生物分析专栏｜吸入制剂的药代动力学和生物分析
吸入制剂系指通过特定的装置将药物以雾状形式传输至呼吸道和/或肺部以发挥局部或全身作用的制剂。吸入给药途径由于能够直接将药物输送到肺部或中枢神经系统进行局部和全身治疗，因而在当今的研究领域具有重要意义。
由于各种慢性疾病常规治疗存在局限性，人们越来越重视开发靶向给药系统。吸入制剂根据给药部位的不同可分为鼻腔吸入给药和肺部吸入给药。
鼻腔吸入给药是一种非侵入性给药途径，有效药物成分可发挥局部、全身和中枢神经系统（CNS）的作用。药物通过鼻黏膜吸收后，可获得比口服给药更好的生物利用度，发挥全身治疗作用，如甾体激素类、镇痛药以及抗病毒药物等。有的鼻腔吸入制剂还可以发挥局部作用，用于治疗过敏性鼻炎等疾病。另外CNS靶向药物可以从鼻腔吸入，通过嗅神经和三叉神经直接吸收，绕过血脑屏障（BBB）和血脑脊液屏障（B-CSF-B），从而到达脑实质[1]，治疗如AD等神经系统疾病。鼻腔吸入给药已成为一种很有前途的脑给药方法。
与口服或静脉给药相比，鼻腔给药具有其无创性、自我给药、较短的起效时间和较高的生物利用度等优点。
表1 鼻腔吸入给药的优缺点[2]
肺部吸入给药是一种无创、快速、有效的局部和系统给药途径。由于肺有很大的表面积和丰富的血管系统，能避免肝首过效应，具有酶活性较低、上皮屏障较薄及膜通透性高等优点，已成为蛋白质多肽类药物重要的非注射给药途径。越来越多的药物被制成肺部吸入制剂，应用于各种疾病，如：哮喘、支气管炎、肺炎、肺结核、肺部感染、肺癌、慢性阻塞性肺病（COPD）、囊肿型纤维化、胸膜积液、糖尿病等。
随着我国药物研发水平逐渐与国际接轨，吸入制剂仿制药和创新药的研发均快速崛起。由于吸入制剂的特殊性，药物的吸收与呼吸器官的生理结构、药物理化性质、吸入装置息息相关，使得吸入制剂表现出独特的药代动力学特点。而且该类制剂主要是通过局部给药发挥疗效，且治疗剂量下通常并不引起全身作用，系统暴露量低。此外，大多数吸入制剂产品复杂，给药过程中受试者依从性、给药手法以及吸入与给药的配合、处方和装置的结合均增加了生物等效性（bioequivalence，BE）建立的复杂性，使其生物分析面临了巨大的挑战。因此，有必要了解吸入制剂的药代动力学和生物分析。
本文将从鼻腔、肺部主要解剖结构及基本特性点、药物在鼻腔/肺部的吸收、分布、代谢与排泄、FDA批准的吸入制剂以及生物分析实例等几个方面进行简述，以期阐明吸入制剂的药代动力学和生物分析特点。
02
鼻与肺部的解剖结构及基本特性
了解吸入制剂的药代动力学特点的前提要清楚呼吸系统的基本解剖结构。呼吸系统（Respiratory System）是人体与外界空气进行气体交换的一系列器官的总称，有着密切的结构-功能关系。该系统主要由两个重要区域组成：上呼吸道由鼻、鼻腔和咽组成，下呼吸道由喉、气管、支气管、肺泡和肺组成。肺负责全身的气体交换。
图1呼吸系统解剖图[3]
注：A)显示呼吸系统的不同结构。B)显示气道、肺泡、血管和毛细血管。C)显示肺泡和毛细血管之间的气体交换
1.鼻的结构与生理特点
鼻是呼吸道直接与外界相通的器官，由外鼻、鼻腔（nasal cavity）和鼻旁窦三部分组成。鼻腔从鼻孔延伸到鼻咽部，由鼻中隔纵向分隔为结构相同的左右部分。鼻腔可以分为三个功能区域：鼻前庭区、呼吸区、嗅觉区。鼻黏膜是覆盖在鼻腔内壁的一层组织结构，由上皮组织和固有层构成。
鼻腔的空气通道呈弯曲状，气流一旦进入即受到阻挡而改变方向。外界伴随空气进入鼻腔的粒子大部分沉积在鼻前庭前部，难以直接通过鼻腔到达气管[4]。
图2 鼻腔的内部结构示意图[5]
