中药经皮给药制剂的分子药剂学研究进展

薛雅琪,王著显,梁佩仪,陈鸿楷,翟丹,刘莉,江翠平,申春燕,刘强

(南方医科大学中医药学院,广东 广州 510515)

中药经皮给药制剂系指中药物料与适宜的辅料制成的供外用的制剂,药物通过作用于皮肤局部或通过皮肤吸收进入体循环而发挥疗效。与其他剂型相比,经皮给药制剂给药方便,可延长药物有效作用时间,避免肝脏首过效应,提高患者依从性[1-2]。中药经皮给药制剂剂型多样,疗效确切,应用广泛,2020版《中国药典》所收载的中药经皮给药制剂有软膏剂、乳膏剂、凝胶剂、贴剂、贴膏剂、喷雾剂、搽剂等。但对于中药经皮给药制剂而言,其药物成分复杂,制剂成型原理不清,药物、基质、生物机体之间的分子间相互作用影响其释药、经皮渗透行为的分子机制不明等问题,导致中药经皮给药制剂存在稳定性差、释药和透皮速率不确定、批间质量差异大等问题,从而影响了其发挥临床疗效。本文从分子药剂学角度阐释中药经皮给药制剂成型、释药和渗透皮肤的分子间相互作用,以及中药中的渗透促进剂促进药物渗透皮肤的分子机制,为分子药剂学在经皮给药制剂中的应用提供参考,对中药经皮给药制剂的开发及应用具有指导意义。

1 分子药剂学的研究内容与常用研究技术

分子药剂学是以分子为主要研究对象,从分子层面研究各种药物剂型的特点、制备原理、体内外行为、过程、规律和作用机理的学科,它可为药剂学其它分支如工业药剂学、物理药剂学、生物药剂学等提供理论基础。目前,分子药剂学的研究内容主要为不同分子间的相互作用情况,常用研究技术主要包括分子模拟技术、傅里叶红外光谱、拉曼光谱、固体核磁共振技术等。

1.1 分子间相互作用

由于电荷的相互作用,分子与分子间会产生相互作用力,这种分子间的相互作用力进而会影响制剂的物理稳定性、溶出效果及生物利用度。对于经皮给药制剂而言,体系内药物分子之间,聚合物基质之间,药物分子与聚合物基质之间,药物分子与生物机体之间,均有可能通过氢键作用、静电相互作用、疏水作用、范德华作用等分子间作用力对整个体系的性质和体内外行为产生影响[3-4]。其中氢键作用是最常见、研究最多的分子间作用力。氢键的有无和多少会显著影响分子间的作用关系,继而在机械性能上影响制剂的流变学性质,如加入能增加氢键作用的物质如多糖,可增加药物与聚合物间的氢键强度,进而提升凝胶的黏性[5]。

1.2 分子模拟技术

分子模拟技术(Molecular simulation,MS)是一种基于牛顿力学、量子力学等物理化学基本原理,利用模拟软件模拟分子的立体构象、分子间的相互作用以及可能的结合位点,揭示材料内部微观行为及作用机制的新型计算机模拟技术[6]。分子模拟的研究手段包括分子对接、分子动力学、量子力学、蒙特卡洛等,在药物制剂中应用最多的是分子对接和分子动力学。对于药物制剂而言,分子模拟技术可将给药系统的构建、传输、体内外过程与行为、作用规律与机理等可视化地展现出来,有利于从分子层面去剖析药物、基质、生物体之间的相互作用过程,从而获得微观/介观结构形貌,从多尺度水平上阐释制剂的结构性能关系及其内在的作用机理。Zheng等用分子模拟技术从分子层面上解释了新型抗抑郁药物西酞普兰与其靶点去甲肾上腺素转运体之间的作用方式,并解释了5-羟色胺受体与其选择性抑制剂之间的分子作用机制[7]。

1.2.1 分子对接 分子对接是两个或多个分子之间通过几何匹配和能量匹配而相互识别的过程,利用分子对接可预测不同成分间的结合模式和亲和力,进而探明药物制剂递送过程中不同分子的相互作用模式和相互作用强度。对于中药制剂,分子对接可以用来获得制剂辅料与中药复杂组分的对接情况,包括成键类型和结合强度等。对于经皮给药制剂,分子对接可以模拟药物分子间、药物与角质层脂质分子之间的相互作用方式[8]。Nan等[9]用分子对接模拟促渗剂4-异丙苯甲醛、神经酰胺2和多奈哌齐的对接方式,发现4-异丙苯甲醛通过增强角质层脂质的流动性,减少多奈哌齐与角质层脂质的相互作用来增强多奈哌齐的皮肤渗透。

