藥物-藥物共晶的設計與制備方法及應用研究進展*

王燁陽,袁鵬輝,楊德智,邢逞,張麗,2,呂揚

(1.北京協和醫學院、中國醫學科學院藥物研究所,晶型藥物研究北京市重點實驗室,北京 100050;2.山東益康藥業有限公司,山東省晶型藥物重點實驗室,滕州 277500)

藥物共晶是活性藥物成分(active pharmaceutical ingredient,API)和共晶形成物(cocrystal former,CCF)通過非共價相互作用以固定的化學計量比結合在同一晶格的晶體[1]。兩種藥物活性成分結合在同一晶格中形成的復合物為藥物-藥物共晶。藥物共晶不同于固定劑量組合(fixed dose combination,FDC)藥物,后者是指兩種及兩種以上原料藥以固定比例組合成單一劑量形式[2]。傳統的FDC藥物可減少藥品服用數量,簡化給藥方案,提高患者依從性。此外,FDC策略還可以降低藥品生產成本[3]。然而,FDC作為普通物理混合物[4],存在穩定性及溶解度差異、藥物間化學兼容性差、生物利用度降低等缺點,而這些恰恰是決定API療效的關鍵因素[5]。因此,迫切需要一種新的技術方法,來促進藥物-藥物混合配方的開發以解決此類問題。藥物-藥物共晶技術可以在不改變藥物化學結構的基礎上,改善母體藥物的理化性質(如溶解性、穩定性和生物利用度等),發揮協同治療和減毒增效作用,從而解決常規FDC藥物和聯合用藥治療中的相關問題[6]。ZHANG等[7]制備了由兩種體內溶解性和生物利用度較低的抗血栓藥物阿哌沙班和槲皮素組成的新型藥物-藥物共晶體,與阿哌沙班原料藥相比,藥物-藥物共晶溶解度、生物利用度和穩定性均得到明顯改善。此外,藥物-藥物共晶的新物質狀態符合申請發明專利審查要求的新穎性、實用性和創造性[8],可突破原研專利壁壘,有效拓展產品銷售周期。因此大大激勵了制藥企業和研發機構投入研發力量集中研究藥物-藥物共晶的設計新方法。目前,已上市的藥物-藥物共晶新藥品種數量不多(圖1)[9],其中包括2015年獲批上市的沙庫巴曲-纈沙坦(諾欣妥)和2017年獲批上市的鹽酸曲馬多-塞來昔布(Seglentis),部分品種尚處于臨床研發階段,如沙庫巴曲和阿利沙坦水解產物 EX3174 組成的共晶等[10]。筆者在本文綜述近年來藥物-藥物共晶的設計方法、制備技術和應用進展,展望藥物-藥物共晶研究發展趨勢,以期為藥物-藥物共晶的深入研發提供技術方法參考。

圖1 部分已上市或臨床研究中的藥物-藥物共晶品種

1 藥物-藥物共晶設計預測方法

選擇和確定合適的API與CCF是成功開發藥物共晶體的關鍵,也是藥物共晶開發的主要難點。對于藥物-藥物共晶,選擇合適的藥物組合需要考慮多種因素,不能自由地選擇任意兩種藥物,需要充分考慮不同組分溶解度、分子相互作用、包裝模式、配伍劑量、適應證和毒副作用等因素。目前大多數共晶藥物篩選通常建立在實驗研究的基礎上,但這種方法存在代價高昂、耗時耗力,使得許多藥物-藥物共晶發現具有偶然性,制備效率和速度也存在局限。近年來,隨著計算化學和人工智能技術的深入應用,目前已有研究報道將計算化學或人工智能技術方法用于藥物-藥物共晶設計預測,包括根據解離常數(pKa)規則、漢森溶解度參數進行共晶預測、基于不同類型的“超分子合成子”思路設計共晶、基于云計算晶體結構預測技術、基于分子表面靜電勢虛擬設計等方法[11-12]。

