口服药物的体外吸收模型
口服缓控释制剂的体内外相关性(IVIVC)
口服缓控释制剂的体外相关性(IVIVC)1993年，USP/AAPS/FDA主办的研讨会指出，体外相关性(IVIVC)建立的目的是以溶出度试验替代生物等效性试验、以及用IVIVC辅助制定溶出度质量标准。
缓控释制剂的定义缓释制剂指在规定的释放介质中，按要求缓慢地非恒速释放一物，与相应的普通制剂比较，给药频率比普通制剂减少一或有所减少，且能显著增加患者依从性的制剂；控释制剂指在规定的释放介质中，按要求缓慢地恒速释放一物，与相应的普通制剂比较，给药频率比普通制剂减少一或有所减少，血药浓度比缓释制剂更加平稳，且能显著增力患者依从性的制剂。
缓控释制剂的共同特点是用药后能在较长时间持续释放药物，使药物按适当的速度缓慢进入体，从而使血药浓度“峰谷”波动较小，可避免超过治疗血药浓度围引起的不良反应，又能较长时间保持在有效浓度围之以维持疗效。
体外评价常用的体外评价法也就是体外溶出释放度的测定，即通过模拟人体消化道，对制剂中药物释放的程度和速度进行测定；体外溶出释放度的测定既是口服缓控释制剂处工艺筛选的重要指标，也是有效控制产品质量的重要指标。
在研发阶段，应考察药物在不同条件下(不同介质、不同法、不同转速)下的释放度，以充分了解药物的释药特性，同时为后期确定质量标准中采用的释放度测定法提供依据。
测定溶出度的仪器首选I法(篮法)或II法(桨法)，采用药典规定的转速(如篮法100rpm、桨法50-75rpm)。
某些情况洗，可使用III法(往复筒法)或IV法(流通池法)。
体评价药物在体的评价常用生物利用度与生物等效性作为指标，其中，生物利用度是指药物经吸收进入人体循环的速度与程度，描述了口服药物由胃肠道吸收并经过肝脏最终到达体循环血液中的药量与口服剂量的比值；生物等效性(即BE试验)是指药学等效制剂或可替换药物，在相同试验条件下，服用相同剂量，其活性成分吸收程度和速度的差异无统计学意义。
体外相关性IVIVC体外相关性(in vitro - in viv cocorrelation, IVIVC)是将药物剂型体外的释药情况与其体相应的应答关联起来，用数学模型描述药物体外性质(药物溶出的速率或程度)与体特性(血药浓度或药物吸收量)的关系。
Caco-2细胞模型
Caco-2细胞系来源于人的直肠癌，其结构和生 化作用类似于人小肠上皮细胞，含有与小肠刷状缘 上皮相关的酶系，与正常的成熟小肠上皮细胞在体 外培育过程中出现逆向分化(反分化)不同，Caco-2 细胞在传统的细胞培养条件下，生长在多孔的可渗 透的聚碳酸酯膜上可达到融合并自发分化为肠上皮 细胞，形成连续的单层(monolayer)。
培育约3星期后，其电阻值达到400 Ω（有的 要求达到600Ω），它们形成致密的细胞单层， 结构和生化作用类似于小肠上皮细胞，3-5天 内适合进行转运试验。
Caco-2 Cell Culture Model
AP Side (Lumen) BL Side (Serosal)
B to A
A to B
Caco-2细胞模型的局限性 但是，Caco-2细胞与人小肠上皮也有一定差
异，在研究药物转运中表现出一定的局限性，如:
①缺少粘蛋白产生细胞，缺少肠壁粘液层；
②具有较高的细胞通透性，若喂养次数多，某些酶 载体或细胞内容物溢出；
③缺少某些代谢酶；
④细胞的培养和代系对于Caco-2细胞形态学和生理 性质有影响，引起细胞对药物转运产生差别；
Apical to Basolateral Transport: Absorptive Transport Basolateral to Apical Transport: Secretory Transport
Efflux to both sides
Caco-2细胞模型的优点 ①Caco-2细胞虽然是来源于人的结肠癌细胞，但在
尽管Caco-2细胞模型有许多限制，但是在阐明药物吸 收机制，预测体内吸收和药物相互作用，设计有更好 吸收和更高生物利用度的口服药物或制剂并评价它们 的安全性等方面仍然是一个很好的工具。
预测药物吸收的数学模型
预测药物吸收的数学模型
药物吸收数学模型主要有三类：零级吸收模型、一级吸收模型和二级吸收模型。
1. 零级吸收模型
零级吸收模型假设药物在体内吸收的速率是固定的，与给药剂量无关。
该模型适用于药物在口腔、胃和肠道中完全溶解的情况，例如某些小分子药物和营养补充剂。
数学表达式：C = k0 × t
其中，C为体内药物浓度，k0为吸收速率常数，t为时间。
2. 一级吸收模型
一级吸收模型假设药物在体内吸收的速率与药物浓度成正比例。
该模型适用于药物在口腔、胃和肠道中部分溶解的情况，例如某些抗生素和抗肿瘤药物。
数学表达式：dC/dt = k1 × (Cmax - C)
其中，Cmax为最大药物浓度，k1为吸收速率常数。
3. 二级吸收模型
二级吸收模型假设药物吸收速率与药物浓度的平方成正比例。
该模型适用于药物在口腔、胃和肠道中几乎不溶解的情况，例如某些固体药物。
