模擬沉積模式和溶出度對(duì)肺部生物利用度和吸收速率的影響[23]。
藥物經(jīng)肺組織吸收進(jìn)入體循環(huán)主要受到組織血流量以及血液與組織間的分配系數(shù)的影響，這些參數(shù)可以通過實(shí)驗(yàn)或采用標(biāo)準(zhǔn)化的PBPK 模型進(jìn)行計(jì)算。
2.2 Simcyp SimulatorTM 和PK-SIMTM
Simcyp SimulatorTM 和PK-SIMTM 利用肺部和胃腸道吸收的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)藥動(dòng)學(xué)(PK) 進(jìn)行建模。
Gauhua 等應(yīng)用Simcyp 研究抗結(jié)核藥物在肺部和全身的藥代動(dòng)力學(xué)[24]。
Stass 等運(yùn)用PK-SIMTM 將健康受試者吸入環(huán)丙沙星后的PK 數(shù)據(jù)去卷積，得到口部、氣管支氣管以及肺泡間隙沉積的藥物分別對(duì)全身暴露的作用[25]。
這些PBPK 模型在預(yù)測(cè)藥物在臨床前和早期臨床的藥動(dòng)學(xué)時(shí)，將溶出度和上皮滲透率簡(jiǎn)化為一級(jí)速率反應(yīng)，而沒有考慮藥物實(shí)際在肺部的復(fù)雜過程，以及肺的不同部位吸收和非吸收兩種清除模式之間的平衡，從而限制了模型的應(yīng)用。
2.3 實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部模型
除了商品化的軟件程序，還有許多實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部定制的肺部吸收模型用于吸入制劑的研發(fā)。
Boger等預(yù)測(cè)了難溶性吸入藥物丙酸氟替卡松在大鼠體內(nèi)的行為[26]。
在吸入和靜脈給予大鼠丙酸氟替卡松后，測(cè)定了肺部糖皮質(zhì)激素受體被占據(jù)的時(shí)間過程。
通過模型可以預(yù)測(cè)吸入和靜脈給藥后丙酸氟替卡松的藥代動(dòng)力學(xué)和受體占有率。
該研究表明，在肺部灌注良好的部位難以實(shí)現(xiàn)肺部的選擇性，藥物與受體的緩慢解離對(duì)于肺部選擇性具有關(guān)鍵性作用。
Merck 公司開發(fā)的一種計(jì)算機(jī)模型整合了肺分級(jí)沉積模型、溶出度模型、氣管支氣管模型、吸收模型、藥效(PD) 模型、以及PBPK 模型。
采用給予大鼠和志愿者糠酸莫米松、布地奈德、沙丁胺醇和福莫特羅后的PK 數(shù)據(jù)對(duì)該模型進(jìn)行了驗(yàn)證。
結(jié)果提示該模型可提供有價(jià)值的肺部選擇性( 肺部和全身濃度的比值) 信息[26]。
Bhagwat 等采用兩種方法，運(yùn)用空氣動(dòng)力學(xué)粒度分布和溶解性數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)吸入性糖皮質(zhì)激素(inhaled corticosteroids，ICSs，包括糠酸莫米松、布地奈德、丙酸氟替卡松) 干粉吸入劑的全身藥代動(dòng)力學(xué)。
兩種方法均從級(jí)聯(lián)撞擊器試驗(yàn)結(jié)果得到總肺劑量和肺沉積率，但得到肺部吸收速率的方法不同。
方法一根據(jù)體外空氣動(dòng)力學(xué)粒度分布和體外藥物溶解度預(yù)測(cè)體內(nèi)藥物溶出和吸收速率。
方法二通過體外Transwell 溶出試驗(yàn)計(jì)算平均溶出時(shí)間(MDT)，從而得到一級(jí)吸收速率。
兩種方法的預(yù)測(cè)結(jié)果與文獻(xiàn)報(bào)道的藥代動(dòng)力學(xué)特征相一致。方法一采用更加復(fù)雜的策略來預(yù)測(cè)溶出吸收過程，但在預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性方面與方法二相比并沒有明顯的優(yōu)勢(shì)[20]。
Eriksson 等采用大鼠離體肺灌注模型得到10 個(gè)吸入制劑的轉(zhuǎn)運(yùn)數(shù)據(jù)，導(dǎo)入計(jì)算機(jī)模型估算肺部滲透率和組織滯留；并與Caco-2 細(xì)胞模型獲得的滲透性數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性研究。
結(jié)果顯示該計(jì)算機(jī)模型能較好地描述藥物在肺部的轉(zhuǎn)運(yùn)特征[27]。
3
預(yù)測(cè)吸入制劑的安全性和體內(nèi)過程的體外模型
預(yù)測(cè)吸入制劑的安全性和體內(nèi)過程的體外模型出于降低實(shí)驗(yàn)成本和醫(yī)學(xué)倫理方面的考慮，體外模型日益受到關(guān)注。
