【ROYAL皇家88平台】通过调释制剂的设计，降低临床不良反应
导 读
临床研究表明，过高的Cmax可能会导致BMS-914392产生临床不良反应，为了降低Cmax并保持总暴露量，BMS公司开发了3种调释制剂，通过体外、体内、计算机模拟和临床研究进行评估。结果均表明具有控制微环境pH的亲水性骨架片最佳，该制剂的体内PK特性具有明显的优势，具有较好的可开发价值。
摘 要
BMS-914392是BCS 2类、弱碱性化合物，在低pH条件下溶解度较高。临床研究表明，快速释放高剂量的BMS-914392可能会导致短暂临床不良事件，且该不良反应与高Cmax呈相关性。
目的：开发和筛选新的调释制剂MR，以确保降低Cmax的同时保持体内总暴露量AUC不变。
方法：开发了3种调释制剂MR，通过USP 3法的体外溶出测试验证每种制剂是否可有效地减慢BMS-914392的释放。并使用机制性的吸收模型指导制剂的开发和选择，并采用I期临床试验数据、比格犬PK数据、体外试验数据验证和优化机制性的吸收模型，确保体内吸收曲线、不同患者的体内PK预测更加可靠。
结果：新开发的3种调释制剂MR，均表现出较平稳的Cmax，并保存较高的相对生物利用度，验证过的机制性的吸收模型结果显示3种制剂中的具有控制微环境pH的亲水性骨架片在减少不良事件发生率方面最佳，随后的临床试验数据也验证了该结果；并且该制剂在采用法莫替丁（抑制胃酸分泌）治疗和普通健康受试者中均表现出最好的PK特性。
结论：基于临床风险的制剂开发过程控制，成功地筛选出合适的且可进一步开展临床药效试验的调释制剂MR。
原文作者
David J. Good, Ruiling Hartley, Neil Mathias, John Crison, Giridhar Tirucherai, Peter Timmins, Munir Hussain, Raja Haddadin, Otilia Koo, Faranak Nikfar, Nga Kit Eliza Fung
1. BMS制药（美国），药品科学与技术部
2. BMS制药（美国），探索性临床和转化研究部
3. BMS制药（英国），药品科学与技术部
4. BMS制药（美国），生物分析科学部
解读人
王钰玺，ROYAL皇家88娱乐技术部
推荐理由
临床研究表明，较大的Cmax可能是导致BMS-914392产生临床不良事件的原因，为了降低其Cmax并保持总暴露量，开发了3种调释制剂，并进行体外研究，如体外溶出研究，体内研究，如比格犬PK研究、人体吸收位点研究、胃pH对人体PK影响的研究，同时还进行了计算机模拟，模拟了胃排空时间、释放100%药物的时间、胃pH变化等对不同制剂PK特性的影响。结果表明，具有控制微环境pH的亲水性骨架片PK特性最佳，不但可以减低BMS-914392在体内的Cmax，同时还保持较高的生物利用度，且体内PK受胃的pH变化影响较小，个体差异小，可进一步用于商业化开发。本文对于通过建模与模拟方法评价或指导MR制剂的开发具有重要的参考意义。
软件用途
本案例使用GastroPlus搭建了比格犬和人体机制性的吸收模型，结合体外溶出曲线准确地预测不同制剂（IR和MR）在体内的PK曲线，使用该模型考察了胃排空时间和溶出100%药物的时间对体内PK的影响，探讨了胃pH升高（胃酸调节剂）对不同制剂体内PK的影响，并通过虚拟群体模拟，考察了个体变异对PK特性的影响。为MR制剂的选择提供了重要的参考。
1. 研究背景
调释制剂MR通过改变药物释放来延长药物的吸收或控制速释制剂的Cmax，从而改善了治疗效果。调释制剂MR应用最广的是调节半衰期短的药物的药代动力学特征，以延长药物的血浆暴露时间，从而制定更加便利的给药方案。另一个重要的应用是保持平稳的血药浓度，以消除由血药浓度波动引起的不良事件，硝苯地平和奥昔布宁缓释制剂正是使用该策略改善安全性的典型示例。BMS-914392 也是通过MR的设计和开发，以消除不良反应并推动了进一步的临床试验的开发。
