專利名稱:治療肺氣腫的組合物及方法
技術領域:
本發(fā)明描述了治療患有某種肺部疾病諸如肺氣腫的患者的組合物和方法。
背景技術:
肺氣腫和哮喘及慢性支氣管炎代表一種已知為慢性阻塞性肺部疾病(COPD)的疾病綜合征。這三種疾病相關聯(lián),因為它們?nèi)我环N都可引起呼吸困難,并且在大多數(shù)情況下,它們隨時間而進展。然而它們在病因?qū)W,病理學,和診斷學上有根本的區(qū)別。例如哮喘和慢性支氣管炎屬于氣道疾病,而肺氣腫與遠端至終末細支氣管的肺實質(zhì)不可逆的毀損性改變有關。吸煙是肺氣腫的主要原因;煙霧引發(fā)與彈性蛋白酶和基質(zhì)金屬蛋白酶(MMPs)激活都相關的肺內(nèi)炎癥反應。這些酶降解構成肺組織網(wǎng)絡結(jié)構的關鍵蛋白(Shapiro等,Am.J.Resp.Crit.Care Med.160s29-s32,1999;Hautamaki等,Science2772002-2004)。事實上,肺氣腫的肺功能障礙的病理決定因素似乎在于彈性組織的進行性破壞,所述破壞引起肺回縮喪失和進行性過度膨脹。
大約200萬美國人和至少3倍多的世界范圍內(nèi)的很多個體患有肺氣腫(American Thoracic Society,Am.J.Resp.Crit.Care Med.152s 77-s121,1995)。普通肺氣腫患者大約在60歲時達到一個病損臨界水平,此時常常開始出現(xiàn)諸如氣短的自覺癥狀。此外功能容量開始下降,生活質(zhì)量受損,并且住院頻率增加。盡管存在強大的公共衛(wèi)生倡議,吸煙現(xiàn)象仍然很普遍,并且肺氣腫將仍然是進入新千年的一個主要公共衛(wèi)生問題。
盡管肺氣腫是一種獨特的病征,已經(jīng)發(fā)展起來的治療方法在被應用于治療哮喘和慢性支氣管炎后已經(jīng)模式化。治療方法可分為5類(1)能夠通過促進氣道肌肉松弛有助于打開狹窄或者收縮氣道的吸入和口服給藥方法;(2)能夠減輕氣道炎癥和分泌物的吸入或口服給藥方法;(3)設計為推遲或阻止伴有慢性低氧血癥患者的肺動脈高壓和肺源性心臟病(右心衰)形成的氧療法;(4)可以改善心血管功能、功能容量、和生活質(zhì)量的運動計劃;以及(5)通過阻止吸煙相關損害的發(fā)展而延遲肺功能減退的戒煙方案(Camilli等,Am.Rev.Resp.Dis.135794-799,1987)。雖然這些方法的任一種在患者群體中都顯示出有益的作用,但是只有氧療法和戒煙能顯著改變這種疾病的自然病程(Nocturnal Oxygen Therapy Trial Group,Ann.Intern.Med.93391,1980)。
發(fā)明概述如上所述,在諸如肺氣腫的某種肺部疾病中,肺內(nèi)纖維網(wǎng)絡結(jié)構受到進行性破壞。結(jié)果肺內(nèi)的回縮壓力降低,并且隨時間延長,每一殘存的纖維必須承受越來越大的壓力。在某一點,纖維緊張到一定程度,正常呼吸的張力就可使其斷裂。張力相關的纖維斷裂導致肺氣腫的進展的觀念代表了從傳統(tǒng)思維的轉(zhuǎn)變。
本發(fā)明描述了通過降低肺內(nèi)纖維(例如肺泡壁的膠原和彈性蛋白)所必須承受的壓力治療肺氣腫的組合物和方法。本發(fā)明的組合物在此可以稱之為“表面膜”,因為它可典型地通過支氣管樹(肺泡是支氣管樹終末部分的非常小的囊袋狀結(jié)構;氧氣和二氧化碳在毛細血管與肺泡接觸處的血液中交換)施加于肺泡的內(nèi)表面。此膜的命名不僅根據(jù)組合物的本質(zhì),還由于它們所表現(xiàn)的生物物理學特性。本發(fā)明表面膜的含量以及由此產(chǎn)生的生物物理學特性有別于正常的表面活性劑或本領域技術人員公知的表面活性劑替代品(例如,EXOSURF和SURVANTA;例如EXOSURF不具有小于5達因/cm的最小表面張力)。目前所知的替代品用于治療表面活性物質(zhì)功能障礙為主要異常表現(xiàn)的疾病(例如,急性呼吸窘迫綜合征(ARDS),嬰兒透明膜病、及先天性膈疝))。因此,它們力爭模仿正常的表面活性劑。結(jié)果,表面活性劑的替代品對治療稍有或沒有表面活性物質(zhì)障礙的肺氣腫無效。
下述實施例描述了對廣泛基于脂質(zhì)的表面膜生物物理學特性的系統(tǒng)分析,所述基于脂質(zhì)的表面膜提供了可能類似于自然存在的表面活性劑的k1,k2,γmin和m2值(這些參數(shù)在下面給出限定(γ在此可能類似g),但不象自然表面活性劑或表面活性劑替代品,具有大于約30達因/cm的γ*值(例如大于約32、35、40、45、50、55、60、65或70達因/cm)。當將表面活性物質(zhì)(例如表面活性劑)加到溶液中時,它優(yōu)先在氣-液分界面間隔開,因為此位置熱力學上是有利的。存在氣-液分界面的表面張力(γ)是兩個因子的函數(shù)(1)加入的特異性表面活性劑;和(2)加入的表面活性劑的量。當只加入少量表面活性劑時,表面張力輕微下降。加入更多表面活性劑時,表面張力進一步降低。然而隨著加入越來越多表面活性劑,達到一定限度,另外多加入表面活性劑也不能進一步降低表面張力。這一界限即為γ*。不象γ既是表面活性劑濃度又是表面活性劑類型的函數(shù),γ*只是表面活性劑類型的函數(shù)。它是濃度達無窮大時表面張力達到的極限。γ*是表面活性劑、表面膜或任何其它表面活性物質(zhì)內(nèi)在固有的性質(zhì)。
在一個實施方案中,本發(fā)明描述了包含脂質(zhì)的藥用組合物(并且在另一可選擇的實施方案中,另外還包含蛋白(或肽)和/或多糖)。雖然脂質(zhì)也被包括在其它施用于肺部的組合物內(nèi),本發(fā)明所述的表面膜的脂質(zhì)組分與以前應用的那些是不同的。這里,當具有關鍵生物物理特征的表面膜施用于增大的肺泡(例如直徑大于200-300μ的肺泡)時,它們在肺泡內(nèi)施加表面張力,所述表面張力降低了當正常吸氣或更優(yōu)選地正常深吸氣肺泡膨脹時肺泡纖維上的張力。所述張力減低將有效抑制纖維斷裂(即,與未治療的患者或用目前已知的表面活性劑諸如EXOSURF治療的患者的肺部觀察到的結(jié)果相比,可減少纖維斷裂的數(shù)目或延長纖維斷裂持續(xù)的時間)。雖然張力的降低可以在生理學水平上進行評價(例如,纖維斷裂),也可以通過改善患者全面健康情況或肺功能狀態(tài)的任一其它客觀或主觀測量來評價。因此這里所述具有一種或更多特點的基于脂質(zhì)的組合物(例如此處所述的γ*)在增大的肺泡內(nèi)(或平均直徑大于健康人或其它動物肺泡直徑的一群肺泡)施加表面張力,所述表面張力明顯降低正常吸氣肺泡膨脹時肺泡內(nèi)纖維上的張力。如下所述,增大的肺泡可以發(fā)生在患有諸如肺氣腫的肺部疾病的患者體內(nèi),并且通過檢查肺部及其內(nèi)的纖維,或通過諸如患者健康狀況改善的外部參數(shù)(例如舒適呼吸的改善、自己施壓能力(exert onself)的提高;疾病進展的減慢也顯示表面膜降低表面張力)可發(fā)現(xiàn)肺內(nèi)的纖維張力減低很明顯。
基于對經(jīng)過肺量減低治療的晚期肺氣腫患者的臨床觀察和最近的實驗觀察,顯示肺氣腫患者的肺部纖維在10-20cm H2O膨脹壓力時可以斷裂。為了阻止斷裂,表面膜應理想地支承患者進行一次深吸氣時回縮力的50-75%。對直徑約為300μ的肺泡而言,這樣的膜所產(chǎn)生的表面張力將達到50達因/cm左右。如下進一步所述,表面膜的組合物可以改變,只要所述膜顯示表面的張力-表面面積分布圖具有如下特點,其中表面張力在吸氣末足夠大到顯著地降低肺泡內(nèi)纖維上的張力,與此同時,在呼氣末要足夠小到顯著地防止肺泡萎縮(否則,表面膜將不利地影響氣體交換)。一種膜顯著降低了纖維上的張力,當它把張力降低到一定點時,患者可期望或確實體驗到病情改善或病程速度的減慢。
