中國粉體網訊 使用高壓均質機 (HPH) 制備的聚合物納米顆粒在生產過程中提出了一些獨特的挑戰，通過應用質量源于設計 (QbD) 方法可以更好地理解這些挑戰。本文將重點介紹識別關鍵材料屬性的方法，包括抗腫瘤藥物、聚合物、表面活性劑、溶劑系統和分散系統。全面了解 HPH 工作期間的壓力和循環次數等關鍵工藝參數，并提出尺寸、形狀、表面電荷或液滴穩定性等關鍵質量屬性。這種 QbD 方法將涉及開發有效的控制策略，以確保抗腫瘤藥物的安全包封，以實現成功的產品開發。正確解決與規模放大相關的問題將推動裝載抗腫瘤藥物的納米制劑的成功商業化。
簡介
基于納米技術的研究是在分子水平（顆粒尺寸約為 100 nm）對材料特性進行操作的能力，這種多學科技術由創新驅動，旨在提高人類生活質量。納米技術在醫學中的作用已經能夠實現生物分子之間的有益相互作用，從而治療許多疾病。不僅納米級尺寸在醫學中發揮著決定性作用，而且相互作用的方式也影響著改進療法的治療結果。
藥物中的納米技術對具有增強治療功效的差異化產品的制劑開發做出了深遠的貢獻。應用納米技術開發抗腫瘤藥物制劑，催生了腫瘤納米治療領域，在過去二十年中呈現出巨大的指數增長。與其它活性分子不同，抗腫瘤藥物存在細胞毒性問題，因此需要安全包封并能夠到達其目標位點。納米顆粒的使用使所有這些成為可能。此外，納米顆粒還具有負載難溶性抗腫瘤藥物、保護活性部分免受惡劣體內環境影響、持續釋放、改變其生物分布、靶向特定細胞/組織以及延長血液循環時間等獨特特征。盡管有大量關于開發抗腫瘤藥物納米顆粒的研究論文，但沒有多少論文進入商業化市場。這是由于所使用的方法的可放大性較差。質量源于設計 (QbD) 方法的應用推動了標準化程序的開發，這些程序是制劑驅動的，以獲得優化的產品。規模放大此類納米顆粒的好處不僅可以改善傳統藥物的治療效果，還可以改善下一代藥物的治療效果。正確解決與規模放大相關的問題將推動載抗腫瘤藥物的納米制劑成功商業化。
在這種背景下，本文強調了納米顆粒放大過程中面臨的一系列障礙以及克服這些障礙的可行性。與使用 QbD 原理相關的其它優點包括對每個步驟的流程/單元操作有更好的清晰度和理解。這是一種科學驅動的基于風險的方法，可確保更輕松的監管流程，同時減少審批時間和所需的審計數量。美國 FDA 倡議采用基于風險的方法，利用完善的科學和知識空間來傳達加強對藥品工藝和產品的理解的概念。最好的部分是通過實時放行檢測以及適當控制策略的監控和總體一致的商業生產來彌補潛在的最小變化，從而實現所需的目標屬性。
由于聚合物納米顆粒具有包封能力、提供隱形特性、雙重負載以及通過連接配體實現靶向的能力，因此它們比其它新型藥物遞送系統更受歡迎。此外，新型可生物降解聚合物的多樣性和開發使得研究藥物的保留時間和細胞吸收變得更加有趣。即使擁有如此多的優勢，但由于臨床試驗中產生的毒性、臨床前研究中沒有選擇合適的模型以及未能在工業規模上重現結果，很少有產品能夠進入市場。為了開發商業認可的優質產品，選擇正確的實驗模型非常重要。選擇正確的實驗模型還將減少規模放大過程中的時間浪費，提供具有成本效益的生產、開發更省時的方法以及有時限的產品上市。
“均質化”（homogenization）一詞源自希臘語“均質”（homos + genos）； homos 表示相同或偶數，genos 表示同類。因此，均質化是形成均勻分布顆粒的過程。這通常使用稱為均質機的儀器來完成。在制藥工業中，這些均質機廣泛用于減小粒徑和形成均勻分布的乳液、分散體或懸浮液。該過程中產生的高能量導致顆粒尺寸減小，并將較大顆粒分解成較小顆粒。提供如此高能量的不同類型的儀器包括轉子-定子均質機、高功率超聲波發生器、高剪切均質機、高壓均質機等。 HPH儀器廣泛應用于生物技術、制藥和食品工業。
