一種模擬心臟血流形態(tài)的藥物洗脫支架的藥物釋放裝置

姚天平，鄒鳳平，顏文濤，黃嘉華

上海市醫(yī)療器械檢測所，上海市，201318

一種模擬心臟血流形態(tài)的藥物洗脫支架的藥物釋放裝置

【作者】姚天平，鄒鳳平，顏文濤，黃嘉華

上海市醫(yī)療器械檢測所，上海市，201318

該文介紹了一種新型模擬心臟血流形態(tài)的藥物釋放裝置，利用該裝置來模擬人體生理環(huán)境下藥物洗脫支架中藥物的釋放。實驗結果表明，該裝置測定釋放度的結果滿足試驗規(guī)律，具有一定的體內外相關性，從而說明本裝置具備作為體外釋放度測定方法的價值。

釋放裝置；藥物洗脫支架；雷帕霉素

經皮血管支架植入術（Percutaneous Coronary Intervention, PCI）是治療動脈血管狹窄較為有效的手段之一，然而普通金屬裸支架植入后容易引起血管平滑肌細胞的內膜增生和細胞外基質的沉淀[1]，有報道稱金屬裸支架再狹窄率高達50%[2]，這已成為影響PCI手術遠期治療效果的主要障礙。近年來研制的藥物洗脫支架（Drug Eluting Stent, DES），通過藥物緩慢釋放能夠顯著抑制血管平滑肌細胞及新生內膜的過度增殖，降低PCI術后再狹窄率，開創(chuàng)了PCI技術新的里程碑。

體外釋放度是評價藥物洗脫支架安全有效性的重要指標。目前，藥物支架的釋放度測定常常借鑒美國藥典USP＜711＞第四法和USP＜724＞第七法。其中，USP＜711＞第四法，其設計原理主要是通過泵將釋放介質以一定的脈動頻率對藥物支架進行沖刷，該設計比較接近支架在血管所承受徑向脈動頻率的生理狀態(tài)，但沒有體現支架在血管中所承受的縱向脈沖壓力。USP＜724＞第七法，通過藥物支架在釋放介質中垂直上下反復運動，此方法也沒有體現支架在血管中承受脈動頻率和脈動壓力的沖洗過程。此外，陳玉成[3]等設計的用于雷帕霉素藥物涂層緩釋試驗的心臟泵血模擬裝置，采用蠕動泵轉速為60 r/min進行臨床模擬，只考慮了血液沖刷的流速，也沒有考慮血管內支架承受的脈沖壓力和模擬血管對藥物釋放的影響。

目前，尚未有文獻報道最佳的藥物釋放裝置，來模擬藥物支架在血管中更合適的釋放狀態(tài)。本文設計了一種新型模擬心臟血流形態(tài)的藥物釋放裝置測定支架上雷帕霉素藥物的釋放度，將擴張后的支架置于具有一定順應性的模擬血管中，通過蠕動泵產生脈沖頻率使釋放介質沖刷支架，同時，利用釋放介質與支架水平位置產生的自然高度落差，設計出與血管相同的脈沖壓力，模擬血管支架在血管中同時承受脈沖壓力和脈沖頻率的作用環(huán)境，保證釋放試驗更加貼合臨床實際，為載藥支架釋放度測定研究提供參考。

1 新型模擬心臟血流形態(tài)釋放裝置

1.1 原理

血管支架大多置于具有一定順應性的動脈血管中，其縱向承受一定脈動頻率、流量流速的血液沖刷，徑向承受80～160 mmHg（1 mmHg=133.32 Pa）的脈動壓力。本文正是基于此臨床實際設計了模擬心臟血流形態(tài)釋放裝置。該裝置的基本原理是將雷帕霉素支架置于模擬血管中并擴張固定，將裝有藥物支架的模擬血管與蠕動泵連接形成封閉的循環(huán)體系，利用釋放介質與支架水平位置產生的自然高度落差，配合蠕動泵的作用，設計出與血管相同的脈沖壓力。在37±1oC恒溫條件下，以0.1%十二烷基硫酸鈉(SDS)作為釋放介質，采用脈沖壓力為80～160 mmHg，脈沖頻率為72±1次/min的蠕動泵使釋放介質循環(huán)流動，沖洗雷帕霉素支架，來考察支架上藥物的釋放規(guī)律。

1.2 組成

模擬心臟血流形態(tài)的藥物釋放裝置（專利號：ZL 2015 2 0451074.7）見圖1，主要由溫度控制器、儲液槽、蠕動泵、模擬血管和壓力傳感器組成。蠕動泵用于控制管路中釋放介質的流量、頻率和壓力，壓力傳感器用于快速采集管路中壓力的變化，支架置放于模擬血管中。釋放介質通過蠕動泵，由儲液槽流動到模擬血管，再經外導管流回儲液槽，從而形成一個封閉的循環(huán)管路。

圖1 模擬心臟血流形態(tài)釋放裝置原理圖Fig.1 The schematic diagram of simulating dissolution device for drug release of drug-eluting stent

