探索一種動(dòng)物肺部給藥的裝置

趙玲 楊琳媛 牟淑琴

摘 要 ?目的：設(shè)計(jì)一種動(dòng)物肺部給藥裝置，使吸入性粉霧劑霧化并較好地分布到肺葉深部，從而使藥物更好更快地被吸收，為動(dòng)物肺部給藥的臨床前研究提供參考。方法：查閱國內(nèi)外文獻(xiàn)，通過動(dòng)物肺部給藥裝置的設(shè)計(jì)、制備和體內(nèi)外給藥效果評價(jià)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行裝置最優(yōu)化。結(jié)果：分別由200μl的移液槍槍頭、1000μl的移液槍槍頭、內(nèi)徑為5.60mm的玻璃管、內(nèi)徑為3.00mm的輸液管剪切成的適宜大小的壓力接口、藥粉室、騰化室、氣管探管，各個(gè)部分通過熱熔膠膠槍焊接，組裝成的裝置是最佳的肺部給藥裝置。結(jié)論：體內(nèi)外給藥效果評價(jià)實(shí)驗(yàn)表明，該裝置能較好地將藥粉送達(dá)動(dòng)物肺葉深部，裝置給藥效果理想，實(shí)現(xiàn)了肺部給藥裝置的設(shè)計(jì)目的。

關(guān)鍵詞：肺部給藥裝置，粉霧劑，騰化室，肺葉深部

作者簡介：趙玲（1988-），女，漢族，陜西西安人，碩士研究生，助教，主要從事藥物分析與藥劑學(xué)的研究與教學(xué)工作。

目前吸入粉霧劑[1]因成為肺部給藥新途徑而備受關(guān)注。吸入粉霧劑是指微粉化的藥物，采用特制的干粉吸入裝置[2～3]，由患者主動(dòng)吸入粉霧化的藥物至肺部的制劑，亦稱為干粉吸入劑[4]。藥物通過肺部給藥，可以直接進(jìn)入體循環(huán)，發(fā)揮全身作用。尤其是隨著生物技術(shù)和基因工程的發(fā)展，使得越來越多的多肽和蛋白類藥物用于臨床治療，肺部給藥成為多肽類藥物的一個(gè)重要的非注射給藥途徑，是最具潛力和競爭力的給藥途徑之一。

在粉霧劑的研究開發(fā)中，需要進(jìn)行動(dòng)物臨床前藥代動(dòng)力學(xué)或藥效學(xué)研究，不可避免地要遇到動(dòng)物如何給藥的問題。與其他給藥途徑不同，吸入粉霧劑在進(jìn)行動(dòng)物給藥時(shí)，無法讓動(dòng)物控制呼吸并主動(dòng)吸入藥物，這將影響藥粉到達(dá)肺部深處（如支氣管、細(xì)支氣管，肺泡等），從而影響藥物的吸收和粉霧劑療效的評價(jià)。因此，在肺部給藥時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)物肺部給藥與人體肺部給藥狀況相接近，是肺部給藥劑型開發(fā)研究的關(guān)鍵，也是粉霧劑臨床前藥代動(dòng)力學(xué)或藥效學(xué)研究需要解決的關(guān)鍵問題。

盡管在以往的研究中采用了各種有效的措施和方法，也查閱了大量的國內(nèi)外文獻(xiàn)，但迄今未發(fā)現(xiàn)能解決這一問題的更好方案。為此，本文針對上述問題，擬開發(fā)設(shè)計(jì)一種動(dòng)物肺部給藥裝置，以解決肺部給藥臨床前藥代動(dòng)力學(xué)或藥效學(xué)研究時(shí)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物給藥的問題，并使用該裝置達(dá)到模擬人體肺部給藥時(shí)的狀態(tài)，與人體肺部給藥裝置機(jī)制相吻合，使干粉吸入劑能較好地分布到較深的肺葉，進(jìn)而使藥物更好更快地被吸收，解決藥粉霧化效果差、與人的肺部給藥裝置機(jī)制不吻合等困擾實(shí)驗(yàn)動(dòng)物給藥的難題。

1、儀器與試藥

1.1儀器

1.2試藥

2、動(dòng)物肺部給藥裝置的設(shè)計(jì)

