目前上市的生物药物基本以静脉和皮下给药为主，属于侵入性给药，有一定创伤。很多企业开始研发依从性更好的非侵入性生物制剂。吸入给药就是其中一种。吸入型生物药物已经有几款上市，但主要以鼻内或上呼吸道递送为主。本文重点介绍下下呼吸道这种深度肺部吸收路径。

 

其实，通过小分子气溶胶递送治疗肺部疾病已经超过3500年。只不过在古代装置比较简陋，通常是通过吸烟或加热后吸入蒸汽实现。随着现代工业技术的进步，更复杂更先进的发生装置陆续出现。1956年，第一台可计量吸入器问世。20世纪90年代，干粉吸入器开始在市场上崭露头角。

 

对于哮喘、慢性阻塞性肺病和囊性纤维化等肺部疾病，肺部吸入提供了一种直接、便利的途径。实际上，吸入治疗对于非肺部疾病也是有价值的，比如糖尿病。主要因为肺部含有大量血管，为药物吸收提供了大面积吸收路径。另外，肺部吸收还可以避免肝脏首过效应。再加上其非侵入给药特点。使得肺部生物制品吸入给药研发逐渐火热。FDA至少批准了3款吸入型生物药物，分别是Genentech的Pulmozyme（1994年）、Pfizer的Exubera（2006年）、MannKind的Afrezza（2014年），前者治疗囊性纤维化，后两款是吸入胰岛素，用于治疗糖尿病。不过，Exubera已经于2007年退市了。

 

吸入给药的吸收机制和障碍

 

肺结构和形态学

 

吸入的气流在鼻咽和口咽腔室中会发生约90度的重新定向，然后穿过喉部和气管，并在隆突处分裂输送到右肺或左肺。气流进入肺支气管（第1级）后，连续流经叶支气管（第2级）、段支气管（第3-4级）、小支气管（第5-10级）、细支气管（第11-13级）和终末细支气管（第14-16级）直达肺部深处。终末细支气管以下的分支为肺的呼吸部，包括呼吸细支气管（第17-19级）、肺泡管（第20-22级）、肺泡囊（第23级）和肺泡（第24级）。所以，人的支气管到肺泡一共有24级分支。

 

整个呼吸道被上皮细胞层覆盖。在前部气道、气管、支气管和细支气管中，相对较厚的上皮由假复层柱状细胞组成，这些细胞与分泌黏液的杯状细胞、纤毛细胞和下层基底细胞以分散状分布。纤毛上皮细胞可以不断将黏液和沉积在粘膜表面的颗粒从远端气道推动至喉咙，以方便吞咽或排出。但是在肺部更远端，上皮层和黏液层变薄，直至细支气管时，黏液清除逐渐变弱。随着气管进一步分级，黏液不复存在。肺泡腔被一层薄薄的（0.1-0.2μm）表层液体所包围，表层液体是含有磷脂和蛋白质的复杂混合物，其目的是保持空气流通。在肺泡腔中，上皮由1型和2型细胞组成，表面积约为100平方米。空气和血液（肺泡上皮、间质和毛细血管内皮）之间气体交换的屏障厚度仅为0.2μm左右。肺泡表面分布着肺泡巨噬细胞，可移动，并能够内吞、破坏和/或去除异物。

 

大分子呼吸道吸收的机制

 

肺泡上皮、基底膜和毛细血管内皮，统称为肺泡屏障，可能是各种大分子吸收的主要部位。生物大分子肺部吸收路径有不同的观点。Patton团队认为主要通过细胞旁转运，如胰岛素，通过细胞外紧密连接被动扩散穿过肺泡上皮。另外，转胞吞也被证明可以从肺部吸收蛋白质。但这种机制涉及到肺泡内的转运，可能是40KDa或分子量更大的蛋白质的主要吸收路径。事实上，蛋白的肺部吸收是复杂的，受多种因素影响，包括分子大小、电荷、酶活性、沉积部位、被动还是主动扩散等。

 