體外模型產(chǎn)生的數(shù)據(jù)能夠在某些方面預(yù)測(cè)藥物對(duì)人體的反應(yīng)，如安全性、體內(nèi)過程、生物利用度等[28]。
不同模型的組合可以得到體內(nèi)外相關(guān)性更好的數(shù)據(jù)，提升初篩的效率。
簡(jiǎn)單的模型能夠獲得重復(fù)性更好的數(shù)據(jù)，但同時(shí)無法反映不同類型細(xì)胞間的相互作用。
3.1 體外細(xì)胞暴露模型
體外細(xì)胞培養(yǎng)有浸入式的單種細(xì)胞培養(yǎng)和多種細(xì)胞共培養(yǎng)體系，也有人呼吸道細(xì)胞的氣液界面培養(yǎng)(air-liquid interface，ALI)。
在浸入式培養(yǎng)中，培養(yǎng)基能夠維持正常上皮細(xì)胞的表型、基因的表達(dá)，但同時(shí)也阻礙氣體的擴(kuò)散[29]。
氣液界面培養(yǎng)能夠使氣體直接接觸所培養(yǎng)的呼吸道細(xì)胞，使研究更加接近氣體在人體內(nèi)的作用方式。
共培養(yǎng)模型整合了胚胎干細(xì)胞[ 來源于腫瘤的細(xì)胞株( 如NIH-292 細(xì)胞)、永生化細(xì)胞株( 如BESA-2B 細(xì)胞) 以及原代細(xì)胞( 如NHBE 細(xì)胞) 等]。
氣- 液界面暴露系統(tǒng)能夠模擬氣溶膠在呼吸道的沉積過程，避免細(xì)胞培養(yǎng)液對(duì)氣溶膠暴露的干擾，使氣溶膠與細(xì)胞表面直接接觸，達(dá)到最大程度的暴露，適用于評(píng)估氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)氣溶膠。
暴露系統(tǒng)顆粒沉降的機(jī)制包括擴(kuò)散、沉降、云沉降、靜電沉淀等。
細(xì)胞體外暴露試驗(yàn)常用的暴露系統(tǒng)有Cultex 和VitroCell[30—31]，以及干粉氣溶膠沉降過程研究采用的PADDOCC(pharmaceutical deposition device on cell cultures，暫譯為細(xì)胞培養(yǎng)藥物沉積裝置)[31]。
有研究者分別采用體內(nèi)和體外的方法研究化合物和納米粒子導(dǎo)致的吸入毒性，根據(jù)美國(guó)環(huán)境保護(hù)局(Enviromental Protection Agency，EPA) 和全球化學(xué)品統(tǒng)一分類和標(biāo)簽制度(Globally Harmonized System of Classification and Labelling of Chemicals，GHS) 的標(biāo)準(zhǔn)分級(jí)，對(duì)比研究得到的IC50 值與大鼠的半數(shù)致死濃度LC50 值，發(fā)現(xiàn)一些化合物在采用肺切片、細(xì)胞單層以及商品化的共培養(yǎng)模型預(yù)測(cè)有無毒性方面具有良好的專屬性和靈敏度[32—33]。
2016 年“Alternative Approaches for Acute Inhalation Toxicity Testing to Address Global Regulatory and Non-Regulatory Data Requirements”研討會(huì)中，對(duì)急性吸入毒性替代試驗(yàn)的要求以及努力實(shí)現(xiàn)非動(dòng)物試驗(yàn)方法獲得全球監(jiān)管機(jī)構(gòu)認(rèn)可的事宜進(jìn)行了深入討論。
雖然在多數(shù)情況下許多監(jiān)管機(jī)構(gòu)仍需要體內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，但非動(dòng)物實(shí)驗(yàn)方法可以作為驗(yàn)證和優(yōu)化的手段。非動(dòng)物模型的簡(jiǎn)化和標(biāo)準(zhǔn)化將有助于提高監(jiān)管機(jī)構(gòu)的接受度。
政府、工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和非政府組織需要共同努力，推進(jìn)非動(dòng)物方法的實(shí)施和全球監(jiān)管機(jī)構(gòu)的接受度[34]。
除了局部毒性，能夠穿透氣- 血屏障的藥物還會(huì)對(duì)其他臟器造成損傷，而不影響肺部。
通過跨膜滲透性能夠評(píng)估藥物發(fā)生全身性毒性的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，需要考慮藥物在肺部的生物轉(zhuǎn)化作用。選擇合適的細(xì)胞類型需要全面地綜合考慮，例如為了模擬纖維化，就需要選擇上皮細(xì)胞和纖維母細(xì)胞建立有效的體外系統(tǒng)[35]。
