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药物递送(二)——微球技术

详细介绍

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  1986年,法国益普生公司成功开发并上市第一个微球制剂曲普瑞林微球,缓释1个月,用于治疗前列腺癌、子宫肌瘤、乳腺癌、子宫内膜异位。

  2002年,强生公司上市了利培酮微球,用于治疗抑郁症、急性和慢性精神分裂症及与其相关的情感症状。给药频率为两周一次。

  2021年3月27日,绿叶制药宣布其自主研发的抗精神疾病新药注射用利培酮微球(II)正式获批上市。尽管距离第一个微球上市晚了35年,比强生的利培酮微球晚了19年,但它为广大正在遭受急性和慢性精神分裂症患者带来了新的治疗选择,也意味着国内的微球技术迈上了一个新台阶。

  微球(Microrspheres),顾名思义,即指粒径在微米级别的球体。

  药物递送领域的载药微球,则指将药物溶解或分散于聚合物材料中所形成的微小球体或类球体,粒径一般在1~250 μm范围内。微球的载药原理是通过物理手段将药物包埋或者吸附在聚合物表面或内部,聚合物的稳定保证了药物的缓释效果。

  微球经注射(因粒径较大,一般为皮下注射和肌肉注射)进入体内后,聚合物在生理环境下缓慢溶蚀降解,包载的药物根据微球的降解情况在体内扩散,单位时间内以一定速率释放缓慢药物,在病灶部位维持稳定的血药浓度,延长药物在体内的半衰期,实现长效缓释,降低给药频率,改善顺应性。

  (1)长效性。目前上市的微球产品中,最长可缓释半年,通过降低给药频率大大提高病人的服药依从性。

  (2)安全性。微球在给药部位缓慢释放,维持有效的血药浓度,降低血药浓度波动,减少毒副作用。而聚合物属于可降解辅料,在体内降解成水和二氧化碳,安全性较高。

  (3)靶向性。微球与某些细胞组织有特殊的亲和性,能被组织器官的网状内皮系统(Reticuloendothelial System,RES)所内吞,实现靶向性。

  (4)专业性。微球技术壁垒较高,研发成本高昂,研发周期长。微球制剂除了需要解决最基本的包封率和粒径均一问题,还需要解决生产过程的无菌度保证、工艺放大等问题。技术护城河的深度能保证产品不被其他企业轻易攻破,保证技术优势。

  (5)潜力性。微球主要用于多肽类药物,相比于已经成熟的化药,多肽类药物可发展的空间更大,更具有市场潜力。

  (6)高效性。微球的给药途径为注射,绕过首过效应,提高生物利用度,降低给药剂量。

  微球制剂的种类繁多,根据微球的结构,可将其分成三类:成孔性微球、双层微球和磁性微球。

  溶胀是一定程度的溶解,聚合物形成的微球,随着球表面逐渐的降解,出现很多微小孔道,药物经孔道与外界环境接触,不断溶出扩散发挥药效。而球体上孔道的数量,决定了微球的表面积和载药量,二者共同影响着药物的释放。

  双层微球具有核壳结构,一种可生物降解的聚合物材料与药物混合作为微球内核,另一种可降解的聚合物材料为外壳。与成孔微球不同,双层微球的释放主要取决于核壳结构。因该结构的封闭性和完整性,双层微球的载药量和包封率都很高,但正是因为这种完整的结构,工艺重现性较差。

  磁性微球是在前两种微球基础上进行修饰而得。将具有磁性的金属或金属氧化物制成超细的粉末,分散于高分子材料或药物中,制得药物、金属和高分子生物降解材料的三者混合体,在外加磁场的作用下,可以移动到靶向器官或组织,实现靶向递送,在降低用药剂量的同时减少毒副作用。

  微球的制备技术较多,需要根据药物的理化性质,选用合适的方法。目前运用最广的方法有乳化挥发法、相分离法、喷雾干燥法、热熔挤出法等,各种制备技术皆有对应的产品上市。

  溶剂挥发法是应用最广泛的微球制备方法,在产业化生产过程中可选用反应釜和静态混合器制备,各有优缺点。

  脂溶性药物采用水包油(O/W)乳剂制备方法:即将脂溶性原辅料溶解于有机溶剂中为油相;将乳化剂聚乙烯醇( PVA)溶解于水性介质中水相;在高速剪切条件下,将油相注入水相中,两相混合乳化形成水包油(O/W)乳滴;再利用物理条件挥发乳剂中的有机溶剂,随着有机溶剂的减少,乳滴固化,形成微球。

