中国粉体网讯 使用高压均质机 (HPH) 制备的聚合物纳米颗粒在生产过程中提出了一些独特的挑战，通过应用质量源于设计 (QbD) 方法可以更好地理解这些挑战。本文将重点介绍识别关键材料属性的方法，包括抗肿瘤药物、聚合物、表面活性剂、溶剂系统和分散系统。全面了解 HPH 工作期间的压力和循环次数等关键工艺参数，并提出尺寸、形状、表面电荷或液滴稳定性等关键质量属性。这种 QbD 方法将涉及开发有效的控制策略，以确保抗肿瘤药物的安全包封，以实现成功的产品开发。正确解决与规模放大相关的问题将推动装载抗肿瘤药物的纳米制剂的成功商业化。
简介
基于纳米技术的研究是在分子水平（颗粒尺寸约为 100 nm）对材料特性进行操作的能力，这种多学科技术由创新驱动，旨在提高人类生活质量。纳米技术在医学中的作用已经能够实现生物分子之间的有益相互作用，从而治疗许多疾病。不仅纳米级尺寸在医学中发挥着决定性作用，而且相互作用的方式也影响着改进疗法的治疗结果。
药物中的纳米技术对具有增强治疗功效的差异化产品的制剂开发做出了深远的贡献。应用纳米技术开发抗肿瘤药物制剂，催生了肿瘤纳米治疗领域，在过去二十年中呈现出巨大的指数增长。与其它活性分子不同，抗肿瘤药物存在细胞毒性问题，因此需要安全包封并能够到达其目标位点。纳米颗粒的使用使所有这些成为可能。此外，纳米颗粒还具有负载难溶性抗肿瘤药物、保护活性部分免受恶劣体内环境影响、持续释放、改变其生物分布、靶向特定细胞/组织以及延长血液循环时间等独特特征。尽管有大量关于开发抗肿瘤药物纳米颗粒的研究论文，但没有多少论文进入商业化市场。这是由于所使用的方法的可放大性较差。质量源于设计 (QbD) 方法的应用推动了标准化程序的开发，这些程序是制剂驱动的，以获得优化的产品。规模放大此类纳米颗粒的好处不仅可以改善传统药物的治疗效果，还可以改善下一代药物的治疗效果。正确解决与规模放大相关的问题将推动载抗肿瘤药物的纳米制剂成功商业化。
在这种背景下，本文强调了纳米颗粒放大过程中面临的一系列障碍以及克服这些障碍的可行性。与使用 QbD 原理相关的其它优点包括对每个步骤的流程/单元操作有更好的清晰度和理解。这是一种科学驱动的基于风险的方法，可确保更轻松的监管流程，同时减少审批时间和所需的审计数量。美国 FDA 倡议采用基于风险的方法，利用完善的科学和知识空间来传达加强对药品工艺和产品的理解的概念。最好的部分是通过实时放行检测以及适当控制策略的监控和总体一致的商业生产来弥补潜在的最小变化，从而实现所需的目标属性。
由于聚合物纳米颗粒具有包封能力、提供隐形特性、双重负载以及通过连接配体实现靶向的能力，因此它们比其它新型药物递送系统更受欢迎。此外，新型可生物降解聚合物的多样性和开发使得研究药物的保留时间和细胞吸收变得更加有趣。即使拥有如此多的优势，但由于临床试验中产生的毒性、临床前研究中没有选择合适的模型以及未能在工业规模上重现结果，很少有产品能够进入市场。为了开发商业认可的优质产品，选择正确的实验模型非常重要。选择正确的实验模型还将减少规模放大过程中的时间浪费，提供具有成本效益的生产、开发更省时的方法以及有时限的产品上市。
“均质化”（homogenization）一词源自希腊语“均质”（homos + genos）； homos 表示相同或偶数，genos 表示同类。因此，均质化是形成均匀分布颗粒的过程。这通常使用称为均质机的仪器来完成。在制药工业中，这些均质机广泛用于减小粒径和形成均匀分布的乳液、分散体或悬浮液。该过程中产生的高能量导致颗粒尺寸减小，并将较大颗粒分解成较小颗粒。提供如此高能量的不同类型的仪器包括转子-定子均质机、高功率超声波发生器、高剪切均质机、高压均质机等。 HPH仪器广泛应用于生物技术、制药和食品工业。
