【综述与讲座】药代动力学研究在经口吸入制剂生物等效性评价中的应用进展

摘要 经口吸入制剂在哮喘和慢性阻塞性肺疾病的药物治疗中有着举足轻重的地位和极大的临床需求。开发与原研药具有相同的有效性、安全性且更为经济的国产仿制药，有助于解决药品的可及性问题，也能极大减轻国家的公共卫生负担。经口吸入制剂是一类药械组合复杂制剂，且具有药物递送和局部作用的特殊性，仿制药的开发及注册难度大。目前美国食品药品监督管理局（Food and Drug Administration，FDA）、加拿大卫生部（Health Canada，HC）、欧洲药品协会（European Medicines Association，EMA）以及我国国家药品监督管理局（National Medical Products Administration，NMPA）所推荐的经口吸入制剂生物等效性评价方法不尽相同，均认为药代动力学研究可评价经口吸入制剂在人体内的全身暴露（安全性），但对于其在肺部沉积（有效性）研究中的作用尚未达成共识，原因是经口吸入制剂的疗效不仅由其肺部沉积量决定，还与肺部沉积区域有关。但相比于药效学/临床终点研究，药代动力学研究在评价制剂间的潜在差异上更灵敏更经济。本文主要对经口吸入制剂生物等效性研究的国内外指导原则和评价方法进行比较，并对药代动力学研究的试验设计及其在肺部沉积研究中的应用进展进行介绍。

关键词 经口吸入制剂；生物等效性；药代动力学研究；药品监管机构

经口吸入制剂（orally inhaled drug products，OIDPs）是一类包括粉雾剂、气雾剂和雾化溶液等剂型，通常与吸入装置例如干粉吸入器（dry powder inhaler，DPI）、定量吸入器（metered dose inhaler，MDI）、雾化器等组成特殊的给药系统，通过口腔吸入后局部作用于呼吸道和/或肺部的制剂（发挥全身作用的吸入制剂如吸入用抗生素、胰岛素等则不在本文讨论范围内），主要分为吸入性支气管扩张剂和吸入性皮质类固醇（inhaled corticosteroids，ICS）两大类，是缓解和控制哮喘和慢性阻塞性肺疾病（chronic obstructive pulmonary disease，COPD）发作的标准治疗药物 。

哮喘和COPD是全球范围内十分常见的慢性呼吸系统疾病，不仅严重影响患者的生命健康和生活质量，也给家庭和社会带来沉重的经济负担 。近年，中国肺部健康（China Pulmonary Health，CPH）流行病学研究表明，2015年我国20岁及以上成年人中，有4 570万哮喘患者（总患病率为4.2%），而疾病控制率仅为15.6% ；COPD患者人数接近1亿人（总患病率达到8.6%），而在40岁以上的人群中，COPD患病率更是高达13.7%，但仅有2.6%的患者知晓自身疾病 。由此可见，哮喘和COPD是我国当前面临的极为严峻的公共卫生问题之一，其特点是患者基数大，疾病负担重，对质量和疗效可靠的OIDPs药物有着相当大的临床需求。因此，开发安全、有效、低成本的OIDPs国产仿制药不仅可以使广大患有哮喘和COPD的人群受益，还有助于解决OIDPs的药品可及性问题，同时能够减轻国家的公共卫生负担。为了评价OIDPs仿制药品（受试制剂）的有效性和安全性，需要进行仿制药品和原研药品（参比制剂）的生物等效性（bioequivalence，BE）研究。然而，由于OIDPs属于药械组合复杂制剂，技术壁垒高、仿制难度大，加之目前对其BE研究的评价体系不完善，给我国OIDPs仿制药的开发及注册带来极大的挑战 。根据我国国家药品监督管理局（National Medical Products Administration，NMPA）官网显示的信息，目前获批上市的OIDPs国产仿制药屈指可数，但另有数个品种的仿制药正在进行BE研究。