盡管增加肺泡表面上的表面張力到任何程度,都傾向于降低賦予纖維網(wǎng)絡上的張力,施用產(chǎn)生均一遍布全肺的高表面張力的藥物可產(chǎn)生危險后果。
本發(fā)明的表面膜將使患者受益,尤其是肺氣腫患者,因為目前還沒有減慢此病發(fā)展的療法。甚至經(jīng)過容量減低過程的患者也會受益,因為在這一患者組的功能在短期的改善后以加速度下降。所述患者可能已經(jīng)接受過手術肺容量減低(如Cooper等人在,J.Thorac.&Cardiovasc.Surg.1121319-1330,1996中所述)或非手術減低(如Ingenito等人在Am.J.Respir.Crit.Care Med.164295-301,2001中所述)。
此外,這里所述的組合物和方法可以提供類似于LVRS而不具有相關外科危險的益處(本發(fā)明的組合物和方法可用于替代以及附加(輔助)于LVRS)。因為表面膜產(chǎn)生的回縮力隨著其展開的表面面積大小而改變,在呼吸過程中發(fā)生小面積改變的大肺泡要比小肺泡經(jīng)受較大的向內(nèi)回縮力。結(jié)果,此處描述的表面膜實際上收縮大的,功能障礙的肺泡并且通過產(chǎn)生相當于化學的表面-膜-誘導的容量降低而改善肺功能。減慢肺氣腫進展的表面膜,如果無毒(無論急性還是慢性給藥)并且對正常的表面活性物質(zhì)的合成和更新有很小或沒有影響的話將會更安全并且更有效。如此處進一步所述,表面張力-表面面積分布圖很重要,并且表面膜的分布圖應該滿足如下條件,表面張力在大的肺容量(吸氣末)當肺纖維網(wǎng)絡上的張力最大時更大,并且在低肺量(呼氣末)更低,從而不引起肺泡萎陷。理想的表面膜應該在相當于潮式呼吸及更用力呼吸發(fā)生的肺表面面積變化時功能良好。此外,它們應該理想地產(chǎn)生至少維持幾小時的有益作用(否則劑量方案就是不合適的)。由于本發(fā)明的表面膜不是自然存在表面活性劑的提取物,所以其很不可能包含病毒或蛋白污染物諸如朊病毒。牛海綿狀腦病(BSE)與人克-雅病的關系提示用動物制品治療時患者所必須承擔的危險。如果本發(fā)明的表面膜包含脂質(zhì),可期望它們可以相對廉價地制造,因此對所有人來說易于獲得。
尤其是,在一個實施方案中,本發(fā)明描述了一種包含脂質(zhì)的藥用組合物,當將其施用于增大的肺泡(例如直徑比健康患者(即沒有可辨別肺部疾病的患者)的正常肺泡直徑顯著大(例如5,10,20,50或者100%或更多)的肺泡)時,在肺泡內(nèi)施加表面張力作用,所述表面張力顯著降低了正常吸氣膨脹時肺泡內(nèi)纖維上的張力。要達到治療有效,組合物必須將肺泡內(nèi)纖維上的張力降低到一定點,在這一點纖維不會斷裂或比不加組合物(即,在未經(jīng)治療的患者或用已知的表面活性劑治療的患者中)時斷裂率低。治療的有效性可通過隨訪患者疾病病程(有效性表現(xiàn)為疾病進展的減退)或通過評價疾病客觀體征或臨床癥狀(有效性表現(xiàn)為一個或多個體征或癥狀的改善)來決定。如上所述,組合物可顯示表面張力-表面面積分布圖,圖中表面張力在吸氣末足夠大以顯著降低肺泡內(nèi)纖維上的張力,并此外在呼氣末足夠小以顯著防止肺泡萎陷(例如,顯著類似于圖6所示的分布圖)。組合物可顯示約30-70達因/cm的γ*(例如,大約35至65達因/cm;大約40至60達因/cm;大約45至55達因/cm;或至少為32、35、40、45、50、55、60、65、或70達因/cm的γ*)。
例如,脂質(zhì)可以是二-花生四烯酰-磷脂酰膽堿(DAPC例如.,至少約50%的DAPC(例如, 50,55,60,65,70,75或者80%的DAPC),并且組合物可以另外包含二-棕櫚酰磷脂酰膽堿(di-palymitoylphosphatidylcholine)(DPPC;例如5-30%的DPPC(例如5-25%、5-15%、5-10%或者6、7、8、9、12、15、18、20或25%的DPPQ)。具有其一或兩種所述脂質(zhì)的組合物可以另外包括磷脂酰甘油、花生酸、棕櫚酸、膽固醇,和/或一種或多種蛋白質(zhì)或肽(例如,天然表面活性蛋白B、天然表面活性蛋白A、天然表面活性蛋白C、重組表面活性蛋白C、具有疏水特性的小α-螺旋肽或其它肽樣組合物)。在一個具體的實施方案中,組合物可以包含例如50-80%的二-花生四烯酰-磷脂酰膽堿(DAPC),10-30%的磷脂酰甘油,1-10%的棕櫚酸,和1-10%的花生酸,選擇的總脂質(zhì)組合物不超過組合物的100%。另外本發(fā)明中任一基于脂質(zhì)的表面膜也可以包含抗炎劑、類固醇(例如氫化可的松、地塞米松、beclamethasone,或氟替卡松)、支氣管擴張劑,抗膽堿能組合物,或調(diào)節(jié)炎癥或氣道狀況的藥劑。本發(fā)明的組合物還可以包含標記物(例如熒光化學標記物)從而檢測靶區(qū)域內(nèi)的組合物。
本發(fā)明的組合物可用于治療患有肺氣腫或其它肺泡纖維處于增高的張力之下的肺部疾病的患者(例如人類患者)。所述患者可能已經(jīng)過手術或非手術的肺量降低的治療。
如果用于治療肺氣腫患者,組合物可被制備成通過吸入給藥或通過經(jīng)氣管將表面膜滴入肺內(nèi)的制劑。因此本發(fā)明描述了此處所述的表面膜組合物可被制備成通過吸入法給藥(例如作為干粉)或通過滴注給藥的制劑(例如作為溶解于水或緩沖的生理溶液(例如,生理鹽水))。
本發(fā)明也描述了包含此處所述表面膜組合物的裝置。在一個實施方案中,本發(fā)明包括適于干粉吸入的便攜式吸入器裝置,所述干粉包括此處所述的表面膜組合物。很多這樣典型地設計成遞送抗哮喘藥(例如支氣管擴張劑和類固醇)或抗炎劑進入呼吸系統(tǒng)的裝置可以市售獲得。所述裝置可以為設計成防止干粉受潮并將偶然發(fā)生大劑量引起的任何危險降至最低的干粉吸入器。所述吸入器可以是單劑量吸入器或多劑量吸入器。在另一個實施方案中,本發(fā)明包括一種噴霧器例如包含本發(fā)明表面膜的一種超聲霧化器,或壓力網(wǎng)孔噴霧器(pressure meshnebulizer)。
本發(fā)明也描述了試劑盒,所述試劑盒除了表面膜外包含例如一小瓶無菌蒸餾水或生理緩沖液。任選地,試劑盒可以包含一噴霧器系統(tǒng)以產(chǎn)生顆粒物質(zhì)(噴霧器目前可以市售獲得)和使用說明書以及描述例如可能副作用的其它印刷資料。
一個或更多的本發(fā)明實施方案的細節(jié)在附圖中闡述并在下面描述。本發(fā)明的其它特點、目的和優(yōu)點根據(jù)說明書和附圖及權利要求來看是顯而易見的。
圖1是一個肺泡區(qū)室及其內(nèi)平衡的壓力示意圖。
圖2是1對兒肺內(nèi)膠原纖維網(wǎng)絡在40%張力幅度變化前(上部)后(下部)的熒光顯微鏡照片。肺泡壁被標記。完整六邊形網(wǎng)絡在組織受到拉伸之前很明顯。拉伸之后,網(wǎng)絡是不完整的,證明了纖維斷裂(Kononov等,Am.J.Resp.Crit.Care Med.1641920-1926,2001)。
圖3是一個由有限元計算機模型模擬生成的圖象。它顯示類似于已存在大皰區(qū)域或空洞的肺氣腫肺系統(tǒng)內(nèi)的張力分配情況。最高張力區(qū)在這些區(qū)域的邊緣,所述區(qū)域纖維斷裂導致增大的大皰,持續(xù)存在壓力的集中以及額外的纖維衰竭(SukiAm.J.Resp.Crit.Care Med.163A824,2001)。
