目前上市的生物藥物基本以靜脈和皮下給藥為主，屬于侵入性給藥，有一定創傷。很多企業開始研發依從性更好的非侵入性生物制劑。吸入給藥就是其中一種。吸入型生物藥物已經有幾款上市，但主要以鼻內或上呼吸道遞送為主。本文重點介紹下下呼吸道這種深度肺部吸收路徑。

其實，通過小分子氣溶膠遞送治療肺部疾病已經超過3500年。只不過在古代裝置比較簡陋，通常是通過吸煙或加熱后吸入蒸汽實現。隨著現代工業技術的進步，更復雜更先進的發生裝置陸續出現。1956年，第一臺可計量吸入器問世。20世紀90年代，干粉吸入器開始在市場上嶄露頭角。

對于哮喘、慢性阻塞性肺病和囊性纖維化等肺部疾病，肺部吸入提供了一種直接、便利的途徑。實際上，吸入治療對于非肺部疾病也是有價值的，比如糖尿病。主要因為肺部含有大量血管，為藥物吸收提供了大面積吸收路徑。另外，肺部吸收還可以避免肝臟首過效應。再加上其非侵入給藥特點。使得肺部生物制品吸入給藥研發逐漸火熱。FDA至少批準了3款吸入型生物藥物，分別是Genentech的Pulmozyme（1994年）、Pfizer的Exubera（2006年）、MannKind的Afrezza（2014年），前者治療囊性纖維化，后兩款是吸入胰島素，用于治療糖尿病。不過，Exubera已經于2007年退市了。

吸入給藥的吸收機制和障礙

肺結構和形態學

吸入的氣流在鼻咽和口咽腔室中會發生約90度的重新定向，然后穿過喉部和氣管，并在隆突處分裂輸送到右肺或左肺。氣流進入肺支氣管（第1級）后，連續流經葉支氣管（第2級）、段支氣管（第3-4級）、小支氣管（第5-10級）、細支氣管（第11-13級）和終末細支氣管（第14-16級）直達肺部深處。終末細支氣管以下的分支為肺的呼吸部，包括呼吸細支氣管（第17-19級）、肺泡管（第20-22級）、肺泡囊（第23級）和肺泡（第24級）。所以，人的支氣管到肺泡一共有24級分支。

整個呼吸道被上皮細胞層覆蓋。在前部氣道、氣管、支氣管和細支氣管中，相對較厚的上皮由假復層柱狀細胞組成，這些細胞與分泌黏液的杯狀細胞、纖毛細胞和下層基底細胞以分散狀分布。纖毛上皮細胞可以不斷將黏液和沉積在粘膜表面的顆粒從遠端氣道推動至喉嚨，以方便吞咽或排出。但是在肺部更遠端，上皮層和黏液層變薄，直至細支氣管時，黏液清除逐漸變弱。隨著氣管進一步分級，黏液不復存在。肺泡腔被一層薄薄的（0.1-0.2μm）表層液體所包圍，表層液體是含有磷脂和蛋白質的復雜混合物，其目的是保持空氣流通。在肺泡腔中，上皮由1型和2型細胞組成，表面積約為100平方米。空氣和血液（肺泡上皮、間質和毛細血管內皮）之間氣體交換的屏障厚度僅為0.2μm左右。肺泡表面分布著肺泡巨噬細胞，可移動，并能夠內吞、破壞和/或去除異物。

大分子呼吸道吸收的機制

肺泡上皮、基底膜和毛細血管內皮，統稱為肺泡屏障，可能是各種大分子吸收的主要部位。生物大分子肺部吸收路徑有不同的觀點。Patton團隊認為主要通過細胞旁轉運，如胰島素，通過細胞外緊密連接被動擴散穿過肺泡上皮。另外，轉胞吞也被證明可以從肺部吸收蛋白質。但這種機制涉及到肺泡內的轉運，可能是40KDa或分子量更大的蛋白質的主要吸收路徑。事實上，蛋白的肺部吸收是復雜的，受多種因素影響，包括分子大小、電荷、酶活性、沉積部位、被動還是主動擴散等。

