張宇佳，胡曉蕓，于 淼，王東凱

（沈陽藥科大學(xué) 藥學(xué)院，遼寧 沈陽 110016）

肺部給藥不僅是治療局部肺部疾?。ㄏ?、COPD、支氣管擴(kuò)張、肺部感染等）的有效療法，也是獲得全身性療效的常用療法[1]，這一觀點(diǎn)已經(jīng)得到普遍認(rèn)同。肺部吸入藥物后，藥物直接到達(dá)肺部，與口服給藥相比，能顯著降低用藥量，進(jìn)而減少藥物不良反應(yīng)。肺部解剖學(xué)和生理學(xué)的獨(dú)特性是吸入藥物的關(guān)鍵決定因素之一。肺部毛細(xì)血管豐富，80% 的肺泡都包裹著毛細(xì)血管，血管血流量大，藥物經(jīng)肺部血管吸收后直接進(jìn)入血液，無首過效應(yīng)，因此，肺部給藥后吸收十分迅速[2]。肺部的生物代謝酶集中分布在肺泡 Ⅱ 型細(xì)胞中，能在一定程度上減少蛋白質(zhì)、多肽類藥物進(jìn)入肺部后大量水解，使得藥物能夠保持其生物活性，達(dá)到藥效[3]。肺部給藥劑主要分為 3 種：霧化劑、加壓定量吸入劑、干粉吸入劑。這 3 種給藥制劑各具特點(diǎn)，加壓定量吸入劑、霧化劑利用拋射劑提供動(dòng)力遞送藥物，使用便捷，但兩者使用的拋射劑氟利昂會(huì)污染環(huán)境[4]，而且加壓定量吸入劑無法大劑量給藥，限制了這兩種劑型的進(jìn)一步發(fā)展。干粉吸入劑動(dòng)力來源于患者主動(dòng)吸入，解決了上述環(huán)境問題，又因其能遞送大劑量藥物，且藥物為固態(tài)粉末，可以應(yīng)用于遞送蛋白質(zhì)、肽類藥物，擴(kuò)展了肺部給藥制劑的應(yīng)用范圍[5]。干粉吸入劑的眾多優(yōu)點(diǎn)使其成為市場(chǎng)上的新寵，逐漸被廣大患者所接受。本文作者對(duì)干粉吸入劑性能的影響因素、體內(nèi)外評(píng)價(jià)方法進(jìn)行綜述，希望能為國(guó)內(nèi)新一代干粉吸入劑的研發(fā)提供一些設(shè)計(jì)思路。

1 干粉吸入劑簡(jiǎn)介

干粉吸入劑（dry powder inhaler，DPI）又稱吸入粉霧劑，系指固體微粉化原料藥單獨(dú)或與合適的載體混合后，以膠囊、泡囊或多劑量貯庫形式，采用特制的干粉吸入裝置，由患者主動(dòng)吸入霧化藥物至肺部的制劑。其在國(guó)外已經(jīng)有幾十年的研究歷史，目前上市的藥物多為治療哮喘和慢性阻塞性肺病。一些國(guó)外知名藥企已經(jīng)打造出自己的王牌產(chǎn)品，如阿斯利康公司的信必可都保、葛蘭素史克公司的舒利迭等，有些藥企已經(jīng)向疫苗、蛋白質(zhì)藥物領(lǐng)域發(fā)起新的挑戰(zhàn)。干粉吸入劑因裝置設(shè)計(jì)、生產(chǎn)工藝等難度大，研究成本高，國(guó)內(nèi)的 DPI 研究仍處于起步階段，批準(zhǔn)上市的DPI 種類少之又少。根據(jù)米內(nèi)網(wǎng)數(shù)據(jù)顯示，中國(guó)公立醫(yī)療機(jī)構(gòu)終端化學(xué)藥市場(chǎng)中 DPI 各種劑型中所占市場(chǎng)份額從 2013 年的 1.52% 增加到 2018 年的 2.08%，銷售額突破 200 億元，因此干粉吸入劑在中國(guó)具有很大的市場(chǎng)前景。又因其易于使用、環(huán)境友好、無拋射劑、吸入效率高、藥物穩(wěn)定好、無創(chuàng)給藥等眾多特點(diǎn)，使得干粉吸入劑從各種劑型中脫穎而出，吸引了眾多國(guó)內(nèi)藥劑學(xué)者進(jìn)行研究[6]。