任何商業規模批次的成功在于能夠滿足所有質量參數，尤其是實驗室規模期間顯示的質量控制測試。系統性規劃的關鍵質量屬性（CQA）和適當的設計空間可以促進這一點。
根據定義，CQA 是物理、化學、生物或微生物方面表現出的特性，需要將其控制在一定范圍內，以確保最終產品的預期質量。然而，CQA 不僅僅是分析測試，因為它們是關鍵限值，當保持在適當的限值以下時，將為產品帶來所需的結果。此外，CQA 可以說是實施 QbD 過程中最困難的一步。在此背景下，本文重點介紹在 HPH 工作期間確定關鍵工藝步驟的方法，以獲得所需產品質量且可規模放大。
QbD 方法
在 QbD 方法中，建立質量目標產品概況（QTPP）將是產品開發周期中獲得所需質量特性的第一步。此階段涉及為給定藥品分配明確定義的屬性。在 QTPP 中，CQA成為一個子集，定義了涉及產品開發的少數關鍵參數。可能會根據原材料和工藝的變化而改變的關鍵參數，如圖1所示。必須在產品開發階段對此進行觀察和評估，以確保藥品保持在安全有效的水平內。
圖1. 使用 HPH 進行產品開發中 QbD 的生命周期。
對于任何優質產品，工藝技術中引入的原材料的特性起著至關重要的作用。例如，輸入材料需要被標識為關鍵材料屬性（CMA）。過程中的材料屬性被視為一步工藝的 CQA，這將成為下游生產過程的 CMA。關鍵工藝參數（CPP）的識別成為生產工藝參數的一部分，最終將原料藥的風險評估歸因于產品的開發。
關鍵材料屬性：識別和優化
本節討論關鍵材料屬性（CMA）、其在抗腫瘤藥物選擇中的識別和優化，以及產品開發中賦形劑和乳化系統的選擇。對于任何產品開發，如果我們考慮原料藥屬性的關鍵要素以及藥品關鍵質量屬性，那么固態形式和粒徑將是影響最終產品有效性的主要關鍵材料屬性。識別和優化這些關鍵材料屬性非常重要。在優化階段需要深入了解材料、其化學性質、作用機制、分子水平的復雜性。用于生產劑型的技術以及正確的材料選擇對產品質量產生巨大影響。
抗腫瘤藥
作用于腫瘤細胞的藥物可分為四種類型：細胞毒性藥物、疫苗、內分泌（激素）治療以及用于靶向治療的小分子/抗體。在選擇候選藥物期間，制劑設計師應考慮以下因素。
1.候選藥物應具有潛在的劑量范圍和在目標位點的作用機制。
2.應解釋該化合物的多晶型。
3.需要研究已開發制劑規模放大的可能性。
4.它應該是一種商業上可持續的產品，造福人類生活。
5.通過產品內在的新穎方法，開發的產品應該顯示出更有效且安全的療法。
圖2描述了開發抗腫瘤納米產品時選擇藥物和輸送系統時需要選擇的參數。藥物開發過程基于兩種方法，即基于結構的方法和基于靶標的方法。在基于結構的方法的情況下，藥物設計的概念及其選擇取決于藥物結構相互作用及其各自的目標受體如何指示治療效果。這可以通過NMR和 X 射線晶體學來解釋。基于靶標的方法根據其與特定疾病指示的相應目標受體結合的能力來確定。計算機輔助藥物設計（CADD）用于通過該軟件研究藥物分子與目標受體之間可能的相互作用。
圖2 .開發抗腫瘤納米產品以選擇藥物和輸送系統時需要選擇的參數。
許多研究人員還探索了另一種方法，即使用QSAR 的基于配體的藥物設計，即定量結構活性關系 (QSAR) 機制。在這種方法中，生物分子上藥效團的闡明傾向于靶向受體。這結合并改變了生物進程以誘發疾病狀態。在靶向抗腫瘤部分期間需要鑒定藥物分子與基因的相互作用。這項研究被稱為藥物基因組學。這將有助于選擇正確的候選藥物及其目標受體。該信息可進一步用于了解該分子對目標疾病的效力。靶點可以是受體、轉運蛋白、酶等，在病理反應中發揮作用，和/或在信號轉導中發揮作用。可以設計計算機模型來研究靶標并驗證疾病易感性。需要了解藥物代謝酶及其多態性的知識，以了解其基因的藥物穩定性。代謝酶的例子有細胞色素 P450 (CYP)、乙醛氧化酶、單胺氧化酶 (MAO) 等。粘附并促進生物分子運動的蛋白質是膜結合轉運系統，使候選藥物到達目標位點。活性物質的材料屬性應具有承受高壓均質技術所涉及的壓力的能力。在生產過程中，由于產生的強空化力和剪切力以及材料在此過程中受到的強烈能量，可能會觀察到成分的降解。某些分子（例如胰島素和酶）能夠承受過程壓力，但可能對溫度或熱量敏感。由于系統壁上脂質吸附的干擾，脂質層可能會丟失。
