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新藥研發(fā)主要可以分為四個(gè)階段：（1）藥物發(fā)現(xiàn)（Drug Discovery）；（2）臨床前研究（Pre-clinic
studies）；（3）臨床研究（Clinical studies）；（4）新藥申請（New
drug application，NDA）。在臨床前研究階段，涉及到藥代動(dòng)力學(xué)、毒理學(xué)等研究。這些研究的實(shí)驗(yàn)對象都是動(dòng)物，如大鼠、小鼠、兔子、猴等，所以需要簡單的制劑（非臨床制劑）用于動(dòng)物給藥。早期的藥物分子，分子量較低且溶解度可以接受，可能簡單的配方就能夠滿足研究的需要。而如今的藥物分子大多溶解性比較差，所以傳統(tǒng)的制劑配方已經(jīng)不再適用。因此，大部分化合物需要進(jìn)行臨床前制劑（pre-clinical formulation，PCF）開發(fā)，以滿足臨床前研究的需要。臨床前早期制劑的主要用途：藥理學(xué)研究（Pharmacology study），藥代動(dòng)力學(xué)（Pharmacokinetics
study）和一般性毒理研究（General toxicology study）。藥理學(xué)是研究藥物與機(jī)體相互作用及其規(guī)律的科學(xué)，是藥學(xué)與醫(yī)學(xué)、基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)與臨床醫(yī)學(xué)之間的橋梁科學(xué)。主要內(nèi)容包括藥物效應(yīng)動(dòng)力學(xué)（Pharmacodynamics，PD）和藥物代謝動(dòng)力學(xué)（Pharmacokinetics，PK）。其中PK研究的是機(jī)體對藥物的作用，包括藥物在體內(nèi)的吸收、分布、生物轉(zhuǎn)化和排泄過程（absorption，distribution，metabolism，excretion，ADME）以及藥物效應(yīng)與血藥濃度隨時(shí)間消長的規(guī)律。而PD則研究的是藥物對機(jī)體的作用及作用機(jī)制。一般性毒理研究的是化學(xué)物質(zhì)在一定的劑量范圍內(nèi)經(jīng)不同染毒期限時(shí)間產(chǎn)生的毒效應(yīng)。一般性毒理研究包括急性毒性研究，長期毒性研究等。不同的研究目的，使用的動(dòng)物種類，給藥途徑，給藥頻率和周期等都會(huì)對臨床前早期制劑的開發(fā)策略有影響。臨床前早期制劑的主要目的：（1）提高難溶性化合物溶解度和暴露量；（2）降低Cmax或者延長暴露以提高治療指數(shù)（therapeutic index）；（3）通過局部給藥或者靶向在作用部位提高暴露量。最終的目標(biāo)就是將暴露量在測試物種上最大化以確定化合物的安全風(fēng)險(xiǎn)。臨床前毒理研究理想的目標(biāo)血藥濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出有效血藥濃度范圍，通常100倍甚至更多。尤其對于嚙齒類動(dòng)物（通常為小鼠和大鼠），經(jīng)常采用非常高的劑量去確立未觀察到損害作用劑量(no observed adverse effect level，NOAEL)。為了達(dá)到臨床前研究所需的極高的血藥濃度，研究人員必須想辦法提高藥物的溶解度并讓其給藥之后不析出已達(dá)到暴露量在較寬的劑量范圍內(nèi)成比例的增長。但是由于藥物有限的溶解度，在達(dá)到一定暴露量后就不再成比例增長，如下圖紅色虛線。當(dāng)然，溶解度只是藥物吸收的影響因素之一，其他因素如P-gp抑制，滲透性也是在PCF開發(fā)時(shí)需要考慮的。 
