3. 使用API性质指导制剂开发
了解原料药的理化性质对制剂可开发性和设计至关重要。口服生物利用度会受到很多因素的影响，包括溶解度、溶出速率、稳定性、渗透性和代谢。了解生物利用度的限制因素以及是否可以通过制剂设计来改善暴露量是至关重要的。例如，如果口服暴露量受到溶解度、溶出或稳定性的限制，制剂通常可以加以改善。然而，如果口服暴露量受到渗透性或代谢的限制，那么通过制剂改善的可能性较小。在本节中，我们将讨论API的关键性质对口服吸收和制剂设计的影响。
3.1 溶解度和生物利用度
溶解度是候选药物的关键属性之一，因为它可以显著影响体外分析、体内暴露量、制剂开发和性能。低溶解度是药物发现和开发的主要挑战之一。高达75%正在开发的候选药物被归类为低溶解度。人们认为，基于高通量筛选的化学方法和对更具挑战性靶点的探索正在导致更多疏水和低可溶性候选药物的出现。
3.1.1 影响溶解度的因素
给定分子的水溶性是多种因素相互作用的结果，包括固态性质（如晶体堆积，晶格能），电离（pH和pKa），溶剂-溶质作用。理解什么因素限制溶解度对于指导制剂开发是非常重要的。
3.1.2 固态性质
药物固体的平衡溶解度不仅仅取决于溶剂和溶质作用，还取决于固态下API分子间作用力。化合物必须克服晶体堆积去溶解于溶剂。因此，固态性质可以影响API的稳定性和溶解度。通常在高能态固体会看到更高的表观溶解度（如亚稳态或者无定形固体）。热力学最稳定性的晶型具有最低的能量和最低的溶解度。在早期开发阶段，熔点和焓值可以作为晶格能大小的指示。在药物发现阶段，通过分子设计破坏紧密的晶体堆积是一个提高溶解度的可行方法。近期，固态微扰工具被用于溶解度的预测，基于单晶结构计算得到的相互作用能可以指导化学修饰去提高溶解度。这种方法的基本原理是通过设计更弱的分子间相互作用力，改变晶体堆积能量，从而提高溶解度。但不会影响药物其他重要性质，如效价、选择性和亲脂性。
3.1.3 pH和pKa
分子的电离状态可以很大程度上影响溶解度。可电离化合物的溶解度很大程度上取决于溶媒的pH和化合物的pKa。可电离化合物的溶解度可以通过源于Henderson-Hasselbalch方程的pH-溶解度关系描述。溶解度是固有溶解度（S0）、媒介pH、化合物pKa的函数。详细的溶解度方程见“Solubility of Pharmaceutical Solids”一章。下图展示了酸性化合物的溶解度和pH、固有溶解度和pKa的关系。他强调了选择具有高固有溶解度化合物的重要性。他同时也说明了化学结构中有一个强的酸或碱性位点在增溶中的优势。但是，众所周知，电离状态不仅仅影响溶解度，同时也影响渗透性、分配、和其他PK性质。电离状态也可以影响结合转运蛋白，酶，络合（跟环糊精），在有机溶剂中的分配。因此，设计或者选择最优候选药物pKa的时候，需要考虑并平衡很多性质。
3.1.4 亲脂性
亲脂性在药物发现和化合物设计时有重要作用。有机物的亲脂性可以描述为分配系数，即LogP，可以定义为未电离化合物在有机相和水相中平衡时的比例。对于有电离基团的化合物，物质种类（中性分子，离子）的分布受到pH的影响。分子的电离状态可以影响亲脂性。这带来了化合物分配系数（logD）的定义，他考虑了弱酸和弱碱的电离。通常来说，越是亲脂的化合物在含水媒介中溶解度越低。但是，亲脂性化合物可能在油和脂质辅料中有较高的溶解度。因此，他们可能是脂质制剂好的候选化合物。亲脂性不仅仅影响溶解度，还影响渗透性、选择性、吸收、分布、代谢和排泄特性，以及毒性。高亲脂性常常会导致代谢周转率高、溶解度低、口服吸收差。此外，高亲脂性化合物倾向于与疏水靶点结合，而不是目标的靶点。