1.1根據pKa規則預測共晶 根據pKa規則可預測共晶的形成,通過計算兩組分間pKa差值大小來衡量兩組分之間相互作用。當[ΔpKa(pKa(堿)-pKa(酸)] >3時,發生質子轉移,通常形成鹽;當0<ΔpKa<3時,質子轉移和離子化程度無法明確預測;當ΔpKa<0時,一般不發生質子轉移,形成共晶。根據計算獲得的ΔpKa(-1.98)<0,選擇黃芩素(pKa5.4)和煙酰胺(pKa3.4)成功制備共晶,改善了其溶解性與生物利用度[13]。但該預測方法與實際共晶物的形成可能性間還存在一定差距,通常用于共晶藥物的初步預測。

1.2根據漢森溶解度參數進行共晶預測 根據漢森溶解度參數理論,共晶是由API和CCF組成的均相分子混合物,其混相應該與溶解度參數(δ)有關,通過基于組分在固體狀態下的混溶性來預測共晶形成的可能性。漢森溶解度參數(t)由分散力(d)、極性力(p)和氫鍵(h)三個維度的參數構成,可由以下公式確定:

δ2t=(δ2d+δ2p+δ2h)

當CCF溶解度參數更接近API時,容易混合并形成共晶。GHOSH等[14]利用漢森溶解度參數預測煙酸作為CCF可能形成的共晶,制備獲得了莫達非尼與煙酸的共晶。該方法需要計算獲得溶解度參數,可應用于預測普通藥物共晶形成,同時可用于預測藥物-藥物共晶形成。

1.3基于不同類型的“超分子合成子”思路設計共晶 共晶概念源于超分子化學,大多數API與CCF具有分子間成鍵基團,其中最常見的是氫鍵[15]。藥物共晶設計本質上是利用API與CCF官能團的互補性設計氫鍵超分子合成子[16]。通過選用各種篩選方法來確定藥物結合位點和CCF之間形成超分子合成的可能性,再合成實驗產物并對其進行表征確證。利用超分子原理時,應首先對API的化學結構進行全面分析,包括分子構象、官能團等信息,確定可能的超分子合成子,結合氫鍵和空間結構的互補性特征,選擇合適的CCF。超分子合成子分為兩種。①異型合成子:不同但互補官能團之間的合成子,如羧基-酰胺基、羧基-吡啶基、醇羥基-醚基;②同型合成子:相同且互補官能團之間的合成子,如羧基-羧基和酰胺基-酰胺基。通常異型合成子有較強的形成共晶作用[17]。共晶體中存在的超分子合成子的結合方式不同,如圖2所示。BOLLA等[18]通過超分子合成子,篩選獲得乙酰唑胺與煙酰胺共晶(圖2A);LIU等[19]根據異煙肼和吡嗪酰胺具有相似治療效果且靶點接近的特性,采用一種三元共結晶策略,即藥物-橋梁-藥物(圖2B),在兩個API分子之間沒有直接接觸的情況下,通過一個CCF分子作為橋梁將兩個不同的API分子連接到同一個晶格中。插入的第三個CCF分子(橋梁)應該具有兩個或更多的氫鍵位點,這些氫鍵位點可以與不同API適應匹配,從而形成穩定的超分子合成子。該方法克服了兩種API難以直接形成共結晶的問題,為一些具有相似療效與靶點的藥物-藥物組合系統的共晶篩選提供了新的設計思路和研究方案。

1.4基于其他物理模型的設計方法 分子表面靜電勢(molecular electrostatic potential surfaces,MEPs):MEPs通過識別分子表面可能的分子間相互作用位點,根據計算獲得氫鍵參數估算化合物分子相互作用位點配對能,進而預測兩種組分形成共晶的概率。該方法計算簡單,耗時短,可以用作高通量虛擬篩選工具,但由于忽略了分子構象對MEPs上極值點分布的影響[12],預測結果有時并不理想。YANG等[20]將構象分析引入MEPs計算,分析了3種黃酮類物質山奈酚、槲皮素和楊梅素與吡喹酮的構象,以及不同構象之間可能的相互作用,預測了共晶的形成,并通過實驗與各種分析技術結合,驗證預測共晶均能形成。隨著人工智能技術深入應用并與共晶預測研究結合,越來越多預測方法應用于共晶藥物設計[21]。

