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案例剖析 | PBPK模型在不同晶型原料藥制劑研發(fā)中的可行性

發(fā)布時間:2023-11-24
食物能夠影響人體胃腸道的生理環(huán)境,從而影響藥物的溶解性、溶出速率、吸收和藥動學(xué)。針對不同晶型的原料藥制劑,食物的影響也不盡相同。本文采用Gastroplus軟件,通過具體案例,探究食物對BCSII類原料藥生成的不同晶型制劑的影響。


材料

☆ 參比制劑:速釋片劑20mg,已上市
 原料藥:結(jié)晶形式
 仿制藥:Sandoz公司開發(fā),原料藥晶型為與二氧化硅形成的無定型態(tài),規(guī)格20mg,速釋片劑

 

體外溶出和理化性質(zhì)

 溶出方法:pH6.5 空腹狀態(tài)下的人工胃液(FaSSIF)介質(zhì)、槳法、1000ml、75rpm。 晶型(參比制劑)溶解度為0.07mg/ml;兩種原料藥在FeSSIF介質(zhì)中的溶解度分別為0.019mg/ml和0.011mg/ml



圖1 不同晶型原料藥理化性質(zhì)和藥動學(xué)參數(shù)

 

模型方法

將原料藥內(nèi)部、文獻數(shù)據(jù)、處方性質(zhì)(圖1),以及體內(nèi)藥動學(xué)參數(shù)(參考參比制劑空腹時的藥動學(xué)參數(shù))等數(shù)據(jù)輸入至GastroPlusTM軟件中,并調(diào)整小腸和結(jié)腸的流體體積,優(yōu)化模型。建立模型也經(jīng)過了內(nèi)部驗證(參比制劑結(jié)果)和外部驗證(仿制藥結(jié)果)。
 


圖2 模型建立的流程

 

該模型建立流程為:

  • 將原料藥性質(zhì)如分子量、溶解性、滲透性、溶出和全血血漿及PK參數(shù)(參考參比制劑空腹平均血藥濃度,3房室模型)輸入至Gastroplus軟件中。

  • 優(yōu)化小腸和空腸流體體積,使模型中Cmax和AUC值擬合

  • 采用空腹條件下參比制劑的結(jié)果進行內(nèi)部驗證

  • 采用空腹條件下仿制藥的結(jié)果進行外部驗證

  • 模擬餐后條件下血漿濃度(在軟件中改變生理條件)

  • 餐后條件下進行虛擬BE,預(yù)測食物影響

  • 評估餐后生物等效性預(yù)測
     

① Z-factor模型

軟件中體外溶出采用Z-factor模型;PK模塊的參數(shù)設(shè)定,參考空腹參比制劑的PK模型,模擬結(jié)果為三房室模型擬合結(jié)果較好,生物利用度40%;采用已確定的肝臟清除率、全血血漿比例、肝臟血流速度,計算首過效應(yīng)??崭範顟B(tài)下肝臟首過效應(yīng)為2.0%,餐后狀態(tài)下肝臟首過效應(yīng)為1.5%。
 

② 人體生理模型

對于軟件中構(gòu)建的人體生理模型,小腸和空腸體液體積,將小腸中的默認值由40%優(yōu)化為10%,將空腸的體液體積由23%優(yōu)化為0.5%。當模擬餐后狀態(tài),采用軟件中默認的餐后模型(Human-Physiology-Fed, Opt logD Model SA/V 6.1 ASF model)。

☆ 單劑量空腹模擬結(jié)果:

 


圖3 空腹狀態(tài)下單劑量觀測值和預(yù)測值對比

 

采用參比制劑的PK和體外數(shù)據(jù),建立模型,并采用該模型,進行內(nèi)部驗證,PE小于10%,符合FDA的指導(dǎo)原則。根據(jù)該原則,可以建立IVIVC。采用IVIVC模型,模擬每個處方,要求模擬的結(jié)果和實測值的PE不超過15%,該模型可以用于模擬仿制藥的血藥濃度。
 

