平行人工膜滲透模型在經(jīng)皮給藥系統(tǒng)藥物滲透性篩選中的應用進展 Δ

宋三孔，白銀亮，梁建娣 （蘭州大學第二醫(yī)院藥劑科，蘭州 730030）

皮膚病現(xiàn)已成為一種全球性疾病，其發(fā)病率和復發(fā)率居高不下，嚴重影響人們的健康和生活質(zhì)量。2019年，皮膚病成為全球第七大導致殘疾生存年升高的疾病。2009－2019年，雖然我國因皮膚病造成的健康壽命損失年逐年下降，但皮膚病引起的全年齡段傷殘調(diào)整生命年和殘疾生存年卻一直在逐年增長[1]。開發(fā)用于治療皮膚疾病的藥物顯得尤為重要。經(jīng)皮給藥系統(tǒng)（transdermal drug delivery systems，TDDS）是該領(lǐng)域藥物研發(fā)經(jīng)常會涉及到的一個重要系統(tǒng)，TDDS藥物可以按一定的速度透過皮膚，經(jīng)毛細血管吸收進入體循環(huán)而到達作用部位，進而產(chǎn)生局部或全身療效。TDDS的優(yōu)勢在于其可以避免口服給藥引起的胃腸道刺激和肝臟首過效應，使藥物以穩(wěn)定的速度直接進入血流，保持恒定的血藥濃度；還可隨時中斷治療，提高患者用藥的順應性和安全性。

在TDDS藥物篩選中，常見的體外透皮試驗（in vitro permeation test，IVPT）包括傳統(tǒng)Franz擴散池法、浸沒池法和流通池法。其中，F(xiàn)ranz擴散池法目前應用最多，該法常用的離體皮膚包括人體、家兔、裸鼠、豬等的皮膚，可用于測定藥物的透皮速率-時間曲線[2]。這也是我國及國外評價TDDS藥物滲透性的“金標準”。但該模型存在藥物篩選效率低、成本高、離體皮膚不易獲得、可靠性差等問題，TDDS藥物研制工作量大，亟須尋求高通量、性能穩(wěn)定的藥物篩選模型，進而在大量的藥物分子中迅速找到治療皮膚疾病的安全、有效的單個潛在藥物分子。Ottaviani等[3]在2006年首次將平行人工膜滲透（parallel artificial membrane permeation assay，PAMPA）模型用于TDDS藥物吸收的測試研究。PAMPA模型以人工磷脂作為生物膜來模擬藥物的跨膜屏障，用于研究藥物的膜滲透性能。目前，PAMPA模型雖還未被列入官方推薦的皮膚滲透性測試方法，但其已逐步大量應用于TDDS藥物的高通量快速篩選，為其他標準評價方法提供了可靠的前期預測數(shù)據(jù)。PAMPA模型可快速、高效地檢出藥物在被動擴散人工膜中的滲透率，節(jié)省了大量時間和成本，提供了穩(wěn)定、可靠的實驗數(shù)據(jù)，具有極大的發(fā)展前景[4]。

本文對PAMPA模型的建立、結(jié)構(gòu)、機制、特點以及在各類TDDS藥物滲透性篩選中的最新進展進行綜述，并展望未來TDDS藥物在該滲透模型的應用趨勢，以期為TDDS藥物的研發(fā)提供參考。

1 藥物在人體皮膚組織內(nèi)的吸收過程

正常人體皮膚表面積約為1.5～2.0 m2，是人體面積最大的器官。人體皮膚主要由表皮、真皮、皮下組織構(gòu)成，含有毛囊、汗腺、皮脂腺等附屬器官，以及血管、神經(jīng)、結(jié)締組織和脂肪組織等[5]（圖1）。藥物在皮膚內(nèi)主要經(jīng)過2個途徑進入體循環(huán)——（1）藥物透過角質(zhì)層和表皮進入真皮，再經(jīng)擴散后通過毛細血管吸收轉(zhuǎn)運至體循環(huán)，這是脂溶性藥物經(jīng)皮吸收的主要途徑。（2）藥物通過毛囊、皮脂腺和汗腺等附屬器官吸收進入體循環(huán)，這是離子型藥物及水溶性大分子經(jīng)皮吸收的主要途徑。由于TDDS藥物需克服人體皮膚屏障系統(tǒng)，故需開發(fā)成各種利于皮膚吸收的藥物結(jié)構(gòu)、新劑型等，以確保藥物有效地透皮吸收、達到穩(wěn)定的藥物濃度，進而轉(zhuǎn)運至各組織或病灶部位，發(fā)揮有效的治療或預防作用。