因此，有增加的混乱和毒性的风险。低亲脂性也会对渗透性和效力产生负面影响，从而导致低生物利用度和低功效。Leeson和St. Gallay对2000年到2010年18个制药公司（包括Abbott，AstraZeneca， Bristol-Myers Squibb，Lilly和Novartis）专利化合物进行了分析。他们发现这些专利药物logP的平均值从3.5到4.5。此外，在这18家公司中，随着时间的推移，cLogP的减少趋势很小，但在统计上具有重要意义。一般认为logP大于1或小于4的化合物更可能具有最佳的口服药物理化和ADME性能。
3.2 溶解度预测和筛选
3.2.1 溶解度预测
溶解度预测仍然是许多研究人员感兴趣的领域。文献中已经报道了各种预测模型。固有溶解度预测模型可分为三类：(1)基于片段或基团贡献的模型；(2)基于logP和熔融的模型；(3)基于二维或三维化学描述符的统计推导模型。然而，对溶解度的准确预测仍然具有很大挑战性。大多数机构仍然依靠实验溶解度结果来确定化合物的优先级和决策。
3.2.2 溶解度筛选和溶解度测试方法
高通量溶解度筛选方法已经广泛应用于早期药物发现阶段的溶解度分析。在各种分析中要分析的大量化合物就需要化合物处理和分配的标准化程序。在大多数情况下，这些溶解度测试是在96孔或384孔板上进行的。对于早期高通量溶解度测定，化合物通常有两种方法进行分配。一种方法是将化合物作为二甲基亚砜(DMSO)储备液引入水介质中。另一种方法是将化合物作为DMSO溶液分配，然后从板上去除DMSO后再加入水介质。在这两种情况下，通常不测量溶液最终pH值或表征剩余固体形态。高通量的溶解度是通过过滤/离心除去固体后，用紫外可见光谱或液相色谱测量饱和溶液的浓度来确定的。或者用紫外或浊度测定仪检测沉淀的形成。这些高通量法往往会高估溶解度，这是由于测试中会剩余有机溶剂和/或从DMSO储备液形成非晶态物质沉淀。然而，它是一个非常有用的工具，可以在只需要少量化合物的情况下对化合物的顺序进行排序，并在早期阶段标记溶解度风险。此外，早期溶解度信息也有助于解释其他体外测试的结果。
在先导化合物优化阶段，只有少量的候选化合物，建议使用具有最终pH值和物理形态测量的结晶固体进行平衡溶解度研究。这是因为pH值和物理形态会显著影响溶解度，正如我们之前讨论的那样。此外，在溶解度实验过程中，其物理形态也会发生变化。例如，游离态可以形成盐或水合物，无定形材料或亚稳晶型可以转化为更稳定的晶体形式。因此，了解初始固体和最终固体的物理形态是很重要的。溶解度研究中表征剩余固体物理形态最常用的技术是偏光显微镜和粉末x射线衍射。在药物开发阶段，“摇瓶法”通常被认为是测定热力学溶解度的标准方法。在摇瓶法中，将具有已知物理形态（通常是最稳定的结晶形态）的化合物加入到带过量样品的摇瓶/小瓶中，并以预定的温度和速度搅拌得到的悬浮液。样品在预定的时间点采集，通常至少1-2天。过滤去除残留固体，通过高效液相色谱或超高效液相色谱测定化合物的溶解度。测量并记录最终滤液pH值，同时表征残留固体的物理形态。
3.2.3 溶解度筛选
pH溶解度测量通常在开发的早期阶段进行。一些机构还在早期高通量筛选中纳入生物相关介质中的溶解度，以了解作为口服候选药物的可发展性风险。有时在不同的有机溶剂中进行溶解度测试，以促进多晶型，盐的筛选和工艺优化。对于难溶性化合物，通常使用不同的增溶溶媒进行额外的溶解度筛选，以指导制剂设计和可开发性的风险评估。
