肺結核治療的新方向——抗結核藥物的肺部遞送

諶茜

摘 要 本文結合肺部的解剖學和生理學特征以及肺結核的病理學特征重點闡釋了抗結核藥物肺部遞送的優勢和應關注的問題。通過近幾年若干肺部遞送抗結核藥物的研究實例說明了肺結核治療的這一新途徑的可行性。

關鍵詞 肺結核 肺部遞送 巨噬細胞靶向 空氣動力學直徑

中圖分類號：R943； R521 文獻標識碼：A 文章編號：1006-1533（2016）17-0071-07

A new direction for tuberculosis treatment— the pulmonary delivery of anti-tuberculosis drugs

CHEN Xi*（Sichuan Nursing Vocational College， Chengdu 610100， China）

ABSTRACT This review highlights the advantages of the pulmonary delivery of anti-TB agents and the associated concerns based on the understanding of the characteristics of both the anatomy and physiology of the lung and the TB pathology. The feasibility of this new drug delivery approach has been recently proven by some case-studies on the pulmonary delivery of anti-TB agents.

KEY WORDS tuberculosis； pulmonary delivery； macrophage targeting； aerodynamic diameter

肺結核是一種由空氣中結核分枝桿菌引起的細胞內感染性疾病，是一種慢性傳染性疾病。目前肺結核的治療仍呈現巨大的挑戰，一方面是由于過長的治療周期，另一方面是復雜的多種藥物療法帶來的不可預知的不良反應。將抗結核藥物通過感染途徑直接遞送至呼吸系統似乎是一種較為合理的手段。它可避免藥物的首過效應，降低藥物導致的全身不良反應，也為提高藥物對病灶的靶向作用創造了條件。

1 呼吸系統

1.1 呼吸系統的解剖學及生理學基礎

呼吸系統可以被分為兩個功能區域，即呼吸道和肺部。呼吸道由鼻腔，咽，喉，氣管，支氣管和各級支氣管分支組成，是氣體進出肺部的通道。這個部分類似于一棵樹的樹干和樹枝。肺部則包含呼吸性細支氣管，肺泡管，肺泡囊以及肺泡。呼吸道最遠端的終端細支氣管分支為呼吸性細支氣管，其進一步細分為肺泡管，肺泡囊和肺泡。氣體交換就發生在肺泡部分。與呼吸道相比，肺部更像是一棵樹的葉子。

人體呼吸道的表面積約為2～3 m2，而肺泡的表面積則高達100 m2左右[1]。除了表面積上巨大差異外，兩個主要的功能區域的上皮組織結構也存在著顯著的差異。呼吸道包含自上而下由逐漸變細的上皮組織，人體支氣管（human bronchi）上皮細胞直徑約為3～5 mm，而終端細支氣管（terminal bronchioles）的上皮細胞僅有0.5～1 mm[1]，其上均覆蓋著用于保護的黏液層（圖1）。與此相比，肺泡（alveoli）則是由直徑更小的單層上皮細胞組成。除了上皮組織直徑上的明顯差異外，由支氣管至肺泡上的上皮組織厚度也從約70 μm驟降至0.1～0.2 μm，這同時也就表明由肺入血的生物學屏障在逐漸變薄[3]。

在肺泡中，單層的上皮組織主要由肺泡1型細胞組成，其約覆蓋肺泡表面積的96%。除此之外，分布于肺泡囊中心的主要是肺泡1型母細胞及少量能產生肺部表面活性劑的肺泡2型細胞[4]。肺部表面活性劑構成了覆蓋于肺泡上皮組織的內襯層。在氣體交換的表面則由肺部巨噬細胞“巡邏”（每5億個肺泡有12～14個巨噬細胞）[5]，它們主要負責吞噬和消化異源顆粒、過多的表面活性劑、病毒和細菌[6]。