1）鼻前庭区（vestibular region）。鼻前庭区位于鼻孔的开口处，大约有0.6 cm2的表面积，表面覆盖鳞状上皮细胞，几乎没有纤毛细胞，其上生长的鼻毛可以阻挡来自气流中的大颗粒。因其较小的表面积和细胞的结构，药物在该区域的吸收非常有限。
2）呼吸区（respiratory region）。呼吸区覆盖着鼻腔的外侧壁，包括三个突出的呈皱褶状的鼻甲（下鼻甲、中鼻甲和上鼻甲），位于鼻腔的后三分之二部位。这一区域的面积最大，约130 cm2，同时也是血管最密集的区域。含有四种主要的细胞：杯状细胞（goblet cell）、纤毛细胞（ciliated cell）、非纤毛柱状细胞（non-ciliated columnar cell）和基底细胞（basal cell）。
图3 鼻呼吸区和嗅觉区的细胞分布[6]
基底细胞是鼻腔中能够在需要时发育成其他类型的关键细胞。杯状细胞分泌粘蛋白，与一些粘液腺一起形成粘液层。粘液能够捕获大量分子，并将其输送到喉咙，再被咽下送至胃肠道。因此，药物必须通过这一粘液层到达上皮细胞表面才能被吸收。纤毛细胞和非纤毛柱状细胞具有大量的微绒毛和纤毛，表面积较大，再加上高密度的血管分布，使呼吸区成为吸收药物进入体循环的重要部位。但一些不溶性粒子进入鼻腔主要区域后，会因纤毛细胞的摆动导推向鼻腔的后部而进入胃部，不能经鼻黏膜吸收。
另外呼吸区的三叉神经是将药物运送到中枢神经系统的靶神经之一。三叉神经是将来自鼻腔、口腔、眼睑和角膜的感觉信息通过该神经的眼部（V1）、上颌部（V2）或下颌部（V3）分支传递到中枢神经系统。V1支配鼻背部和前部的鼻黏膜，V2支配鼻黏膜侧壁，V3延伸到下颌和牙齿，没有直接支配鼻腔的神经。三叉神经的三个分支在三叉神经节汇合，并向中央延伸，从脑桥进入大脑，终止于脑干的三叉神经脊髓核。
3）嗅觉区（olfactory region）。嗅觉区位于鼻腔的最上部，是将药物经鼻传递至脑部的主要部位。该区黏膜主要由支持细胞（supporting cells，SC）构成，其间分布着嗅细胞。嗅细胞的中枢突形成无髓的嗅神经纤维，集合成一些神经束后，在黏膜下层穿行，交叉成嗅丝，穿过筛孔，与嗅球（olfactory bulb）相连。嗅神经通路是通过投射到嗅球的嗅觉感觉神经元吸收药物。
2.肺部的结构与生理特点
空气进入人体主要经鼻、咽、喉、气管、支气管、细支气管、终末细支气管，最终到达肺泡管及肺泡囊。药物随空气进入呼吸道，而随着支气管分支增多、呼吸道管径逐渐变小及气道方向发生改变，药物粒子在向肺深部运动过程中，也容易因受到碰撞等原因而被截留。
肺泡是半球状的囊泡，由单层扁平上皮细胞构成。肺泡表面覆盖的粘液能降低表面张力，对气体交换的正常功能非常重要。相邻肺泡之间的薄层结缔组织为肺泡隔。
肺泡气体交换主要发生在由肺泡上皮、内皮细胞和间质细胞层组成的界面，此处毛细血管网丰富、肺泡吸收表面积大、毛细血管与肺泡之间的距离非常小，有利于气体通过扩散进行交换。这也是药物吸收的主要部位。
在肺中大量存在的肺泡巨噬细胞能清除外来异物或将其转运至淋巴系统。有报道[7]称肺泡巨噬细胞吞噬1.5-3 μm大小的颗粒，这种区分大小的特性已被用作制备可吸入药物的基础，使得药物可从肺泡巨噬细胞中逃逸，并在肺深部提供药物的可控释放。
整个气道的管腔表面由一层连续的上皮细胞排列，上皮细胞的细胞类型和相对分布、丰度取决于其所在的气道区域。呼吸道上皮细胞在气道张力的调节和气道衬液的产生中起着重要作用[8]。从气管到肺泡，气道的管径越来越小，上皮细胞也越来越薄[9]。
图4呼吸道局部生理特征和不同部位肺上皮的比较[10]
呼吸道上皮细胞的形态包括杯状细胞、纤毛细胞、非纤毛分泌细胞以及在基底膜上排列且不与上皮细胞顶面接触的基底细胞等。