2 干粉吸入劑的組成及制備工藝

按照藥物儲(chǔ)存方式的不同干粉吸入劑主要分為單劑量、多劑量和貯庫型 3 類。單劑量 DPI是在生產(chǎn)時(shí)劑量已經(jīng)確定，不能進(jìn)行改變，使用后不能再次重復(fù)利用，需要重新安裝另外的一個(gè)劑量（大部分是以“膠囊”的形式）。多劑量 DPI 是一次裝入多個(gè)單劑量的藥物，使用完一個(gè)劑量還可以更換下一個(gè)單劑量。貯庫型 DPI 是把藥物全部裝入一個(gè)貯庫，通過患者自行調(diào)節(jié)裝置來控制劑量。干粉吸入劑主要由微粉化的藥物、載體和第三組分組成。

2.1 組成

2.1.1 微粉化藥物

近年來，干粉吸入劑發(fā)展迅速，DPI 所承載的藥物由單一的治療哮喘、慢性阻塞性肺病的藥物轉(zhuǎn)變成效果更好的復(fù)合藥物或三聯(lián)藥物，如硫酸沙丁胺醇[7]、福莫特羅、布地奈德等，并逐漸向抗生素、多肽蛋白質(zhì)類、基因藥物等方向發(fā)展，例如：2013 年 FDA 批準(zhǔn)上市的妥布霉素干粉吸入劑就是用于發(fā)生肺部銅綠假單胞菌感染的囊性纖維化患者。為了能使藥物順利進(jìn)入肺部并沉積，就需要嚴(yán)格控制藥物的粒徑，需要對(duì)藥物進(jìn)行微粉化。傳統(tǒng)的微粉化方法是磨粉碎法，其他的方法還包括干法微粉化，也可以濕法微粉化，由于干法微粉化的步驟簡(jiǎn)單，因此最常用。近年來，噴霧干燥法、噴霧冷凍干燥法、控制結(jié)晶法、超臨界流體技術(shù)也廣泛應(yīng)用于改變藥物粒徑的大小[8]。

2.1.2 載體

細(xì)小的粒子由于表面能大，極易團(tuán)聚而難以分散，使得藥物的分裝及輸送變得困難，因此干粉吸入劑采用較大粒徑的載體來協(xié)助藥物小分子的分散，進(jìn)而制成黏附混合物干粉[9]?？紤]到毒理學(xué)方面的因素，可作為干粉吸入劑常用的載體主要有乳糖、甘露醇、赤蘚糖醇、木糖醇和阿拉伯膠等。其中乳糖是美國(guó) FDA 唯一允許使用的干粉吸入劑載體，由于乳糖是還原糖，因此不能作為伯胺類藥物以及多肽、蛋白質(zhì)藥物的載體使用[10]。有報(bào)道稱[11]，載體乳糖粒徑過大，在吸入時(shí)可能會(huì)引起咳嗽，甚至支氣管收縮，因此在選擇載體時(shí)，也必須要考慮到吸入制劑的安全性。

2.1.3 第三組分

研究發(fā)現(xiàn)，在處方中額外加入一些粒徑小的組分可以改善藥物的沉積和分散性能，研究者稱之為第三組分。乳糖大粒徑載體能夠改善藥物小分子的流動(dòng)性，Zeng 等[12]用體積分?jǐn)?shù) 95% 的乙醇處理沙丁胺醇 DPI 中的乳糖，使其表面粗糙程度增大，與未用乙醇處理的乳糖對(duì)比，藥物分散性降低，向含有乳糖載體的沙丁胺醇 DPI 中又加入 5～10 μm 微粉化的乳糖，可吸入細(xì)粉的比例由原來的 17.1% 分別提高至 21.6% 和 27.0%。加入的乳糖細(xì)粉可以抵消未微粉化乳糖表面凹凸不平的影響，乳糖細(xì)粉提高了沙丁胺醇的可吸入細(xì)粉的比例和分散性，使所有批次的乳糖，無論顆粒大小或者是否經(jīng)過溶劑處理，都能產(chǎn)生相似比例的霧化沙丁胺醇，添加的小粒徑乳糖作為第三組分改善了 DPI 的霧化性能。此外，羥丙基-β-環(huán)糊精（HP-β-CD）也可作為分散劑用以改善藥物的分散和霧化性能，HP-β-CD 具有低吸濕性，Zhao 等[13]制備了 HP-β-CD-乳糖二元載體（CLBC），用顆粒分布撞擊器評(píng)估其霧化性能，結(jié)果表明，乳糖與 HP-β-CD 的共同噴霧干燥導(dǎo)致粉末具有較低的密度和更好的物理穩(wěn)定性。Feng 等[14]研究了一種噴霧干燥和藥物形狀的機(jī)械模型，隨著 L-亮氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，噴霧干燥微粒的形態(tài)發(fā)生了變化，從實(shí)心、光滑的球形轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂斜さ目招奈⒘?。亮氨酸在微粒形成過程中形成結(jié)晶性薄殼，微粒粉末密度顯著下降，分散性提高。

