表面改性/可控释放的阿米卡星负载脂质基混合纳米囊泡：基于设计质量（QbD）的制备方法及BCS III类药物的药代动力学评估

《Journal of Drug Delivery Science and Technology》：Surface Modified/Controlled Release Amikacin-Loaded Lipidic-Based Hybrid Nanovesicles: Quality by Design (QbD) Endorsed Fabrication and Pharmacokinetic Assessment of a BCS Class III Drug

霍萨姆·S·埃尔-萨维|穆罕默德·阿姆兰|穆罕默德·H·德索基|塔梅尔·H·哈桑|沙迪德·加德|曼杜赫·M·戈拉布|穆罕默德·F·扎基•用于克服阿米卡星（AMK；BCS III类药物）生物利用度问题的脂质基混合纳米载体•优化后的脂质基混合纳米载体可实现90.8%的阿米卡星包封率，并具有双相二级释放特性•在Wistar大鼠药代动力学研究中，阿米卡星的生物利用度提升了1.6倍•体外实验显示，其对肺炎克雷伯菌和大肠杆菌的抗菌活性翻倍•表面修饰的协同作用显著改善了药物的药代动力学性能•该技术可在提高治疗效果的同时降低阿米卡星的用量及其毒性引言根据生物制药分类系统（BCS），影响药物吸收速率和程度的关键因素是其溶解度以及穿过生物膜的通透性。尤其是BCS III类药物，属于亲水性化合物，虽然上皮细胞通透性较低，但在体液中的溶解度很高[1]。因此，许多BCS III类药物仍需通过注射方式给药。所以，制药行业的主要任务就是为这类药物设计合适的递送系统，以提高其疗效、安全性以及患者的用药依从性。已有研究证实，BCS III类抗生素在抑制多种有害细菌方面效果显著。近几十年来，研究人员又开发出了几类新型抗生素，这类抗生素曾被视为治疗细菌感染和慢性疾病的最后手段[2]。氨基糖苷类、氟喹诺酮类和β-内酰胺类是三种最常用的抗生素类别[3]。然而，由于细菌具有极高的适应性，能够不断适应变化的环境并经历进化，导致它们对抗生素的耐药性持续上升，使得控制和治疗这类感染变得越来越困难[4]。此外，细菌还能形成生物膜，附着在植入物表面、医疗设备以及日常物品上，而这些生物膜极难清除[5]。由于氨基糖苷类抗生素具有更优的药代动力学和化学性质、更广的抗菌范围以及更快的抑菌效果，因此它比其他类型的抗生素更具优势[6]。革兰氏阴性菌感染通常采用硫酸阿米卡星（AMK）进行治疗，这是一种有效的氨基糖苷类抗生素[7]。但由于AMK属于BCS III类药物，细胞膜通透性低、亲水性高且毒性较大，因此需要将其封装在特定的载体中，以降低其毒性并提高疗效[8]。因此，可以通过多种策略来确保AMK在目标部位发挥足够的作用，从而提高其活性、减少用量，进而提升安全性。纳米级载体已成为一种极为强大的工具，能够轻松改变并优化药物的药代动力学和药效学特性[9]。先前的研究已经证明了纳米载体通过实现靶向和可控的药物递送，能够提升所载药物的总体疗效[10]。针对AMK，人们设计了多种方法和纳米结构，以安全高效的方式递送该药物。例如，通过薄膜分散法，人们制备出了负载阿米卡星的固体脂质纳米颗粒（SLNs）。研究表明，这类SLNs具有携带大量药物成分并实现长效释放的潜力[11]。另一种方法是使用与阿米卡星结合的银纳米颗粒，这样可以提高药物的稳定性[12]。