支氣管內(nèi)表面被黏液覆蓋，微粒不能輕易穿透黏液保護(hù)層，但許多體外模型并沒有考慮這個(gè)因素，對(duì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的影響尚不明確。Murgia等強(qiáng)調(diào)了氣- 液環(huán)境和液- 液環(huán)境的區(qū)別，在風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中這個(gè)因素是會(huì)影響顆粒穿透黏液效果的[35]。
纖毛清除同樣會(huì)影響體內(nèi)外相關(guān)性。在毒性試驗(yàn)中，沒有一個(gè)模型能夠滿足所有的要求，因此需要結(jié)合不同模型進(jìn)行綜合評(píng)估。
3.2 3D 器官模型
3D 器官模型是將細(xì)胞以一定的比例和方式模擬人呼吸道的某個(gè)部分[29]。
例如采用來源于人體的細(xì)胞進(jìn)行ALI 培養(yǎng)，模擬人體內(nèi)呼吸道的生理屏障功能( 如跨上皮細(xì)胞電阻、緊密連接) 以及黏液分泌、纖毛清除功能，可用于感染、急性毒性或長(zhǎng)期毒性的研究[36—37]。
隨著3D 呼吸道器官模型的發(fā)展，新型和改良系統(tǒng)不斷涌現(xiàn)，可以用于不同的吸入毒性研究，如MucilAir 和SmallAir (Epithelix Sàrl 公司)、EpiAirwayTM 和EpiAlveolarTM(MatTek 公司) 以及Micro-LungTM 和Metabo-LungTM(Cardiff大學(xué))。
采用的細(xì)胞來源于健康志愿者或患者的鼻、氣管/ 支氣管上皮細(xì)胞、纖維母細(xì)胞、杯狀細(xì)胞以及肺泡細(xì)胞等。
肺芯片系統(tǒng)能夠預(yù)測(cè)人體肺部組織對(duì)外源性物質(zhì)的反應(yīng)。在微型聚合裝置上包含了多層細(xì)胞培養(yǎng)艙，模擬氣管、支氣管和肺泡的立體微結(jié)構(gòu)。
肺芯片裝置能夠通過呼吸循環(huán)和血流動(dòng)力學(xué)模擬肺組織的動(dòng)態(tài)微環(huán)境。此外，不同類型的細(xì)胞共培養(yǎng)能夠模擬組織間復(fù)雜的相互作用，進(jìn)而在器官水平上產(chǎn)生綜合的生理響應(yīng)[38]。
Huh 等設(shè)計(jì)的肺芯片模型能夠模擬人體肺部的肺泡- 毛細(xì)血管單元，2 個(gè)平行的細(xì)胞培養(yǎng)艙之間由彈性的多孔薄膜隔離。
將人肺泡上皮細(xì)胞和肺微血管內(nèi)皮細(xì)胞共培養(yǎng)在薄膜的兩側(cè)，重建氣- 血界面結(jié)構(gòu)。
用計(jì)算機(jī)控制氣體循環(huán)，模擬生理呼吸模式以及伴隨的組織變形。該系統(tǒng)成功模擬了肺部感染和納米粒子穿透肺泡- 毛細(xì)血管屏障的過程[39—40]。
Stucki 等應(yīng)用肺芯片模擬肺泡細(xì)胞的拉伸，同時(shí)觀察到熒光素鈉的轉(zhuǎn)運(yùn)和白細(xì)胞介素-8(interleukin-8，IL-8) 的釋放隨著細(xì)胞的拉伸而顯著性升高[41]。
4結(jié)語
隨著影像學(xué)技術(shù)的發(fā)展，越來越多的研究利用軟件擬合三維呼吸道結(jié)構(gòu)，制造物理模型預(yù)測(cè)氣溶膠在呼吸道內(nèi)的沉積分布。
目前模型主要是基于對(duì)正常成人呼吸道的分析，當(dāng)預(yù)測(cè)不同氣流阻力的吸入制劑沉積時(shí)，需要考慮年齡、性別、疾病等對(duì)呼吸道結(jié)構(gòu)的影響，以及這些影響導(dǎo)致的氣溶膠沉積差異。
計(jì)算機(jī)模型在準(zhǔn)確預(yù)測(cè)肺部沉積模式和藥物濃度方面仍困難重重。
此外，在創(chuàng)新藥或仿制藥申報(bào)過程中，計(jì)算機(jī)模型預(yù)測(cè)結(jié)果尚不能被監(jiān)管部門所接受。
預(yù)測(cè)安全性和體內(nèi)過程的模型越來越多，針對(duì)不同的研究目的選擇合適的模型至關(guān)重要。
不同模型的組合可以得到體內(nèi)外相關(guān)性更好的數(shù)據(jù)，提升初篩的效率。選擇體外模型需要考慮成本、復(fù)雜性、重復(fù)性、可獲得性以及能否進(jìn)行高通量試驗(yàn)，還需要考慮到人體可能的暴露情況，以及生物利用度和代謝清除作用。采用計(jì)算機(jī)模型優(yōu)化體外研究結(jié)果，能使模型預(yù)測(cè)的結(jié)果更加可靠。
在吸入制劑的研發(fā)過程中，通過不同的體外模型建立IVIVC 預(yù)測(cè)吸入制劑在呼吸道的沉積、進(jìn)入體內(nèi)后的藥代動(dòng)力學(xué)以及安全性，能夠節(jié)約研發(fā)的經(jīng)濟(jì)成本和時(shí)間成本。