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【技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)解析】CDE納米藥物質(zhì)量控制研究技術(shù)指導(dǎo)原則解讀(一)

【技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)解析】CDE納米藥物質(zhì)量控制研究技術(shù)指導(dǎo)原則解讀(一)
馬爾文帕納科  2021-10-14  |  閱讀:5281

為規(guī)范和指導(dǎo)納米藥物研究與評(píng)價(jià),在國(guó)家藥品監(jiān)督管理局的部署下,藥審中心組織制定了《納米藥物質(zhì)量控制研究技術(shù)指導(dǎo)原則(試行)》、《納米藥物非臨床藥代動(dòng)力學(xué)研究技術(shù)指導(dǎo)原則(試行)》《納米藥物非臨床安全性評(píng)價(jià)研究技術(shù)指導(dǎo)原則(試行)》三項(xiàng)關(guān)于納米藥物研究、質(zhì)控、評(píng)價(jià)的技術(shù)指導(dǎo)原則。并由經(jīng)國(guó)家藥品監(jiān)督管理局審查同意,827日予以發(fā)布通告,三項(xiàng)技術(shù)指導(dǎo)原則自發(fā)布之日起開(kāi)始施行。

 

其中《納米藥物質(zhì)量控制研究技術(shù)指導(dǎo)原則》主要內(nèi)容是圍繞著納米藥物的安全性、有效性以及質(zhì)量可控性展開(kāi)的。在這3方面,質(zhì)量的可控性顯得尤為重要,它一定程度上決定了藥物的安全性和有效性。

 

該指導(dǎo)原則進(jìn)一步將納米藥物細(xì)分為三類(lèi):藥物納米粒、載體類(lèi)納米藥物以及其他類(lèi)納米藥物,前兩類(lèi)藥物適用于該指導(dǎo)原則。

 

在研發(fā)過(guò)程中,納米藥物的質(zhì)量控制指標(biāo)又可以分為納米相關(guān)特性和制劑基本特性兩大類(lèi)。其中納米相關(guān)特性是可能與藥物在體內(nèi)行為息息相關(guān)的重要質(zhì)量指標(biāo)。又包括例如平均粒徑及其分布、納米粒結(jié)構(gòu)特征、微觀形態(tài)、表面性質(zhì)(電荷、比表面積等)包封率、載藥量、納米粒濃度、納米粒穩(wěn)定性等等。

 

質(zhì)量控制指標(biāo)涉及方面較多,本文重點(diǎn)關(guān)注以下三個(gè)方面的指標(biāo):

 

1. 粒徑(平均粒徑及其分布)

2. 表面電荷

3. 納米粒濃度

 

在粒徑表征方面,該指導(dǎo)意見(jiàn)原文如下:

“應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)臏y(cè)定方法對(duì)納米藥物的粒徑及分布進(jìn)行研究,并進(jìn)行完整的方法學(xué)驗(yàn)證及優(yōu)化。粒徑及分布通常采用動(dòng)態(tài)光散射法(Dynamic light scatteringDLS)進(jìn)行測(cè)定,需要使用經(jīng)過(guò)認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(Certified reference materialCRM)進(jìn)行校驗(yàn),測(cè)定結(jié)果為流體動(dòng)力學(xué)粒徑(Rh),粒徑分布一般采用多分散系數(shù)(Polydispersity index,PDI)表示。除此之外,顯微成像技術(shù)(如透射電鏡(Transmission electron microscopy,TEM)、掃描電鏡(Scanning electron microscopy,SEM)和原子力顯微鏡(Atomic force microscopy,AFM)、納米顆粒跟蹤分析系統(tǒng)(Nanoparticle tracking analysis, NTA)、小角X射線散射(Small-angle X-ray scatteringSAXS)和小角中子散射(Small-angle neutron scattering,SANS)等也可提供納米藥物粒徑大小的信息。對(duì)于非單分散的樣品,可考慮將粒徑測(cè)定技術(shù)與其它分散/分離技術(shù)聯(lián)用?!?/span>

 

在了解動(dòng)態(tài)光散射技術(shù)(DLS)之前,我們先來(lái)講一講粒徑測(cè)量時(shí)的“等效球體”的概念。

 

