干粉吸入剂的研究进展

张宇佳，胡晓芸，于 淼，王东凯

（沈阳药科大学 药学院，辽宁 沈阳 110016）

肺部给药不仅是治疗局部肺部疾病（哮喘、COPD、支气管扩张、肺部感染等）的有效疗法，也是获得全身性疗效的常用疗法[1]，这一观点已经得到普遍认同。肺部吸入药物后，药物直接到达肺部，与口服给药相比，能显著降低用药量，进而减少药物不良反应。肺部解剖学和生理学的独特性是吸入药物的关键决定因素之一。肺部毛细血管丰富，80% 的肺泡都包裹着毛细血管，血管血流量大，药物经肺部血管吸收后直接进入血液，无首过效应，因此，肺部给药后吸收十分迅速[2]。肺部的生物代谢酶集中分布在肺泡 Ⅱ 型细胞中，能在一定程度上减少蛋白质、多肽类药物进入肺部后大量水解，使得药物能够保持其生物活性，达到药效[3]。肺部给药剂主要分为 3 种：雾化剂、加压定量吸入剂、干粉吸入剂。这 3 种给药制剂各具特点，加压定量吸入剂、雾化剂利用抛射剂提供动力递送药物，使用便捷，但两者使用的抛射剂氟利昂会污染环境[4]，而且加压定量吸入剂无法大剂量给药，限制了这两种剂型的进一步发展。干粉吸入剂动力来源于患者主动吸入，解决了上述环境问题，又因其能递送大剂量药物，且药物为固态粉末，可以应用于递送蛋白质、肽类药物，扩展了肺部给药制剂的应用范围[5]。干粉吸入剂的众多优点使其成为市场上的新宠，逐渐被广大患者所接受。本文作者对干粉吸入剂性能的影响因素、体内外评价方法进行综述，希望能为国内新一代干粉吸入剂的研发提供一些设计思路。

1 干粉吸入剂简介

干粉吸入剂（dry powder inhaler，DPI）又称吸入粉雾剂，系指固体微粉化原料药单独或与合适的载体混合后，以胶囊、泡囊或多剂量贮库形式，采用特制的干粉吸入装置，由患者主动吸入雾化药物至肺部的制剂。其在国外已经有几十年的研究历史，目前上市的药物多为治疗哮喘和慢性阻塞性肺病。一些国外知名药企已经打造出自己的王牌产品，如阿斯利康公司的信必可都保、葛兰素史克公司的舒利迭等，有些药企已经向疫苗、蛋白质药物领域发起新的挑战。干粉吸入剂因装置设计、生产工艺等难度大，研究成本高，国内的 DPI 研究仍处于起步阶段，批准上市的DPI 种类少之又少。根据米内网数据显示，中国公立医疗机构终端化学药市场中 DPI 各种剂型中所占市场份额从 2013 年的 1.52% 增加到 2018 年的 2.08%，销售额突破 200 亿元，因此干粉吸入剂在中国具有很大的市场前景。又因其易于使用、环境友好、无抛射剂、吸入效率高、药物稳定好、无创给药等众多特点，使得干粉吸入剂从各种剂型中脱颖而出，吸引了众多国内药剂学者进行研究[6]。

2 干粉吸入剂的组成及制备工艺

按照药物储存方式的不同干粉吸入剂主要分为单剂量、多剂量和贮库型 3 类。单剂量 DPI是在生产时剂量已经确定，不能进行改变，使用后不能再次重复利用，需要重新安装另外的一个剂量（大部分是以“胶囊”的形式）。多剂量 DPI 是一次装入多个单剂量的药物，使用完一个剂量还可以更换下一个单剂量。贮库型 DPI 是把药物全部装入一个贮库，通过患者自行调节装置来控制剂量。干粉吸入剂主要由微粉化的药物、载体和第三组分组成。

