【建模文章解读】通过整合体外、建模、体内三种方法探讨华法林的生物等效性

原文作者展示了FDA仿制药办公室通过建模与模拟方法评估仿制药质量变化对生物等效性的影响。通过PBPK机制性吸收模型桥接药品体外质量变化和体内PK行为，从而分析影响体内PK参数的关键因素，制定了保证BE的溶出范围；这对仿制药企业采用建模与模拟方法确保在研药品的生物等效性具有重要意义。

研究流程图

Zhang, X. , Wen, H. , Fan, J. , Vince, B. , Li, T. , Gao, W. , Kinjo, M. , Brown, J. , Sun, W. , Jiang, W. and Lionberger, R.

美国FDA仿制药办公室OGD

美国Vince and Associates 临床研究公司

普渡大学

美国FDA研究与标准化办公室ORS

王钰玺，上海技术部

Integrating In Vitro, Modeling, and In Vivo Approaches to Investigate Warfarin Bioequivalence. CPT Pharmacometrics Syst. Pharmacol., 6: 523-531.  

 IF: 6.544

原文作者采用GastroPlus软件搭建PBPK机制性吸收模型，通过模型连接了体外试验数据和体内PK数据，并通过参数敏感性分析考察了影响体内PK参数的关键因素，如溶解度、粒径、溶出速率等，接着在经过验证的模型上进行虚拟生物等效性评估，为制定质量控制的体外溶出范围提供了依据。

有文献报道：华法林结晶包合物中异丙醇的减少和酸性pH条件（比如4.5）下溶出的变慢将对其体内的PK有显著的影响。原文作者通过建模与模拟的方法，探讨华法林结晶包合物的质量控制应采用pH 4.5还是pH 6.8的溶出介质来评价其生物等效性。

本研究通过构建基于生理学的机制性吸收药代动力学模型，并将制剂相关的参数和体外溶出相关数据输入到模型中。模型的参数敏感性分析表明：溶解度、粒径、密度不是影响华法林在体内的PK行为的关键因素，pH 4.5溶出介质中的溶出与体内PK相关性不强，但在pH 6.8的溶出介质中，其溶出速率和溶出能力与体内PK有较强的相关性。

虚拟生物等效性试验表明，经加速降解实验（高温高湿处理）后的华法林钠片在pH 4.5溶出介质中的溶出速率将变慢，但不影响生物等效性结果；只要在pH 6.8溶出介质中的溶出与未经加速降解的制剂的溶出相似，就能确保二者生物等效。

接着，本研究在健康受试者中进行了BE试验，试验结果表明模拟结果是正确的。

该研究当前已获得哪些信息？

研究表明，在短时间暴露于较高的温度和湿度之后，华法林钠片可能容易发生晶型的变化，但是这种药品质量的变化带来的临床意义（生物利用度）是未知的。

该研究想解决的问题是什么？

本研究采用建模和模拟评估药品质量的变化对其体内行为的影响。

该研究能增加哪些知识？

除了获得关于药品质量对华法林体内PK性能影响的新见解之外，该研究还显示了PBPK机制性吸收建模与模拟在科学研究中的重要作用。

将如何改变药物发现、开发或治疗的决策？

因制剂处方、生物药剂学的变更可能导致药物生物利用度的改变，可通过建模与模拟工具评估该变化给患者带来的潜在风险，当达到的风险水平可能产生新的体内BE或生物利用度数据时，会影响药物开发和药物监管方面的决策。

基于生理学的药代动力学的建模与模拟已经在药物制剂开发和监管审评方面展现出实用性，基于生理的机制性吸收模型连接了药物的理化性质、制剂的体外行为和体内行为。在生物等效性（BE）、建立体内外关系和药品开发中的质量源于设计方面，机制性的吸收模型已被用于研究处方、体外行为对口服给药后药物体内行为的影响。