1.2.2 分子动力学 分子动力学是分子模拟的常用方法之一,通过牛顿经典力学计算体系中各个分子或原子的运动轨迹,进而得到整个体系的力学、热力学和动力学参数。通过分子动力学建立的全原子模型研究能够从原子间作用力的层面上阐释分子精细结构之间的相互作用关系,而粗粒化模型则可获得更大的模拟规模和空间,更充分地体现分子相互作用的过程[10]。分子动力学研究对阐明制剂在药物传输或递送过程中的动态行为以及分子间相互作用对此过程的影响机制具有重要意义。Luo等[11]用Materials Studio 7.0软件构建了酰胺型压敏胶-药物(依托度酸)的二元体系,发现依托度酸的动态释放行为符合Higuchi数学模型。Notman等[12]通过分子模拟构建粗粒化模型研究渗透促进剂的作用机制,发现二甲基亚砜可与脂质双分子层的烃甲基链相互作用并充当脂质之间的间隔物,导致脂质分子重新排列,诱导脂质双分子层形成亲水性孔道,促进药物经皮吸收。

1.3 其他常用研究技术

除分子模拟技术外,分子药剂学的常用研究技术还有傅里叶红外光谱(Fourier transform infrared,FT-IR)、拉曼光谱(Raman spectroscopy,Raman)、差示扫描量热法(Differential scanning calorimetry,DSC)、X射线光电子能谱(X-ray photoelectron spectroscopy,XPS)、固体核磁共振技术(Solid state nuclear magnetic resonance,SSNMR)等,其检测内容及主要研究的分子间相互作用类型见表1。

表1 分子药剂学其他研究技术检测内容及分子间相互作用类型

2 中药经皮给药制剂分子药剂学研究

中药经皮给药制剂是一个复杂的体系,目前关于其分子药剂学的相关研究主要集中在制剂成型、释药和药物渗透皮肤这三个重要阶段。

2.1 中药经皮给药制剂成型过程的分子药剂学研究

中药经皮给药制剂的制剂成型是指中药提取物与聚合物及辅料在适宜条件下制备成型的过程。目前研究最多的是中药凝胶剂的成型过程。中药制剂的成型工艺主要包括基质成型工艺和制剂成型工艺。目前常用的高分子凝胶基质包括卡波姆、聚丙烯酸、丙烯酸树脂和壳聚糖等。不同凝胶基质的—OH、—NH2、—COOH等数量不同,且不同聚合度的高分子链和不同浓度、用量的聚合物,决定基质形成的黏度和弹性[13-14]。而基质的黏弹性又在一定程度上反映凝胶内部的聚合力[15-16],即基质和基质分子间的分子间相互作用力,如氢键、离子相互作用、偶极-偶极相互作用和范德华力等[17]。当中药成分加入基质后,中药成分会破坏基质间原本的分子间相互作用力,形成新的药物-基质间分子间相互作用力。中药成分的苷类、生物碱类、多糖类等组分含有丰富的—OH、—NH2等,其可作为氢键供体和氢键受体与高分子聚合物形成氢键相互作用力。而对于黄酮类成分,脂溶性比较强,苯环占有的比例比较高,所以主要和高分子聚合物形成疏水-疏水相互作用。另外,基质如卡波姆上含有强负电性的—COOH,可以和带正电的生物碱形成强烈的离子相互作用。一般来说,中药成分的含量越高,形成的分子间相互作用力越强,得到的凝胶黏弹性越高。另外,中药组分的加入顺序、添加方式、搅拌强度,中药组分和基质的相容性都会对成型产生影响。

Wang等[18]用甘草查尔酮A和光甘草定分别和卡波姆940基质制备成水凝胶,发现两种药物和基质的相容性均很高,采取红外光谱、拉曼光谱和分子模拟技术发现两者间形成了范德华力等相互作用,且光甘草定和卡波姆940基质间的分子间相互作用力比甘草查尔酮A和卡波姆940基质间的分子间相互作用力强。

