结合体外气溶胶表征与跨物种PBPK模型预测吸入治疗性蛋白的人体肺暴露

《International Journal of Pharmaceutics: X》：Integrating in vitro aerosol characterization and cross-species PBPK modeling to predict human lung exposure of inhaled therapeutic proteins

　　

吸入疗法可提供快速起效并避免首过代谢，使其成为治疗性蛋白（therapeutic proteins）的关键非侵入性递送策略。然而，由于气溶胶特性（aerosol properties）和肺部解剖结构（lung anatomy）的复杂性，预测肺部暴露极具挑战性。本研究首次构建了一个整合体外气溶胶表征（in vitro aerosol characterization）和跨物种外推（cross-species extrapolation）的吸入性治疗性蛋白肺部生理药代动力学（pulmonary physiologically-based pharmacokinetic, PBPK）模型。以重组人干扰素-α₁b（recombinant human interferon-α₁b, rhIFN-α₁b）为模型药物，研究人员在不同浓度（15–60 μg/mL）和吸入装置（咬嘴 vs. 面罩）下评估了气溶胶的空气动力学特性（aerodynamic properties）和递送性能。使用多路径粒子剂量学（multiple path particle dosimetry, MPPD）模型预测肺部颗粒沉积。进一步，研究人员开发并验证了小鼠和健康成人的rhIFN-α₁b肺部PBPK模型。结果表明，递送效率随浓度升高而降低，且咬嘴的性能优于面罩。MPPD模拟显示，咬嘴减少了口咽部滞留并增强了肺泡沉积。较大的颗粒尺寸导致肺泡沉积减少。PBPK模型准确预测了健康成人肺部及血清中的rhIFN-α₁b暴露，其中85%的C_max和AUC_0-inf值落在0.5–2.0倍误差范围内。本研究为吸入性治疗性蛋白的临床转化和给药方案评估提供了一个定量平台。

**论文解读：整合体外气溶胶表征与跨物种PBPK模型预测吸入性治疗性蛋白人体肺暴露**

**1. 研究背景、问题与意义**

近年来，治疗性蛋白（therapeutic proteins）因其高效性和特异性而在医药领域快速发展，已有超过240种产品获得美国食品药品监督管理局（FDA）批准。然而，这类药物口服生物利用度极低，通常低于2%，导致其临床使用主要局限于注射剂型。注射疗法往往导致患者依从性差，尤其在慢性疾病管理中。相比之下，吸入疗法作为一种非侵入性递送策略，具有在肺部直接达到高局部浓度，并经由可渗透的肺泡上皮实现潜在全身吸收的优势。目前，多种吸入性治疗性蛋白正处于临床开发阶段，用于治疗呼吸系统及全身性疾病。

尽管前景广阔，吸入性治疗性蛋白制剂的开发面临由制剂特性和肺部环境复杂性带来的显著挑战。吸入性治疗性蛋白的肺部暴露受两个关键现象影响：沉积（deposition）和清除（clearance）。首先，吸入蛋白药物的气道沉积行为受多种因素影响，包括气溶胶空气动力学粒径、递送装置性能、呼吸模式和气道解剖结构。沉积部位和剂量是决定药物暴露的关键因素。此外，吸入后，治疗性蛋白可能经历黏液纤毛清除（mucociliary clearance）、非特异性摄取以及靶点介导的药物处置（target-mediated drug disposition, TMDD）等过程，导致潜在的非线性药代动力学行为。这些因素使得准确预测吸入剂量与肺部靶点暴露之间的定量关系变得困难，从而限制了临床试验中初始剂量和给药方案的优化。

为了定量评估吸入制剂的肺部沉积，通常采用体外气溶胶表征（in vitro aerosol characterization）与计算建模相结合的方法。级联撞击器（cascade impactors）、激光衍射技术（laser diffraction techniques）和呼吸模拟器（breathing simulators）已被常规用于测定关键参数，包括空气动力学粒径、几何粒径及气溶胶递送性能。然而，这些体外技术主要应用于小分子或局部吸入制剂，对于大分子治疗性蛋白在实际雾化条件下的系统性气溶胶表征仍属空白。此外，仅凭体外气溶胶参数无法直接预测肺靶区的有效药物浓度。生理药代动力学（physiologically-based pharmacokinetic, PBPK）建模是将体外气溶胶特性转化为体内暴露的关键工具。然而，针对吸入性治疗性蛋白的肺部PBPK模型开发存在明显不足。本研究旨在填补这一空白，以重组人干扰素-α₁b（recombinant human interferon-α₁b, rhIFN-α₁b）为模型药物，构建一个“体外气溶胶表征–肺部沉积–跨物种PBPK预测”的综合定量框架，为吸入性治疗性蛋白的临床转化、初始剂量选择和给药方案优化提供重要的定量指导，从而降低开发风险并加速其进程。该研究发表在《International Journal of Pharmaceutics: X》。