1. 動(dòng)物種屬 臨床前研究的動(dòng)物主要包括大鼠、小鼠、犬、猴子、兔子、豬等。其中最常用的是大小鼠、犬和猴子。動(dòng)物根據(jù)體型，可以分為小動(dòng)物和大動(dòng)物。小動(dòng)物有大鼠和小鼠，它們的體型小，繁殖快，大量用于篩選。而且易建模，可用于有效性研究。大動(dòng)物有犬、猴子、兔子（較小體型）、豬等，基于臨床前數(shù)據(jù)的需要及預(yù)測人體PK 的目的，臨床前研究要求至少使用一種大動(dòng)物。臨床前研究用的最多的動(dòng)物為大鼠、犬和猴子，其中大鼠是用的最多的。大鼠（rat）在18世紀(jì)中葉就開始被用于實(shí)驗(yàn)。作為一種實(shí)驗(yàn)動(dòng)物，大鼠具有以下優(yōu)點(diǎn)：體形大小適中，繁殖快，產(chǎn)仔多，易飼養(yǎng)，給藥方便，采樣量合適且容易，畸胎發(fā)生率低，行為多樣化，在實(shí)驗(yàn)研究中應(yīng)用廣泛。大鼠在生理特征、形態(tài)和基因等方面上與小鼠相比更接近于人類，是生物醫(yī)學(xué)研究的理想實(shí)驗(yàn)對象。大鼠的基本特性如下所示：Lifespan（生命周期） 2.5-3.5 years Adult weight （成年體重）M 300-500g, F
250-300g Birth weight （出生體重）5-6g Heart rate （心率）330-480 beats/minute Respiratory rate （呼吸頻率）85 breaths/minute Body temp. （體溫）35.9-37.5oC Route （給藥途徑）oral, IP, IM, 和IV 實(shí)驗(yàn)用大鼠于18世紀(jì)初開始人工飼養(yǎng)，19世紀(jì)美國費(fèi)城維斯塔爾（Wistar）研究所在開發(fā)大鼠作為實(shí)驗(yàn)動(dòng)物方面作出了突出貢獻(xiàn)，目前世界上使用的許多大鼠品系均起源于此。實(shí)驗(yàn)室常用的大鼠是Sprague-Dawley（SD）大鼠和Wistar大鼠兩種品系（這兩種大鼠品系是遠(yuǎn)交系），兩種大鼠的特點(diǎn)如下： | | 特征 | Wistar大鼠 | 白色 | 1）1920年由美國費(fèi)城Wistar研究所培育而成，我國從日本和原蘇聯(lián)引進(jìn)，是引進(jìn)最早、使用最廣泛、數(shù)量最多的大鼠品系之一。2）該品系頭部較寬，耳朵較長，尾長短于身長，性情溫順，繁殖力強(qiáng)，抗病力強(qiáng)，適應(yīng)性強(qiáng)，腫瘤自發(fā)率低，廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥學(xué)、生物學(xué)、毒理學(xué)和營養(yǎng)學(xué)研究。 | SD大鼠 | 白色 | 1）1925年由美國Sprague Dawley農(nóng)場用于Wistar大鼠育成。2）體型較大，頭部狹長，尾長幾乎等于身長，產(chǎn)仔多，生長發(fā)育較Wistar快，性情比Wistar大鼠稍兇猛，而且適應(yīng)性和抗病能力比Wistar大鼠更強(qiáng)，尤其對呼吸系統(tǒng)疾病的抵抗力強(qiáng)，對性激素感受性高，自發(fā)腫瘤發(fā)生率低。3）常用作營養(yǎng)學(xué)、內(nèi)分泌學(xué)和毒理學(xué)研究。 |
