藥物能夠以多種不同的固態形式存在，如無定形、多晶型、水合物、溶劑化物、鹽、鹽水合物/溶劑化物、共晶、共晶鹽、共晶鹽水合物/溶劑化物、共晶水合物/溶劑化物等，每種固態形式都具有其獨特的理化性質。

 

 

圖1  固態物質的分類

 

共晶作為一種新興的藥物晶型，可以在不影響藥物的內部結構的同時改善藥物的理化性質、提高藥物的溶解度、提高生物利用度、提高藥物的穩定性、影響藥物原有的藥效活性。重要的是共晶可以突破原研公司的晶型保護，因此在當前的藥物研發中引起了廣泛關注。圖2統計了近1999年至2018年關于共晶論文發表與專利授權的情況，可見藥物共晶的研究發展之快。

 

 

圖2  共晶相關論文及專利授權的情況

 

本文對藥物共晶的基本概念、FDA和EMA相關指導原則、理化性質、表征方法進行了歸納總結，并結合文獻中的案例進行了說明，為共晶相關研究提供參考。

 

一、共晶簡介

 

1、共晶的定義

 

在2018年FDA 頒布的《工業指南：藥物共晶的監管分類》中將共晶定義為：共晶是在同一晶格內由兩個或多個不同分子組成的結晶材料，一般來說是活性成分（API）和共晶形態（共晶物）。

2019年5月4日國家藥典委官網發布的《中國藥典》2020年版四部通則增修訂內容（第十三批）公示的通則9015藥品晶型研究及晶型質量控制指導原則（第二次征求意見稿）中首次收載了共晶的概念：由兩種或兩種以上的化學物質共同形成的晶態物質被稱為共晶物，共晶物屬晶型物質范疇。

 

2、已上市的代表性共晶藥物

 

2015年7月，FDA批準諾華的新型抗心衰復方藥物ENTRESTO（LCZ-696）上市，Entresto是沙庫巴曲單鈉鹽、纈沙坦二鈉鹽和水的共晶物，化學結構式如下：

 

 

2017年12月，FDA批準默克公司的新型治療糖尿病藥物STEGLATRO上市，STEGLATRO是埃格列凈-L-焦谷氨酸的共晶物，化學結構式如下：

 

 

這些共晶藥物的獲批上市提升了研究者和制藥公司對共晶開發的熱情，通過共晶研究來改善藥物的理化性質或者生物利用度或規避專利，實現仿制藥提早上市的目的。

 

二、藥物共晶的指導原則

 

隨著對晶型藥物研究的深入，FDA和EMA已發布關于共晶藥物研究的指導原則， 2020年版《中國藥典》中也會收載共晶的定義及增加評價方法的說明，但與FDA和EMA指導原則比較內容還較少。

 

1、FDA指導原則

 

FDA先后于2013年、2016年分別發布了關于藥物共晶監管分類的指導原則及其修訂版，最終于2018年2月發布了《工業指南：藥物共晶的監管分類》（Regulatory Classification of Pharmaceutical Co-Crystals Guidance for Industry）最終版，該指南中將共晶定義為：共晶是在同一晶格內由兩個或多個不同分子組成的結晶材料，一般來說是活性成分（API）和共晶形態（共晶物，CCF）。

共晶與鹽的顯著區別是，共晶不像鹽，共同存在于共晶晶格內的組分具有既定的非離子型化學計量相互作用，即共晶晶格內的共晶組分處于中性狀態而不是以離子形式產生相互作用，而鹽是指通過金屬或類似金屬的自由基代替酸的部分或全部酸性氫而產生的化合物，屬于離子或電價結晶化合物。此外，共晶也不同于多晶型。多晶型是指同一API的不同結晶形式，不同的多晶型被認為是相同的API。多晶型包括晶格中以不同的排列方式或分子構型存在的單組分的晶體、無定形或多組分相（如溶劑化物和水合物）。共晶與溶劑化物更為類似，兩者在一個晶格中均含有一個以上的組分。從理化和注冊角度來說，共晶可以看作是一種特殊的溶劑化物和水合物，這里的第二種組份（共晶物），它不能是溶劑（包括水），并且通常是不揮發性的。從法規角度看，含有共晶的藥品被認為是類同于API的一個新晶型。由兩個或兩個以上API組成的共晶（含有或不含額外的非活性共晶物）可被視為固定劑量組合的產品，而非新的API。

