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实验动物:视网膜给药的药代动力学研究

2018年11月19日 浏览量: 评论(0) 来源:Progress in Retinal and Eye Research Volume 57, March 2017, Pages 134-185 作者:李晓菲译 责任编辑:admin
摘要:由于许多疾病影响视网膜和脉络膜,导致视力受损或失明,因此向后眼段的药物输送是眼科领域的重要挑战。目前,玻璃体腔注射是向视网膜给药的选择方法,但是这种方法仅适用于选定的情况(例如,抗VEGF抗体和可溶性受体)。可以采用两种基本方法来改善视网膜药物递送:延长和/或视网膜靶向的玻璃体内药物递送和使用其他给药途径,如眼周、脉络膜上、视网膜下、全身或局部给药。给药途径、药物和给药系统的性质决定了这些方法的有效性和安全性。
摘要:由于许多疾病影响视网膜和脉络膜,导致视力受损或失明,因此向后眼段的药物输送是眼科领域的重要挑战。目前,玻璃体腔注射是向视网膜给药的选择方法,但是这种方法仅适用于选定的情况(例如,抗VEGF抗体和可溶性受体)。可以采用两种基本方法来改善视网膜药物递送:延长和/或视网膜靶向的玻璃体内药物递送和使用其他给药途径,如眼周、脉络膜上、视网膜下、全身或局部给药。给药途径、药物和给药系统的性质决定了这些方法的有效性和安全性。药代动力学和药效学因素决定药物作用所需的给药率和剂量。此外,耐受性因素限制了许多材料在眼部药物输送中的使用。本文从药代动力学方向讨论视网膜给药。
 
关键词:视网膜 药物递送 结膜下  脉络膜上  药代动力学模型  
 
血-眼屏障:玻璃体内注射后,药物分布在玻璃体和周围的眼组织中。药物从玻璃体腔清除是通过血-眼屏障和房水流出到全身血液循环进行的。在全身性、脉络膜上和眼周给药的情况下,药物必须穿过血-眼屏障才能到达视网膜中的靶点。因此,血眼屏障在确定药物进入眼睛和从眼睛到血液循环的过程中起着重要作用。血-眼屏障包括前血-房水屏障(BAB)和后血-视网膜屏障(BRB)。虹膜后部、无色素睫状上皮及虹膜周围致密的内皮细胞和睫状肌毛细血管形成BAB。BRB由视网膜毛细血管内皮(内BRB)和视网膜色素上皮(RPE)(外BRB)组成。不幸的是,对于BAB的血管组分的渗透性值是难以确定的。视网膜色素上皮的渗透性更容易通过实验确定,因此,其在血-眼屏障中的作用更容易定量。在其他上皮致密膜(肠、结膜、角膜),旁孔的直径已确定将在1–3 nm的范围内。
 
视网膜内毛细血管屏障:视网膜毛细血管:示踪实验显示,不同物种(大鼠、猴子、猪)的视网膜毛细血管壁阻止了i.v.碳纳米颗粒(直径20nm)、125I-白蛋白(7.2nm)、辣根过氧化物酶(4 nm)和微过氧化物酶(2 nm)的渗透。但是小分子被证明是可渗透的。这些化合物明显小于具有紧密连接(约2nm)的膜中典型的细胞旁间隙的大小。此外,一些化合物,如荧光素,可以通过被动扩散和主动转运在细胞外渗透。所报道的体内渗透率值反映的是整个BRB中的渗透率,而不仅仅是视网膜毛细血管中的渗透率,因此很难定量视网膜毛细血管中的渗透率。可以得出结论,视网膜毛细血管形成一种屏障,阻止直径为2纳米及更高的分子的渗透,而小分子能够在一定程度上渗透过内部BRB。
 