圖4是在標準表面活性劑濃度為1mg/ml時表面張力(達因/cm)與表面積分布圖的對比圖。將低容量時肺泡萎陷的趨勢減到最小的最小表面張力值小于1達因/cm。在充分膨脹時,正常表面活性劑施加大約30達因/cm的表面張力作用。
圖5是在不同肺泡半徑時描述表面膜充分支撐膨脹壓力能力的圖。能夠施加更高表面張力作用的膜可以顯著支撐更大的膨脹壓。
圖6是描述可期望有效治療肺氣腫患者的表面膜的生物物理特性的圖。所述膜具有高γmax和低γmin,使其可以在接近全肺膨脹時支撐膨脹壓力而不會在接近終末呼氣時促進其萎陷。
圖7是計算機模型生成的圖。該圖繪出表面張力(γ(達因/cm))對面積(mm)關系的曲線,描述了在循環(huán)振蕩刺激呼吸過程中表面面積變化時表面膜獨特的行為狀態(tài)。
圖8是一個天然小牛肺表面活性劑等溫線的圖。等溫線表示溶液中表面活性劑濃度(此處表示為相對于達到γ*所需量的表面活性劑的濃度,等于G/G*)和表面張力γ之間的關系。開放環(huán)表示不同濃度小牛肺表面活性劑平衡條件下表現(xiàn)這種關系的記錄數(shù)據(jù)。開放三角形代表準靜態(tài)的條件下小牛肺表面活性劑從平衡緩慢加壓過程中的記錄數(shù)據(jù)。
圖9是顯示對正常小牛肺表面活性劑(左圖)測得的表面張力、表面面積分布圖的和利用下列參數(shù)組的相應匹配的計算模擬圖(右圖)的一對兒圖K1=6×105ml/g/min;K2=5ml/g;γ*=22.2達因/cm;γmin<0.5達因/cm,以及B比D斜率,指定為M2=170達因/cm。
圖10是描述具有不同均衡表面張力(γ*)膜的表面張力(達因/cm)相對表面面積(cm2)的圖。
圖11是表示二-花生四烯酰-磷脂酰膽堿(PC)和磷脂酰甘油(PG)和棕櫚酸(PA)及花生酸(AA)(dA/A為75%)混合物的表面張力-表面面積分布圖。所述圖利用以1,20,和100個循環(huán)/分鐘規(guī)律振動的表面活性測量儀測得。所述行為通過表1列出的k1,k2,γ*,和m2值進行描述。
圖12是總結(jié)C57BL/6小鼠和Tsk(+/-)小鼠用生理鹽水或本發(fā)明的基于脂質(zhì)的組合物(即包含70%DAPC和20%磷脂酰甘油和5%DPPC及5%花生酸的組合物)處理后,在基線和2、10、20、及60分鐘時的氣道阻力(Raw)的圖。
圖13是總結(jié)C57BL/6小鼠和Tsk(+/-)小鼠用生理鹽水或本發(fā)明的基于脂質(zhì)的組合物(即包含70%DAPC和20%磷脂酰甘油和5%DPPC及5%花生酸的組合物)處理后,在基線和2、10、20、及60分鐘時的組織耐受力(G)的圖。
圖14是總結(jié)C57BL/6小鼠和Tsk(+/-)小鼠的準靜態(tài)排氣壓力容積曲線的圖。在,通過浸水容量排水量測量0Ptp時的容積。Tsk小鼠的P-V關系上移和左移,與肺氣腫的生理學是一致的。Tsk小鼠在0Ptp時容量增加,與對照組相比收集的氣體的增加是一致的。
圖1 5是一對總結(jié)對照組C57BL/6小鼠(左圖)和Tsk(+/-)小鼠(右圖)用生理鹽水(實線)或本發(fā)明的基于脂質(zhì)的組合物(虛線)處理后的準靜態(tài)壓力容積曲線圖。在經(jīng)處理的小鼠體內(nèi),兩個品系小鼠的曲線都有顯著的右移,提示回縮增強。表面活性劑引起Tsk(+/-)小鼠的收集氣體比對照組的明顯減少。
發(fā)明詳述此處所述的組合物被設計用于和被用于肺部疾病的檢測(尤其是肺氣腫;參閱實施例中基于組織,基于計算機及體內(nèi)的模型)。這些模型可用于評價一些對肺功能很重要的參數(shù),包括表面膜和表面活性劑的回縮壓力和其它生物物理特性。在肺內(nèi),回縮壓力決定于兩種因素來自于組織纖維網(wǎng)絡牽張的回縮壓力和來自于呈現(xiàn)在肺泡表面(即氣-液交界面)的表面活性劑產(chǎn)生的表面張力的回縮壓力。這些壓力在圖1中闡明,沿著肺泡隔(大箭頭)傳送的壓力由纖維生成,而內(nèi)向回縮力是由表面膜施加的,并分布于單個肺泡內(nèi)(小箭頭)。
在平衡狀態(tài)(例如,在一次深吸氣后的呼吸-保持過程中),肺內(nèi)的壓力平衡可以通過下述關系式進行描述P膨脹壓=P組織壓+P表面張力壓P膨脹壓是肺內(nèi)由封閉的氣體容積產(chǎn)生的膨脹壓力,P組織壓是由纖維網(wǎng)絡產(chǎn)生的回縮壓力,并且P表面張力壓是由分布在肺泡的表面活性劑產(chǎn)生的表面張力壓力(Stamenovic,Physiol.Rev.7011 17-1134,1990)。膨脹壓在吸氣末或一次深吸氣后肺膨脹時最大。在呼吸循環(huán)的這些點上,P組織壓最有可能超過纖維承受的極限而導致斷裂。
此處所述的表面膜影響肺內(nèi)的壓力平衡。雖然表面膜并不限于任何一種由特殊的機制產(chǎn)生的功能,我們相信表面膜不是通過改變在肺氣腫中肺功能障礙的主要決定因素的P組織壓,而是通過改變P表面張力壓可以影響壓力平衡。所以,沒有限定本發(fā)明為通過特殊機制作用的組合物,此處所述的表面膜被認為是通過增加P表面張力壓而影響了上述公式所述的平衡關系,所述P表面張力壓依次降低機械作用于纖維上的張力,并與P組織壓協(xié)同支撐肺內(nèi)的膨脹壓力。降低所述張力增加了組織回縮減低患者(例如肺氣腫患者)的近乎整個肺容量的回縮壓力并改善其肺功能。通過保護肺內(nèi)纖維網(wǎng)絡,疾病進展減緩。此外增加P表面拉伸(并且改善組織回縮)延長肺量減低的益處。
最近手術治療被引進作為上述藥物治療的輔助手段,并且結(jié)果不同尋常。手術治療,已知為肺量降低手術(LVRS),改善了大部分符合指定選擇標準的肺氣腫患者的肺功能、運動能力、呼吸癥狀及生活質(zhì)量(Cooper等,J.Thorac.Cardiovasc.Surg.109106-116,1995)。在LVRS中,受損害的高-膨脹的肺被除去,使得過度膨脹的肺與更正常大小的胸壁更好地相適應。胸腔中殘留的部分肺可以更好的膨脹并且這增加了可以有效地用于換氣部分的肺的比例(Fessler等,Am.J.Resp.Crit.Care Med.157715-722,1998)?;乜s壓力增加,呼氣流得以改善。至今,LVRS是唯一直接專門解決肺膨脹過度的治療,所述肺膨脹過度是肺氣腫的主要生理異常表現(xiàn)。
不幸的是,在某些病例LVRS的益處隨著時間可能減退。反應的高峰時間發(fā)生在術后一年左右,其后可能降低。在三四年內(nèi),盡管有較大的最初改善,很多LVRS患者可能會退回到治療前的功能狀況(Gelb等,Am..J.Resp.Crit.Care Med.1631562-1566,2001)。
因此,本發(fā)明的組合物可以施用給患有肺部疾病的患者,所述患者的肺泡內(nèi)纖維網(wǎng)絡受損(即,比沒有肺病的患者更易于斷裂)。這樣的患者包括患有肺氣腫的患者和可以在任何肺量降低前或后(無論通過手術還是非手術技術)進行治療的肺氣腫患者。例如本發(fā)明的組合物和方法可以與在WO 01/13908中所述的聯(lián)合應用。
表面膜的生物物理特性。圖4闡明了自然存在的肺表面活性劑的表面張力-表面面積的行為。最小表面張力值小于約0.5達因/cm,并且最大表面張力值約為32達因/cm。在最大膨脹時由所述表面活性劑支撐的膨脹壓是區(qū)域肺泡半徑的函數(shù),這一點通過拉普拉斯定律表述。