對于包含共晶形式的NDA和ANDA，申請人需要提交適當的數據支持以下內容：

（1）提供證據證明API和共晶物兩者存在于單元晶格中。

（2）如果藥物和共晶配體均具有可電離的官能團，要證明共有于共晶中的藥物和配體之間的相互作用為非離子化相互作用?？蓞⒄杖缦聸Q策：一般來說，如果API和配體的△pKa[pKa(共軛酸的堿)-pKa(酸)]≥1，將有大量的質子轉移，此時離子化和成鹽的可能性大于共晶。如果△pKa<1，將只有少量的質子轉移。如果滿足該標準，則API-配體實體可歸類為共晶。然而，如果申請人認為依據pKa相對差值不能預測該固體是鹽或共晶，則需使用光譜分析和其他正交方法來提供相反的證據。

（3）確保在到達藥理活性位點之前API能從其共晶形式中大幅離解出來。鑒于API與其配體相互作用的數量級類似于溶劑化物中API與溶劑的相互作用，通常認為基于溶出度和或溶解性的體外評估足以證明API在到達藥理活性位點之前與其配體的解離。

對于滿足以上條件的共晶，對其進行表征和釋放測試的類型和程度，應足以確保API的認定、劑量、質量和純度。

 

2、EMA指導原則

 

EMA 2015年發布了針對共晶的反饋文件Reflection paper on the use of cocrystals of active substances in medicinal products，用于指導藥物共晶的研究。該文件介紹了共晶的定義、共晶與其他固體形態的區別以及申報時的監管分類，與FDA指導原則的核心內容基本一致。與FDA指導原則不同，EMA文件中對部分易混淆的細節問題做了詳細的討論，例如：

（1）關于共晶與鹽的區別：FDA指導原則中認為，共晶與鹽的區別在于共晶中各組分均為中性狀態，且組分間的相互作用力為非離子鍵；而EMA文件認為，共晶與鹽的區別在于，在鹽中各組分主要基于離子配對排列在晶格中，而在共晶中，都是通過較弱的相互作用組裝而成的，例如氫鍵、π-π堆積或范德華力相互作用，共晶中的組分既可以是中性狀態，也可以是酸性或堿性狀態。

（2）關于組分間形成共晶或鹽的判定：FDA指導原則建議通過API和配體的△pKa[pKa(堿)-pKa(酸)]進行判定；EMA文件認為通過△pKa不能精確地進行判定，需要利用光譜學工具進行判定。

（3）關于共晶配體：EMA文件中規定共晶配體必須是藥學上是可接受的，安全和質量必須得到保證。如果以前沒有在EU/EEA范圍內的藥品中使用過，應說明理由。應作為新輔料對待，例如應提供相應的毒理學數據。

（4）關于兩個或多個API組成的共晶的注冊分類：FDA指導原則將這類共晶全部歸為復方制劑。EMA文件中同樣規定這類共晶應按復方制劑進行申報，同時還規定，共晶中各組分的化學計量比直接決定各組分的劑量比，故其化學計量比不需要滿足等摩爾，但必須符合合理的劑量比例。同時，還應充分考慮共晶對各單一組分生物利用度的影響。通常，這類共晶申報時需要符合所有復方制劑的相關要求，比如，需要明確標出共晶中每個組分的用量而非僅僅給出共晶的用量。此外，如果共晶中的某一組分與歐盟已批準的藥品相比具有更多的治療效果，可將其視為新藥。

 

三、共晶藥物的理化性質

 

1、熔點

 

藥物共晶在藥物晶格中引入了另一組分，其熔點與單獨兩組分相比會有所變化，一般介于藥物和配體的熔點之間或是低于兩者，高于兩者熔點的情況較少出現。對于熱不穩定的藥物，形成共晶可提高藥物的熔點而有效避免其在某些制劑工藝（如熱熔擠出）受熱過程中發生降解，也為這類藥物提供了更多的制劑工藝選擇。

 

2、溶解度

 