BMS-914392属于BCS II类、弱碱性化合物，是用于减少心房颤动(AF)负荷的心血管药物。早期临床结果表明，高剂量速释（IR）片剂可能会导致短暂的不良反应，这种不良反应发生在最大血药浓度时，并随着血药浓度的降低而减轻，需要通过控制药物血药浓度的峰值来减少不良反应的发生，以给患者提供最佳的用药状态。在探索性疗效研究中，虽然可以通过低剂量频繁给药的方式（例如TID）限制Cmax，但最佳的方案还是通过MR制剂替代IR制剂以提供更加方便、安全的自我给药方式。
期待开发的调释制剂MR降低Cmax，同时达到相对于速释制剂IR片剂的同等暴露（AUC）。实现这一目标的制剂策略包括肠溶包衣、聚合物基质、混合释放颗粒、渗透压控释系统等。在本研究中，BMS公司制备了三种BMS-914392 的MR制剂处方，并通过体外溶出分析了三种制剂的释放速率，进行了动物药代动力学研究，以评估相对于IR片剂Cmax降低的程度，建立了二房室口服吸收模型，以预测人体的PK特性、探索关键的处方因素，并预测对胃pH的敏感性，以及指导进行的临床研究设计。最后通过相对生物利用度研究和虚拟人群模拟对这三种制剂进行了筛选，并确定最合适的制剂，以便进行进一步的优化。
2. 体外、体内和计算机模拟相结合的研究步骤
体外、体内、计算机模拟相结合的技术路线图
2.1 多次低剂量给药研究及其结果
BMS-914392的临床试验结果表明，受试者服用高剂量IR片（120mg）有很大的机率出现不良反应，该不良事件的发生与较高的Cmax呈强相关。因此控制Cmax是改善BMS-914392安全性的有效策略。验证该假设的剂量分级研究的试验设计为：分8次给药，每次15mg，每次之间间隔30分钟。试验结果表明相对高剂量IR片剂，多次低剂量给药的Cmax降低了约50％，Tmax从1小时延迟到3.5小时，总体暴露量维持不变，且未出现不良反应。这表明延长药物释放时间可以达到预期的PK和安全性。此时还需解决的关键问题是：BMS-914392如开发成MR制剂，在胃肠道末端区域是否能达到预期的吸收？
2.2 吸收位点研究及其结果
为了考察胃肠道各位点的渗透性，使用射频激活InteliSite胶囊评估BMS-914392在人胃肠道的吸收位点和渗透性（15位健康男性受试者，开放性随机交叉研究），该胶囊为非崩解、可远程控制的药物输送装置，可在预先选定的胃肠道位点释放药物。使用InteliSite胶囊将BMS-914392耐沉淀溶液和压碎的片剂直接递送至胃肠道特定位点。通过控制InteliSite胶囊定点释放单剂量的BMS-914392，实现对各个肠段（例如，近端小肠（PSI），远端小肠（DSI）和结肠）的精准给药，通过这种分肠段给药的方式评估整个胃肠道BMS-914392的相对生物利用度和溶解度。图1显示了针对每个药物释放位点给药后的BMS-914392的PK曲线。
BMS-914392溶液剂量在靶向近端小肠、远端小肠和升结肠（溶液剂或片剂）给药后的相对生物利用度均较高（约> 92％）。与口服溶液剂的暴露量相比，BMS-914392溶液在口服以及靶向近端和远端小肠给药的Tmax均约0.5 h，吸收迅速。 相反，在结肠中释放的BMS-914392溶液逐渐且持续的被吸收。另外，当以压碎的片剂或溶液形式递送至结肠区域时，暴露量是等效的。这表明溶解发生在的液体量低的结肠区域，且BMS-914392可以被有效的吸收。综上，证实了BMS-914392在所有肠道区域均可以被很好的吸收，这为开发每日给药一次的调释制剂提供了有力的依据。
2.3 MR制剂的制备及对应的体外溶出特性
三种BMS-914392 MR制剂的处方与制备：