OIDPs药物的BE研究主要包括体外研究、人体药代动力学（pharmacokinetics，PK）研究和药效学（pharmacodynamics，PD）/临床终点（clinical endpoint，CE）研究 。然而由于OIDPs药物的体外体内相关性（in vitro-in vivo correlation，IVIVC）目前尚未建立，体外研究并不能准确预测药物在肺部和口咽部的沉积情况，因此仅凭体外数据评价OIDPs药物BE的依据尚不充分 。另外，寻找灵敏的、可重复的、临床相关的生物标志物用于PD/CE研究，也是一项十分困难的工作 。因此，进行灵敏的、能准确区分不同制剂间潜在差异的PK研究，对于OIDPs药物的BE评价非常重要 。本文综述了国内外药品监管机构关于OIDPs药物BE研究的指导原则和评价方法，重点讨论了PK研究在其中发挥的作用。

由于OIDPs药物递送和局部作用的特殊性，药物的全身暴露量与药物疗效无直接相关性 ，并且大多数吸入性药物都是将制剂和吸入装置整合在一起，组成较为复杂的给药系统，给国内外药品监管机构建立适当的OIDPs药物BE评价方法带来了相当大的挑战 。目前，美国食品药品监督管理局（Food and Drug Administration，FDA）、加拿大卫生部（Health Canada，HC）和欧洲药品协会（European Medicines Association，EMA）分别发布了各自关于局部作用OIDPs仿制药BE研究的指导原则（或草案） ，而我国NMPA也于2019年起草了OIDPs药学和人体BE研究指导原则的征求意见稿 。Tab.1总结了国内外药品监管机构对OIDPs药物BE研究的总体要求，并对其异同点进行了比较。

为了充分评价OIDPs受试制剂与参比制剂的一致性，FDA提出了使用“证据权重法（weight-of-evidence approach）”的研究方法来进行OIDPs药物的BE评价（如Fig.1A所示），即进行（1）处方和装置的评价以及体外研究；（2）安全性研究：全身暴露PK研究；（3）有效性研究：PD/CE研究，需证明受试制剂与参比制剂满足以上所有研究的等效性标准 。HC和NMPA推荐的评价方法与“证据权重法”相似。但同时NMPA提出，在受试制剂与参比制剂体外药学质量一致的前提下，如果能进行充分的研究证实PK和局部递药等效性之间具有线性关系，可以仅通过PK研究评价两制剂的体内BE 。因此，根据NMPA的建议，凭体外研究和体内PK研究的数据而无需进行PD/CE研究即建立起OIDPs药物的BE是有可能实现的。

FDA推荐的评价方法非常全面，但增加了OIDPs药物BE研究的测试负担和批准难度 。与之不同的是，EMA提出了“逐步法（stepwise approach）”的评价方法（如Fig.1B所示）：（1）体外研究（包括对处方和装置的评价）；（2）肺部沉积试验（成像研究或通过阻断胃肠道吸收的PK研究）和全身暴露PK研究；（3）PD/CE研究。首先进行第一步体外研究，如果制剂满足所有的体外评价标准，则无需进行任何体内研究。否则，则需进行第二步研究：通过肺部沉积试验评价受试制剂与参比制剂的有效性，以及利用全身暴露PK研究评价两制剂的安全性。如果肺部沉积试验不能证明两制剂具有相同的有效性，则需进行第三步PD/CE研究 。根据EMA的指导原则，理论上仅需满足上述三步研究中任何一步的等效性标准即可建立OIDPs药物的BE 。

在体外研究中，常使用级联撞击器（cascade impactor，CI）来描述OIDPs药物的空气动力学粒径分布（aerodynamic particle size distribution，APSD），以期预测药物的呼吸道和肺部沉积情况 。但CI作为一种质量控制工具，并不能有效地模拟肺部的生理状况。因其缺乏更加真实的气流变化以及忽略了黏液纤毛清除机制的影响，CI研究并不能准确预测OIDPs药物的体内特征 。因此，由于目前尚缺乏IVIVC，仅凭体外研究数据建立OIDPs药物的BE并没有被国内外药品监管机构广泛接受 。