2.1動(dòng)物肺部給藥裝置的構(gòu)思

動(dòng)物肺部給藥裝置要實(shí)現(xiàn)的目的：①在藥粉借助動(dòng)物的吸氣及外界壓力的作用進(jìn)入氣管之前，使藥粉騰起來，即形成粉霧狀態(tài);②使騰起來的藥粉（極細(xì)的微粉）從給藥裝置中以粉霧（或霧化）狀態(tài)噴出[5];③和實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的給藥部位相連接。

2.2動(dòng)物肺部給藥裝置的初步設(shè)計(jì)圖

根據(jù)動(dòng)物肺部給藥裝置要實(shí)現(xiàn)的目的擬定的初步設(shè)計(jì)圖：

2.3 動(dòng)物肺部給藥裝置圖

根據(jù)擬定的動(dòng)物肺部給藥裝置初步設(shè)計(jì)圖，運(yùn)用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行立體裝置的模擬與設(shè)計(jì)，經(jīng)過多次的修改、計(jì)算與設(shè)計(jì)，最終的實(shí)驗(yàn)構(gòu)思裝置圖，如圖2.2、圖2.3所示：

在圖2.2、圖2.3中對初步設(shè)計(jì)圖進(jìn)行了調(diào)整，根據(jù)實(shí)際需要增加了藥粉室，加裝此部件后，更有利于藥粉被氣流推動(dòng)而進(jìn)入騰化室騰化。

動(dòng)物肺部給藥裝置圖是根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和給藥時(shí)的實(shí)際需要進(jìn)行調(diào)整。利用計(jì)算機(jī)繪圖軟件進(jìn)行模擬，使給藥裝置達(dá)到設(shè)計(jì)要求，并為下一步給藥裝置的制備提供了清晰的輪廓。

3、動(dòng)物肺部給藥裝置的制備

3.1 藥粉室

藥粉室的設(shè)計(jì)：最初的設(shè)想，由玻璃燒制而成，但實(shí)踐起來困難多，危險(xiǎn)系數(shù)大，經(jīng)過篩選，選用1000μl的移液槍槍頭作為材料進(jìn)行改裝：將移液槍槍頭從槍頭尖部向上約三分之一處剪切，剪切成長為20.00mm，內(nèi)徑為4.80mm，外徑為5.00mm的一段空心圓柱。當(dāng)將不同密度的40.0mg[6]藥粉放于其中時(shí)，藥粉的質(zhì)量大約能占到藥粉室容積的1/3～3/4。

3.2 騰化室

3.2.1 選材：玻璃管。

3.2.2 影響因素：長度和內(nèi)徑。

3.2.3 篩選實(shí)驗(yàn)：根據(jù)預(yù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)篩選的內(nèi)徑分別為5.60mm、6.40mm、9.00mm，長度分別為50.00mm、30.00mm、10.00mm。

3.3氣管探管的選擇

3.3.1氣管探管的作用：插入動(dòng)物的氣管或者連接氣管插管。

3.3.2選材：靜脈輸液用的長輸液管部分。

3.3.3長度：60.00mm。

3.4 壓力接口的設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)選用的是20ml注射器，注射器口徑為4.00mm，藥粉室內(nèi)徑為4.80mm，為確保二者密封連接，再設(shè)計(jì)一個(gè)接口，結(jié)合現(xiàn)有器材，在藥粉室左端安裝一個(gè)長度為4mm由200μl的移液槍槍頭剪切而成的空心小圓柱，其正好套在藥粉室上，與注射器可確保密封連接。

3.5 各個(gè)部分的焊接

如上圖2.2所示，儀器的①與②，②與③之間只是彼此套在一起，不能保證各個(gè)部位的連接是密封狀態(tài)，為確保裝置的密封，最終選用熱熔膠膠槍進(jìn)行焊封，效果理想。