粒徑的影響

不同粒徑的顆粒在呼吸道中的沉積效率不同。較大的顆粒（>10μm）優先沉積在上呼吸道，約3-5μm的顆粒最有可能到達肺深處。<1μm則可能直接被呼氣排出。另外，顆粒在呼吸道中的沉積特點存在種屬差異。

生物藥肺部吸收的障礙

解剖學、生理學和免疫方面的障礙會影響吸入生物制劑的遞送效果，包括氣道的高度分支結構、粘膜纖毛清除、巨噬細胞攝取、肺表面活性物質、肺泡上皮滲透、酶代謝。

肺部的高度分支結構是影響吸入性顆粒沉積的主要障礙。氣溶膠顆粒在肺部的沉積效率和位置受其物理化學性質的顯著影響，包括空氣動力學顆粒尺寸（粒徑）、形狀、電荷、吸濕性和密度。其中，空氣動力學直徑（Dae）是決定肺部沉積效率的關鍵參數。另外，吸收的生物藥物在肺部的理想吸收位置尚不明確。因為，氣溶膠顆粒必須溶解才能吸收并發揮作用。然而，肺部用于顆粒溶解的液體量是有限的。人體肺液體積約為10至30毫升。很難預測吸入的氣溶膠顆粒在沉積的位置會暴露于多少體積的肺液之中。通常，沉積在上呼吸道的顆粒往往溶解得更快。

外周氣道比傳導氣道具備更大的吸收表面積，對于局部給藥需要發揮系統作用的生物藥物，是理想的吸收靶部位。比如分子量約為4118KDa的甲狀旁腺激素，其生物利用度與肺部沉積位置有關，位置越深，吸收程度越大。這點對于很多小肽類藥物均適用，肺泡空間的吸收優于上呼吸道。但是，對于需要主動轉運吸收的生物藥物，就要考慮介導吸收的受體的肺部分布情況。比如FcRn主要在人、猴的上呼吸道上皮和肺泡巨噬細胞表達。因此，IgG吸收的理想位置可能是發生受體介導的胞吞作用的上呼吸道和中央呼吸道。

粘膜纖毛清除本是上呼吸道抵御有害顆粒的防御機制，主要通過黏液、纖毛細胞和分泌細胞等發揮作用。比如IL-17A抗體小鼠氣管內滴注給藥4h后，胃中即可發現高達29%的抗體片段，清除作用可見一斑。另外，由于多肽和蛋白藥物帶電荷較多，水溶性好，與黏液成分也會發生相互作用，延緩其擴散和吸收。

在外周肺中，巨噬細胞攝取在肺泡清除外來吸入物中發揮重要作用。肺泡巨噬細胞的攝取有粒徑依賴的特點，幾何直徑1-2μm的比較容易被攝取，更小粒徑的攝取率會降低。另外，大蛋白如IgG吸收速率慢，在肺泡空間會滯留數個小時，受巨噬細胞攝取影響更大。小的蛋白或多肽可快速通過肺泡上皮轉運，受巨噬細胞的影響自然就小很多。

肺表面活性物質（PS）是從遠端肺向近端肺擴散的連續液體層。沉積在氣道中的氣溶膠顆粒首先接觸PS。PS的組成包括磷脂（約92%，按質量計）和表面活性劑蛋白（約8%）。PS有時被認為是吸入型多肽藥物或蛋白的增強劑。比如制劑處方中加入PS成分DPPC可以促進吸入型胰島素、生長激素、甲狀旁腺激素的吸收，可能與打開細胞間致密連接，細胞間轉運增強有關。