影響聚合物納米顆粒制劑中的粒徑和均質過程成功與否的各種因素包括：
初始產品的均勻性
均質機的設計
介質的離子強度
過程中的循環次數及其壓力
過程溫度
賦形劑含量和組成，特別是聚合物和脂質
控制上述所有因素將確保穩定性、效力和產品完整性。圖2給出了開發抗腫瘤納米產品所需選擇的參數，以便于選擇藥物和遞送系統。
賦形劑
在賦形劑中，聚合物在納米顆粒的制劑開發中發揮著最重要的作用。研究人員現在已經能夠根據需要通過聚合、絡合或修飾官能團來合成聚合物。這一概念增強了靶向藥物輸送，因此這標志著治療功效的增強。聚合物的選擇主要基于藥物在聚合物中的溶解度，因為溶劑容量越高，藥物負載潛力越高。
聚合物作為腫瘤化療中的藥物載體
聚合物現已成為腫瘤化療載體制劑開發的重要組成部分之一。就其聚合物特性而言，它們與藥物形成綴合物的能力有關。然而，它們提供包埋藥物長期持續和受控釋放的能力增強了治療方案。此外，能夠捕獲多種分子，從親水性和疏水性藥物到蛋白質和肽，并具有可調節的藥物釋放。
聚合物制劑可以通過以下方式改善抗腫瘤藥物的遞送：
增加疏水性藥物的溶解度
降低腎濾過率，減少排泄，從而延長循環周期。
基因或任何種類的蛋白質過早降解，從而產生藥物保護。
通過掩蔽、涂覆或屏蔽藥物遞送載體（例如使用PEG屏蔽納米顆粒），避免藥物進入巨噬細胞攝取和網狀內皮系統(RES)。
通過屏蔽或掩蔽表面來對藥物進行涂層或表面保護。
減少多重耐藥 (MDR) 細胞的藥物外流。
被動靶向藥物遞送并探索腫瘤結構。這使得特定尺寸的納米顆粒的滲透性和保留性（EPR）增強，與正常組織相比，這些納米顆粒在腫瘤組織中會被更多地收集。
主動靶向藥物遞送至過度表達腫瘤相關抗原。
聚合物納米顆粒是一種軟質生物材料，可用于藥物遞送，因為其合成過程簡單，易于結構改變以形成所需的靶向遞送特性或表面修飾以提高藥物負載功效等。在這里，可以增強生物分布，提高治療效果，因為它們具有納米級尺寸，在膠體系統中具有生物相容性且通常可生物降解。抗腫瘤產品開發中探索的聚合物納米顆粒來源廣泛，如天然來源，如殼聚糖、膠原蛋白、明膠、葡聚糖，以及水溶性聚合物，如人血清白蛋白（HAS）、凝集素、聚氨基酸、聚乙二醇等。合成聚合物，例如可生物降解的聚（乳酸）（PLA）、聚（乙醇酸）（PGA）、聚（ε-己內酯）（PCL）、共聚物聚（乳酸-乙醇酸）、N-（ 2-羥丙基）-甲基丙烯酰胺共聚物（HPMA）和聚（苯乙烯-馬來酸酐）共聚物、聚酰胺-胺（PAMAM）樹枝狀聚合物也廣泛用于腫瘤治療。在制劑開發過程中，藥物可以被包封或分散在聚合物基質系統中，或者藥物可以附著到聚合物分子上以改進抗腫瘤藥物的遞送。藥物釋放機制可能是通過聚合物基質擴散、表面或整體侵蝕、膨脹或刺激反應傳遞。為了防止快速清除和酶消化，設計了使用聚合物介導的遞送系統控制活性物質的釋放遞送。即使在針對作用部位的活性物質方面，這些也顯示出巨大的潛力。例如：聚合物納米顆粒、聚合物膠束系統、聚合物-藥物綴合物和納米級水凝膠等等。Ren等人通過使用 HPH 的酸水解反應開發了具有微晶纖維素的纖維素納米顆粒。在這項研究中，他們觀察了反應中各種酸、酸-微晶(MCC) 比例、反應時間和 HPH 過程中使用的循環以及各種壓力對納米顆粒質量對影響。研究了所有這些參數對納米顆粒形態和熱穩定性的影響。他們得出的結論是，反應中的濃酸產生了直徑為 10 nm、長度為 150-200 nm的棒狀顆粒。隨著均質循環次數的增加，形成的納米晶體尺寸減小。Gupta S 等人研究了HPH中，用于固體脂質納米顆粒 (SLN) 系統各種表面活性劑系統，發現使用泊洛沙姆 188 (Pluronic F68) 可得到最小的粒徑和多分散系數以及最大的包封率。
