纳米药物药动学研究方法进展*

陈永丽，苏璐，魏燕琴，ZHANG Xu，崔淑芬*

纳米药物药动学研究方法进展*

陈永丽1,2，苏璐1，魏燕琴1，ZHANG Xu3，崔淑芬1*

（1. 深圳职业技术学院 食品药品学院，广东 深圳 518055；2. 南方科技大学 生物医学工程系，广东 深圳 518055；3. Department of Chemistry, Cape Breton University, 1250 Grand Lake Road Sydney, Nova Scotia, B1P 6L2, Canada）

基于纳米技术的纳米药物开发是全球学术界和工业界的一个热点研究领域．然而，纳米药物安全风险（毒性）方面的监管政策尚未得到很好的确立．主要挑战是缺乏有效的分析方法来准确评估纳米药物在复杂生物系统中各形态（游离态，结合或包裹态）的浓度．目前纳米药物药动学的研究思路，基本还是采用经典药物的研究方法测定血液中药物的总浓度．纳米药物药动学研究方法的瓶颈是生物样品的前处理技术，大部分研究采用有机溶剂萃取、沉淀蛋白或固相萃取技术等进行样品前处理后只能测定血药总浓度．近年来发展的平衡透析法、超滤离心法、超速离心法和凝胶过滤法等能够测定游离药物浓度，但只能用于体外分析．固相微萃取（SPME）和微透析（MD）技术可以在线取样测定游离浓度，但还需要进一步发展合适的探针和相应的校正定量方法．本文对现有纳米药物药动学研究方法进展进行了评述，并对新的研究方向进行了展望．

纳米药物；药动学；形态分析；固相微萃取

具有新性质和新功能的各种纳米材料的发明和发展给传统的药物学带来了新的机遇．纳米药物（Nanomedicines）通常指运用纳米技术、特别是纳米化制备技术（包括药物的直接纳米化和纳米载药系统）研究开发的一类新的药物制剂[1]．纳米药物是纳米技术与药剂学相结合形成的新学科，是当前制药工业快速发展的新方向．据国际著名机构Business Wire的研究，这一领域是全球资本汇聚的热点，全球纳米医药市场在2016年达到1119.12亿美元，预计到2023年将达到2610.63亿美元，目前正以12.6%的年增长率递增[1]．

与传统药物以游离分子态吸收相比，纳米药物主要以纳米聚集态形式吸收，同时兼有分子态吸收，从而具有不同的体内过程，并产生特殊的生物学活性（如更高的生物利用度、更好的溶解性、靶向性及缓控释等效应）[1-6]．这一特殊过程及由此产生的特殊生物活性正冲击着传统药剂学、药理学、药效学及药物分析学的基本理论和实践，具有巨大潜力和研究发展空间．本文对近年来纳米药物药动学的研究方法进展进行综述．

1 纳米药物的药动学研究思路和方法的局限性

纳米药物通常可改变药物的转运模式（吸收、分布、代谢、排泄），并改变生物利用度和靶向性，但由于其特殊的理化性质，能和体内多靶点相互作用，甚至穿越血脑屏障，且其不易被免疫系统识别，能干扰正常细胞信号转导，可能对人类健康及环境造成损害．为避免纳米技术研发的风险，开发安全有效的纳米药物，需要评价药物的安全性、有效性和可控性，形成准确的、系统的、标准化的评估方法体系[1-7]．同时，这也是药物研发产业界面临的重大项目，当纳米药品作为新药报批上市之前，需要提供人体药动学及生物利用度数据、临床药理学、临床效果及安全性试验的信息[3]．

目前纳米药物的药动学研究思路，占主体部分的研究一般都是沿用传统的药物动力学研究模式，通过测定包括血液、组织等生物样品中的药物总浓度（包括游离药物、结合或包裹药物）来研究纳米药物浓度随时间的变化趋势，研究方法方面缺乏用于生物样品中不同形态（分子态和聚集态）药物浓度区别测定的方法[7-10]，无法得到纳米药物与临床效应之间的准确对应关系；国际上一些学者已经认识到纳米药物形态分析的重要性并开展了一些探索性工作[11-13]，证明了分别测定不同形式的药物浓度有助于更好地阐述纳米药物的药动学并为纳米药物的药效学和毒理学评价提供基础．但目前还没有成熟的方法对体内纳米药物的分子游离态和结合态药动学分别进行研究，需要进一步发展纳米药物药动学的研究方法和手段．