2.2 制備工藝

藥物的粒徑影響吸入劑的性能，因此需要將藥物微粉化成合適粒徑大小的顆粒，并根據(jù)藥物的自身性質(zhì)與研發(fā)目標(biāo)確定最終的微粉化方法。目前生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛的是氣流粉碎法，該法的過程是噴嘴噴出來的氣流遇到藥物粉末，形成超音速物流，藥物粉末之間不斷碰撞，藥物粉末與氣流粉碎裝置腔體內(nèi)壁不斷摩擦，從而使藥物實(shí)現(xiàn)微粉化的效果[15]。但粉碎也可能引起藥物晶型的改變，從而改變藥物性質(zhì)，因此后續(xù)仍需進(jìn)行詳細(xì)的考察。另一種生產(chǎn)中常用的微粉化方法是噴霧干燥法，該法是將藥物溶液通過噴霧干燥機(jī)霧化，霧化的液滴在熱氣流中迅速干燥，得到表面凹陷的小粒徑顆粒。在制備疫苗等生物制品時(shí)，為了增加藥物的穩(wěn)定性，也會(huì)使用噴霧冷凍干燥技術(shù)，疫苗藥物溶液霧化后進(jìn)行液氮冷卻，迅速凍結(jié)變成晶體，隨后被真空冷凍干燥，升華成表面粗燥的低密度顆粒[16]。隨著環(huán)保意識(shí)深入人心，超臨界流體技術(shù)近年來也逐漸應(yīng)用于微粉化藥物，將二氧化碳在超臨界狀態(tài)下與藥物溶液混合，通過迅速減壓使二氧化碳從液滴中釋放，液滴分散成更小的液滴，在熱氮?dú)饬髦懈稍镄纬筛煞踇7]。該方法無毒，可以在通常條件下操作，因此有望成為干粉吸入劑制備中常用的技術(shù)方法，為社會(huì)帶來更大的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益。

3 影響藥物分散和沉積的因素

理想的干粉制劑處方及制備工藝應(yīng)使藥物微粉在吸入前具有良好的流動(dòng)性，吸入后能迅速解聚釋放出藥物粒子而發(fā)揮治療作用。為了達(dá)到良好的治療效果，應(yīng)重點(diǎn)考察藥物微粉化粒徑、形態(tài)和密度，載體的使用，氣流的影響。