为了增强阿米卡星对细菌生物膜，尤其是铜绿假单胞菌生物膜的杀灭作用，人们还采用了乳化法制备了负载阿米卡星的纳米囊泡[8]。不过，目前许多方法存在一些缺陷，包括阿米卡星的包封率较低[13]、用于制造纳米载体的材料成本高昂、载体直径增大后会失去稳定性，以及需要足够高的阿米卡星浓度才能达到治疗剂量[14]。此外，即便是一些看似极具前景的方法，也仍需经过严格的纯化处理，以去除配方中可能存在的有害物质。例如，对于那种高效的口服型阿米卡星负载硫醇化聚乙二醇化壳聚糖脂质复合物，就需要经过多次纯化处理并进行检测，以确保最终产品中不含有害的2-亚氨基硫烷盐酸盐键合结构[15]。因此，对于各种抗菌应用而言，研发更安全、更高效的阿米卡星递送系统至关重要。抗生素的过度使用还会导致多重耐药菌的产生，甚至更严重的抗生素耐药性问题。因此，降低抗生素的用量对于防止抗生素耐药性的出现非常重要[16]。从现有情况来看，核酶囊泡已被广泛应用于各种生命科学领域。这类纳米载体可简单理解为纳米级的两亲性药物递送系统，通常是通过将胆固醇与非离子表面活性剂结合在一起而制成的，这些表面活性剂可以单独使用，也可与其他成分组合使用[17]。根据相关研究，核酶囊泡能够增加药物在目标部位的积累，从而最大化治疗效果[18]。此外，先前的研究还表明，这类基于两亲性的纳米囊泡能够提高药物在目标部位的吸收率、降低其毒性、延长其在体内的循环时间，并提高药物的稳定性[19]。良好的生物利用度、较高的化学稳定性、可生物降解性、低毒性、能够携带亲水性和疏水性药物成分，以及较低的制造成本，这些都是促使这类纳米载体得到广泛应用的优点[20]。由于这类两亲性药物载体能够实现可控的药物释放，且副作用较少，同时还能降低药物耐药性的产生，因此可被视为治疗传染病的理想选择[21][22]。它们的独特特性有助于维持血浆中的药物浓度在有效范围内，提高负载抗生素的两亲性纳米载体的抗菌效率，进而降低所需的抗生素用量。因此，本研究中使用的两亲性脂质纳米制剂是一种有效的策略，有助于降低抗生素耐药性的出现概率[23]。根据纳米载体表面的特性以及所选涂层的类型，可以通过多种技术对其表面进行功能化处理。目前已有一些功能性涂层被用于疾病检测、提高药物在细胞内的摄取率以及实现靶向药物递送，这些涂层包括肽类、聚合物、寡核苷酸和抗体等[24]。壳聚糖因其具有抗菌、增稠、凝胶化、可生物降解以及安全性高等特性，已被广泛应用于食品和制药行业[25]。在研究新型药物递送方法时，人们也经常使用这种聚合物。无论是口服、局部涂抹、静脉注射、直肠给药、经皮给药还是阴道给药，壳聚糖都具有诸多优势，应用范围也很广[26][27]。另一方面，亲水性聚合物聚乙二醇（PEG）也被用于纳米载体的表面修饰，它性质稳定、无刺激性且无毒。PEG链能够阻止纳米药物递送系统与血浆蛋白结合，从而增加系统的稳定性。由于这种保护作用提升了药物的生物分布效率，使其在作用部位停留的时间更长，因此也进一步改善了负载在纳米载体中的药物的药代动力学和药效学特性[28][29]。基于上述背景，本研究设计的脂质基混合纳米囊泡就考虑到了使用这类表面修饰聚合物。为了获得质量最佳的纳米囊泡，还需要精心选择适当的聚合物、表面活性剂和胆固醇的用量。本研究采用了“设计驱动质量”（QbD）方法。在设计脂质纳米载体及其他药物递送系统时，实验设计法是一种非常实用且有效的工具，因为它能够在有限的实验次数内同时考察多个变量[30][31]。