李明慧,張鈺明,盧新穎,李花花,彭紫薇,宋揚,翟曉峰,顧妍,熱西旦木·馬木江,白潔,杜守穎(北京中醫(yī)藥大學(xué)中藥學(xué)院,北京 102488)
真武湯為第一批經(jīng)典名方目錄中的第八方,此方首載于張仲景編著的《傷寒論》,由茯苓、芍藥、生姜、白術(shù)和附子5味藥組成,具有溫陽利水的功效,主治陽虛水泛證[1]?,F(xiàn)代臨床多用于慢性腎炎、腎病綜合征、尿毒癥、糖尿病腎病、心律失常等陽虛水飲內(nèi)停者。將其開發(fā)為顆粒劑,可更好地滿足臨床順應(yīng)性的要求。
根據(jù)經(jīng)典名方研究的相關(guān)文件,顆粒劑的關(guān)鍵質(zhì)量屬性(CQAs)應(yīng)與基準(zhǔn)樣品保持一致,以確保其質(zhì)量符合標(biāo)準(zhǔn),CQAs包括指紋圖譜相似度、指標(biāo)性成分含量以及出膏率。經(jīng)典名方顆粒劑的工藝研究的重點并非追求CQAs的最高水平,而是確保CQAs與基準(zhǔn)樣品的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)范圍保持較高的一致性。質(zhì)量源于設(shè)計(quality by design,QbD)理念注重全面了解和把握整個制藥過程,注重對生產(chǎn)工藝的理解,以及生產(chǎn)過程中的產(chǎn)品質(zhì)量的監(jiān)管和控制,從而指導(dǎo)整體理論[2-5]。
在QbD理念下優(yōu)化經(jīng)典名方真武湯的提取工藝,能夠有效地控制顆粒劑制備工藝過程,從而獲得與基準(zhǔn)樣品一致的重要特性。提取工藝對顆粒劑的最終質(zhì)量有直接影響,是整個制備工藝中質(zhì)量傳遞的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。中藥提取的結(jié)果受到人為操作、環(huán)境條件、藥材本身、使用的儀器設(shè)備以及提取過程中的條件等因素的影響。其中,提取條件是關(guān)鍵因素。采用Box-Behnken設(shè)計-響應(yīng)面法優(yōu)化提取工藝,有效地控制提取條件,才能確保CQAs與基準(zhǔn)樣品一致。
課題組前期成功制備了15批真武湯基準(zhǔn)樣品[6],并最終確定了以指紋圖譜相似度、芍藥苷和6-姜辣素的含量以及出膏率作為CQAs并確定其范圍。本研究以QbD理念為基礎(chǔ),以指標(biāo)性成分的含量和出膏率為衡量標(biāo)準(zhǔn),在單因素篩選的基礎(chǔ)上,利用響應(yīng)面法進(jìn)行提取工藝的優(yōu)化,構(gòu)建一個提取工藝的設(shè)計空間,以篩選出最佳的提取條件,從而確保制劑中間體和基準(zhǔn)樣品在CQAs方面保持一致,為后續(xù)顆粒劑的制備工藝奠定基礎(chǔ)。
賽多利斯BSA 224S電子分析天平(賽多利斯科學(xué)儀器有限公司);JM-B10002電子天平(余姚市紀(jì)銘稱重校驗設(shè)備有限公司);HH-6型電熱恒溫水浴鍋(北京科偉永興儀器有限公司);DHG-9140A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥器(上海一恒科技有限公司);DZF-6051型真空干燥器(北京利康達(dá)圣科技有限公司);DZTW 1000 mL電子調(diào)溫電熱套、DZTW 250 mL電子調(diào)溫電熱套(北京中儀泓瑞科技發(fā)展有限公司);KQ5200DA型數(shù)控超聲波清洗器(昆山市超聲儀器有限公司);SHB-Ⅲ型循環(huán)水式多用真空泵(鄭州長城科工貿(mào)有限公司);Thermo Fisher U3000高效液相色譜儀[DAD檢測器,CM 7.2色譜工作站,賽默飛世爾科技(中國)有限公司]。