3.1 藥物粒徑、形態(tài)和密度

性能適宜的藥物顆粒是影響 DPI 性能的另一個(gè)重要因素。由于微粒的形態(tài)各不相同，因此常用一個(gè)等價(jià)的球體來代替，用這個(gè)等價(jià)球體的直徑來計(jì)算這些微粒的粒徑，即幾何學(xué)粒徑 De，然而實(shí)際上動(dòng)態(tài)的粒子與靜態(tài)的粒子有所不同，因此引入另一個(gè)概念——空氣動(dòng)力學(xué)直徑 DA，DA用來描述單位密度的球體在靜態(tài)空氣中運(yùn)動(dòng)時(shí)換算成的實(shí)際粒子的直徑，用公式表示為 DA=De × (ρ/ρ0Χ)1/2，其中 ρ0為參照密度（其值為1 g·cm-3），Χ 為動(dòng)態(tài)形態(tài)因子（球形時(shí)為1），ρ為粒子的密度[17]。微粒在肺部的沉積分別受粒子大小、粒子幾何特征、肺組織性質(zhì)和呼吸方式的影響。進(jìn)入肺部的粒子因空氣動(dòng)力學(xué)直徑不同而發(fā)生慣性碰撞、沉降和擴(kuò)散，具體包括：①直徑為 1.0～5.0 μm 的粒子，以重力沉積形式分別沉積在 10～17 級(jí)支氣管壁；②直徑為 0.5～1.0 μm的粒子，沉積于呼吸性支氣管及肺泡壁；③直徑小于 0.2 μm 的粒子，以布朗運(yùn)動(dòng)形式沉積于肺泡；④直徑小于 0.1 μm 的粒子大部分隨呼吸氣流排出。故直徑在 0.1～3.0 μm 的粒子細(xì)支氣管和肺泡內(nèi)沉降率最高，其比例越大療效越好[18]。

粒子的形態(tài)和密度同樣會(huì)對(duì)藥物霧化性能產(chǎn)生影響。Chew 等[19]制備了 4 種粒子直徑相同但表面粗糙程度逐漸增大的藥物粉末，這樣能夠使可吸入細(xì)粉的比例數(shù)從 27% 顯著提高到 41%，但表面粗糙程度增加到一定程度時(shí)可吸入細(xì)粉的比例數(shù)不會(huì)繼續(xù)增加。說明由于粒子的形態(tài)變化會(huì)導(dǎo)致一定程度上的接觸面積的減小和顆粒間分離距離的增加，從而影響霧化性能。Duddu 等[20]將布地奈德制成乳劑后噴霧干燥，形成低密度多孔性顆粒，與未用此技術(shù)處理過的布地奈德藥物相比，沉積效率增大一倍。

3.2 載體

直徑小于 3.0 μm 的粒子在肺部沉積效果好，但由于其表面能過大，這些藥物粒子易“抱團(tuán)”聚集，流動(dòng)性隨之降低，因此需要加入載體，使其與藥物粒子進(jìn)行充分混合。在吹入期間，克服了藥物與載體之間的黏附力的吸氣氣流的能量，使藥物粒子從載體粒子的表面脫離。較大的載體顆粒會(huì)撞擊上呼吸道，而較小的藥物顆粒會(huì)穿過肺的下部。載體的存在也可以讓患者感知到吸入藥物，因此載體是干粉吸入劑的重要組成部分。載體顆粒應(yīng)具有一些特性，例如：物理化學(xué)穩(wěn)定性、生物相容性和生物降解性、與原料藥的相容性，并且必須是惰性的、對(duì)環(huán)境友好且經(jīng)濟(jì)實(shí)用等。

載體的加入能夠改善藥物粉末的流動(dòng)性和分散性，但也會(huì)帶來一定的問題。如果載體與藥物粉末吸附能力太強(qiáng)，藥物在進(jìn)入體內(nèi)后不能在規(guī)定時(shí)間內(nèi)與載體分離，或者承載藥物的載體粒徑過大，兩者就會(huì)沉積在患者口腔或者咽喉處，而不能在肺部沉積[21]。載體與藥物的吸附能力除了與藥物本身性質(zhì)有關(guān)，還取決于載體的形態(tài)、粒徑、帶電情況。Iida 等[22]通過用乙醇水溶液對(duì)乳糖顆粒進(jìn)行表面處理，制備了由具有不同顆粒表面性質(zhì)的乳糖載體和微粉化的硫酸沙丁胺醇組成的藥物/載體粉末混合物，并利用雙撞擊器評(píng)估了硫酸沙丁胺醇的體外沉積性能。采用超速離心分離法評(píng)估藥物與載體的黏附程度，使用氣流篩法評(píng)估氣流中藥物顆粒與載體顆粒的分離特性，結(jié)果表明，經(jīng)表面處理的乳糖載體與藥物顆粒之間的平均黏附力（F50）明顯低于與未經(jīng)處理的乳糖載體混合的粉末，藥物顆粒與載體顆粒之間的分離度（T50）有所提高。