**2. 主要关键技术与方法**

为开展此项研究，研究人员运用了以下几个关键技术方法：首先，应用激光衍射粒径分析仪（HELOS/INHALER）测定几何粒径分布，采用新一代级联撞击器（NGI, HRH-ZJQ160）评估空气动力学特性（包括质量中值空气动力学直径MMAD、几何标准差GSD和细颗粒分数FPF），并使用呼吸模拟器（HRH-BRM2100）模拟真实递送条件，量化递送速率、总量及效率。其次，利用多路径粒子剂量学（MPPD, version 3.04）模型，基于体外空气动力学参数，模拟吸入颗粒在成年人肺部23个气道世代的区域沉积分数。最后，构建了包含血浆、间质空间、内皮内体、上皮内体及上皮衬液（ELF）等隔室的肺部PBPK模型，该模型整合了非特异性内吞、靶点介导的药物处置（TMDD）和淋巴回流等关键机制，并通过小鼠气管内给药药代动力学实验（样本源自28只雌性BALB/c小鼠）和健康受试者临床研究（样本队列来源于CRT20231702及Peng等2024年文献）进行参数估计与验证。

**3. 研究结果**

**3.1. 雾化rhIFN-α₁b的气溶胶表征**

通过激光衍射实验，研究人员发现不同浓度组间的中位粒径（D₅₀）无显著差异（P > 0.05），但在1–5 μm范围内的累积体积百分比（dQ_{3 (1–5 μm)}）存在显著差异，其中30 μg/mL组最高。NGI实验表明，颗粒主要沉积在第2至第5级，且吸入装置、药物浓度及其交互作用对空气动力学参数（MMAD、GSD、FPF）无显著影响。呼吸模拟器结果显示，咬嘴的递送效率始终优于面罩；随着浓度升高，递送速率和总量呈非线性增加，但递送效率下降，总体递送效率范围为11.06%至21.66%。

**3.2. 雾化rhIFN-α₁b的肺部沉积预测**

基于NGI实验结果和MPPD模型预测，研究人员发现吸入装置对rhIFN-α₁b的区域沉积影响显著。面罩吸入导致气溶胶主要滞留于口咽部（52.77%–55.26%），而在下气道和肺泡区域的沉积有限。相比之下，咬嘴显著减少了口咽部沉积（23.70%–27.19%），并增加了肺泡沉积（19.90%–22.31%），约为面罩的1.5倍，表明咬嘴能实现更好的外周肺递送。

**3.3. 小鼠吸入rhIFN-α₁b的肺部PBPK模型**

研究人员根据小鼠血清药代动力学数据估计了全身清除率（CLv）为3 mL/h，并基于上皮衬液（ELF）数据估计了跨膜转运参数（Kup, epi和Kup, end）均为2 h^-1。参数估计后，模型很好地拟合了血清和ELF的rhIFN-α₁b浓度数据，预测值与观测值的关键药代动力学参数（C_max和AUC_0-inf）比值均在0.5–2的可接受范围内。参数敏感性分析显示，全身暴露对CLv最敏感，而ELF暴露主要对肺泡ELF中游离药物清除率（Kdeg, AL）和Kup, epi敏感。

**3.4. 健康成人吸入rhIFN-α₁b的肺部PBPK模型**

通过纳入递送效率和MPPD模拟的区域沉积分数，并结合异速放大法从小鼠数据外推CLv（成人值为1.08 L/h），研究人员成功构建了成人肺部PBPK模型。该模型能准确预测健康成人使用咬嘴（2×10⁵–18×10⁵ IU）或面罩（12×10⁵和18×10⁵ IU）单次吸入后rhIFN-α₁b在血清、ELF及肺泡巨噬细胞（AM）中的浓度-时间曲线。模型预测的C_max和AUC_0-inf比值绝大多数落在0.5–2.0范围内，表明模型具备良好的预测能力。例如，对于面罩吸入18×10⁵ IU组，血清C_max的预测值与观测值比值为1.10，ELF的AUC_0-inf比值为1.03。

**4. 讨论与结论**

研究讨论部分强调了该模型的价值，特别是其能定量描述并机理解释使用面罩与咬嘴等不同吸入装置时，在肺部生物利用度和药代动力学上出现的显著差异。研究发现，小鼠模型中由于气管内给药方式导致颗粒主要因惯性撞击沉积在上气道，使得沉积分布对粒径变化不敏感，这确保了模型预测的稳健性。在成人模型验证中，尽管2×10⁵ IU咬嘴组的AUC_0-inf比值（2.63）超出0.5–2.0范围，但研究者认为这可能源于该组样本量极小（n=2）导致的观测均值代表性不足，其观测值仍落在群体模拟的预测区间内，因此整体模型仍被认为具有合理的预测能力。研究者指出，当前PBPK模型相较于先前仅基于静脉数据或简化肺部结构的模型，能更真实地反映吸入给药过程，并整合气溶胶沉积与肺部处置过程。尽管模型以rhIFN-α₁b为代表取得了满意效果，但未来研究需针对不同作用机制（如单克隆抗体的FcRn介导循环）的治疗性蛋白进行模型扩展和验证。

**研究结论：** 总而言之，本研究首次构建并验证了一个整合了体外气溶胶表征结果与跨物种外推方法的吸入性治疗性蛋白肺部PBPK模型。该模型有效描述了吸入性治疗性蛋白在肺部及全身的处置过程。所建立的模型框架成功地将体外沉积特征与体内药代动力学行为相结合，为吸入性治疗性蛋白的临床转化、初始剂量选择及给药方案优化提供了重要见解。