药物经皮渗透性研究方法进展

健康 2024-09-20 10:43 湖北

摘要：经皮给药系统中药物的经皮渗透特性直接关系到药物临床应用的安全性和有效性。在经皮给药制剂的开发过程中，药物渗透性评估可以预测药物的皮肤渗透特性，有助于理解产品的质量和性能，为药品研发提供重要考察指标。目前，研究者们开发了多种药物皮肤渗透性研究方法，其中体外透皮试验最为常用，主流测定方法是Franz扩散池法；数学模型渗透性预测、动物实验等研究方法也可被用来研究药物渗透性，此外还有平行人工膜渗透模型研究、光谱技术及微透析技术等新的研究方法。本文对这些研究方法进行展开介绍，期望对研究者提供一定的参考作用。

关键词：经皮给药系统；透皮试验；Franz扩散池；数学模型；微透析。

经皮给药制剂是一类通过皮肤表面给药，使药物进入体循环产生全身和局部疗效的药物递送系统。药物从基质中以一定速率释放，经表皮途径或经附属器途径由皮肤毛细血管吸收进入体循环，可避免肝脏的首过效应和胃肠道的消化作用，减少血药浓度波动，降低毒副作用，且具有给药次数少，患者依从性高等显著优势，成为国内外研究的热点[1]。

经表皮途径是药物吸收的主要途径，药物以被动扩散方式依次通过角质层、表皮层、真皮层后进入毛细血管。因角质层结构具有致密、疏水等屏障特性，所以药物经皮吸收过程的限速步骤即为角质层的被动扩散。因此，对药物经皮渗透性的研究，特别是在角质层被动扩散行为的考察，是经皮给药制剂有效性评价的重要指标。同时，经皮渗透特性与生物利用度密切相关，对药物经皮渗透性的研究可以辅助预测药物体内渗透特性，有助于建立更科学的经皮给药产品质量评价体系。

目前，研究者们开发了多种皮肤给药制剂的体内、体外皮肤渗透性评价方法，并成功应用于药物经皮递送系统的研究，主要包括：体外透皮试验、数学模型渗透性预测、动物实验研究及其他方法等。

体外透皮试验

目前研究药物的经皮渗透性多采用体外透皮试验（in vitro permeation test，IVPT），即在体外模拟药品在生理条件下的透皮过程，不仅能直观地评价药物的皮肤透过量，还能反映药物在皮肤中的分布，可用于评价药品的质量与临床治疗的有效性。体外透皮试验极大地节约了成本，可广泛用于经皮给药制剂开发的各个阶段，Franz扩散池法是主流测定方法。

体外透皮试验中使用离体皮肤（动物、人或人造皮肤），动态测量给药一定时间内透过皮肤的药量和透过速率，因此试验结果受多种因素影响，其中实验用皮肤类型的影响最为突出，合理的筛选实验用皮肤模型有助于对经皮给药制剂体内外相关性进行更科学的评价。目前，动物皮肤、皮肤类似物、人工膜、人工皮肤等多种皮肤模型用于渗透性研究。

1.1 动物皮肤

切除的动物皮肤是最常用的皮肤模型。不同研究内容对动物皮肤渗透性特征需求不同，因此可选择不同的动物皮肤进行相应研究。仿制药与参比制剂透皮吸收对比研究，可选用与人类皮肤相似度高的1~3月的巴马小香猪的腹部皮肤[2]；创新药经皮吸收特征探索研究，可选用与动物药动学、药效学相关性更高的大鼠皮肤或裸鼠皮肤；制剂处方筛选，可选用个体内和个体间的变异小、渗透性大、灵敏度高的裸鼠皮肤。接丽莉等[3]研究了马来酸噻吗洛尔凝胶在SD大鼠、BALB/c-nu裸鼠和巴马小型猪皮肤内的渗透性差异，发现药物在3种动物皮肤内的透过性存在种属间差异：SD大鼠皮肤的透过性最大，其次是裸鼠，猪皮最低。张梅平[4]以SD大鼠为模型，采用Franz扩散池法进行螺内酯脂质体体外透皮试验，考察其经皮渗透特性，研究药物的释放规律和脂质体对于螺内酯的透皮促进作用。

试验用皮肤是透皮试验最关键的部分，控制皮肤模型的变异参数对于数据的重现性具有重要意义。尤其是动物来源的皮肤，皮肤屏障的完整性对于透皮试验至关重要，可使用经皮水分丢失法、氚化水法和电阻法等手段评估试验前后皮肤屏障的完整性[5]。三者中，经皮水分丢失法操作方便、使用较广泛，水分丢失量低于10g·（m²·h）^-1即证明皮肤完整性较好。此外动物皮肤的厚度、水分含量、贮存时间及冻融周期等因素也会影响渗透试验的重复性。