想象一下,當(dāng)我們完成顆粒粒徑測(cè)試后,該如何用準(zhǔn)確的數(shù)值來(lái)描述這些三維顆粒的大小呢?當(dāng)顆粒是規(guī)則的形狀時(shí),比如說(shuō)正方體、球體,我們可以用一個(gè)數(shù)值,例如:邊長(zhǎng)、直徑,來(lái)表示這個(gè)顆粒的大?。坏?,當(dāng)顆粒呈現(xiàn)的形貌是無(wú)規(guī)則的話,我們就無(wú)法用一個(gè)數(shù)值來(lái)描述這個(gè)顆粒大小了,那有人會(huì)說(shuō),用一系列數(shù)值來(lái)描述這些顆粒不就行了嗎,這個(gè)方法確實(shí)可行,但是隨之帶來(lái)了數(shù)據(jù)呈現(xiàn)的復(fù)雜度以及顆粒粒徑大小比較的困難度。這個(gè)時(shí)候我們就必須引入“等效球體”概念了。

 

什么叫做等效球體呢?

 

當(dāng)我們通過(guò)某種技術(shù)測(cè)量顆粒在某一方面的性質(zhì),并得到了一個(gè)具體的數(shù)值,如果一個(gè)剛性球體在該性質(zhì)方面的數(shù)值和前者一樣,那么我們就認(rèn)為待測(cè)物的顆粒大小和這個(gè)剛性球的大小一致。

 

等效球體概念在粒徑上的應(yīng)用既能滿足準(zhǔn)確表示待測(cè)顆粒的粒徑大小,又能使得這些數(shù)值能夠被用來(lái)進(jìn)行大小比較(單個(gè)數(shù)值)。


 

如圖1所示,我們可以得知,當(dāng)一個(gè)不規(guī)則的顆粒采用不同的測(cè)量技術(shù)(沉降法、電阻法、體積法等等)去進(jìn)行測(cè)量時(shí),往往會(huì)得到不同的粒徑值。

 

而我們說(shuō)的動(dòng)態(tài)光散射技術(shù)測(cè)量的是顆粒的擴(kuò)散速度,所以,具有同樣大小擴(kuò)散速度的剛性球體的直徑就是待測(cè)顆粒的粒徑大小,我們一般稱(chēng)之為流體力學(xué)直徑。

 

動(dòng)態(tài)光散射

 

接著我們進(jìn)一步來(lái)了解一下什么是DLS技術(shù):

 

分散在溶液相的納米顆粒由于受到溶劑分子的撞擊,呈現(xiàn)出無(wú)規(guī)則的運(yùn)動(dòng),我們稱(chēng)之為布朗運(yùn)動(dòng)(Brownian motion),如果我們將一束激光照射至含有該納米顆粒的溶液中,溶液相中的顆粒會(huì)產(chǎn)生散射光,隨后在一定的角度收集相關(guān)的散射光,我們就能得到如圖2所示的散射光強(qiáng)隨時(shí)間的變化曲線,可以看出大顆粒布朗運(yùn)動(dòng)較為緩慢,散射光強(qiáng)的變化頻率較慢(圖2,上)。小顆粒則相反,由于其布朗運(yùn)動(dòng)劇烈,接收到的散射光強(qiáng)的變化頻率較快(圖2,下)。

 

 

而動(dòng)態(tài)光散射技術(shù)則可以捕獲上述散射光變化的頻率,進(jìn)而獲得顆粒的布朗運(yùn)動(dòng)速率大小,最后通過(guò)反演算法獲得顆粒的粒徑和分布。

 

根據(jù)斯托克斯-愛(ài)因斯坦方程(Stokes-Einstein)的定義,我們可以看出,顆粒的運(yùn)動(dòng)速率是和它的粒徑成反比的,運(yùn)動(dòng)速率越快,粒徑越小,運(yùn)動(dòng)速率越慢,粒徑越大。

 

該方程式:DH=KT/3πηD

 

K:玻爾茲曼常數(shù)

T:整個(gè)體系的絕對(duì)溫度值

η:溶劑粘度值

D:顆粒平動(dòng)擴(kuò)散系數(shù)

 

那具體如何獲得顆粒的布朗運(yùn)動(dòng)速率(D)呢?

