我國化學藥物晶型研究現狀與進展*

楊世穎，周健，張麗，呂揚，杜冠華

(中國醫學科學院北京協和醫學院藥物研究所1.晶型藥物研究北京市重點實驗室；2.藥物靶點研究與新藥篩選北京市重點實驗室，北京 100050)

一種物質存在兩種或兩種以上的固體物質狀態稱為多晶型現象，也稱“同質異晶現象”[1]。固體物質的多晶型現象在自然界中普遍存在，這一現象的發現可追溯到1832年，由前俄國科學家烏勒和列別克在研究苯甲酰胺化合物時首次發現[2]。這種現象普遍存在于有機物和無機物中，金剛石、石墨、富勒烯是多晶型在無機物中的典型代表。金剛石、石墨、富勒烯均由碳元素組成，但是三者的原子排列方式不同，石墨呈六邊形層狀排列，金剛石形成正四面體剛性骨架，富勒烯則呈足球狀籠型排列，這一結構上的差異直接導致三者物理化學性質和用途的巨大差異。同樣，多晶型現象也普遍存在于固體藥物中，據統計，化學藥中50%以上品種存在晶型問題，而臨床藥品中約80%以固體形式給藥，因此藥物的多晶型問題更加不容忽視。

1 藥物的多晶型

1.1藥物多晶型的研究意義 藥物不同晶型物質如無機物一樣，也會存在迥然不同的性質差異。至今已有很多報道表明藥物不同晶型間差異可以表現在外觀、熔點、密度、硬度、折光度等物理性質方面，也可以表現在溶解度、溶解速率等化學性質上，更重要的是常常體現在生物利用度、毒副作用等生物學性質上。此外，還可能具有穩定、亞穩定、不穩定等不同的熱力學穩定性質[3-5]。藥物的多晶型會直接影響藥品的有效性、安全性和藥品質量，這已經成為國際制藥領域的共識。除了對藥品本身的直接影響，藥物多晶型還會對藥物研發者帶來收益：一個藥物的新晶型可以形成繼化合物結構之后的物質層面的專利保護，從而有效延長藥物的自主知識產權。

1.2藥物多晶型的形成原因 了解藥物多晶型的形成原因對認識晶型物質本質、制定晶型研發策略、實現晶型質量控制等都具有重要的理論指導意義。對于藥物的多晶型而言，其形成的根本原因是分子結構與分子排列的變化，歸納起來，包括物質狀態差異、分子排列、分子構象、結晶溶劑結晶水、分子作用力等方面。但通常情況下，一個藥物的多晶型成因往往是多種因素共同作用的。除了這些根本原因使其從內在發生變化，不同環境參數的改變則是促使并誘導藥物產生不同晶型物質的外部因素。具體而言，樣品制備過程中的結晶溶劑系統，如單一溶劑的種類、混合溶劑的數量、種類與比例、溶液的過飽和度等化學參數，以及溫度、濕度、壓力、時間、速度等物理參數的改變，都可能誘導不同晶型的產生。