2.1 组成

2.1.1 微粉化药物

近年来，干粉吸入剂发展迅速，DPI 所承载的药物由单一的治疗哮喘、慢性阻塞性肺病的药物转变成效果更好的复合药物或三联药物，如硫酸沙丁胺醇[7]、福莫特罗、布地奈德等，并逐渐向抗生素、多肽蛋白质类、基因药物等方向发展，例如：2013 年 FDA 批准上市的妥布霉素干粉吸入剂就是用于发生肺部铜绿假单胞菌感染的囊性纤维化患者。为了能使药物顺利进入肺部并沉积，就需要严格控制药物的粒径，需要对药物进行微粉化。传统的微粉化方法是磨粉碎法，其他的方法还包括干法微粉化，也可以湿法微粉化，由于干法微粉化的步骤简单，因此最常用。近年来，喷雾干燥法、喷雾冷冻干燥法、控制结晶法、超临界流体技术也广泛应用于改变药物粒径的大小[8]。

2.1.2 载体

细小的粒子由于表面能大，极易团聚而难以分散，使得药物的分装及输送变得困难，因此干粉吸入剂采用较大粒径的载体来协助药物小分子的分散，进而制成黏附混合物干粉[9]。考虑到毒理学方面的因素，可作为干粉吸入剂常用的载体主要有乳糖、甘露醇、赤藓糖醇、木糖醇和阿拉伯胶等。其中乳糖是美国 FDA 唯一允许使用的干粉吸入剂载体，由于乳糖是还原糖，因此不能作为伯胺类药物以及多肽、蛋白质药物的载体使用[10]。有报道称[11]，载体乳糖粒径过大，在吸入时可能会引起咳嗽，甚至支气管收缩，因此在选择载体时，也必须要考虑到吸入制剂的安全性。

2.1.3 第三组分

研究发现，在处方中额外加入一些粒径小的组分可以改善药物的沉积和分散性能，研究者称之为第三组分。乳糖大粒径载体能够改善药物小分子的流动性，Zeng 等[12]用体积分数 95% 的乙醇处理沙丁胺醇 DPI 中的乳糖，使其表面粗糙程度增大，与未用乙醇处理的乳糖对比，药物分散性降低，向含有乳糖载体的沙丁胺醇 DPI 中又加入 5～10 μm 微粉化的乳糖，可吸入细粉的比例由原来的 17.1% 分别提高至 21.6% 和 27.0%。加入的乳糖细粉可以抵消未微粉化乳糖表面凹凸不平的影响，乳糖细粉提高了沙丁胺醇的可吸入细粉的比例和分散性，使所有批次的乳糖，无论颗粒大小或者是否经过溶剂处理，都能产生相似比例的雾化沙丁胺醇，添加的小粒径乳糖作为第三组分改善了 DPI 的雾化性能。此外，羟丙基-β-环糊精（HP-β-CD）也可作为分散剂用以改善药物的分散和雾化性能，HP-β-CD 具有低吸湿性，Zhao 等[13]制备了 HP-β-CD-乳糖二元载体（CLBC），用颗粒分布撞击器评估其雾化性能，结果表明，乳糖与 HP-β-CD 的共同喷雾干燥导致粉末具有较低的密度和更好的物理稳定性。Feng 等[14]研究了一种喷雾干燥和药物形状的机械模型，随着 L-亮氨酸质量分数的增加，喷雾干燥微粒的形态发生了变化，从实心、光滑的球形转变为具有薄壳的空心微粒。亮氨酸在微粒形成过程中形成结晶性薄壳，微粒粉末密度显著下降，分散性提高。