数学表达式：dC/dt = k2 × (Cmax - C)2
其中，Cmax为最大药物浓度，k2为吸收速率常数。
以上三种数学模型是常用的药物吸收预测模型，在药物研发和临床应用中发挥重要作用。
药物研发的体外模型：模拟人体环境的创新
药物研发的体外模型：模拟人体环境的创新在药物研发领域，科学家们一直在寻找更精准、高效的方法来预测药物在人体内的作用。
传统的药物测试方法往往耗时耗力，且存在一定的风险和不确定性。
而近年来，一种名为“体外模型”的技术逐渐崭露头角，为药物研发带来了革命性的变革。
体外模型是一种模拟人体环境的实验系统，它通过构建细胞、组织或器官水平的生物模型，模拟药物在人体内的吸收、分布、代谢和排泄等过程。
这种技术的出现，就像是一位巧手的画家，用画笔勾勒出了一幅生动的药物研发图景。
首先，体外模型具有极高的仿真度。
它能够真实地再现人体内的生理和病理状态，为药物研发提供了一个近乎完美的实验平台。
这就像是在一片荒芜的土地上，突然生长出了一片绿洲，为科学家们提供了一个理想的研究场所。
其次，体外模型大大提高了药物研发的效率。
传统的药物测试方法往往需要大量的动物实验和临床试验，不仅耗时耗力，而且存在很大的不确定性。
而体外模型的出现，就像是给药物研发装上了一双翅膀，让它能够更快地飞向成功的彼岸。
然而，尽管体外模型具有诸多优势，但我们也不得不面对一些挑战和问题。
首先，体外模型的构建和维护成本较高，这对于许多研究机构和企业来说是一个不小的负担。
其次，体外模型虽然能够模拟人体的生理和病理状态，但它并不能完全替代动物实验和临床试验。
因此，在使用体外模型进行药物研发时，我们还需要保持谨慎的态度。
总的来说，体外模型作为一种创新的药物研发技术，为我们提供了一个高效、精准的研究平台。
它就像是一座连接现实与未来的桥梁，让我们能够更好地理解和预测药物在人体内的作用。
然而，我们也需要认识到它的局限性和挑战，以更加科学、合理的方式运用这一技术。
在未来，随着科学技术的不断进步和发展，我相信体外模型将会在药物研发领域发挥越来越重要的作用。
它将会像一把锐利的剑，帮助我们斩断疾病的束缚，为人类的健康事业贡献更大的力量。
Caco_2细胞模型在中药口服吸收及机制研究中的应用
Caco-2细胞模型在中药口服吸收及机制研究中的应用韩雪1,2* ,陈奇1,2,薛佳1,2,胡扬1,2（1.国家教育部抗肿瘤天然药物工程研究中心，哈尔滨 150076;2．哈尔滨商业大学生命科学与环境科学研究中心，哈尔滨 150076）摘 要：吸收过程是决定口服药物生物利用度的重要因素,Caco-2细胞模型是目前国内外广泛应用的体外吸收模型,已迅速发展成为研究药物吸收的必备手段,并已获美国FDA批准用作药物筛选模型。
值得关注的是,用Caco-2细胞模型来研究中药复杂成分的吸收有助于对中药有效成分的了解。
对Caco-2细胞模型在中药口服吸收及机制研究方面的应用加以综述。
关键词:Caco-2细胞模型；口服吸收；药物透过Caco-2单细胞层的体外过程与药物口服在肠中的吸收有良好的相关性,因而该模型可用来研究药物的结构与吸收的关系,使我们在细胞水平上认识药物在肠中的吸收和转运达到了一个新的水平。
由于Caco-2细胞系体外模型可以避免许多不确定的变化因素,可以在一定控制条件下对药物进行高通量筛选。
因此, Caco-2细胞系体外模型的研究结果重现性好,药物结构与吸收相关性的信息量大,有利于总结出一些基本规律,从而进一步指导新药筛选。
但Caco-2细胞系体外模型也有其缺点。
(1)由于存在药物溶出、肝代谢等因素，Caco-2细胞系体外模型不能用来预测药物的绝对生物利用度。
(2)Caco-2细胞所表达的酶和载体的状况与体内状况有较大的差异。
所以药物在Caco-2细胞的通透性只能用来预测药物生物利用度的参考。
如果能用分子克隆的方法在Caco-2细胞中插入Caco-2细胞本身没有的、在正常人肠细胞中存在的已知结构的酶或载体，将会提供一个在更高水平上研究药物吸收和转运的机遇。
(3)细胞间通道的通透性低和缺乏肠吸收时的屏障是Caco-2细胞系体外模型的另一缺点。
由肠杯状细胞群产生的粘液层（主要成分是粘蛋白）是药物肠吸收的主要屏障，所以Caco-2细胞系体外模型的药物吸收与在生理条件下的吸收有一定的偏差。
口服药物的吸收
小分子水溶性药物可以通过
（二）、载体媒介转运（carrier-mediated transport） 主动转运(active transport) ：借助载体或酶促系
统，可以从膜的低浓度一侧向高浓度一侧转运。
特点：逆浓度梯度 、载体、消耗能量 、竞争抑制
性 、饱和现象、结构和吸收部位特异性、受代谢抑制
脂溶性药物
主动转运
active transport 载体、能量 饱和现象 内源性物质
促进扩散 facilitated diffusion 载体、浓度差
饱和现象 极性药物
膜动转运 membrane mobile transport
大分子化合物