2 藥物-藥物共晶制備方法

隨著藥物晶體學研究的日益深入,目前已有多種不同方法來制備藥物-藥物共晶體,相關制備方法的優勢與不足比較見表1。

2.1固體制備法 固體制備法一般分為干研磨法、加液研磨法和高分子輔助研磨法等。干研磨法是指將兩個或多個組分按固定的化學計量比直接混合,手工或機械研磨一段時間;加液研磨法是指在干磨法研磨過程中加入少量溶劑的方法。DA等[22]采用加液研磨法制備了氟尿嘧啶與5-氟胞嘧啶共晶體,與干磨法相比,加液研磨法中由于存在催化量的溶劑,可增強分子識別所需的分子擴散,產生大量非晶相,提高制備效率。高分子輔助研磨法是加液研磨法的替代方法,通過在研磨過程中加入固態或液態聚合物誘導共晶產生。通過研究發現聚合物的加入可增加藥物-藥物共晶品種的多樣性,有效改善共晶的溶出速率和生物利用度[23-24]。

2.2液體制備法 常用液體制備法包括蒸發結晶法、冷卻結晶法、噴霧干燥法、反應結晶法等[25]。蒸發結晶法是從含有兩種共結晶組分的過飽和溶液中進行溶劑蒸發,常用于制備晶態物質。冷卻結晶法是樣品在溶劑中溶解后,降溫使溶液過飽和,然后使晶體析出的方法。噴霧干燥法將兩種共結晶組分的不飽和溶液分散到噴嘴中,快速噴出溶劑后轉化為固體粉末,在工業上常用于制備非晶態固體分散體,具有連續、快速和可控的特點,也可應用于共晶藥物中共無定型藥物合成[26]。WONG等[27]采用噴霧干燥法制備獲得含有法匹拉韋與茶堿的無載體可吸入式共晶物粉末,改善了原藥物的氣溶膠性能和物理化學性質。該方法通過控制工藝,獲得小粒度共晶粉末,方便呼吸給藥,提高藥物口服生物利用度和療效。反應結晶法(或懸浮液法)是將過量的兩種或兩種以上組分加入單一/混合溶劑中直接反應形成難溶共晶。在同一溶劑中,若不同組分溶解度接近,一般按照1：1比例加入;溶解度差別較大時,可適當調整投料比;溶解度差別過大時,一般先將相對溶解度大的組分制成過飽和溶液,再加入另一組分。然而,由于共結晶過程中熱力學和動力學作用比較復雜,且共晶純度受多種因素影響,包括過飽和度、溶劑極性和CCF相對溶解度等,在應用于藥物-藥物共晶制備過程必須嚴格控制各種條件和參數。

圖2 基于不同類型的“超分子合成子”設計藥物-藥物共晶

表1 藥物-藥物共晶制備方法比較

2.3其他方法 超臨界流體法:以超臨界流體(一般為CO2)為介質,利用其溶劑動力和分子遷移增強作用來促進共晶形成的方法。RIBAS等[28-29]采用該法合成制備了姜黃素與煙酰胺、乙酰半胱氨酸兩種共晶,提高了姜黃素的溶解率與抗炎活性。

種晶法:LIU等[30]研究發現,采用懸浮液易于制備獲得索拉非尼與氟尿嘧啶共晶體,但其類似物瑞戈菲尼與氟尿嘧啶共晶體目前并不能通過干磨、液體助磨、溶劑漿化等方法制備。但當以索拉非尼-氟尿嘧啶共晶為籽晶,采用種晶法可制備得瑞戈菲尼與氟尿嘧啶共晶體,說明此類異種種晶策略有望促進新的藥物-藥物共晶的設計與發現。