1.2 皮肤类似物

虽然动物皮肤为透皮渗透性研究提供了极大的便利，但仍然需要考虑使用动物皮肤存在的动物伦理及价格问题，为此许多皮肤类似物被开发并应用到透皮试验中。研究者通常通过培养人角质形成细胞和成纤维细胞，构建形成只有表皮层或者同时含有表皮和真皮层的皮肤类似物。透皮实验中，这些皮肤类似物的阻隔性比普通皮肤低得多，获得的皮肤渗透动力学参数高于人类正常皮肤。李辉等[6]制备了细胞共培养人体皮肤类似物，并对其屏障功能进行初步评价，发现与大鼠腹部皮肤相比对吲哚美辛有相似的屏障作用。皮肤类似物有与人体皮肤相类似的形态结构特征，但因为排除了活体皮肤的供体年龄、性别和解剖部位等变量，皮肤类似物作为体外透皮实验模型显示出优越的数据可重复性[7]。一些商业可用的人体皮肤类似物，如Graftskin、Skinethym、LAbskin、EpiDerm和Episkin等，已被用于渗透检测[8]。

1.3 人工膜

药物体外渗透性研究经常会使用到人工膜模拟人体皮肤进行研究。人工膜因具有便宜易得、结构简单及结果快速可得的优点，经常被用来做扩散研究。Strat-M人工膜是一种不含动物成分的多层聚醚砜膜，涂有皮肤脂类（如神经酰胺、胆固醇和游离脂肪酸），特别设计用于模拟透皮扩散测试[9]。涂敷在膜上的疏水脂质主要是由角质层脂质组成，与聚醚砜膜截流相结合，这种膜比其他膜更接近于皮肤渗透。这些化学物理特性使Strat-M膜成为一种很好的皮肤模型替代品，可以在无限和有限的剂量条件下评估分子的渗透通量。然而，由于其较低的屏障功能，人工膜通常导致较高的穿透能力和穿透率，因此目前较多的是用于测定药物刺激性和毒性等。

除了关键皮肤变量外，透皮试验中接收介质的种类、pH值、添加剂的选择，以及试验人员的实际操作等，也会导致试验数据重现性差，试验结果不可靠。由于这些限制因素，目前IVPT还不能成为制剂产品的放行标准，但是IVPT在经皮给药制剂研究中的优势越来越受到肯定和重视，是仿制药一致性评价中制剂处方工艺筛选的主要手段[10]。

数学模型渗透性预测

定量构效关系是一种借助分子的理化性质或结构参数，以数学和统计学手段定量研究药物分子吸收、分布、代谢等相关生理性质的方法。药物在皮肤表面的吸收、扩散与分布往往与药物分子的pKa、logP、分子量、氢键数目等理化参数密切相关。目前基于建模时参考的理化参数的不同，研究者们建立了Potts-Guy、Lien-Gao、Cron in、Magnusson等QSAR模型。陈晓谨等[11]测定了利培酮、α-细辛酸、炔雌醇和非那甾胺4种药物的经皮渗透参数，将测得实验数据与多种模型的预测结果进行对比分析，显示Potts-Guy模型预测结果与实测值拟合度最高。

关于经皮给药系统释放的数学模型有包括零级动力学模型、一级动力学模型在内的动力学模型和一些经验/半经验数学模型，如Higuchi模型、Hopfenbe模型、Weibull分布模型等[12]。目前己有很多研究者将这些释放模型用于研究药物的体外释放及经皮渗透行为。杜守颖等[13]采用Franz扩散池法研究了凝胶贴剂中青藤碱的体外释放行为和经皮渗透性并与已有的药物释放模型进行拟合，结果显示其体外释放曲线和经皮渗透过程均符合Weibull分布模型。也有很多研究者根据测得的实验数据和扩散定律（菲克定律等）建立自己的模型并进行拟合验证来研究药物释放规律。杜唯佳[14]建立微针刺入皮肤的数学模型预测缓释型微针药物的体外释放，然后使用Franz扩散池进行体外透皮试验测定药物释放，将测得的实验数据与数学模型预测结果进行拟合来研究药物的释放规律。

在体动物实验研究

在离体透皮试验初步评估药物渗透性之后，往往需要进行动物实验评估药物体内的渗透性，尤其是对于发挥全身作用的药物，动物实验尤为重要。动物皮肤给药后，测定血浆或者尿液中药物浓度即可评价药物经皮吸收情况，可以直接反应药物体内渗透扩散及进入体循环的量，也可以检测药物代谢及作用效果。申玉坤等[15]使用在体小鼠实验研究氧化石墨烯-β-环糊精/盐酸利多卡因包合物的渗透性，通过测定不同给药时间点的血药浓度评价包合物的渗透性。动物实验也是研究药物渗透能力体内外相关性的必要手段，李燕等[16]使用家兔在体试验考察4-萜品醇、4-萜品醇庚酸酯及肉豆蔻酸异丙酯对氟比洛芬贴剂的在体促渗透活性，并对促透剂的促透体内外相关性进行初步探究。