ΔP=2γ/r其中ΔP是越過肺泡的膨脹壓力,γ是膜表面張力,并且r是肺泡半徑。對于正常半徑約100微米的肺泡,所述表面膜可以支撐大約6.3cm H2O的膨脹壓。纖維網(wǎng)絡必須支撐超出上述水平的膨脹壓。在纖維網(wǎng)絡受損或進行性破壞并且平均肺泡大小增加的肺部疾病,表面膜支撐膨脹壓的能力減低。例如對于直徑增加到300μm的肺泡,正常表面活性劑可以支撐僅僅2.1cm H2O的膨脹壓。因此,如果一次深吸氣后總肺量的膨脹壓是10cm H2O(對于患有嚴重肺氣腫患者的標準值)并且肺泡壁內(nèi)纖維的屈服應力大約是7.0cm H2O,一種自然的表面活性劑可以保護直徑約為100μm肺泡內(nèi)的纖維,但保護不了直徑約為300μm的肺泡內(nèi)纖維。
圖5顯示可被襯附于不同大小肺泡的表面膜所支撐的膨脹壓的范圍。每條線表示一個具有不同最大表面張力值,從正常γmax約為32達因/cm的膜到γmax約為70達因/cm的膜(正常表面活性劑通過最低的描記表示,具有40、50、60、及70達因/cm的表面膜數(shù)據(jù)通過逐漸升高的描記表示)。這些數(shù)據(jù)證明漸增的γmax值(從例如大約32到70達因/cm)增大了表面膜支撐增大的膨脹壓進而保護更多部分的肺泡免于潛在的纖維損害的能力。
通常,此處所述的想要達到的目標的較高值γmax也與升高的γmin有關。遺憾的是這樣的膜不太可能在治療上有用,因為膜必須發(fā)揮接近于零的最小表面張力以在呼氣末防止肺泡萎陷。因此一種用于治療肺病患者(他的纖維網(wǎng)絡受到牽張)的表面膜具有有類似于圖6所描述的生物物理特性在表面膜充分展開時的一個高最大表面張力,和膜壓縮時的一個低最小表面張力。所以本發(fā)明的組合物包含基于脂質(zhì)的組合物,所述組合物可以對肺泡表面面積約為從1.0到的3.0mm2情況發(fā)揮顯著類似于圖6所示的表面張力作用。例如,本發(fā)明的組合物在隨著吸氣表面面積增加的肺泡上面擴展時,發(fā)揮約在60達因/cm到70達因/cm之間的(諸如55、56、57、58、59、60、61、62、63、64、65、66、67、68、69、 70、 71或72達因/cm)最大表面張力作用,并在隨著呼氣表面面積降低的肺泡內(nèi)壓縮而發(fā)揮約在0到10達因/cm(諸如0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、或15達因/cm)的最小表面張力作用(圖中上升支和更高的橫支代表表面張力在吸氣過程中的變化,并且圖中下降支和更低的橫支代表呼氣過程中表面張力的變化)。
如下面的實施例所述,基于組織的和基于計算機的模型已被應用于分析和界定本發(fā)明表面膜的生物物理特性,并且它們可用于迅速檢測具有多種組分的組合物(包括一種或更多此處所述的組分)以確定那些組合物是否具有所需的生物物理學特性。在這些模型中表現(xiàn)良好的膜可以在肺部疾病的動物模型中進行檢測。
有用的表面膜包括那些具有(參閱實施例2)從大約30到大約70達因/cm(例如30、35、40、45、50、55、60、65或70達因/cm)的γ*的膜。的確,自然存在的表面活性劑與用做生物物理支架以平衡膨脹壓(尤其伴有肺氣腫疾病的患者)的表面膜之間的一個重要區(qū)別點是γ*。表面膜的γ*比在自然存在的表面活性劑的大。
此外,用于平衡膨脹壓的表面膜可以具有一種或多種下列生物物理特征k1約為6×105ml/g/min;k2約為5ml/g;以及約為170達因/cm的m2。優(yōu)選地,表面膜達到雙重目的。首先它們預防肺內(nèi)間質(zhì)纖維網(wǎng)絡上的膨脹壓的潛在損害效應。第二,與此同時它們有助于在呼氣末最易萎陷時穩(wěn)定肺泡。
通過包含不同量和不同類型脂質(zhì)的許多組合物可以賦予表面膜所需的特定的生物物理特征。特定脂質(zhì)化合物已在此處所述的基于組織、基于計算機和體內(nèi)模型中進行檢測,并且其它化合物在這些或類似的模型中(例如應用布魯斯特角顯微鏡及原子顯微鏡)可迅速進行檢測。
實施例3描述了多種表面膜,并且總結(jié)了這些表面膜的很多生物物理特征的表1證明利用多種獨特的脂質(zhì)分布圖可以產(chǎn)生相似的生物物理行為。
表1組合物 k1k2γminγ*m2DAPC(0.7)+PG(0.2)+DPPC(0.05)+AA(0.05) 6×1056 <0.5 38170DAPC(0.7)+DPPC(0.2) 2 <0.5 45+AA(0.05)+PA(0.05) 6×105170DPPC(0.7)+PG(0.2) 10 <0.5 43+AA(0.075)+Chol(0.025) 3×105170DAPC(0.65)+PG(0.15)+AA(0.1)+PA(0.08)+ 6×1058 <0.5 51170合成SPC(0.02)雖然此處顯示的組合物是包含幾乎完全都是脂質(zhì)組分的混合物,自然存在的蛋白或合成肽也可以包括在內(nèi)。事實上,包括這些蛋白或肽也可以賦予組合物所需的生物物理特性。更具體地,在體外已經(jīng)顯示可增強合成的脂質(zhì)混合物功能的天然表面活性蛋白和/或合成的兩性分子短鏈螺旋肽的模擬物可以包括在內(nèi)(參閱例如,McLean et al.,Ain.Rev.Resp.Dis.147462-465,1993;Lipp et al.,Science2731196-1199,1996;Nilsson et al.,Eur.J.Biochem.255116-124,1998;和Gustafsson etal.FEBS Letters,384185-188,1996)。
此處所述的表面膜具有對肺氣腫的生理情況的特別益處并且體內(nèi)研究證實了離體實驗間接顯示的益處(參閱實施例4)。這些組合物在高肺量時特別地增強回縮并促進氣體收集的減少,可能通過引起增大的肺功能障礙區(qū)的選擇性萎陷而實現(xiàn)。
如上所述,本發(fā)明的組合物可用于治療包括那些經(jīng)歷肺量降低過程的患者在內(nèi)的肺氣腫疾病的患者。肺氣腫進程中很重要的機械力在肺量減低術后當受損的肺組織受到牽張以力求使其更好地發(fā)揮功能時是非常顯著的。然而再牽張的過程增加了組織內(nèi)張力并促進纖維組織衰竭的進行。這在臨床表現(xiàn)為肺功能迅速下降。
制劑與應用本發(fā)明的組合物可以制備成干粉,并且它們在應用之前可以被還原。例如一種具有適于治療肺氣腫的生物物理特征的表面膜可以被設計為干粉并可以在給藥前用水(例如滅菌的無防腐劑的水)使其還原。如有可能并且當防腐劑或抗微生物制劑遺漏時,表面膜應可利用無菌技術還原。還原的表面膜如果在大約2℃至8℃之間保存,可期望保持無菌且穩(wěn)定達24小時。當無均技術不能保證時,還原應優(yōu)選的在使用前立刻進行,并且任何未使用的懸浮液應丟棄。
在患者意識喪失并進行了氣管插管的情況下,總劑量可以通過支氣管導管方式給藥。給藥頻率可以不同并應充分地使還原的懸浮液通過導管(或者諸如插入管內(nèi)的導管的裝置)并進入肺內(nèi)同時沒有聚集。直至目前的研究顯示推薦的總劑量最少給藥時間將為約4分鐘。衰竭的征狀和病征包括皮膚顏色暗淡(病人表現(xiàn)蒼白或者灰白),心律減慢或者無規(guī)則,動脈氧濃度瞬間降低。如果表面膜聚集在氣管內(nèi),可以減緩給藥劑量或者中斷給藥。
表面膜可以以試劑盒形式供應,除表面膜外,包含例如一小瓶無菌水、生理緩沖液或其它生理懸浮液介質(zhì),載體或稀釋液。任選地,所述試劑盒可以包含產(chǎn)生微粒物質(zhì)的噴霧器系統(tǒng)(噴霧器目前可以商業(yè)上可獲得)和使用說明書(可以通過音頻或錄象帶或二者都有的方式出版)及其它描述材料,例如可能的副作用。
