蘇元元，付宇，李楠楠，高堯春，劉海波，董政起，*

(1.延邊大學(xué) 藥學(xué)院，吉林 延吉 133002；2.中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院 藥用植物研究所，北京 100193)

達(dá)瑪烷型皂苷是人參、三七、絞股藍(lán)等中藥材的主要藥效成分[1]。研究表明，達(dá)瑪烷型皂苷具有抗腫瘤、改善心肌缺血、免疫調(diào)節(jié)、降血糖、抗休克、保肝、鎮(zhèn)靜安神等作用[2-3]，具有廣闊的應(yīng)用前景。但是，從天然藥物中提取的達(dá)瑪烷型皂苷大多口服生物利用度低，嚴(yán)重影響了其充分利用[4]。溶解性和滲透性是中藥口服藥物成藥性的核心。因此，探究此類藥物的生物藥劑學(xué)分類(BCS)及轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制，盡早地發(fā)現(xiàn)和解決溶解度與滲透性問題，提高其成藥性顯得尤為重要。

實(shí)驗(yàn)參照FDA制定的BCS評價(jià)指南[5]及《中華人民共和國藥典》2015版凡例中溶解度測定方法[6]，測定不同pH下藥物的溶解度。通過建立Caco-2細(xì)胞單層模型[7]，運(yùn)用較為簡單、快速、低成本的體外滲透性試驗(yàn)，評價(jià)藥物的滲透性并研究其初步的吸收機(jī)制。為探究藥物的吸收轉(zhuǎn)運(yùn)與極性的關(guān)系[8]，實(shí)驗(yàn)選擇藥用價(jià)值相對較高的人參皂苷Rb1、人參皂苷Rg1、三七皂苷R1為模型藥物。其中達(dá)瑪烷為母核，人參皂苷Rg1含2個(gè)糖基、三七皂苷R1含3個(gè)糖基、人參皂苷Rb1含4個(gè)糖基，(結(jié)構(gòu)見圖1)。對其進(jìn)行BCS分類研究，為中藥新藥和劑型的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

同時(shí)，由于中藥單體普遍存在提取率低、成本較高的特點(diǎn)，本實(shí)驗(yàn)采用StarDrop軟件預(yù)測模型藥物在水中的溶解特性，并預(yù)測藥物的吸收是否受P-糖蛋白(P-gp)外排作用影響，與藥物實(shí)際溶解性及轉(zhuǎn)運(yùn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比較，探究StarDrop模型預(yù)測結(jié)果的可行性，為其他中藥單體性質(zhì)判斷提供一種簡單、有效的方法。

圖1 三種達(dá)瑪烷型皂苷的結(jié)構(gòu)

1 材料

1.1 儀器

INC108型CO2培養(yǎng)箱(德國MEMMERT公司)；SCB-1220型超凈臺(北京東聯(lián)哈爾儀器有限公司)；Millcell-ERS型電阻儀(美國 Millipore 公司)；Spectra max 190型酶標(biāo)儀(美國 MD 公司)；Agilent-1260型高效液相色譜儀(美國Agilent公司)。

1.2 細(xì)胞

Caco-2 細(xì)胞(北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究所細(xì)胞中心)。

1.3 藥品與試劑

人參皂苷Rb1(純度98.58%，批號MUST-17060106)、人參皂苷Rg1(純度99.70%，批號MUST-17021414)、三七皂苷R1(純度98.67%，批號MUST-16112110)，均購于成都曼斯特生物科技有限公司；胎牛血清、非必需氨基酸、雙抗、0.25%胰酶(Gibco 公司)；MEM培養(yǎng)基(Hyclone Thermo 公司)；二甲基亞砜(Sigma 公司)；磷酸緩沖液(PBS)、HANK′S(Solarbio 公司)；MTT(Amresco 公司)；12 孔 Transwell TM 培養(yǎng)板(1.12 cm2，0.4 μm，Corning 公司)；96 孔細(xì)胞培養(yǎng)板、T-25 細(xì)胞培養(yǎng)瓶(Corning 公司)；甲醇、乙腈(MREDA公司)。