1.3多晶型在藥物研發中的意義 藥物晶型研究對于創新藥物和仿制藥物都具有重要意義。對于創新藥物而言，晶型研究意義首先在于可以改善原料藥(active pharmaceutical ingredient，API)成藥性。數據統計顯示，在確定了具有生物開發價值的藥物候選物中僅有不足40%能成功上市，這其中藥物候選物自身的理化性質，尤其是溶解性缺陷是導致其難以成藥的首要因素[6-7]。因此，通過晶型篩查尋找并確定具有有效性優勢的藥用晶型成為改善候選藥物成藥性的重要手段。其次，晶型研究能夠增加藥物的創新附加值，降低開發風險。眾所周知，對于原研企業而言，新藥的開發意味著投入大、周期長、風險高，許多候選藥物都夭折在臨床前研究階段，最終能夠成功上市的新藥寥寥可數。但倘若因臨床前研究的不夠完整、全面、深入，而導致其上市后退市，這種損失無疑更為慘痛。利托那韋就是典型案例[8]。利托那韋是雅培公司研發的抗艾滋病藥物，在研發期時認為只有一種晶型，于是開發半固體制劑并上市，但2年后發現半固體制劑中原料藥發生晶型轉變，轉化為一種溶解度很小，但更加穩定的新晶型，而這種晶型轉變嚴重影響該藥物的臨床療效，從而最終迫使利托那韋半固體制劑的生產停止并退出市場，原研公司也因此損失巨大。目前，我國原國家食品藥品監督管理總局(CFDA)在《化學藥物原料藥制備和結構確證研究的技術指導原則》等新藥申報指南中也指出，新化學實體藥物(1類新藥)必須開展晶型研究，這樣的要求與措施將在一定程度上降低由于晶型研究欠缺而導致的新藥研發失敗率。再次，晶型研究可以為創新藥物提供繼分子結構之后的第二次物質層面的保護，有效延長市場占有期。如英國葛蘭素公司研發的抗潰瘍藥雷尼替丁，晶I型專利過期后又發現晶II型，并以晶II型作為藥用晶型，通過申請新晶II型的專利保護，有效延長了藥物的專利效期，為制藥企業帶來豐厚利潤[9]。

對于仿制藥物而言，一方面，晶型技術往往是原研企業的核心技術機密，是原研產品的內控指標。要實現有效仿制必須攻克晶型專利技術壁壘，保證原料及固體制劑中原料晶型與原研產品一致，否則就會出現仿制藥質量療效不如原研藥的現象。在這方面，我國早在20世紀70年代就經歷過教訓。棕櫚氯霉素，也稱無味氯霉素，是一種水溶性極差的抗菌藥物，在體外無活性，在體內受胃腸道酯酶水解，釋出氯霉素而發揮療效。棕櫚氯霉素存在多晶型，其中B型為亞穩定晶型，具有較高的溶解度和生物利用度；A型穩定，但其血藥濃度僅為B型的1/7；C型為不穩定晶型，極易轉變為A型，所以應當以B型為藥用晶型。但我國1975年以前生產的棕櫚氯霉素的原料與制劑都無效的A型，后來通過對晶型研究才發現問題癥結，改進工藝，生產出具有生物活性的B型，并在《中華人民共和國藥典》品種項下質量標準中增加“晶A型含量不得大于10%”的晶型控制要求，這才保證國產棕櫚氯霉素的臨床療效[10]。另一方面，晶型專利常常可以成為仿制藥生產企業突破原研企業壟斷的有力武器。

2 晶型藥物的發展

2.1藥學發展進入晶型藥物研究時代 藥學家在不斷提高藥物療效與質量時經歷了漫長的過程。縱觀制藥領域的發展歷程，藥物的研發經歷了從關注藥物有效成分[復雜組分(中藥)→單一組分(化藥)]，到分子結構(平面結構→立體結構)，從化學純度(主成分純度→雜質控制)再到藥物手性(消旋體→單一手性)的進程，藥學家一步一步發現影響藥物療效與質量的關鍵因素。然而，當化學藥物在保證了藥物成分、結構、純度與手性之后，仍然存在著藥品質量與臨床療效不穩定現象，藥學家經過大量的科學實驗發現了另一個影響藥品質量與療效的關鍵因素——晶型(圖1)。發展至今，晶型藥物的研究已經成為繼手性藥物之后的又一研發熱點，可以說國際化學藥物的發展已經進入了晶型藥物研究時代。

2.2我國晶型藥物發展特點 結合我國的國情，我國目前的現代化學藥開發仍然是以仿制藥為主，創新為輔，我國市場應用的化學藥物95%是仿制藥。因此隨著國際制藥企業對藥物晶型的重視與利用，我國也隨之進入晶型藥物開發階段。目前市場上熱門的仿制藥物品種，很大比例都存在多晶型問題，如抗血小板聚集藥物硫酸氫氯吡格雷[11]、自由基清除劑依達拉奉[12]、抗真菌藥伏立康唑[13]、抗痛風新藥非布司他[14]、治療粒細胞白血病新藥伊馬替尼[15]、抗乙型肝炎病毒新藥恩替卡韋[16]等。