小鼠（mouse）亦稱小白鼠，屬于脊椎動(dòng)物門，哺乳綱、嚙齒目、鼠科動(dòng)物。小鼠具有體型小，性周期短，繁殖量大，飼養(yǎng)管理方便，易于控制等特點(diǎn)，被廣大科學(xué)工作者選擇應(yīng)用于科學(xué)實(shí)驗(yàn)。早在17世紀(jì)，小鼠就已做為實(shí)驗(yàn)動(dòng)物使用，小鼠是目前應(yīng)用范圍最廣，研究最詳盡的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物，并已成功地培養(yǎng)出很多近交系、突變系。小鼠在PK實(shí)驗(yàn)中使用較多，但是較少用于毒理實(shí)驗(yàn)。小鼠的基本特性如下：Lifespan（生命周期） 1-3
years Adult weight（成年體重） M 20-30 g, F 18-35g Birth weight（出生體重） 1-2 g Heart rate（心率） 310-840
beats/minute Respiratory rate（呼吸頻率） 80-230
breaths/minute Body temp. （體溫）36.5-38°C Route （給藥途徑）oral, IP, IM, 和 IV 除了大小鼠，犬（dog）也是一種非常常用的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物，其中比格犬（beagle）是最主要的實(shí)驗(yàn)用犬。成年比格犬體重多在7-10kg，性格溫順，嗅覺、聽覺靈敏，易于馴養(yǎng)，對環(huán)境的適應(yīng)性較強(qiáng)。比格犬體型小，利于實(shí)驗(yàn)操作，飼養(yǎng)起來也比較方便；遺傳性能穩(wěn)定且優(yōu)良，一般沒有遺傳性神經(jīng)性疾病，在研究工作中能夠得到可重復(fù)的穩(wěn)定結(jié)果。而且比格犬抵抗力在犬中比較出色，是不易生病的犬種。除了遺傳上，它們器官功能也一致，體溫穩(wěn)定，在實(shí)驗(yàn)中反應(yīng)一致性好，尤其在實(shí)驗(yàn)中對環(huán)境的適應(yīng)力、抗病力都比較強(qiáng)。比格犬是小型犬，因此性成熟期也相對較早，只需要8~12個(gè)月，而且產(chǎn)仔數(shù)多。比格犬塊頭小，所以基本沒有什么攻擊性，這就給實(shí)驗(yàn)室里的管理和馴養(yǎng)帶來了方便。比格犬性格活潑，經(jīng)歷幾次試驗(yàn)之后，仍能夠保持樂觀開朗。由于上面這些原因比格犬被國際醫(yī)學(xué)和生物學(xué)界公認(rèn)為最理想的實(shí)驗(yàn)用犬。實(shí)驗(yàn)犬的給藥方式一般可分為皮下注射、肌肉注射、靜脈注射、經(jīng)口給藥（灌胃）等。
除了上述幾種動(dòng)物，猴（monkey）也是臨床前應(yīng)用較多的動(dòng)物。與鼠、兔子等嚙齒類動(dòng)物相比，實(shí)驗(yàn)猴和人類有著更高的身體結(jié)構(gòu)相似度和基因相似度，幾乎所有人類會(huì)感染的疾病和病毒，實(shí)驗(yàn)猴都可以被感染，這使得應(yīng)用實(shí)驗(yàn)猴進(jìn)行的臨床前試驗(yàn)更精準(zhǔn)。實(shí)驗(yàn)用猴主要包括食蟹猴和恒河猴。20世紀(jì)60年代，當(dāng)時(shí)人類藥物的臨床前試驗(yàn)僅在大鼠身上進(jìn)行，一款治療孕婦孕吐的藥物沙利度胺在經(jīng)過大鼠試驗(yàn)后被獲批上市，然而它卻造成了悲慘的結(jié)局：全球30多個(gè)國家的1萬余名新生兒因沙利度胺的副作用而成為四肢異常短小或缺失的“海豹兒”。這一切全因大鼠與人類基因差異過大。為了避免悲劇的再次發(fā)生，各國政府紛紛提高了藥物臨床試驗(yàn)準(zhǔn)入標(biāo)準(zhǔn)。如FDA要求一款藥物或疫苗在嚙齒動(dòng)物（如大鼠或小鼠）和非嚙齒動(dòng)物（如狗和猴子）身上都進(jìn)行過測試后，方能進(jìn)入臨床試驗(yàn)階段；我國也明確規(guī)定所有新藥的研發(fā)必須得到在非人靈長類身上獲得的可靠結(jié)論后，才能進(jìn)入臨床研究。