水溶性小分子 P-gp外排（P-glycoprotein efflux）：与吸收反方向
剂影响。
转运物质：内源性物质 米氏方程： - dC/dt = VmC/(Km+ C)
转运速度
被动转运 载体媒介转运
浓度
促进扩散（易化扩散 ，facilitated diffusion）
在细胞膜载体帮助下，由膜高浓度侧向低浓度
侧扩散。
特点：顺浓度梯度 、载体、不消耗能量等。 转运物质：水溶性不好，脂溶性也比较差，如
（四）食物的影响
胃内粘度增加，吸收水分，影响崩解和溶出速度
改变胃排空速率，影响吸收速度或吸收量
高脂肪食物增加难溶性药物的吸收：灰黄霉素
高蛋白食物影响以主动转运吸收的药物：左旋多巴
（五）药物在肠内的代谢：消化酶、肠道菌群产酶
二、循环系统因素
（一）血液循环：血流速度与透膜速度
（二）肝首过作用：liver first pass effect
Caco-2细胞模型解析
培育约 3星期后，其电阻值达到 400 Ω（有的 要求达到 600Ω），它们形成致密的细胞单层， 结构和生化作用类似于小肠上皮细胞， 3-5 天 内适合进行转运试验。
Caco-2 Cell Culture Model
AP Side (Lumen) BL Side (Serosal)
B to A
A to B
③Caco-2 细胞模型可同时对大批量药物进行快速筛
选，所需药物量少，仅需要数毫克即可；
④培养成熟的 Caco-2 细胞是致密的单层细胞，具有 与正常的小肠上皮细胞相同的极性，可以从不同方 向进行摄取和转运实验，可用于区分肠腔内吸收的 差别；
Caco-2细胞模型的局限性 但是， Caco-2 细胞与人小肠上皮也有一定差 异，在研究药物转运中表现出一定的局限性，如: ①缺少粘蛋白产生细胞，缺少肠壁粘液层； ②具有较高的细胞通透性，若喂养次数多，某些酶 载体或细胞内容物溢出； ③缺少某些代谢酶；
道吸收的细胞模型。也是迄今为止的最好的肠道转
运模型和上皮转运模型。
Caco-2细胞系来源于人的直肠癌，其结构和生
化作用类似于人小肠上皮细胞，含有与小肠刷状缘 上皮相关的酶系，与正常的成熟小肠上皮细胞在体 外培育过程中出现逆向分化(反分化)不同，Caco-2 细胞在传统的细胞培养条件下，生长在多孔的可渗 透的聚碳酸酯膜上可达到融合并自发分化为肠上皮 细胞，形成连续的单层(monolayer)。
Apical to Basolateral Transport: Absorptive Transport Basolateral to Apical Transport: Secretory Transport
Efflux to both sides
口服固体制剂的体外溶出试验及体内外相关性研究进展
口服固体制剂的体外溶出试验及体内外相关性研究进展目的：为口服固体制剂的体外溶出试验和体内外相关性（IVIVC）研究的进一步开展提供参考。
方法：以“体外溶出试验”“体内外相关性”“滞后时间”“时間校正因子”“Dissolution test”“IVIVC”“Lag time”“Time scaling”等为关键词，组合检索中国知网、PubMed、Elsevier、Springer等数据库中收录的1990年1月-2017年12月期间发表的相关研究文献，结合笔者自身的研究经验和认识，进行归纳和总结，重点探讨了不同分级IVIVC尤其是A级IVIVC的建立方法。
结果与结论：共获得有效文献39篇。
影响口服固体制剂在体内吸收的主要限制因素为药物活性成分的溶出和跨膜吸收性质，当前的IVIVC主要建立在药物体内吸收符合胃排空或溶出限速特征的基本前提下。
与口服固体制剂的体内药动学研究相比，其体外溶出研究尚未实现严格的标准化，为使体外溶出试验与体内溶出/吸收过程具有更好的相关性，生物相关介质和仿生溶出系统等将是今后的发展方向。
常见的各级IVIVC中，A级IVIVC可以提供最多的信息，优先推荐建立和使用A级IVIVC，此时药物的体外溶出行为往往可以准确反映其体内吸收过程；其次是多重C级以及B级、C级和D级IVIVC。
而随着仿生溶出系统和计算机数据拟合技术等的发展，将来的IVIVC研究并不会局限于缓控释制剂或生物药剂学分类属Ⅱ类药物的速释制剂，可能会有更多关于生物药剂学分类属Ⅲ、Ⅳ类药物的IVIVC研究。
关键词体外溶出试验；体内外相关性；滞后时间；时间校正因子体外溶出试验和溶出行为研究不仅在口服固体制剂的研发和终产品的质量控制中发挥着不可替代的作用，而且是建立体内外相关性（in vitro-in vivo correlations，IVIVC）的基础。
IVIVC是用以描述药物体外溶出特征（通常是药物的体外溶出速率或程度）与体内反应（如血浆药物浓度或吸收的药物总量）间相关关系的一种预测性数学模型。
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•Immunosuppressive Drugs •Anti-gout agent
