第一篇 生物药剂学
第一章 生物药剂学概述
1. 掌握生物药剂学的定义。
2. 熟悉生物药剂学的应用。
3. 了解生物药剂学的地位。
第一节 生物药剂学的概念
一、定义
生物药剂学（biopharmaceutics）是研究药物及其制剂在体内的吸收、分布、代谢与排泄过程，阐明生物因素、剂型因素与药物效应之间关系的学科。
药物的吸收（absorption）过程反映药物从给药部位进入体循环的速度和程度；药物进入体循环后向组织器官的转运过程称为分布（distribution），涉及血药浓度变化和靶部位的浓度；药物吸收后在体内发生的化学结构变化称为药物代谢（metabolism）；体内药物或其代谢物排出体外的过程称为排泄（excretion）。药物的转运（transport）包括吸收、分布和排泄过程。处置（disposition）包括分布、代谢和排泄过程。消除（elimination）包括代谢与排泄过程，影响药物效应的强弱和持续时间。不同剂型的体内过程差异较大，见图1-1。
图1-1 不同药物剂型的吸收、分布、代谢和排泄过程
生物因素主要包括如下几种。
（1）种族差异：指生物种类的差异，以及同种生物因地理区域或生活条件不同形成的差异，如鼠、兔、犬、猴与人的差异，或黄种人和白种人之间的差异。
（2）性别差异：指动物的雌雄差异及人的男女差异。
（3）年龄差异：指动物或人因生存的年龄不同带来的生理功能差异。
（4）生理差异：生理条件改变（如妊娠）导致的药物体内过程差异。
（5）病理差异：疾病引起的病理变化导致的药物体内过程差异。
（6）遗传多样性：同种生物内个体之间的遗传变异可能会导致药物体内过程差异。
剂型因素主要包括如下几种。
（1）药物的理化性质：如药物粒径、溶解度、化学结构等。
（2）药物的剂型和给药途径：如口服用的片剂、皮肤用的软膏剂和静脉给予的注射剂等。
（3）制剂辅料的种类、性质和用量。
（4）制剂的配方及工艺过程。
（5）制剂的储存条件等。
药物效应指药物对机体的作用，是机体对药物作用的反映，包括治疗效果、副作用和毒性反应。
二、研究内容及进展
（一）药物理化特性对体内过程的影响
药物粒径和晶型等物理性质影响溶解性能。难溶性药物通常溶出速度低，吸收不好，生物利用度不高。通过微粉化等方式减小药物粒径可提高药物溶出，进而改善体内过程和提高药物效应。药物的基本结构与药效密切相关，不改变药物原有的基本化学结构，仅对化学结构中的某些官能团进行化学修饰后，可以改善药物的理化性质，进而提高药效。
糖、蛋白质和脂质等构成生物系统的基本成分和激素、神经递质等内源性物质均具有手性特征。药物对映体的不同光学异构体虽然理化性质和旋光度相同，但旋光方向不同，因而在吸收和处置过程及药物与体内作用靶点结合等方面存在较大差异。活性高的对映体称为优对映体，无活性或活性低的对映体称为劣对映体，劣对映体有时会部分抵消优对映体的药效，有时还会产生严重的毒副反应。
（二）药物剂型因素对体内过程的影响
同一药物的不同剂型，同一剂型的不同处方和工艺均会影响制剂的溶出度。例如，通常散剂的溶出较片剂快，素片的溶出较包衣片快，溶出较快时体内吸收可能较好。某些制剂口服后能将药物选择性输送至特定部位释放，提高吸收和疗效。例如，复方非诺贝特胃漂浮微囊可在胃中迅速释放一定剂量后再以维持剂量缓慢释放，延长在胃内的滞留时间。
药物纳米制剂具有提高药物稳定性、缓释和毒副作用低等优点。根据体内转运过程进行修饰可提高其递送效率。例如，以聚乙二醇修饰纳米粒表面可减少网状内皮系统的吞噬，延长药物在血液中的循环时间；以叶酸等配体修饰纳米粒可将药物定向转运至肿瘤等靶组织，提高药物疗效。
中药依据中医理论组方和应用，制剂中成分复杂，研究其有效成分的溶出度及其对转运过程的影响，有助于质量控制及提高临床疗效，制剂因素对中药各成分体内过程的影响是生物药剂学研究的新热点。