血-视网膜屏障:视网膜色素上皮 视网膜色素上皮细胞是一种紧密的细胞单层,位于感光细胞和脉络膜之间。它在神经视网膜的稳态和BRB的外部具有重要的功能。与RPE相比,Bruch膜和脉络膜组织作为小分子和中性大分子(高达500kDa)的屏障的作用可以忽略不计。RPE的跨上皮阻力一般在0.10~0.15 kOHM CM2范围内,猴实验表明微过氧化物酶(2nm)不通过RPE渗透到体内。小分子的渗透依赖于其亲脂性,,而亲脂性药物则渗透得更快。亲水性溶质的胞旁通透性随着分子尺寸的增大而降低,这清楚地突出了RPE对尺寸依赖的分子排斥作用。
 
血-房水屏障:血-水屏障由内皮(虹膜和睫状肌血管)和上皮屏障(后虹膜上皮和非色素上皮)组成。在大鼠、猫、兔和猴健康眼睛中,静脉注射过氧化物酶(2nm)、辣根过氧化物酶(4 nm)和碳粒子(20 nm)没有从虹膜血管中渗出。然而,在兔和猴中,睫状突的血管是渗漏的,允许蛋白质(肌红蛋白4nm;白蛋白7nm;丙种球蛋白11nm)穿过它们的壁。BAB的上皮成分也有紧密的细胞间连接。虹膜后上皮不允许辣根过氧化物酶(4 nm)的渗透。同样,猴的非色素上皮不允许微过氧化物酶或辣根过氧化物酶的渗透。由于玻璃体内的药物通常同时通过BAB和BRB排出,所以很难单独评估BAB和BRB的渗透性。同样,静脉注射的药物通过BAB和BRB分布到眼睛。因此,难以单独评估每一条路线。. 眼内药物主要通过房水流出和虹膜睫状体静脉除去。对于大分子而言,通过血流的清除率基本上为零,对于小亲脂化合物而言,约为10-20μl/min。这意味着BAB与BRB一样,是蛋白质和其他大分子的紧密屏障,但允许小分子渗透。兔虹膜睫状体总血流量约为144μL/min。这表明小分子在兔虹膜和睫状体中的提取率约为0.07~0.14。血-眼屏障的主动转运;血-眼屏障的物理结构定义了屏障中被动药物渗透的水平。渗透性还取决于化学药物性质,活性转运体可能影响作为转运体蛋白底物的药物的渗透。血眼屏障不允许蛋白质和其他大分子渗透,但它们确实允许小分子渗透。由于这个原因,小分子的玻璃体内清除比生物学物质的清除要快得多,而且向内输送小药物进入眼睛也更容易。
 
玻璃体腔内给药:一些药物靶点位于神经节细胞、光感受器、视网膜色素上皮细胞和色素内皮细胞。药物分布与玻璃体的相互作用.玻璃体腔注射后,药物分布在玻璃体腔内,进入后眼段的细胞外和细胞内药物靶区。玻璃体在药物传递中起屏障作用,但是其作用强烈依赖于药物分子和配方。体内药物根据其膜通透性和与脂质、蛋白质、黑色素和其他细胞成分的结合亲和力分布到周围组织。特别是,与黑色素结合的药物可能会显著增加细胞内的药物浓度。分布体积是描述给药后药物分布和结合的程度的药物动力学参数。玻璃体内注射后,眼睛的行为就像一个分离的组织,因为血液循环就像一个水槽,在那里药物被稀释,以至于血浆中的药物浓度对眼部药物浓度分布没有影响。因此,可以为眼睛确定单独的体积分布。收集家兔和人体实验的玻璃体内注射数据,测定药物分布的玻璃体内容积。有趣的是,药物分布的玻璃体腔量几乎恒定的(80%的范围在1.2–2.2毫升兔),体积均不依赖于药物的性质(如分子量、油性)。药物在兔眼内的分布体积与玻璃体液的解剖体积接近,表明周围组织(视网膜、晶状体、睫状体、虹膜)对分布体积的影响很小。这是由于两个因素:1)周围组织的解剖尺寸远小于玻璃体的体积。玻璃体药物清除:原则上,玻璃体内的药物清除可以通过生物转化或物理清除到血液循环中进行。大多数情况下,药物使用第二种机制从血液循环中清除,然后通过代谢清除(主要在肝脏)和肾脏排泄到尿中而从体内清除。
 