杯状细胞可分泌含有糖蛋白、磷脂的粘液，附着在纤毛细胞上形成粘液层，起到保护呼吸道和湿润吸入空气的作用。粉末吸入剂中的药物需溶解在粘液中，才能进一步被吸收。粘稠的粘液层可能成为粉末状药物，特别是难溶性药物吸收的限速过程。粘液中带负电荷的唾液酸残基可与某些带正电荷的药物离子发生相互作用，也有可能影响药物的吸收。
纤毛细胞上的纤毛像波浪一样协调摆动，将粘液层与附着在粘液层上的随空气吸入呼吸道的异物向咽喉方向移动，直至到达咽部，被吞咽或咳出。呼吸道越往下，纤毛运动就越弱，而在肺泡，由于没有纤毛，异物停留可达24 h以上。这是将引起感染的异物（如细菌或病毒）移出肺部的第一道防线。这个防御机制也能阻止吸入的药物颗粒进入肺部。肺上皮细胞是药物吸收的最大障碍。
图5 呼吸道上皮的组成部分[11]
03
吸入制剂
近年来，吸入制剂因其在局部治疗及全身治疗中的优越性而受到研究者的广泛关注。在上个世纪末，突破性创新是吸入式药物输送研究和开发的特点。虽然在新千年的第一个十年中推出的新吸入产品相对较少，但显而易见的是，早年的探索迎来了技术的成熟和商业上的成功。在过去十年中，随着新的非专利产品的大量增加，技术、监管和疾病管理趋势逐渐显现。下图为有史以来FDA批准的吸入制剂药物数量（FDA Orange Book, 2021.2）。
图6 每年FDA批准的吸入给药制剂数据（1982~2021.2）
（Nasal：鼻腔吸入制剂；Inhalation：肺部吸入制剂）
鼻腔吸入制剂常采用溶液剂、混悬剂、凝胶剂、气雾剂、喷雾剂以及吸入剂等，近年来生物粘附性微球和凝胶剂也取得一定进展。用于治疗神经系统疾病、过敏性鼻炎、糖尿病等疾病。
表2 鼻腔吸入制剂分类[12]
肺部吸入制剂的剂型包括定量吸入气雾剂（metered dose inhaler，MDI）、喷雾剂（nebulizer）、干粉吸入剂（dry powder inhaler，DPI，也称为粉雾剂）、微球制剂和脂质体等。肺部吸入制剂主要用于哮喘、慢性阻塞性肺病等呼吸系统疾病的治疗，主要药物包括短效β2受体激动剂（SABA） 和长效β2 受体激动剂（LABA）、短效抗胆碱支气管扩张剂（SAMA） 和长效抗胆碱支气管扩张剂（LAMA）、肾上腺糖皮质激素（Inhaled corticosteroids，ICS）以及上述药物的复方制剂等[13]。
表3 肺部吸入制剂分类
04
鼻腔吸入制剂的药代动力学及影响因素
1.鼻腔吸入制剂的药代动力学
鼻腔的药代动力学有别于通常说的ADME，主要是药物在鼻腔中的吸收、分布、代谢、排泄过程。
1.1 吸收
药物从鼻腔吸收的第一步是通过黏液，不带电的小颗粒很容易通过这一层，但大粒子/带电粒子可能很难通过。
鼻腔吸入给药后，大部分药物被鼻黏膜吸收进入血液循环，作用于局部或全身。还有小部分药物能够透过嗅觉区或呼吸区上皮细胞直接进入脑部。
1.1.1 鼻黏膜吸收的机制
通过鼻黏膜吸收的机制包括细胞旁转运途径（paracellular transport）、跨细胞转运途径（transcellular transport）等。
图7 药物在上皮细胞中的转运途径[14]
细胞旁转运途径是一条缓慢而被动的水性孔道，亲水性药物可通过该途径吸收，但吸收速率与药物相对分子量大小有密切关系。相对分子量小于1000 D的药物，经鼻黏膜吸收迅速，生物利用度高。
跨细胞转运途径负责转运亲脂性药物，亲脂性药物的转运速率依赖于其亲脂性。这是药物经鼻黏膜吸收的主要途径。
药物也可以通过载体介导的主动转运途径穿过细胞膜，或者通过细胞间紧密连接（TJs）的开口转运。例如，壳聚糖，一种天然的生物聚合物，打开上皮细胞之间的TJs，以促进药物运输。
1.1.2 从鼻腔到脑实质的吸收
药物分子从鼻腔到脑实质的运输是穿过嗅觉区或呼吸区上皮细胞的屏障作用，沿着嗅神经或三叉神经进行的。一旦这些分子被运送到大脑和脑桥，它们就能够沿着特定的路径在整个大脑中分布。