1.3 操作步驟

新型模擬心臟血流形態(tài)釋放裝置實物圖見圖2。該裝置的整個恒溫箱維持藥物釋放介質的溫度為37±1oC，試驗所有管路均為模擬血管。裝置的上半部分為磁力攪拌加熱部分和蠕動泵，磁力攪拌加熱部分也是為了保證釋放介質溫度控制在37±1oC。蠕動泵提供固定脈動頻率和流量的釋放環(huán)境。裝置的下半部分為支架安裝處，在蠕動泵的配合下，支架與釋放介質高度差產生一定脈沖壓力，壓力表監(jiān)控壓力變化在80～160 mmHg。

開啟磁力攪拌器的加熱和攪拌，待釋放介質的溫度達到37±1oC后，將六根支架依次間隔安裝到支架管路上。然后啟動蠕動泵并調節(jié)泵流速為80±5 mL/min，開啟外箱空氣加熱部分，并關閉外箱門，此時模擬心臟血流形態(tài)釋放裝置提供釋放介質溫度為37±1oC，蠕動泵脈沖速度為72 次/min，脈沖壓力為80～160 mmHg的模擬釋放試驗。到達對應的取樣時間點（2 h，24 h，3 d，7 d，14 d和28 d）后，停止蠕動泵，取下支架即可。

1.4 技術參數

儀器的技術參數見表1。

圖2 藥物釋放裝置Fig.2 Simulating dissolution device for drug release of drug-eluting stent

表1 儀器的技術參數Tab.1 The technical parameters of simulating dissolution device

2 實驗方法

2.1 雷帕霉素釋放試驗的設計

藥物釋放取樣時間點的選擇應該能夠體現藥物釋放的初始階段，中間階段和最后階段。根據《中華人民共和國藥典》2015年版四部通則9013緩釋、控釋和遲釋制劑指導原則[4]，緩釋制劑應從釋藥曲線圖中至少選出3個取樣時間點，第一點為開始0.5～2 h的取樣時間點，用于考察藥物是否有突釋，第二點為中間取樣時間點，用于確定釋藥特性，最后的取樣時間點，用于考察釋藥是否基本完全。美國食品藥品監(jiān)督管理局針對冠狀動脈洗脫支架的臨床試驗和非臨床試驗發(fā)布的作業(yè)指導文件[5]指出，支架藥物洗脫曲線應該至少用3個點來體現釋放的三個階段。奚廷斐[6]則建議藥物洗脫支架的釋放度測定至少需要5個點，其中釋放初期和中間階段取3個時間點來表征，而藥物釋放最后階段則至少需要2個時間點來表征。本文設計2 h、24 h、3 d，7 d，14 d和28 d的時間點來監(jiān)測雷帕霉素的釋放率，包括了釋放初期，中期和后期三個階段，能夠起到考察釋放規(guī)律的目的。

2.2 雷帕霉素釋放測定

2.2.1 材料及儀器

冠脈雷帕霉素洗脫鈷基合金支架系統(tǒng)由上海微創(chuàng)醫(yī)療器械（集團）有限公司提供（規(guī)格：2.5 mm×13 mm）；雷帕霉素藥物對照品（HPLC含量為98.48%）由北京世紀奧科生物技術有限公司提供；甲醇（HPLC級）、乙腈（HPLC級）和丙酮（HPLC級）均購自Merck公司；十二烷基硫酸鈉（生物純）購自Genebase公司；超純水（18.2 M?）來自經計量后自購設備（Millipore公司）；微量天平（型號：XP6，分辨率0.001 mg）購自梅特勒-托利多公司；高效液相色譜儀（Waters Alliance2695/2487，紫外檢測器）購自Waters公司；模擬血管（順應性5%～7%）購自東易中美科技（北京）有限公司。

2.2.2 測試程序

2.2.2.1 高效液相色譜條件

流動相比例：甲醇/乙腈/水=60/ 16/ 24（V/V/V），流速：1.0 mL/min，柱溫：40oC，C18分析柱（規(guī)格：4.6 mm×250 mm，粒徑5 μm），檢測波長：277 nm，進樣量：20 μL，運行時間：40 min。

2.2.2.2 釋放介質的制備

配制 0.1%（g/mL）的十二烷基硫酸鈉純化水溶液1 000 mL，置于三角錐形瓶中，超聲脫氣 15 min，置于磁力攪拌器上作為釋放介質待用。

2.2.2.3 支架的安裝和取出

開啟磁力攪拌器和外箱空氣加熱部分，調節(jié)溫度至37±1oC，將支架依次間隔安裝到支架管路上。啟動蠕動泵并調節(jié)泵流速為80±5 mL/min，釋放裝置開始提供脈沖速度為72 次/min，脈沖壓力為80～160 mmHg的模擬釋放試驗。到達相應的釋放時間點，取下支架壓扁后置于10 mL容量瓶中，加入0.5 mL丙酮浸沒3 min，再用乙腈定容至10 mL，混勻用上述HPLC色譜條件測定支架上雷帕霉素的殘留量。最后按照公式（1）計算支架上雷帕霉素的藥物釋放率：