圖1 化學藥物研究的發展歷程

Fig.1Developmentofchemicaldrugresearch

我國是一個仿制藥大國，在我國藥品市場上，同時存在原研藥、進口仿制藥、國產仿制藥等，而國產仿制藥往往是多家生產，有的熱門品種甚至有幾百個批文。但醫生與患者普遍的印象是“國產藥不如進口藥”“仿制藥不如原研藥”。實際上，我國不同廠家生產的同一藥品，同一廠家生產的不同批號藥品療效也不相同。在這種情況下，國家出重拳，重點開展仿制藥質量和療效一致性評價。那么我國生產仿制藥的療效與質量問題到底出在哪里？藥品也都是符合《中華人民共和國藥典》標準、檢驗合格的，為什么還會有質量療效不一致的現象？究其原因，是有一些影響療效與質量的關鍵參數沒有控制。目前，對于影響藥品療效與質量的重要技術參數已經有普遍共識，主要集中在雜質、晶型、制劑三個方面。其中，雜質與制劑的影響已經不同程度地被重視，而晶型參數的控制則一直被忽略，因此晶型研究也成為仿制藥一致性評價工作中關鍵環節。

3 我國化學藥物晶型研究現狀與進展

我國的化學藥物晶型研究起步較晚，與國際發達國家存在一定差距。但是進入21世紀以來，隨著國內制藥領域對晶型的不斷重視以及藥學工作者的不懈努力，我國的化學藥物晶型研究取得長足進步。筆者將從基礎理論、技術方法、知識產權、研發監管這四個方面淺談我國晶型研究的現狀和進展。

3.1基礎理論 藥物晶型研究本質是研究藥物分子在空間的不同排列方式，屬于藥物晶體學研究范疇。藥物晶體學屬交叉學科，涵蓋藥學和晶體學的研究內容。在2009年前，我國尚無系統介紹晶型藥物研究理論的專業書籍。2009年由人民衛生出版社出版我國首部《晶型藥物》學術專著，該書系統地介紹相關基礎知識、技術方法與實踐應用，提出了許多經過實踐檢驗的新理論、新概念、新標準。例如，該書系統歸納闡明化學藥物引起多晶型現象的主要成因，揭示晶型物質狀態對成藥性的影響，創新性提出“優勢藥物晶型”新概念，闡述藥物的晶型研究策略與方法，提出晶型物質、溶解性、生物活性三者關系的新觀點，以及對無定型態晶型藥物的新認識等。截至目前，該書已成為國內研究生教材和藥學專業參考書，也被司法機構作為晶型專利糾紛的“司法鑒定”技術判斷依據。