2.2 制备工艺

药物的粒径影响吸入剂的性能，因此需要将药物微粉化成合适粒径大小的颗粒，并根据药物的自身性质与研发目标确定最终的微粉化方法。目前生产中应用最广泛的是气流粉碎法，该法的过程是喷嘴喷出来的气流遇到药物粉末，形成超音速物流，药物粉末之间不断碰撞，药物粉末与气流粉碎装置腔体内壁不断摩擦，从而使药物实现微粉化的效果[15]。但粉碎也可能引起药物晶型的改变，从而改变药物性质，因此后续仍需进行详细的考察。另一种生产中常用的微粉化方法是喷雾干燥法，该法是将药物溶液通过喷雾干燥机雾化，雾化的液滴在热气流中迅速干燥，得到表面凹陷的小粒径颗粒。在制备疫苗等生物制品时，为了增加药物的稳定性，也会使用喷雾冷冻干燥技术，疫苗药物溶液雾化后进行液氮冷却，迅速冻结变成晶体，随后被真空冷冻干燥，升华成表面粗燥的低密度颗粒[16]。随着环保意识深入人心，超临界流体技术近年来也逐渐应用于微粉化药物，将二氧化碳在超临界状态下与药物溶液混合，通过迅速减压使二氧化碳从液滴中释放，液滴分散成更小的液滴，在热氮气流中干燥形成干粉[7]。该方法无毒，可以在通常条件下操作，因此有望成为干粉吸入剂制备中常用的技术方法，为社会带来更大的经济效益和环保效益。

3 影响药物分散和沉积的因素

理想的干粉制剂处方及制备工艺应使药物微粉在吸入前具有良好的流动性，吸入后能迅速解聚释放出药物粒子而发挥治疗作用。为了达到良好的治疗效果，应重点考察药物微粉化粒径、形态和密度，载体的使用，气流的影响。

3.1 药物粒径、形态和密度

性能适宜的药物颗粒是影响 DPI 性能的另一个重要因素。由于微粒的形态各不相同，因此常用一个等价的球体来代替，用这个等价球体的直径来计算这些微粒的粒径，即几何学粒径 De，然而实际上动态的粒子与静态的粒子有所不同，因此引入另一个概念——空气动力学直径 DA，DA用来描述单位密度的球体在静态空气中运动时换算成的实际粒子的直径，用公式表示为 DA=De × (ρ/ρ0Χ)1/2，其中 ρ0为参照密度（其值为1 g·cm-3），Χ 为动态形态因子（球形时为1），ρ为粒子的密度[17]。微粒在肺部的沉积分别受粒子大小、粒子几何特征、肺组织性质和呼吸方式的影响。进入肺部的粒子因空气动力学直径不同而发生惯性碰撞、沉降和扩散，具体包括：①直径为 1.0～5.0 μm 的粒子，以重力沉积形式分别沉积在 10～17 级支气管壁；②直径为 0.5～1.0 μm的粒子，沉积于呼吸性支气管及肺泡壁；③直径小于 0.2 μm 的粒子，以布朗运动形式沉积于肺泡；④直径小于 0.1 μm 的粒子大部分随呼吸气流排出。故直径在 0.1～3.0 μm 的粒子细支气管和肺泡内沉降率最高，其比例越大疗效越好[18]。

粒子的形态和密度同样会对药物雾化性能产生影响。Chew 等[19]制备了 4 种粒子直径相同但表面粗糙程度逐渐增大的药物粉末，这样能够使可吸入细粉的比例数从 27% 显著提高到 41%，但表面粗糙程度增加到一定程度时可吸入细粉的比例数不会继续增加。说明由于粒子的形态变化会导致一定程度上的接触面积的减小和颗粒间分离距离的增加，从而影响雾化性能。Duddu 等[20]将布地奈德制成乳剂后喷雾干燥，形成低密度多孔性颗粒，与未用此技术处理过的布地奈德药物相比，沉积效率增大一倍。