2 方法

2.1 StarDrop軟件預(yù)測溶解度

實(shí)驗(yàn)運(yùn)用StarDrop軟件中ADME QSAR模型，將受試化合物結(jié)構(gòu)的InChI數(shù)據(jù)錄入，得出化合物在水中的溶解度及是否受P-gp調(diào)控。

2.2 溶解性實(shí)驗(yàn)

2.1.1溶解性測定 對于單體化合物，美國FDA 工業(yè)指導(dǎo)原則指出：在37 ℃下，pH 在1～7.5 范圍內(nèi)，劑量/溶解度比值(D：S ratio)小于250 mL的藥物為高溶解性藥物，即D0≤1[5]。本實(shí)驗(yàn)根據(jù)人體藥物吸收部位的pH值及《中華人民共和國藥典》2015年版中溶解性的測定方法選取pH 1.2、pH 4.0、pH 6.8、水(pH5.8)四種環(huán)境為溶解介質(zhì)，測定藥物在37 ℃下的溶解性。精密稱取化合物過量于離心管中，每個(gè)藥品各稱量四份，分別加入水(pH 5.8)、pH 6.8緩沖液、pH 4.0緩沖液、pH 1.2緩沖液2000 μL，置于37 ℃搖床震搖3 h，30 000 r·min-1離心25 min，取上清液5 μL，適當(dāng)稀釋后過0.22 μm濾膜，進(jìn)HPLC測藥物濃度，重復(fù)三次，按下式計(jì)算溶解度及D0值。

D0=(Mo/Vo)/Cs

(1)

其中Vo為250 mL，Cs為溶解度(mg·mL-1)，Mo為人的最大給藥劑量(mg)。

2.1.2 HPLC檢測 色譜條件為Agilent 5 TC C18色譜柱(4.6 mm×250 mm，5 μm)和SEP C18保護(hù)柱(8.0 mm×100 mm)；進(jìn)樣量20 μL，流速1.0 mL·min-1，柱溫30 ℃。流動相：人參皂苷Rb1為乙腈-水(35∶65)，人參皂苷Rg1、三七皂苷R1均為乙腈-水(23∶77)。檢測波長：均為203 nm。標(biāo)準(zhǔn)曲線、日內(nèi)精密度、日間精密度、回收率均符合定量檢測求。

2.3 滲透性實(shí)驗(yàn)

2.3.1 Caco-2細(xì)胞的培養(yǎng) 將Caco-2細(xì)胞復(fù)蘇后培養(yǎng)于37 ℃、5%CO2、90%濕度的培養(yǎng)箱中。所用培養(yǎng)基為含胎牛血清10%、青霉素-鏈霉素雙抗1%、谷氨酸和非必需氨基酸1%的MEM培養(yǎng)液。隔天換液，培養(yǎng)4～6 d時(shí)細(xì)胞長至80%～90%，然后進(jìn)行傳代。所用細(xì)胞在20～50代之間[9]。

2.3.2 藥物的細(xì)胞毒性實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)采用MTT法測定藥物在Caco-2細(xì)胞中的毒性。將1×105個(gè)·mL-1的細(xì)胞懸液接種于96孔培養(yǎng)板，每孔100 μL，培養(yǎng)板邊緣填充無菌PBS各100 μL。置于37 ℃、5%CO2、90%濕度的培養(yǎng)箱中培養(yǎng)24 h。吸棄培養(yǎng)液，加不同濃度受試藥物100 μL(不含胎牛血清培養(yǎng)基配制)，其中人參皂苷Rb1、人參皂苷Rg1、三七皂苷R1的給藥濃度均為20、40、60、80、100、150、200、300 mg·L-1，每個(gè)濃度平行5次，調(diào)零組和陰性對照組均加相應(yīng)體積培養(yǎng)液。培養(yǎng)12 h后，每孔加5 mg·mL-1MTT溶液20 μL(PBS配制)，培養(yǎng)4 h后棄去培養(yǎng)液，每孔加150 μL DMSO，置搖床震蕩10 min，完全溶解后用酶標(biāo)儀測各孔在570 nm處的吸光值(A)，計(jì)算細(xì)胞抑制率。選取抑制率低于10%的高、中、低三個(gè)濃度進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)實(shí)驗(yàn)。