芍藥苷對照品(批號:110736-201842,純度:97.48%)、6-姜辣素對照品(批號:111833-201705,純度:96.8%)(中國食品藥品檢定研究院);乙腈、甲醇、磷酸(Fisher公司,色譜級);純凈水(杭州娃哈哈集團有限公司);甲醇(分析純)。
茯苓飲片(批號:20200901,產(chǎn)地:安徽岳西);白芍飲片(批號:20200801,產(chǎn)地:浙江磐安);白術(shù)飲片(批號:20200801,產(chǎn)地:浙江磐安);生姜飲片(批號:GX1,產(chǎn)地:廣西百色);附子飲片(批號:SCJ20200701,產(chǎn)地:四川江油)。
稱取茯苓、白芍、生姜飲片各41.4 g,白術(shù)飲片27.6 g、附子飲片15 g于陶瓷砂鍋內(nèi),加入1600 mL水,武火(1600 W)煮至沸騰,后用文火(800 W)繼續(xù)煎煮約70 min,用一層300目尼龍篩網(wǎng)趁熱(約80℃)過濾,濾液放涼后加水調(diào)整體積至600 mL。精密移取一定量的水煎液于25 mL西林瓶中,于冰箱冷凍層預(yù)凍12 h后,轉(zhuǎn)移至-80℃的真空冷凍干燥機中(真空度為4~5 Pa),冷凍3 d,得基準(zhǔn)樣品對應(yīng)實物。
2.2.1 CPPs的篩選及風(fēng)險評估 采用魚骨圖作為風(fēng)險辨識工具,按照“儀、環(huán)、人、藥、法”梳理挖掘質(zhì)量風(fēng)險相關(guān)工藝參數(shù),初步確定潛在的CPPs(見圖1)。根據(jù)前期研究經(jīng)驗[6],選擇提取次數(shù)、提取時間、提取加水倍量為真武湯提取工藝的關(guān)鍵考察因素。
圖1 真武湯提取工藝參數(shù)風(fēng)險辨識魚骨圖Fig 1 Risk identification of the extraction parameters of Zhenwu decoction
2.2.2 CQAs的確定 依據(jù)前期確定的基準(zhǔn)樣品標(biāo)準(zhǔn)[6]選取芍藥苷、6-姜辣素含量以及出膏率為CQAs。
2.3.1 色譜條件 芍藥苷測定的色譜柱:Thermo Acclaim 120-C18(4.6 mm×250 mm,5 μm);流動相:乙腈-0.1%磷酸溶液(14∶86);檢測波長:230 nm;柱溫:30℃;流速:1.0 mL·min-1;對照品與供試品進(jìn)樣體積:10 μL。
6-姜辣素測定的色譜柱:Thermo Acclaim 120-C18(4.6 mm×250 mm,5 μm);流動相:乙腈-甲醇-水(40∶5∶55);檢測波長:280 nm;柱溫:30℃;流速:1.0 mL·min-1;對照品進(jìn)樣體積:8 μL;供試品進(jìn)樣體積:20 μL。
2.3.2 對照品溶液的制備 精密稱取芍藥苷,加甲醇將其定容至10 mL量瓶中,最后配制成213 μg·mL-1的芍藥苷對照品溶液。精密稱取6-姜辣素,加純甲醇定容至10 mL量瓶,最后配制成21.325 μg·mL-1的6-姜辣素對照品溶液。
2.3.3 供試品溶液的制備
① 基準(zhǔn)樣品供試品溶液的制備:精密稱取0.1 g凍干粉于10 mL量瓶中,加10 mL 25%甲醇溶液超聲30 min(250 W,40 kHz),放冷后,用25%甲醇溶液補足并定容,振勻后,靜置,取上清液,過0.45 μm微孔濾膜,即得。
② 提取液供試品溶液的制備:取1個處方量的飲片,置于圓底燒瓶中,加適量水,回流70 min,300目尼龍篩網(wǎng)趁熱過濾,補足體積,精密移取1 mL提取液用水稀釋相應(yīng)倍數(shù)后離心,過濾,即得。
③ 陰性樣品溶液:逐個去除處方中缺味藥飲片,分別制備不含白芍和生姜的陰性樣品,制備陰性基準(zhǔn)樣品,按照①項下方法制備陰性樣品溶液。