药品的审批和管理方面，美国和欧盟的药品审批管理机构和纳米药物研究机构已经认识到纳米药物生物分析必须起码能够区分游离和包裹浓度（free concentration Vs conjugate concentration）[3]．解决这些难题的瓶颈问题就是纳米药物生物分析方法的滞后，这些问题不仅影响对纳米药物体内行为的认识，也严重影响纳米药物的研发和进入市场．

2 纳米药物药动学研究主要方法分析

纳米药物生物样本形态分析的瓶颈问题是样品制备技术．纳米药物药动学分析最常用的样品制备技术，如有机溶剂萃取、沉淀蛋白或固相萃取技术等[7-10,14-16]，只能测定总浓度，不能区分游离浓度和结合（包裹）浓度．而游离药物浓度测定方法，现有主要的样品处理方法包括平衡透析法、超滤离心法、超速离心法和凝胶过滤法，但这些方法都有一定的缺点[17,18]，并且都需要离体操作，无法满足纳米药物活体内实时游离浓度监测的需要．

微透析（microdialysis，MD）技术可以活体、连续取样而且没有体液损失，可实时、在线检测游离态药物在机体的动态变化，近年来在纳米药物药动学的游离态活体在线分析方面得到了广泛的应用[19-22]．但MD技术不适合分析疏水性较强的药物，而且因为对分析物几乎无富集浓缩效应而灵敏度低，此外该技术对装置有特殊要求，实验难度较大（需要较高难度的手术），探针直径过大以及体外回收率测定方法等问题，在一定程度上制约了其更广泛的应用[19-22]．

固相微萃取（Solid Phase Microextraction，SPME）是操作最简单且可实现体内在线采样、富集等功能的绿色样品前处理方法[23]．SPME通过吸附原理富集复杂样品中的游离分析物，在通过游离浓度的测定来评估药物和有机污染物的蛋白结合率、生物利用度及多相分配平衡等方面有广泛的应用[23-26]．近年来，用于活体采样的固相微萃取技术在药学、环境科学和代谢组学研究中取得了巨大的进展[24-28]．与溶剂萃取和固相萃取所不同的是，SPME是一种非完全萃取技术，样品中的分析物只有部分被萃取出来进行分析，因而定量校正技术对于SPME的应用及装置的发展起着至关重要的作用．

3 具有发展前景的新技术展望

固相微萃取（SPME）是一种集采样、萃取、浓缩、进样于一体，简单方便、省时省力、不需溶剂的新型绿色环保样品前处理技术．SPME技术在环境、食品、药物分析和法医鉴定等方面得到了广泛的应用[25]．根据不同的校正原理，SPME分为平衡采样法和预平衡采样法[29]．平衡采样法耗时较长并且所得浓度是时间平均浓度，例如SPME平衡采样法测定纳米药物紫杉醇的游离浓度需要平衡24 h，而其纳米药物载体脂质体只能稳定4 h，因其较低的时间分辨力导致无法完成纳米药物的准确游离浓度分析[30]．Zhang Xu等最早在国际上采用预平衡时间分辨固相微萃取（Time-Resolved SPME，TR-SPME）获得活体鱼类中药物的动态（实时）游离浓度，更能代表分析物在采样时的生物效应浓度[31]．TR-SPME在生物样本活体形态分析方面具有很大潜力，目前研究只是初步探索，校正方法等还需要完善，在纳米药物生物样本体系应用更是空白．

TR-SPME需要完善的基质效应评估及相应的校正方法．前人研究表明，复杂生物样品、环境样品中的基质（Matrix effect）会对分析物在被SPME探针吸附过程中传质动力学有很大的影响，进而影响SPME非平衡动力学校正的准确定量，此问题已引起了研究者们的广泛注意[29-32]．但目前已经发表的所有涉及纳米颗粒复杂体系里用SPME进行药物分析的研究都没有解决这个准确定量的问题[25]．尽管以往的研究认识到影响分析物传质动力学的因素与基质与分析物的结合系数及分析物在基质中的扩散系数有关，但是目前既没有发展出准确描述这个动力学方面的基质效应的理论模型，也没有找到准确快速测定分析物与基质的结合动力学和热力学参数的技术方法．