在本文中，作者将以华法林钠片为例，说明建模和模拟在探究仿制药BE问题中的作用。华法林属于弱酸，pKa 5.05，在低pH条件下溶解度较低，高pH条件下溶解度较高。华法林钠是华法林的钠盐，以无定型形式或结晶包合物形式存在。结晶包合物是一种华法林钠异丙醇（IPA）复合物，在高湿度（RH）环境中IPA减少，结晶包合物转变成无定型并且此转变不可逆。对于浴室这种高湿度的环境，是否会引起IPA的减少从而影响药物的体内行为，这是接下来的研究方向。文献报道指出硬度、崩解时间、含量、均一性、IPA、含水量、结晶度、溶出等关键质量属性都会影响华法林钠制剂的质量，并且还观察到从结晶包合物到无定型的晶型转变、酸性条件下（pH 1.2 和pH 4.5）溶出速率的降低都会影响华法林钠的药品质量，而中性条件下（如pH 6.8）溶出速率的降低对不会对其产生影响。由于华法林钠片中IPA的减少，在酸性pH条件下释放变慢，导致经加速降解（高温、高湿处理）和未经加速降解之间生物等效性的问题。由于华法林的剂量或血浆浓度的微小变化都可能导致严重的治疗失败或严重的不良事件，被FDA归类为窄治疗指数药物。

2.1 体外研究

研究内容包括含量、纯度、IPA含量、体外溶出、无定型晶型含量的测定，体外溶出实验采用USPII法，溶出介质包括水、pH4.5磷酸盐缓冲液、双阶段溶出介质（0.1 N HCl溶出30分钟，然后加入100 mL强磷酸盐缓冲液将pH升至7.4±0.1，50rpm，37℃。）

2.2 建模与模拟研究

建模参数：

^d:Gastroplus predictor; ^e: Fitted

为了研究酸性pH条件下体外溶解速率降低影响药物制剂的体内行为，采用建模与模拟的方法搭建了基于生理的吸收模型。建模工具包括GastroPlus v9.0等软件；GastroPlus采用Johnson溶出模型，双阶段溶出结果使用Z-factor模型进行数据的整合。

对溶解度、粒径、密度、剂量、Z值进行了敏感性分析，并进行三维参数分析以探究pH值4.5和pH 6.8的Z值之间的相互作用及其对Cmax的影响，还对密度、粒径进行了三维参数敏感性分析，以探索两者之间的相互作用及其对Cmax的影响。

通过虚拟BE试验模拟各比较组的BE通过率,采用30名健康受试者双处理、两序列、四周期、完全重复交叉体内虚拟BE试验设计。随机选择1,200名虚拟健康受试者基于Z因子模拟未经加速降解或经加速降解的PK，对于每个BE模拟试验，随机选择30名受试者，并且对每个比较组进行100次虚拟BE模拟试验。

2.3 体内研究

临床研究在空腹条件下，对32名健康受试者进行单中心、开放标记、单剂量、随机四交叉BE研究，四个给药组分别为：

A：5 mg储存在约20-25℃的密闭容器中的华法林钠片（受试制剂未经加速降解）；

B：5 mg储存于40℃、75％湿度的开口瓶中24小时的华法林钠片（受试制剂经加速降解）；

C：5 mg储存在约20-25℃的密闭容器中的香豆定（参比制剂未经加速降解）；

D：5 mg储存于40℃、75％湿度的开口瓶中24小时的香豆定（参比制剂经加速降解）。

3.1 体外研究结果

华法林钠经加速降解中的IPA含量低于质量标准，并且在40℃、75％湿度的环境中4小时即检测不到IPA。华法林钠经加速降解和香豆定经加速降解均发生了结晶包合物到无定型晶型的转变，但含量及杂质均没有显著变化。经加速降解在低pH条件下的溶出速率降低。IPA的减少有助于结晶包合物转变为无定型、降低在水、pH 4.5和1.2中的溶出度和在低pH条件下的溶出速率，而对高pH介质（如pH 7.5）经加速降解和非经加速降解的前120 min的溶出度没有差异。

3.2 建模与模拟研究结果：

使用PBPK机制性吸收模型预测华法林的PK曲线，并将模型用于分析不同pH对应的溶解度和Z因子对华法林PK曲线的影响。参数敏感性分析表明，华法林的PK曲线对溶解度（如Figure 2c）、粒径和密度的变化不敏感。低溶解度会延迟Tmax，而Cmax和AUC对溶解度的变化不敏感。比较溶解度-pH曲线（Figure 2a）和体内溶出曲线（Figure 2b），可知即使来源B的溶解度很低，但在给药后的1h体内也能达到完全释放。参数敏感性分析还表明华法林的PK参数如AUC、Cmax和剂量成正相关，而且华法林也是窄治疗窗药物，最近美国药典也规定了华法林钠片含量不得少于95.0％且不超过105.0％。