增溶溶媒包括助溶剂、表面活性剂、络合剂和油/脂质基质类。常用的筛选辅料列于表17.4。此外，由于Ksp值的不同，不同的反离子也会影响溶解度。不同反离子的原位成盐筛选可以为提高溶解度和制剂开发提供有用信息。原位成盐提高溶解度，从理论和实践两方面已经在文献中讨论。随着固体分配、分析和固态工具等技术的不断进步，越来越多的趋势是在早期使用预测工具，并在后期溶解度测量中加入高通量功能，以提高效率并降低成本。与此同时，人们也越来越希望根据化合物的物理化学性质，更合理地选择辅料和条件，建立更集中的筛选系统。
3.3 基于溶解度信息的制剂设计
如果暴露量受到溶解度或溶出速率的限制，那么了解限制溶解度的因素是至关重要的。对于离子化合物，pH调节和成盐是最常用的方法，以提高溶解度和溶出速率。对于具有高熔点和紧密晶体堆积的化合物，可以探索许多方法，包括共晶，盐和无定形，以破坏晶体堆积。对于具有从溶液中析出或从无定形形式结晶强烈倾向的化合物，可能需要通过辅料，如聚合物或表面活性剂，通过减少API-API相互作用、分子迁移率或过饱和度来抑制或延迟沉淀或结晶。对于高亲脂性化合物，脂质或油基制剂，如乳剂或自乳化给药系统，可以考虑用于改善溶解度。在某些情况下，脂质或油基配方可以增强渗透性，促进淋巴吸收。
3.4 稳定性
化合物的物理和化学稳定性对制剂可开发性和设计非常重要。临床前阶段稳定性评估的主要目标是：(1)阐明与温度、pH、光照、湿度和氧气相关的开发风险；(2)指导制剂设计；(3)明确贮存条件和货架期。
液体制剂是临床前研究中最常用的制剂种类。降解的主要途径是通过水解、氧化或光化学手段。此外，辅料如助溶剂、络合剂和表面活性剂的存在也会影响制剂的稳定性。了解稳定性和降解机制对于选择剂型、优化配方变量和确定储存条件非常重要。在候选药物选择阶段，通常在选定的条件下进行原料药和制剂的加速稳定性研究。
3.4.1 对配方设计的启示
为了通过制剂设计降低化学稳定性风险，了解降解的速率、机制和途径是理想的，尽管在药物发现和开发的早期阶段可能不可行。水解受pH、温度、缓冲液种类和离子强度的影响，这些反应通常是酸或碱催化的。因此，pH是影响化合物稳定性的关键因素之一。调整制剂的pH值以最大化或平衡稳定性和溶解度是很常见的。氧化是另一种常见的降解。自氧化是最常见的氧化途径，其途径可分为起始、增殖和终止三个阶段。此外，氢过氧化物，一种Tween 80、PEGs、PVP等药用辅料中常见的杂质，可以催化氧化。某些辅料（如抗氧化剂或络合剂）可用于提高化学稳定性。例如，文献报道环糊精由于保护了对降解敏感的官能团而改善了光稳定性和水解稳定性。除了配方pH和辅料外，还可以优化浓度范围和储存条件，以最大限度地提高稳定性。如果化合物在溶液中极不稳定，则需要考虑替代制剂。悬浮液、油/脂质或固体制剂可能比溶液制剂具有更好的化学稳定性。溶液的沉淀、盐的解离或悬浮或固体剂型中的物理形态转化等物理不稳定性也会对制剂质量和体内暴露产生负面影响。可以探索制剂方法、组成（包括浓度、pH和辅料）和储存条件，以达到临床前研究所需的稳定性。例如，表面活性剂和聚合物辅料可以抑制或延迟悬浮液中的物理形态的转化。
3.5 固体形态的演变和批次间的差异
在早期阶段，合成路线和结晶工艺没有得到充分的开发和优化。在早期药物发现批次中，批与批之间物理形态和杂质谱的变化是常见的。物理形式往往没有优化，早期批次往往是无定形或亚稳态形式。杂质谱也可以在批次之间改变。物理形式会影响候选药物的溶解度、稳定性和生物利用度。
例如，从早期批次中以亚稳形式配制的悬浮液或溶液可以获得良好的暴露量。然而，当后期批次生产出更稳定的晶体形式时，由于新的更稳定的晶体形式的溶解度降低，该悬浮液配方可能无法提供足够的暴露量，或者该化合物可能无法在与早期批次开发的相同溶液配方中配制。杂质分布也会影响制剂可开发性和化学稳定性。