3.6制作的動(dòng)物肺部給藥裝置實(shí)物圖

4、給藥裝置體外給藥效果考察與驗(yàn)證

4.1材料的準(zhǔn)備

4.1.1粉霧劑的選用

查閱相關(guān)文獻(xiàn)可知，肺部給藥時(shí)，藥物粒子的粒徑范圍：3～8μm之間。藥物粉末的粒徑小于3μm時(shí)，粒子沉積于細(xì)胞支氣管和肺泡內(nèi)，太小的粒子不能停留在呼吸道，容易隨呼氣排出;藥物粉末的粒徑大于8μm時(shí)，50%以上的藥物沉積于口咽部和上呼吸道的分支處，藥物損失嚴(yán)重，故應(yīng)對形成粉霧的粉末粒徑加以控制。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，更多的是考察粉霧的騰化效果，因此在對所用粉霧劑篩選時(shí)，選擇的是一些輔料的粉末進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。初步選用材料：亮氨酸粉末[7]、微粉硅膠粉末、活性炭粉末。亮氨酸粉末、微粉硅膠粉末屬于輕質(zhì)粉末，處理成適宜粒徑時(shí)，最接近實(shí)際粉霧劑的情況;但亮氨酸粉末是白色粉末，微粉硅膠是淺灰色粉末，在進(jìn)行動(dòng)物肺部給藥時(shí)，解剖后不易觀察藥粉騰化效果。活性炭粉末雖然屬于硬質(zhì)粉末，但其顏色深為黑色，在進(jìn)行給藥裝置的體外效果評價(jià)和動(dòng)物體內(nèi)效果評價(jià)時(shí)，都比較容易觀察實(shí)驗(yàn)效果。因此，選用活性炭粉末作為本研究中的粉霧劑材料。

4.1.2制備適宜的藥物粉末

采用的方法：過篩，水飛法，并使用激光粒度儀測定粉末的粒徑。測定結(jié)果見圖4.1。

由圖4.1結(jié)果可知，活性炭粉末的平均粉末粒徑為649.2nm（0.6492μm），PDI：0.728。雖然活性炭粉末的粒徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于肺部給藥粒徑范圍的最小值，但為確保在體外效果評價(jià)和動(dòng)物體內(nèi)效果評價(jià)實(shí)驗(yàn)中均取得滿意效果，最終仍選用活性炭微粉作為粉霧劑材料。

將制備好的活性炭微粉密封，貼標(biāo)簽備用。在使用前，可將制備好的微粉放于紅外線快速干燥儀中，于105℃干燥。

4.2給藥裝置體外給藥效果考察

在氣管探管后放一個(gè)長度為60.0cm，內(nèi)徑為4.0cm的層析柱作為體外粉霧騰化效果的評價(jià)裝置，觀察藥粉在受到注射器猛推20ml氣體后形成的壓力下通過給藥裝置，以藥粉在層析柱內(nèi)飛出距離的長短和給藥裝置中藥粉滯留量的多少作為考察給藥裝置效果的評價(jià)指標(biāo)。

4.3各套裝置的具體實(shí)驗(yàn)

各套肺部給藥裝置均和20ml注射器相連，受試者每次用力猛推20ml氣體（用真空壓力表測，壓力約為0.01MPa）。具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4.1和表4.2。

由表4.1與表4.2中的數(shù)據(jù)對比可知，有騰化室，藥粉的滯留比更小，騰化效果更好，表明騰化室能夠顯著提高藥粉的騰化效果;由表4.2可以看出，以騰化效果和藥粉的滯留比為評價(jià)指標(biāo)，騰化室長度一定時(shí)，內(nèi)徑為5.60mm的裝置效果最好;內(nèi)徑一定時(shí)，長度為30.00mm藥粉滯留比最小;但是騰化室的規(guī)格超出一定范圍時(shí)，將會影響騰化效果。因此，確定最佳騰化室規(guī)格：內(nèi)徑5.60mm，長度為30.00mm。

綜上，動(dòng)物肺部給藥裝置的最佳組合：由200μl移液槍槍頭剪切成長4.00mm為注射器接口;由1000μl移液槍槍頭剪切成長2.00mm，內(nèi)徑為4.80mm的藥粉室;由玻璃管組裝成長為30.00mm，內(nèi)徑為5.60mm的騰化室;由輸液管組裝成長為60.00mm，內(nèi)徑為3.00mm的氣管探管;各部分通過熱熔膠槍焊接組裝成的裝置是最佳給藥裝置。