吸入藥物可以用于生物藥物的局部或全身遞送。對于局部發揮作用的藥物，吸入制劑需要溶解在肺液中，與氣道中的黏液和靶細胞相互作用，以發揮藥理學作用。對于吸入后需要進入系統循環的生物藥物，肺上皮是入血的主要屏障。而這一路徑與分子量直接相關，分子量低于40kDa的小的可溶性肽和蛋白質在血液中很快就能檢測到，而分子量高于40kDa的肽和蛋白質則要在數小時至數天內緩慢被肺部吸收。通常來講，生物藥物穿越肺上皮有兩種路徑，細胞旁轉運和轉胞吞作用，即從細胞間穿過還是細胞內穿過。對于沒有特定受體的蛋白，通常經細胞間或非特異性胞飲方式透過。不過，很多生物藥物透過肺上皮是通過受體介導的轉胞吞作用，如白蛋白、轉鐵蛋白等。再如，FcRn這一受體可明顯促進很多抗體類藥物肺部吸收。影響藥物肺部吸收的因素還包括肺泡表面的兩種細胞類型，Ⅰ型和Ⅱ型肺細胞，二者緊密連接在一起，前者占90%，后者占5-10%。內吞囊泡主要存在于Ⅰ型細胞中，是藥物肺部吸收的主要細胞類型。不過也不絕對，比如白蛋白就主要通過Ⅱ型細胞吸收。

肺部代謝對生物藥物吸收影響也很大。肺泡巨噬細胞和其它炎癥細胞（如中性粒細胞）可以分泌蛋白酶。如果氣道發炎，蛋白酶水平則更高。一些吸入的蛋白酶和多肽的活性有可能受到影響。其中，小肽（<3KDa）被水解的程度比較高，如果有化學修飾，可能會改善這一情況。隨著分子量增加，分子量在6至50kDa之間的蛋白質對大多數肽酶具有一定抗性，吸入后的生物利用度要好上不少。

非臨床評價特殊考量點

本部分主要參考2023年9月份，CDE于冰、付淑軍、王慶利等老師發表的《吸入制劑非臨床評價的考量要點》。

吸入制劑非臨床藥理毒理部分研究內容與其它制劑大體相同。不過，在動物選擇、給藥方式選擇、受試物分析、遞送劑量監測與計算等方面有些特殊考量。

首先，動物選擇方面，除了傳統的生物藥物相關種屬選擇邏輯，還需要考慮到動物呼吸道局部組織的特征與人體的區別。一般來說，嚙齒類動物呼吸道解剖結構與人體差別較大，犬和非人靈長類動物肺部的氣溶膠沉積分布特征與人體更相似，因此這類動物模型產生的實驗結果對臨床預測價值更高。此外，小型嚙齒類動物僅能通過鼻呼吸，無法用嘴呼吸，微米級大顆粒的肺沉積少，鼻腔和氣管支氣管沉積較多，可能更適用于評價擬用于新生兒的吸入制劑。

給藥方式盡量與臨床擬用途徑一致。對于重復給藥毒性試驗、致癌性試驗等長期毒性試驗，系統暴露量少、給藥劑量受限的原料藥，以及數據提示受試物在人體的系統暴露量高于動物時，可通過改用或增設口服、靜脈注射等方法提高系統暴露量。，還應考慮臨床擬用給藥裝置與動物給藥裝置之間存在的可能差異，特別建議生物制品使用同樣霧化原理的裝置，以防在霧化過程中產生不同聚體物質。

受試物分析和給藥裝置驗證。吸入制劑的驗證與檢測內容包括粒徑、遞送劑量、沉積劑量等。氣溶膠顆粒的粒徑是吸入制劑的重要物理特性，直接決定受試物質量與給藥劑量準確性，粒徑過大的氣溶膠顆粒無法吸入肺部，粒徑過小的顆粒會隨自主呼吸排出。OECD 急性吸入毒性試驗指南要求氣溶膠顆粒的空氣動力學中值直徑( median mass aerodynamic diameter，MMAD) 為1.0-4.0 μm，幾何標準差( geometric standard deviation，GSD) 為1.5-3.0μm; 相較于急性毒性試驗，亞急性吸入毒性試驗、亞慢性吸入毒性試驗指南調整了MMAD 的范圍為1.0-3.0μm; 為適應納米級吸入制劑的評價，除非提供合理理由，MMAD 應為1.0-2.0μm，GSD 應為1.0-3.0μm，以增加肺部沉積。另外，還需要開展給藥裝置中氣溶膠粒徑分布和濃度的驗證試驗，如氣溶膠濃度的穩定性、均一性等。