其中，Box-Behnken设计法是一种备受推崇的优化技术，它擅长构建数学模型，用于分析自变量与因变量之间的关联关系[32]。总之，本研究旨在探究以脂质为基础的混合纳米囊泡制剂中各组分的组成如何影响阿米卡星（作为BCS III类药物的模型）的包封效率、囊泡大小、表面电荷以及释放行为，同时评估这些制剂参数（主要是PEG化处理和壳聚糖添加）如何影响药物的抗菌活性及体内生物利用度。在本研究之前，我们已为改善BCS III类药物的递送效果奠定了基础[30]，而本研究则是我们多方向研究计划中的重要第二阶段。之前的研究侧重于通过使用低HLB值的两亲性分子来优化囊泡的核心成分，以提高药物的包封率和释放效果；而本研究则重点探讨表面修饰（尤其是PEG化处理和壳聚糖化处理）对负载阿米卡星的脂质基混合纳米载体的药代动力学特性和抗菌性能的协同影响。这些研究成果将为我们继续努力开发实用、高效的解决方案，以便在制药领域得到应用，提供有力支持。材料部分埃及国际制药工业公司（EIPICO）慷慨提供了阿米卡星（位于埃及开罗的斋月第十日城）。此外，埃及苏伊士运河大学药学部国家研究中心也提供了磷钨酸钾。胆固醇和Span 40（单棕榈酸山梨坦）由Sigma Aldrich公司（美国密苏里州圣路易斯市）提供。Span 60（单硬脂酸山梨坦）则由位于德国海德堡的Merck Schuchardit OHG公司供应。结果与讨论值得指出的是，这项研究是我们更广泛研究计划的一部分，该计划的目的是克服BCS III类药物在生物制药方面的局限性。按照我们之前研究中所制定的规划路线图[15][30]（其中强调了需要探索多种纳米囊泡平台来进一步优化药物递送），本研究将脂质基混合纳米载体作为这一多方向研究计划中的下一阶段进行研究。结论虽然以往的研究中已有关于PEG和壳聚糖单独应用的记载，但本研究取得了多项核心创新成果，使其区别于传统的阿米卡星纳米载体。首先，该平台采用了简单的物理薄膜水合和电荷介导的涂层技术，完全避免了传统聚合物混合系统通常需要的有害化学交联剂以及复杂的纯化流程。其次，它解决了传统方法中包封率较低的问题。作者贡献声明穆罕默德·扎基：写作——审稿与编辑、写作——初稿撰写、可视化、验证、软件应用、正式分析、数据整理。塔梅尔·哈桑：写作——审稿与编辑、项目指导、正式分析、数据整理。穆罕默德·德索基：写作——初稿撰写、验证、方法设计、实验研究。曼杜赫·戈拉布：项目指导、资源协调、项目管理、正式分析。沙迪德·加德：写作——审稿与编辑、项目指导、资源协调、项目管理、正式分析、数据整理。伦理声明动物实验方案已获得苏伊士运河大学药学院伦理委员会的批准（批准号：202111MA2）。体内药代动力学研究是按照ARRIVE（动物研究：体内实验报告规范）指南进行的。此外，本研究还遵循了美国国立卫生研究院关于实验室动物饲养和使用的指南（NIH出版物编号8023，1978年修订版）。利益冲突声明作者声明自己没有已知的可能影响本文研究结果的财务利益或个人关系。数据可用性本研究中的数据均包含在本文中。如有其他相关数据，将会应要求提供。关于写作过程中生成式人工智能和人工智能辅助技术的声明在本研究中，作者仅少量使用了QuillBot的改写工具（免费标准版本），仅用于提升文本的流畅性和可读性。文章的内容完全由作者负责。他们还确认，在使用该工具后，对文本进行了仔细的审查和编辑，以确保内容的准确性和原创性。资金支持本研究未获得任何资金支持。利益冲突声明? 作者声明自己没有已知的可能影响本文研究结果的财务利益或个人关系。