1.2 適于肺部遞送顆粒的基礎要求

吸入的顆粒在呼吸系統中沉降的位置主要基于顆粒的空氣動力學直徑，這一參數主要由顆粒的幾何學直徑、密度及形狀決定[7]。圖2直觀地闡釋了顆粒的空氣動力學直徑對其在呼吸道中沉降位置的影響。根據圖中的曲線可以看出，通過制備不同空氣動力學直徑的顆粒可以有效地控制它們在呼吸道的沉降位置，從而達到理想的治療效果。例如，如果藥物顆粒需要被遞送的肺泡區域（alveolar region），1～5 μm，特別是3 μm的顆粒是較為理想的。另一方面，如果藥物的靶點在呼吸道（airways）中，空氣動力學直徑為5～10 μm的顆粒最為理想。

在設計吸入藥物時，除了顆粒的沉降位置，顆粒的清除機制也應充分考慮。沉降在呼吸系統中的顆粒被清除的機制主要取決于其幾何學直徑、沉降位置和在呼吸系統液體中的溶解度[4]。無論是吸收還是非吸收的清除方式，不溶的吸入顆粒首先接觸的是呼吸道中的黏液層或是肺泡中的內襯液層。盡管巨噬細胞也少量分布于呼吸道中[6，9]，但在此區域中的不溶顆粒的主要清除方式是黏液纖毛清除[10]。這種清除方式可以保證大多數不溶顆粒在24～48 h內被清除[11-12]。然而一些納米顆粒在沉降到呼吸道遠端后，可能會通過那里較薄的黏液層從而避免被黏膜纖毛清除[9]。沉降到肺泡區域的不溶顆粒，其主要的清除方式是巨噬細胞的吞噬[13]。而巨噬細胞的攝取取決于顆粒大小。一般來說，1～3 μm的顆粒是最易被巨噬細胞識別和吞噬的[14-15]。那些更小的納米顆粒可能主要與非吞噬的上皮細胞相作用[16]，或穿過較薄的上皮細胞進入血液。之前有研究表明幾何學直徑為10～20 μm的多孔顆粒可以沉降在深肺區域并能有效地避免巨噬細胞的吞噬[17-18]。對于那些在一個軸線上大于20 μm的顆粒，如納米纖維，太長而不能被巨噬細胞（細胞直徑大多為15～20 μm）攝取。上述的這些不能被清除的顆粒可能會在肺中滯留數月或數年，甚至會引起一些非特異性的肺部炎癥反應[19-20]。總的來看，基于不用的治療目的，在設計吸入藥物時均應考慮顆粒的沉降位置和清除方式。

2 肺結核

2.1 肺結核的流行病學

肺結核是由結核分枝桿菌引起的一種慢性傳染性細菌疾病。根據聯合國衛生組織在2013發布的全球結核病報告，2012年新增結核病人約860萬，其中約130萬死亡病例[21]。近些年，人類免疫缺陷病毒（human immunodeficiency virus， HIV）的傳播促使了結核病的發展。2012年130萬結核病死亡病例中就有30萬是由艾滋病引發的[21]。除此之外，多重耐藥菌株（multi-drug resistant strain， MDR strain），即至少對利福平和異煙肼兩種一線抗結核藥物耐藥的菌株[22]，和最近出現的廣泛耐藥菌株（extensively drug resistant strain， XDR strain）， 即在多重耐藥菌株的基礎上對奎諾酮類抗生素和至少一種可注射的二線抗結核病藥物耐藥的新型菌株[23]，使得肺結核的治療變得更為復雜和困難。

2.2 肺結核的發病機制

結核分枝桿菌能夠感染人體的很多器官，包括骨，腦膜，泌尿系統及皮膚。但據估計超過80%的結核分枝桿菌的感染發生在肺部[24]，而且肺部的頂端是易感染部位。因此，肺結核的發病機制將在下面的內容中被重點討論。