2.3.4 線性關(guān)系考察 按“2.3.2”項下方法制備998.4 μg·mL-1芍藥苷對照品溶液和230.2 μg·mL-16-姜辣素對照品溶液,逐級稀釋成系列濃度的對照品溶液,按“2.3.1”項下色譜條件測定,分別對芍藥苷、6-姜辣素質(zhì)量濃度進(jìn)行線性回歸,得回歸方程芍藥苷:A=0.2104C-0.9087,R2=0.9999,線性范圍為19.97~998.4 μg·mL-1;6-姜辣素:A=0.0733C+0.0059,R2=0.9998,線性范圍為2.302~230.2 μg·mL-1。
2.3.5 精密度考察 取供試品溶液1份,按“2.3.1”項下色譜條件連續(xù)進(jìn)樣6次,計算得芍藥苷、6-姜辣素的峰面積的RSD值分別為 0.76%、1.2%,表明儀器精密度良好。
2.3.6 穩(wěn)定性試驗 取供試品溶液于0、3、6、9、12、24 h進(jìn)樣,測定芍藥苷、6-姜辣素的峰面積,計算RSD。由結(jié)果可知,芍藥苷和6-姜辣素的峰面積的RSD值分別為1.3%、0.37%,表明供試品溶液在24 h內(nèi)穩(wěn)定性良好。
2.3.7 重復(fù)性試驗 按照供試品溶液的制備方法制備6個樣品,測得芍藥苷、6-姜辣素的峰面積及RSD值分別為2.3%、1.6%,說明方法重復(fù)性良好。
2.3.8 加樣回收試驗 取基準(zhǔn)樣品6份,每份0.05 g,分別精密加入1.3052 mg·mL-1的芍藥苷對照品溶液1 mL,0.0483 mg·mL-1的6-姜辣素對照品溶液1 mL,按“2.3.3”項下方法操作得到加樣供試品溶液,按“2.3.1”項下色譜條件進(jìn)樣測定,計算得芍藥苷、6-姜辣素的平均加樣回收率分別為101.98%、97.78%,RSD值分別為3.0%、2.1%。
2.3.9 專屬性試驗 按照“2.3.3”項下方法分別制備陰性樣品溶液和全方供試品溶液,進(jìn)樣測定,結(jié)果見圖2與圖3。在此色譜條件下,可準(zhǔn)確測定全方中芍藥苷和6-姜辣素的含量而無干擾。
圖2 真武湯中白芍成分的HPLC圖Fig 2 HPLC of paeonia lactiflora in Zhenwu decoction
圖3 真武湯中生姜成分的HPLC圖Fig 3 HPLC of ginger components in Zhenwu decoction
2.4.1 基準(zhǔn)樣品出膏率的測定 根據(jù)前期研究[6]稱取處方量飲片于陶瓷砂鍋內(nèi),加水1600 mL,煎煮約70 min后,用一層300目尼龍篩網(wǎng)趁熱(約80℃)過濾,濾液放涼后加水調(diào)整體積至600 mL。分取一半的水煎液(300 mL)以600 W濃縮至合適程度時,于水浴鍋濃縮成稠膏狀后,置于真空干燥箱,60℃干燥,稱重,計算出膏率。
出膏率(%)=干膏質(zhì)量/生藥質(zhì)量×100%。
2.4.2 提取液出膏率的測定 將提取液于水浴鍋濃縮至稠膏狀后,置于60℃真空干燥箱中,3 d后取出,稱重,折算,按上述公式計算出膏率。
以芍藥苷、6-姜辣素含量及出膏率為考察指標(biāo),固定提取次數(shù)1次,提取時間為1.5 h,加水倍量分別為8、10、15倍進(jìn)行加水倍量單因素試驗考察;固定提取次數(shù)為1次,提取加水倍量為10倍,提取時間為 1、1.5、2 h 進(jìn)行提取時間單因素試驗考察;固定提取加水倍量為10倍,提取時間為1.5 h,進(jìn)行提取1、2、3次單因素考察,結(jié)果見圖4。
圖4 不同加水倍量、提取時間以及提取次數(shù)下芍藥苷、6-姜辣素含量及出膏率柱狀圖Fig 4 Histograms of paeoniflorin and 6-gingerol content and paste yield at different times of water addition,extraction time and number of extractions
由圖4可知,隨著加水倍量的增加,提取液中芍藥苷的含量先增加后降低,6-姜辣素含量與出膏率增加漸緩,所以將響應(yīng)面加水倍量的高水平設(shè)定為15倍。隨著提取時間從1 h增加到2 h,芍藥苷含量先增加后減少,6-姜辣素含量與出膏率增加趨勢逐漸變小,所以將提取時間的高水平設(shè)定為2 h。隨著提取次數(shù)的增加,芍藥苷含量逐漸降低到基本不變,6-姜辣素含量與出膏率增加趨勢較緩,最后基本不變。所以將提取次數(shù)高水平設(shè)定為3次。