  水溶性药物采用水包油包水(W/O/W)的复乳法制备:即将水溶性药物溶解于水性介质水中作为内水相;将脂溶性辅料溶解于二氯甲烷中作为油相;在高速剪切条件下,将油相注入水相中,两相混合乳化形成油包水初乳;高速搅拌条件下,将初乳加入含有乳化剂聚乙烯醇( PVA)的外水相中,形成水包油包水(W/O/W)复乳;再利用物理条件挥发乳剂中的有机溶剂,随着有机溶剂的减少,复乳固化,形成微球。

  传统工艺都是选择反应釜来实现,但反应釜工艺参数多,存在较大的工艺稳定性,静态混合器则可减少类似的问题。

  静态混合器是让流体在管线中流动,冲击各种类型板元件,增加流体截面的速度梯度,形成湍流。流体在管线中层流时产生“切割-扭曲-分离-混合”运动,从而使流体均匀分散,达到良好的混合效果。

  以制备疏水性药物微球为例,油相和水相互不相容,当两种流体连续地以紊流方式混合,能快速产生沉淀,即制备得到微球。在制备过程中,根据流量和黏度的不同选择不同的叶片,通过控制流速,可制得粒径范围不同的微球,产品均一性良好。

  可以连续操作,药液混合效果好,物料管道内停留时间均匀,工艺稳定可控,重现性好;

  乳化挥发法影响微球质量属性的因素较多,例如药物的性质和溶解度;聚合物材料的用量和组成;载药量;选用的有机溶剂;乳化剂的性质和用量;乳化温度;混合速率;水相和油相的黏度和比例等。关键质量参数太多,造成工艺放大难度大,研发成本高。

  相分离法制备微球的原理,是在搅拌下向聚合物-药物-溶剂体系中加入第三组分,通常为有机非溶剂,聚合物的溶解度随着第三组分的加入而降低,使两相在某个特定的点,使溶剂与聚合物发生相分离,形成非常软的载药液滴。再将该系统转移到另一种有机非溶剂中,使微球固化得到最终的微球。

  相分离法的实质是萃取技术,属于物理化学现象,许多因素会影响产品的性质,比如高分子材料的分子间相互作用、制备过程中每一步的速率和持续时间等,与微球的质量属性密切相关。

  相分离法制备微球的优点是不需要昂贵的设备,易于分批次处理,且对水溶性药物的成球性较好。缺点是相分离法微球容易聚集成团难以分散,有机溶剂的残留偏高,且无菌度难以保证。

  喷雾干燥法制备微球是将液体原辅料喷雾到热干燥介质中,使原辅料在喷雾干燥仪中转变成干粉的一种方法。具体的制备过程可分为三步:雾化器将原辅料溶液雾化成小液滴;干燥气体使小液滴固化干燥;将干燥颗粒从干燥介质中分离出来。

  喷雾干燥法的优点:适用于多种药物,特别是具有生物活性的蛋白和多肽类药物,在制备过程中,通过对设备的控制,活性损失小;制备过程中不使用外水相,减少药物损失,包封率较高;制备热温度敏感多肽药物时,可通过调节干燥气体的种类或温度来实现。

  喷雾干燥法的缺点:混合溶液经喷头喷出,会有大量未干燥彻底的原辅料黏附在喷雾干燥仪的内壁,造成物料损失;干燥温度对微球有显著影响,温度过高容易使微球变形、聚集,而温度过低则溶剂残留偏高,对微球粒径的控制较差。

  热熔挤出法是制备颗粒、丸剂、植入剂的常用方法。与喷雾干燥仪有类似之处,区别在于热熔挤出法不需要溶解原辅料,可直接将原辅料混合物进行热熔挤出。

  热熔挤出法制备微球,即取处方量的药物和辅料,放入热熔挤出仪器中,设置热熔温度,对混合物进行加热熔融挤出,然后通过筛板挤出后迅速冷却制备成条状固体,再粉碎制成微球产品。