細(xì)胞抑制率(%)=[(A對照組-A調(diào)零組)-(A實(shí)驗(yàn)組-A調(diào)零組)]/(A對照組-A調(diào)零組)×100%

(2)

2.3.3 跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)模型的建立 將培養(yǎng)至80%～90%的Caco-2細(xì)胞按2×105個(gè)·mL-1接種于12孔Transwell培養(yǎng)板中，培養(yǎng)板頂側(cè)(AP)加0.5 mL細(xì)胞懸液，培養(yǎng)板底側(cè)(BL)加1.5 mL培養(yǎng)液，置于培養(yǎng)箱培養(yǎng)19～21 d，隔天換液。將電阻儀的干燥電極放入PBS溶液中平衡2 h，然后用75%酒精消毒10 min，測量細(xì)胞在第19～21 d的跨膜電阻(TEER)。測量時(shí)先測空白膜電阻(未接種細(xì)胞)，再測接種Caco-2細(xì)胞的Transwell培養(yǎng)板膜兩側(cè)電阻值，相減即為實(shí)際膜電阻(△Ω)，當(dāng)TEER值大于500Ω即可用于轉(zhuǎn)運(yùn)實(shí)驗(yàn)。

TEER=△Ω×A(有效膜面積)

(3)

2.3.4 藥物雙向轉(zhuǎn)運(yùn)實(shí)驗(yàn) 根據(jù)細(xì)胞毒性實(shí)驗(yàn)結(jié)果選擇高、中、低三個(gè)濃度進(jìn)行AP→BL與BL→AP側(cè)雙向轉(zhuǎn)運(yùn)實(shí)驗(yàn)，探究藥物轉(zhuǎn)運(yùn)與給藥濃度及轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)間的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)藥物均由HANK′S溶液配制。實(shí)驗(yàn)前吸棄兩側(cè)培養(yǎng)液，取預(yù)熱37 ℃的HANK′S溶液，AP側(cè)0.5 mL、BL側(cè)1.5 mL，各洗滌兩次。然后，置培養(yǎng)箱孵育20 min，測膜兩側(cè)跨膜電阻TEER，選擇電阻值相近的膜孔進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)實(shí)驗(yàn)。對于AP→BL側(cè)的轉(zhuǎn)運(yùn)：AP側(cè)加0.5 mL藥物，BL側(cè)加1.5 mL空白HANK′S溶液，BL側(cè)取樣；對于BL→AP側(cè)的轉(zhuǎn)運(yùn)：BL側(cè)加1.5 mL藥物，AP側(cè)加0.5 mL空白HANK′S溶液，AP側(cè)取樣。每個(gè)藥物濃度平行3個(gè)復(fù)孔，分別于15、30、60、90、120、150、180 min取樣200 μL，并補(bǔ)加空白預(yù)熱的HANK′S溶液200 μL。實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)再次測定TEER值。將樣品過0.22 μm微孔濾膜后，取20 μL進(jìn)HPLC按2.1.3色譜條件進(jìn)行含量測定。計(jì)算表觀滲透系數(shù)(Papp)。

Papp=(dQ/dt)/ (A×C0)

(4)

其中，Papp(cm·s-1)為表觀滲透系數(shù)，dQ/dt(μg·s-1)為藥物單位時(shí)間轉(zhuǎn)運(yùn)量，C0(mg·L-1)為藥物在供給室的初始濃度，A(cm2)為轉(zhuǎn)運(yùn)膜面積。

2.3.5P-gp功能對藥物吸收的影響 實(shí)驗(yàn)選擇P-gp抑制劑維拉帕米為參比藥物，考察三種皂苷的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)是否受P-gp外排作用影響。實(shí)驗(yàn)組為100 mg·L-1維拉帕米與皂苷合用給藥，對照組為不含維拉帕米的受試藥物，實(shí)驗(yàn)方法同2.2.4中AP→BL側(cè)的轉(zhuǎn)運(yùn)實(shí)驗(yàn)。檢測皂苷在各個(gè)時(shí)間的透過量，計(jì)算Papp。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 溶解性實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)溶解性結(jié)果可知(見表1)，人參皂苷Rb1、Rg1在三種pH條件及水中的D0均小于1，為高溶解性藥物；三七皂苷R1的D0>1，為低溶解性藥物。