其他研究方法

4.1 平行人工膜渗透模型

平行人工渗透模型（PAMPA）是一种新型的基于人工膜的药物渗透性研究方法，近年来皮肤PAMPA多次被应用于药物渗透性研究。最初2006年，Ottaviani等[17]将十四烷酸异丙酯和二甲硅油不同比例的混合物作为PAMPA的磷脂层，分别测定其渗透系数，并与人体皮肤渗透系数进行对比，结果发现当十四烷酸异丙酯和二甲硅油的比例为3∶7时，二者的渗透系数相关性最高，故认为此种配比的皮肤PAMPA是模拟角质层的合适模型。胡燕超[18]就使用该配比混合物模拟的角质层模型来测定腺甘酯前药化合物的有效渗透系数及DDAK衍生物对腺苷前药的促渗透效果。后来PAMPA又经过许多研究者的改良，目前最先进的是96孔板脂膜试验模型，膜本身由游离脂肪酸、胆固醇和合成的神经酰胺类似物组成，适应于自动化和高通量筛选[19]。

4.2 光谱技术

针对具有特殊光谱的化合物，可以通过傅里叶变换衰减全反射红外光谱、共聚焦拉曼光谱法或荧光显微镜成像法等光谱方法，可快速地实现药物在皮肤深度精准的分布和定位定量分析。荧光光谱法是研究者最常应用的一种渗透性研究手段。姜明瑞等[20]将延胡索总碱贴片给药于SD大鼠神阙穴和非穴位部位后，将给药部位皮肤剪下制备皮肤切片，然后利用待测物具有可自发荧光的特性，选择蓝光波段分别对各皮层进行荧光显微观察，来研究延胡索总碱贴片经神阙穴与非穴位给药皮肤渗透性的差别。孙爱珍等[21]将芒果苷传递体涂抹于大鼠皮肤后，切除皮肤制备切片，用荧光显微镜通过观察不同深度皮肤的荧光特性而评价药物在皮肤中的分布特性。

共聚焦拉曼显微镜也被用于直接在体检测化学物质的透皮吸收情况[22]。刘娟等[23]通过对烟酰胺产品受试者皮肤拉曼光谱的分析，可直接无创测定烟酰胺在皮肤角质层中的渗透深度及渗透量，评估其在皮肤角质层内的透皮吸收性能。

近几年太赫兹光谱和成像技术也被用来评估经皮给药系统中药物的渗透性，Kim等[24]通过对切除的小鼠皮肤底部进行太赫兹成像技术测定酮洛芬的皮肤渗透性。

4.3 微透析技术

经皮微透析技术是一种以线性探针为主的皮下动态微量膜取样技术，具有活体连续取样、不影响皮肤血流量和药物透皮性、组织损伤小以及样品可直接检测等优势[25]，可更加准确获取药物的在体药代动力学数据。Zhang等[26]对SD大鼠进行皮肤微透析取样，来研究肉桂酸转移体作为透皮载体与常规脂质体对药物透皮影响。王景雁等[27]选择川芎嗪和葛根素作为亲脂性和亲水性模型药物，采用经皮微透析技术分别研究薄荷挥发油对亲脂性和亲水性药物的经皮促透活性，为其在中药外用制剂中的合理应用提供数据支持。

展望

在过去的几十年里，经皮给药系统快速发展，药物经皮渗透性的研究方法也不断推陈出新。体外透皮试验应用最广，方法最成熟，但它主要以离体动物皮肤为模型，考虑到皮下血流、温度、刺激应激反应等因素的影响，测定数据可能缺乏体内外相关性。动物试验数据最具说服力，但样品检测分析过程复杂，难以直接指导药品的开发。数学建模在未来的产品开发和帮助理解复杂的药物剂型方面具有很大的可能性，但是不能预测渗透增强剂及水合作用等因素对渗透性的影响，仍然需要动物试验及人体试验的验证。这其中的大多数方法缺乏系统的研究，不能成为质量控制和产品放行的法定方法，而且很多药物的渗透性没有被检测开发并加以利用。展望未来，随着国家对经皮给系统研究的重视及资金投入的加大，这些渗透性的研究方法将会更加科学完善，共同推动经皮给药制剂的发展。

参考文献：详见《药学研究》 2024 Vol.43，No.7

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