結核分枝桿菌在肺中的生命周期如圖3所示。細菌的感染始于帶有細菌的并且具有合適的空氣動力學直徑的液滴在肺部的沉降[26]。據估計最小的感染數量僅為1個結核分枝桿菌[25]。入侵的細菌進入肺泡部位后將會被肺泡巨噬細胞識別和吞噬。除了巨噬細胞，在感染的初始階段體內專職的抗原呈遞細胞（antigen presenting cells， APCs），如樹突狀細胞，也會與侵入的結核分枝桿菌相作用[27]。由于結核分枝桿菌的特殊性，被巨噬細胞吞噬的細菌不僅能有效地避免被溶酶體分解而且可以在巨噬細胞內復制新個體[28-29]。被感染的巨噬細胞會向上皮組織擴散，從而引起來自血管內單核細胞數量的增加。這些單核細胞與被感染的巨噬細胞一起形成了早期的感染灶（granuloma），這也是肺結核最明顯的病理學特質。盡管對這一結構的認識尚不夠明確，但有理由相信這是一種不同的免疫細胞（特別是T細胞和巨噬細胞）圍繞被感染的巨噬細胞的特殊結構[30]。細菌在巨噬細胞內快速復制之后，感染灶將會被新形成的纖維結構包裹。與此同時，通過感染灶的血管數量驟減，使得結構內出現低氧狀態從而抑制細菌的復制。隨著空穴在感染灶內的增加，灶內開始逐漸塌陷壞死，結核分枝桿菌重新被釋放到呼吸體統中，從而開始新的周期。

2.3 肺結核的現行治療方式及限制

肺結核的治療目標包括防止復發的治愈、傳染源的控制及耐藥性的預防[23，31]。為實現這些目標，長時間地服用多種抗結核藥物時必須的。口服抗生素是治療和控制肺結核的標準方式。目前一線抗結核病藥物包括利福平（rifampicin， RIF）、異煙肼（isoniazid， INH）、吡嗪酰胺（pyrazinamide， PZA）和乙胺丁醇（ethambutol， EMB）。世界衛生組織（WHO）推薦的結核病治療方式要求多重藥物療法[32]，包括①在初始期的兩個月每日服用RIF，INH，PZA和EMB；②在之后的四個月每日或每周三次服用RIF和INH；③對于多重耐藥肺結核的治療，WHO建議長達20個月服用多種一線及二線抗結核病藥物[22]。如此長的治療周期和復雜的療法將會帶來不可預知的不良反應及不理想的病人順應性[33]。因此，對現行肺結核療法的改進應聚焦到如何縮短治療周期和降低藥物不良反應上。

3 肺部遞送藥物在肺結核治療中的優勢

與肺部遞送抗結核藥物相比，口服需要經歷胃腸道的降解和首過效應的代謝。盡管在口服和注射抗結核藥物后，可達到理想的血藥濃度，但這并不表示可將足夠的藥物量遞送至病灶部位。為了到達作用靶點，抗結核藥物必須從血管中轉移至感染灶。在新生感染灶中血管量豐富，尚可為藥物的遞送提供充足的機會。但發展到后期的感染灶中血管量驟減，藥物必須通過血液進入感染灶，之后擴散至空穴中，再穿過富含脂質的結核分枝桿菌細胞膜，最終與其作用靶點相結合（圖4）。在后期的感染灶中存在著大量的停止復制的細菌，而匱乏的血流量卻不能將足夠的藥物量遞送至此。因此，選用合適的肺部藥物遞送體統不僅能在減少全身藥物量的前提下實現較高的局部藥物濃度[35-36]，而且可以靶向作用于那些被細菌感染的巨噬細胞。

首先，靶向作用于巨噬細胞的前提是將載有藥物的顆粒遞送至感染部位（肺泡區域）。根據以前的結論，載有藥物的顆粒應具有1～5 μm（最優為3 μm）的空氣動力學直徑才能保證可有效沉降于肺泡區域。其次，當顆粒沉降至肺泡區域之后，它們應較易被細菌感染的巨噬細胞識別并吞噬。幾何學直徑1～3 μm的顆粒較易被肺泡內的巨噬細胞吞噬。圖5闡釋了載有利福平的聚乳糖-羥基乙酸共聚物〔Poly（lactic-co-glycolic） acid， PLGA〕顆粒（平均直徑為2 μm）被巨噬細胞吞噬的效率。數據顯示，在相同的藥物濃度下，利用顆粒包裹的藥物遞送系統相比于單純的藥物溶液對巨噬細胞具有更高的遞送效率。有趣的是，有研究表明被感染的巨噬細胞吞噬顆粒的能力較未感染的巨噬細胞高[38]，這為靶向遞送抗結核藥物提供了更大的可能。

