藥物制劑學(xué)中數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法應(yīng)用的研究綜述

秦秉杰

(山西藥科職業(yè)學(xué)院,山西 太原 030031)

引言

藥物制劑研究旨在通過合理的試驗(yàn)設(shè)計(jì)(Design of Experiments,DoE)進(jìn)行系統(tǒng)的處方與工藝篩選,找到影響處方和工藝的關(guān)鍵變量以及這些變量的變化范圍,并由此建立藥品質(zhì)量體系(Product Quality System,PQS)[1]。

在藥品質(zhì)量體系建立的過程中,需要全面地研究影響藥物成品質(zhì)量的各種處方和工藝參數(shù),以及其交互作用。數(shù)理統(tǒng)計(jì)在整個(gè)過程中發(fā)揮了非常重要的作用,具體體現(xiàn):一是為了盡可能以最少的實(shí)驗(yàn)次數(shù)獲得處方篩選與工藝優(yōu)化實(shí)驗(yàn),利用統(tǒng)計(jì)學(xué)對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,確立關(guān)鍵工藝參數(shù);二是處方篩選與工藝優(yōu)化實(shí)驗(yàn),利用統(tǒng)計(jì)學(xué)對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,確立關(guān)鍵工藝參數(shù);三是對制劑進(jìn)行質(zhì)量控制,從而得到安全、有效、穩(wěn)定的藥物制劑。在制劑研究中有大量的數(shù)據(jù)資料需要搜集、整理與分析,數(shù)理統(tǒng)計(jì)對藥劑學(xué)研究與實(shí)踐具有重要意義。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法的選擇

制劑研究需要選擇合適的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行處方篩選與工藝優(yōu)化,而合適的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法可以大大減少試驗(yàn)次數(shù),縮短試驗(yàn)周期,更好地獲得最優(yōu)處方或工藝。常用的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法有正交設(shè)計(jì)法、均勻設(shè)計(jì)法、析因設(shè)計(jì)法、Box—Behnken響應(yīng)面法等。

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法是制劑研究中常用的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法。其采用正交表安排試驗(yàn),通過有代表性的實(shí)驗(yàn)結(jié)果來反映整體試驗(yàn)情況[2]。正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法綜合考慮了各個(gè)因素的影響,具有“均勻分散、整齊可比”的特點(diǎn),但其一般只適用于水平數(shù)≤5的試驗(yàn)。

均勻試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法與正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法相比,其只考慮“均勻分散”性,而忽略“整齊可比”性,使得實(shí)驗(yàn)點(diǎn)均衡分散在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi),從而以更少的試驗(yàn)次數(shù)代表全面實(shí)驗(yàn)。均勻試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法適用于水平數(shù)較多的試驗(yàn)。

析因試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法綜合考慮多變量系統(tǒng)里各個(gè)元素的影響力以及各元素之間交互作用,通過析因?qū)嶒?yàn),找出多變量系統(tǒng)中的關(guān)鍵參數(shù)及其交互作用。析因試驗(yàn)設(shè)計(jì)適用于多因素的交叉分組試驗(yàn)。

Box—Behnken響應(yīng)面法在析因試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)上加上星點(diǎn)和中心點(diǎn)設(shè)計(jì),通過多因素響應(yīng)面分析,更精準(zhǔn)地?cái)M合多變量系統(tǒng)中的關(guān)鍵參數(shù)及其交互作用。Box—Behnken響應(yīng)面法適用于多因素非線性關(guān)系的研究。

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法與均勻試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法在制劑處方篩選與工藝優(yōu)化中有廣泛的應(yīng)用。如王敬偉等[3]采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法對蘭索拉唑片進(jìn)行處方篩選,通過對三種崩解劑(預(yù)膠化淀粉、交聯(lián)羧甲基纖維素鈉、羧甲淀粉鈉)及其用量、三種增溶劑(十二烷基硫酸鈉、聚山梨酯-80、泊洛沙姆)及其用量進(jìn)行四因素三水平的正交試驗(yàn),以溶出度為判斷指標(biāo),確定蘭索拉唑片芯的處方組成。在確定蘭索拉唑片芯處方組成后,作者進(jìn)一步采用均勻試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法對處方進(jìn)行優(yōu)化。通過對羧甲基淀粉鈉與微晶纖維素的用量進(jìn)行均勻試驗(yàn)設(shè)計(jì),以溶出度為判斷指標(biāo),最終確定優(yōu)化處方。

Martin Hagedorn等[4]采用析因試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法對利用雙重離心-納米研磨機(jī)制備非諾貝特納米混懸劑進(jìn)行處方篩選。通過對三種聚合物及其用量、三種表面活性劑及其用量進(jìn)行析因試驗(yàn),繪制等值線圖,篩選出最優(yōu)的藥物活性成分/聚合物/表面活性劑體系。

Ehsan Nourafkan等[5]采用Box—Behnken響應(yīng)面法評價(jià)三個(gè)變量對反向微乳液處方的影響。通過對變量pH、司盤80和吐溫80混合物中司盤80百分比、環(huán)己烷與丙醇混合物中丙醇百分比進(jìn)行Box—Behnken (33) 試驗(yàn)設(shè)計(jì),研究其對液滴平均粒徑大小與多分散系數(shù)的影響。通過ANOVA分析篩選出反向微乳液的最優(yōu)處方。