3 結果與討論

3.1 雷帕霉素釋放試驗測定結果及處理

雷帕霉素釋放試驗測定結果及處理參見圖3。從釋放曲線圖可以看出，取樣時間點2 h、24 h、3 d，7 d，14 d和28 d時，新型模擬心臟血流形態(tài)釋放裝置測得的雷帕霉素釋放率分別為17%，39%，51%，67%，72%，83%。結果顯示，藥物在前24 h內釋放較快，之后逐漸減緩，達到28 d后，釋放基本完全，總體上釋放過程呈前快后慢趨勢。因此，該裝置可以有效的評估藥物支架的釋放初期，中期和最后階段，符合緩釋、控釋和遲釋制劑指導原則。

圖3 雷帕霉素釋放曲線Fig.3 The drug-releasing curve of rapamycin-eluting stent

圖4 藥物釋放試驗結果Fig.4 The results of drug release

3.2 雷帕霉素藥物支架體外體內釋放一致性的評估

藥物活性成分進入體內的程度和速度是評價藥物有效性的重要手段，通常以建立體內吸收-時間曲線來評價，尋找體內釋放規(guī)律，建立良好的體內外相關關系，使體內外釋放規(guī)律具有相關性。Ma等[7]研究了紫杉醇和雷帕霉素混合藥物支架體內體外21 d的釋放行為。體外釋放介質選擇磷酸鹽緩沖液（PBS）體系，體內釋放則選擇將支架植入雄鼠的腹主動脈進行評價，結果如圖4所示。體外實驗表明，在PBS體系體外釋放試驗中，藥物在第一周釋放率為51.7%。后期藥物釋放呈現緩慢趨勢，21 d后，雷帕霉素釋放率為69.6%。體內試驗結果表明，藥物在前3 d釋放量較大，相比體外在第一周突釋的時間要提早些，后期藥物釋放呈緩慢趨勢。體內釋放試驗21 d后，雷帕霉素釋放率為91.7%，藥物基本釋放完全。通過體內體外釋放規(guī)律的比較，可以看出藥物在體內外的釋放具有相似性。

從上面文獻可以看出，藥物支架在體內釋放呈現兩個規(guī)律：①藥物釋放不是瞬間完成，而是前快后慢的釋放規(guī)律；②支架植入體內21 d后，藥物的釋放率達到80%以上，基本釋放完全。本裝置測定體外釋放度的結果滿足這兩條試驗規(guī)律，具有一定的體內外相關性，從而間接說明本裝置具備作為體外釋放度測定方法的價值。

4 結論

含藥金屬支架通常將藥物涂層涂覆于支架外表面，植入人體后，載藥表面貼合于血管壁，在人體血液脈沖壓力和脈沖頻率的共同沖刷作用下，向病變部位緩慢釋放雷帕霉素，達到抑制血管平滑肌細胞及新生內膜過度增殖的作用。與美國藥典USP＜711＞第四法、USP＜724＞第七法和陳玉成[3]等測定載藥支架藥物釋放度的方法相比，模擬了藥物支架在體內脈沖壓力和脈沖頻率共同沖刷作用下的生理環(huán)境。利用該新型裝置測得的雷帕霉素體外釋放規(guī)律與體內釋放結果具有一致性。因此，本文設計的模擬心臟泵血的藥物洗脫支架釋放裝置可以用于藥物體外釋放度試驗的評價。

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[3] 陳玉成, 熊素彬, 幸浩洋, 等. 雷帕霉素緩釋涂層支架在模擬心臟泵血狀態(tài)下的體外釋藥研究[J]. 中國藥學雜志, 2008, 43(9): 688-692.

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[6] 奚廷斐. 藥物洗脫支架評價指南[R/OL]. http://upload.haoyisheng. com/conference/20090220/ywxtzjpjzn.ppt.

[7] Ma XD, Oyamada S, Gao F, et al. Paclitaxel/sirolimus combinationcoated drug-eluting stent: in vitro and in vivo drug release studies[J]. J Pharm Biomed Anal, 2011, 54 (4): 807-811.

A Drug Delivery Device for Drug-eluting Stents Simulating the Cardiovascular Blood Flow Pattern

【Writers】YAO Tianping, ZOU Fengping, YAN Wentao, HUANG Jiahua
Shanghai Testing and Inspection Institute for Medical Device, Shanghai, 201318

A novel drug delivery device simulating the cardiovascular blood f ow pattern was introduced. The device was used to simulate the in vivo drug release in the drug-eluting stents. The results regarding the drug release rate were subject to the pattern from in vivo measurement. Therefore, the device was validated as a measurement method for in vivo drug release rate.

simulating dissolution device, drug-eluting stent, rapamycin

TQ460.1；R318.08

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2016.05.003

1671-7104(2016)05-0322-04

2016-07-28

上海市科委課題 (13441902600)

姚天平，E-mail: ytp_2013@163.com