根據以上兩點，為了實現肺部遞送并靶向作用于巨噬細胞，載有藥物的最適宜顆粒應該具有1～5 μm的空氣動力學直徑和1～3 μm的幾何學直徑。如果使用的輔料密度低于水的密度（1 g/cm3），如一些脂質材料，忽略其形狀等因素的考慮，則顆粒的空氣動力學直徑可能會略小于其幾何學直徑，這與我們想要的結果是不一致的。在此種情況下應考慮一些特殊的顆粒制備技術，如噴霧干燥和冷凍干燥技術。另外，由于顆粒沉降后將會直接與水環境相接觸，為確保藥物能被巨噬細胞細胞吞噬，水不溶性材料可能更為合適。當然，除了顆粒大小和材質還有很多方面會影響巨噬細胞的選擇性吞噬，文獻在這方面做了很好的總結[39]。

4 用于治療肺結核的吸入藥物顆粒

近年來，通過肺部遞送的方式來治療肺結核引起了廣泛的關注，特別是以干粉吸入劑的形式進行遞送。用于肺部遞送的粉末顆粒應具有良好的粉末學性質（如良好的粉末流動性），合適的空氣動力學直徑，并且能被肺部巨噬細胞選擇性攝取。表1中列出了近4年來一些通過肺部遞送方式來治療肺結核的文獻信息。

5 展望

基于對呼吸系統生理學和肺結核病理學的認識，肺部遞送抗結核藥物為肺結核的治療提供了新的途徑。就制劑方面而言，為實現安全高效的治療目的，選擇合適的遞送系統顯得尤為重要。近幾年來，對于遞送顆粒的制備及輔料的選擇，學術界已經進行了深入地研究，但劑型的臨床前研究仍顯不足。在未來的研究中，基于肺部遞送抗結核藥物的可行性、制劑技術及臨床前研究的工作應給予更多的關注。

參考文獻

[1] Patton JS. Mechanisms of macromolecule absorption by the lungs[J]. Adv Drug Deliver Rev， 1996， 19（1）： 3-36.

[2] Patton JS， Byron PR. Inhaling medicines： delivering drugs to the body through the lungs[J]. Nat Rev Drug Discov， 2007， 6（1）： 67-74.

[3] Courrier HM， Butz N， Vandamme TF. Pulmonary drug delivery systems： recent developments and prospects[J]. Crit Rev Ther Drug Carrier Syst， 2002， 19（4-5）： 425-498.

[4] Weber S， Zimmer A， Pardeike J. Solid lipid nanoparticles（SLN） and nanostructured lipid carriers （NLC） for pulmonary application： a review of the state of the art[J]. Eur J Pharm Biopharm， 2014， 86（1）： 7-22.

[5] Stone KC， Mercer RR， Gehr P， et al. Allometric relationships of cell numbers ？and size in the mammalian lung[J]. Am J Resp Cell Mol， 1992， 6（2）： 235-243.

[6] Bur M， Henning A， Hein S， et al. Inhalative nanomedicineopportunities and ？challenges[J]. Inhal Toxicol， 2009， 21（S1）： 137-143.

[7] Telko MJ， Hickey AJ. Dry powder inhaler formulation[J]. Resp Care， 2005， 50（9）： 1209-1227.

[8] Byron PR. Prediction of drug residence times in regions of the human respiratory tract following aerosol inhalation[J]. J Pharma Sci-US， 1986， 75（5）： 433-438.

[9] M？ller W， H？u？inger K， Winkler-Heil R， et al. Mucociliary and long-term particle clearance in the airways of healthy nonsmoker subjects[J]. J Appl Physiol， 2004， 97（6）： 2200-2206.

[10] Lippmann M， Yeates DB， Albert RE. Deposition， retention， and clearance of inhaled particles[J]. Br J Ind Med， 1980， 37（4）： 337-362.

[11] Newman SP， Agnew JE， Pavia D， et al. Inhaled aerosols： lung deposition and clinical applications[J]. Clin Phys Physiol Meas， 1982， 3（1）： 1-20.