  热熔挤出法的优点:不需要使用有机溶剂,没有溶剂残留问题,安全无毒;产率高,连续性强,包封率接近100%。

  热熔挤出法的缺点:挤出步骤需要全程高温,温度敏感的蛋白多肽类药物不适用此法,而这类药物正好最适合微球制剂;因为是直接对原辅料进行热熔挤出,因此对活性药物成分的质量控制要更为严格,其直接影响微球的理化性质和功效。

  微流控技术制备微球的方法是通过微通道生产液滴,利用体积或压力的驱动力将不相溶的连续相和分散相分别在各自的通道流动,两相在通道的交汇处相遇,利用连续相对分散相进行挤压或剪切作用,促使界面不稳定而断裂,生成分散液滴。

  微流控技术是制备均匀颗粒物的一种有前途的新方法,可采用简单的一步法实现对微球粒度和粒度分布的控制。以单乳法为例,制备利培酮微球的方法为: 将药物和高分子溶解于二氯甲烷中,制备油相,含有乳化剂聚乙烯醇( PVA)的水溶液为水相,用两个注射器泵将油相水相注入微流体通道,经微通道反应后即得微球产品。

  微流控技术的优点:可通过改变流速实现对微球粒径的控制;具有生产多乳剂的能力,两相溶液经微通道内依次剪切乳化,一层一层包覆从而形成分散的多重乳液;具有高度的重现性,大批量生产能保持固定的产品特性;制备系统是封闭的,能消除环境对药物的降解,同时保证无菌。

  微流控技术的缺点:设备清洗比较困难;设备的生产效率有待提高,以满足工业化生产。

  膜乳化近年来成为研究的热点,因其制备条件温和、成本低、通量高、重复性好,虽然目前还没有膜乳化技术生产的微球产品上市,但已广泛应用于制备微球制剂。

  膜乳化技术的工作原理是分散相在外加压力作用下透过微孔膜的膜孔,在膜表面形成液滴。在沿膜表面流动的连续相的冲洗作用下,液滴的直径达到一定值后,就从膜表面剥离,从而形成乳液。通过控制分散压力和膜孔径,实现乳状液滴的单分散性以制备粒径均一微球的方法。

  膜乳化技术的优点:微球粒径取决于膜孔径,均一可控,保证批次间良好的重复性;反应条件温和,适用于敏感的蛋白多肽类药物;乳液稳定性好,不易发生团聚、破乳等问题,乳化剂用量少;操作过程简便,易于工业规模扩大生产。

  膜乳化技术的缺点:制备的微球粒径过于单一,会影响药物体内释放周期,且有突释危险;生产设备中要求膜材质的机械强度足够强,孔径大小稳定,要易于清洗,不易堵塞,设备要求太高。

  首先微球制剂的工艺复杂,控制困难,设备需要定制,生产设备需要在长期的生产中不断改良;再者质量控制困难,粒度分布、载药量、释药速率、突释问题、无菌度、残留溶剂都是微球质量的主要因素;最后,做好微球还需解决产能的问题、质量一致性的问题、设备的问题。

  微球产品目前的给药途径主要是肌注和皮下埋植,希望能发挥微球的缓释功能。但缓释除了与微球的聚合物材质有关,还与微球在体内的存在形式有关,如果微球在给药部位分散,增大与给药部位微环境的接触面积,降解速率就会受到影响,还有引起炎症的风险。

  基于此,对微球进行表面处理的技术应运而生。目前微球表面处理的方法众多,但目的都是一致的:通过降低微球表面的亲水性让微球在体内发生聚集形成大颗粒,减少微球的扩散,降低炎症风险。

  微球进行表面处理是为了使微球在体外保持小粒径,在体内聚集形成500μm的丸粒,保证药物长时间持续释放。目前用于除表面活性剂的主要试剂是乙醇,通常是将乙醇和碱液混合,作为表面处理的处理液。但无论是在酸性、碱性或中性条件下进行表面处理,都不能以形成孔隙、孔或通道的形式破坏微球颗粒。经表面处理后的微球,有的在37~40℃的生理条件下相互作用,形成固结的聚集体。