2.2 中药经皮给药制剂释药过程的分子药剂学研究

中药经皮给药制剂的释药是指药物克服聚合物基质的分子障碍,从基质中释放出来到达皮肤表面的过程。从分子药剂学的角度分析,影响经皮给药制剂药物释放的因素主要包括药物-基质相互作用[19]和自由体积[20]。

2.2.1 药物-基质相互作用 经皮给药制剂聚合物分子中的官能团,如—COOH,—OH和—NH2可以和中药成分中的氢键受体或者氢键供体形成氢键,从而控制药物的释放。研究表明,聚合物分子中的—OH能增强药物与聚合物的混溶性,但对药物释放没有显著影响,而酰胺类聚合物则对碱性和酸性药物具有较强的控制释放能力[21]。一般来说,氢键供体对药物的释放比氢键受体的影响更大,当羧基作为氢键供体时,其与氢键受体形成的氢键强度最大,氨基次之,羟基最小。药物与聚合物分子之间形成的氢键强度越大,键长越长,药物的释放速率会越慢[22]。除此之外,药物与聚合物分子之间也会存在范德华力、电荷转移、离子相互作用、偶极-偶极相互作用等[23]。傅里叶红外光谱(FT-IR)、固体核磁共振(SSNMR)和分子模拟(MS)可用来描述药物与聚合物之间的相互作用情况。Wang等[18]发现分子间相互作用力并不是主导甘草查尔酮A和光甘草定凝胶药物释放的主要驱动力。因此,在药物释放时,应充分考虑药物在介质中的溶解度,凝胶的黏稠性等因素。Li等[17]采用离子对策略以饱和脂肪酸(Saturated fatty acids,SFA)作反离子制备尼古丁(Nicotine,NIC)贴剂,通过FT-IR和MS对NIC-SFA-PSA进行表征,发现SFA的加入使得NIC-SFA与PSA之间产生了较强的偶极-偶极相互作用,从而抑制贴剂中药物的释放。Luo等[11]采用含酰胺官能团的压敏胶(Pressure sensitive adhesive,PSA)制备透皮贴剂,发现随着药物的加入，PSA的—NH2向高波数移动,表明药物分子与酰胺官能团之间存在氢键相互作用。同时,将药物释放与氢键强度进行相关性分析,发现氢键是控制药物释放的主要驱动力,药物的释放速率与氢键强度呈负相关。

2.2.2 自由体积 自由体积被定义为聚合物中没有被物质占据的体积[24],自由体积理论认为,自由体积是控制凝胶药物释放的主要因素。中药经皮给药制剂中的自由体积会影响体系的分子迁移率和黏弹性等性质,小的自由体积直接限制药物从基质网络中释放[11]。不同的药物浓度和基质浓度形成的自由体积的大小和能力不同,因此药物的释放也会不同。玻璃化转变温度(Glass transition temperature,Tg)会随着聚合物中自由体积的改变而改变,因此,可以通过热重分析来反映聚合物自由体积形成的能力,Tg值越大,说明自由体积形成能力越差,聚合物的释药能力越差[20]。目前,差示扫描量热法[25]和正电子湮没寿命谱(Positron annihilation lifetime spectrum,PALS)[26]可以用来检测制剂中自由体积形成的能力和自由体积的大小。童想柳等[27]采用3种不同类型的PSA(含—COOH的PSA-1、含—OH的PSA-2和不含官能团的PSA-3)制备分散型贴剂,通过体外释药实验发现3种贴剂的释药行为存在差异,PSA-3释药速率最慢,采用DSC对3种PSA的热力学活性进行分析,发现PSA-3的Tg值最高,说明其热力学活性最低,自由体积的形成能力最差,不利于贴剂中药物的释放。