代谢性药物消除:玻璃体中的药物代谢还没有系统地探索。然而,有证据表明少量的代谢酶在玻璃体中存在。玻璃体中存在酯酶和肽酶活性。玻璃体中还有其他一些酶与药物递送系统的作用有关:基质金属蛋白酶(MMP)、胰蛋白酶_1和胰蛋白酶-2存在于玻璃体中,并能消化II型胶原。玻璃体内注射后,药物可通过前路或后路清除。此后,药物将在房水流出过程中被消除。后路只能用于能够跨越血-眼屏障内皮细胞和上皮细胞的化合物。这些屏障是选择性的,允许小分子通过,同时限制大分子的渗透。因此,具有亲油性的小分子比大分子更快地从玻璃体中清除。小分子的半衰期一般在1-10小时之间,而蛋白质和其他大分子的半衰期一般为几天。最近,对家兔和人的玻璃体药物清除进行了彻底的分析。对已发表的玻璃体内注射数据进行曲线拟合分析,以确定间隙和分布体积。显然,大分子的清除率明显小于小分子的清除率或房水流出率。对于小分子化合物,清除值高于蛋白质。最高的间隙值远高于房水流出量,而最小的间隙值远低于房水周转率。这表明具有高清除值的化合物通过血-眼屏障被清除,并且这些屏障中的渗透性是清除的最重要的决定因素。血-眼屏障中的渗透率是限速步骤。
 
从玻璃体到视网膜层的药物递送:视网膜是一个重要的组织,因为它包含视觉感受所需要的光传感细胞和支持细胞。光信息通过视神经从视网膜传递到大脑。视网膜的细胞结构是复杂的,并且在视网膜中的药物分布和递送还不是很清楚。本文讨论了视网膜色素上皮和视网膜内皮作为药物传递屏障的作用。内界膜、外界膜和Müller细胞代表药物从玻璃体到视网膜的额外屏障。
 
内界膜(ILM):内界膜(ILM)位于视网膜的玻璃体边缘,位于视网膜Müller细胞的末端和玻璃体之间。ILM也作为Müller细胞的基底膜。ILM的主要成分是胶原蛋白和糖胺聚糖,它是具有净负电荷的机械和静电屏障。显然,基于糖胺聚糖和胶原的亲水性ILM结构不能阻断小分子的扩散。小分子药物在玻璃体中相对自由扩散,容易进入视网膜细胞外空间。视网膜色素上皮和视网膜内皮细胞构成屏障,特别是亲水性化合物。细胞内的小分子进入视网膜细胞类型取决于被动扩散和主动转运。在生物学的情况下,当化合物的分子量低于100kDa时,ILM似乎并不限制视网膜药物的递送。研究者确定猪、牛和兔视网膜自由穿透的最大分子尺寸分别为60±11.5、78.5±20.5和86±30kDa。Müler细胞是视网膜中的主要神经胶质细胞,它们有助于正常的视网膜结构和稳态。它们也有助于形成ILM和外界膜(OLM)。重要的是,像RPE细胞一样,Müller细胞代表眼睛防御机制的一部分。Dalkara等人研究了不同血清型荧光标记AAV病毒经玻璃体腔注射后大鼠视网膜的分布。发现只有在ILM和/或Müller细胞末端脚上具有结合位点的血清型才能进入视网膜层。外界膜(OLM):外界膜(OLM)是由Müller细胞的顶突和光感受器细胞的内段之间的粘附和紧密连接形成的。神经视网膜中的一些屏障可能影响大分子和粒子向视网膜的渗透。这些障碍的作用尚未定量,其作用尚不完全清楚。
 