圖1 人體皮膚結(jié)構(gòu)

2 PAMPA模型的設(shè)計原理

1998年，Kansy等[6]將溶于有機溶液的卵磷脂涂布于支撐材料聚偏氟乙烯或聚碳酸脂膜上，形成一層穩(wěn)定的薄膜，以此構(gòu)建了PAMPA模型。PAMPA模型起初主要應用于胃腸藥物的滲透研究。2006年，Ottaviani等[3]首次采用PAMPA模型模擬了皮膚角質(zhì)層屏障結(jié)構(gòu)，測試了TDDS藥物的體外被動擴散滲透吸收性能。

PAMPA模型主要含供給板、接受板、人工膜，各板均分布96孔（8×12），由上面接受管、中間人工膜以及下面的供給管組成（圖2A）。其中，接受管中盛放緩沖液，供給管中放置待測藥物，中間的人工膜與供給管藥物溶液接觸。在試驗操作中，待測藥物首先在供給管中進行擴散，再滲透通過人工膜層，然后進入至接受管內(nèi)。擴散完畢后測定接受管和供給管溶液中的藥物濃度，即可計算得到藥物的有效透過率（Pe），即透皮吸收性能[7]。。其中，cequilibrium＝[cd（t）×Vd+ca（t）×Va]/（Vd+Va）。式中，Pe的單位為cm/s，A為人工膜面積（cm2），Vd為供給管體積（mL），Va為接收管體積（mL），t為滲透時間（s），ca（t）為t時間內(nèi)接受管內(nèi)的溶液濃度，cd（t）為t時間內(nèi)供給管內(nèi)的溶液濃度。

圖2 PAMPA模型的結(jié)構(gòu)

PAMPA模型的最初原型包括1個過濾器，以及浸泡在有機溶劑中的磷脂成分，一般使用卵磷脂（1%～20%）溶液（含有磷脂酰膽堿、磷脂酰乙醇胺、磷脂酰肌醇和膽固醇的混合物）來模擬哺乳動物膜的磷脂組成。在TDDS藥物篩選的不斷應用和發(fā)展中，PAMPA模型在后期又演化出了多種衍化變體[8]，如PAMPA模型供給管置于上、接受管置于下[5，9]（圖2B），或改變過濾器的材料、人工膜的組成、供給管和接受管中溶液的pH值，或改變PAMPA模型的共溶劑、賦形劑和仿生介質(zhì)的相容性等來模擬不同的皮膚屏障性能，拓展PAMPA模型的應用范圍，以適應TDDS藥物的多樣化篩選。

3 PAMPA模型的特點

3.1 PAMPA模型的優(yōu)勢

PAMPA模型在TDDS藥物高通量篩選中，可以模擬皮膚組織，比傳統(tǒng)Franz擴散池或活體皮膚易獲得、效率高，且數(shù)據(jù)穩(wěn)定。具體來說：（1）相比活體皮膚不易獲取、存在倫理道德問題、個體差異較大等局限，PAMPA模型構(gòu)建簡易，易于操作，更易獲得，性能穩(wěn)定，成本又低，能替代活體皮膚進行多種TDDS藥物滲透性評價[10]。（2）PAMPA模型具有96孔，可進行TDDS藥物高通量測試，能節(jié)約時間，大大提高藥物研發(fā)的效率[11]。（3）PAMPA模型結(jié)構(gòu)均一，數(shù)據(jù)偏差影響因素少，可靠性高，重復性好，能夠保障TDDS藥物高通量測試的順利進行。（4）應用PAMPA模型進行皮膚滲透實驗所得數(shù)據(jù)，與Franz擴散池、人體及動物皮膚模型實驗數(shù)據(jù)有很好的相關(guān)性，表明PAMPA能準確地模擬人體皮膚屏障、預測TDDS藥物的滲透性能。目前，PAMPA已成為一種現(xiàn)成、標準化的模型[12]。

