Study on sirolimus solubilization technology based on in vitro dissolution and in vivo bioavailability

ZHANG Xueting; YUN Chao; CHEN Zhenzhen; TAO Chun; SONG Hongtao

doi:10.12206/j.issn.1006-0111.201910022

Volume 38 Issue 5

Sep. 2020

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ZHANG Xueting, YUN Chao, CHEN Zhenzhen, TAO Chun, SONG Hongtao. Study on sirolimus solubilization technology based on in vitro dissolution and in vivo bioavailability[J]. Journal of Pharmaceutical Practice and Service, 2020, 38(5): 441-446, 457. doi: 10.12206/j.issn.1006-0111.201910022

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ZHANG Xueting, YUN Chao, CHEN Zhenzhen, TAO Chun, SONG Hongtao. Study on sirolimus solubilization technology based on in vitro dissolution and in vivo bioavailability[J]. Journal of Pharmaceutical Practice and Service, 2020, 38(5): 441-446, 457. doi: 10.12206/j.issn.1006-0111.201910022

Study on sirolimus solubilization technology based on in vitro dissolution and in vivo bioavailability

doi: 10.12206/j.issn.1006-0111.201910022

ZHANG Xueting^{1, 2
,},
YUN Chao^{1, 2},
CHEN Zhenzhen^{1, 2},
TAO Chun^{1
,
,},
SONG Hongtao^{1
,
,}

1.
Department of Pharmacy, Fuzong Clinical Medical College of Fujian Medical University, Fuzhou 350025, China
2.
College of Pharmacy, Fujian Medical University, Fuzhou 350108, China

Received Date: 2019-10-10
Rev Recd Date: 2020-01-03

Available Online: 2020-09-22

Publish Date: 2020-09-25

Abstract

Objective To evaluate the effects of different solubilizing techniques on the in vitro dissolution and in vivo pharmacokinetics of Sirolimus (SRL). Methods Solid dispersions (SD), inclusion complex (IC), self-micro emulsifying drug delivery system (SMEDDS) and nano-structured lipid carrier (NLC) were selected as the solubilization technology for SRL. SRL-SMEDDS and SRL-NLC have obtained the optimal prescription in the previous studies. Additionally, the formulation process of SRL-SD and SRL-IC was screened by using inclusion rate and dissolution profiles as indicators. 0.4% SDS, water and buffer solutions with pH 1.2, 4.5, 6.8, 7.4 were used as dissolution media. The dissolution profile of the commercially available formulation Rapamune^® and the lab-made solubilized preparations were investigated. The in vivo absorption of the above preparations was examined using a pharmacokinetic test in Beagle dogs. Results In 0.4% SDS, the dissolution of each preparation exceeded 80% in 2 h. In the medium of pH 1.2, the dissolution of SRL-SD could not be measured while the dissolution of IC, SMEDDS and NLC increased first and then decreased. In other media, the dissolution of the SRL was reduced. The SRL-IC showed the best dissolution without a significant decrease. The relative bioavailability of APIs, SRL-SD, SRL-IC, SRL-NLC and SRL-SMEDDS were 9.1%, 18.7%, 33.2%, 78.0%, and 97.6% respectively in vivo pharmacokinetic tests. Conclusion SD, SMEDDS, NLC, and IC can improve the in vitro dissolution and in vivo absorption of SRL. Among them, SMEDDS has the most significant improvement in the bioavailability of SRL.
- sirolimus,
- solid dispersion,
- inclusion complex,
- SMEDDS,
- nano-structured lipid carrier,
- dissolution,
- bioavailability

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通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com

1.
沈阳化工大学材料科学与工程学院沈阳 110142

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西罗莫司（sirolimus，SRL），又称雷帕霉素，是第三代免疫抑制剂，在临床上常用于抑制肝、肾等器官移植后的免疫排斥反应。SRL属于生物药剂学分类Ⅱ类药物，在水中的溶解度极低，而渗透性良好^[1-4]。SRL药理活性高，但因水溶性差，且易被肠壁和肝中的CYP3A4同工酶广泛代谢，致使其口服生物利用度较低。这是临床应用SRL的重要缺陷之一。目前，已上市的SRL制剂主要是纳米结晶片，生物利用度约为17%^[5-7]。

通过适当的制剂技术提高SRL在胃肠道中的溶解度，可提高其口服生物利用度。在前期研究中，课题组分别独立进行了含SRL的自微乳（self-microemulsifying drug delivery system，SMEDDS）、固体分散体（solid dispersion，SD）和纳米结构脂质载体（nanostructured lipid carriers，NLC）的构建，均显著改善了SRL的体外溶出。本实验在前期研究的基础上，新增环糊精衍生物对SRL的增溶研究，结合体外溶出度和体内生物利用度，综合分析和评价各增溶制剂的优势和缺陷，从而为解决口服难溶性药物的研究提供参考。