2.6.1 因素水平設(shè)計 基于以上分析,選取提取時間A(X1),加水倍量B(X2),提取次數(shù) C(X3)三因素進(jìn)行響應(yīng)面試驗設(shè)計。以兩個指標(biāo)成分含量(Y1:芍藥苷含量;Y2:6-姜辣素含量)和出膏率(Y3)為CQAs,采用 Design Expert 13.0 軟件進(jìn)行響應(yīng)面設(shè)計和數(shù)據(jù)分析,篩選出最佳提取工藝。最后,選擇三個試驗點,進(jìn)行已建立模型的驗證。
表1 響應(yīng)面設(shè)計因素水平Tab 1 Factor and level of Box-Behnken design
2.6.2 試驗結(jié)果 17組試驗提取液中指標(biāo)性成分含量和出膏率結(jié)果見表2。
表2 17組試驗提取液中指標(biāo)性成分含量和出膏率結(jié)果Tab 2 Content of index components and paste yield in 17 groups of test extracts
2.6.3 模型建立與評價 根據(jù)表2結(jié)果,采用多項式及一項式回歸模型對芍藥苷含量、6-姜辣素含量、出膏率及對應(yīng)的因素(提取加水倍量、提取時間、提取次數(shù))分別進(jìn)行擬合,回歸方程如下:Y1(芍藥苷)=0.73-0.063X1+0.0965X2+0.098X3+0.045X1X2-0.10X1X3-0.077X2X3+0.091X12+0.16X22+0.019X32-0.047X12X2-0.16X12X3-0.24X1X22;
Y2(6-姜辣素)=0.082+0.006X1+0.004X2+0.013X3;
Y3(出膏率)=19.93+0.1675X1+1.32X2+4.23X3-0.55X1X2-2.42X1X3-0.75X2X3-0.2817X12+0.4158X22-0.9268X32-0.1850X12X2-2.69X12X3+0.1725X1X22。
分別應(yīng)用不同的回歸類型對響應(yīng)面試驗結(jié)果進(jìn)行方差分析,結(jié)果見表3~5,芍藥苷含量和出膏率的回歸總模型的方差顯著(P<0.05),6-姜辣素的一項式回歸總模型的方差顯著(P<0.05);所建三個模型均有統(tǒng)計學(xué)意義。Y1(芍藥苷含量)和Y3(出膏率)二方程的R2分別為0.9849、0.9902,Y2(6-姜辣素含量)的R2=0.6102,因此三個回歸方程均可用于后期的試驗。
表3 芍藥苷含量的方差分析Tab 3 Variance analysis of paeoniflorin content
表4 6-姜辣素含量的方差分析Tab 4 Variance analysis of 6-gingerol content
表5 出膏率的方差分析Tab 5 Variance analysis of paste yield
2.6.4 芍藥苷含量的響應(yīng)面分析 芍藥苷含量的等高線和3D圖如圖5所示,在圖5A中,當(dāng)提取時間為1.5 h時,提取次數(shù)的等高線密度超過了加水倍量,說明提取次數(shù)對芍藥苷含量的影響更大。在圖5B中,當(dāng)提取次數(shù)固定為2次時,提取時間的等高線密度高于加水倍量,因此可以得出提取時間對于芍藥苷的含量影響較大。圖5C描述了當(dāng)提取加水倍量為11.5倍時,提取次數(shù)的等高線密度高于提取時間,因此可以得出提取次數(shù)對芍藥苷含量的影響更大。在給定的變量范圍內(nèi),芍藥苷含量受到三個因素的影響程度,其中提取次數(shù)對其影響最大,其次是提取時間,而加水倍量對其影響較小,這一結(jié)論與方差分析的結(jié)果一致。