3.2 PAMPA模型的不足

PAMPA模型雖具有諸多優(yōu)勢，但也存在不足之處。其與人體皮膚滲透實驗雖具有很好的相關(guān)性，具有參考價值，但不能完全代替人體皮膚。PAMPA模型采用單一的人工磷脂膜，不存在轉(zhuǎn)運蛋白，所以只適合測試被動擴散類型藥物的滲透性能，不能準確測試主動轉(zhuǎn)運類型的藥物；對親脂性小分子化合物以及低分子量極性分子化合物，也無法測試其是被動擴散機制還是細胞旁路擴散機制。PAMPA模型的濾板孔隙率、磷脂種類和比例、緩沖液pH值、待測藥物的解離度和脂溶性、擴散時間等條件也會影響該模型對藥物滲透率的準確測試。此外，該模型設(shè)計主要通過手動取樣進行分析測試，在高通量藥物篩選中，還無法達到便捷化[13]。

4 PAMPA模型在TDDS藥物滲透性篩選中的應用

TDDS藥物種類較多，目前，PAMPA模型已在鎮(zhèn)痛藥、局部麻醉藥、抗氧劑、解熱鎮(zhèn)痛抗炎藥、膽堿酯酶抑制劑、維生素類、天然產(chǎn)物活性成分等類型藥物的滲透性篩選研究中廣泛應用。

4.1 鎮(zhèn)痛藥

植物大麻中含有的大麻二酚（cannabidiol，CBD）具有止痛抗炎、抗癲癇、抗焦慮等作用[14]。Vanti等[15]采用PAMPA模型比較了CBD微乳膠和凝膠兩種劑型對角質(zhì)層的滲透性能。其先將PAMPA人工膜水化一夜，至半透明后，向供給板的孔中分別加入160 μL的CBD微乳膠和凝膠樣品，向接受板的孔中加入200 μL含10%（V/V）吐溫20的緩沖液，在（21±2）℃下滲透24 h后，收集樣品溶液，用高效液相色譜-二極管陣列檢測器進行分析測定。結(jié)果顯示，CBD凝膠的Pe值顯著高于CBD微乳膠，反映出CBD微乳膠可能具有藥物蓄積作用，其降低了CBD滲透擴散至接受池的藥物濃度。Akanji[16]也采用PAMPA模型評估了CBD、大麻萜酚、四氫大麻酚、大麻酚和次大麻二酚等多種成分的皮膚滲透性及其生物效應，并在此基礎(chǔ)上開展了大麻素的理化特性及其皮膚保護作用機制研究。

4.2 局部麻醉藥

利多卡因是臨床常用的局部麻醉藥及抗心律失常藥。Zsikó等[17]制備了負載利多卡因的納米脂質(zhì)分散體凝膠，并使用不同的皮膚滲透模型測試了利多卡因在納米脂質(zhì)體凝膠中的滲透特性，包括藥物的釋放、擴散和滲透性能。該研究使用了3種具有不同膜的立式Franz擴散池（包括纖維素、Strat-M?和熱分離的人體皮膚）和PAMPA模型，分別測試了6 h內(nèi)該藥物的滲透參數(shù)和平均累積釋放量，結(jié)果4種方案的累積滲透量分別為（3 808.82±448.91）、（304.20±113.40）、（1 778.28±483.81）、（696.32±20.50）μg/cm2，平均累積釋放量百分比分別為（41.35±18.80）% 、（3.45±1.21）% 、（11.61±2.95）% 、（13.93±0.41）%。該結(jié)果表明，3種模型的藥物滲透測試結(jié)果均具有良好的相關(guān)性，該結(jié)果為局麻藥的透皮滲透篩選提供了較為理想的候選評價模型。