表 1 3種達(dá)瑪烷型皂苷的溶解性判斷(n=3)

3.2 藥物給藥濃度篩選結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2，細(xì)胞抑制率在10%以下的人參皂苷Rb1濃度范圍為20～200 mg·L-1、人參皂苷Rg1安全濃度范圍為20～300 mg·L-1、三七皂苷R1的安全濃度范圍為20～100 mg·L-1。

表2 3個(gè)達(dá)瑪烷型皂苷的濃度篩選

3.3 時(shí)間和給藥濃度對藥物轉(zhuǎn)運(yùn)的影響

圖2和表3表明，人參皂苷Rb1在AP→BL與BL→AP側(cè)的轉(zhuǎn)運(yùn)量隨著時(shí)間的增長而增大，且3 h內(nèi)未達(dá)到飽和，具有時(shí)間依賴性。隨著藥物濃度的增加，轉(zhuǎn)運(yùn)量隨之增加(P<0.05)，具有濃度依賴性。AP→BL側(cè)轉(zhuǎn)運(yùn)速率為7.59×10-6～12.50×10-6cm·s-1，在1×10-6～10×10-6cm·s-1附近，推測其為中等吸收。AP→BL側(cè)與BL→AP側(cè)，Papp均小于14.96×10-6cm·s-1，說明人參皂苷Rb1為低滲透性藥物。高、中、低三濃度的Papp(BL-AP)/(AP-BL)分別為0.94、0.86、1.23，均小于1.5，說明人參皂苷Rb1以被動轉(zhuǎn)運(yùn)為主[10]。

圖3和表3表明，人參皂苷Rg1在AP→BL側(cè)與BL→AP側(cè)的轉(zhuǎn)運(yùn)量隨著時(shí)間的增長而增大，且3 h內(nèi)未達(dá)到飽和，具有時(shí)間依賴性。隨著藥物濃度的增加，同一時(shí)間下AP→BL側(cè)轉(zhuǎn)運(yùn)量隨之增加(P<0.05)，BL→AP側(cè)無顯著變化，說明人參皂苷Rg1在AP→BL側(cè)以被動轉(zhuǎn)運(yùn)為主。AP→BL人參皂苷Rg1轉(zhuǎn)運(yùn)速率為1.19×10-6～4.17×10-6cm·s-1，推測其為中等吸收。雙側(cè)轉(zhuǎn)運(yùn)的Papp均小于14.96×10-6cm·s-1，說明人參皂苷Rg1為低滲透性藥物。高、中、低三濃度的Papp(BL-AP)/(AP-BL)分別為1.12、0.84、0.86，均小于1.5說明人參皂苷Rg1以被動轉(zhuǎn)運(yùn)為主。

圖3 人參皂苷Rg1 AP→BL、BL→AP方向轉(zhuǎn)運(yùn)量隨時(shí)間和濃度的變化

圖4和表3表明，三七皂苷R1在AP→BL與BL→AP側(cè)的轉(zhuǎn)運(yùn)量隨著時(shí)間的增長而增大，且3 h內(nèi)未達(dá)到飽和，具有時(shí)間依賴性。隨著藥物濃度的增加，同一時(shí)間下AP→BL與BL→AP側(cè)轉(zhuǎn)運(yùn)量隨之增加(P<0.05)。AP→BL三七皂苷R1轉(zhuǎn)運(yùn)速率為6.98×10-6～10.04×10-6cm·s-1推測其為中等吸收。雙側(cè)轉(zhuǎn)運(yùn)的Papp均小于14.96×10-6cm·s-1，說明三七皂苷R1為低滲透性藥物。高、中、低三濃度的Papp(BL-AP)/(AP-BL)分別為0.94、0.88、1.04，均小于1.5說明三七皂苷R1以被動轉(zhuǎn)運(yùn)為主。