粒径的影响

 

不同粒径的颗粒在呼吸道中的沉积效率不同。较大的颗粒（>10μm）优先沉积在上呼吸道，约3-5μm的颗粒最有可能到达肺深处。<1μm则可能直接被呼气排出。另外，颗粒在呼吸道中的沉积特点存在种属差异。

 

生物药肺部吸收的障碍

 

解剖学、生理学和免疫方面的障碍会影响吸入生物制剂的递送效果，包括气道的高度分支结构、粘膜纤毛清除、巨噬细胞摄取、肺表面活性物质、肺泡上皮渗透、酶代谢。

 

肺部的高度分支结构是影响吸入性颗粒沉积的主要障碍。气溶胶颗粒在肺部的沉积效率和位置受其物理化学性质的显著影响，包括空气动力学颗粒尺寸（粒径）、形状、电荷、吸湿性和密度。其中，空气动力学直径（Dae）是决定肺部沉积效率的关键参数。另外，吸收的生物药物在肺部的理想吸收位置尚不明确。因为，气溶胶颗粒必须溶解才能吸收并发挥作用。然而，肺部用于颗粒溶解的液体量是有限的。人体肺液体积约为10至30毫升。很难预测吸入的气溶胶颗粒在沉积的位置会暴露于多少体积的肺液之中。通常，沉积在上呼吸道的颗粒往往溶解得更快。

 

 

外周气道比传导气道具备更大的吸收表面积，对于局部给药需要发挥系统作用的生物药物，是理想的吸收靶部位。比如分子量约为4118KDa的甲状旁腺激素，其生物利用度与肺部沉积位置有关，位置越深，吸收程度越大。这点对于很多小肽类药物均适用，肺泡空间的吸收优于上呼吸道。但是，对于需要主动转运吸收的生物药物，就要考虑介导吸收的受体的肺部分布情况。比如FcRn主要在人、猴的上呼吸道上皮和肺泡巨噬细胞表达。因此，IgG吸收的理想位置可能是发生受体介导的胞吞作用的上呼吸道和中央呼吸道。

 

粘膜纤毛清除本是上呼吸道抵御有害颗粒的防御机制，主要通过黏液、纤毛细胞和分泌细胞等发挥作用。比如IL-17A抗体小鼠气管内滴注给药4h后，胃中即可发现高达29%的抗体片段，清除作用可见一斑。另外，由于多肽和蛋白药物带电荷较多，水溶性好，与黏液成分也会发生相互作用，延缓其扩散和吸收。

 

在外周肺中，巨噬细胞摄取在肺泡清除外来吸入物中发挥重要作用。肺泡巨噬细胞的摄取有粒径依赖的特点，几何直径1-2μm的比较容易被摄取，更小粒径的摄取率会降低。另外，大蛋白如IgG吸收速率慢，在肺泡空间会滞留数个小时，受巨噬细胞摄取影响更大。小的蛋白或多肽可快速通过肺泡上皮转运，受巨噬细胞的影响自然就小很多。

 

肺表面活性物质（PS）是从远端肺向近端肺扩散的连续液体层。沉积在气道中的气溶胶颗粒首先接触PS。PS的组成包括磷脂（约92%，按质量计）和表面活性剂蛋白（约8%）。PS有时被认为是吸入型多肽药物或蛋白的增强剂。比如制剂处方中加入PS成分DPPC可以促进吸入型胰岛素、生长激素、甲状旁腺激素的吸收，可能与打开细胞间致密连接，细胞间转运增强有关。

 