5、給藥裝置體內(nèi)給藥效果驗(yàn)證

5.1 實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備

查閱相關(guān)書籍與文獻(xiàn)，各實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的各項(xiàng)生理指標(biāo)，見表5.1。

由表5.1分析不同實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的各項(xiàng)生理指標(biāo)，以實(shí)驗(yàn)誤差小、節(jié)約經(jīng)濟(jì)、易操作等原則，選用家兔為實(shí)驗(yàn)動(dòng)物。以家兔的各項(xiàng)生理指標(biāo)為參考依據(jù)，進(jìn)行家兔體內(nèi)給藥效果評價(jià)實(shí)驗(yàn)。

5.1.2人吸氣壓力測量

查閱文獻(xiàn)資料，購買分度值為0.002MPa，精度為1.6，量程為-0.1MPa的真空負(fù)壓表（市面上現(xiàn)有的分度值最小的真空負(fù)壓表）一臺。在人體平靜呼吸的情況下（即吸氣前沒有進(jìn)行劇烈運(yùn)動(dòng)），隨即檢測15位受試者（男女比例適宜）猛用力吸氣時(shí)的吸氣壓，每人測量三次，由此可以粗略算出人體在猛地用力吸氣時(shí)的壓力在0.018MPa左右。此測量數(shù)據(jù)作為給藥時(shí)推粉所形成氣壓的參考值。

5.2體內(nèi)給藥性能評價(jià)

由最佳肺部給藥裝置進(jìn)行家兔體內(nèi)給藥性能評價(jià)。在進(jìn)行體內(nèi)實(shí)驗(yàn)前一周購買實(shí)驗(yàn)用家兔10只，放在相同的環(huán)境中，飼養(yǎng)一周。實(shí)驗(yàn)前12小時(shí)，家兔禁止喂食。實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，分別對實(shí)驗(yàn)家兔進(jìn)行稱重，計(jì)算所需麻醉藥品的體積。用烏拉坦進(jìn)行麻醉，確認(rèn)麻醉后，進(jìn)行氣管插管，連接已經(jīng)組裝好的肺部給藥裝置，進(jìn)行給藥粉（活性炭）。給藥后，將家兔處死，打開胸腔取出家兔的肺部，并將其進(jìn)行解剖，觀察活性炭粉末在家兔肺部的分布、沉積情況，計(jì)算藥粉的滯留量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表5.3和圖5.1。

由表5-3可知，在進(jìn)行動(dòng)物體內(nèi)實(shí)驗(yàn)時(shí)，藥粉的滯留比較小，在實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的條件下，所制得的活性炭粉末粒徑小于3μm，由理論分析可知，粉霧劑的粉末粒徑小于3μm時(shí)，粒子沉積于細(xì)胞支氣管和肺泡內(nèi)，太小的粒子不能停留在呼吸道，容易隨呼氣排出。在這樣的條件下，利用活性炭粉末進(jìn)行肺部給藥時(shí)，藥粉的滯留比還是比較小的，從藥粉的滯留比上來分析，結(jié)果比較理想。從動(dòng)物的肺部解剖圖（圖5.1）來看，不僅肺部有大量的活性炭粉末沉積，從圖c可以看出，在肺葉的尖端都有藥粉沉積，說明該肺部給藥裝置能將藥物粉末送達(dá)肺部較深部位，實(shí)現(xiàn)了肺部給藥裝置的設(shè)計(jì)目的。

6、小結(jié)

由家兔的體內(nèi)給藥裝置評價(jià)可知，實(shí)驗(yàn)用微粉可以到達(dá)家兔的肺部深部，并且在肺部的肺葉尖端有沉積，說明該套肺部給藥裝置能夠?qū)⑺幏鬯瓦_(dá)家兔的肺部深部，整套給藥裝置實(shí)現(xiàn)了與人體肺部給藥時(shí)機(jī)制相近的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)物肺部給藥裝置的設(shè)計(jì)目的。使用該動(dòng)物肺部給藥裝置，將可以解決實(shí)驗(yàn)動(dòng)物給藥時(shí)無法主動(dòng)吸入藥物的問題，為動(dòng)物肺部給藥的臨床前研究提供參考。

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