1. 仪器与试剂

1.1. 仪器

Agilent 1200型高效液相色谱仪（美国Agilent公司）；Starter 2C型pH计(上海奥豪斯仪器公司)；RCZ-6BZ型药物溶出仪(上海黄海药检仪器公司)；真空冷冻干燥箱(北京博医康试验仪器公司)；NS1001L2K高压匀质机(意大利NiroSoavi公司)；UV-2800AH型紫外可见分光光度仪(上海优尼科仪器有限公司)；液相色谱-质谱联用仪(美国AB-SCIEX有限公司)。

1.2. 试剂

SRL对照品(含量99.9%)、SRL原料药(含量99.6%)，购自福建科瑞药业有限公司；子囊霉素对照品(上海齐奥化工科技有限公司)，Rapamune^®(美国惠氏制药)。聚乙二醇6000(PEG 6000）、聚乙烯吡咯烷酮（PVP K30）均购自国药集团化学试剂有限公司；聚氧乙烯-聚氧丙烯共聚物(Poloxamer 188)、聚氧乙烯35蓖麻油(Cremophor EL）、聚氧乙烯氢化蓖麻油(Cremophor RH40）均购自德国BASF公司；油酸聚乙二醇甘油酯(Labrafil M1944CS)、二乙二醇单乙基醚(Transcutol P)、辛酸癸酸聚乙二醇甘油酯(Labrasol)、棕榈酸硬脂酸甘油酯(Precirol ATO5)、月桂酸聚乙二醇甘油酯 (Gelucire 44/14)均购自法国GATTEFOSSE公司；HP-β-CD、DM-β-CD、SBE-β-CD(山东滨州智源生物科技有限公司)。

2. 方法

2.1. SRL含量测定方法

采用高效液相色谱仪（HPLC）测定样品中的SRL含量^[8]。色谱柱为Eclipse XDB-C₁₈（150 mm×4.6 mm，5 μm），流动相为乙腈-甲醇-水（45∶34∶21），流速为1 ml/min，检测波长为278 nm，柱温为50 ℃，进样量为20 μl。配制浓度为2、4、8、12、16、20 μg/ml的SRL对照品溶液，得标准曲线为Y=54.712X+1.221，r=0.999 9，表明在2~20 μg/ml浓度范围内线性关系良好。另外，精密度、回收率符合要求。

2.2. SRL增溶方法

2.2.1. SRL-SMEDDS的制备

参考前期研究^[9]，称取1 g SRL原料药，加入19 g的助乳化剂Transcutol HP，超声至全部溶解后，加入22 g油相Labrafil M1944CS及39 g乳化剂Cremophor EL，涡旋混匀，得到淡黄色澄清溶液，即SRL-SMEDDS。

2.2.2. SRL-NLC的制备

参考前期研究^[10-11]，取Gelucire44/14和Crodamol GTCC在75 ℃水浴中完全熔融后，加入SRL原料药搅拌均匀成澄明油相，再将同温度吐温−80的水溶液迅速倒入油相，以300 r/min搅拌30 min制备初乳，再经高压匀质机90 MPa乳匀5次，即得SRL-NLC分散液，其中SRL为0.21%，Gelucire44/14:Crodamol GTCC（1∶2.1），脂质总量为10%，吐温−80为7.33%。随后，将SRL-NLC（42.6%）加入微晶纤维素和聚乙烯吡咯烷酮（50%，4∶1）中，研磨混合并放置过夜以充分吸附，加入甘露醇（冻干保护剂，3%），经冷冻干燥过夜后，所得固体粉末中加入低取代羟丙基纤维素（崩解剂，4%）和二氧化硅（助流剂，0.4%）即得固化纳米脂质体。

2.2.3. SRL-SD的制备

采用溶剂-熔融法制备SRL-SD。称取载体材料，于80 ℃水浴加热熔融，滴入SRL乙醇溶液，充分混匀，待乙醇挥发完全后，迅速将其倾倒于冰浴条件下的不锈钢板上成薄膜，固化，再于−18 ℃放置4 h后，将固体分散体从不锈钢板上刮下，置真空干燥器中干燥，待脆化后研细，过80目筛，即得SRL-SD。以载体种类、药物-载体比例为考察因素，以0.4% SDS中的溶出度为指标，对SRL-SD进行单因素分析。

2.2.4. SRL-IC的制备

称取适量β-环糊精衍生物溶于去离子水中，缓慢滴加SRL乙醇溶液，在一定温度下磁力搅拌至澄清透明，减压挥发4 h，使乙醇挥发完全，再置于4 ℃冰箱冷藏12 h，降低SRL的溶解度，从而使游离的SRL发生结晶。经0.22 μm微孔滤膜过滤除去结晶，滤液冷冻干燥24 h，所得固体研磨细化，过80目筛，即得SRL-IC。