1）样品1：EC-IR片剂，IR核心片包含20％的药物和80％的赋形剂，赋形剂中包括分散剂、崩解剂和润滑剂。IR核心片先包2％（重量）的基础HPMC薄膜衣，再使用丙烯酸包衣。
2）样品2：亲水性骨架片剂，使用BMS-914392和HPMC K4M聚合物制备片剂。将药物、聚合物和制粒赋形剂混合，干法制粒。将颗粒与颗粒外赋形剂混合、压片。 在最终制剂中，药物与聚合物的比例为1:1.5。
3）样品3：具有控制微环境pH的亲水性骨架片剂，以类似于亲水性骨架片剂（样品2）的方式制备片剂，但用HPMC K100M级聚合物和20％柠檬酸作为颗粒内组分，以维持片剂微环境中的酸性pH值。
体外溶出度研究及其结果与分析：使用USP-3（Varian’s BIO-DIS III Extended Release Testing Station, Varian Inc., Palo Alto, CA）对所有MR和IR制剂进行了溶出度研究。为了模拟空腹状态不同胃排空时间下BMS-914392的溶出。首先将样品置于0.1 N HCl中2 h或15分钟，以模拟不同的胃排空时间对应的在胃液（SGF）中的溶出，然后切换至250 mL的25 mM pH 6.8磷酸盐缓冲液中，以模拟肠环境。pH 5.5的磷酸盐缓冲液用于模拟法莫替丁（抑制胃酸分泌，增加受试人群的多样性）作用后的胃环境。
图2a和2b展示了BMS-914392的溶出结果。当模拟胃排空时间为2小时（图2a）时，肠溶衣有效地保护了样品1，使其核心片在SGF没有溶出。一旦转移到pH 6.8缓冲液中，包衣在几分钟内便开始溶解，逐渐释放出BMS-914392，到6 h达到约15％的药物释放。样品2和3中的BMS-914392通过侵蚀和扩散穿过粘性HPMC凝胶层而缓慢释放，最终在2小时内达到约40-50％的溶出。在转移到肠道缓冲液中后，最终溶出度达到70-80％。当模拟胃排空时间为15分钟（图2b）时，IR和样品1的释放速率与SGF中2h的释放速率基本相同。而样品2和3最终溶出度分别为32％和48％。BMS-914392在胃pH条件下具有高溶解度、高扩散驱动力，而模拟胃排空时间为15分钟时，亲水性骨架片暴露于胃pH值的时间较短，因此释放速率较低。
为了体现法莫替丁作用后的胃环境，使用pH 5.5磷酸盐缓冲液代表该环境。由于肠溶衣在pH 5.5时会迅速溶解（图2c），样品1和IR片剂中BMS-914392的溶出行为相同。BMS-914392在样品3中的释放速率相比样品2稍高，表明添加柠檬酸可以降低微环境pH值并增加BMS-914392的溶解度，影响BMS-914392通过HPMC凝胶层的扩散速率，从而加快溶出速率。总之，体外溶出实验证实三个样品均具有减缓药物释放的能力，随后在比格犬中进行了药代动力学试验，以检测样品的体内性能，并将体外溶出数据用于GastroPlus模型，以模拟多种人体生理学条件下的暴露。
由于BMS-914392在酸性条件下表现出快速溶出，因此MR制剂设计的重点是限制其在胃中的释放程度。另外，吸收位点研究结果表明BMS-914392吸收窗口较大，结肠是药物释放的优选区域，因此必须缓慢释放才能维持药物的吸收。样品1，由于肠溶衣可在pH 5.5或更高的pH环境中溶解，可以达到在十二指肠、空肠区域释放药物的目标。因此这种制剂设计需要注意的是药物的释放将取决于胃排空时间和不同个体胃肠道pH的变异。
对于样品2和3，药物释放速率取决于药物从亲水性聚合物中扩散出来的速率，聚合物在胃肠道环境中特性和药物:聚合物的比例将决定药物的释放特征。由于BMS-914392的释放速率对Cmax的影响比AUC更大，因此需要BMS-914392在胃肠道中具有相对稳定的释放速率，以控制其Cmax并降低生物利用度的变异性。降低与胃肠道pH值变化的相关性的策略之一是在片剂中添加缓冲剂，以控制微环境pH值，使其有利于药物的持续溶出。因此，样品3中添加了柠檬酸以维持局部稳定的pH环境，确保BMS-914392在肠液中pH依赖性的释放特性。