任何商业规模批次的成功在于能够满足所有质量参数，尤其是实验室规模期间显示的质量控制测试。系统性规划的关键质量属性（CQA）和适当的设计空间可以促进这一点。
根据定义，CQA 是物理、化学、生物或微生物方面表现出的特性，需要将其控制在一定范围内，以确保最终产品的预期质量。然而，CQA 不仅仅是分析测试，因为它们是关键限值，当保持在适当的限值以下时，将为产品带来所需的结果。此外，CQA 可以说是实施 QbD 过程中最困难的一步。在此背景下，本文重点介绍在 HPH 工作期间确定关键工艺步骤的方法，以获得所需产品质量且可规模放大。
QbD 方法
在 QbD 方法中，建立质量目标产品概况（QTPP）将是产品开发周期中获得所需质量特性的第一步。此阶段涉及为给定药品分配明确定义的属性。在 QTPP 中，CQA成为一个子集，定义了涉及产品开发的少数关键参数。可能会根据原材料和工艺的变化而改变的关键参数，如图1所示。必须在产品开发阶段对此进行观察和评估，以确保药品保持在安全有效的水平内。
图1. 使用 HPH 进行产品开发中 QbD 的生命周期。
对于任何优质产品，工艺技术中引入的原材料的特性起着至关重要的作用。例如，输入材料需要被标识为关键材料属性（CMA）。过程中的材料属性被视为一步工艺的 CQA，这将成为下游生产过程的 CMA。关键工艺参数（CPP）的识别成为生产工艺参数的一部分，最终将原料药的风险评估归因于产品的开发。
关键材料属性：识别和优化
本节讨论关键材料属性（CMA）、其在抗肿瘤药物选择中的识别和优化，以及产品开发中赋形剂和乳化系统的选择。对于任何产品开发，如果我们考虑原料药属性的关键要素以及药品关键质量属性，那么固态形式和粒径将是影响最终产品有效性的主要关键材料属性。识别和优化这些关键材料属性非常重要。在优化阶段需要深入了解材料、其化学性质、作用机制、分子水平的复杂性。用于生产剂型的技术以及正确的材料选择对产品质量产生巨大影响。
抗肿瘤药
作用于肿瘤细胞的药物可分为四种类型：细胞毒性药物、疫苗、内分泌（激素）治疗以及用于靶向治疗的小分子/抗体。在选择候选药物期间，制剂设计师应考虑以下因素。
1.候选药物应具有潜在的剂量范围和在目标位点的作用机制。
2.应解释该化合物的多晶型。
3.需要研究已开发制剂规模放大的可能性。
4.它应该是一种商业上可持续的产品，造福人类生活。
5.通过产品内在的新颖方法，开发的产品应该显示出更有效且安全的疗法。
图2描述了开发抗肿瘤纳米产品时选择药物和输送系统时需要选择的参数。药物开发过程基于两种方法，即基于结构的方法和基于靶标的方法。在基于结构的方法的情况下，药物设计的概念及其选择取决于药物结构相互作用及其各自的目标受体如何指示治疗效果。这可以通过NMR和 X 射线晶体学来解释。基于靶标的方法根据其与特定疾病指示的相应目标受体结合的能力来确定。计算机辅助药物设计（CADD）用于通过该软件研究药物分子与目标受体之间可能的相互作用。
图2 .开发抗肿瘤纳米产品以选择药物和输送系统时需要选择的参数。