共晶的形成改變了藥物原有分子排列和晶格堆積方式，使得藥物與溶劑發生溶劑化時的相互作用發生了改變。此外，共晶溶解后，共晶形成物可能會影響藥物-溶劑相互作用或改變溶劑的性質而改善藥物的溶解度。將難溶性藥物制備成共晶是改善其水溶性的有效途徑之一。藥物在溶出介質中的溶解度會顯著影響其溶出度，因此，設計共晶時需密切關注其在溶出介質中的溶解度。共晶在溶出介質中的溶解度會受介質中的添加物（如溶液的pH、配體性質、加入表面活性劑等）的影響。如果共晶組分在溶液中能夠電離，那么共晶在溶液中的溶解度具有pH依賴性。

在研究共晶的溶解度時，如果測定的是藥物的平衡狀態的濃度，可能會忽略藥物在溶解過程中發生的晶型轉變。因此，正確地測定共晶物的溶解度的方法應該是將過量的共晶粉末加入介質中，并與不同的時間點取樣，繪制藥物濃度-時間曲線。

卡馬西平、氫氯噻嗪、共晶在水中的溶解度曲線如下圖所示?？R西平及共晶中的卡馬西平的溶解度相近，而氫氯噻嗪在形成共晶以后，溶解度大約相當于原料藥氫氯噻嗪的1/2。

 

 

圖3  卡馬西平、氫氯噻嗪、共晶在水中的溶解度曲線圖

 

3、溶出度

 

根據Noyes-Whitney溶出方程，藥物的溶出速度（DR）公式為DR=AD/h（Cs-Xd/V），其中A為藥物表面積，D為擴散系數，h為擴散層厚度，Cs為停滯層的藥物濃度，Xd是藥物在t時的溶出量，V是溶出介質體積。藥物的溶出速率隨表面積的增加而增大，而表面積與藥物的粒徑大小和被介質潤濕的能力有關。共晶改變了分子間的連接和堆積方式，降低了原藥物的晶格能，使溶質的溶解過程更容易，溶出速率提高；另一方面，不同制備方法會導致共晶粒子表面結構、形態、粒子大小不同，使共晶更易于潤濕，粒徑更小，會加速溶出。然而，有時共晶中的某組分的溶出也可能低于原藥物，研究時應注意比較并進行說明。

黃芩素（BE）、茶堿（TH）、黃芩素-茶堿（BE-TH）物理混合物、黃芩素-茶堿（BE-TH）共晶在人工胃液中的溶出曲線如下圖所示。

 

 

圖4  BE、BE-TH 物理混合以及BE-TH 共晶在人工胃液中BE 的累積溶出度

 

 

圖5  TH、BE-TH物理混合以及BE-TH 共晶在人工胃液中TH的累積溶出度

 

在360min內的累積溶出度結果顯示，BE-TH共晶與TH原料藥及BE-TH物理混合物無統計學差異。但BE在30min內的溶出速率結果顯示，BE原料藥＜BE-TH物理混合＜BETH共晶，表明BE-TH共晶能夠促進BE的溶解。TH在30min內的溶出速率結果顯示，BE-TH共晶＜TH原料藥＜BE-TH物理混合，表明BE-TH共晶對TH起到了緩釋作用。

 

4、穩定性

 

通常水分可能會引起藥物發生固體形態的改變，共晶穩定性考察時應考察其吸濕性。藥物吸收水分的程度取決于藥物的理化性質與環境濕度。當藥物分子與空氣中的水分形成氫鍵或產生分子間作用力時，則易呈現吸濕現象。有些藥物共晶后吸濕性降低，可能是藥物分子和CCF形成了氫鍵，導致其結構中能夠形成氫鍵的基團被占用，從而難以再與水分子相互作用，因此制備成共晶后吸濕性下降，此外形成共晶后固體粉末表面的性質（如孔隙率、比表面積等參數）發生了改變，使得粉末直接接觸的水減少，也可能導致共晶吸濕性降低。

卡馬西平與氫氯噻嗪在形成共晶后，在不同濕度條件下進行考察，其吸濕性均有所降低。

 

表1  卡馬西平、氫氯噻嗪、共晶在高濕條件下的吸濕性

 