  目前,对微球进行表面处理主要用于眼用微球。因为包括玻璃体注射在内的给药方式,注射小颗粒会导致颗粒快速扩散而造成视力障碍,并且还易被淋巴系统和吞噬作用快速清除。而经表面处理的微球,给药后团聚于给药部位,不易扩散,不引起炎症。另一种避免微球在眼内扩散的方法,是用粘稠剂将微球聚集在一起,改变药物的释放速率。

  聚合物材料是微球技术最关键的辅料,该辅料最基本的要求是生物相容性和生物可降解性。因此,为了保证物料的稳定,在储存过程中要避免接触水、酸性物质、碱性物质和醇类试剂以及其他可引起产品降解的试剂,储存环境要求密封、干燥、低温。

  目前,用于微球技术的聚合物较多,这里仅选四种应用最广的聚合物材料进行介绍。

  聚乳酸-羟基乙酸共聚物(Poly(D,L-lactide-co- glycolideacid), PLGA),又名聚乙丙交酯,是乳酸和羟基乙酸聚合的无规共聚、无定型共聚物。具有生物可降解和生物相容性,且具有良好的成囊和成膜的物理延展性。广泛用于手术缝合线、防粘连膜、组织工程支架等领域。

  PLGA可根据单体的比例改变聚合物类型,比如PLGA 75:25表示该类聚合物由75%乳酸和25%羟基乙酸聚合组成。在一定范围内,PLGA降解度和溶解性与单体的比例密切相关:羟基乙酸的比例越高,聚合物越易降解;羟乙基酸的比例小于或等于50%时,在二氯甲烷中有较好的溶解性。因此,与PLA相比,PLGA可根据羟乙基酸的含量实现对聚合物降解时间的控制。

  聚乳酸(Poly lacticacid,PLA),又名聚丙交酯,来源于可再生农作物(如玉米)所提取的淀粉原料,经发酵过程制成乳酸,乳酸分子含有一个羟基和一个羧基,高分子聚合技术转换时,乳酸彼此间的羟基和羧基发生脱水缩合,形成聚乳酸,属于聚酯聚合物材料。

  PLA是热塑性脂肪族聚合物材料,以乳酸为主要原料聚合而得,原料来源充分而可再生。PLA生物可降解,可塑性强、易于加工成型,属于高科技的绿色高分子材料,有着广泛的研究和应用前景。

  聚己内酯(Poly(ε-caprolactone),PCL),由ε-己内酯在金属有机化合物(如四苯基锡)做催化剂,二羟基或三羟基做引发剂条件下开环聚合而成的半结晶型聚合物,即聚ε-己内酯,属于聚合型聚酯。

  聚己内酯结晶性较强,降解缓慢。体内的生物降解两个阶段:第一阶段聚合物不发生形变和失重,只是分子量不断下降;第二阶段是随着分子量下降到一定程度后,材料开始形变和失重,并逐渐被机体吸收代谢。

  PCL具有良好的热塑性、成型加工性、生物相容性、生物可降解性,还具有形状记忆功能。该记忆功能主要来源于材料内部存在不完全相容的两相:保持成型制品形状的固定相和随温度变化会发生软硬化可逆变化的可逆相。固定相在恢复应力的作用下,将使制品恢复到初始形状。

  聚乙醇酸(Polyglycolide,PGA),又名聚乙交酯或聚羟基乙酸,是具有良好的生物相容性和生物可降解的脂肪族高结晶聚合物。可通过乙醇酸缩聚,或者通过乙交酯开环聚合制备。

  PGA的生物降解主要是通过简单的水解,所以降解速度快,降解产物主要是水和二氧化碳。高聚合度PGA具有优良的力学性能和机械强度,使其拥有良好的加工性。PGA的属性可以通过改变分子量及其共聚物实现。在生物医学方面,主要用于生产可溶解的医用缝合线、骨折内固定、组织修复、药物缓释材料等。

  PLGA和PLA是目前最为被大家认可的聚合物材料,被众多上市产品所采用的。但市场对聚合物的要求越来越高,迫使聚合物高速发展。目前,为延长聚合物在体内的降解时间,对聚合物进行聚乙二醇(PolyethyleneGlycol, PEG)或聚乙二醇衍生物修饰,避免在体内被酶降解和网状内皮系统(Reticuloendothelial System, RES)吞噬。另外,聚合物的手性也会影响着药物在体内的释放。