其它給藥方法也適用,它們包括所有目前認為對表面活性劑替代療法適宜并有效的那些方法。一個直接并有效的方法是通過氣管將表面活性劑滴入肺內(nèi)。表面膜可以作為液體溶解于水或生理緩沖溶液(例如鹽水、PBS或類似品)給藥,并可以隔幾分鐘時間(例如5-15分鐘(例如約6、8、10、12或14分鐘)給藥。迄今為止的研究顯示表面膜的標準劑量范圍可以從大約10毫克/千克患者體重至大約300毫克/千克患者體重,并且優(yōu)選的是從大約25mg/kg至125mg/kg(例如25、30、35、40、45、50、75、或100mg/kg)。表面膜可以每小時給藥或一天一次或幾次(例如每4、6、8、12、或24小時)給藥,一周幾次,規(guī)律地間隔時間(諸如每周、每兩周、每月或每半年),或以需要為基礎的不規(guī)律地給藥。將干粉遞送到患者的肺內(nèi)的有用機制是通過適用于干粉吸入的便攜式吸入器裝置進行。很多這樣典型設計為遞送抗哮喘藥(例如支氣管擴張劑和類固醇)或抗炎劑進入呼吸系統(tǒng)的裝置可以商業(yè)上獲得。所述裝置可以是干粉吸入器,可以將其設計為保護干粉避免潮濕并將偶爾發(fā)生的大劑量引起的任何危險降至最小。此外,此裝置可以保護表面膜閉光并可提供下列一項或多項優(yōu)點一種高度適合呼吸的部分和寬流率間隔的高度肺沉積作用;低劑量偏差和適合呼吸部分;接口管內(nèi)干粉低滯留;呼吸器表面低吸附;劑量大小的靈活性;及低吸入阻力。所述吸入器可以是一種單一-劑量吸入器或一種多-劑量吸入器。
干粉形式的表面膜可以利用傳統(tǒng)技術通過幾種方法制備。如果需要,可以微粉化活性復合物(例如一種或多種脂質(zhì))。也可以利用適當?shù)哪シ蹤C(例如一種噴射式微粉磨機)來生產(chǎn)顆粒大小范圍適合于在較低呼吸道(即10μM以下)有最大沉積作用的的初級顆粒。例如,可以干燥混合脂質(zhì)與表面膜的其它組分(諸如蛋白和肽)及一種載體(適當?shù)?并將這些物質(zhì)一同微粉化?;蛘?,這些物質(zhì)可以分別微粉化然后再混合。待混合的復合物具有不同的物理特性(例如硬度或脆性),微粉化的阻力不同,并且每一復合物可能需要不同的壓力使其碎裂成適當顆粒大小。
也可能首先在適當?shù)娜軇?例如無菌水、PBS等)內(nèi)溶解組分以達到分子水平上的混合。此步完成后可以調(diào)節(jié)pH值至目標水平。要獲得干粉,應通過可使表面膜的組分保留其生物活性的方法除去溶劑。適當?shù)母稍锓椒òㄕ婵諠饪s、開放干燥、噴霧干燥、及冷凍干燥。干燥后,如必要,固體物質(zhì)被碾碎以獲得粗粉,如必要并進一步微粉化。
此外并如果需要,微粉化的干粉可以進行處理以改進它們通過或流出吸入器(或其它)裝置的方法。例如,干粉可以通過干燥制粒法進行處理以形成帶有更高級處理特征的球形團塊。在那種情況,設定裝置以保證沒有實質(zhì)團塊流出所述裝置。這種處理的一個可能的優(yōu)點是進入患者呼吸道的顆粒大多在目標大小范圍內(nèi)。
遞送裝置也可以是一種可產(chǎn)生含有表面膜組分的氣霧云狀物的噴霧器。噴霧器為本領域已知并且可以是一種噴射噴霧器(氣體或液體;參閱例如EP-A-0627266和WO 94107607)、一種超聲霧化器或壓力網(wǎng)篩噴霧器。利用通常振動壓電元件產(chǎn)生的超聲波來霧化液體的超聲霧化器有許多形式(參閱例如U.S.Patent Nos.4,533,082和5,261,601,及WO 97/29851)。可能包括或不包括壓電元件的壓力網(wǎng)篩噴霧器公開在WO 96/13292中。
噴霧器與干粉吸入器和計量吸入器通常用于遞送物質(zhì)進入肺部氣體通道。計量氣霧器較普及并且它們可被用于遞送溶解形式或作為分散體(推進系統(tǒng)歷史上包括一種或多種氯氟碳,但這些已經(jīng)被環(huán)境上有利的推進物所代替)的藥物。這些吸入器典型地包括一種相對高氣壓的推進器,在裝置啟動后,所述推進器迫使霧化藥物進入呼吸道。相反,干粉吸入器通常完全依賴患者吸氣的努力以引導干粉形式的藥物到達肺部。噴霧器通過將能量傳遞給液體溶液形成藥物氣霧。最近,治療制劑通過液體通氣或利用熒光化學介質(zhì)的肺灌洗過程遞送到肺內(nèi)。
實施例實施例1基于組織的肺氣腫模型。
肺泡壁內(nèi)的膠原和彈性纖維在許多情況下可以觀察到并且可以多種方式檢查到(參閱如圖2)。例如,包含肺泡的肺組織可以從健康動物(包括人類患者)或從自然或?qū)嶒炚T導的疾病過程諸如肺氣腫所導致具有增大肺泡的人或其它動物獲得。組織可以由于受到體內(nèi)呼吸過程(包括淺呼吸,正常呼吸或深呼吸)中組織所受力的模仿力作用而被機械牽張,并且它可以在存在或不存在藥用組合物諸如已知表面活性劑或本發(fā)明的表面膜情況下受到牽張以評價那些組合物減少纖維斷裂的能力。
如上所述,當肺泡增大時,纖維斷裂在接近正常呼吸的張力下就可發(fā)生。這種效應大規(guī)模發(fā)生于全肺,但更可能以局部規(guī)模發(fā)生在特定部位。但在任何一種情況,它可引起張力相關的組織網(wǎng)絡纖維的斷裂所導致的組織損害迅速的自我傳播式的進展,并且所述斷裂促進肺氣腫的進展。
鑒定了實驗性肺氣腫大鼠(體內(nèi))分離出來的組織條的張力-應變關系。在將機械張力應用于器官浴系統(tǒng)(organ bath system)以檢查循環(huán)張力作用下纖維網(wǎng)絡的幾何學與完整性的過程中可以利用熒光抗體標記直接觀察膠原和彈性纖維。產(chǎn)生的顯微圖象之一顯示在圖2中。隨著漸增的牽張力,纖維變得更加扭曲。在接近正常呼吸的張力下,纖維斷裂就可以觀察到。這類似于嚴重晚期肺氣腫患者一旦達到一個組織破壞的臨界水平時所發(fā)生的情況。
實施例2顯示肺量減小的基于計算機的肺氣腫模型。
有限元的計算機模型用于模擬由相當于肺泡壁內(nèi)膠原與彈力纖維的張力-支持纖維的網(wǎng)絡組成的肺。利用代表人肺生理學的參數(shù)值,這種模型識別趨向沿小泡邊緣分布的高張力集中的焦點。在牽張作用下,處于高張應力下的纖維(顯示于圖3并標記為纖維1、2、3)遭到斷裂,導致肺泡增大及局限張力集中的擴大。這一過程變成自我-傳播式,因為斷裂導致進一步的削弱。其凈結(jié)果相似于臨床實踐所見并與進行LVRS之后所做的觀察資料一致。盡管有最初的改善,進行LVRS之后會出現(xiàn)肺功能的迅速減退。施行所述過程以增強組織回縮,但這同時可引起纖維網(wǎng)絡內(nèi)的張力區(qū)的增加。
有人可能期望張力-相關的改變對經(jīng)歷了肺量減小操作過程的患者的肺部生理情況有顯著的影響,因為這些患者一般有嚴重的肺病及重大的組織損傷。但這種操作過程明顯地是一種外部的干預并且它強加于纖維-負荷張力的突然“階梯改變”,因為它增加了彈性回縮壓。(盡管肺氣腫患者擁有更少的用來支撐呼吸張力的纖維,作為肺氣腫部分自然病史的張力緩和過程的結(jié)果,總張力減小)。盡管肺量減小在短期內(nèi)對肺生理產(chǎn)生有益的影響,根據(jù)計算機模型模擬的及實施例1描述的組織條實驗所觀察的機制,它可在遠期引起肺纖維斷裂率的增加。如上所述,回縮壓至少由兩種組分生成,根據(jù)公式,產(chǎn)生于纖維網(wǎng)絡的“組織”組分和表面膜產(chǎn)生的“表面張力”組分P回縮壓=P組織壓+P表面張力LVRS通過增加引起纖維網(wǎng)絡損害的P組織壓而增加組織回縮壓;表面膜治療通過增加并不損害纖維網(wǎng)絡的P表面張力增加回縮壓。
本實施例證明了計算機模型可在任何情況下用于評價肺內(nèi)纖維上的張力。例如它們在很多種情況(例如淺、正常、或深呼吸)下模擬健康動物(包括人類患者)或增大肺泡如發(fā)生肺氣腫的動物的肺組織。它們還可用于模擬肺量已經(jīng)減小(通過手術或非手術的肺量減小過程)后的肺組織并可模擬用已知表面活性劑、表面活性劑替代品或本發(fā)明的表面膜處理過的組織。所以可以利用諸如此處所述的計算機模型來評價那些組合物減小纖維斷裂的能力。