劑量設定與劑量計算。由于吸入制劑的局部器官或組織暴露量高，血藥濃度不能直接推算起效劑量，因此，應增設氣管支氣管、肺等呼吸道部位的藥物濃度監測，根據吸入制劑的PK特征設定劑量。吸入制劑有多個劑量指標，包括目標劑量、遞送劑量、沉積劑量、留存劑量等。其中，最重要的兩個指標為遞送劑量和肺沉積劑量。動物試驗中，遞送劑量一般通過4個參數計算，分別是動物的單位時間通氣量、給藥時間、氣溶膠濃度、可吸入氣溶膠顆粒比例。遞送/吸入的氣溶膠會部分沉積于呼吸道的其他部位，例如鼻咽、氣管支氣管，進而被機體代謝、清除，因此還需引入更接近藥物實際起效劑量的肺沉積劑量。沉積劑量通常為遞送劑量與沉積因子百分數（沉積分數）的乘積，嚙齒類動物為10%、非嚙齒類動物為25%。再具體些，英國MHRA將大鼠、犬、人的沉積系數定為7%、20%、40%，美國FDA將大鼠、犬、人的沉積系數定為10%、25%、100%。

具體試驗的特殊考量

藥代動力學：吸入給藥的藥物吸收路徑比較復雜，并不一定完全在肺部吸收，很多藥物直接沉積在口咽部，或者被肺部黏液-纖毛運動外排至口咽部，從而被吞咽進入消化道。所以吸入制劑可能分布在呼吸系統，經呼吸系統入血，消化道系統，經消化道系統入血。既有局部分布，也有系統吸收，所以既要考察局部如肺部的藥物沉積量或呼吸道局部粘膜沉積量，也要考察系統暴露量。有時系統暴露量并不高，對生物分析方法的要求會比較高。

安全性評價與結果解讀：吸入制劑安全性評價的特殊考量點主要圍繞呼吸系統展開。呼吸系統相關臨床觀察包括震顫、抽搐、流涎、腹瀉、嗜睡、睡眠和昏迷。組織病理學檢查方面，應檢查所有肺葉，至少涵蓋鼻咽組織的4個部位，例如鼻咽管，以充分評價吸入制劑對鱗狀、過渡性（非纖毛呼吸）、呼吸性（纖毛呼吸性）和嗅覺上皮以及鼻相關淋巴組織的影響; 至少涵蓋喉的3個部位，例如對會厭底部的檢查; 至少涵蓋氣管的2個部位，包括穿過肺外支氣管分叉隆起的一個縱向和橫向截面，以及支氣管淋巴結。安全性評價應包括對肺泡灌洗液和肺中細胞因子、免疫細胞、活性蛋白等的測定。根據OECD急性吸入毒性試驗指南，肺泡灌洗液必須檢測的指標包括乳酸脫氫酶、總蛋白或白蛋白、肺泡巨噬細胞、淋巴細胞、中性粒細胞和嗜酸性粒細胞的細胞計數及差異。

安全范圍考量：吸入制劑的安全范圍需同時考慮系統暴露和局部（肺部）暴露。ICH M3 Q&A指出，對于擬起全身性作用的吸入藥物，吸入毒性試驗中的高劑量設置與系統給藥類似，至少達到臨床全身暴露量的50倍。額外的要求是，還要超過計算得到的臨床肺部沉積量的10倍。對于作用于肺局部的吸入藥物，其高劑量所達到的肺部計算沉積量應可達到計算得到的臨床肺部沉積量的50倍，并且達到人體臨床劑量所達到AUC的10倍（原文：For inhaled drugs with intended systemic action, the high dose in an inhalation toxicity study could be one that produces an AUC value of greater than or equal to 50-fold the clinical systemic exposure and a 10-fold margin over the calculated deposited lung dose. For inhaled drugs that are designed to work locally in the lung, the high dose could be one that achieved a calculated deposited lung dose of 50 times the calculated clinical deposited lung dose and produced a 10-fold margin over the AUC achieved in humans at the clinical dose）。