称取一定量的SRL-IC置10 ml容量瓶中，加入50%甲醇水溶液，超声至全部溶解后，定容至刻度，并采用HPLC测定SRL含量，根据公式：包封率（%）=[（SRL投入量-SRL测定量）/ SRL投入量]×100%，进行计算。以环糊精衍生物的种类、浓度、温度、乙醇体积和投药量为考察因素，以包封率为指标，对SRL-IC进行单因素分析。

2.3. 体外溶出试验

参考《中国药典》2015年版四部通则0931项下溶出度与释放度测定法，考察SRL原料药、市售片（Rapamune^®）、SRL-SMEDDS、SRL-NLC、SRL-IC及SRL-SD的溶出曲线。除市售片外，其余样品均装入硬胶囊中，每个胶囊含1 mg SRL。采用桨法，搅拌速度为100 r/min，溶出介质体积为250 ml，分别以0.4% SDS、水、pH 1.2盐酸溶液、pH 4.5醋酸盐缓冲液、pH 6.8磷酸盐缓冲液、pH 7.4磷酸盐缓冲液为溶出介质。将两颗胶囊或药片置于沉降篮中，投入溶出介质，在10、30、45、60、90、120 min，吸取2 ml介质，并补充等温等体积的介质，采用HPLC测定样品中的药物含量，绘制溶出曲线。

2.4. 体内药代动力学试验

选用比格犬为实验动物，采用6周期6交叉实验设计，进行SRL原料药、市售片（Rapamune^®）、SRL-SMEDDS、SRL-NLC、SRL-IC及SRL-SD的药代动力学试验。给药剂量为1 mg SRL，实验动物试验开始前12 h禁食不禁水，给药4 h后自由饮水，2次给药间隔2周以上的清洗期。于给药前，0.25、0.5、0.75、1、1.5、2、3、4、6、8、10、12、24、36、48及72 h分别经前肢小静脉采血2 ml，置于含肝素和EDTA的抗凝管中，−20 ℃保存备用。血样处理与测定方法参照课题组前期研究^[12]。

4. 讨论

本研究同时制备和比较了SRL的4种增溶制剂，均显示了良好的体外溶出度。同时，各制剂都提高了SRL的生物利用度，但体内吸收程度有较明显的差异。

首先，SRL本身的性质是影响体内吸收的重要因素。在理化性质方面，SRL在电解质溶液中可发生开环水解，特别是在强酸和碱性条件下，降解速率显著增加^[14]。在生理因素方面，SRL是肠道内CYP3A4酶和P糖蛋白的底物，对肠道吸收有较大影响^[15]。

其次，制剂本身的特点对体内吸收有重要影响。SMEDDS和NLC均可形成纳米级的脂质微粒，在胃肠道消化后可形成乳糜胶束^[16-17]均减轻了胃肠液的pH对SRL的降解作用，因此SMEDDS和NLC对脂质微粒中的SRL有一定的保护作用。相比之下，SD中的SRL快速释放后，载体材料失去了对药物的隔离保护作用，导致SRL在极短的时间内发生降解。另外，环糊精的空腔可以容纳药物分子^[18]，不仅提高了SRL的溶解度，而且降低了H⁺和OH^-对SRL的作用概率，减缓了SRL的降解。本研究的体外溶出试验也证实了不同增溶制剂中SRL稳定性的差异。

同时，SMEDDS的辅料Labrafil M1944 CS和Cremophor EL^{[9, 19-21]}和NLC中的脂质及其代谢产物能够抑制CYP3A4酶的代谢和P糖蛋白外排，消化后形成的乳糜胶束还可通过淋巴途径吸收^[22]，从而提高了生物利用度^[10-11]。

另外，由于SRL分子量较大，分子结构可能仅有部分插入环糊精的空腔中。因此，尽管环糊精提高了SRL的溶出度，但包合物的稳定性较差，进入胃肠道后，药物可被胃肠液中的成分替换^[23]，导致SRL加速降解或发生重结晶，进而生物利用度下降。

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参数	SRL	SRL-SD	SRL-IC	SRL- NLC	SRL-SMEDDS	Rapamune^®
AUC_0→72(µg·h/ml)	0.70±0.13	2.06±0.79	3.66±2.64	8.60±2.03	10.76±1.57	11.02±2.73
AUC_0→t(µg·h/ml)	0.73±0.15	2.07±0.81	3.78±2.84	8.67±1.95	11.15±2.11	11.75±3.13
t_1/2 (t/h)	16.53±1.50	14.50±2.15	20.64±5.45	8.97±6.87	12.97±5.67	14.54±5.67
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c_max (ng/ml)	0.16±0.05	0.36±0.05	0.53±0.13	0.90±0.09	1.23±0.07	1.28±0.13

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