[12] Gonda I. Aerosols for delivery of therapeutic and diagnostic agents to the ？respiratory tract[J]. Crit Rev Ther Drug Carrier Syst， 1989， 6（4）： 273-313.

[13] Sibille Y， Reynolds HY. Macrophages and polymorphonuclear neutrophils in lung defense and injury[J]. Am Rev Respir Dis， 1990， 141（2）： 471-501.

[14] Chono S， Tanino T， Seki T， et al. Influence of particle size on drug delivery to rat alveolar macrophages following pulmonary administration of ciprofloxacin incorporated into liposomes[J]. J Drug Target， 2006， 14（8）： 557-566.

[15] Lawlor C， OSullivan MP， Sivadas N， et al. The application of high-content analysis in the study of targeted particulate delivery systems for intracellular drug delivery to alveolar macrophages[J]. Mol Pharm， 2011， 8（4）： 1100-1112.

[16] Yang W， Peters JI， Williams III RO. Inhaled nanoparticles—a current review[J]. Int J Pharm， 2008， 356（1）： 239-247.

[17] Edwards DA， Ben-Jebria A， Langer R. Recent advances in pulmonary drug delivery using large， porous inhaled particles[J]. J Appl Physiol， 1998， 85（2）： 379-385.

[18] Edwards DA， Dunbar C. Bioengineering of therapeutic aerosols[J]. Annu Rev Biomed Eng， 2002， 4（1）： 93-107.

[19] Borm PJA， Kreyling W. Toxicological hazards of inhaled nanoparticles—potential implications for drug delivery[J]. J Nanosci Nanotechnol， 2004， 4（5）： 521-531.

[20] Hoet PHM， Brüske-Hohlfeld I， Salata OV. Nanoparticles–known and unknown health risks[J/OL]. J Nanobiotechnol， 2004， 2-12. DOI： 10.1186/1477-3155-2-12.

[21] World Health Organization. Global tuberculosis report 2013[EB/OL]. [2016-07-08]. http：//apps.who.int/iris/bitstre am/10665/91355/1/9789241564656_eng.pdf. ？

[22] Falzon D， Jaramillo E， Schünemann HJ， et al. WHO guidelines for the programmatic management of drug-resistant tuberculosis： 2011 update[J]. Eur J Hum Genet， 2011， 38（3）： 516-528.

[23] Dube D， Agrawal GP， Vyas SP. Tuberculosis： from molecular pathogenesis to effective drug carrier design[J]. Drug Discov Today， 2012， 17（13-14）： 760-773.

[24] Pandey R， Khuller GK. Antitubercular inhaled therapy： opportunities， progress and challenges[J]. J Antimicro Chemoth， 2005， 55（4）： 430-435.

[25] Russell DG， Barry CE 3rd， Flynn JL. Tuberculosis： what we dont know can， and does， hurt us[J]. Science， 2010， 328（5980）： 852-856.

[26] Kaufmann SHE. How can immunology contribute to the control of tuberculosis？[J]. Nat Rev Immunol， 2001， 1（1）： 20-30.

[27] Wolf AJ， Linas B， Trevejo-Nu？ez GJ， et al. Mycobacterium tuberculosis infects dendritic cells with high frequency and impairs their function in vivo[J]. J Immunol， 2007， 179（4）： 2509-2519.

[28] Armstrong JA， Hart PDA. Response of cultured macrophages to Mycobacterium tuberculosis， with observations on fusion of lysosomes with phagosomes[J]. J Exp Med， 1971， 134（3）： 713-740.

[29] Sinai AP， Joiner KA. Safe haven： the cell biology of nonfusogenic pathogen vacuoles[J]. Annu Rev Microbiol， 1997， 51（1）： 415-462.

[30] Gordon S， Keshav S， Stein M. BCG-induced granuloma formation in murine tissues[J]. Immunobiology， 1994， 191（4）： 369-377.

[31] Muttil P， Wang C， Hickey AJ. Inhaled drug delivery for tuberculosis therapy[J]. Pharm Res， 2009， 26（11）： 2401-2416.

[32] World Health Organization. Fixed-dose combination tablets for the treatment of tuberculosis[EB/OL]. [2016-07-28] http：// apps.who.int/iris/bitstream/10665/65981/1/WHO_CDS_ CPC_TB_99.267.pdf.

