《Drug Delivery and Translational Research》：Quality by design (QbD)-guided development of PEGylated nanostructured lipid carriers of donepezil for intranasal delivery
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本研究推荐阅读：针对血脑屏障限制药物递送及传统口服给药缺陷等阿尔茨海默病治疗难题，研究人员采用“质量源于设计”框架，系统开发了PEG化纳米结构脂质载体用于多奈哌齐的鼻脑递送。所获制剂粒径约133纳米，包封率达89.5%，兼具缓释、强黏膜黏附和显著增强的渗透能力。这项工作为神经系统疾病提供了一种高效、非侵入性的新型给药策略。
阿尔茨海默病(Alzheimer’s disease, AD)是一种慢性、进行性的神经退行性疾病，其特征是认知障碍和记忆力下降。全球范围内的神经退行性疾病(Neurological disorders, ND)正成为一个重大的健康挑战，其治疗的一大障碍在于血脑屏障(blood–brain barrier, BBB)的严格选择性，它阻碍了大多数治疗药物到达中枢神经系统(central nervous system, CNS)。目前，多奈哌齐(donepezil, DPZ)作为一种乙酰胆碱酯酶抑制剂，是临床上治疗轻中度AD最广泛应用的药物之一。然而，其口服给药途径存在诸多限制：首先，药物会经历显著的首过代谢，导致生物利用度降低；其次，会产生胃肠道副作用；最关键的是，口服药物难以有效穿透BBB，限制了其在大脑中的靶向递送和疗效。
为了克服这些障碍，研究人员将目光投向了鼻内给药(intranasal delivery, IN)这一非侵入性、患者友好型的途径。通过鼻腔内的嗅觉和三叉神经通路，药物可以绕过BBB，直接进入CNS。但这并非坦途，鼻腔内也存在快速黏膜纤毛清除、上皮渗透性有限和酶降解等问题，这些都会缩短药物在鼻腔的停留时间，降低递送效率。因此，开发先进的纳米载体系统，以提高药物的滞留、稳定性和控制释放，便成为提升鼻脑递送成功率的关键。
在这项发表于《Drug Delivery and Translational Research》的研究中，研究人员运用了“质量源于设计”(Quality by Design, QbD)的先进理念，旨在系统性地开发和优化一种新型载药系统——由1,2-二硬脂酰基-sn-甘油-3-磷酸乙醇胺-N-[甲氧基(聚乙二醇)-2000]（DSPE-PEG2000）功能化的纳米结构脂质载体(nanostructured lipid carriers, NLCs)，并以DPZ作为模型药物。
为了回答上述科学问题，研究人员开展了一项系统的制剂开发与评价研究。他们首先确定了质量目标产品概况(Quality Target Product Profile, QTPP)和关键质量属性(Critical Quality Attributes, CQAs)，并利用鱼骨图、风险估计矩阵和失效模式与效应分析(Failure Mode and Effects Analysis, FMEA)进行了初步风险评估。接着，他们采用普克特-伯曼设计(Plackett–Burman design, PBD)筛选了影响粒径(PS)和包封率(%EE)的关键配方变量(Critical Formulation Variables, CFVs)与关键工艺参数(Critical Process Parameters, CPPs)。随后，利用中央复合设计(Central Composite Design, CCD)对筛选出的关键因素进行了优化。优化后的PEG化NLCs通过高速均质法制备，并对其进行了全面的物理化学表征，包括粒径、电位、多分散指数(PDI)、包封率、载药量(%DL)和药物含量(%DC)。通过高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)观察形态，并通过差示扫描量热法(Differential Scanning Calorimetry, DSC)和X射线衍射(XRD)分析了药物的物理状态。此外，还评估了其与黏蛋白的结合效率，以及体外和离体(使用新鲜山羊鼻黏膜)的药物释放和渗透特性。最后，对优化配方的稳定性进行了研究。