TR-SPME用于纳米药物研究，还有一个关键问题是在萃取样品中分子药物时，如何避免把纳米药物载体同时吸附到吸附相表面或者内部．前人尝试使用透析膜保护SPME吸附相的方法[30]，但是这样的设计极大限制了药物分子的扩散速率，使得萃取过程冗长，无法对在生物样品中易于降解的药物分子进行准确分析其代谢动力学．有前途的途径可能是通过采用具有选择性的萃取涂层来解决这个问题．以前研究表明聚乙二醇（PEG）可以显著地增强SPME采样探针的生物相容性，减少对血浆蛋白的吸附，而且可以做到快速萃取，以提高方法的时间分辨力（即分析方法准确定量药物分析物瞬时浓度，区分正在发生快速代谢分解的药物分子在相邻的时间点上不同浓度的能力），该技术参数对于准确追踪快速降解的药物分子的代谢动力学极为必要[33]．但是直到目前为止，还没有PEG探针的系统性研究（例如不同分子量的PEG以及PEG分子与SPME探针的不同的偶联方法会如何影响不同药物分子的吸附动力学、热力学及选择性等），目前也没有任何将PEG功能化的SPME探针用于纳米药物生物分析的研究[25]．

4 结 语

纳米药物通常可改变药物的转运模式（吸收、分布、代谢、排泄），并改变生物利用度和靶向性，但由于其特殊的理化性质，能和体内多靶点相互作用，甚至穿越血脑屏障，且其不易被免疫系统识别，能干扰正常细胞信号转导，可能对人类健康及环境造成损害．为避免纳米技术研发的风险，开发安全有效的纳米药物，需要评价药物的安全性、有效性和可控性，形成准确的、系统的、标准化的的评估方法体系．发展具有高度时间分辨力和高度生物相容性的SPME新技术，研究纳米药物药动学、生物利用度和安全性，对于迅猛发展的纳米药物科研和工业具有重要性和紧迫性．

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Research Advances in Analytical Methods of Nanomedicines Pharmacokinetics

CHEN Yongli1,2, SU Lu1, WEI Yanqin1, ZHANG Xu3, CUI Shufen1

（）

Development of nanomaterials-based drug delivery systems (NDDS or nanomedicines) represents a booming area of research on both academic and industrial sides globally. However, the regulatory policies for nanomedicines in terms of their safety risks (toxicity) have not been well-established yet. The main challenge is the lack of efficient analytical methodologies to accurately assess the concentrations of nanomedicines in various forms (free, bound or encapsulated) in complicated biological systems. At present, the research ideas of pharmacokinetics of nanomedicines are mainly to determine the total concentration of nanomedicines in blood as usual. The bottleneck of the pharmacokinetic study of nanomedicines is the pretreatment method of biological samples. Most studies use organic solvent extraction, precipitated protein or solid phase extraction technology as pretreatment method to determine the total concentration of nanomedicines in blood samples. Such pretreatment methods as equilibrium dialysis, ultrafiltration centrifugation, ultracentrifugation and gel filtration, etc. developed in recent years can determine the concentration of free medicines, but can only be used for in vitro analysis. Solid phase micro-extraction (SPME) and microdialysis (MD) techniques can be used for on-line sampling and determination of free concentration, but appropriate probes and corresponding calibration methods need to be further developed. In this paper, the present methods of pharmacokinetics of nanomedicines are reviewed and the new research directions are prospected.

nanomedicines; pharmacokinetics; speciation analysis; solid phase microextraction

R285

B

1672-0318（2021）05-0048-05

10.13899/j.cnki.szptxb.2021.05.009

2020-12-21

深圳市科技计划项目（(GJHZ20180928161212140)）和深圳职业技术学院2019年第二批创客项目（SZPT20190210）资助．

陈永丽，女，广东人，博士，副研究员，研究方向：基于纳米技术的肿瘤诊断．

崔淑芬，女，辽宁人，博士，教授，研究方向：样品前处理及分析新方法．

（责任编辑：王璐）