药物穿过嗅觉区或呼吸区上皮细胞的屏障作用是通过细胞内通路和细胞外通路完成的。
（1）细胞外通路（extracellular pathways）位于支持细胞之间，药物向细胞旁路间隙移动，并通过缺失的TJs进行易位，再通过细胞旁路间隙而穿过鼻黏膜，转移到神经元所在的固有层（lamina propria）以及神经周围间隙（perineural space），沿着神经元轴突流动，最终到达蛛网膜下腔（subarachnoid space），并在那里转运到中枢神经系统周围的远端靶点，在那里药物通过液体运动进一步分布。
图8 细胞内和细胞外通路，通过嗅觉通路转运到中枢神经系统[1]
注：嗅觉感觉神经元（olfactory sensory neurons OSN），嗅鞘细胞（olfactory ensheathing cells，OEC), 嗅神经成纤维细胞（olfactory nerve fibroblasts，ONF）
（2）细胞内通路（intracellular pathways）的机制首先由嗅觉感觉神经元通过胞饮/内吞作用将药物分子内吞，将细胞内的内吞囊泡转运至高尔基体（Golgi apparatus，GA），再运送到神经元的投射部位，最后向胞外释放。药物分子通过嗅球到达脑干后扩散到中枢神经系统的其他部位也可能是通过细胞内通路运输。
图9 细胞内通路和细胞外通路[1]
注：外泌体（exosome ，E），核内体（endosome ，EN）
1.2 分布
药物分子到达固有层的细胞外环境的可能命运是多种多样的，包括1）吸收进入血管，进入全身循环；2）被淋巴管吸收流入颈深淋巴结；3）与神经束相关的细胞外扩散或对流，特别是神经周围或血管周围的间隙，随后会进入颅室。
鼻吸收和随后的脑/脑脊液吸收与药物的亲脂性和分子大小有关，药物经鼻摄取后在脑内的分布也部分依赖于这些理化性质。Graff等[15]人在P糖蛋白（P-gp）缺陷小鼠中证明[3H]-蔗糖的脑摄取非常有限，并且没有在嗅觉区之外的区域分布。对于代谢物，特别是亲水性更强和体积更大的II相结合物，如果没有活性转运体参与，它们在大脑中的分布可能比母体化合物更有限。
1.3 代谢
尽管鼻腔内的代谢能力低于肝脏或胃肠道，但鼻腔吸入制剂仍可能在鼻黏膜内代谢。已有报道称人鼻腔中存在I相代谢酶，如细胞色素P450酶（CYP450）和环氧化物羟化酶，以及II相结合酶如葡萄糖醛酸转移酶（UGTs）、谷胱甘肽转移酶（GSTs）。在人呼吸道黏膜中，CYP450的含量约为肝脏的1/20，而且催化活性总体上低于肝脏。药物会在这些代谢酶的作用下发生代谢失活。如环索奈德（ciclesonide）是一种用于治疗变应性鼻炎和哮喘的新型皮质类固醇，经鼻吸入后被鼻腔及其他气道细胞内的酯酶（主要是羧酸酯酶和胆碱酯酶）激活，生成具有药理活性的代谢产物去异丁基环索奈德（desisobutyryl-ciclesonide，des-CIC）。des-CIC是高亲脂性脂肪酸结合物，在鼻腔细胞内成为一个可逆的des-CIC的药物储蓄池，可以在给药后24小时内保持稳定的药物浓度[16]。
成人鼻腔分泌物中活性最高的为氨基肽酶，因此对这类酶敏感的药物经鼻黏膜给药时可能被降解，在鼻腔形成一种伪首过效应（pseudo-first pass effect）。如胰岛素即可被鼻腔分泌物中的亮氨酸氨基肽酶水解。前列腺素E、黄体酮和睾丸酮在鼻腔酶类作用下也会发生结构变化或失去活性。
1.4 排泄
鼻黏膜纤毛的摆动作用使得覆盖于鼻腔表面的黏液逐渐向鼻腔后方运动，最终通过鼻咽部被吞咽入胃部，或被排出体外，具有清除异物和微生物、保护机体的作用。这种的清除作用会缩短药物在鼻腔吸收部位的滞留时间，大部分药物被清除到口咽和胃肠道，在那里被降解和清除。