3.4 維拉帕米對藥物轉(zhuǎn)運(yùn)的影響

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與對照組相比，實(shí)驗(yàn)組的人參皂苷Rb1的轉(zhuǎn)運(yùn)速率無顯著變化(P>0.05)，說明人參皂苷Rb1的轉(zhuǎn)運(yùn)不受P-gp的調(diào)控。加入P-gp抑制劑維拉帕米后，實(shí)驗(yàn)組的人參皂苷Rg1與三七皂苷R1的轉(zhuǎn)運(yùn)速率均明顯降低(P<0.05)，見圖5。說明維拉帕米對人參皂苷Rg1與三七皂苷R1的轉(zhuǎn)運(yùn)具有抑制作用。

圖4 三七皂苷R1 AP→BL、BL→AP方向轉(zhuǎn)運(yùn)量隨時(shí)間和濃度的變化

化合物濃度/mg·L-1Papp AP→BL/×10-6 cm·s-1Papp BL→AP/×10-6 cm·s-1Papp BL→AP /Papp AP→BL人參皂苷Rb110011.61±0.0014.28±0.041.2315012.50±0.1110.71±0.150.862007.59±0.017.14±0.050.94人參皂苷Rg11004.17±0.303.57±0.210.862003.35±0.332.83±0.520.843001.19±0.421.34±0.001.12三七皂苷R14010.04±0.0010.42±1.301.04806.98±0.036.14±0.610.881008.57±0.808.40±0.000.94

注：人參皂苷Rb1組P> 0.05；人參皂苷Rg1組 **P< 0.01；三七皂苷R1組*P< 0.05。圖5 維拉帕米對三種皂苷轉(zhuǎn)運(yùn)的影響(n=3)

3.5 StarDrop模型預(yù)測結(jié)果與實(shí)際結(jié)果比較

采用StarDrop模型預(yù)測的三七皂苷R1溶解性與實(shí)際結(jié)果一致，另兩種藥物溶解性預(yù)測結(jié)果與實(shí)際相差較大。三種皂苷預(yù)測的結(jié)果均為P-gp底物，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果不符。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 3種達(dá)瑪烷型皂苷在水中真實(shí)溶解性與模型預(yù)測溶解性結(jié)果

4 討論

溶解性是中藥成藥性的一個(gè)重要因素，是早期藥物成藥性評價(jià)的必要條件。美國FDA指導(dǎo)原則規(guī)定的高溶解性藥物主要針對已知?jiǎng)┝康幕瘜W(xué)藥物[5]。中藥成分復(fù)雜，中藥單體成分并沒有明確的給藥劑量，因此本實(shí)驗(yàn)參照徐叔云教授主編的《藥理實(shí)驗(yàn)方法學(xué)》中人和動物間等效劑量換算方法，將模型藥物口服藥物代謝動力學(xué)實(shí)驗(yàn)中大鼠的最高給藥劑量[11-13]換算為人的劑量，作為人最高給藥劑量M0。得出人參皂苷Rb1、人參皂苷Rg1、三七皂苷R1給藥劑量M0分別為1.11、1.67、2.22 g。以此計(jì)算D0值，判斷37 ℃條件下，模型藥物在水(pH 5.8)、pH 6.8緩沖液、pH 4.0緩沖液、pH 1.2緩沖液環(huán)境中的溶解性。由D0值可知，人參皂苷Rb1、人參皂苷Rg1均為高溶解性藥物，三七皂苷R1為低溶解性藥物。