 

設計共晶時應對共晶的化學穩定性進行研究，考察條件可以為高溫、高濕、光照、高溫高濕等，并采用合適的有關物質方法進行考察。

 

例如：卡馬西平與氫氯噻嗪在形成共晶后，在高溫、高濕、光照條件下進行穩定性考察。結果顯示，共晶與原料藥相比，在高溫、高濕條件下穩定性沒有發生變化。卡馬西平、氫氯噻嗪在光照的條件下不穩定（見表2），但是兩者結合形成共晶后，卡馬西平與氫氯噻嗪的穩定性均有小幅度的提高。

 

表2  卡馬西平、氫氯噻嗪、共晶在光照條件下的穩定性

 

 

5、生物利用度

 

藥物的吸收除與本身的滲透性有關外，還與藥物的溶解度有關，某些難溶性藥物由于其結構特殊，成鹽困難，故可嘗試通過與合適的共晶配體形成共晶來改善溶解度和溶出度，進而提高生物利用度。

 

6、機械性質

 

共晶的形成常伴隨著晶形（晶習）的變化，晶形不同，會引起藥物密度、機械加工性能、粒子流動性、聚合性和混合性等的差異，這些性質會影響制劑工藝的選擇。

 

四、藥物共晶的表征方法

 

1、X射線衍射法

 

X射線衍射法（XRD）是一種能夠檢測樣品的三維立體結構（含手性、晶型、結晶水或結晶溶劑）或成分（主成分及雜質成分、晶型種類及含量）的分析方法。單晶 X 射線衍射法（SXRD）的檢測對象為一顆晶體，是確定晶體結構最準確、最權威的方法；粉末 X 射線衍射法（PXRD）的檢測對象為眾多隨機取向的微小顆粒，它們可以是晶體或非晶體等固體樣品，共晶物與物理混合物的粉末X射線衍射圖譜間存在差異。根據檢測要求和檢測對象、檢測結果的不同需求可選擇適應的方法。

拉莫三嗪-鄰苯二甲酰亞胺共晶的單晶衍射分析結果表明，該晶體的空間群為p21/c1，其不對稱單元由一個拉莫三嗪和一個鄰苯二甲酰亞胺組成。在晶體中，堿性超分子單位是兩個拉莫三嗪分子通過氫鍵N1—H?N2連接形成的氨基吡啶二聚體。二聚體中一個拉莫三嗪通過N1—H1?O1與鄰苯二甲酰亞胺間形成氫鍵，另一個拉莫三嗪的N3原子通過N3—H3?O1與鄰苯二甲酰亞胺的O1原子形成氫鍵，導致O1原子成為雙質子受體。與O1相反，另一個鄰苯二甲酰亞胺的O2 原子通過氫鍵O2?H3B—N3 連接拉莫三嗪的N3原子。鄰苯二甲酰亞胺的N6原子通過與拉莫三嗪的N4原子形成氫鍵N4?H6A—N6 進行連接。

 

 

圖6  拉莫三嗪-鄰苯二甲酰亞胺共晶的單晶結構圖：拉莫三嗪與鄰苯二甲酰亞胺形成的超分子合成子(a)，拉莫三嗪-鄰苯二甲酰亞胺共晶ac平面的結構圖(b)

 

經粉末X 射線衍射法檢測，羅沙司他-肉桂酰胺共晶在6.22、10.46、14.57、25.30 ± 0.2°等處出現新的特征峰，與羅沙司他、煙酰胺的晶型不同。

 

 

圖7 羅沙司他-肉桂酰胺共晶PXRD圖

 

2、熱重法

 

熱重法（TG）可以區分樣品中所含的水分是吸附水（或吸附溶劑）還是結晶水（或結晶溶劑），并根據熱重曲線中的失重率可計算出所含結晶水（或結晶溶劑）的分子比例。

卡馬西平原料藥、沒食子酸甲酯與共晶CBZ-MTG的TGA 譜圖如下。沒食子酸甲酯(曲線a)起始失重溫度為206℃，到298℃時失重78.7%；原料藥卡馬西平(曲線c) 在196℃開始失重，到265℃時失重96.8%。曲線b為共晶熱重曲線，其在186℃開始失重，到260℃失重96.5%，說明共晶在186℃之前較為穩定。

