如何有效解析干粉吸入劑配方

    干粉吸入劑(DPIs)的結構較為復雜，這使得它成為當下最難進行仿制研發的藥品之一。而本文不僅回顧了美國食品藥品監督管理局（FDA）對干粉吸入劑配方開發的指導原則草案，更探討了多種可用于解析復雜干粉吸入劑配方的分析策略。

    干粉吸入劑中的藥物成分、賦形劑及所用設備之間常發生復雜而微妙的相互作用。這樣的相互作用一方面能影響干粉吸入劑的性能表現；另一方面，也使得干粉吸入劑比其他藥品更難進行仿制--目前商業藥品市場的現狀也恰好證明了這一點。例如，市場上最成功的干粉吸入劑產品之一--舒利迭（Advair）目前已過了ZL保護期，但盡管許多仿制藥公司都投入了大量的資金和精力，希望在該市場中分一杯羹，能與之匹敵的實在是少之又少。[1]

    FDA對干粉吸入劑開發的行業指導中[2]特別強調了顆粒表征的重要性。我們知道，若想成功傳輸干粉吸入劑，需要將顆粒分散成合適的大小，使其能在肺中沉積。而顆粒表征有助于分析并控制與藥物傳輸相關的分散機制，確保開發出的產品具有高效的霧化作用和可控的生物利用度，并保證臨床效果的一致性。因此，在新藥和仿制藥的開發過程中，相關度高且有效的顆粒表征方法至關重要。

    本文評估了幾種能夠加快干粉吸入劑配方解析的分析技術，并重點探討如何用級聯撞擊器與拉曼結合自動成像技術（MDRS）相結合的手段來探測大顆粒和聚結物的性質。

 干粉吸入劑詳解

    由于干粉吸入劑只能依靠患者吸入才能完成輸送，所以大部分的干粉吸入劑都被歸類為被動式藥物。患者吸氣時，空氣會通過吸氣裝置，使藥物粉末霧化并分散成符合吸入尺寸的藥物顆粒。而患者使用某一特定裝置吸氣時產生的能量將影響制劑的分散程度，進而決定藥物粒徑以及總的噴出劑量。而FDA起草的指南中詳細列舉了干粉吸入劑的設備結構、包裝（如泡殼包裝、膠囊或散裝容器）以及配方的物理特性對分散過程的影響。

    患者攝入的活性藥物成分（API），其顆粒大小直接關系到其在肺部的吸收程度。因此，干粉吸入劑的性能表現需要通過藥物顆粒大小以及劑量均勻性來衡量。當前肺部給藥的最優粒徑范圍為1- 5微米，但該范圍內的顆粒往往具有較高的粘性。對干粉吸入劑進行開發時，研究人員面臨的一個核心挑戰就是要設計出一種設備/配方組合，以確保患者在吸氣時就能均勻分散粘性藥劑。

    對許多干粉吸入劑而言，有效的藥物傳輸是通過混合API與載體顆粒實現的。但現在，我們還可以通過設計API的形狀、表面電荷和粗糙度等顆粒性質，實現無載體傳輸。因此，對參考目錄藥物（RLD）進行配方解析時，可能需要對多組分的混合物進行詳細分析，包括API詳細的特征屬性。

   干粉吸入劑配方解析的分析工具

    FDA指導原則草案指出，API的顆粒大小、粒徑分布、形態特征以及結晶習性均是干粉吸入劑的關鍵質量參數（CQAs），它們能決定干粉吸入劑的臨床表現。而獲取生物等效性（BE）的一個重要方法，就是要通過詳細了解配方的關鍵物料參數（CMA）與設備參數兩者之間的相互作用關系，從而進一步了解這些參數是如何影響關鍵質量參數（CQAs）的。

    級聯撞擊技術可用于測量干粉吸入劑的空氣動力學粒徑分布狀況，這在歐洲和美國藥典中均有詳細記載。該方法借助顆粒慣性對干粉吸入劑的傳輸劑量進行粒徑分級，形成空氣動力學粒徑與顆粒運行速度[3]之間的函數。它的價值主要在于，當其對每一獨立的粒徑分級顆粒進行化學表征時，就能獲得各種組分的空氣動力學粒徑分布（APSD）信息。而為了實現上述目標，研究人員通常采用高效液相色譜法（HPLC）對顆粒進行定量分析，但由于需要將樣品進行溶解，研究人員將無法取得與特定組分顆粒相關的物理特征信息。

    顯微圖像技術是FDA推薦用于研究干粉吸入劑開發過程中形態特征的一項技術。該技術已經發展成熟，但它在配方解析方面依舊存在局限性。例如，傳統的人工顯微技術耗時耗力，且一般無法對配方的不同組分進行區別鑒定。[2]

    若想有效解決上述問題，研究人員可考慮采用替代或補充的分析方法，其中包括激光衍射技術、自動成像分析技術和拉曼結合自動成像技術等，這些技術都可支持并加快干粉吸入劑的仿制研發。

 激光衍射 - 實時監控分散行為

    激光衍射法是一種整體粒徑測量技術，可對0.01– 3500微米粒徑范圍內的顆粒進行基于體積的粒徑分布測量，且不會造成任何破壞。作為一種高度自動化的快速測量方法，它能夠在數秒內測量多種粒度分布的情況。這些優點都足以讓激光衍射法成為級聯撞擊技術的有效補充手段。