（三）生物因素对药物效应及剂型设计的影响
利用肠液pH较胃液明显提高的生理特点设计的肠溶制剂可使药物在胃中不释放，到达肠道后才释放、利用结肠内糖苷酶等独特酶及大量细菌可降解高分子载体设计的胶囊制剂可实现结肠定向给药，更好地发挥疗效。
（四）预测药物转运和处置等体内过程
生物药剂学分类系统（biopharmaceutics classification system，BCS）根据溶解性和渗透性特征将所有药物分为4种类型，BCS可预测药物在胃肠道的吸收及体内外的相关性。定量生物药剂学分类系统（quantitative biopharmaceutics classification system，QBCS）是以明确定量的渗透性和剂量数为标准的BCS系统，建立药物在体内的平均溶出时间、肠道转运时间及吸收时间的关系。用药物代谢程度替代BCS的渗透性标准得到生物药剂学药物处置分类系统（biopharmaceutics drug disposition classification system，BDDCS），预测药物处置的全过程。基于渗透系数的分类系统（permeability-based classification system，PCS）通过建立人小肠、肝和肾等部位的体外被动渗透性与体内吸收分数的关系，预测药物在不同脏器的吸收和分布。Lipinski等发现当药物具有五规则（the rule of five）中任两项性质时，吸收较差：相对分子质量＞500，氢键供体数＞5，氢键受体数＞10，油水分配系数lg P＞5，可旋转的连接键＜10。
根据配体与受体相互作用的原理，通过计算机辅助药物设计（computer-aided）进行定量构效关系（quantitative structure-activity relationship，QSAR）与定量构动关系（quantitative structure-pharmacokinetics relationship，QSPR）的研究，对药物的生物活性或体内动力学与其结构之间的关系进行理论计算和统计分析，可快速设计和筛选具有适宜体内转运和处置参数的目标化合物，大大减少新化合物的合成量，加快新药开发。
（五）新的给药途径和给药方法
治疗脑部疾病时为克服血-脑屏障可考虑鼻腔给药，需考察鼻黏膜中酶对药物的降解及药物对鼻黏膜的刺激性。肺部给药可减少治疗肺部疾病的用药剂量，并减少药物的全身毒副作用，是治疗呼吸系统疾病可选择的给药途径。采用离子导入技术改变皮肤角质层通透性，可提高经皮给药时药物转运效果。
（六）分子生物药剂学
分子生物药剂学（molecular biopharmaceutics）从分子和细胞学水平研究制剂特性和体内处置过程，分析剂型因素对药物疗效的影响。
通过剂型设计可实现药物细胞内靶向并调控细胞内动力学过程。药物作用靶点通常是位于细胞内的核酸、蛋白质、受体和酶等生物分子，药物靶向的细胞器有细胞核、胞浆、线粒体和高尔基体等。细胞药代动力学关注细胞上的渗透、分布、降解和外排，药物在细胞内的处置结果与其在整个机体的药动学密切相关。
细胞膜上存在多种转运蛋白。介导药物内流的转运蛋白，如离子转运多肽和多药耐药相关蛋白1，可转运药物进入细胞；介导药物外排的转运蛋白，如P-糖蛋白和多药耐药相关蛋白2，可将药物泵出细胞。研究药物转运蛋白可明确药物吸收机制，有利于改善药物处置和减少药物相互作用。
基因治疗依靠遗传物质来纠正人类基因结构或功能，病毒载体和非病毒载体递送基因时需要克服各种生物学屏障，在尽可能降低载体毒性的同时，提高基因的组织和细胞特异性，增加胞内转运和细胞核摄取。研究基因载体的胞内外转运和处置过程有助于实现安全、高效的临床基因治疗。