许多研究人员还探索了另一种方法，即使用QSAR 的基于配体的药物设计，即定量结构活性关系 (QSAR) 机制。在这种方法中，生物分子上药效团的阐明倾向于靶向受体。这结合并改变了生物进程以诱发疾病状态。在靶向抗肿瘤部分期间需要鉴定药物分子与基因的相互作用。这项研究被称为药物基因组学。这将有助于选择正确的候选药物及其目标受体。该信息可进一步用于了解该分子对目标疾病的效力。靶点可以是受体、转运蛋白、酶等，在病理反应中发挥作用，和/或在信号转导中发挥作用。可以设计计算机模型来研究靶标并验证疾病易感性。需要了解药物代谢酶及其多态性的知识，以了解其基因的药物稳定性。代谢酶的例子有细胞色素 P450 (CYP)、乙醛氧化酶、单胺氧化酶 (MAO) 等。粘附并促进生物分子运动的蛋白质是膜结合转运系统，使候选药物到达目标位点。活性物质的材料属性应具有承受高压均质技术所涉及的压力的能力。在生产过程中，由于产生的强空化力和剪切力以及材料在此过程中受到的强烈能量，可能会观察到成分的降解。某些分子（例如胰岛素和酶）能够承受过程压力，但可能对温度或热量敏感。由于系统壁上脂质吸附的干扰，脂质层可能会丢失。
影响聚合物纳米颗粒制剂中的粒径和均质过程成功与否的各种因素包括：
初始产品的均匀性
均质机的设计
介质的离子强度
过程中的循环次数及其压力
过程温度
赋形剂含量和组成，特别是聚合物和脂质
控制上述所有因素将确保稳定性、效力和产品完整性。图2给出了开发抗肿瘤纳米产品所需选择的参数，以便于选择药物和递送系统。
赋形剂
在赋形剂中，聚合物在纳米颗粒的制剂开发中发挥着最重要的作用。研究人员现在已经能够根据需要通过聚合、络合或修饰官能团来合成聚合物。这一概念增强了靶向药物输送，因此这标志着治疗功效的增强。聚合物的选择主要基于药物在聚合物中的溶解度，因为溶剂容量越高，药物负载潜力越高。
聚合物作为肿瘤化疗中的药物载体
聚合物现已成为肿瘤化疗载体制剂开发的重要组成部分之一。就其聚合物特性而言，它们与药物形成缀合物的能力有关。然而，它们提供包埋药物长期持续和受控释放的能力增强了治疗方案。此外，能够捕获多种分子，从亲水性和疏水性药物到蛋白质和肽，并具有可调节的药物释放。
聚合物制剂可以通过以下方式改善抗肿瘤药物的递送：
增加疏水性药物的溶解度
降低肾滤过率，减少排泄，从而延长循环周期。
基因或任何种类的蛋白质过早降解，从而产生药物保护。
通过掩蔽、涂覆或屏蔽药物递送载体（例如使用PEG屏蔽纳米颗粒），避免药物进入巨噬细胞摄取和网状内皮系统(RES)。
通过屏蔽或掩蔽表面来对药物进行涂层或表面保护。
减少多重耐药 (MDR) 细胞的药物外流。
被动靶向药物递送并探索肿瘤结构。这使得特定尺寸的纳米颗粒的渗透性和保留性（EPR）增强，与正常组织相比，这些纳米颗粒在肿瘤组织中会被更多地收集。
主动靶向药物递送至过度表达肿瘤相关抗原。
聚合物纳米颗粒是一种软质生物材料，可用于药物递送，因为其合成过程简单，易于结构改变以形成所需的靶向递送特性或表面修饰以提高药物负载功效等。在这里，可以增强生物分布，提高治疗效果，因为它们具有纳米级尺寸，在胶体系统中具有生物相容性且通常可生物降解。抗肿瘤产品开发中探索的聚合物纳米颗粒来源广泛，如天然来源，如壳聚糖、胶原蛋白、明胶、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-己内酯）（PCL）、共聚物聚（乳酸-乙醇酸）、N-（ 2-羟丙基）-甲基丙烯酰胺共聚物（HPMA）和聚（苯乙烯-马来酸酐）共聚物、聚酰胺-胺（PAMAM）树枝状聚合物也广泛用于肿瘤治疗。在制剂开发过程中，药物可以被包封或分散在聚合物基质系统中，或者药物可以附着到聚合物分子上以改进抗肿瘤药物的递送。药物释放机制可能是通过聚合物基质扩散、表面或整体侵蚀、膨胀或刺激反应传递。为了防止快速清除和酶消化，设计了使用聚合物介导的递送系统控制活性物质的释放递送。即使在针对作用部位的活性物质方面，这些也显示出巨大的潜力。