2. 影响药物鼻黏膜吸收的因素
很多因素会影响药物经鼻黏膜吸收，包括鼻腔的解剖学因素及生理条件，药物及其剂型的因素、吸收促进剂及给药的技术和方法等。其中鼻腔生理病理条件、药物的理化性质、剂型及给药装置对药物经鼻黏膜吸收的影响较大。
（1）鼻腔病理条件。鼻腔的血液循环会受病理条件或外界因素的影响，从而影响药物的吸收，如萎缩性鼻炎、鼻腔息肉、过敏性鼻炎、感冒等鼻部疾患能降低鼻部血管的血流量，从而减少药物的鼻腔吸收。外界因素如温度、湿度变化亦会降低鼻腔的药物吸收。
（2）药物的理化性质。药物的脂溶性、解离度、分子量和粒径大小都影响着药物在鼻黏膜的吸收。药物的脂溶性是影响鼻黏膜药物吸收的主要因素。一些脂溶性的药物经鼻黏膜吸收的生物利用度可接近静脉注射。分子型易通过鼻黏膜吸收，离子型吸收量较少。粒径大小影响着药物颗粒在鼻腔中的分布位置，间接影响着药物的吸收。
（3）剂型因素。溶液剂在鼻腔中扩散速度较快，分布面积较大。混悬剂的吸收与粒子大小及其在鼻腔吸收部位保留的位置和时间有关。气雾剂、喷雾剂和吸入剂在鼻腔中的弥散度和分布面积较广泛，吸收较快。凝胶剂和生物粘附性微球因黏性较大，能降低鼻腔纤毛的清除作用，延长与鼻黏膜接触时间，可改善药物的吸收[17]。
（4）给药装置。不同的给药装置和使用方法可能造成药物在不同部位沉积，对药物的吸收有一定影响。
图 10 鼻喷雾器原理图-它由一个防尘帽，一个喷雾器头，一个喷雾器和一个装药的瓶子组成[18]
05
肺部吸入制剂的药代动力学及影响因素
由于肺生理结构的复杂性，存在于多种特殊环境和吸入途径，这使得肺的药代动力学具有特殊性，比其他途径给药的药代动力学更为复杂。
肺部药物吸收、代谢、分布和排泄依赖于各影响因素之间的相互作用，包括发生在与靶部位作用之前（如沉积、溶解和粘液纤毛运输），与靶部位相互作用竞争（如生物转化、受体相互作用和非特异性滞留），以及与靶部位相互作用之后（如系统吸收）。
1. 肺部吸入制剂的药代动力学
在给予肺部吸入制剂后，只有一小部分（10~60%的给药剂量）沉积在气道中。如果该药物口服后可被机体利用，其余部分被吞下后可以经胃肠道被血液吸收。
图11 肺部吸入制剂的药代动力学[19]
1.1吸收
药物通过给药装置吸入到达体内有效部位的传递过程需经过吸入器定量给药，气溶胶的产生，药物在患者口、咽和肺之间的分剂量传递，以及最后药物在肺部的沉积等几个过程。吸入的药物颗粒要在肺部通过惯性碰撞、沉降、扩散等方式沉积，然后溶出发挥局部或全身治疗作用。远端肺的肺泡上皮已被证明是大多数治疗药物和各种大分子的吸收部位。
图12 药物颗粒在肺中的沉积和吸收机制[3]
游离的、溶解的药物将迅速扩散到上皮内膜中并可被吸收，而作为颗粒物质沉积的药物必须溶解在肺表面衬液（pulmonary surface lining fluids）后，才能被肺吸收进入体循环/肺循环。
药物在肺上皮细胞的吸收与通过鼻黏膜吸收的机制类似，包括被动扩散、细胞旁转运途径、跨细胞转运、内吞及通过细胞间紧密连接等。
药物经肺部吸收以被动扩散为主。小的亲脂疏水药物可在1~2 min内从肺经被动扩散进入体循环，而小的亲水性药物在65分钟内通过TJs被吸收。还有一些肽类药物的吸收是通过胞吞作用或在细胞旁通过TJs进行的。
1.2分布
当一种药物被吸入时，只有一定比例的剂量会到达肺中的靶部位。其余组分将沉积在吸入装置或口喉区域。而在口喉区域沉积的颗粒可能随后被吞咽并在胃肠道吸收，导致潜在体循环的平行吸收过程。
1.3代谢