在呂揚、杜冠華主編的組織下，《晶型藥物》第2版即將問世。在新版著作中，增加近年來的新發現、新發展與新認識，內容更加全面、豐富、先進。

3.2技術方法 系統的藥物晶型研究可以依次分為晶型的篩查制備、表征分析、成藥性評價和質量控制等不同階段。每個研究階段都有明確的研究目的與技術方法。

晶型的篩查制備技術其實涵蓋兩方面內容，一是晶型篩查，二是晶型制備，二者一理相通，所不同的是需要根據研究目的制定相應研究策略，晶型篩查目的是盡可能發現不同晶型物質狀態，為后續晶型評價，獲得優勢藥物晶型提供全面的物質基礎；而晶型制備則是更多關注產品的質量，即通過條件參數的優化，獲得盡可能純的晶型純品。在晶型的篩查制備技術中，可以采用化學方法、物理方法、化學物理聯合等多種方法。其中化學方法的核心是用不同溶劑將固體樣品完全溶解，通過不同的重結晶技術將溶劑去除，再次獲得固體樣品。化學方法涵蓋的技術多樣，可控因素較多，是晶型藥物研究中最為常用的方法，相較而言，其重要性比物理方法更勝一籌。按照重結晶技術種類劃分，常用的化學方法包括溶劑揮發法、旋轉蒸發法、回流重結晶法、快速沉淀法、噴霧干燥法、懸浮攪拌法、pH變化法等[17]。我國早期的晶型研究局限在使用幾種單一溶劑系統對樣品進行重結晶，以此來說明樣品是否存在多晶型問題。這顯然是不全面、不充分且遠遠不夠的。現在，對于一個藥物的系統晶型研究，應當對可能引起多晶型的化學因素(包括溶劑種類、數量、比例、飽和度等)和物理因素(溫度、壓力、速度、濕度等)進行全面考察，設計多因素、多水平、多參數聯動的篩查方案。通常完成一個藥物的系統晶型篩查研究要開展300～500次不同條件下篩查實驗，是一項工作量龐大的研究。在國外，人力成本高，晶型篩查的研究更多地應用自動化程度較高的高通量篩查方法，這種方法省時、省力、省樣品，但也存在可靠性低、再現性差的缺點；而在國內，人力成本相對較低，仍然以人工手動篩查為主，相對而言，手動篩查雖然費時、費力，對樣品需求量也較多，但當方案設計合理時該方法更加可靠，工藝易于重現放大，因此更適合目前的中國國情。

晶型的檢測分析技術是藥學家闡釋晶型成因、認識晶型本質的“眼睛”，定性方法可以實現藥物不同晶型的識別與鑒定，定量方法可以完成原料藥晶型純度與制劑晶型含量的質量控制。在藥物晶型的研究中，晶型的檢測分析技術一向是備受關注的領域，許多文獻綜述都是圍繞這一方面展開[18-20]。目前應用于晶型領域的檢測方法，根據其技術原理可以大體分為以下幾種。①衍射分析：包括單晶X射線衍射分析、粉末X射線衍射分析，屬藥物晶型研究的權威技術方法；②熱分析：主要包括差示掃描量熱分析、熱重分析、熔點分析等，適用于熱力學性質差異較大或含有結晶溶劑、結晶水的晶型物質；③光譜分析：主要包括紅外光譜、近紅外光譜、拉曼光譜等；④波譜分析：如固態磁共振波譜法；⑤顯微分析：包括光學顯微鏡、掃描電子顯微鏡、熱載臺顯微鏡、偏光顯微鏡等；⑥其他方法：如近年來興起的太赫茲、動態水吸附等。這些不同原理的技術方法從不同角度指征晶型物質間的差異，對于不同藥物具有不同的有效性與特征性。對藥物不同晶型物質具有特征性的有效檢測分析方法，即可以用于藥物的晶型質量控制。在進行晶型質量控制時，原料藥的質量控制相對來說較為簡單，上述涉及的各種方法，只要是對這個藥物不同晶型物質有特征性的都可以用于其定性控制，在定量質量控制方面，粉末X射線衍射方法最為常用，也可應用差示掃描量熱、紅外光譜、拉曼光譜、固態磁共振波譜法等。但是對于復雜多成分組成的藥物制劑而言，其制劑中原料藥晶型的定性與定量檢測通常只能依賴于粉末X射線衍射分析，其分析優勢是由粉末X射線衍射為物相鑒別方法的原理所決定的[21]。此外，在晶型質量控制技術方面，我國仍然以常規的離線檢測為主，但隨著在線檢測技術的迅速發展與推廣，近年來許多制藥企業引進在線分析技術。目前應用較多就是在線粉末衍射分析與在線拉曼光譜分析，可實現生產線上動態質量控制[22]。