Podczeck 等[23]研究發(fā)現(xiàn)，在交互式混合物中較高數(shù)量的細(xì)載體顆粒可以改善干粉吸入劑的空氣動(dòng)力學(xué)特性。細(xì)的載體顆粒可以與微粉化的藥物形成團(tuán)塊，并根據(jù)團(tuán)塊的空氣動(dòng)力學(xué)特性在空氣流中沉積，而不是單個(gè)顆?？諝鈩?dòng)力學(xué)特性。這種效果似乎也與更粗糙的載體顆粒的表面粗糙度有關(guān)。粗載體顆粒相比光滑表面，可能容易在其周圍形成自黏層，這將導(dǎo)致微粉化藥物顆粒被包埋，從而阻礙吸入過程中藥物與載體的分離。Murakoshi 等[24]將水楊酸鈉細(xì)粉（SS）顆粒與不同粒徑的載體乳糖混合，通過級(jí)聯(lián)撞擊器評(píng)估體外SS發(fā)射特性。結(jié)果表明，使用較少細(xì)顆粒量的載體乳糖可以大大改善 SS 發(fā)射，因?yàn)檫@種乳糖會(huì)引起疏松的團(tuán)聚效果，從而可以幾乎完全排空殘留在膠囊中的混合物。Paul 等[25]將微粉化的沙丁胺醇與篩分的 α-乳糖一水合物載體混合，并儲(chǔ)存在一定濕度范圍內(nèi)（相對(duì)濕度 0～84%）。使用顆粒分布撞擊器研究了在不同相對(duì)濕度儲(chǔ)存 24 h 后的霧化效率。使用靜電低壓撞擊器（ELPI）進(jìn)行了相同的實(shí)驗(yàn)，同時(shí)關(guān)閉了電暈充電器，以測(cè)量?jī)綦姾膳c質(zhì)量沉積曲線之間的關(guān)系，分析結(jié)果表明，當(dāng)微粉化的沙丁胺醇硫酸鹽從基于乳糖的載體中霧化時(shí)，具有負(fù)電性，在低相對(duì)濕度下帶最大負(fù)電荷。相對(duì)濕度的增加導(dǎo)致凈電荷質(zhì)量比的降低，當(dāng)相對(duì)濕度大于60% 時(shí)會(huì)出現(xiàn)凈電荷質(zhì)量比最大程度的降低。

綜上所述，設(shè)計(jì) DPI 處方時(shí)，應(yīng)考慮載體的形態(tài)、粒徑、帶電荷情況，以及載體與藥物之間的吸附能力等諸多影響因素，經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)最終確定最優(yōu)處方。

3.3 氣流

氣流會(huì)影響不同粒徑粒子之間的分離，患者吸氣時(shí)，空氣湍流產(chǎn)生的剪切力使得藥物與載體分離。Chew 等[26]的研究發(fā)現(xiàn)增大氣流會(huì)增加藥物與載體的分離，同時(shí)也會(huì)增加藥物在口咽部的損失。

4 干粉吸入劑評(píng)價(jià)技術(shù)

4.1 體外評(píng)價(jià)技術(shù)

隨著 DPI 的廣泛使用，很多新技術(shù)應(yīng)用于 DPI 的性能質(zhì)量評(píng)價(jià)。在進(jìn)行 DPI 設(shè)計(jì)時(shí)需要對(duì)其粒度大小、藥物顆粒間作用力、氣流等進(jìn)行測(cè)定，以便全面控制吸入制劑的質(zhì)量。

4.1.1 空氣動(dòng)力學(xué)粒徑分布

目前常用的方法有顯微鏡法、激光衍射法（LD）、飛行時(shí)間空氣動(dòng)力學(xué)粒徑分布法和慣性撞擊器法，其中慣性撞擊器是目前美國(guó)藥典和歐洲藥典推薦使用的方法[27]，這類裝置包括兩級(jí)玻璃撞擊器（TSI）、Andersen 多級(jí)撞擊器（ACI）、新一代撞擊器（NGI）和多級(jí)液體撞擊器（MSLI），其中，ACI 與 NGI 設(shè)備精巧，藥物回收相對(duì)復(fù)雜，這兩種撞擊器均能獲得不同粒徑范圍的藥物劑量，同時(shí)又能測(cè)定藥物顆?？諝鈩?dòng)力學(xué)直徑以及粒度大小分布[28]。