吸入药物可以用于生物药物的局部或全身递送。对于局部发挥作用的药物，吸入制剂需要溶解在肺液中，与气道中的黏液和靶细胞相互作用，以发挥药理学作用。对于吸入后需要进入系统循环的生物药物，肺上皮是入血的主要屏障。而这一路径与分子量直接相关，分子量低于40kDa的小的可溶性肽和蛋白质在血液中很快就能检测到，而分子量高于40kDa的肽和蛋白质则要在数小时至数天内缓慢被肺部吸收。通常来讲，生物药物穿越肺上皮有两种路径，细胞旁转运和转胞吞作用，即从细胞间穿过还是细胞内穿过。对于没有特定受体的蛋白，通常经细胞间或非特异性胞饮方式透过。不过，很多生物药物透过肺上皮是通过受体介导的转胞吞作用，如白蛋白、转铁蛋白等。再如，FcRn这一受体可明显促进很多抗体类药物肺部吸收。影响药物肺部吸收的因素还包括肺泡表面的两种细胞类型，Ⅰ型和Ⅱ型肺细胞，二者紧密连接在一起，前者占90%，后者占5-10%。内吞囊泡主要存在于Ⅰ型细胞中，是药物肺部吸收的主要细胞类型。不过也不绝对，比如白蛋白就主要通过Ⅱ型细胞吸收。

 

肺部代谢对生物药物吸收影响也很大。肺泡巨噬细胞和其它炎症细胞（如中性粒细胞）可以分泌蛋白酶。如果气道发炎，蛋白酶水平则更高。一些吸入的蛋白酶和多肽的活性有可能受到影响。其中，小肽（<3KDa）被水解的程度比较高，如果有化学修饰，可能会改善这一情况。随着分子量增加，分子量在6至50kDa之间的蛋白质对大多数肽酶具有一定抗性，吸入后的生物利用度要好上不少。

 

非临床评价特殊考量点

 

本部分主要参考2023年9月份，CDE于冰、付淑军、王庆利等老师发表的《吸入制剂非临床评价的考量要点》。

 

吸入制剂非临床药理毒理部分研究内容与其它制剂大体相同。不过，在动物选择、给药方式选择、受试物分析、递送剂量监测与计算等方面有些特殊考量。

 

首先，动物选择方面，除了传统的生物药物相关种属选择逻辑，还需要考虑到动物呼吸道局部组织的特征与人体的区别。一般来说，啮齿类动物呼吸道解剖结构与人体差别较大，犬和非人灵长类动物肺部的气溶胶沉积分布特征与人体更相似，因此这类动物模型产生的实验结果对临床预测价值更高。此外，小型啮齿类动物仅能通过鼻呼吸，无法用嘴呼吸，微米级大颗粒的肺沉积少，鼻腔和气管支气管沉积较多，可能更适用于评价拟用于新生儿的吸入制剂。

 

给药方式尽量与临床拟用途径一致。对于重复给药毒性试验、致癌性试验等长期毒性试验，系统暴露量少、给药剂量受限的原料药，以及数据提示受试物在人体的系统暴露量高于动物时，可通过改用或增设口服、静脉注射等方法提高系统暴露量。，还应考虑临床拟用给药装置与动物给药装置之间存在的可能差异，特别建议生物制品使用同样雾化原理的装置，以防在雾化过程中产生不同聚体物质。

 

受试物分析和给药装置验证。吸入制剂的验证与检测内容包括粒径、递送剂量、沉积剂量等。气溶胶颗粒的粒径是吸入制剂的重要物理特性，直接决定受试物质量与给药剂量准确性，粒径过大的气溶胶颗粒无法吸入肺部，粒径过小的颗粒会随自主呼吸排出。OECD 急性吸入毒性试验指南要求气溶胶颗粒的空气动力学中值直径( median mass aerodynamic diameter，MMAD) 为1.0-4.0 μm，几何标准差( geometric standard deviation，GSD) 为1.5-3.0μm; 相较于急性毒性试验，亚急性吸入毒性试验、亚慢性吸入毒性试验指南调整了MMAD 的范围为1.0-3.0μm; 为适应纳米级吸入制剂的评价，除非提供合理理由，MMAD 应为1.0-2.0μm，GSD 应为1.0-3.0μm，以增加肺部沉积。另外，还需要开展给药装置中气溶胶粒径分布和浓度的验证试验，如气溶胶浓度的稳定性、均一性等。