    激光衍射測量的是整個配方的粒徑大小，無法像級聯撞擊技術那樣給出特定成分的粒徑信息。但它的測量速度要快得多，且能夠提供吸入過程中不同階段的粒徑數據，而恰恰這些數據對于理解樣品的輸送過程是非常重要的。此外，激光衍射技術還能進行實時分析，因而可在一天內測量數百次觸發過程中的粒徑和濃度信息。因此，該技術可用于快速研究干粉吸入劑配方的分散行為，為關鍵物料參數和設備參數的結果與藥物傳輸效率的關聯研究提供支持[3]。采用激光衍射法進行粒度測量時，研究人員能夠得到詳細的分散動力學數據，并了解裝置排空的效率以及流速對產品性能的影響（圖1）。這些信息可幫助確定產品的設計空間，并為其生物等效性研究提供數據支持。

圖1：干粉吸入器在排空過程中，使用激光衍射技術捕捉的粉末濃度（Cv）與時間變化的關系。數據表明，當流速較高時，濃度也更高。而這與該粘性配方霧化時可提供的能量密切相關。

 提高級聯撞擊技術的信息獲取量

    自動成像分析技術可對樣本進行形態特征的統計分析。相較于普通的顯微技術，自動成像技術不僅耗時更少，提供的數據也更豐富。研究人員可在幾分鐘內捕捉數萬份單個顆粒圖像，并利用這些圖像確定每個顆粒的形態特征參數，以此得出樣本的粒度與形狀分布信息。這些信息使得研究人員能夠對干粉吸入劑的形態特征進行仔細研究，從而對大顆粒和團聚物進行全面探究，而恰恰這樣的全面探究正是監管指南中所提倡的。以上優勢，讓自動成像分析技術在干粉吸入劑表征領域逐步取代顯微技術。

    此外，當用級聯撞擊產生分級樣本時，自動成像分析技術由于速度較快、無破壞性，它可提供HPLC無法提供的形態特征信息。這使得研究人員能夠收集到級聯撞擊器在不同階段的粒徑和形狀信息，進而對顆粒的分散過程形成更深刻的認識[4]。

    若是將自動成像分析技術與拉曼光譜相結合，一種全新的、能夠增強顆粒分析能力的技術應運而生，即拉曼結合自動成像技術形態定向拉曼光譜（MDRS）技術。借助MDRS技術，研究人員可區分出單個顆粒的化學性質，并收集同一干粉吸入藥劑中不同成分在不同粒徑下的形態特征信息。

 案例分析：使用MDRS技術深入了解含兩種API的干粉吸入劑配方的分散行為

    研究人員將含有兩種API的市售干粉吸入劑樣本加入新一代撞擊器（英國科普利科技有限公司產品）中進行分散和分級，并在撞擊器中放置樣品收集盤以捕獲顆粒進行MDRS分析。隨后，研究人員把收集到的顆粒轉移至Morphologi G3-ID設備上（英國馬爾文儀器有限公司產品）進行分析。

    沉積下來的顆粒最初通過自動成像分析技術進行表征以得到其形態特征信息。隨后，研究人員從以上分析中選出1500多個顆粒，根據其粒徑和形狀進行化學鑒定。收集到所選顆粒的拉曼光譜后，研究人員將它們與僅含有API和僅含有乳糖（本配方中的添加成分）的參考光譜進行比對。通過以上操作，研究人員能夠對目標顆粒進行可靠的化學分類。若相關系數為1，則表示該顆粒的光譜與純API高度匹配；如果相關系數接近零，則表明這兩種組分沒有相關性。

圖2：將單獨顆粒的拉曼光譜與配方中的API參照光譜進行比較，可對樣本成分進行可靠的化學分類。

圖2為某特定顆粒的光譜與兩種活性成分的參考光譜以及兩者的相關性。相關系數表明，該顆粒是一種多組分的團聚物（MCA），其光譜特征與兩種API關聯性較高。通過類似的方式，研究人員可輕松識別出含一種或者兩種API及乳糖的團聚物。

圖3：在使用新一代撞擊器對樣本進行粒徑分級時，采用MDRS分析法可將每一級別的顆粒準確分類為API、乳糖或含有多種成分的團聚物。

    圖3是所有目標顆粒的相關化學組分數據。這些數據表明第三階段捕獲的顆粒（即目標顆粒）中，僅約1％的顆粒只含有1號API。雖然大部分顆粒擁有2號API，但也含有相當數量的離散乳糖顆粒及多組分團聚物。圖例中為每種已識別顆粒的圖像。

   相比用HPLC進行級聯撞擊，以上數據能夠更透徹地分析配方的分散過程，而前者僅能簡單分析每一粒徑級別的平均化學成分。通過粒徑分析,這些數據可展示兩種API是否同樣容易從乳糖中分離，是否可能在肺部同一地點沉積。這些信息對于理解干粉吸入劑的臨床效果、展示其生物等效性十分有用。

  實現高效的配方解析

      配方解析比配方開發更具有挑戰性，這對于干粉吸入劑等復雜配方產品來說尤為明顯。因此，完善干粉吸入劑配方解析的分析工具就顯得十分必要。用于吸入產品表征的傳統工具——級聯撞擊器和顯微技術——已被證實具有一定優勢，但其他技術在這一領域也可大有作為。通過加快分析速度、幫助科研人員獲取更多信息，激光衍射技術、自動成像技術以及拉曼結合自動成像技術能夠支持質量源于設計（QbD）理念的應用，從而推動仿制藥的有效研發。

作者：馬爾文儀器制藥產品經理Paul Kippax博士