2.4 建立吸收模型，指导制剂开发
比格犬PK研究：五肽胃泌素（用于促进胃酸分泌，比格犬空腹条件下胃pH 3, 人体空腹条件下胃pH 1.3）预处理的4只雄性比格犬、空腹、交叉实验设计。分别将IR片剂和3个MR制剂放在喉咙后部，然后通过管饲法给予50 mL水冲服。
计算机模拟建立比格犬吸收模型，指导制剂开发。结合实测理化性质（建模参数如下表）和体内PK数据，借助GastroPlus软件开发并完善了BMS-914392吸收模型。使用实测的比格犬单次静脉和口服溶液剂（给药量为1-3 mg/kg）的PK数据建立了比格犬吸收模型，模拟了MR制剂的在比格犬体内的PK行为。使用PKPlus模块计算得到比格犬体内的药代动力学参数，其中血浆清除率和分布容积分别为0.7 L/ h/kg和2.7 L/kg。使用IntelliCap系统对15名健康男性受试者的吸收位点进行研究，确定了人体各肠段的渗透性，并将该结果自定义到ACAT（GastroPlus软件內建的高级隔室吸收与转运模型）模型中。使用PKPlus模块拟合人体实测临床数据，最终确定使用两室模型模拟IR和MR制剂的分布相。模拟使用对应的溶出曲线对每种MR制剂进行了模拟，体外溶出曲线来自于USP 3法的体外溶出实验（两个连续的pH条件，胃液pH 1.2和肠道pH 6.8溶出介质），而模拟法莫替丁处理后的PK曲线使用的是单一pH 5.5溶出介质对应的溶出曲线。
以空腹、五肽胃泌素作用后的比格犬，评估相对于速释制剂三种MR样品在体内的缓释特性。此外，还用了GastroPlus模拟预测了四种处方在比格犬体内的PK，图2a中的溶出曲线也用于了模拟4种处方的PK。实测和模拟的PK曲线如图4所示。速释片剂的吸收速度很快，Tmax为1 h，Cmax为1287 ng / mL。三种改良的MR制剂Tmax为2-3 h，并且Cmax显著降低（406- 548 ng / mL）。与IR片剂相比，样品1、2和3的相对生物利用度分别为67％，82％和35％，预测的相对生物利用度均与实测结果高度吻合。所有MR制剂均能够有效降低Cmax，并将Tmax延迟至3-4小时，同时保持了不错的相对生物利用度。综上所述，使用GastroPlus模型结合体外溶出准确预测了不同制剂的在比格犬体内PK特性，因此可基于目标制剂的溶出曲线结合建立的吸收模型，能够在有限的动物PK数据的基础上指导制剂开发。
2.5 基于模型评估关键生理因素对MR制剂PK特性的影响
对于MR制剂，影响PK的主要生理因素是各个受试者之间的胃排空时间、pH和肠道转运的变异性。对肠道内pH敏感的肠溶聚合物在胃排空快的患者中将更快地释放药物，在胃排空很慢的患者中可能会延迟释放药物。因此，这样的肠溶包衣制剂可能表现出不同的PK，其取决于患者之间胃排空的差异。为了更好地了解生理条件对MR制剂的影响，使用GastroPlus建模了一系列胃排空时间和药物释放速率，以评估其对Cmax和AUC的影响，指导MR制剂的设计。通过假设BMS-914392的释放与Higuchi模型的时间的平方根成正比或比其更快，模拟一系列的释放曲线。将模拟的释放曲线导入GastroPlus模型，结果表明溶出100%药物的时间小于4小时，可能会导致较高的Cmax，而大于4小时可能会显著降低Cmax。如图3a，该模拟表明溶出100%药物的时间> 4 h，同时胃排空时间> 1 h时，Cmax最有可能降低50％以上。从图中还可以看出，较长的释放时间将降低Cmax的变异性。由于BMS-914392在整个肠道均表现出良好的通透性，AUC∞几乎不受溶出100%药物的时间或胃排空时间变化的影响。总之，该模型表明，将BMS-914392从制剂中溶出100%的时间延迟至4 h以上，可以将BMS-914392的最大血药浓度降低至更安全的水平，而且不会影响其总暴露量。