仿制藥和參比制劑,因Z-factor值不同,模擬出在體內(nèi)的溶出速率也不同。采用該模型進行虛擬BE,結(jié)果表明仿制藥和參比制劑在空腹狀態(tài)下生物等效,Cmax的90%置信區(qū)間為91.262%-122.35%,AUC的90%置信區(qū)間為91.086%-119.68%。 

☆ 餐后模擬結(jié)果: 

 


圖4  餐后狀態(tài)下單劑量觀測值和預(yù)測值對比

 

上述開發(fā)的模型用于預(yù)測仿制藥和參比制劑在餐后狀態(tài)下的平均血藥濃度,預(yù)測的Cmax和AUC均比空腹條件下偏高,原因為在體內(nèi)溶出速率提高,由于胃腸道轉(zhuǎn)運時間提高及胃的流體體積增加。因藥物的溶解性不存在pH依賴性,不同的pH不影響溶出速率。 

采用上述模型,32例受試者進行虛擬BE試驗,仿制藥和參比制劑的Cmax和AUC均為80.00%-125.00%范圍內(nèi),兩者具有生物等效性。外部驗證的模型PE值小于10%。

 

☆ 餐后模擬結(jié)果:
 

Gastroplus軟件采用PBPK模型預(yù)測藥物在體內(nèi)的ADME(吸收、分布、代謝、消除)過程。該模型根據(jù)體外的數(shù)據(jù),用于處方早期開發(fā),基于不同處方的體外的性質(zhì),預(yù)測藥物在體內(nèi)的血藥濃度,為優(yōu)化處方做決策;比較仿制藥和參比制劑的差異,通過參數(shù)敏感性分析和確定關(guān)鍵參數(shù),建立IVIVC(體內(nèi)外相關(guān)性),判斷溶出標準,申請豁免,進行虛擬BE試驗等。
 

模型假設(shè)
 

建立模型過程中,相應(yīng)進行了假設(shè),如假設(shè)參比制劑原料藥為微粉化,仿制藥的無定型原料藥在儲存過程中無變化,兩個原料藥的水溶解性一致。在模型中加入原料藥和制劑在生物相關(guān)性介質(zhì)中的粒度和溶解度差異,將生物相關(guān)性介質(zhì)FaSSIF輸入模型中,仿制藥因為溶出較高,具有較高的Z-factor值。 

該模型不能預(yù)測仿制藥在空腹狀態(tài)下具有較短的Tmax(1h),可能由于一些個吸收較快導(dǎo)致。總體來說,觀測值Tmax為范圍,仿制藥和參比制劑的Tmax觀測值分別為0.5-6.0h和0.75-5.0h,預(yù)測值分別為4.4h和4.3h。仿制藥和參比制劑的觀測值Tmax的平均值分別為2.27h和2.41h。表明仿制藥和參比制劑觀測值和預(yù)測值,兩個制劑趨勢一致。 

該模型也假設(shè)胃中無吸收,對于大多數(shù)的化合物,胃中的吸收可以忽略,但并不包含在GastroplusTM默認模型中。模型開發(fā)過程中,增加了胃吸收,但Tmax仍沒有提高。說明藥物進入十二指腸后,依然存在藥物的溶解過程,因為溶出是緩慢并且是不完全的,限制了藥物的吸收,當藥物最大程度上溶解,會得到最高的血藥濃度。該過程發(fā)生在4h,而體內(nèi),在一些個體中,溶解性會更快,Tmax較短。 

藥動學(xué)參數(shù)采用空腹的BE數(shù)據(jù),PK-PlusTM模塊,擬合3房室模型,選擇3房室模型為PK藥動學(xué)參數(shù)。因BCSII類藥物,無IV(靜脈)數(shù)據(jù),并且無溶液在體內(nèi)的吸收數(shù)據(jù),也沒有絕對生物利用度。因無未溶解藥物的總量、無首過效應(yīng)數(shù)據(jù)和藥物肝腸循環(huán)數(shù)據(jù)?;谫|(zhì)量平衡研究,藥物服用后,36%劑量在尿液中檢測到,61%劑量在糞便中檢測到?;谠摂?shù)據(jù),假設(shè)生物利用度至少為40%。考慮到較低的生物利用度,模型對于溶出更為敏感。 