美國FDA指導(dǎo)原則對BCS分類中滲透性評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為：高滲透性藥物是指在沒有證據(jù)表明藥物在胃腸道不穩(wěn)定情況下，在腸道吸收達(dá)到90%以上的藥物，否則即為低滲透性藥物[5]。Donna A.Volpe等[14]驗(yàn)證了BCS評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，通過Caco-2細(xì)胞單層模型研究23個(gè)模型藥物的Papp值，然后與這23個(gè)模型藥物通過人體小腸吸收fa值比較，建立了以Caco-2細(xì)胞模型培養(yǎng)21天時(shí)的藥物轉(zhuǎn)運(yùn)滲透性高低評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，臨界Papp值為14.96×10-6cm·s-1。本實(shí)驗(yàn)中，三個(gè)皂苷的雙向轉(zhuǎn)運(yùn)Papp值均小于14.96×10-6cm·s-1，說明人參皂苷Rb1和Rg1及三七皂苷R1為低滲透性藥物。人參皂苷Rb1和Rg1為BCS Ⅲ類藥物，三七皂苷R1為BCS Ⅳ類藥物。

由于PappBL→AP/Papp AP→BL均小于1.5，推測三種化合物均以被動轉(zhuǎn)運(yùn)為主。由Papp大小判斷三個(gè)化合物經(jīng)小腸吸收速率大小為：人參皂苷Rb1>三七皂苷R1>人參皂苷Rg1，吸收速率隨極性增加逐漸增加，說明腸道對被動轉(zhuǎn)運(yùn)藥物的吸收與極性密切相關(guān)。影響藥物被動擴(kuò)散的原因有藥物溶解性、分子量大小及脂溶性等。當(dāng)藥物極性增加時(shí)水溶性升高，脂溶性相對減少，而生物膜為脂質(zhì)雙分子層，因此，藥物的極性并非越大越好[15]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，受試藥物并未達(dá)到最佳滲透的極性峰值，可為進(jìn)一步的達(dá)瑪烷型皂苷的結(jié)構(gòu)修飾提供理論依據(jù)。

P-gp 是腸道細(xì)胞中存在的一種主要的外排蛋白，能將AP側(cè)轉(zhuǎn)運(yùn)到BL側(cè)的藥物外排到AP側(cè)[16]。受P-gp調(diào)控的藥物在加入P-gp抑制劑后，Papp會有所增加。為考察受試化合物的轉(zhuǎn)運(yùn)是否受P-gp外排作用影響，實(shí)驗(yàn)選擇維拉帕米為P-gp抑制劑。結(jié)果表明，隨著P-gp抑制劑的加入，人參皂苷Rg1與三七皂苷R1的Papp反而顯著下降，說明人參皂苷Rg1與三七皂苷R1的轉(zhuǎn)運(yùn)不受P-gp的調(diào)控，同時(shí)維拉帕米抑制了人參皂苷Rg1與三七皂苷R1的轉(zhuǎn)運(yùn)，其轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)理還需進(jìn)一步研究。人參皂苷Rb1轉(zhuǎn)運(yùn)速率無明顯變化，說明人參皂苷Rb1的轉(zhuǎn)運(yùn)不受P-gp的調(diào)控。

StarDrop是一款用于在藥物發(fā)現(xiàn)中起輔助決策、幫助項(xiàng)目組快速確定高質(zhì)量化合物的軟件，用于評估復(fù)雜的數(shù)據(jù)，預(yù)測關(guān)鍵的理化性質(zhì)。這些數(shù)據(jù)通常由于實(shí)驗(yàn)或預(yù)測產(chǎn)生的誤差而具有一定的不確定性。本實(shí)驗(yàn)預(yù)測的三七皂苷R1的溶解性結(jié)果與實(shí)際結(jié)果存在一致性，人參皂苷Rb1與Rg1的溶解性預(yù)測結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相差較大。并且三個(gè)藥物均不是P-gp底物，與模擬結(jié)果相反，原因可能是天然產(chǎn)物結(jié)構(gòu)復(fù)雜、分子量較大、化合物結(jié)構(gòu)中不同屬性相互沖突造成數(shù)據(jù)的不確定性。軟件固有的ADME QSAR模型可能更適合化藥中的小分子物質(zhì)。為探究快捷、可靠的預(yù)測方法，需進(jìn)一步研究更多天然產(chǎn)物的溶解性和滲透性，以此豐富自己的數(shù)據(jù)源，通過Auto-Modeller模塊構(gòu)建適合預(yù)測大分子化合物的QSAR模型。