2.6 基于模型和临床试验评估胃pH调节剂（法莫替丁）对人体PK特性的影响
人体临床研究：第一项临床研究（Arm 1），在8-16名空腹健康受试者中对60 mg IR和三种MR制剂进行了随机四交叉研究。这项研究旨在证明每个MR制剂在降低Cmax的同时可以保持相对IR制剂暴露量的能力，并有助于选择最佳的MR制剂。第二项临床研究（Arm 2），同样采用随机交叉临床试验设计，对三种60 mg MR制剂在存在或不存在胃液pH调节剂法莫替丁（40 mg）的情况下、空腹给药，以确定胃液pH值对BMS-914392的释放速率和暴露的影响。
MR制剂在人体内的PK特性：三个MR制剂与IR制剂在空腹患者中的相对生物利用度临床研究结果见图5a (Arm 1)。临床结果表明，三种MR制剂均能有效降低患者血浆中BMS-914392的Cmax（降低55-75％），并保持同等的暴露水平（表3）。
图5. b-d展示了三种MR制剂在空腹法莫替丁未治疗患者与法莫替丁治疗患者的临床PK结果。在法莫替丁治疗的患者中，样品1（EC-IR）会因较高的胃pH值而立即溶解（E），其Cmax和Tmax值与IR片剂相似，在胃pH升高时相对于IR制剂 Cmax没有降低。由于患者胃液pH值的变异性及某些患者胃液pH值较高可能发生剂量倾泻，导致肠溶衣制剂发生不良事件风险的可能性升高。
对于样品2，亲水性骨架片剂，法莫替丁治疗组的受试者Cmax比空腹给药的受试者稍低（降低26％），但总体暴露量约高50％。法莫替丁给药组的Tmax从1.5h延迟到16h，表明吸收转移至结肠。样品3，具有pH调节剂的亲水型骨架片，法莫替丁治疗组在峰浓度和总暴露方面差异最小，且Cmax降低约15％，但未观察到Tmax或AUC0-∞的变化。样品3制剂中柠檬酸成分维持了制剂中局部pH，使得Tmax维持恒定，也使得该制剂在胃肠道中恒定的溶出，不受胃肠道pH的影响。总体而言，在胃pH升高的受试者中，两种亲水性骨架片的Cmax和AUC仅有轻微变化。因此，基于亲水性骨架片的样品2和样品3被确定为制剂开发中的首选策略。由于样品3中有柠檬酸作为缓冲剂，保持了制剂相对稳定的pH，使得在不同的胃肠液中BMS-914392的溶出行为基本一致，药物在胃肠道上端的暴露一致（Cmax和Tmax），并且转移至结肠吸收的比例较小。因此，样品3保持了体内溶出的稳定性和降低与Cmax相关的不良事件的发生率，样品3被认为是临床开发的最佳候选制剂。
采用了机制性吸收模型（GastroPlus）模拟临床结果。图6显示了胃排空时间为15min时，在不同胃pH条件（pH 1.3和5.5）下的亲水性骨架片（样品2）的模拟结果。模拟的PK结果显示Tmax移至12-24 h，表明在胃pH升高的患者中结肠吸收更为显著、Cmax会略有下降。模拟的PK结果（图6）与图5c中的实际临床观测数据非常相关，该模拟证明了胃pH变化对PK影响，证明了进行法莫替丁临床研究的必要性，并且也说明了向样品3中掺入柠檬酸缓冲液对减轻对胃pH敏感性有显著意义。
2.7 基于模型评估胃滞留时间对人体PK特性的影响
图7. 展示了样品2和样品3在不同胃滞留时间下临床实测和预测的PK数据。延长在胃中的滞留时间（2小时），模拟的Cmax和总体暴露增加。长时间暴露于BMS-914392（弱碱）最易溶解的低pH值胃环境中，会增加药物的溶出和随后的吸收。样品2模拟结果表明，模型可以准确的拟合BMS-914392在胃肠道上端的吸收（约1-12小时）和消除。但是，胃滞留时间在0.25-2h的情况下，发生在结肠的吸收被低估了，该肠段的吸收对输入的体外在24h释放的量（图2a，b）高度敏感，这是因为BMS-914392在结肠有很高的渗透性（SOA研究（图1））。体外和体内因素（例如肠道蠕动和流体动力学）之间的细微差异可能是导致结肠释放量的变化和体内观测到约24h时的正向偏差的原因。由于pH调节剂会影响溶解性，样品3表现出更快的体外溶出（图2），并且相应的模拟PK曲线与图7b中观测到的临床数据非常吻合。