人体的主要解毒酶，如细胞色素P450酶家族，在肝细胞和肠细胞中表达水平最高，但也在肺和其他器官中表达，为抵御摄入或吸入的外来生物提供了一道防线。人肺中表达不同的CYP酶，它们能够降解许多化学性质不同的肺吸入药物、污染物、毒物等。一些吸入药物如布地奈德、环索奈德、沙美特罗和茶碱被肺中酶降解。药物在肺中的代谢与肠-肝的代谢有很大的不同，主要由于酶的种类和表达水平不同，肺部酶的表达水平普遍较低。在肺部，CYP1B1、CYP2B6、CYP2E1、CYP2J2、CYP3A5和CYP1A1（后者在吸烟者中高度表达）是最常见的CYP酶，而人肝脏中CYP1A2、CYP2C9、CYP2C19、CYP2D6和CYP3A4是主要的CYP酶[20]。
人肺中还有其他生物转化酶如磺基转移酶（SULT）、UDP-葡萄糖醛酸转移酶（UGT）、谷胱甘肽S转移酶（GST）、酯酶、肽酶、环氧化酶、黄素单氧化酶（FMO）。肽/蛋白类药物如胰岛素对存在于肺中的肽酶和蛋白酶非常敏感。尽管肺具有较低的代谢活性，但与肝脏等其他器官相比，酶降解也显著影响药物在肺的生物利用度。
1.4 排泄
吸入药物在肺部的清除由三种主要的清除机制完成的：肺清除、酶降解和吸收进入体循环而清除。
肺清除包括粘液纤毛清除和肺泡巨噬细胞吞噬清除。呼吸道气管壁上的纤毛运动能够使停留在该部位的异物在几小时内被排出。未被纤毛运动清除的微粒可被肺泡巨噬细胞通过吞噬进入淋巴系统，最终也将进入血液循环而清除。
药物颗粒从肺部的清除速率取决于颗粒是沉积在肺的中央部分还是外围部分，因为与肺泡腔内缓慢的巨噬细胞清除相比，在传导气道中的粘膜纤毛清除速度更快。
图13 药物从肺部排泄的可能途径[20]
2. 影响药物肺部吸收的因素
肺部吸入给药是一种极具挑战性的给药途径。吸入性治疗的有效性取决于药物在肺中的沉积位置[21]，而吸入药物的沉积是一个复杂的过程，影响肺吸收的因素有肺部的生理病理条件、患者因素、药物的理化性质、制剂因素以及给药装置等。
（1）肺部病理条件。呼吸道感染引起的呼吸道病理变化可能改变吸入治疗性喷雾剂的沉积模式。在慢性气道疾病如哮喘、慢性阻塞性肺病、囊性纤维化等情况下，杯状细胞与纤毛细胞的比例增加，导致粘液分泌过多会阻塞气道，损害正常的粘液纤毛清除。另外支气管病变患者的气道通常比正常人窄，药物容易被截留。因此肺部给药之前，先应用支气管扩张药，使支气管管径扩大，减少药物截留。
（2）患者因素。患者的呼吸量、呼吸频率和类型均影响药物粒子在肺中沉积的部位。
（3）药物的理化性质。一旦药物气溶胶被沉积到肺表面，药物的直接命运取决于其理化性质。不同的药物（配方）和生理特性，如吸入药物/药物配方的亲脂性或表面面积、药物在肺表面衬液中的溶解度、分子量大小、粒径大小等都能影响其在肺部的吸收。脂溶性药物更易通过脂质膜吸收。
药物颗粒会以不同的空气动力学直径发生沉降，这与粒子的大小、形态、密度、初速度、呼吸方式和呼吸道形状等有关。药物粒子的粒径是影响肺部沉积性能进而影响疗效的主要因素[22]。一般来说，吸入粒子的空气动力学直径需要在1～5 µm之间[23, 24]，才能沉积在吸收的主要部位肺泡区。另外吸湿性强的药物，在呼吸道潮湿的环境下运行时，其微粒会聚集增大，从而使药物进入肺深部的量减少。
（4）剂型因素。肺部吸入制剂的剂型种类较多，组成制剂的处方、制剂工艺等都能影响药物的吸收。气雾剂使用方便，可靠耐用，但若吸入和启动不协调会对药物的吸入量和吸入深度有影响。而喷雾剂则避免了此类问题，能使较大剂量的药物到达肺深部。
（5）给药装置。给药装置性能、装置的操作、推进和吸入的协调性、吸入剂流速、给药手法等都影响药物在肺的沉积。例如相比于使用抛射装置给药，患者在使用干粉吸入器或雾化器时主动吸入药物，药物到达肺深部的量多，损失的药量相对较少。
图14 不同的吸入给药装置[18]