基于第一個原則的計算機模型已經(jīng)用于從利用表面平衡裝置(Ingenito et al.Appl Physiol.861702-1714,1999)測量的表面張力-表面面積分布圖表現(xiàn)表面膜的界面行為的特征。應用于本實施例的模型假定動態(tài)的界面行為可以用三個獨特的過程描述,其中任一個適用在循環(huán)過程的不同時間,依賴于表面膜是膨脹(在液體狀態(tài))還是受到壓縮(在明膠體或固相;參閱圖7)。計算機模型可以以三種獨特的表面濃度方案表征表面活性劑(或任何表面膜)來回運輸?shù)椒纸缑娴倪^程。
在第一種方案中,表面濃度(Γ,以每cm2的表面活性劑的摩爾數(shù)計量)小于隨著膨脹期(C)濃度增加而獲得的最大平衡表面濃度(Γ*)。這由圖7中的FC部分表示。在這一方案中,來回發(fā)生于界面的吸附作用與解吸附作用被假定依照Langmuir關系發(fā)生。
dM/dt=A{k1C(Γ*-Γ)-k2Γ}其中,t為時間,k1為吸附系數(shù),k2為解吸附系數(shù),A為界面面積,M=ΓA為界面的表面活性劑(或表面膜)的量。表面張力(γ)通過靜態(tài)等溫線關系與表面濃度有關,顯示表面張力隨著表面濃度Γ的增加顯示線性減低,當Γ/Γ*=0時γ=70達因/cm,并且當Γ/Γ*=1時γ=γ*。這種關系限定等溫線斜率m1=-dy/d(F/F*)。參閱圖8。
在第二種方案中,圖7中顯示為CD段和EF段中,表面濃度Γ大于Γ*。但是Γ仍小于在表面活性物質(zhì)在界面橫向濃縮過程中獲得的最大表面濃度(Γmax)。在這種方案中,表面活性劑(或表面膜)被模擬為是不溶解,意味著它隨著膨脹期不交換表面活性物質(zhì)。如圖8所示,在本方案中γ與Γ/Γ*的關系隨著斜率-不同于m1的-m2線性下降。重要的是要注意到這一區(qū)域不能從表面活性劑的靜態(tài)測量表征。表面膜必須經(jīng)過外部動態(tài)壓縮才能得到這些低表面張力。
在第三種方案中,如圖7顯示的DE段,Γ等于Γmax。表面活性分子盡可能牢固地壓縮于界面中,并且表面濃度不可能進一步增加。表面張力在這一點達到它的最小值(γmin)并且隨著表面膜的壓縮表面積進一步減小而保持恒量。任何進一步的壓縮通過擠掉或膜崩潰導致物質(zhì)大量從表面遺失。
γ*被限定為當體積濃度增加至5mg/ml時測得的最低平衡表面張力;它相當于表面活性劑的表面濃度等于Γ*。研究的最高體積濃度(1mg/ml)下的動態(tài)膜壓縮過程中獲得的最低表面張力確定γmin。
等溫線斜率m2利用在不溶性方案中動態(tài)振動過程中表面張力相對表面積的斜率(dγ/dA)進行確定(圖7的CD段),在膜壓縮過程中高體積濃度(1mg/ml)的樣品從γ*減至γmin。當Γ/Γ*>1時,m2被限定為斜率dγ/d(Γ/Γ*)。這種斜率是實驗性地在準靜態(tài)膜壓縮中通過測量表面張力確定的,并且假設一旦表面張力開始減小,表面膜內(nèi)的表面活性物質(zhì)的量保持不變。因此,表面濃度與表面張力的改變只是表面面積變化的結(jié)果而不是氣液界面的表面活性分子數(shù)量的變化。
評價描述表面膜生物物理學的模擬參數(shù)模型行為決定于5個參數(shù)在方案(i)中恒定的表面活性劑吸附率(k1)和解吸附率(k2),最小的平衡表面張力(γ*),斜率m2,和表面膜壓縮過程中可得到的最小表面張力(γmin)。注意m1決定于γ*。這些參數(shù)可以通過利用諸如規(guī)律振動氣泡表面活性測量儀的裝置體外進行的平衡與動態(tài)表面張力測量來評價。
通過以參數(shù)組的方式描述表面膜的行為,可能易于比較并充分表征具有有任一指定的生物物理分布圖的表面膜的生物物理特性。參考圖9,左手圖顯示正常小牛肺表面活性劑測得的表面張力-表面面積分布圖,右手圖利用如下參數(shù)組顯示了相應匹配的計算機模擬圖k1=6×105ml/g/min、k2=5ml/g、γ*=22.2達因/cm、γmin<0.5達因/cm;和B與D的斜率(指定為m2)=170達因/cm。如圖9所示,利用參數(shù)組完成的模擬圖幾乎等同于那些利用規(guī)律振動的表面活性測量儀測得的分布圖。利用此模型可能確定什么參數(shù)組合是產(chǎn)生具有相似于圖6所示的表面張力表面面積分布圖所表現(xiàn)的生物物理特性的表面膜所必需的(有這樣分布圖的表面膜在本發(fā)明范圍內(nèi)并用于治療有肺部疾病諸如肺氣腫的患者)。通過系統(tǒng)地在一值域改變計算機模型的每一個參數(shù)來進行模擬,直到確定了匹配于所需靶圖的組合。雖然這種方法不能保證生物物理參數(shù)組或描述認為理想的表面張力-表面面積分布圖的表面膜特有組合物是唯一的,但是唯一性不是形成有用產(chǎn)品所必需的。任何在表面膜壓縮過程中維持表面張力低于5達因/cm并達到大于50達因/cm的表面張力的脂質(zhì)或脂質(zhì)盒蛋白和/或多糖的組合都符合需要(例如,可以有效治療肺氣腫患者)。
與假定理想的支撐肺氣腫的纖維網(wǎng)絡的表面膜行為匹配最好的參數(shù)組如下k1=6×105ml/g/min;k2=5ml/g;m2=170達因/cm;和20至約70達因/cm的γ*(例如30-65達因/cm)。可能產(chǎn)生表面膜行為從正常表面活性劑變更到假定理想的可用做生物物理支架所需要的最重要的參數(shù)改變是γ*的增加。
模擬描述表面張力相比表面面積如何隨y*系統(tǒng)地增加而變化在圖10中顯示。這些模擬確定具有迅速吸收能力、在動態(tài)壓縮過程中維持高表面壓力并具有大于40達因/cm的平衡表面張力的脂質(zhì)化合物是有用的。這樣的表面膜可以達到防止肺內(nèi)間質(zhì)纖維網(wǎng)絡上的膨脹壓力潛在的破壞作用并同時在肺泡最易萎陷的呼氣末穩(wěn)定肺泡的雙重目的。
在靜態(tài)條件下,吸附到氣-液界面的表面活性膜顯示獨特的性質(zhì),所述性質(zhì)為表面張力依照Laplace′s定律隨表面活性膜賴以展開的結(jié)構的幾何容積而改變。上述的模擬分析進一步顯示在動態(tài)循環(huán)過程中,表面張力與系統(tǒng)特征性容積變化振幅有關。具體地,這意味著表面張力作為ΔA/A的函數(shù)而改變,表面面積變化的幅度相對于本身面積的大小。這種行為特征尤其與Langmuir動力學的生物物理學相關。當表面膜經(jīng)歷相對于平均對向面積的大移動時比小移動時有更多的表面-活性物質(zhì)進入界面。結(jié)果一個相對大的面積移動之后經(jīng)歷壓縮的膜比發(fā)生小面積移動時更易達到低的表面張力。
這些獨特的靜態(tài)和動態(tài)生物物理特性在以用做生化支架為具體目標將表面膜給予肺氣腫患者的可能應用方面有重要提示。以增加γmin和γmax的方式改變表面膜會增加回縮力,導致在更小氣泡大小引起新的平衡。然而,這些同樣的表面膜不會對ΔA/A較大的肺較正常的區(qū)域發(fā)生有害效應,因為較大的偏移會產(chǎn)生較低的表面張力并賦予機械穩(wěn)定性。所以滿足這些生物物理特征的表面膜有可能通過兩種不同的機制對肺量減小治療前或治療后的肺氣腫患者有益處。首先不依賴肺泡大小,表面膜可以通過產(chǎn)生高表面張力和大的表面膜壓力以及在肺膨脹過程比正常表面活性膜賦予肺泡隔更大的回縮力來提供對實質(zhì)纖維網(wǎng)絡的機械支持。這將減小網(wǎng)絡內(nèi)單個纖維的膠原及彈性組分上的張力并減小纖維斷裂的趨勢。第二,具有這些特性的表面膜對代表位于肺的損害最大的區(qū)域的肺泡比其它受影響小的區(qū)域優(yōu)選地賦予更大的靜態(tài)回縮力,更大的萎陷趨勢,更大的引起化學性“肺量減小”的趨勢。