研究结果如下：
1. 确定QTPPs和CQAs并完成初步风险评估
研究首先明确了QTPPs，包括剂型、给药途径、药代动力学期望和稳定性要求。CQAs则被确定为粒径(PS)和包封率(%EE)。通过鱼骨图、风险估计矩阵和FMEA分析，识别出高风险因素，并将其用于后续的PBD筛选。
2. 通过PBD筛选关键因素
PBD设计用于筛选七个关键因素对CQAs的影响。结果表明，固液脂质比、Span?80浓度和均质速度这三个因素，同时对PS和%EE有显著影响，因此被选为后续CCD优化的关键变量。
3. 通过CCD系统优化DPZ-PEG化NLCs配方
CCD被用于系统优化上述三个关键因素。通过分析响应曲面模型，研究人员确定了各因素与PS和%EE之间的定量关系。数值优化和图形化设计空间分析最终确定了最优配方条件。验证实验显示，预测值与实测值误差很小（PS为1.50%，%EE为2.32%），证明了模型的可靠性和稳健性。优化后的DPZ-PEG化NLCs粒径为133.4 ± 2.91 nm，%EE高达89.5 ± 1.51%，多分散指数(PDI)为0.254 ± 0.08，Zeta电位为-22.7 ± 1.35 mV。
4. 优化DPZ-PEG化NLCs的表征
HRTEM图像显示，优化后的PEG化NLCs呈球形，具有清晰可见的核壳结构，而无涂层NLCs则形态较为不规则。DSC和XRD分析均证实，DPZ在PEG化NLCs中以分子形式分散在脂质基质中，失去了其原有的结晶状态，这有利于药物的溶解和缓释。黏蛋白结合实验显示，PEG化NLCs的黏蛋白结合率高达84.6 ± 2.68%，显著高于未涂层NLCs的28.6 ± 1.1%。这说明DSPE-PEG2000功能化显著增强了纳米粒与鼻腔黏膜的相互作用，有望延长其在鼻腔的停留时间。
5. 体外药物释放和离体扩散研究
体外释放研究表明，优化后的DPZ-PEG化NLCs表现出最持久的控制释放行为，释放时间延长至60小时，而DPZ悬液和市售制剂(Donep?)在12小时内基本释放完全，未涂层NLCs的释放则持续约48小时。药动学模型拟合显示，PEG化NLCs的释放行为最符合Korsmeyer-Peppas模型，表明其释放机制是由扩散和脂质基质溶蚀共同控制的非Fickian释放。离体渗透研究进一步证实，与DPZ悬液相比，DPZ-PEG化NLCs表现出显著更高的累积药物渗透量和稳态通量(Jss)，表明其能有效促进药物通过鼻黏膜屏障。
6. 稳定性研究
稳定性研究根据ICH指南进行。结果显示，无论是液态还是冻干粉末形式的优化DPZ-PEG化NLCs，在冷藏条件下(5 ± 3 °C)储存28天后，其粒径和%EE均未发生显著变化，表现出良好的物理和化学稳定性。
研究结论与意义：
本研究成功应用QbD框架，系统地开发并优化了用于DPZ鼻脑递送的PEG化NLCs。优化的配方展现了理想的纳米级粒径、高包封率、显著的黏膜黏附能力、双相缓释特性以及良好的稳定性。DSC和XRD分析证实了药物在脂质基质中的分子分散状态。更重要的是，体外和离体研究一致表明，PEG化NLCs不仅延长了药物释放时间，还显著增强了药物通过鼻黏膜的渗透。这项工作的意义在于：方法论层面，它展示了QbD作为一种科学且符合监管要求的系统方法，在复杂纳米制剂开发中的强大指导作用，提高了开发效率和产品的稳健性。制剂学层面，它将PEG化技术与NLCs相结合，通过增强黏膜黏附和延长鼻腔停留时间，有效应对了鼻脑递送中的关键生理障碍。治疗学层面，它为难以透过BBB的AD药物提供了一种高效、非侵入性、可自我给药的新型递送策略，有望提高疗效并减少全身副作用。最重要的是，本研究建立的QbD引导平台不仅限于DPZ，其原理和方法可推广至其他神经退行性疾病的鼻脑递送系统开发，为设计和生产可重复、可规模化、具有转化潜力的先进药物递送系统铺平了道路。