 

 

圖8  卡馬西平（a）、氫氯噻嗪（b）和卡馬西平-氫氯噻嗪共晶（c）的DSC圖

 

4、紅外光譜

 

紅外光譜法（IR）可對共晶樣品進行定性分析，當組分通過氫鍵等化學鍵形成共晶后，其化學鍵吸收峰會發生相應偏移，據此判斷是否形成共晶。

來那度胺中1702cm-1歸屬于C=O的伸縮振動峰，向低頻方向移動至1676cm-1，這是由于氫鍵共軛效應的存在，使其振動頻率降低；煙酰胺中1682cm-1歸屬于C=O 的伸縮振動峰，向高頻方向移動至1704cm-1?？芍獊砟嵌劝泛蜔燉０分g存在C=O?N=H氫鍵相互作用，表明它們之間能形成共晶。

 

 

圖9  來那度胺（Rev）、煙酰胺（NCT）和共晶（Rev-NCT）的紅外光譜

 

5、拉曼光譜

 

拉曼光譜法是以拉曼效應為基礎研究分子振動的一種方法，主要用來監測分子和光相互作用產生的散射光和頻率，與紅外光譜源于偶極矩變化不同，拉曼光譜源于極化率變化，可用于研究非極性基團和對稱性振動，有時紅外吸收不明顯的非極性基團在拉曼光譜中往往很明顯。

在吡嗪酰胺與2,5-雙羥基苯甲酸物理混合778、1453cm-1的位置存在一個由吡嗪酰胺和2,5-雙羥基苯甲酸共同峰位疊加所造成的特征峰，但是在形成共晶之后該特征峰卻幾乎消失不見。因此，能夠初步判斷氫鍵作用使得共晶體的形成導致其空間結構發生改變不同與原料藥使得其光譜特征與原料藥不同。另外還有一些明顯的差異，例如物理混合物中1303、1348、1386cm-1處的特征峰在共晶體光譜中沒有出現，但是該位置附近1322cm-1處僅出現一個特征峰。

 

 

圖10  吡嗪酰胺（a）、2,5-雙羥基苯甲酸（b）、物理混合物（c）和共晶（d）的拉曼光譜

 

6、核磁共振波譜

 

根據核磁共振波譜圖上共振峰的位置、強度和精細結構可判斷共晶中碳原子和氫原子的化學環境，根據特征峰的位移可分析API 與CCF 分子間作用力，判斷是否形成共晶。

羅沙司他-肉桂酰胺共晶的核磁共振氫譜如下圖所示，共晶的圖譜顯示沒有發生質子轉移，證明了形成的是共晶而非成鹽；通過核磁共振氫譜分析，計算出共晶分子中API 和CCF 的摩爾比是1:1。

 

 

圖11  羅沙司他-肉桂酰胺共晶的1H-NMR圖譜

 

7、掃描電鏡法

 

共晶的晶形（晶習）不同，會引起藥物密度、機械加工性能、粒子流動性、聚合性和混合性等的差異，這些性質會影響制劑工藝的選擇。

柚皮素（NAR）、煙酰胺（NCT）以及柚皮素-煙酰胺（NAR-NCT）共晶的掃描電鏡（SEM） 圖如下圖所示。制得的NAR-NCT共晶的外觀與NAR和NCT明顯不同，在放大2000 倍下，NAR（A）為板狀晶體，NCT（B）為棒狀晶體，NAR-NCT （C）共晶為粒狀的晶體，具有明顯的形成共晶的特征。

 

 

圖12  NAR( A) 、NCT( B) 和NAR-NCT共晶(C) 的SEM圖（×2000）

 

五、結語

 

目前，共晶藥物已經引起了廣泛關注，除了本文中提到的共晶概念、理化性質和表征方法外，研究人員還需要繼續研究共晶的設計、共晶的形成機理、共晶的構效關系、共晶的工業化生產等問題。

 

同時，也希望國內關于藥物共晶研究的相關技術指導原則能夠逐步完善，以推動共晶藥物研究的快速發展。

 

六、參考文獻

 

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