2 處方篩選與工藝優(yōu)化數(shù)據(jù)分析

在選用合適的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行處方篩選與工藝優(yōu)化實(shí)驗(yàn)研究后,所得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)需要經(jīng)過合理的統(tǒng)計(jì)分析,從而推斷出各因素的最佳水平或最佳方案。

采用正交設(shè)計(jì)法所得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),可以通過直觀分析或統(tǒng)計(jì)分析方法分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果,推斷出各因素的最佳水平。采用均勻試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法所得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果沒有整齊可比性,分析結(jié)果不能采用一般的方差分析,需要采用多元回歸分析,或者逐步回歸分析法進(jìn)行分析,推斷出最佳方案。

胡一橋等[6]在胰島素聚乳酸微球處方篩選過程中,以微球的形成與否為判斷指標(biāo),先后對乳化溫度、溶劑揮發(fā)溫度與乳化劑、油相進(jìn)行正交試驗(yàn)設(shè)計(jì),通過直觀的觀察微球的形成情況來對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行判斷,從而得到聚乳酸微球的最佳處方組成。在確定胰島素聚乳酸微球的處方組成后,作者進(jìn)一步采用均勻試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法與逐步回歸分析法進(jìn)行制備工藝的優(yōu)化。均勻試驗(yàn)設(shè)計(jì)與逐步回歸分析得到逐步回歸方程,推斷出最佳方案。

C. Tuba Sengel-Turk等[7]利用兩因素三水平的析因試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法對脂質(zhì)體聚合物微粒進(jìn)行處方篩選。利用Design Expert R 6.0.8 軟件對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),并做回歸分析,研究各變量的影響以及各變量之間的交互作用。利用反應(yīng)曲面圖可以直觀地看出各變量的影響以及最優(yōu)處方。

Martin Hagedorn等利用析因試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法對非諾貝特納米混懸劑進(jìn)行處方篩選。利用MODDE 11軟件對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,繪制等高線圖,直觀地看出各變量對指標(biāo)的影響,篩選出基于藥物活性成分、聚合物、表面活性劑的最優(yōu)藥物制劑處方。

Ehsan Nourafkan等利用Box—Behnken響應(yīng)面法對反向微乳液進(jìn)行處方篩選。利用Minitab軟件對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,繪制3D響應(yīng)面圖,直觀地看出兩兩變量對指標(biāo)的影響,并聯(lián)合ANOVA分析篩選出反向微乳液的最優(yōu)處方。

3 質(zhì)量控制

藥品必須滿足相應(yīng)的質(zhì)量要求,才能成為合格的商品。緩控釋制劑的質(zhì)量評價(jià)與常規(guī)劑型的質(zhì)量評價(jià)相似,如外觀、原料藥含量測定、藥物穩(wěn)定性、溶出度等,但由于緩控釋制劑需要按程序設(shè)計(jì)定時(shí)定量的輸出活性成分,這使得其體外釋放速率與體內(nèi)吸收速率的檢測更為重要,因此其還需要檢測釋放度、藥物的體內(nèi)生物利用度和生物等效性評價(jià)和體內(nèi)外相關(guān)性評價(jià)等方面[8]。

在藥品質(zhì)量評價(jià)過程中,數(shù)理統(tǒng)計(jì)扮演了非常重要的角色。以緩控釋制劑為例,數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法在質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)管理中的作用主要體現(xiàn)在:一是通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理,反映客觀現(xiàn)象規(guī)律。在體外釋放度評價(jià)過程中,藥物的釋放數(shù)據(jù)一般可采用零級方程、一級方程、Peppas方程等進(jìn)行擬合,從而判斷制劑的釋藥機(jī)制。二是比較兩件事物之間的顯著性差異。在緩控釋制劑的體內(nèi)生物利用度和生物等效性評價(jià)過程中,需要確定受試制劑與參比制劑在單次給藥后的吸收速度、吸收程度的生物等效性,確定受試制劑與參比制劑在多次給藥后的吸收程度、穩(wěn)態(tài)血藥濃度、波動情況有無顯著性差異,以及對各藥物動力學(xué)參數(shù)的計(jì)算。三是對一件事物的兩種性質(zhì)之間的關(guān)系進(jìn)行分析,如相關(guān)性研究。在緩控釋制劑的體內(nèi)外相關(guān)性評價(jià)過程中,需要建立藥物體外釋放特征(藥物溶出度)與體內(nèi)藥代動力學(xué)過程(藥物體內(nèi)吸收速度與程度)之間的定量關(guān)系。

4 結(jié)論

綜上所述,數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法參與了藥物制劑研究的整個(gè)流程中,具體體現(xiàn)在:一是科學(xué)合理的選擇試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法,盡可能以最少的實(shí)驗(yàn)獲得最全面可靠的信息;二是分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),找出影響事物變化的主要因素,從而在處方篩選與工藝優(yōu)化中選出最優(yōu)方案;三是對事物特征進(jìn)行客觀描述,并對事物之間的差異或者相關(guān)性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析[9],從而對制劑進(jìn)行質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)管理,得到安全、有效、穩(wěn)定的藥物制劑。數(shù)理統(tǒng)計(jì)在醫(yī)藥研究的各個(gè)領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用,正確熟練的掌握數(shù)理統(tǒng)計(jì)對醫(yī)藥領(lǐng)域的研究和實(shí)踐具有指導(dǎo)意義。