全身给药到视网膜:以片剂形式全身给药是临床上最常见的给药方式,但在眼科中并不常见。不能充分吸收肠道血液循环的药物作为肠外注射、肠内注射和静脉注射给药。在眼科治疗中,全身给药已被用于递送抗生素治疗眼内炎,碳酸酐酶抑制剂治疗眼压升高,甲氨蝶呤和肠外抗体治疗葡萄膜炎。例如,氯喹,西地那非,氯丙嗪和他莫昔芬可能引起视网膜的副作用。
 
药物通过血液循环扩散到视网膜:家兔全身用药眼部分布的研究报告血浆和玻璃体液药物浓度的研究对于了解从血浆到后眼段的药物分布特别有用。建立了模拟玻璃体系统循环和药物分布的药代动力学家兔模型。该模型基于两个关键因素:1)血浆游离药物浓度(Cu=fu C,其中fu是药物在血浆中的游离部分);2)血浆和玻璃体之间的分布间隙与玻璃体的药物清除相同。模拟兔玻璃体内的药物浓度,得到的玻璃体药物暴露量(玻璃体内药物浓度与时间曲线下面积;AUC)与实验值符合得很好。在临床前动物研究中,当一种药物只对一只眼睛给药,另一只眼睛作为对照时,也经常看到药物从血浆向眼睛的分布。局部滴眼滴注和结膜下注射后,全身性药物吸收迅速且几乎完全完成。在兔子实验中,剂量通常与人相同,但全身药物清除和分布体积要小得多。这会导致对侧眼系统性药物分布的高估。在兔对侧眼(最后一次给药后4小时)中长期服用噻吗洛尔(6天,每天两次)后,血管化眼组织的药物水平达到高水平,但在无血管的角膜药物水平低(2%浓度的治疗眼睛)。游离药物从血液流到玻璃体的分布是由浓度梯度和跨越血-眼屏障的能力(即分布清除率)驱动的。如果药物与细胞成分(尤其是黑色素)结合,或者它是一个重要的活性转运过程的底物,则游离药物可能比预期的对视网膜和脉络膜的累积更多。靶向药物从全身循环到肿瘤、中枢神经系统和其他组织的递送是药物文献中广泛研究的课题。使用纳米粒子和脂质体、抗体药物和聚合物药物偶联物和小分子前体药物能使药物到达靶向组织。首先,相对于组织大小的脉络膜血流非常高,脉络膜毛细血管漏出,具有70~80 nm的孔,从而允许聚合物或纳米颗粒的外渗。其次,靶细胞(例如视网膜色素上皮细胞和视网膜神经细胞)与血管外脉络膜非常接近。第三,RPE在允许靶向这些细胞的材料的内化中是活跃的。第四,后部眼部易于用各种外释信号触发方法达到。
 