Colchicine
•Steroids
Dexamethasone Progesterone Cortisol
•Antibiotic
Erythromycin
•Anti-tuberculous agent
Rifampin
Schematic Illustration of MDR1, MRP1, MRP2, MRP3, MRP5 and BCRP in Transfected Polarized Epithelial Cells
Drug metabolite
Multidrug Resistance Transporters (MDR1, MRP2, BCRP)
MDR1 (P-glycoprotein, P-gp)
Substrates e.g. Digoxin Inhibitors e.g. GF120918
A
B
Examples of Drugs That are Substrates for MDR1
M
View of Intestinal Mucosa, Pre-1990 A
? Current View of Intestinal Mucosa
Apical Paracellular Diffusion Transcellular Diffusion Metabolism A B Efflux Transport
A
C D
Basolateral
Multidrug Resistance Transporters and CYP3As Form a Concerted Barrier to Drug Absorption
Apical side
Metabolized
CYP3As Basolateral side
Substrate drug
Correlation between Oral Absorption in Humans and Membrane Permeability (Papp) in Caco-2 Cells
P. Artursson et al., Adv. Drug Del. Rev. 46: 27-43 (2001)
Models Used to Determine the Intestinal Mucosal Permeation Characteristics of a Drug Candidate
•Oral dosing of animals or humans •Intestinal perfusion studies in humans •Dosing of animals through a chronic cannula in the intestinal lumen •In Situ intestinal perfusion studies in animals •Efflux transporter-gene knockout mice •In Vitro permeation studies using excised human or animal intestinal mucosal tissues •In Vitro permeation studies using cell culture models •PAMPA, IAM •Gastro Plus
History of Cell Culture Models Used to Predict Drug Permeation across the Intestinal Mucosa
Late 1980s-Mid 1990s: Caco-2 cells Mid 1990s: Caco-2 cells vs. MDCK cells
Questions Concerning MDCK-MDR1/MDCK-MRP2 Cells as the Model of the Intestinal Mucosa
MDR1/MRP2 cDNA
MDCK cells
MDCK-MDR1/MRP2 cells
When compared with Caco-2 cells, do these cell lines : express the same protein ? exhibit polarized efflux ? exhibit the same kinetics and affinity for substrates ?
DQ Papp =
PA to B
Apical (A)
DQ/Dt: The linear appearance rate of mass in the receiver solution.
A: Cell monolayer surface area.
Dt · A ·C0
Cell Monolayer
Basolateral (B)
•Cancer drugs
Vinblastine Vincristine Taxol Daunorubicin Etoposide Cyclosporin A FK506