藥物在不同動(dòng)物種屬中的藥代動(dòng)力學(xué)是不同的，尤其是口服給藥。下表所示的是不同動(dòng)物種屬的胃腸生理差異。其中最主要的差異就是pH，尤其是犬，在禁食和進(jìn)食狀態(tài)下胃液的pH差別非常大。多數(shù)的化合物是可以電離的，溶解度會(huì)隨著pH的改變而改變。例如，一個(gè)鈉鹽，可能在溶媒中具有很高的溶解度。但是在口服后達(dá)到胃液，pH較低，鈉鹽可能會(huì)發(fā)生解離而形成游離態(tài)。游離態(tài)的溶解度非常低，此時(shí)就會(huì)析出大量固體而影響藥物的吸收。人類的pH是比較低的，通常在沉淀實(shí)驗(yàn)中使用的是模擬人類胃液，這樣可能會(huì)動(dòng)物體內(nèi)的結(jié)果產(chǎn)生誤判。同樣是鈉鹽，如果pH降低到1.2，會(huì)發(fā)生沉淀；如果pH降低到4或者更高，就不一定會(huì)發(fā)生沉淀。
2. 給藥途徑 不同的給藥方式（route
of administration），PCF開發(fā)思路是不一樣的（如制劑的種類，溶媒的使用限度等），需要根據(jù)給藥方式設(shè)計(jì)PCF。例如在臨床前試驗(yàn)中小分子的給藥方式包括混懸液和溶液（油相和水相）。對于口服給藥，兩者都可以使用。而對于靜脈注射則一般不能使用混懸液，只能用溶液。常見的給藥方式可以分為以下幾類。 
（1）胃腸道給藥：包括口服、舌下給藥和直腸給藥。 口服給藥：最常用，也是最安全、最方便、最經(jīng)濟(jì)的給藥方法。常見的劑型有片劑，膠囊劑，顆粒劑等。對于臨床前研究，通常是溶液或者混懸液給藥。但某些藥物因本身的理化性質(zhì)而吸收較差、對胃黏膜有刺激作用或因消化酶和胃酸等而被破壞，最終導(dǎo)致進(jìn)入體內(nèi)的藥量減少，療效降低，因此不能采用口服給藥的方式；此外，食物對藥物的吸收也有影響，需要在研究時(shí)加以考慮。口服是常見的消化道給藥途徑，對于實(shí)驗(yàn)動(dòng)物來說，常用的口服給藥方式包括直接口服 (將藥物混入水或飼料中，動(dòng)物自己覓食)和被動(dòng)口服給藥(灌胃)。
口服給藥是將藥物混于飼料或溶于飲用水中，讓動(dòng)物自由攝取。此方法優(yōu)點(diǎn)是操作簡單方便，缺點(diǎn)是藥物劑量不能保證準(zhǔn)確:因動(dòng)物個(gè)體差異，采食量有差異，藥量難以精準(zhǔn)控制，不能客觀反應(yīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，故此法應(yīng)用較少。灌胃給藥是指借助器械(灌胃針)將藥物溶液或混懸液直接灌入動(dòng)物胃內(nèi)。此法操作簡便，可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)給藥，靈活控制給藥劑量，也能很好的模擬臨床中藥物經(jīng)口服后的一些列體內(nèi)作用，因此成為動(dòng)物給藥眾多方法中被大家廣泛認(rèn)可的技術(shù)之一，作為一個(gè)科研工作者必須熟練掌握。舌下給藥：盡管口腔黏膜可用于吸收的表面積不大，但對某些藥物來說，經(jīng)口腔黏膜吸收有特殊意義。例如硝酸甘油在舌下吸收十分迅速，可迅速產(chǎn)生治療效果。
直腸給藥：在患者嘔吐或意識(shí)消失情況下，經(jīng)常通過直腸給藥。經(jīng)直腸吸收的藥物，約有50%不經(jīng)過肝臟，可避免肝臟的首過效應(yīng)。直腸給藥也常用于嬰幼兒給藥。但直腸吸收往往不規(guī)則、不完全，因此應(yīng)用較少。