實施例3如上所述,對于表面活性劑量功能障礙為主要異常的疾病而言,研究者和醫(yī)師目的在于提供具有正常表面活性劑特征的表面活性劑替代品。目標是通過施用具有這些生物物理特性的表面活性劑(通過我們的計算機模型限定的)降低表面張力,恢復肺泡穩(wěn)定性k1=6×105ml/g/min;k2=5ml/g;γ*=22.2達因/cm;γmin<0.5達因/cm;和B對D的斜率(規(guī)定為m2)=170達因/cm。此外如上所述,盡管這樣的組合物是一種有效的表面活性劑替代品,但它不是治療肺氣腫的有效治療制劑。
我們對大范圍的基于脂質(zhì)的治療替代品的生物物理特性進行了系統(tǒng)分析以評價哪一種脂質(zhì)化合物可能提供35-65的γ*值,同時提供類似于自然表面活性劑的k1、k2、γmin和m2值。
候選的脂質(zhì)樣本在標準含1.5mM CaCl2的鹽水中制備,利用微探針超聲降解儀在冰上超聲降解3×20分鐘,然后置入到震動的氣泡表面活性測量儀在如前(Ingenito et al.,J.Appl.Physiol.861702-1714,1999)所述的1、20和100循環(huán)/分鐘條件下確定表面張力對表面積的分布圖。樣本在1.0、0.1和0.01mg/ml的濃度下進行測量以完全表征生物物理特性。如先前Otis等人(J.Appl.Physiol.772681-2688,1994)所述使在每一個濃度和循環(huán)頻率測得的分布圖與計算機模擬相匹配以提供對k1、k2、m2,γ*及γmin值的評價。利用這種方法,我們鑒定了一種獨特的具有與上述膜的特殊設計的特征相匹配的生物物理特性的脂質(zhì)化合物,所述膜能夠保護尤其是受肺氣腫影響的區(qū)域的肺纖維網(wǎng)絡。
在一種構型中,脂質(zhì)混合物由70%的二-花生四烯酰-磷脂酰膽堿(PC),25%的磷脂酰甘油(PG),2.5%的棕櫚酸(PA)和2.5%的花生酸(AA)組成。dA/A為75%的典型表面張力-表面面積分布圖顯示于圖11中。
這種磷脂和脂肪酸的組合物是生物適和的、合成的并且是非免疫原性的。單獨試劑可以便宜地購買到并重新合成,并且易于通過噴霧器給藥或制備成干粉以通過turbohaler給藥。
我們已檢測的幾種其它組合物,盡管具有的特征可能不象剛剛描述的組合物所具有的那樣令人滿意,仍然可以用于肺氣腫的治療。這些組合物包括二花生四烯酰磷脂酰膽堿與磷脂酰甘油和棕櫚酸組合為65∶25∶10%的混合物;二花生四烯酰磷脂酰膽堿與磷脂酰甘油組合為70∶30%的混合物;二花生四烯酰磷脂酰膽堿與棕櫚酰磷脂酰膽堿組合在一起,這樣二者合計達總混合物的70%,剩余的30%由帶有或不帶有達10%的包括花生酸或棕櫚酸的脂肪酸的磷脂酰甘油及百分之幾的膽固醇組成。
實施例4已經(jīng)開發(fā)了多種具有人肺氣腫特有特征的小動物模型并應用于臨床研究。每一個都具有特有特征使其適于專門解決一種或多種與此病相關的問題。為了這種工作目的,需要一種顯示過度膨脹及缺乏彈性回縮壓力的生理特征的模型來檢驗施用本發(fā)明混合物可以增加彈性回縮壓力而不導致由于肺泡萎陷或分流傳播引起的明顯氣體交換異常的假說。
已經(jīng)設計了顯示這些基本生理特性的遺傳學改變的幾種小鼠并賦予其特征(Shapiro et al.,Am J Respir Cell Mol Biol.224-7,2000)。這些小鼠包括Tightskin小鼠(Tsk+/-)、Blotchy小鼠(Blo)、SP-D敲除小鼠、膠原酶轉(zhuǎn)基因小鼠、klotho轉(zhuǎn)基因小鼠、IL-11轉(zhuǎn)基因小鼠、和PDGF-A敲除小鼠。一些小鼠株系市售自Jackson實驗室(Bar Harbor,ME)。Tsk小鼠用于最初研究并且其生理學與野生型C57BL/6小鼠的進行比較。
小鼠飼養(yǎng)在一個無病毒的設備內(nèi)并在從供應者(6-8周齡)轉(zhuǎn)送過來1-3周后進行研究。12只Tsk(+/-)小鼠(重19.6±3.7g)和12只C57BL/6小鼠(重21.3±1.6g)(Jackson Laboratories)每種分成兩組。I組動物(對兩種動物而言n=6)用做對照組,并且進行了基線靜態(tài)和動態(tài)肺功能的測量,同樣僅給予生理鹽水后又重新進行了測量。II組動物(對兩種動物而言n=6)包含實驗組并同樣地進行基線靜態(tài)和動態(tài)肺功能的測量并在給予噴霧狀的超聲降解的脂質(zhì)測試混合物后重新測定。
用腹膜內(nèi)戊巴比妥(60mg/kg)對動物進行麻醉并放置氣管插管。做一劍突下小切口以暴露胸膜內(nèi)腔并考慮通過評價參考大氣壓的口壓來測定跨肺壓。啟動機械通氣之前,動物肺被膨脹一次至0.75ml以保證所有測量值對肺反映相似的容量記錄或壓力-容積狀態(tài)。利用計算機控制的容量循環(huán)的小動物呼吸器,給予0.3ml的潮氣量,150次呼吸/分鐘,F(xiàn)io2=0.21(室內(nèi)空氣)伴有3cm H2O的正呼氣末壓的設置的呼吸器支持。
利用最佳通氣波形方法Lutchen等人(J.Appl.Physiol.75478-488,1993)進行肺功能的動態(tài)測量。帶有多頻能量的受迫振動的容量波形用做輸入信號,跨肺壓作為從屬的輸出變量進行測量。選擇可提供有效潮氣量的強制頻率和幅度,同時使得肺阻抗的估計值超過一頻率范圍。低頻反應提供關于肺阻抗的組織組分的特有信息(Rti),高頻反應慮及精確的氣道阻力(Raw)的估計值,并且倒電容(EL)隨頻率改變的模式提供關于肺內(nèi)時間常數(shù)的異源信息。重復三次測量肺結(jié)構,肺阻力與動態(tài)倒電容表達為頻率函數(shù)。通過使阻抗數(shù)值適合描述肺粘彈性質(zhì)的Hantos(J.Appl.Physiol.73427-433,1992)等人的不變期模型來總結(jié)結(jié)果P(ω)/V(ω)=Raw+G/ωa-jH/ω1-a利用所述方法可能以三個參數(shù)總結(jié)動態(tài)肺生理學Raw,G(描述組織抵抗力),和H(描述組織倒電容)。
在暴露前(基線)和暴露后2、10、20、60分鐘的生理學測量重復3次記錄以評價每一種吸入療法對肺結(jié)構的作用。在Ptp=0至Ptp=25cm H2O條件下在基線、吸氣后10分鐘和吸氣后60分鐘記錄準-靜態(tài)充氣-放氣曲線。
每一實驗完成后,心臟和肺整體移去,并且切除心臟和多余的縱隔組織。氣管在Ptp為0條件下打結(jié),絕對肺容量通過在校準的10ml刻度量筒內(nèi)的容積排水量來測量。所述容量不是參考Ptp=0時單個動物的(因為動物與動物可能不同)肺容量,而是一個決對測量的肺容量,然后用于建立準-靜態(tài)壓力容積曲線。
然后使準-靜態(tài)壓力容積關系適合Salazaar and Knowles (J. Appl.Physiol.1997-104,1964)的指數(shù)關系,這樣的反應可以數(shù)量上以特有的生理參數(shù)進行特征性地表述。所用關系為V(P)=Vmax-Ae-kp其中,Vmax是在無窮大壓力下的肺容量,A=Vmax-Vmin,Vmin是0膨脹壓時的肺容量,k是描述適合壓力與容積分布圖的形狀因子,V是體積,以及P是跨肺壓。利用這種表達式,壓力-容積關系可以獨特地以Vmax,Vmin,和k進行描述。
由于吸入治療引起的每一組內(nèi)的生理學改變可利用對重復測量的ANOVA來評價其統(tǒng)計學意義。組間生理學改變通過兩種方式的ANOVA進行評價。規(guī)定p<0.05為統(tǒng)計學上顯著。