例如：聚合物纳米颗粒、聚合物胶束系统、聚合物-药物缀合物和纳米级水凝胶等等。Ren等人通过使用 HPH 的酸水解反应开发了具有微晶纤维素的纤维素纳米颗粒。在这项研究中，他们观察了反应中各种酸、酸-微晶(MCC) 比例、反应时间和 HPH 过程中使用的循环以及各种压力对纳米颗粒质量对影响。研究了所有这些参数对纳米颗粒形态和热稳定性的影响。他们得出的结论是，反应中的浓酸产生了直径为 10 nm、长度为 150-200 nm的棒状颗粒。随着均质循环次数的增加，形成的纳米晶体尺寸减小。Gupta S 等人研究了HPH中，用于固体脂质纳米颗粒 (SLN) 系统各种表面活性剂系统，发现使用泊洛沙姆 188 (Pluronic F68) 可得到最小的粒径和多分散系数以及最大的包封率。
表面活性剂/增溶剂
稳定纳米乳液的主要成分是根据其亲水亲油平衡（HLB）值选择表面活性剂或增溶剂。它作为驱动力，因为它具有开发以油或水作为连续相的制剂所需的范围，或者也可以选择混合表面活性剂，从而提供稳定制剂系统的理想混合物。 HLB值越高，体系越亲水。 Chong 等人研究了 HLB 值 10-15 范围内的混合表面活性剂的影响，他们观察到，分别使用 5 wt% 和 10 wt% 的表面活性剂时，液滴尺寸从 96.47-130.90 nm 减小到 88.95-112.20 nm。他们还对这些配制的乳液进行了稳定性研究，他们观察到，HLB 值为 13 和 15 的乳液在 35 天的储存过程中表现出不稳定，因为液滴尺寸发生了显著变化。表面活性剂头基大小的差异影响混合表面活性剂的协同效应。研究表明，表面活性剂头部较大基团尺寸的差异会影响更大的协同效应，因为小分子表面活性剂可以更好地包围油相和水相之间的大表面活性剂界面。通过使用混合表面活性剂可以增强在分散介质中的分散性和溶解度，这可以增强两相之间的界面膜。 Chong 等人研究了混合表面活性剂对液滴尺寸的影响，结果表明，只要水相中表面活性剂浓度超过 7.5 wt%，且作为溶剂的甘油浓度超过 20 wt%，就可以得到液滴尺寸显著减小的纳米乳液。
溶剂体系
HPH 避免了有机溶剂的选择，因此消除了残留溶剂的监管问题和产品概况的安全问题。甘油在制剂体系中用作共溶剂时，可以增加水相的粘度。因此，由于共溶剂在分散介质中的溶解度，添加共溶剂可以减小液滴尺寸，因此该分散介质降低了其粘度并产生更小液滴尺寸的系统。如果共溶剂同时具有亲水性和疏水性，它们可以扩散到表面活性剂的单层中，从而导致表面活性剂的最佳曲率、柔韧性和界面张力的变化。Vivek等人研究了不同浓度单硬脂酸甘油酯的应用及其对制备的固体脂质纳米颗粒均质压力的影响。他们发现，5000psi -10000psi 的压力范围会减小纳米尺寸颗粒范围，并且由于均质阶段产生的空化力导致脂滴减小到纳米尺寸范围，因此可以观察到。
乳化/分散系统的选择
在 HPH 工艺和良好的乳化系统中，可实现的液滴尺寸取决于影响液滴破碎的破碎单元的流动模式。这种破坏单元取决于进入径向扩散器、反向喷射分散器和轴向喷嘴集合体的流动引导。能量密度等于破碎单元中的压降。增加压力差或增加能量密度将导致液滴尺寸直径减小，除非发生聚结。Juttulapa等人研究了可用作HPH 工艺乳化剂的各种果胶类型。研究表明乳液的液滴大小取决于果胶的甲氧基含量。在高甲氧基含量下观察到较小的液滴尺寸和良好的稳定性，这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.
（中国粉体网编辑整理/青黎）
注：图片非商业用途，存在侵权告知删除