2.8 通过虚拟人群模拟，评估MR制剂在人体内的PK特性和变异性
使用GastroPlus中的Virtual Trial功能进行了虚拟临床试验，比较每种样品在成年人体的预期暴露量和变异性。该虚拟临床试验中BMS-914392的给药剂量为60 mg，每个虚拟试验包括36名受试者，体重在52-82Kg之间，平均体重为71Kg。虚拟试验模拟时除了有效渗透率设置65％、清除率设置40％、肝血流量设置30％以及胃肠道转运时间和分布容积设置20％，其他的模型参数均指定为10％或以下且具有对数正态分布的变异系数。最后使用WinNonlin分析虚拟试验结果，如果Cmax和AUC(0−t)的落在0.80至1.25的范围内，则认为具有生物等效性。
在空腹或法莫替丁治疗条件下进行虚拟试验模拟，以考察样品制剂的性能，有助于临床研究的设计和制剂选择。虚拟群体模拟表明，两个亲水性骨架片的暴露程度和变异性存在差异，如图8所示，样品2的在胃pH升高的条件下Cmax明显降低，Tmax值也大大增加，且临床试验观测的Tmax与模拟的Tmax的变化非常吻合。在空腹或法莫替丁治疗后，样品2的Tmax几何平均值分别为1.4和9.6h，Tmax的增加反映了体内溶出的延迟，这也与Cmax降低和胃肠道上端吸收较少的现象一致。样品3在空腹或法莫替丁治疗条件下，虚拟人群中的暴露敏感性较低，表明需要评估具有控制微环境pH的的亲水性骨架片的PK特性，以及需要使用法莫替丁作为临床标准以评估对体内pH的敏感性。虚拟试验模拟与临床研究结果均增加了选择具有控制微环境pH的的亲水性骨架片的信心，其相比IR片剂适度的降低了Cmax，而且在胃肠道上端的吸收变异性较小，同时持续溶出也维持了总暴露量（AUC0-∞）不变。
3. 总结
本研究说明开发合适的调释制剂可避免速释制剂Cmax过高导致的不良反应。设计了3种使Cmax降低且AUC保持不变的调释制剂。首先，通过体外、体内和计算机模拟的方法探究了BMS-914392从制剂中的溶出、在胃肠道中的吸收、药物完全溶出所需的时间以及胃排空和pH对PK特性的影响。接着，进行动物的PK研究，以确认PK参数达到了预期的目标。最后，临床PK结果以及搭建的吸收模型都说明了该制剂开发策略是成功的，并为了解BMS-914392 MR制剂的体内吸收与处置机制、胃pH值和患者的变异度对药代动力学特性的影响提供了指导。
由于BMS-914392在整个胃肠道中均可以被很好的吸收，因此亲水性骨架片和肠溶片都可降低Cmax。但肠溶片的包衣可能会因胃pH升高而受损，而可调控微环境pH的亲水性骨架片制剂（样品3）稳定的体内特性展现了明显的优势，它在接受法莫替丁的治疗或未治疗的受试者中的PK曲线基本一致。综上所述，通过BMS-914392的案例，采用体外、体内、计算机模拟和临床研究中获得的结果，可有效地优化和开发出具有商业价值的制剂处方。
4. 应用软件
该案例应用的软件是GastroPlus (version 8.5)，涉及模块有Base, ADMET Predictor, PKPlus.
参考文献
Good, D. J. et al., Mitigation of Adverse Clinical Events of a Narrow Target Therapeutic Index Compound through Modified Release Formulation Design: An in Vitro, in Vivo, in Silico, and Clinical Pharmacokinetic Analysis, Mol. Pharmaceutics. 2015,12(12), 4434–4444 IF: 4.396