 

剂量设定与剂量计算。由于吸入制剂的局部器官或组织暴露量高，血药浓度不能直接推算起效剂量，因此，应增设气管支气管、肺等呼吸道部位的药物浓度监测，根据吸入制剂的PK特征设定剂量。吸入制剂有多个剂量指标，包括目标剂量、递送剂量、沉积剂量、留存剂量等。其中，最重要的两个指标为递送剂量和肺沉积剂量。动物试验中，递送剂量一般通过4个参数计算，分别是动物的单位时间通气量、给药时间、气溶胶浓度、可吸入气溶胶颗粒比例。递送/吸入的气溶胶会部分沉积于呼吸道的其他部位，例如鼻咽、气管支气管，进而被机体代谢、清除，因此还需引入更接近药物实际起效剂量的肺沉积剂量。沉积剂量通常为递送剂量与沉积因子百分数（沉积分数）的乘积，啮齿类动物为10%、非啮齿类动物为25%。再具体些，英国MHRA将大鼠、犬、人的沉积系数定为7%、20%、40%，美国FDA将大鼠、犬、人的沉积系数定为10%、25%、100%。

 

具体试验的特殊考量

 

药代动力学：吸入给药的药物吸收路径比较复杂，并不一定完全在肺部吸收，很多药物直接沉积在口咽部，或者被肺部黏液-纤毛运动外排至口咽部，从而被吞咽进入消化道。所以吸入制剂可能分布在呼吸系统，经呼吸系统入血，消化道系统，经消化道系统入血。既有局部分布，也有系统吸收，所以既要考察局部如肺部的药物沉积量或呼吸道局部粘膜沉积量，也要考察系统暴露量。有时系统暴露量并不高，对生物分析方法的要求会比较高。

 

安全性评价与结果解读：吸入制剂安全性评价的特殊考量点主要围绕呼吸系统展开。呼吸系统相关临床观察包括震颤、抽搐、流涎、腹泻、嗜睡、睡眠和昏迷。组织病理学检查方面，应检查所有肺叶，至少涵盖鼻咽组织的4个部位，例如鼻咽管，以充分评价吸入制剂对鳞状、过渡性（非纤毛呼吸）、呼吸性（纤毛呼吸性）和嗅觉上皮以及鼻相关淋巴组织的影响; 至少涵盖喉的3个部位，例如对会厌底部的检查; 至少涵盖气管的2个部位，包括穿过肺外支气管分叉隆起的一个纵向和横向截面，以及支气管淋巴结。安全性评价应包括对肺泡灌洗液和肺中细胞因子、免疫细胞、活性蛋白等的测定。根据OECD急性吸入毒性试验指南，肺泡灌洗液必须检测的指标包括乳酸脱氢酶、总蛋白或白蛋白、肺泡巨噬细胞、淋巴细胞、中性粒细胞和嗜酸性粒细胞的细胞计数及差异。

 

安全范围考量：吸入制剂的安全范围需同时考虑系统暴露和局部（肺部）暴露。ICH M3 Q&A指出，对于拟起全身性作用的吸入药物，吸入毒性试验中的高剂量设置与系统给药类似，至少达到临床全身暴露量的50倍。额外的要求是，还要超过计算得到的临床肺部沉积量的10倍。对于作用于肺局部的吸入药物，其高剂量所达到的肺部计算沉积量应可达到计算得到的临床肺部沉积量的50倍，并且达到人体临床剂量所达到AUC的10倍（原文：For inhaled drugs with intended systemic action, the high dose in an inhalation toxicity study could be one that produces an AUC value of greater than or equal to 50-fold the clinical systemic exposure and a 10-fold margin over the calculated deposited lung dose. For inhaled drugs that are designed to work locally in the lung, the high dose could be one that achieved a calculated deposited lung dose of 50 times the calculated clinical deposited lung dose and produced a 10-fold margin over the AUC achieved in humans at the clinical dose）。

 

来源：药理毒理开发

关键词： 生物药物