眼周给药:药物注射到眼睛周围的区域,例如结膜、球周、球后或后部巩膜旁注射。这些注射在巩膜附近注射的位置/方向上不同。巩膜厚度在赤道附近逐渐减小(从0.53±0.14mm到0.39±0.17mm),可能导致药物穿透增加。另一方面,结膜下注射在临床上用于将药物输送到眼前部已有很长一段时间。本章将对结膜下注射进行讨论。与局部滴眼液相比,这种注射在前房组织中达到更高的浓度,并且这种给药方式已经被研究为眼后段药物递送的选择。结膜下注射比滴眼液后药物分布在前房的水平更高。在结膜下注射后,药物对房水的生物利用度约为10%,因为角膜屏障被绕过,并且注射部位的滞留时间比滴眼后长。从结膜下的系统吸收往往是快速的,它限制了生物利用度。从结膜下到视网膜的药物输送比前房的输送更具挑战性。结膜下给药已被视为玻璃体内注射给药替代视网膜给药的研究。总的结论是,结膜下注射后视网膜的生物利用度在0.1%的范围内。这比局部给药好,但小于玻璃体注射后的视网膜生物利用度。如示意模型结构所示,屏障可分为两组:1)流动屏障(从结膜下间隙和脉络膜清除血流和淋巴流);2)穿透屏障(巩膜、血管外脉络膜、RPE)。在结膜下注射后,大约80-95%的小分子药物迅速吸收到全身循环,并且只有少数渗透到巩膜上,但是蛋白质(如Gd-白蛋白)的系统吸收甚至比小分子药物的吸收慢70倍。在巩膜中,小分子的通透性相对恒定,与亲脂性无关,而大分子的通透性比小分子慢约10倍。 在脉络膜血管外扩散性较快,距离较短,因此,药物迅速到达脉络膜血管,并取决于药物性质是否到达全身循环。最近的实验研究表明,脉络膜血流降低眼周注射曲安奈德的视网膜生物利用度。在RPE中,小亲脂性化合物的渗透率分别比小亲水性和大分子的渗透性快大约8倍和500倍。总的来说,有一个明显的趋势:小分子,尤其是亲脂性分子,通过渗透屏障比大分子渗透快,但是它们比大分子更快地被清除到血流中。显然,流动因子具有更大的影响,最终低分子量不利于视网膜的生物利用度,而是减少药物分布到玻璃体腔。除血流外,淋巴流在结膜下和脉络膜间隙的药物清除中也起作用。淋巴流的作用在清除间质液中的颗粒和大分子并将它们穿梭到淋巴结中可能特别重要。内眼淋巴管的作用及存在仍存在一些争议,但结膜中淋巴管的存在是众所周知的。结膜中有丰富的淋巴管网络,约占表面积的50%。淋巴系统在去除结膜下化合物方面的活性也已得到证实,但该系统在去除纳米颗粒方面的作用尚未被研究。由于溶液中的药物迅速从注射部位排出,结膜下注射的作用持续时间短,除非涉及缓慢药物溶解或释放。因此,必须延长药物在结膜下腔的滞留和释放。
 
脉络膜上给药:脉络膜上给药是近年来兴起的一种较新的给药方式,但尚未在临床上应用。药物剂量被注射到脉络膜上的空间,正好在巩膜的内表面之下。注射体积小,约50μL,通常注射用微针注射。也可以插管。注射后,液体分布在脉络膜上空间中,脉络膜上空间前方受巩膜刺限制,后方受视神经限制。扩张可能是由于注射作用于小脉络膜上腔的压力所致。但脉络膜的分布不完全,脉络膜睫状动脉限制了扩张。脉络膜上径路避免了直接进入内眼,并且降低了眼内炎、视网膜脱离和白内障形成的风险。与结膜下给药相比,注射部位更接近视网膜和脉络膜,预期生物利用度更高。在动物模型中研究了脉络膜上药物在溶液中的药代动力学。例如,脉络膜上贝伐单抗主要到达脉络膜、RPE和光感受器外段,而玻璃体内药物更多地分布到视网膜内。脉络膜上药物对视网膜和玻璃体腔的生物利用度取决于药物对脉络膜毛细血管的清除率和药物跨RPE的渗透性。药物必须通过RPE到达神经视网膜,但药物剂量的主要部分将通过脉络膜血流丢失。根据脉络膜高血流量(兔62ml/h,人43ml/h)和脉络膜血管渗漏(70-80nm孔),血流清除是显著的。体内研究表明脉络膜化合物在数分钟或数小时内迅速消失至血液循环。在未灌注的眼睛中,巩膜和视网膜增加了一个数量级,进一步证明了血流作为药物丢失机制的重要性。显然,脉络膜生物利用度至少在注射部位为100%,但是视网膜生物利用度取决于RPE渗透和脉络膜药物损失的竞争过程。视网膜生物利用度可估计在0.2~4%的范围内。虽然脉络膜上注射的药物在溶液中的视网膜生物利用度是足够的,但注射药物溶液后药物作用的持续时间太短。这意味着应经常给予基于溶液的注射,这在临床实践中是不可接受的。延长行动是必要的,使脉络膜上给药在临床上有吸引力。脉络膜上给药控制药物释放制剂已经测试了。与溶液相比,不可生物降解的荧光聚苯乙烯颗粒(20nm-10μm)在脉络膜上空间停留的时间更长(至少1-2个月)。临床上,不可降解的颗粒对于脉络膜上给药是不可行的,因为它们会积聚到组织中,并且很难从组织中拯救出来。曲安奈德混悬液作为脉络膜上注射,药物在视网膜和玻璃体产生高浓度。
 