4.3 抗氧劑

苯乙基間苯二酚（phenylethyl resorcinol，PER）是一種抗氧劑，可改善膚色不均，減少紫外線照射肌膚引起的皮膚著色問題，起到美白、祛斑作用[18]。Sinkó等[19]將PER溶解在13種不同的溶劑中，分別測定其在PAMPA模型和Franz擴散池豬耳皮中的滲透系數(shù)對數(shù)值。結(jié)果表明，PER的滲透系數(shù)與外加溶液的濃度無關(guān)，PAMPA模型與Franz擴散池豬耳皮滲透實驗的滲透系數(shù)對數(shù)值之間有良好的相關(guān)性（相關(guān)系數(shù)R2＝0.844）。體外豬耳皮是公認的人體皮膚的替代模型，該結(jié)果表明，PAMPA皮膚模型能較好地替代豬耳皮，可用于高效、高通量藥物滲透性篩選研究。

4.4 解熱鎮(zhèn)痛抗炎藥

布洛芬是臨床常用的一種非甾體抗炎藥物，Luo等[20]對2種市售布洛芬制劑和2種布洛芬溶液（溶劑分別為異丙醇和聚乙二醇300）分別進行了人體皮膚、豬耳皮、硅膜模型以及PAMPA模型的皮膚滲透測試研究。結(jié)果表明，上述樣本在PAMPA模型和硅膜模型中的滲透時間可長達6 h，且兩模型的累積滲透量相當，藥物滲透范圍為91～136 μg/cm2；在人體皮膚和豬耳皮中的滲透時間可長達48 h，48 h時樣本在人體皮膚中的滲透范圍為11～38 μg/cm2，而在豬耳皮中的相應值為59～81 μg/cm2。進一步對PAMPA模型中的布洛芬用量進行考察，結(jié)果表明，布洛芬給藥體積為1 μL（溶劑為異丙醇或聚乙二醇300）適用于PAMPA模型中的有限劑量研究。與其他模型相比，PAMPA模型還能區(qū)分不同劑型（凝膠與溶液）的滲透性能差異，且與人體皮膚相比，PAMPA模型對布洛芬的滲透性更高。Wu等[21]利用離子液體技術(shù)用芳香族、四烷基銨和四烷基磷銨等制備了9種離子液體，考察了布洛芬制成TDDS藥物的可行性。該研究通過PAMPA模型進行了9種離子液體的體外皮膚滲透測試，結(jié)果表明，與傳統(tǒng)布洛芬鈉鹽相比，9種合成的布洛芬離子液體均顯示出了較高的皮膚滲透性，具有促進皮膚滲透的作用。

雙氯芬酸鈉屬于非甾體抗炎藥物，具有顯著的鎮(zhèn)痛、消炎及解熱作用。Zsikó等[22]比較了雙氯芬酸鈉的1種水凝膠和2種乳膏劑（O/W型與W/O型）在PAMPA模型、Franz擴散池（人體皮膚拉曼映射法、纖維材料）中6 h的滲透參數(shù)。結(jié)果顯示，3種方法測得的藥物擴散滲透率接近，不同劑型的藥物累積滲透量、滲透速率呈相同的大小順序，均為O/W型乳膏劑＞水凝膠＞W(wǎng)/O型乳膏劑，提示3種方法的相關(guān)性較好，早期藥物滲透性篩選可以使用PAMPA模型結(jié)合Franz擴散池（人體皮膚拉曼映射法）進行半定量分析。

4.5 維生素類

煙酰胺（niacinamide，NIA）為水溶性維生素，是維生素B3的酰胺形式，臨床主要用于防治皮膚粗糙、口炎、舌炎、病態(tài)竇房結(jié)綜合征、房室傳導阻滯等[23]。Zhang等[24]采用NIA普通溶液和市售制劑在負載豬皮膚和人體皮膚的傳統(tǒng)垂直Franz擴散池（滲透24 h）和PAMPA模型（滲透2.5 h）中研究了NIA在有限和無限劑量條件下的皮膚滲透特征。結(jié)果證實，NIA在PAMPA模型與負載豬皮膚、人體皮膚載體的Franz擴散池中的累積滲透量呈線性相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.88、0.71，表明PAMPA模型與負載2種皮膚的Franz擴散池的累積滲透量均具有良好的相關(guān)性，且NIA市售制劑的滲透量普遍高于普通溶液。研究結(jié)果說明，PAMPA模型可作為TDDS藥物滲透性篩選的有效模型，有望替代傳統(tǒng)的人體或豬皮膚模型。