在PD/CE研究中，需要使用临床相关的、灵敏的、可重复的生物标志物进行OIDPs药物剂量-效应关系的证明，以评价受试制剂与参比制剂的治疗等效性 。然而一些OIDPs药物（特别是ICS），由于在临床使用剂量范围内的剂量-效应曲线趋于平坦，目前尚缺乏灵敏的生物标志物，因此难以检测出制剂间的潜在差异 。另外，PD/CE研究通常采用四周期、四处理或者包含数周安慰剂导入期和治疗期的试验设计，且为了达到足够的检验效能，需要纳入上百名目标适应症患者，增加了BE研究的难度和成本 。

与PD/CE研究相比，PK研究能够量化药物经制剂释放吸收进入循环系统的速度和程度，对不同制剂间的微小差异更为灵敏、更具区分力，对受试者数量的要求也低于PD/CE研究，因此更适合用于体内BE评价 。全身暴露PK研究能够间接反映OIDPs药物吸入后经胃肠道和肺部吸收途径进入血液的总体暴露情况，可用于受试制剂与参比制剂的安全性评价。在特殊情况下，例如药物的口服生物利用度极低以至于其胃肠道吸收对全身暴露的影响可忽略不计，全身暴露PK研究也可用于两制剂的有效性评价 。EMA认为，经适当设计从而阻断胃肠道吸收途径的PK研究（肺部沉积PK研究）还能够间接反映药物在肺部沉积的有效剂量、停留时间等情况（但是难以提供药物在肺部沉积的区域分布信息），可用于两制剂的有效性评价 。因此，PK研究在OIDPs药物的BE评价中发挥着极为重要的作用，可以用于评价参比制剂与受试制剂的安全性和有效性 。

2.1 全身暴露药代动力学研究

FDA、HC、EMA和NMPA的指导原则均将全身暴露PK研究作为评价受试制剂和参比制剂安全性等效的首选研究方法，但在试验设计方面又各有差异。Tab.2总结了各药品监管机构推荐的全身暴露PK研究方法；Tab.3总结了已发表文献中有关不同类型OIDPs的全身暴露PK研究方法。主要对研究设计、给药剂量、受试者选择、BE评价指标及接受标准四个方面进行了比较。

在全身暴露PK研究的试验设计方面，国内外药品监管机构的指导原则提供的信息非常有限。FDA和NMPA推荐在空腹条件下进行单次给药、交叉研究，给药剂量上推荐使用敏感的分析方法足以表征PK特征的最小吸入量 ；HC推荐使用剂量范围上限（即成人最大推荐剂量）的单次给药研究 ；而EMA推荐使用临床相关的剂量和规格进行单次给药、交叉、双盲研究 。现结合国内外药品监管机构颁布的BE指导原则和相关的PK研究文献，对OIDPs药物全身暴露PK的试验设计进行讨论。

1）随机化和盲法  随机化原则是临床试验研究设计的基本原则之一。在对受试者进行选择和分配时，通常将随机化与盲法相结合，有助于避免因处理分组的可预测性而产生的偏倚 。在设盲水平上，NMPA、FDA和HC并没有提出要求，而EMA推荐采用双盲法，即要求研究者、受试者及其他试验相关人员对研究的处理分组均处于盲态。然而考虑到要实现双盲的目的，一般需要实施双模拟设计，且在用药方式上受试制剂和参比制剂应保持一致，这对于需要通过吸入装置给药的OIDPs药物而言通常并不容易操作 。因此，多数OIDPs药物的PK研究仍采用了开放设计（如Tab.3所示），但需注意的是，受试者分配入组的随机性不应受开放设计的影响。研究应采取一些具体措施使偏倚最小化，例如使用中央随机化分组方法，以及参与有效性和安全性评价的研究人员应尽可能处于盲态等 。例如，在一项异丙托溴铵MDI的PK-BE研究中，即使采用的是开放试验设计，但负责生物样本分析的检测人员在分析完成之前无法获知受试者的随机化分组信息 。