3.2 载体

直径小于 3.0 μm 的粒子在肺部沉积效果好，但由于其表面能过大，这些药物粒子易“抱团”聚集，流动性随之降低，因此需要加入载体，使其与药物粒子进行充分混合。在吹入期间，克服了药物与载体之间的黏附力的吸气气流的能量，使药物粒子从载体粒子的表面脱离。较大的载体颗粒会撞击上呼吸道，而较小的药物颗粒会穿过肺的下部。载体的存在也可以让患者感知到吸入药物，因此载体是干粉吸入剂的重要组成部分。载体颗粒应具有一些特性，例如：物理化学稳定性、生物相容性和生物降解性、与原料药的相容性，并且必须是惰性的、对环境友好且经济实用等。

载体的加入能够改善药物粉末的流动性和分散性，但也会带来一定的问题。如果载体与药物粉末吸附能力太强，药物在进入体内后不能在规定时间内与载体分离，或者承载药物的载体粒径过大，两者就会沉积在患者口腔或者咽喉处，而不能在肺部沉积[21]。载体与药物的吸附能力除了与药物本身性质有关，还取决于载体的形态、粒径、带电情况。Iida 等[22]通过用乙醇水溶液对乳糖颗粒进行表面处理，制备了由具有不同颗粒表面性质的乳糖载体和微粉化的硫酸沙丁胺醇组成的药物/载体粉末混合物，并利用双撞击器评估了硫酸沙丁胺醇的体外沉积性能。采用超速离心分离法评估药物与载体的黏附程度，使用气流筛法评估气流中药物颗粒与载体颗粒的分离特性，结果表明，经表面处理的乳糖载体与药物颗粒之间的平均黏附力（F50）明显低于与未经处理的乳糖载体混合的粉末，药物颗粒与载体颗粒之间的分离度（T50）有所提高。

Podczeck 等[23]研究发现，在交互式混合物中较高数量的细载体颗粒可以改善干粉吸入剂的空气动力学特性。细的载体颗粒可以与微粉化的药物形成团块，并根据团块的空气动力学特性在空气流中沉积，而不是单个颗粒空气动力学特性。这种效果似乎也与更粗糙的载体颗粒的表面粗糙度有关。粗载体颗粒相比光滑表面，可能容易在其周围形成自黏层，这将导致微粉化药物颗粒被包埋，从而阻碍吸入过程中药物与载体的分离。Murakoshi 等[24]将水杨酸钠细粉（SS）颗粒与不同粒径的载体乳糖混合，通过级联撞击器评估体外SS发射特性。结果表明，使用较少细颗粒量的载体乳糖可以大大改善 SS 发射，因为这种乳糖会引起疏松的团聚效果，从而可以几乎完全排空残留在胶囊中的混合物。Paul 等[25]将微粉化的沙丁胺醇与筛分的 α-乳糖一水合物载体混合，并储存在一定湿度范围内（相对湿度 0～84%）。使用颗粒分布撞击器研究了在不同相对湿度储存 24 h 后的雾化效率。使用静电低压撞击器（ELPI）进行了相同的实验，同时关闭了电晕充电器，以测量净电荷与质量沉积曲线之间的关系，分析结果表明，当微粉化的沙丁胺醇硫酸盐从基于乳糖的载体中雾化时，具有负电性，在低相对湿度下带最大负电荷。相对湿度的增加导致净电荷质量比的降低，当相对湿度大于60% 时会出现净电荷质量比最大程度的降低。

综上所述，设计 DPI 处方时，应考虑载体的形态、粒径、带电荷情况，以及载体与药物之间的吸附能力等诸多影响因素，经过反复试验最终确定最优处方。

3.3 气流

气流会影响不同粒径粒子之间的分离，患者吸气时，空气湍流产生的剪切力使得药物与载体分离。Chew 等[26]的研究发现增大气流会增加药物与载体的分离，同时也会增加药物在口咽部的损失。

4 干粉吸入剂评价技术

4.1 体外评价技术

随着 DPI 的广泛使用，很多新技术应用于 DPI 的性能质量评价。在进行 DPI 设计时需要对其粒度大小、药物颗粒间作用力、气流等进行测定，以便全面控制吸入制剂的质量。