胡軍華等[29]利用撞擊法和激光衍射法分別測(cè)定了萬托林硫酸沙丁胺醇霧化吸入劑的粒徑，結(jié)果表明兩者差別不大。Weda 等[30]使用玻璃撞擊器（GI）、金屬撞擊器（MI）、多級(jí)液體撞擊器（MSLI）和 Andersen 撞擊器（ACI）評(píng)估了不同撞擊器在體外等效測(cè)試的情況，制備了 3 種具有不同細(xì)顆粒劑量（FPD）的沙丁胺醇干粉制劑，并測(cè)量了空氣動(dòng)力學(xué)粒徑分布，體外結(jié)果顯示，3 種制劑在所有撞擊物的 FPD 之間存在很大差異，但是在 4 種撞擊器之間只有很小的差異。由于玻璃撞擊器和金屬撞擊器的回收率較低，因此只能使用多級(jí)液體撞擊器或 Andersen 撞擊器進(jìn)行體外等效測(cè)試。

4.1.2 藥物顆粒間作用力

藥物之間結(jié)合力的測(cè)量是研究藥物解聚的關(guān)鍵，可以通過原子力顯微鏡（AFM）從微觀角度觀察藥物與載體之間的相互作用，能夠測(cè)出藥物顆粒間接觸點(diǎn)分離所需力的大小，也可以通過反相氣相色譜（IGC）測(cè)量粒子之間的表面能，進(jìn)而反映藥物之間的分散性[31]。

4.1.3 遞送劑量

遞送劑量是單位劑量藥物從吸入制劑中噴出的藥物量，是用于判斷患者可能吸入藥量的指標(biāo)。遞送劑量均一性是用于判斷同批次間不同裝置間遞送藥物劑量差異的指標(biāo)。周穎等[32]利用劑量均一性取樣裝置（dosage unit sampling apparatus，DUSA管）對(duì)沙美特羅替卡松干粉吸入劑的遞送劑量均一性進(jìn)行了研究，結(jié)果顯示，該技術(shù)可以測(cè)定排出裝置外并進(jìn)入口腔或肺部的藥物劑量，但不包括裝置殘留的藥量，數(shù)據(jù)更具有真實(shí)性。

4.2 體內(nèi)評(píng)價(jià)技術(shù)

目前，對(duì)于干粉吸入劑的體內(nèi)評(píng)價(jià)尚沒有統(tǒng)一的方法。有學(xué)者利用小鼠對(duì)吸入的干粉藥物進(jìn)行評(píng)價(jià)，但過程比較困難，先將小鼠麻醉后，向吹入器裝置的腔室中裝入粉末填充的 PE 管，然后再將其連接到容積可變的氣泵上，最后通過金屬套管連接到小鼠氣管，通過改變氣泵空氣量吹入藥物粉末[33]。Mizuno 等[34]將熒光素 ICG 加入藥物中，并用一種熒光素酶 pCMV-Luc 作為跟蹤物質(zhì)，分別通過檢測(cè) ICG 的熒光和檢測(cè)熒光素酶的活性來評(píng)估干粉的肺部遞送和肺中的基因表達(dá)。Zhang等[35]將阿奇霉素 DPI 吹入大鼠氣管內(nèi)，用透析探針插入肺部黏液層，收集透析液，進(jìn)行分析，結(jié)果表明，阿奇霉素干粉吸入器可以將藥物高效地輸送到特定的目標(biāo)部位并達(dá)到較高的局部濃度。

5 結(jié)語

干粉吸入劑問世多年，隨著微粉化技術(shù)和裝置的更新?lián)Q代，干粉吸入劑的適應(yīng)癥不斷擴(kuò)大，適用人群不斷增加。隨著研究的不斷深入，DPI 的設(shè)計(jì)也需要考慮到藥物、載體、氣流等協(xié)同作用。此外，DPI 在生產(chǎn)中還面臨著諸如生產(chǎn)成本、材料篩選、使用者體驗(yàn)等挑戰(zhàn)，相信經(jīng)過科研人員的不斷努力，干粉吸入劑的設(shè)計(jì)也會(huì)更加全面、完善和合理。