吸入生理鹽水前、后及表面膜吸入后的肺生理學測量結(jié)果總結(jié)在圖13至17中。對照組B6小鼠施用表面膜后氣道阻力增加可能是由于對小氣道產(chǎn)生的影響。在Tsk小鼠中,表面膜給藥對氣道生理學的影響最小。表面膜給藥對肺組織結(jié)構比對氣道生理學有更顯著的影響(如圖14和1 5S中所示)。表面膜給藥引起B(yǎng)6(5.75±0.71零時間點相對7.70±0.82cm H2O/ml 60分鐘時間點增加了34%,p<0.05經(jīng)配對t檢驗)和Tsk(4.51±0.66對比7.73±0.92cm H2O/ml,增加71%,p<0.05經(jīng)配對t檢驗)兩組小鼠組織阻力的持續(xù)的且有統(tǒng)計學意義的增加。表面膜給藥在兩株系小鼠內(nèi)引起動態(tài)倒電容值(圖15)的類似改變。在B6小鼠處理后倒電容值增加了55%(28.2±4.6相對43.5±7.8cm H2O/ml,p<0.05經(jīng)配對t檢驗),而Tsk小鼠增加了56%(21.0±5.2相對32.7±6.9cm H2O/ml,p<0.05經(jīng)配對t檢驗)。這些結(jié)果證明這種表面膜能夠產(chǎn)生期望有益于人類肺氣腫患者類型的持續(xù)動態(tài)生理學效應。
總結(jié)在圖16-17中的靜態(tài)肺生理學顯示類似的另人滿意的生理學作用。圖16描述了B6對照組和Tsk肺氣腫小鼠的基本肺結(jié)構。在Tsk小鼠體內(nèi),整個容積回縮壓都減小并且Tsk小鼠的殘氣容積在0Ptp時比B6小鼠的大。這些發(fā)現(xiàn)與肺氣腫生理學一致,并暗示觀察到的Tsk小鼠的病理改變事實上的確符合病態(tài)生理學。
吸入表面活性劑對靜態(tài)肺結(jié)構的影響總結(jié)在圖17中。吸入生理鹽水60分鐘后的QSPVCs與吸入表面膜60分鐘后的測量在兩種小鼠均做比較。施用治療組合物引起B(yǎng)6和Tsk兩種小鼠整個肺量回縮壓增加。在兩種小鼠中整個肺容量的回縮壓類似地增加(限定為容量相應比0Ptp時高出1.2mls)(B6小鼠為26.5%及Tsk小鼠為36%)。表面活性劑治療也減少了兩種小鼠的氣體收集量。在B6小鼠中,肺量在Ptp=0減小了18%,而在Tsk小鼠中減小了44%。
QSPVC數(shù)據(jù)與Salazaar和Knowles的指數(shù)數(shù)據(jù)相適應進一步了解了表面膜是如何影響靜態(tài)肺結(jié)構的。結(jié)果總結(jié)在下表2中。治療組合物引起確定壓力-容積間指數(shù)關系曲率的“形狀因子”(參數(shù)k)一致的縮小。這種減小意味著在B6和Tsk兩種小鼠中所述處理引起高肺量時比生理鹽水治療更大的回縮,但顯示低肺量時較小的影響(即體外表面張力表面積圖暗示的容量特異性回縮效應)。處理也引起氣體收集的一致減小。這通過Vmin的減小反映出來,在Tsk肺氣腫小鼠明顯比B6對照組小鼠減小的多。
已經(jīng)描述了本發(fā)明的許多實施方案。不過,可以理解的是在不離開本發(fā)明的精神和范圍的條件下可以進行多種改進。例如,并如上所述,此處所述的包含脂質(zhì)的組合物可以改變,并可以包含其它生物活性或非活性成分(例如蛋白、肽、聚乙二醇或其它合成的去污劑配方)只要組合物能夠以如下方式發(fā)揮功能使它們在膜擴展過程中增加最大表面張力并維持小于5達因/cm的最小表面張力。
權利要求
1.一種包含脂質(zhì)的藥用組合物,其中當所述組合物施用于增大的肺泡時在肺泡內(nèi)施加表面張力,當正常吸氣肺泡膨脹時所述表面張力基本上降低了肺泡內(nèi)纖維上的壓力。
2.權利要求1的組合物,其中的組合物顯示的表面張力-表面面積分布圖滿足表面張力在吸氣末大到足以基本上降低肺泡內(nèi)纖維上的壓力并在呼氣末小到足以基本上防止肺泡萎陷。
3.權利要求1的組合物,其中的組合物顯示出基本上類似于附圖6所示的表面張力-表面積分布圖的表面張力-表面積分布圖。
4.權利要求1的組合物,其中的組合物顯示出約30至約70達因/cm的γ*。
5.權利要求4的組合物,其中的組合物顯示出約35至約60達因/cm的γ*。
6.權利要求4的組合物,其中的組合物顯示出約45至約55達因/cm的γ*。
7.權利要求4的組合物,其中的組合物顯示出至少55達因/cm的γ*。
8.權利要求1的組合物,其中的組合物被制備成用于吸入給藥的制劑。
9.權利要求1的組合物,其中的組合物包含二-花生四烯酰-磷脂酰膽堿(DAPC)。
10.權利要求9的組合物,其中的組合物包含至少50%的DAPC。
11.權利要求9的組合物,進一步包含二-棕櫚酰-磷脂酰膽堿(DPPC)。
12.權利要求9或11的組合物,進一步包含磷脂酰甘油。
13.權利要求9或11的組合物,進一步包含花生酸。
14.權利要求9或11的組合物,進一步包含膽固醇。
15.權利要求1的組合物,其中的組合物包含50-80%的二-花生四烯酰-磷脂酰膽堿(DAPC)、10-30%的磷脂酰甘油、1-10%的棕櫚酸和1-10%的花生酸,條件是總脂質(zhì)成分不超過組合物的100%。
16.權利要求9或11的組合物,進一步包含天然表面活性蛋白B,天然表面活性蛋白A,天然表面活性蛋白C,重組體表面活性蛋白C,具有疏水特征的小α-螺旋肽,或肽-樣化合物。
17.權利要求9或11中的組合物,進一步包含抗炎劑、類固醇、支氣管擴張劑、抗膽堿能藥物化合物或可調(diào)節(jié)炎癥或氣道狀況的因子。
18.權利要求17中的組合物,其中的類固醇是氫化可的松、地塞米松、倍氯米松或者氟替卡松。
19.一種治療肺泡內(nèi)纖維受壓的肺氣腫或其它肺部疾病患者的方法,所述方法包括給患者施用權利要求15的組合物。
20.權利要求19的方法,其中的患者是人。
21.權利要求19的方法,其中的患者經(jīng)受了肺量減少的治療。權利要求1-18任一組合物在制備治療肺泡內(nèi)纖維受壓的肺部疾病的藥物中的應用。
22.權利要求1-18任一項的組合物在制備治療肺部疾病的藥物中的應用。
23.權利22的組合物的應用,其中的肺部疾病是肺氣腫。
24.權利要求22-23任一項的應用,其中的藥物被制備成治療人類受試者的制劑。
25.權利要求22-23任一項的應用,其中的藥物被制備成治療經(jīng)受了肺量減小手術的受試者的制劑。
26.權利要求1-18任一項的組合物在制備治療患有肺泡內(nèi)纖維受壓的肺部疾病的受試者的制劑中的應用。
27.權利要求1-18任一項的組合物在制備治療患有肺氣腫的受試者的制劑中的應用。
28.權利要求26-27任一項的應用,其中的受試者是人。
29.權利要求26-27任一項的應用,其中的受試者經(jīng)受了肺量減小手術治療。
全文摘要
本發(fā)明描述了通過降低肺內(nèi)纖維(例如肺泡壁的膠原和彈性蛋白)所必須承受的總壓力治療肺氣腫的組合物和方法。尤其是,在一個實施方案中,本發(fā)明描述了包含脂質(zhì)的藥用組合物,當其施用于增大的肺泡(例如,直徑顯著大于(例如5,10,20,50或者100%或更多)健康患者(即沒有可辨別肺部疾病的患者)的平均肺泡直徑的肺泡)時,在肺泡內(nèi)施加表面張力,所述表面張力顯著降低了正常吸氣膨脹時肺泡內(nèi)纖維上的應力。本發(fā)明的組合物能夠顯示約30到70達因/cm的γ
文檔編號A61K31/56GK1652795SQ03810671
公開日2005年8月10日 申請日期2003年3月11日 優(yōu)先權日2002年3月11日
發(fā)明者愛德華德·因杰尼托 申請人:埃里斯醫(yī)療公司