圖5 各因素交互作用對芍藥苷含量影響的響應(yīng)面及等高線圖Fig 5 Response surface and contour plot of the effect of factor interaction on the content of paeoniflorin
2.6.5 6-姜辣素含量的響應(yīng)面分析 6-姜辣素含量的等高線和3D圖分析見圖6,在給定的變量范圍內(nèi),6-姜辣素含量受到三個因素的影響程度,其中提取次數(shù)對其影響最大,其次是提取加水倍量,而提取時間對其影響較小,與方差結(jié)果基本一致。在圖6A中,當(dāng)提取時間為1 h時,提取次數(shù)的等高線密度大于提取加水倍量,從而,提取次數(shù)對6-姜辣素的含量影響有很大的影響;在圖6B中,當(dāng)提取次數(shù)固定在2次時,提取加水倍量的等高線密度比提取時間要大,所以,提取加水倍量對于6-姜辣素的含量影響較大。
圖6 各因素交互作用對6-姜辣素含量的影響的響應(yīng)面及等高線圖Fig 6 Response surface and contour plot of the effect of factor interaction on the content of 6-gingerol
2.6.6 出膏率的響應(yīng)面分析 出膏率的響應(yīng)面及等高線分析見圖7,在指定變量范圍內(nèi),三個變量對出膏率的影響中,提取次數(shù)最大,其次是提取時間,提取加水倍量影響最小,與方差結(jié)果分析基本一致。如圖7A所示,當(dāng)提取時間固定為1.5 h時,提取次數(shù)等高線密度大于提取加水倍量,因此,提取次數(shù)對于出膏率的影響更大;在圖7B中,當(dāng)提取次數(shù)固定為2次時,提取時間的等高線密度高于提取加水倍量,因此可以得出提取時間對出膏率影響更大。在圖7C中,當(dāng)提取加水倍量固定為11.5倍時,提取次數(shù)等高線密度要比提取時間更高,所以,提取次數(shù)對出膏率影響更大。
圖7 各因素交互作用對出膏率影響的響應(yīng)面及等高線圖Fig 7 Response surface and contour plot of the effect of factor interaction on the paste yield
2.7.1 設(shè)計空間的建立 前期研究表明基準(zhǔn)樣品標(biāo)準(zhǔn)中芍藥苷的含量在0.5150%~ 0.8811%,6-姜辣素的含量在0.0198%~ 0.0337%,研究設(shè)定優(yōu)化目標(biāo)為該標(biāo)準(zhǔn)范圍再分別加上前期預(yù)試驗濃縮干燥過程芍藥苷和6-姜辣素的損失率,因此最終設(shè)定優(yōu)化目標(biāo)為芍藥苷含量為0.7357%~1.2587%;6-姜辣素含量為0.0396%~0.0674%;出膏率為10.00%~14.85%。在優(yōu)化的工藝參數(shù)空間內(nèi)搜集所有符合設(shè)定目標(biāo)的參數(shù),構(gòu)建出設(shè)計空間并用Overlay Plot進(jìn)行展示,結(jié)果如圖8所示。黃色部分即為提取工藝的可優(yōu)化控制空間。因此將真武湯的提取工藝范圍定為:提取加水量8~10.39倍;提取時間60~100 min;提取次數(shù)固定為1次。
圖8 真武湯提取工藝的設(shè)計空間Fig 8 Design space of Zhenwu decoction extraction process