表面活性劑/增溶劑
穩定納米乳液的主要成分是根據其親水親油平衡（HLB）值選擇表面活性劑或增溶劑。它作為驅動力，因為它具有開發以油或水作為連續相的制劑所需的范圍，或者也可以選擇混合表面活性劑，從而提供穩定制劑系統的理想混合物。 HLB值越高，體系越親水。 Chong 等人研究了 HLB 值 10-15 范圍內的混合表面活性劑的影響，他們觀察到，分別使用 5 wt% 和 10 wt% 的表面活性劑時，液滴尺寸從 96.47-130.90 nm 減小到 88.95-112.20 nm。他們還對這些配制的乳液進行了穩定性研究，他們觀察到，HLB 值為 13 和 15 的乳液在 35 天的儲存過程中表現出不穩定，因為液滴尺寸發生了顯著變化。表面活性劑頭基大小的差異影響混合表面活性劑的協同效應。研究表明，表面活性劑頭部較大基團尺寸的差異會影響更大的協同效應，因為小分子表面活性劑可以更好地包圍油相和水相之間的大表面活性劑界面。通過使用混合表面活性劑可以增強在分散介質中的分散性和溶解度，這可以增強兩相之間的界面膜。 Chong 等人研究了混合表面活性劑對液滴尺寸的影響，結果表明，只要水相中表面活性劑濃度超過 7.5 wt%，且作為溶劑的甘油濃度超過 20 wt%，就可以得到液滴尺寸顯著減小的納米乳液。
溶劑體系
HPH 避免了有機溶劑的選擇，因此消除了殘留溶劑的監管問題和產品概況的安全問題。甘油在制劑體系中用作共溶劑時，可以增加水相的粘度。因此，由于共溶劑在分散介質中的溶解度，添加共溶劑可以減小液滴尺寸，因此該分散介質降低了其粘度并產生更小液滴尺寸的系統。如果共溶劑同時具有親水性和疏水性，它們可以擴散到表面活性劑的單層中，從而導致表面活性劑的最佳曲率、柔韌性和界面張力的變化。Vivek等人研究了不同濃度單硬脂酸甘油酯的應用及其對制備的固體脂質納米顆粒均質壓力的影響。他們發現，5000psi -10000psi 的壓力范圍會減小納米尺寸顆粒范圍，并且由于均質階段產生的空化力導致脂滴減小到納米尺寸范圍，因此可以觀察到。
乳化/分散系統的選擇
在 HPH 工藝和良好的乳化系統中，可實現的液滴尺寸取決于影響液滴破碎的破碎單元的流動模式。這種破壞單元取決于進入徑向擴散器、反向噴射分散器和軸向噴嘴集合體的流動引導。能量密度等于破碎單元中的壓降。增加壓力差或增加能量密度將導致液滴尺寸直徑減小，除非發生聚結。Juttulapa等人研究了可用作HPH 工藝乳化劑的各種果膠類型。研究表明乳液的液滴大小取決于果膠的甲氧基含量。在高甲氧基含量下觀察到較小的液滴尺寸和良好的穩定性，這是由于良好的乳化性能。
原文：G.Soni, K.Kale, S.Shetty, et al., Quality by design (QbD) approach in processing polymeric nanoparticles loading anticancer drugs by high pressure homogenizer. Heliyon, 2020.
（中國粉體網編輯整理/青黎）
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