2.3 中药经皮给药渗透皮肤的分子药剂学研究

药物渗透皮肤是指药物穿过皮肤角质层,经过表皮、真皮及皮下组织后被吸收进入体循环的过程。皮肤角质层是影响药物渗透皮肤的主要屏障,由富含角蛋白的角质细胞和细胞间脂质构成,其中脂质主要由一定比例的神经酰胺、胆固醇和游离脂肪酸组成[28-29]。皮肤角质层中的脂质,蛋白质等分子含有的官能团,在经皮渗透过程中会与药物分子或制剂辅料产生新的分子间相互作用,从而影响药物的渗透。目前,常用ATR-FTIR、激光共聚焦显微镜(Confocal laser microscope,CLSM)、分子模拟等技术研究药物渗透皮肤的分子机制。Zhou等[30]将药物α-硫辛酸(α-Lipoic acid,ALA)与胺类化合物制成离子液体(Ionic liquid,IL),以提高ALA在乳液中的稳定性。体外透皮实验发现,制成IL后,ALA在皮肤角质层、表皮和真皮层(Viable epidermis and dermis,VED)中的滞留量显著升高。通过ATR-FTIR和分子对接技术对其中的分子机制进行探究,ATR-FTIR结果表明IL可使皮肤脂质特征峰(—CH2)向低波数偏移,分子对接计算IL与角质层、表皮和真皮层的混合能均很低,由此说明IL与皮质角质层、表皮和真皮层之间的分子间作用力更强,因此ALA在其中的滞留量更高。Gu等[31]用二肉豆蔻酰磷脂酰胆碱(Dimyristoyl-sn-glycero-3-phosphocholine,DMPC)的粗粒化模型来模拟皮肤脂质双分子层,计算药物丹皮酚(Paeonol,PAE)在皮肤角质层的扩散系数,结果表明,随着时间的增加,PAE逐渐接近DMPC,通过对PAE的扩散轨迹进行拟合,计算PAE在皮肤角质层的扩散系数为2.00×10-6cm2·h-1。Regno等[32]用神经酰胺、胆固醇和游离脂肪酸模拟小分子在皮肤脂质双分子层中的渗透,发现脂质在双分子层中不均匀分布,且皮下细胞中不存在连续的水通道。研究表明,小的极性分子,可从一个双分子层的头部区域通过干燥区跃迁到下一个双分子层,然后沿着双分子层渗透,穿过富含胆固醇的区域,到达双分子层的中心,然后横向扩散,到达另一个富含胆固醇的区域,通过该区域离开双分子层。

分子药剂学是从理论上模拟分子间的相互作用情况来研究中药经皮给药制剂的成型原理、体外释药及透皮过程,模拟结果可能会与实际情况存在差异。差异的产生说明除了分子间相互作用外,还有其他因素对经皮给药制剂的体外行为产生影响。Wang等[18]通过分子对接发现光甘草定凝胶的分子间相互作用显著强于甘草查尔酮A凝胶,由此推测光甘草定在凝胶中更难释放,但这一推测与体外释药结果矛盾。通过测定甘草查尔酮A和光甘草定在接收液中的溶解度,发现光甘草定的溶解度显著高于甘草查尔酮A,表明是药物在介质中扩散而非药物与凝胶基质的分子间相互作用主导释药过程。

2.4 中药渗透促进剂的分子机理

皮肤屏障是限制中药经皮给药制剂发挥疗效的主要因素,因此,应用促进剂来促进药物的经皮渗透成为经皮给药制剂克服皮肤屏障的主要方法[33]。中药渗透促进剂因其具有起效快、效果好、污染小、“药辅合一”等特点[34]而在中药经皮给药过程中广泛应用。关于中药渗透促进剂促进药物透皮吸收的分子机制,可概括为与皮肤脂质相互作用和角蛋白变性作用。