2）给药剂量和检测限  一般认为，单次给药PK研究在评价药物释放的速度和程度方面比多次给药稳态PK研究的方法更加灵敏，更易于发现不同药物制剂间的潜在差异 ，因此各药品监管机构均推荐使用单次给药的研究设计。但对于研究人群是正在进行药物治疗，且治疗不可间断的患者（例如一项沙美特罗/氟替卡松的PK、PD、有效性和安全性研究纳入的受试者为中度、持续性哮喘患者 ）时，出于安全性考虑，可在多次给药达稳态后进行PK研究 。对许多OIDPs药物而言，在使用较低的临床给药剂量情况下，药物浓度有时会位于最低定量下限的边缘，从而显示出较大的变异性 。为了克服检测的限制，除了需要使用更加灵敏的分析方法外，PK研究通常会适当地增加给药剂量，但一般不应超过参比制剂的成人最大推荐剂量，同时需注意由此可能造成的全身不良反应风险的增加 。

3）研究人群和受试者数量  对于受试者的选择问题，NMPA、FDA和HC建议纳入健康受试者，原因是健康人群的变异性低于目标适应症患者人群，更容易检测到制剂间的潜在差异，且不需考虑肺功能受损对药物递送和沉积的影响，具有更大的全身暴露 。而EMA推荐在目标适应症患者人群中进行研究，以便了解OIDPs药物在真实使用条件下的安全性，然而目前同样接受以健康受试者为研究人群的PK研究 。因此在大多数情况下，在健康人群中进行的PK研究被认为足以区分制剂间的差异，并允许将结果外推到参比制剂被批准用于的预期人群 。在交叉设计研究中，受试者数量的计算应充分考虑检验水准、检验效能、PK参数的个体内变异、受试者脱落、几何均值比和等效性界值等因素，确保入选的受试者数量使BE评价具有足够的统计学效力 。我国药典（2015版）规定，在一项以健康受试者为研究人群的交叉设计PK-BE研究中，最终可用于BE评价的受试者数量不应少于18名 。而在其他因素不变的情况下，随着个体内变异的增加，BE研究所需受试者数量也会相应增加 。在一项福莫特罗/布地奈德的非重复交叉设计PK-BE研究（采用平均生物等效性评价方法）中，预实验的结果显示，在轻中度哮喘患者人群中PK参数C _max （布地奈德）的个体内变异约为34%，考虑到5%的I类错误率和至少80%的检验效能，经普遍接受的统计学方法计算，正式试验的受试者数量应达到99名，再以15%的脱落率计算，最终此项研究共纳入了115名受试者 。

4）给药操作  研究者和受试者应严格遵循预先制定的吸入给药标准操作规程 。在给药之前，有时需要在远离受试者的准备室进行吸入器的预喷 ，例如使用MDI前可向玻璃容器（烧杯、锥形瓶）或自封袋中预喷数揿；给药时，受试者应使用鼻夹并保持直立坐姿，按照研究者的指令规范地吸入药物；每位受试者均应在规定的时间范围内完成给药，且受试者间应保持相同的给药间隔；给药后，受试者应充分漱口并将漱口水全部吐出 。需要注意的是，在使用非呼吸操作（标准）MDI时，最重要的是驱动和吸气的协调，受试者应在装置驱动的同时缓慢深吸气 ；而在使用具有较高流速依赖性的DPI时，受试者需要快速而有力地深吸气 。为了降低因吸入操作造成的全身暴露差异，确保相对一致的吸气流速和吸气时长，可使用含安慰剂的吸入器进行吸入技术训练，同时使用肺功能仪或峰流速仪测量最大吸气流速（peak inspiratory flow rate，PIFR）等关键参数 。例如，在一项布地奈德DPI的PK-BE研究中，通过使用含安慰剂的吸入器和峰流速仪（Vitalograph ^® ）进行吸入技术培训，使得受试者在使用都保（Turbuhaler ^® ）时的PIFR均值达到61 L/min（目标PIFR为60 L/min），使用茜乐（Easyhaler ^® ）时的PIFR均值达到46 L/min（目标PIFR为45 L/min），从而确保两种DPI的压差（4 kPa）基本一致 。

5）BE评价指标及接受标准  与一般的PK研究相同，国内外各药品监管机构的指导原则和大多数已发表文献（如Tab.3所示）均将PK参数AUC和C _max 作为OIDPs药物BE的主要评价指标。研究通常采用平均生物等效性（average bioequivalence，ABE）评价方法，如果AUC和C _max 的几何均值比值（T/R）的90%CI均在80.00%~125.00%范围内，则认为受试制剂和参比制剂在全身暴露即安全性方面具有等效性。