（2）注射給藥：包括靜脈注射、肌內(nèi)注射和皮下注射等。 靜脈注射：把藥液直接注入靜脈血流中，可迅速準(zhǔn)確獲得期望的血藥濃度，因而作用迅速。這是其它給藥方法所不能達(dá)到的。但由于高濃度的藥物迅速到達(dá)血漿和組織，增加了發(fā)生不良反應(yīng)的可能性。因此，靜脈注射溶媒使用的限度也比較低。肌內(nèi)注射：藥物水溶液通過肌內(nèi)注射吸收十分迅速，適用于油溶液和某些刺激性物質(zhì)。
皮下注射：僅適用于對組織無刺激性的藥物，否則可引起劇烈疼痛和組織壞死。皮下注射的吸收速率通常均勻而緩慢，因而作用持久。
（3）呼吸道給藥：氣體或揮發(fā)性藥物吸入后，由肺上皮和呼吸道黏膜吸收。由于表面積大，藥物可經(jīng)這一途徑迅速進(jìn)入血液循環(huán)。此外，藥物的溶液可以經(jīng)霧化以氣霧劑形式吸入。對肺部疾病可使藥物直接作用于病變部位。主要缺點(diǎn)是藥物劑量不好控制，用法較麻煩。
（4）經(jīng)皮給藥：很少有藥物能迅速穿過完整的皮膚，但藥物可經(jīng)皮膚吸收，一般藥效與其覆蓋的表面積和藥物的脂溶性成正比。雖然表皮有脂質(zhì)屏障作用，但很多溶質(zhì)能自由通過真皮，因此藥物通過磨損、創(chuàng)傷或剝脫處皮膚產(chǎn)生的吸收作用要快得多。
一般而言，最經(jīng)濟(jì)、最常用的是口服給藥。應(yīng)遵守的給藥原則是：能口服者不肌內(nèi)注射，能肌內(nèi)注射者不靜脈注射，慎用靜脈滴注法（特別是中藥注射劑），對急性感染宜選序貫療法。在臨床前研究階段，給藥方式以口服和靜脈注射為主。下表所示的是給藥方式縮寫和全稱，其中比較常用的是PO（Oral，口服）和IV（Intravenous，靜脈注射）。Abbr | Long Name and Definition | IM | Intramuscular; administration within a
muscle. | IP | Intraperitoneal; administration within
the peritoneal cavity. | IV | Intravenous; administration within or into a vein or veins. | PO | Oral; administration to or by way of the mouth. | SC | Subcutaneous; administration beneath the skin; hypodermic.
Synonymous with the term SUBDERMAL. |
3. 給藥體積 試驗(yàn)物種胃容量的差異導(dǎo)致每次口服劑量的最大容量有物種限制。過量的劑量體積可引起疼痛、興奮、生理參數(shù)改變（如血清電解質(zhì)失衡，血壓升高，呼吸速率加快）和導(dǎo)致不正常的受試物吸收。下表列舉了不同物種不同給藥途徑的給藥體積指導(dǎo)原則。其中，口服給藥，大小鼠均為10 mL/kg，而犬和猴子為5
mL/kg。總體而言，動(dòng)物的體型越大，其耐受能力越弱，包括給藥體積和輔料的限度。在制劑開發(fā)時(shí)，需要在處濃度和給藥體積之間找到一個(gè)平衡。比如輔料的含量比較大，此時(shí)可以考慮降低給藥體積，維持相同的劑量。通常給藥劑量的單位為mpk，即mg/kg。也就是說給藥的量是根據(jù)動(dòng)物的體重來的。不同重量的動(dòng)物，單位重量的給藥量是相同的。例如劑量為100 mpk，大鼠給藥體積體積為10 mL/kg，則需要制劑的濃度為10 mg/mL。
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