2.4.1 与皮肤脂质相互作用 中药渗透促进剂可与角质层中的脂质发生相互作用,使脂质排列的有序性降低,脂质的流动性增加,进而降低药物在角质层的扩散阻力,促进药物经皮吸收[35]。Yang等[36]发现薄荷醇能促进蛇床子素向皮肤角质层渗透,通过透射电子显微镜(Transmission electron microscope,TEM)和分子动力学模拟等方法发现,在低浓度下,薄荷醇可导致皮肤结构松弛,破坏角质层脂质有序结构,在高浓度下,薄荷醇不仅破坏角质层结构,还促进皮肤脂质形成反胶束结构,从而促进药物在角质层中的分配。Wang等[37]用甘草酸(Glycyrrhiza acid,GA)包载甘草查尔酮A(Licochalcone A,LA)制备给药胶束(GA-LA),通过扫描电子显微镜、ATR-FTIR和CLSM等技术研究该胶束经皮渗透的分子机制。实验发现,GA-LA可破坏皮肤表面的致密结构,导致角质层脱落,同时GA-LA引起角质层脂质扭曲和角蛋白变性,破坏皮肤屏障功能,促使药物向皮肤深层渗透。Kim等[38]将甘草酸与硝苯地平(Nifedipine,NF)制成复合物GA-NF,发现与游离NF相比,GA-NF复合物中NF的经皮透过量显著增加。运用全原子分子动力学模拟阐明其中的促渗机制,发现NF和GA可在脂质双分子层中形成氢键,导致NF通过脂质双分子层的能量势垒显著降低,从而使得NF的经皮渗透量显著增加。Liu等[39]通过ATR-FTIR、经皮水分散失(Transepidermal water loss,TEWL)和分子模拟等方法研究异胡薄荷醇癸酸酯(Isopulegol decanoate,ISO-10)短时间内促进氟比洛芬的经皮渗透的分子机制,发现给药30 min后,ISO-10可破坏皮肤脂质的有序排列,破坏皮肤屏障,从而促进药物的渗透。之后,角质层脂质接受ISO-10作为脂质双分子层的新成分,形成了一种新的稳定的排列,使得皮肤屏障的功能恢复,ISO-10的促渗作用减弱。Ruan等[40]利用ATR-FTIR和TEM研究白芥子油促进药物经皮渗透的分子机制,发现白芥子油可溶解角质层脂质,使角质层裂解剥离,层间距增加,从而减小皮肤对药物的阻滞,促进药物渗透皮肤。Dai等[41]通过分子模拟技术研究冰片促进蛇床子素经皮渗透的机制,发现冰片在低浓度下使脂质双分子层变得疏松,产生“拉”的效应,促进蛇床子素的经皮渗透。

中药渗透促进剂在与皮肤脂质相互作用时,还可通过提升角质层的溶解性能,增加药物在角质层中的溶解度,从而改善药物在皮肤中的分配,促进药物经皮吸收。Cui等[42]发现萜烯类化合物如冰片、樟脑、没药醇等可进入脂质双分子层,破坏其致密结构,并通过与药物普萘洛尔形成复合物来促进其在角质层中的分配,减少普萘洛尔达到稳定渗透通量所需的时间。Wang等[43]用神经酰胺-神经鞘氨醇、胆固醇和游离脂肪酸(2∶2∶1)的粗粒化模型模拟皮肤角质层,研究冰片和薄荷醇对5-氟尿嘧啶(5-Fluorouracil,5-Fu)促透的分子机制。结果表明,冰片可破坏角质层脂质双分子层、诱导瞬态孔隙的形成和增加5-Fu在角质层的扩散系数,而薄荷醇主要通过破坏角质层来促进药物渗透皮肤。

2.4.2 角蛋白变性作用 促渗剂也可与角蛋白相互作用,通过改变角蛋白的构象使其变性,进而破坏角蛋白的紧密结构,减小皮肤屏障的阻力,促进药物透皮。Li等[44]将肉桂酸(Cinnamic acid,CA)作为反离子与药物刺乌头碱(Lappaconitine,LA)形成离子对LA-CA,以促进刺乌头碱的经皮吸收,并通过ATR-FTIR、DSC和分子对接等技术对其中的分子机制进行探究。ATR-FTIR结果显示LA-CA使角蛋白特征峰向低波数偏移,DSC结果表明LA-CA可使角蛋白变性温度降低,说明LA-CA可改变角蛋白构象,使其由α-螺旋状转变为β-折叠状,从而增强刺乌头碱的经皮渗透。分子对接结果进一步表明,过量的CA也可与角蛋白之间形成氢键,通过与皮肤角蛋白相互作用,从而增加LA的经皮吸收。

3 展望

经皮给药制剂是常用制剂之一,近年来国内外学者从分子药剂学角度就其渗透皮肤方面开展了一些研究,但就中药经皮给药制剂的相关研究特别是其成型、释药过程的相关研究还较少,中药经皮给药制剂成型原理,其释药、经皮渗透行为的分子机制以及中药中含有的渗透促进剂促进药物渗透的分子机制还需进一步阐明。通过明确其中涉及的分子间相互作用及分子机制,对中药经皮给药制剂的开发和中药渗透促进剂的应用有一定的指导意义。