Zhang等[25]在前期研究的基礎(chǔ)上，又評估了NIA的10個二元和三元溶劑系統(tǒng)在PAMPA模型、豬皮膚和人體皮膚中的透皮性能。結(jié)果顯示，在人體皮膚研究中，丙二醇和脂肪酸組成的二元溶劑系統(tǒng)明顯增強了NIA的皮膚滲透性；而在PAMPA模型中，僅丙二醇和油酸溶劑沒有顯示出促進NIA皮膚滲透性的作用。這也說明PAMPA模型存在不足，在丙二醇和脂肪酸溶劑系統(tǒng)中，PAMPA模型與人體皮膚和豬皮膚的滲透數(shù)據(jù)不具有良好的相關(guān)性。

4.6 膽堿酯酶抑制劑

多奈哌齊是一種六氧吡啶類氧化物，屬于第二代特異性可逆性中樞乙酰膽堿酯酶抑制劑，臨床用于治療輕度或中度阿爾茨海默病[26]。Wu等[27]將多奈哌齊與多庫酯鈉、布洛芬以及4種不飽和脂肪酸配對形成離子液體，以開發(fā)出一種有利于皮膚滲透的新型多奈哌齊給藥形式，并采用PAMPA模型對其滲透性進行測定。結(jié)果顯示，含有α-亞麻酸和二十二碳六烯酸的離子液體能增強藥物滲透性，滲透系數(shù)分別是多奈哌齊游離堿的1.9倍和1.55倍；與多奈哌齊游離堿貼劑相比，用多奈哌齊離子液體制備的貼劑在皮膚滲透方面更具有優(yōu)勢?？梢姡琍AMPA模型為促進TDDS的研發(fā)和應用提供了一個重要的技術(shù)手段。

4.7 天然產(chǎn)物活性成分

三葉鼠尾草揮發(fā)油中主要含桉樹腦和樟腦，具有殺菌、殺病毒、殺真菌和殺蟲作用[28]。Risaliti等[29]針對三葉鼠尾草揮發(fā)油的光不穩(wěn)定性和揮發(fā)性，通過薄層蒸發(fā)將其制備成納米囊泡，并對該揮發(fā)油的納米囊泡進行了PAMPA模型的皮膚滲透性測試。結(jié)果表明，納米囊泡不僅可以降低三葉鼠尾草揮發(fā)油的揮發(fā)性，還能增強其皮膚滲透作用，反映出PAMPA模型對皮膚滲透性具有高度的預測性。

金盞花具有抗炎和抗微生物特性，其有效活性成分有綠原酸、水仙素等[30]。Chanaj-Kaczmarek等[31]以水-乙醇為溶劑對金盞花進行提取獲得金盞花凍干粉，用殼聚糖（80/1 000）作為載體與金盞花凍干粉混合（質(zhì)量比1∶1）后制成水凝膠，經(jīng)PAMPA模型研究表明，綠原酸和水仙素從該殼聚糖混合物水凝膠中的釋放延長，且金盞花凍干粉中綠原酸和水仙素的表觀滲透系數(shù)（Papp）分別為（3.20±0.41）×10－6cm/s和（1.60±0.06）×10－6cm/s，具有良好的滲透性。