晶型成藥性評價的目的是確定“優勢藥物晶型”，其內涵已不僅僅局限于單純的溶解性測定，而是逐漸形成涵蓋藥物晶型物質的安全性，有效性(包括體外溶解性、體內生物活性等)，質量穩定性，生產可行性等多方面內容的系統評價技術。但不可否認地，晶型物質的有效性評價仍然是決定其成藥性的最關鍵要素。新晶型是否具有有效性優勢，人體評價當然是最佳模式，但卻不能用于進行早期評價。鑒于藥物溶解性與生物活性的密切關系，體外的溶解性(溶出度)評價一度成為判斷晶型物質活性優劣的主要手段，事實上這種方法也確實能夠在一定程度上反映問題，但是由于生物體和藥物吸收過程的復雜性，體外實驗難以完全模擬體內環境，故條件單一的溶解性(溶出度)檢測無法完全反映晶型物質的吸收差異，僅具有一定的參考價值。因此，建立動物模型體內活性評價對于晶型藥物來說十分必要，其研究結果更具科學性，更能反映藥物晶型活性的真實差異。在進行體內活性評價時，選擇適當的給藥方式以保持晶型物質的固體狀態是實驗成功的關鍵所在[23]。目前，行業內進行晶型的體內活性評價時經常以小鼠或大鼠為研究對象建立整體動物模型，但鑒于這些小動物無法定量吞咽固體，故動物給藥方式常采用懸浮液給藥，一方面這種給藥方式不能反映臨床用藥的特點，更重要的是晶型物質在配制懸浮液時容易發生轉晶，使給藥后無法真實反映出晶型物質的體內吸收實際情況。為此，杜冠華[24]發明一種小動物固體給藥裝置，可以直接將固體藥物打到小動物胃中實現固體給藥，為準確表征晶型藥物在生物體內的吸收與代謝過程提供關鍵技術，使科學研究數據更加準確并接近人體口服固體制劑的真實狀態。

綜上所述，在技術方法方面，我國已經突破國外技術封鎖，建成完整的化學藥物晶型關鍵技術體系[25]。

3.3知識產權 藥物晶型研究已然成為21世紀制藥領域的熱點研究問題，隨著藥學家對于藥物晶型認識的逐漸深入，藥物晶型相關的知識產權保護也成為制藥商家的必爭之地。從我國的晶型相關專利申請量來看，2000年以后晶型專利申請量逐年增加，其中來源于國內申請量增加更顯著，間接說明國內制藥領域對于藥物晶型重視程度的增加[26]。

與此同時，我國的晶型專利審查標準也隨著對晶型認識的深入而逐漸提高。尤其體現在“創造性”的判定上。在早期的晶型專利實審過程中，一般認為雖然本領域技術人員可以預料到晶型物質的改變可能改善藥物的性質，但是晶型的獲得并非是顯而易見的，因此，“當某一晶型物質具備新穎性時，自然而然地具備創造性”這一觀點是被認可的。但隨著對藥物晶型認識的不斷深入，專利審查中對創造性判定標準也逐步提高，目前對晶型物質創造性的評判標準已基本達成共識，即：化合物晶型屬化學結構相似的產品，因此只有在其相對于已知化合物產生預料不到的用途或效果的前提下，該晶型物質才具備創造性，反之，則不具備創造性。目前專利實質性審查在評價藥物晶型創造性時，已經形成了“三步法”的整體評價思路，即：①確定最接近的現有技術；②確定發明的區別特征和發明實際解決的技術問題；③判斷要求保護的發明對本領域的技術人員來說是否顯而易見[27-28]。

此外，近年來基于藥物晶型問題的專利訴訟糾紛呈增長態勢。專利權人與訴訟請求人之間展開“侵權”與“無效”的技術博弈。可喜的是，在國內晶型研究技術實力提升的支持下，國內制藥企業在與國際大型制藥企業的專利糾紛中也逐漸扭轉劣勢并最終贏得勝利，例如阿托伐他汀鈣的晶型專利無效案就經歷8年抗辯的波折過程，此案件被最高人民法院評為“2015 年中國法院十大知識產權案件”之一[29]。