[33] Prabakaran D， Singh P， Jaganathan KS， et al. Osmotically regulated asymmetric capsular systems for simultaneous sustained delivery of anti-tubercular drugs[J]. J Controlled Release， 2004， 95（2）： 239-248.

[34] Dartois V. The path of anti-tuberculosis drugs： from blood to lesions to mycobacterial cells[J]. Nat Rev Microbiol， 2014， 12（3）： 159-167.

[35] Zhou H， Zhang Y， Biggs DL， et al. Microparticle-based lung delivery of INH decreases INH metabolism and targets alveolar macrophages[J]. J Controlled Release， 2005， 107（2）： 288-299.

[36] Du Toit LC， Pillay V， Danckwerts MP. Tuberculosis chemotherapy： current drug delivery approaches[J/OL]. Respir Res， 2006， 7： 118. DOI： 10.1186/1465-9921-7-118.

[37] Misra A， Hickey AJ， Rossi C， et al. Inhaled drug therapy for treatment of tuberculosis[J]. Tuberculosis， 2011， 91（1）： 71-81.

[38] Hirota K， Tomoda K， Inagawa H， et al. Stimulation of phagocytic activity of alveolar macrophages toward artificial microspheres by infection with mycobacteria[J]. Pharm Res， 2008， 25（6）： 1420-1430.

[39] Patel B， Gupta N， Ahsan F. Particle engineering to enhance or lessen particle uptake by alveolar macrophages and to influence the therapeutic outcome[J]. Eur J Pharm Biopharm， 2015， 89： 163-174.

[40] Park JH， Jin HE， Kim DD， et al. Chitosan microspheres as an alveolar macrophage delivery system of ofloxacin via pulmonary inhalation[J]. Int J Pharm， 2013， 441（1–2）： 562-569.

[41] Maretti E， Rossi T， Bondi M， et al. Inhaled solid lipid microparticles to target alveolar macrophages for tuberculosis[J]. Int J Pharm， 2013， 462（1-2）： 74-82.

[42] Garcia Contreras L， Sung J， Ibrahim M， et al. Pharmacokinetics of inhaled rifampicin porous particles for tuberculosis treatment： insight into rifampicin absorption from the lungs of guinea pigs[J]. Mol Pharm， 2015， 12（8）： 2642-2650.

[43] Chuan J， Li Y， Yang L， et al. Enhanced rifampicin delivery to alveolar macrophages by solid lipid nanoparticles[J]. J Nanopart Res， 2013， 15（5）： 1-9.

[44] Gaspar DP， Faria V， Gon？alves L， et al. Rifabutin-loaded solid lipid nanoparticles for inhaled antitubercular therapy： Physicochemical and in vitro， studies[J]. Int J Pharm， 2015， 497（1-2）： 199-209.

[45] Eedara BB， Tucker IG， Das SC. Phospholipid-based pyrazinamide spray-dried inhalable powders for treating tuberculosis[J]. Int J Pharm， 2016， 506（1-2）：174-183.

[46] Parumasivam T， Chan JG， Pang A， et al. In vitro evaluation of novel inhalable dry powders consisting of thioridazine and rifapentine for rapid tuberculosis treatment[J]. Eur J Pharm Biopharm， 2016， 107： 205-214.

[47] Goyal AK， Garg T， Rath G， et al. Development and characterization of nanoembedded microparticles for pulmonary delivery of antitubercular drugs against experimental tuberculosis[J]. Mol Pharm， 2015， 12（11）： 3839-3850.

[48] Garg T， Goyal AK， Rath G， et al. Spray-dried particles as pulmonary delivery system of anti-tubercular drugs： design， optimization， in vitro and in vivo evaluation[J/OL]. Pharm Dev Technol， 2015， 1-10. DOI： 10.3109/10837450.2015.1081613.

[49] Parumasivam T， Leung SS， Quan DH， et al. Rifapentineloaded PLGA microparticles for tuberculosis inhaled therapy： Preparation and in vitro aerosol characterization[J]. Eur J Pharm Sci， 2016， 88： 1-11.