视网膜下给药:视网膜下注射用于某些特殊的实验目的,当治疗药物旨在达到RPE或光感受器时。注射在RPE和神经视网膜之间。这导致了当水溶液被吸收到体内后,形成的滤泡消失。这是一种技术要求很高的递送方法,仅用于非常专门的临床应用,并且在小鼠和大鼠的早期眼部药理学实验中使用。视网膜下注射组织纤溶酶原因子辅助治疗视网膜下出血。视网膜下植入物(人造视网膜)产品最近已被临床接受。此外,干细胞衍生的视网膜细胞和基因治疗的病毒载体已应用于视网膜下。
 
局部给药:药物吸收、分布和功效:滴眼剂眼部局部给药通常用于治疗眼前节疾病,如眼压升高、感染和炎症。每天滴眼药水或每天滴几次,以将小分子药物输送到眼前段组织。大多数临床药物具有足够的角膜渗透性,经角膜药物吸收进入前房。眼部生物利用度,由房水测定,一般在1-4%的范围内,但对于小亲水性药物则少得多,而对于蛋白质则几乎为零。低生物利用度是由于眼表滴眼液的迅速排出和通过结膜的全身吸收所致。药物从房水容易分布到虹膜、睫状体和晶状体,通过房水流出和前葡萄膜静脉血流清除。角膜的药物渗透取决于它的亲脂性,典型的药物分布模式,其顺序为:泪液>角膜>房水_虹膜_睫状体>前巩膜>晶状体_视网膜_脉络膜_玻璃体。房水流动、虹膜睫状体血流和晶状体屏障阻止药物有效分布到后段。通常,玻璃体中的药物浓度分别比房水和角膜中的药物浓度低10倍和100倍。通过结膜和巩膜的非角膜药物吸收途径在研究中得到证实,其中角膜和结膜药物吸收过程彼此分离,角膜周围有一个圆柱体,从而只能在角膜或结膜表面上滴注药物。在临床实践中,滴眼液不被用于药物输送到后眼段,因为它们不是有效的治疗。然而,在许多研究中,从眼药水到玻璃体和/或视网膜的药物输送已经显示出来。许多研究已经在小动物(小鼠,大鼠)中完成,这些结果可能不可译给人类。在小鼠和大鼠中,屏障较薄,距离更小,从血液循环到眼睛的药物分布也比人类更为显著。(因为全身药物清除率和体积比人类小得多)。相关的物理屏障是结膜、巩膜和RPE,流动屏障包括结膜和脉络膜中的血液和淋巴流。五个主要因素是影响局部药物输送到眼后段的潜在因素:1)在眼表面的保留时间;2)屏障膜(结膜、巩膜、RPE)中的通透性和转运;3)流动因素的作用(药物损失或向组织的分布)4)药物优先归向视网膜(例如黑色素结合);5)药物和目标(例如神经视网膜、RPE或脉络膜)的效力;6)药物剂量和眼表面的剂量。玻璃体内递送是目前选择视网膜给药的方法。
 
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