3.4研發監管 客觀上講，進入21世紀后，我國的藥物晶型研究才迎來快速發展時期。我國制藥領域從制藥企業，到藥品研發機構，再到藥品評審和監管部門都經歷一個從對晶型“不清楚、不關注”到“知道、了解”再到“十分重視”的過程。

強桂芬等[30]2009年曾對我國的晶型藥物管理情況進行綜述，指出我國當時實施的《藥品管理法》和《藥品注冊管理辦法》中還沒有針對晶型藥物晶型分類管理的具體規定，但在藥品審評過程中，針對申請注冊的晶型藥物逐漸形成了不成文的評審技術要點，新藥評審也參照原國家食品藥品管理局(SFDA)在2007年制定的《化學藥物原料藥制備和結構確證研究的技術指導原則》和《化學藥物制劑研究基本技術指導原則》，這兩份文件中對化學藥物原料藥和制劑研究中涉及的晶型問題進行相關規定，但其內容并不全面。作者在文末還指出，為更好地保證藥品的質量和療效，應重點加強和完善《中華人民共和國藥典》中關于藥物晶型的檢測技術和標準。

目前，我國關于晶型藥物的研發監管已經有了顯著的變化，主要體現在兩個方面。第一，在新修訂的《藥品注冊管理辦法》中對化學藥品的注冊分類修改為：創新藥、改良型新藥、仿制藥，其中改良型新藥范疇涵蓋以已知化合物的新晶型物質作為藥用原料而開發的創新藥物，這解決舊版化藥注冊分類方法對晶型藥物而言沒有合理歸屬類別的尷尬，使晶型相關的新藥注冊申請管理更加科學、合理、規范。第二，《中華人民共和國藥典》作為我國藥品研究的基本法典，在藥物晶型方面取得了巨大進步。1985年版《中華人民共和國藥典》中收錄了第一個晶型藥物品種，1990年版增加第二個品種，歷經30年，現行《中華人民共和國藥典》中仍然只有棕櫚氯霉素、甲苯咪唑兩個品種明確多晶型現象，并進行了晶型質量控制，這與發達國家和地區的藥典相比相差甚遠。雖然在晶型藥物品種方面，我國藥典的標準相對落后，但《中華人民共和國藥典》2015年版四部首次收載了“藥品晶型研究及晶型質量控制指導原則”[31]，并于2015年12月實施，其內容涉及藥物多晶型的基本概念、晶型樣品的制備、晶型物質狀態的穩定性、晶型藥物的生物學評價、晶型藥物的溶解性或溶出度評價、藥品晶型質量控制方法(晶型種類鑒別與晶型含量分析)等晶型藥物研究的各個方面，實現我國晶型藥物的國家技術規范從無到有，到國際領先的歷史性跨越，為我國晶型藥物開發、高效仿制、質量監管，提供了技術與標準支撐。由這些變化可以看出，我國的晶型藥物研發監管正在日趨完善并逐漸與國際接軌。

4 結束語

近十余年中，我國的晶型藥物研究經歷飛速發展時期，行業整體認識已經有了質的提升，但是有些問題仍然值得強調，例如：在新藥的研發過程中，晶型研究介入的時間越早越好；晶型篩查研究力求全面，避免漏篩，降低風險；晶型物質的有效性評價建議采用固體給藥下的體內生物利用度評價方式，更加準確、真實；晶型質量控制的終極目標是保證晶型固體制劑中的原料藥為綜合評價最佳的優勢藥用晶型。

面對國際化學藥物晶型發展的新趨勢，我國的制藥行業已經隨之進入了晶型藥物研究時代；隨著我國仿制藥質量療效一致性評價工作的持續推動與開展，晶型標準已經逐漸成為標志藥品質量的新高度[32]；在如此的國際國內環境下，我國的晶型藥物研發正在面臨新的機遇與新的挑戰，相信我國的晶型藥物研究水平在研發機構、制藥企業、監管部門等各方的共同努力下會不斷提升，持續縮小與國際的差距，為我國人民用上質優價廉的藥物保駕護航。