三、研究方法及进展
（一）体外研究方法及进展
系指测定理化参数预测体内行为，或通过在体外模拟体内条件开展研究。
1. 理化性质和特性参数预测体内行为 某些口服固体制剂在模拟胃肠液中的溶出度与体内生物利用度具有相关性，溶出度合格不仅是保证这些制剂生产工艺合理、质量稳定的重要手段，也是在体外对体内生物利用度进行评价的有效替代方法。测定药物在正辛醇/水系统中的油水分配系数可初步预测药物对细胞膜的通透性及生物膜转运。采用色谱法、平衡透析法、超滤法、光谱法、毛细管电泳法、微透析及超速离心法等方法测定血浆蛋白结合率，可研究药物与血浆蛋白的结合作用及对膜转运的影响。近年来，人工神经网络（artificial neural network）技术被用于构建剂型的释放度等体外性质与体内生物利用度间的关系，以及模拟药物的构效关系，或预测药物的经皮渗透性和穿透血-脑屏障能力。
2. 应用细胞模型和人工生物膜进行研究 细胞模型应用范围广，实验条件可控，时间短，重复性好，准确度高。
（1）Caco-2细胞模型是*常见的体外筛选模型，可用于快速研究药物口服后吸收特性及其机制，如跨膜转运和转运机制。Caco-2细胞模型还可用于研究药物的细胞内代谢。若在模型中引入表达细胞色素P450的DNA片段，则可用于研究药物的*过代谢。Caco-2来源于人结肠腺癌细胞系。
（2）Calu-3细胞模型在评价药物肺部吸入或口服后向肺细胞的分布转运方面，优于Caco-2细胞模型。Calu-3来源于人黏膜下层腺癌细胞。
（3）MDCK-MDR1细胞模型是理想的评价药物肾脏内相互作用的细胞模型，也可作为药物肠道黏膜和血-脑屏障通透的快速筛选模型。MDCK-MDR1是用人mdrl基因稳定转染犬肾上皮细胞（Madin-Darby canine kidney，MDCK）建立的细胞系，高表达P-糖蛋白（P-glycoprotein，P-gp）。
（4）模拟生物膜色谱（mimetic biomembrane chromatography）包括脂质体色谱（liposome chromatography）和胶束液相色谱（micellar liquid chromatography），分别利用在凝胶或硅胶上固定的脂质体或胶束模拟生物膜，考察药物在不同pH下的保留行为，可预测药物的小肠黏膜吸收情况。若采用线性溶剂化能量方程法（linear salvation energy relationships）可分析药物与生物膜的作用强度和机制，并用于高通量筛选药物的生物药剂学性质。
（5）平行人工膜渗透分析（parallel artificial membrane permeation assay）方法基于含药物的缓冲液与含多种磷脂成分的十二烷或十六烷溶液混合时会自组装形成人工膜，可代替Caco-2细胞模型进行药物的膜渗透性研究，反映被动扩散药物的吸收情况。该法经济高效，在药物研发中应用广泛。
（二）体内研究方法及进展
体内研究方法指对整体动物进行药物吸收、分布、代谢与排泄过程及其影响因素的研究。选择健康大鼠、家兔、比格犬等哺乳动物分为对照组和用药组后，在相同条件下进行试验，给药后不同时间取血样、尿样或组织器官，测定体液及组织中的药物浓度及其代谢物，再进行数理统计分析，计算生物利用度和主要药动学参数，进行生物等效性评价。可通过增加实验动物数来减小实验对象间的个体差异，或通过交叉受试药物来减小实验动物的个体差异。近年来，斑马鱼模型已开始用于生物药剂学研究，鱼体模型具有体积小、周期短、费用低且结果可靠等优势。
体内药物浓度测定方法要求准确性高、灵敏度高、专属性好，常用高效液相色谱法、放射性同位素标记法、气
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