注：a计量吸入器装置原理图（它有一个装有药物的金属罐，驱动器、吹口和防尘帽）；b预先计量一个单位剂量的干粉吸入器装置原理图（它包括一个防尘帽，一个吹口，一个中央腔，用来容纳含有药物的胶囊和一个穿刺按钮）；c预先计量的多单位剂量干粉吸入器装置原理（它由一个外壳，一个吹口，一个握指器，一个杠杆和一个剂量计数器组成）
3.药代研究特点
肺部吸入制剂因其给药后的分布特点，使得其药代研究也具有不同的特点。在给予肺部吸入制剂后一部分被吞下经胃肠道被血液吸收。肺部吸入制剂的口服生物利用率从几乎为零（如糠酸莫米松，丙酸氟替卡松）到沙丁胺醇的50%不等。如果两种途径之间的吸收速率存在明显差异，PK 研究可以通过测定部分 AUCs 来区分它们。例如，监测沙丁胺醇吸入30分钟后尿液中的浓度已被证明是一个很好的指标，可以显示有多少沙丁胺醇通过肺吸收进入体循环。
对于评估肺部吸入制剂的肺内命运，一般同时口服活性炭阻断吞咽。在这种情况下，PK研究将能够评估相关的肺沉积特征。PK研究设计取决于活性药物成分（API）的药物特性。当口服生物利用度为零或通过活性炭共处理时，AUCs 的差异表明到达气道剂量的差异，而 Cmax可能对区域沉积模式的差异很敏感。对于没有从胃肠道吸收的药物[异丙托品、噻托品、奈多克罗米尔，或几乎完全的首过效应（丙酸氟替卡松，环索奈德）]，一项 PK 研究足以评估安全性和有效性。对于从胃肠道吸收明显但延迟、肺吸收非常快的药物（沙丁胺醇、沙美特罗） ，部分 AUC0-30 min 可用于疗效评估。
图15 药物吸入后药代动力学过程的示意图[25]
注：口咽（oropharyngeal）、导气管（conducting airways）和肺泡腔（alveolar space）三个区域在动力学上是不同的。橙色方块表示颗粒/液滴沉积室；浅蓝色方块表示吸收室；红色方块表示血液/血浆室；绿色区域表示与肺PK相关的过程；蓝色区域为与系统PK相关的过程。这里，肺吸收表现为对组织的两步吸收，然后是对全身腔室的吸收。
06
生物分析
由于给予吸入制剂后，药物经过多种途径吸收和分布，还有部分经口咽部后进入胃肠道被血液吸收。因此血液浓度取决于药物从鼻黏膜/肺和胃肠道吸收的程度和速度。
液质联用技术是将色谱分离技术与质谱检测技术两者相结合，兼具色谱的分离能力和质谱的高灵敏度、高特异性以及抗干扰能力强等特点，可以对吸入制剂进行高效检测和准确定量。质谱按照质量分析器可分为：四极杆（Quadruple，简称Q）、离子阱（Ion trap，简称IT）、飞行时间质谱（Time of flight，简称TOF）、轨道阱（Orbitrap）、线性离子阱-傅立叶变换-离子回旋共振（Linear ion trap-Fourier transform ion cyclotron resonance，简称LTQ-FTICR），以及将不同类型的质量分析器串联起来的复合式串联质谱，如的三重四极杆质谱（QQQ）、四极杆-飞行时间质谱（Q-TOF）（如图1所示）、离子阱-飞行时间质谱（IT-TOF）、液相色谱-核磁共振-质谱联用技术（Liquid chromatography-nuclear magnetic resonance-mass spectrometry，简称LC-NMR-MS）。
阳光德美共配备了共有 18台液质联用仪，并采用Watson LIMS和Analyst系统进行全程管理和追踪，系统通用性高，稳定性强，故障率低，充分保障项目的快速检测与数据采集。每年能完成上百个项目，共计近100万个多种类型生物样本。
1. 鼻腔给药制剂
1.1布地奈德鼻喷雾剂
布地奈德鼻喷雾剂（Rhinocort®）最早于1994年2月14日经FDA批准上市，生物利用度为33%。
图16 布地奈德结构式