2.7.2 驗證試驗 為驗證響應(yīng)面結(jié)果的可靠性,在設(shè)定的優(yōu)化工藝參數(shù)空間內(nèi)搜集符合目標(biāo)的組別,選取設(shè)計空間內(nèi)的三個點進(jìn)行驗證,根據(jù)實際情況對組別中的提取工藝參數(shù)調(diào)整如表6所示,按照調(diào)整后的提取參數(shù)進(jìn)行驗證試驗,每組平行3份,驗證結(jié)果見表7。按照提取工藝進(jìn)行提取后,其結(jié)果均能達(dá)到預(yù)測值,表明在優(yōu)化工藝參數(shù)空間內(nèi)驗證的這幾組均能達(dá)到提取工藝的預(yù)期目標(biāo)??紤]到實際生產(chǎn)問題及便于操作,因此后期采用第三組的工藝參數(shù)進(jìn)行提?。禾崛〖铀读?0倍,提取時間60 min,提取次數(shù)1次。
表6 響應(yīng)面設(shè)計空間試驗點的選取Tab 6 Selection of spatial test points for response surface design
表7 響應(yīng)面試驗驗證結(jié)果Tab 7 Verification test of response surface
按照《古代經(jīng)典名方中藥復(fù)方制劑及其物質(zhì)基準(zhǔn)的申報資料要求(征求意見稿)》,繪制特征圖譜并對指標(biāo)性成分含量和浸出物進(jìn)行檢測應(yīng)作為CQAs來檢驗基準(zhǔn)樣品和顆粒劑間的量值傳遞關(guān)系[7],前期研究顯示,基準(zhǔn)樣品指紋圖譜相似度均在0.9以上,相似度良好[6],因此不再以此作為評價指標(biāo),芍藥苷為白芍的主要成分,6-姜辣素為生姜的主要成分,出膏率對提取液亦有顯著影響,故選取芍藥苷、6-姜辣素和出膏率作為評價標(biāo)準(zhǔn)。
在由傳統(tǒng)砂鍋煎煮向現(xiàn)代提取工藝轉(zhuǎn)化過程中,改變工藝參數(shù)常導(dǎo)致指標(biāo)性成分含量大幅改變。所以對制備工藝特別是提取工藝進(jìn)行研究,是經(jīng)典名方研制過程中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。在QbD理念下,認(rèn)識原料、工藝與產(chǎn)品質(zhì)量多維組合及相互作用,從而可以達(dá)到對產(chǎn)品CQAs的預(yù)測[2],QbD理念應(yīng)用的一個關(guān)鍵是設(shè)計空間的構(gòu)建[8]。在單因素試驗的基礎(chǔ)上選擇三因素三水平并使用響應(yīng)面法,采用多元回歸方程擬合各因素與效應(yīng)值的函數(shù),并以最佳工藝水平為目標(biāo),對工藝參數(shù)進(jìn)行預(yù)測與優(yōu)選[9-13],將芍藥苷與6-姜辣素的含量及出膏率均設(shè)置在一定的范圍之內(nèi),對設(shè)計空間進(jìn)行篩選,可有效地對試驗條件進(jìn)行優(yōu)化,并為后續(xù)真武湯顆粒劑的工業(yè)化生產(chǎn)提供了可控范圍。
前期考察發(fā)現(xiàn)在提取-濃縮-干燥過程中,芍藥苷和6-姜辣素均具有較高的損失率,可能是高溫影響芍藥苷穩(wěn)定性的原因[14]。6-姜辣素在高溫條件下會轉(zhuǎn)化為醛類物質(zhì),并且還會受到合劑水溶液環(huán)境的影響[15]。因此在考察提取時間時充分考慮了指標(biāo)性成分損失率高的實際情況,選取2 h為高水平。并且添加到設(shè)計空間優(yōu)化的目標(biāo)條件中,以便使該制劑間體與基準(zhǔn)樣品質(zhì)量屬性接近。
本研究基于QbD理念,通過失效模式及效應(yīng)分析(FMEA)進(jìn)行風(fēng)險評估,結(jié)合經(jīng)驗篩選工藝參數(shù),進(jìn)一步采用Box-Behnken優(yōu)化真武湯提取工藝,建立其設(shè)計空間,最終確定的提取工藝為:提取加水倍量10倍、提取時間60 min、提取次數(shù)1次。驗證試驗證明,該工藝參數(shù)正在確立中的設(shè)計空間發(fā)生了變化,產(chǎn)品仍然可以實現(xiàn)預(yù)期目標(biāo),為后續(xù)顆粒劑的干燥、濃縮、成型工藝奠定基礎(chǔ)。