熱熔擠出法:采用機械化學技術,將固體或者半固體反應物放入熱熔擠出機中,通過并排旋轉的兩根螺桿相互嚙合研磨,使得反應物在受限的空間中被加熱、剪切、壓縮來促進共晶形成的方法。FERNANDES等[31]采用熱熔擠出技術成功制備卡維地洛與煙酰胺共晶,有效改善了卡維地洛的溶解度與流動特性。目前熱熔擠出法正逐漸應用于更多藥物-藥物共晶制備過程,并適于進行工藝放大和工業生產。

3 藥物-藥物共晶的應用優勢

由于藥物-藥物共晶可以在不改變藥物化學結構的基礎上,克服與傳統聯合用藥相關的問題,作為潛在的固體形式提供雙重甚至多重藥物治療效果。同時可以有效調節相關API的理化性質,如改善藥物溶解性、增加穩定性、改善生物利用度、預防多藥耐藥性和降低毒副作用等,且有助于增加現有產品的生命周期管理[32]。

3.1提高藥物溶解性 藥物溶解度能影響其生物利用度及通過胃腸道的滲透性[33],相關API的溶解度是影響藥物吸收過程的基本因素之一。根據生物藥劑學分類系統(biopharmaceutics classification system,BCS),有40%以上的藥物是不溶或低水溶性的,藥物-藥物共晶技術是常用改善API溶解度的技術。

卡馬西平是廣泛應用的抗癲癇藥物,屬BCS Ⅱ類藥物,水溶性差且體內生物利用度低。臨床通常需選擇較大劑量才能達到有效治療效果。HUANG等[34]制備了卡馬西平-大黃素和卡馬西平-丹皮酚兩種新型藥物-藥物共晶體,并考察了卡馬西平原藥及其共晶在水與pH值1.2和6.8的緩沖溶液中溶解度,結果表明卡馬西平-丹皮酚在水中溶解度最大,并結合相溶解度圖和理論計算解釋了共晶調解卡馬西平原藥溶解度的機制。

相較其他傳統β受體阻斷劑如阿替洛爾、美托洛爾等,卡維地洛在降低患者血壓等方面表現出更多優勢,但低水溶性是其配方開發的主要障礙。EESAM等[35]設計卡維地洛與氫氯噻嗪形成共晶,在0.1 mol·L-1鹽酸中共晶溶解度較卡維地洛提高7.3倍。

3.2改善藥物穩定性 藥物穩定性是評價藥物質量的重要指標之一,API由活性物質轉化為非活性代謝物會降低藥物的治療活性。奧沙利鉑是第3代鉑類抗癌藥物,在水中不穩定,可誘導正常細胞產生毒性。YIN等[36]選擇黃芩素和柚皮素為CCF,與奧沙利鉑分別合成兩種新型共晶。與奧沙利鉑相比,共晶的溶出速率明顯降低,具有更顯著的抑制癌細胞作用。左氧氟沙星無水形式在室溫條件下會迅速轉化為半水合物和水合物形式,SHINOZAKI等[37]通過研磨與加熱法制得左氧氟沙星與異乙酰氨基酚共晶體,降低了其吸濕性,提高了光穩定性。GOWDA等[38]選用懸浮液法得到依帕司他和二甲雙胍共晶體,改善了依帕司他的溶解度和光穩定性,同時降低了二甲雙胍的吸濕性,為二者聯合應用提供了一種新方法。

3.3改善藥物可壓性 改善共晶物的機械性能可以改善藥物的可壓性,便于原料制備為合適的固體劑型。對于可壓性較差的物質,還可以減少所需添加的輔料和(或)輔料的數量,從而減小片劑的總體尺寸,使片劑更容易吞咽,提高患者依從性[39]。鹽酸二甲雙胍具有吸濕性,且可能由于其層間的相互作用能各向同性和剛性,固態形式表現出較差的壓片性能。水楊酸鈉是一種非類固醇消炎藥,壓片性能明顯好于二甲雙胍[40-41]。BHATT等[39]在不采用任何片劑粘結劑的情況下,合成水楊酸鈉與二甲雙胍共晶,且在不同的壓力下,該共晶表現出優越的壓縮性、壓實性和壓片性。NASIR等[42]通過加液研磨法制得萘普生與煙酰胺共晶,改善了其力學性能。MODANI等[43]制備了非布索坦與吡羅昔康共晶,同時也評估了該共晶的可壓縮性,結果表明其可塑性和直接壓縮的適用性大大提高。