 

接下來(lái)我們要引入“相關(guān)性”這個(gè)概念,如圖3所示,如果我們將t時(shí)刻的散射光強(qiáng)度和其后較長(zhǎng)時(shí)間的散射光強(qiáng)相比較,顯然,他們沒(méi)有什么相關(guān)性。但是,當(dāng)我們將時(shí)間縮短至極短時(shí)間范圍內(nèi),也就是將tt+δt時(shí)刻的光強(qiáng)值進(jìn)行比較,就能得到很強(qiáng)的相關(guān)性,隨著時(shí)間的增加(δt, 2δt, 3δt, 等等),其散射光強(qiáng)值和t時(shí)刻的相關(guān)性不斷衰減,最后接近0值,相關(guān)性通常用數(shù)值來(lái)描述(10),數(shù)值越靠近“1”代表相關(guān)性非常高,越接近“0”代表相關(guān)性很低。δt的時(shí)間非常短,一般在納秒(nanosecond,ns)或者微秒(microsecond,μs)。

 

 

散射光強(qiáng)在不同時(shí)間點(diǎn)的相關(guān)性我們用G (τ)來(lái)表示:G (τ)=A[1+Bexp (-2Γτ)]

 

τ代表著信號(hào)采集滯后時(shí)間

Γ=Dq2,

q=(4πn/λ0) sin(θ/2),散射矢量

D:顆粒平動(dòng)擴(kuò)散系數(shù)

n:溶液的折光指數(shù)

λ0:入射光波長(zhǎng)

θ:散射光接收角度

 

最后,我們用相關(guān)方程來(lái)描述這種相關(guān)性隨時(shí)間的變化(圖4),大顆粒的散射光強(qiáng)的相關(guān)性隨時(shí)間變化慢,信號(hào)衰減慢(左),小顆粒的散射光強(qiáng)的相關(guān)性隨時(shí)間變化快,信號(hào)衰減快(右)。

 

 

聊完了DLS的基本原理,我們?cè)賮?lái)看看大家比較關(guān)注的幾個(gè)問(wèn)題:

 

1. 什么是Z-average size(平均粒徑)、PIpolydispersity index,多分散指數(shù))?

 

Z-average size表示樣品中顆粒的平均粒徑大小,根據(jù)ISO 13321:1996,我們可以知道,該數(shù)據(jù)是通過(guò)累計(jì)分析法得到的。

 

PI代表著樣品的粒徑分布寬度,數(shù)值越小,說(shuō)明體系里的粒徑大小越一致,數(shù)值越大,說(shuō)明體系里的粒徑分布群體越多,粒徑分布較寬,一般我們認(rèn)為當(dāng)PI值大于0.7時(shí),表示這個(gè)體系不再適合用DLS這種技術(shù)進(jìn)行表征了。

 

除了平均粒徑和PI,我們還能得到顆粒的光強(qiáng)粒徑分布圖,在這個(gè)分布圖里,我們能得到不同粒徑下對(duì)應(yīng)的散射光強(qiáng)占比數(shù)據(jù),這些分布圖是根據(jù)分布算法得到的。

 

2. 如何看待不同測(cè)量角度下得到的粒徑數(shù)據(jù)?

 

市面上主要存在兩種測(cè)量角度的納米粒度儀,分別是90°和173°,前者我們稱(chēng)之為側(cè)向角,后者我們稱(chēng)之為背向角。

 

當(dāng)測(cè)試的樣品為粒徑窄分布時(shí),例如聚苯乙烯標(biāo)準(zhǔn)樣品,兩種測(cè)量角度都能得到很好的粒徑分布圖,結(jié)果也非常一致(圖5)。


 

當(dāng)測(cè)試的樣品為粒徑寬分布時(shí),比如一些生物樣品,兩種測(cè)量角度得到的粒徑分布圖就會(huì)有區(qū)別(見(jiàn)圖6)。

 

 

這是為什么呢?

 

這其實(shí)是和顆粒的散射性質(zhì)有關(guān)系的,當(dāng)顆粒的粒徑大小小于入射波段的1/10時(shí),顆粒在各個(gè)方向上的散射光強(qiáng)度都一樣,我們稱(chēng)之為各向同性,那么在這兩個(gè)角度上進(jìn)行測(cè)量,都能得到正確的數(shù)值。但是隨著顆粒粒徑的增加,顆粒在各個(gè)方向上的散射光強(qiáng)開(kāi)始變得不一致,越靠近0度角,其散射光強(qiáng)增加越強(qiáng)烈,我們稱(chēng)之為各向異性。在絕大多數(shù)情況下,不同粒徑的顆粒其散射強(qiáng)度在90°要比在173°要強(qiáng)一些,當(dāng)體系中大顆粒開(kāi)始變多時(shí),來(lái)自于大顆粒的散射光強(qiáng)貢獻(xiàn)度在90°角下就會(huì)比在173°角下要更多,因?yàn)榱椒植嫉臄?shù)據(jù)是根據(jù)不同粒徑的散射光強(qiáng)在整個(gè)體系的占比中得到的,所以在90°角下會(huì)使得顆粒的粒徑分布更容易傾向于體系中存在的大顆粒。


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