2.2 肺部沉积药代动力学研究

与口服制剂不同，OIDPs药物的递送和预期作用部位是在呼吸道和/或肺部，位于体循环的上游 。并且，OIDPs药物吸入后仅有一部分（给药剂量的10%~30% ）能够沉积在肺部，还有部分药物在口咽部沉积，一旦被吞咽后可能会经胃肠道进入体循环，此时吸收进入血液的药物不仅来源于肺部，还可能包括胃肠道 。因此，仅通过全身暴露PK研究有时并不能准确反映药物的肺部沉积情况。

为了评价OIDPs药物在肺部的有效性，除了FDA等药品监管机构推荐的PD/CE研究外，EMA提出可通过成像研究（能够提供药物在肺部沉积的区域分布信息，但不能单独作为BE评价方法）和阻断胃肠道吸收的PK研究来进行肺部沉积试验 ，以获得药物的肺部有效剂量、停留时间和区域沉积等信息。对于胃肠道吸收可忽略不计或通过有效的方法阻断其吸收的OIDPs药物而言，进入体循环的药物可认为完全来自于肺部吸收途径，此时PK研究能够间接反映药物的肺部有效剂量和停留时间 。与成像研究相比，PK研究虽然在量化药物的肺部区域沉积上缺乏区分力，但更易于操作、更加安全（无放射性）、也不会因放射性核素标记而造成制剂药学特性上的改变 ，因此有着更为广泛的应用。

对于口服生物利用度很低以至于胃肠道吸收可忽略不计的OIDPs药物（如口服生物利用度约为1%的氟替卡松 ）而言，通过肺部吸收到达血液的药物量与药物的全身暴露量基本相当，只需进行一项PK研究足以评价受试制剂与参比制剂的有效性和安全性 。对于多数胃肠道吸收对全身暴露有影响的OIDPs药物而言，如何将其肺部吸收与胃肠道吸收进行有效的区分是进行肺部沉积PK研究的关键 。EMA推荐使用活性炭阻断胃肠道吸收，使得经此途径进入体循环的药物量可忽略不计 ，以此评价受试制剂与参比制剂的有效性（还需进行一项全身暴露PK研究以评价安全性）。其中，如果OIDPs药物的胃肠道吸收明显迟于肺部吸收，部分药物的血药浓度-时间曲线很可能显示出双吸收峰 ，第一个峰通常出现在给药后10~20 min，可认为这部分暴露量仅与药物的肺部吸收有关，因此可用AUC _0-0.5h 作为反映药物肺部有效性的替代指标（AUC _0-t 反映安全性） 。在这种情况下，只需进行一项不使用活性炭阻断的PK研究足以评价受试制剂与参比制剂的有效性和安全性 。

肺部沉积PK研究的试验设计与全身暴露PK研究大体相同，最大的区别之处在于给药前后有无活性炭的使用。研究表明，活性炭可以阻止大多数存在于胃肠道的药物的吸收，而不受其理化性质的影响，在成人急性中毒解救中的使用剂量达到50 g而有着较好的安全性和耐受性 ，因此被广泛应用于药物或化学制剂过量的临床管理 。在分别于2010年和2014年举行的两次以OIDPs药物为讨论主题的国际研讨会上，对于口服生物利用度可测的OIDPs药物，使用活性炭来阻断胃肠道吸收以进行肺部沉积PK研究的方法得到了来自世界各地制药行业、学术界和药品监管机构参会专家的一致认可，关键在于如何确保炭阻断的充分性以及如何对其阻断效果进行必要的验证 。Tab.4汇总了使用活性炭并对其阻断效果进行验证的OIDPs药物PK或生物利用度研究。Fig.2对上述研究所采用的给炭方案及其阻断效果进行了比较。然而，多数OIDPs药物的肺部沉积PK研究仅是参考了其他研究采用的给炭方案，并未对其阻断效果进行验证，如Tab.5所示。