此外，Vanti等[32]用磷脂90G、七葉皂苷和膽固醇作為納米囊雙層構(gòu)成材料負載氯化小檗堿制備了磷脂納米囊，并評估了該磷脂納米囊在PAMPA模型、人體皮膚和兔耳皮膚中的滲透特性。結(jié)果表明，滲透24 h后，氯化小檗堿在再生纖維素膜（3.5 kDa）透析袋中的釋放度達75%，且氯化小檗堿PAMPA模型的Pe值為1.12×10－6cm/s，與人體皮膚和兔耳皮膚的滲透相比，PAMPA模型表現(xiàn)出更佳的皮膚應用特性。此外，Liu等[33]利用PAMPA模型測定了紅楓中的以葡萄糖醇為核心的多種沒食子鞣質(zhì)類成分，Galanty等[34]利用PAMPA模型測定了2種松蘿酸對映體，上述研究均表明PAMPA模型在天然產(chǎn)物活性成分藥物篩選中具有良好的應用前景。

4.8 TDDS藥物制劑

PAMPA模型不僅可以用于高通量篩選單體化合物、天然產(chǎn)物，還可用于測試TDDS藥物透皮制劑的整體滲透性能。Vizserálek等[35]采用PAMPA模型測定得出尼古丁貼劑、芬太尼貼劑、卡巴拉汀貼劑和酮洛芬貼劑4種藥物市售7種透皮貼劑6 h內(nèi)的滲透率，并與制劑生產(chǎn)商所公布的制劑在Franz擴散池和動物體內(nèi)的滲透參數(shù)進行了比較。結(jié)果表明，上述貼劑的滲透率大小依次為PAMPA模型＞Franz擴散池＞動物體內(nèi)，且各評價方法數(shù)據(jù)均具有很好的相關(guān)性。其中，PAMPA模型滲透率高、成本低、重現(xiàn)性好、速度快，可作為透皮貼劑的理想替代評價方法。

5 總結(jié)與展望

上述研究表明，PAMPA模型已在TDDS各類藥物的篩選中得到了廣泛應用。但PAMPA模型不僅可以篩選TDDS化學藥物、天然產(chǎn)物活性成分及其新劑型與新技術(shù)[36]，還可以用于進行TDDS藥物輔料如防腐劑、透皮促進劑（丙二醇、卡必醇、蔗糖酯）等的皮膚滲透性評價[37―39]。PAMPA模型的滲透性取決于藥物親脂親水性、模型池內(nèi)溶液pH、攪拌速度、過濾器孔隙率、不流動水層厚度、緩沖溶液類型、共溶劑種類、人工膜的組成比例以及體系溫度等[40―42]。大量藥物研究證明，PAMPA模型與Franz擴散池人體皮膚模型的滲透參數(shù)具有很好的相關(guān)性，但前提是要保證模型中人工膜的穩(wěn)定性，并確定特定條件（如溶液pH應在8以下）[43]。

近年來，市面上已經(jīng)出現(xiàn)了一些PAMPA模型自動化設(shè)備，比如美國Pion公司的皮膚PAMPA模型藥物滲透性測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)能模擬皮膚屏障功能，集合亞微摩爾級檢測系統(tǒng)和高級數(shù)據(jù)處理軟件，專門用于檢測藥物的經(jīng)皮吸收特性，測試數(shù)據(jù)可信度高，重復性好，與Franz擴散池的相關(guān)系數(shù)高達0.85。該系統(tǒng)設(shè)備更加便捷化，節(jié)約了體內(nèi)研究所耗費的大量時間和費用，極大地提高了藥物高通量篩選的效率。在以后的TDDS透皮吸收評價研究中，可同時采用多種模型進行數(shù)據(jù)優(yōu)化，例如，可以調(diào)整Franz擴散池-PAMPA聯(lián)合模型的磷脂成分，以評估TDDS藥物滲透性[44]；可以將計算機模擬模型、Franz擴散池與PAMPA模型交叉應用，篩選最佳滲透性TDDS藥物[45]；甚至還可以將人工膜替換成人體皮膚，進行創(chuàng)新性TDDS藥物研究[46]。通過改良PAMPA模型，與其他模型Franz擴散池、計算機模擬模型等相互補充聯(lián)用，可避免單一模型造成的局限性，能更全面、準確地預測藥物在皮膚組織的滲透性和吸收特性，為TDDS藥物的透皮滲透研究提供可靠、多樣的參考數(shù)據(jù)。