優(yōu)化模型后,小腸和空腸的體液體積從40%和10%,優(yōu)化為23%和0.5%,使觀測值和預(yù)測值相擬合。上述參數(shù)也用在餐后狀態(tài)下。

對于不同晶型食物的影響


對于預(yù)測不同晶型的藥動,需要將不同晶型的數(shù)據(jù)納入至模型中去,如水溶性、FaSSIF和FeSSIF的溶解性和溶出曲線、粒徑等。當然我們也有不知道的數(shù)據(jù),如參比制劑的粒徑的數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)均有可能會影響藥物在體內(nèi)的吸收,我們決定采用Z-factor模型用于代表不同晶型的體外溶出模型。 

模型開發(fā)好之后,用軟件中默認的餐后狀態(tài),進行不同晶型的模擬。該模型模擬結(jié)果為,食物能夠促進藥物吸收,即Cmax和AUC均有所提高,當然這也是BCSII類藥物的共性,因為食物使胃腸道轉(zhuǎn)運時間增加,增加了血流提及和藥物的溶解度,更多的藥物被溶解和吸收。 

 

總結(jié)

上述研究中,建立PBPK模型預(yù)測仿制藥和參比制劑食物的影響,并進行虛擬BE,因不同晶型原料藥性質(zhì)不同,將不同原料藥性質(zhì)輸入至模型中,如水溶性、粒徑、體外溶出、FaSSIF和FeSSIF溶解性。這些參數(shù)也會影響餐后的模擬結(jié)果,我們必須要明智選擇這些參數(shù)。

 

新領(lǐng)先研究模型建立

北京新領(lǐng)先醫(yī)藥科技有限公司擁有國內(nèi)首個體內(nèi)外橋接(IVIVR)平臺,以及文中提及的Gastroplus軟件,小編參考該文獻數(shù)據(jù),進行模擬,與文獻對比值如下:
 


圖5 新領(lǐng)先計算結(jié)果與文獻結(jié)果對比-空腹狀態(tài)


圖6 新領(lǐng)先計算結(jié)果與文獻結(jié)果對比-餐后狀態(tài)

 

新領(lǐng)先參考文獻值進行建模和模擬兩個制劑的PK參數(shù),Cmax和AUC采用單位分別為ug/ml和ug*h/ml,而文獻中兩個參數(shù)采用的單位分別為ng/ml和ng*h/ml,無論空腹和餐后,新領(lǐng)先預(yù)測Cmax和AUC與文獻值報道無顯著性差異。 
 

因新領(lǐng)先無文獻中提及的觀測值,因此無法比較觀測值和預(yù)測值的誤差(PE)。文獻中也提及預(yù)測值Tmax較長,新領(lǐng)先模擬的結(jié)果也體現(xiàn)出Tmax較長,該現(xiàn)象可能由于原料藥溶解性較差,藥物進入腸道中仍會有溶解和吸收。 
 

參考文獻數(shù)據(jù),仿制藥的Z-factor數(shù)據(jù)為0.131,參比制劑Z-factor值為0.205,模擬經(jīng)驗Z-factor值越高,模擬結(jié)果越高,即參比吸收要比仿制藥好,新領(lǐng)先模擬結(jié)果具有該趨勢。可能由于模型中數(shù)據(jù)缺乏,我方模擬趨勢與文獻趨勢相反。 
 

無論空腹和餐后狀態(tài),仿制藥和參比制劑虛擬BE試驗均生物等效,表明原料藥晶型變更后,雖然原料藥特性有所變化,但均能實現(xiàn)與仿制藥生物等效。該模擬結(jié)果與文獻報道一致。
 

-END-

 

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