使用图 2中的溶出曲线预测华法林的体内PK，BE模拟结果表明所有比较组都具有高通过率，结果如下图，所有的比较组通过点估计（PE）计算都接近1。

图2.（a）四种不同来源的溶解度数据；（b）四种不同来源的溶解度数据对应于ACAT模型（高级房室吸收与转运模型）中的体内溶出曲线；（c）使用a图中的溶解度数据通过ACAT模型预测到的体内PK曲线。

图3.使用Z-factor模型预测四种制剂的体内PK，A：5mg储存在约20-25℃的密闭容器中的华法林钠片（未经加速降解，T）；B：5mg储存于40℃、75％湿度的开口瓶中24小时的华法林钠片（经加速降解，T）；C：5mg储存在约20-25℃的密闭容器中的香豆定（未经加速降解，R）；D：5mg储存于40℃、75％湿度的开口瓶中24小时的香豆定（经加速降解，R）。

各组比较的统计结果如下Table 1，使用ABE标准（平均生物等效性标准，90%的置信度）每个比较组的Cmax BE通过率均高于80％，AUC通过率均为100%；按照RSABE（reference scaled average bioequivalence）标准，A vs.B比较组通过率最低，Cmax通过率为78%、AUC0-72通过率为84%。

PBPK模型用于制定体内外相关的溶出空间，通过多个参数敏感性分析探索确保BE的溶出空间，测试了pH 4.5和pH 6.8条件下的多个Z因子以产生虚拟溶出曲线，如下图（Figure 4b）展示了在pH 4.5和6.8条件下PE（Cmax）与Z因子之间的关系三维图，该区域的大部分空间PE均在0.95-1.00的范围内。根据RSABE标准，如果Cmax的PE为0.955且合格率为80％(Figure 4a)，则在pH4.5条件下30分钟至少释放30％，在pH6.8条件下30分钟至少释放80％(Figure 4c, d)。

图4.对pH 4.5和6.8对应的Z因子进行三维敏感性分析，（a）使用RSABE的方法评估几何平均比（GMR）对假设的窄治疗指数药物（r_WR=0.10）的影响，（b）对pH4.5和6.8对应的Z因子进行参数敏感性分析，（c）在pH6.8下各Z因子对应的虚拟溶出曲线，（d）在pH4.5下各Z因子对应的虚拟溶出曲线。

3.3 体内研究结果

4种制剂的体内PK曲线较为接近，主要的药动学参数如下表，且AUC0-72、Cmax的CV%值均小于30%，按照ABE标准，各比较组都是生物等效的，如Table 3。

本文展示了仿制药办公室使用建模与模拟的方法解决在仿制药替代方面的应用。华法林制剂质量的变化会产生生物不等效的风险，华法林作为长期服用的窄治疗指数的药物，病人可能会把药物储存在高湿的浴室中，而在高温和高湿环境中华法林会发生制剂颜色改变、在pH4.5缓冲液中溶出降低、IPA减少、华法林钠晶型转变的变化。为了进一步探究华法林的体内PK行为是否发生变化，建立了机制性吸收模型，并将体外溶出曲线导入到模型中考察体内PK的变化，只要在pH6.8条件下120 min可以完全释放，无论是IPA减少或者在pH4.5缓冲液中溶出降低都不会影响BE。

体内研究结果也证明了体外制剂特性的变化并没有对体内PK产生影响，与建模与模拟的结果一致。进一步利用PBPK机制性吸收模型绘制了体内相关的体外溶出空间，以用于对疑似批次进行体内PK行为的检验。

总之，通过本研究作者获知了华法林钠片中IPA减少对其体内PK行为的影响，并且证明了机制性的吸收模型在桥接体外研究和药物体内行为及在监管审评中的重要作用，成功预测了华法林钠片产品质量发生变化后的BE情况。在体内研究开展之前，FDA有足够的信心使用建模和模拟进行初始风险评估，仿制药办公室通常在科学调查过程中加入建模和模拟的工作，FDA在监管审查中利用建模和模拟方法获得了经验和信心。

该案例应用的软件：GastroPlus (version 9.0)，涉及模块有Base, ADMET Predictor, PKPlus.

英文原文：

Zhang, X. , Wen, H. , Fan, J. , Vince, B. , Li, T. , Gao, W. , Kinjo, M. , Brown, J. , Sun, W. , Jiang, W. and Lionberger, R. (2017), Integrating In Vitro, Modeling, and In Vivo Approaches to Investigate Warfarin Bioequivalence. CPT Pharmacometrics Syst. Pharmacol., 6: 523-531. 

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