3.4提高藥物生物利用度 先導物的低生物利用度是目前新藥開發中瓶頸問題之一,藥物-藥物共晶技術為合成具有高水溶性與生物利用度的藥物提供了新思路。由于異煙肼具有嚴重的肝毒性,LIU等[44]選擇具有護肝作用的槲皮素與其合成共晶,通過體內外研究發現,共晶中槲皮素與其原藥相比,溶出速率提高51.67倍,同時共晶在大鼠體內的口服生物利用度提高了28.91倍,基本清除了異煙肼所致肝毒性。貝沙羅汀是美國食品藥品管理局(FDA)批準的抗腫瘤藥物,具有分子量較小、脂溶性較高等優點,但低生物利用度限制了其臨床治療應用。REN等[45]制備貝沙羅汀和川芎嗪共晶體,并通過大鼠體內研究證明了所得共晶改善了貝沙羅汀的藥動學性質,生物利用度明顯提高。

3.5促進藥物的協同作用 藥物-藥物共晶在增強藥物理化性質、優化藥動學性質的基礎上,最顯著的優勢是可以發揮不同藥物品種的協同作用。雙靶點共晶藥物沙庫巴曲-纈沙坦(諾欣妥)就是藥物發揮協同作用的典型代表。沙庫巴曲是腦啡肽酶抑制劑的前體藥,能夠抑制腦啡肽酶,發揮舒張血管、促尿鈉排泄等作用,但不能單獨成藥,必須同時阻滯腎素-血管緊張素-醛固酮系統(renin angiotensin aldosterone system,RAAS)。纈沙坦通過抑制血管緊張素Ⅱ 1型受體(anti-angiotensin II type 1 receptor,AT1R)對RAAS的作用,起到舒張血管、改善水鈉潴留和減輕心臟負荷等作用。通過單晶X射線衍射分析發現,此共晶藥物一個不對稱單元由6個沙庫巴曲分子、6個纈沙坦分子、18個鈉離子和15個水分子組成。與傳統治療心力衰竭藥物相比,共晶體中分子離子間存在復雜的氫鍵作用力和離子相互作用,有效改善了溶出速率,在體內同步發揮多重藥效作用。該共晶藥物在抑制腦啡肽酶的同時阻斷AT1R,通過多重降壓機制協同產生擴張血管、降低血壓、排鈉利尿、降低心臟負擔等作用,在臨床應用中療效確切且安全性良好[46]。LV等[47]制備了氟尿嘧啶與山奈酚共晶,改善了原有單一的氟尿嘧啶口服吸收不完全且不均勻、代謝速度快和山奈酚溶解性差、口服生物利用度低等問題,提高了山奈酚穩定性,并優化了其溶出行為,在抗腫瘤中發揮協同作用。

4 結束語

近年來,藥物-藥物共晶技術在調節藥物性質方面取得了巨大研究進展,例如溶解度、溶出速率、生物利用度、穩定性和可壓性等。與其他晶體工程技術相比,共晶技術可使一些因出現新替代品而面臨淘汰的“老藥”重新獲得利用。同時,作為一種有效的口服藥物組合配方開發的新形式,有望克服原有藥物的缺點。盡管藥物-藥物共晶體在制藥領域引起了研發人員越來越多的興趣與關注,但其開發過程仍面臨著許多挑戰。如共晶的設計和合成、篩選機制預測等都存在一定局限,需要進一步探索研究。但可以肯定的是,隨著對該領域更加深入的研究,將會更多有效的藥物-藥物共晶藥物在臨床上發揮更大的作用。