•HIV protease inhibitors
Amprenavir Indinavir
•Cardiac drugs
Digoxin Quinidine
C0: The initial concentration in the donor solution. Apically localized efflux transporter (e.g. MDR1) Substrate drug (e.g. Digoxin)
PB to A
Ratio of PB to A/PA to B : An indicator of efflux activity of transporter in cell monolayer
In Vitro Models for Oral Drug Absorption
Outline
Physical and Biochemical Barrier for Oral Drug Absorption and In Vitro models for drug absorption Evaluation of the Method Caco -2 Cell Suitability Use of Caco–2 and Factor Affecting Permeation of NCE Continuous Dissolution/Caco-2 System for Formulation Screening of NCEB
Intestinal Perfusion Studies in Humans
Correlation between Fraction Absorbed of d-Glucose and Phenazone in Human Regional Perfusion Study
Drug Absorption Study in situ and in Conscious Rat
In Situ Rat Intestinal Perfusion
0.2ml/min Pump Donor Blood
• Animals: MaleSpragueDawley rats weighing 350400g were used. • Perfusion solution: NaH2PO4 (57.9mM), Na2SO4 (79.6mM), pH 7.5.
Expression of MDR1 in Caco-2, MDCK-WT, and MDCK-MDR1 Cells
KD M 1A 1B 2A 2B 250
3A 3B
4A 4B
148
M: marker, A: 5 µg protein B: 10 µg protein. 1: Caco-2, 2: MDCK-WT, 3: MDCKMDR1 (low passage), 4: MDCK-MDR1 (high passage).
Apical side
Tight junction
MDR1 MRP1 MRP2 MRP3 MRP5 BCRP
Basolateral side
Reference: P. Borst et al., BBA 1461,347-357 (1999) J. Jonker et al., JNCI 92 (20), 1651-1656 (2000)
Intestinal Mucosa: A Physical and Biochemical Barrier for Oral Drug Absorption
E L
Light micrograph of monkey small intestinal mucosa illustrating the three layers of the mucosa: the epithelium (E), the lamina propria (L), and the muscularis mucosa (M). (taken from J. L. Madera and J. S. Trier in Physiology of the Gastrointestinal Tract (L. R. Johnson, Ed.), 2nd Edition, Raven Press, New York, 1987, p.1210)
MDCK Cell Monolayer System
J. D. Irvine et al., JPS 88, 28(1999)
Papp values in MDCK cells correlated well with those in Caco-2 cells The correlation between MDCK Papp values and human intestinal absorption is similar to the results observed with Caco-2 MDCK grow faster than Caco-2 (1 week vs 3 weeks)