4.1.1 空气动力学粒径分布

目前常用的方法有显微镜法、激光衍射法（LD）、飞行时间空气动力学粒径分布法和惯性撞击器法，其中惯性撞击器是目前美国药典和欧洲药典推荐使用的方法[27]，这类装置包括两级玻璃撞击器（TSI）、Andersen 多级撞击器（ACI）、新一代撞击器（NGI）和多级液体撞击器（MSLI），其中，ACI 与 NGI 设备精巧，药物回收相对复杂，这两种撞击器均能获得不同粒径范围的药物剂量，同时又能测定药物颗粒空气动力学直径以及粒度大小分布[28]。

胡军华等[29]利用撞击法和激光衍射法分别测定了万托林硫酸沙丁胺醇雾化吸入剂的粒径，结果表明两者差别不大。Weda 等[30]使用玻璃撞击器（GI）、金属撞击器（MI）、多级液体撞击器（MSLI）和 Andersen 撞击器（ACI）评估了不同撞击器在体外等效测试的情况，制备了 3 种具有不同细颗粒剂量（FPD）的沙丁胺醇干粉制剂，并测量了空气动力学粒径分布，体外结果显示，3 种制剂在所有撞击物的 FPD 之间存在很大差异，但是在 4 种撞击器之间只有很小的差异。由于玻璃撞击器和金属撞击器的回收率较低，因此只能使用多级液体撞击器或 Andersen 撞击器进行体外等效测试。

4.1.2 药物颗粒间作用力

药物之间结合力的测量是研究药物解聚的关键，可以通过原子力显微镜（AFM）从微观角度观察药物与载体之间的相互作用，能够测出药物颗粒间接触点分离所需力的大小，也可以通过反相气相色谱（IGC）测量粒子之间的表面能，进而反映药物之间的分散性[31]。

4.1.3 递送剂量

递送剂量是单位剂量药物从吸入制剂中喷出的药物量，是用于判断患者可能吸入药量的指标。递送剂量均一性是用于判断同批次间不同装置间递送药物剂量差异的指标。周颖等[32]利用剂量均一性取样装置（dosage unit sampling apparatus，DUSA管）对沙美特罗替卡松干粉吸入剂的递送剂量均一性进行了研究，结果显示，该技术可以测定排出装置外并进入口腔或肺部的药物剂量，但不包括装置残留的药量，数据更具有真实性。

4.2 体内评价技术

目前，对于干粉吸入剂的体内评价尚没有统一的方法。有学者利用小鼠对吸入的干粉药物进行评价，但过程比较困难，先将小鼠麻醉后，向吹入器装置的腔室中装入粉末填充的 PE 管，然后再将其连接到容积可变的气泵上，最后通过金属套管连接到小鼠气管，通过改变气泵空气量吹入药物粉末[33]。Mizuno 等[34]将荧光素 ICG 加入药物中，并用一种荧光素酶 pCMV-Luc 作为跟踪物质，分别通过检测 ICG 的荧光和检测荧光素酶的活性来评估干粉的肺部递送和肺中的基因表达。Zhang等[35]将阿奇霉素 DPI 吹入大鼠气管内，用透析探针插入肺部黏液层，收集透析液，进行分析，结果表明，阿奇霉素干粉吸入器可以将药物高效地输送到特定的目标部位并达到较高的局部浓度。

5 结语

干粉吸入剂问世多年，随着微粉化技术和装置的更新换代，干粉吸入剂的适应症不断扩大，适用人群不断增加。随着研究的不断深入，DPI 的设计也需要考虑到药物、载体、气流等协同作用。此外，DPI 在生产中还面临着诸如生产成本、材料筛选、使用者体验等挑战，相信经过科研人员的不断努力，干粉吸入剂的设计也会更加全面、完善和合理。