  因微球产品的良好的缓释能力,目前主要用于需要长时间频繁给药的适应症,比如肿瘤、精神分裂、镇痛、糖尿病等。载药量是缓释微球的一个关键指标,为了维稳药物在体内的有效浓度,目前以递送生物活性较高的多肽药物为主,例如亮丙瑞林、奥曲肽、曲普瑞林、艾塞那肽等;递送非多肽类的小分子药物,也要求药物活性极高,比如利培酮(推荐剂量为肌注25mg/两周,最高剂量不高于50mg)。

  2004年,全球第一个大分子蛋白质微球制剂(Nutropin Depot)停产退市,该产品用于内源性生长激素缺乏的儿童生长发育迟缓。该微球产品为肌注缓释一月,若在注射后明显改善了儿童发育迟缓,无法提前中止微球的继续释放,即无法结束治疗。微球技术并不适合该适应症,缺乏与同类产品竞争的优势,而生产成本也较高。所以即便是后来罗氏收购基因泰克后,也未重启相关产品的研究。

  另一个退市的微球产品是阿巴瑞克微球(Plenaxis)。因为阿巴瑞克严重的过敏反应,上市的限制条件是在患者在没有其他可供选择的疗法时,用于治疗晚期前列腺癌。该药标明:用于不能采用其他激素疗法的和拒绝手术去势的晚期前列腺癌男子的症状治疗。因其适用范围太窄,已从美国退市。

  翻看个微球产品的销售业绩便会发现,选对的药物,即可轻松造就百亿市场,亮丙瑞林、奥曲肽和利培酮这类被临床反复验证过的产品,被市场广为接受,这也给了企业继续研发微球产品的信心,现在的方向都是尽可能延长缓释时长,达到6个月甚至12个月。这除了需要聚合物材料的发展,也需要去探索活性更高的药物,用于体内的长时间持续缓释。

  一是扩展适应症。微球的长效缓释决定其改良最佳的方向是需要长时间频繁给药或者给药不便的适应症,那么,可以将适应症扩展至癌痛、癫痫等适应症,这类适应症都是需要长时间维持治疗浓度的。

  二是开发新适应症。已有大量研究表面肠道微生物菌群对大脑有潜在影响,尤其是对神经退行性疾病有显著影响(具体可参考九期一的设计理念),例如帕金森疾病、阿尔兹海默病、亨廷顿氏病等。对于疾病最好的治疗方式是预防,那么是否能通过预防来解决这类神经退行性疾病呢?

  我们天马行空地畅想:将可调理肠道微生物菌群的药物通过微球包载递送至肠道,微球表面特殊的聚合物材料(如果存在这样的材料)可黏附于肠道内壁,药物经微球技术持续缓释,改善胃肠道微生物菌群环境,减缓或者避免神经退行性疾病的发生。

  截止目前,不计湖南康润药业的造影剂全氟丙烷人血白蛋白微球(实质为脂质微球),国内共有9款微球制剂获批上市:

  2000年,益普生用于治疗前列腺癌的注射用醋酸曲普瑞林微球获批进入中国市场;

  2009年,丽珠的注射用醋酸亮丙瑞林微球和博恩特的注射用醋酸亮丙瑞林缓释微球相继以化药6类仿制药获批上市;同年,西安杨森引进了母公司强生的注射用利培酮微球;

  微球产品很难大规模生产,包装过程容易使药品失活,药品的释放速度较难控制。相对应的,产品的高技术壁垒上,能保障其较大的市场份额。国内很多企业已在微球领域布局多年,多个产品处于临床研究阶段,微球制剂行业即将迎来破晓。

  丽珠、绿叶、圣兆,都有多个微球产品处于开发阶段,我们依稀可见多个国产微球产品的曙光。以绿叶为例,戈舍瑞林和罗替戈汀都已处于III期临床研究阶段,在国内已上市的利培酮,在美国已处于上市申报阶段,在欧洲已完成I期临床试验,同时未来计划在多个新兴市场开发并上市。其专利在中国、美国、欧洲、日本、韩国、俄罗斯、加拿大、澳大利亚均获得授权,专利期至2032年。

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