喷入布地奈德256 μg后，成人血药峰浓度Cmax约为275 pg/mL。阳光德美采用液液萃取的方法，应用加合乙酸根离子作为定量离子对，定量下限可达3.00 pg/mL。该方法成功应用于评价布地奈德鼻喷雾剂在中国成年健康受试者中生物等效性。
图17 布地奈德的色谱图、标准曲线图和血药浓度-时间图[26]
1.2糠酸莫米松鼻喷雾剂
糠酸莫米松是一种局部应用的糖皮质激素，生物利用度<1%，鼻喷吸入100~400 µg药物后，血浆中药物峰浓度Cmax接近50 pg/mL，定量下限需达到1.00 pg/mL，以支持其BE研究。
图18 糠酸莫米松结构式
由于中性甾体易在ESI正离子模式下形成加合物，且信号因两个氯原子的存在而被稀释，再者存在严重的基质抑制，因此达到1.00 pg/mL的定量下限极具挑战性。阳光德美采用液液萃取的方法进行前处理，通过优化前处理条件、流动相、色谱柱等，解决了基质效应，极大地提高了灵敏度。该方法成功应用于临床生物样品中糠酸莫米松的定量分析。
图19 糠酸莫米松的色谱图、标准曲线图和血药浓度-时间图[26]
1.3 丙酸氟替卡松鼻喷雾剂
丙酸氟替卡松与糠酸莫米松结构类似，生物利用度<1%，鼻喷吸入200 µg药物后，血药峰浓度Cmax接近10.0 pg/mL，要求方法定量下限达到0.500 pg/mL。
图20 丙酸氟替卡松结构式
丙酸氟替卡松体内浓度低，对方法的灵敏度要求极高，且操作过程容易污染。为了克服上述困难，阳光德美通过优化前处理条件、流动相和色谱柱，采用特殊的处理过程，建立了可靠耐用的检测方法，该方法成功应用于临床生物样品中丙酸氟替卡松的定量分析。
图20 丙酸氟替卡松的色谱图、标准曲线图和血药浓度-时间图[26]
2. 肺部吸入制剂
倍氯米松干粉吸入剂和水性鼻喷雾剂
倍氯米松17,21-二丙酸（BDP）是一种局部活性皮质类固醇，用于治疗哮喘和鼻炎。该药物于1972年首次以加压计量吸入器（MDI）形式面世，后来以干粉吸入剂和水性鼻喷雾剂形式面世。BDP是一个前药，它被酯酶水解成一种活性代谢物倍氯米松17-丙酸酯（B-17-MP）。还能形成次要非活性代谢物倍氯米松21-丙酸酯（B-21-MP）和倍氯米松（BOH）。
图21 BDP及其代谢产物的化学结构[27]
鼻腔吸入672 µg、1344 µg BDP后才能在所有受试者血浆检测到B-17-MP，而只有1344 µg剂量水平才能对其血浆下面积进行充分评估。鼻内给药后的药时曲线与口服给药相似。B-17-MP在血浆中的出现速度较慢（Tmax, 4 h），与静脉给药后相比，B-17MP的消除更慢（t1/2, 5.7 h）。
肺部吸入给药后，可在血浆中检测到未转化的BDP和B-17-MP。BDP很快被吸收和消除，与静脉给药相比，B-17-MP在血浆中出现的速度并不快。
下面显示了鼻吸入和肺部吸入一定的剂量BDP 后（使用和未使用活性炭阻断吞咽进行对比）BDP和B-17-MP的平均血浆浓度-时间数据。
图22 不同给药方式下BDP和B-17-MP的药时曲线（使用活性炭阻断吞咽和未使用活性炭阻断对比图）[27]
07
结语
新型吸入性药物在不断发展，过去十年，由于制剂及装置技术日趋成熟，从而扩大了吸入制剂的应用范围，可以更有效地治疗鼻/肺部以及中枢神经系统疾病。而这无疑会给吸入制剂的药代动力学研究和生物分析带来更多的挑战。随着行业对吸入制剂的药代动力学和生物分析特点认知逐渐深入和完善，必将会促进吸入制剂的研发，为临床合理用药提供重要的科学依据。
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北京阳光德美医药科技有限公司
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