第二节 外用眼药穿透力和渗透压
外用眼药的穿透力和渗透压，是局部用药后影响药物在角膜组织吸收和分布的主要因素。
一、外用眼药的跨膜转运
在实际治疗中，少数药物在给药后可直接到达作用部位发挥药效（例如直接应用于炎症皮肤或黏膜的抗炎药、直接作用于血管对血压产生影响的药物以及静脉给药等），而大部分药物要发挥药效，必须通过一些过程，包括药物的吸收、分布以及药物从机体内的消除，最后药物作用消失。这些过程都是由下面一些药物转运机制完成的。
1.水化扩散（aqueous diffusion）
药物通过水溶性通道，穿过上皮细胞膜和血管内皮细胞膜，进入血液循环。这种水化扩散方式可允许分子量为2万～3万的药物通过，通常是由药物分子的浓度梯度差驱动。那些与血浆蛋白（如白蛋白）结合的药物分子，则不能通过这些水溶性通道。如果药物是带电荷的，那么药物的扩散速度和量将受到电场的影响。
2.脂化扩散（lipid diffusion）
非极性分子和未解离分子型药物具有脂溶性，以简单扩散的方式通过类脂性生物膜，称脂化扩散。由于脂质屏障将机体分离为脂溶性和水溶性，因此一个药物的油、水分配系数决定着药物分子在水溶性介质和脂溶性介质之间运动的难易。对于弱酸或者弱碱性药物而言，两种介质间的相互转运取决于介质的pH值。
3.特殊转运（special carriers）
一些分子量太大或者脂溶性太差的物质，如肽类、氨基酸、葡萄糖等，不能通过生物膜，需要一些特殊的载体协助，通过主动转运或者易化扩散方式进行跨膜转运，与被动转运不同，特殊转运具有饱和性和竞争性抑制特点。
4.胞饮和胞裂外排（endocytosis and exocytosis）
一些大分子物质仅能通过胞饮作用进入细胞内，在这个过程中细胞的原生质伸出伪足，将细菌之类的固体物质包裹住，在细胞体内形成吞噬小体，与溶菌酶融合，破坏并消化细菌的胞膜。另外一些物质则与细胞膜形成小体，并在胞体内将这些物质释放入细胞质，铁离子和维生素B12主要是通过这种方式转运。这个过程的逆过程是胞裂外排，负责将细胞内物质分泌转运出细胞外。许多神经递质贮存在神经末梢与胞膜相连的小体中，当神经冲动到达的时候，这些小体将内容物释放入细胞间隙。
二、影响药物跨膜转运的因素
1.药物本身的结构和性质
影响药物跨膜转运的药物因素包括药物分子的大小和本身的pKa值（即药物离子型浓度和分子型浓度相等时的pH值）。由于细胞膜的结构由脂质双层和亲水的糖脂类和糖蛋白组成，因此药物分子必须具备适当的亲脂性和亲水性，才容易通过细胞膜。游离型（分子型）药物脂溶性高，容易溶解在脂质中。解离型（离子型）药物极性强、水溶性高，容易溶解在水中。通过引入和去除化学基团而对药物的结构进行修饰，使药物具备适当的油水分配系数，可改进药物的吸收和组织分布。
另一方面，高脂溶性药物容易与血浆蛋白结合，形成大分子复合物，使得药物更难穿透细胞膜。因此适当的药物pKa值对药物的跨膜转运是非常重要的。
2.环境的pH值
弱酸、弱碱性药物的电离：药物以分子形式存在的时候，极性弱，脂溶性强，容易溶解在脂类物质中。当药物分子发生电离后，极性增加，脂溶性差，而容易溶解在水中。
对许多药物而言，一个弱酸被定义为一个能释放出质子的物质，而弱碱被定义为能够接受质子的物质。弱酸的质子化形式是具有更强的脂溶性，相反，弱碱的质子化形式具有较弱的脂溶性。一个药物在体内保持一种化学平衡状态，以分子形式或者离子形式存在的比例是由药物本身的性质（pKa）和环境的pH值决定。符合 Henderson-Hasselbalch公式：
Log［离子形式］/［分子形式］= pKa-pH
弱酸性药物在酸性环境中，主要以分子形式存在，脂溶性高，容易穿透生物膜。相反，弱碱性药物在酸性环境中，主要以离子形式存在，脂溶性降低，难以穿透生物膜。
三、外用眼药对角膜的穿透力
眼科外用制剂用药后，药物必须与泪液混合后才能被吸收，药物在眼内的吸收分为角膜吸收和非角膜吸收两种过程。药物穿透眼角膜吸收是由角膜组织的结构和药物的性质决定的。
1.角膜的组织结构和性质
角膜组织分为三层，上皮、基质和内皮层，上皮和内皮层具有丰富的脂质，基质层具有丰富的水溶性成分。所以非极性药物、脂溶性物质容易在上皮层和内皮层转运，而难以通过基质层；相反极性药物、水溶性物质容易在基质层转运，而难以通过上皮层和内皮层。
2.角膜组织的完整性
（1）角膜损伤：
除去角膜上皮细胞后，角膜失去其完整结构。大多数药物的角膜通透性和转运速率增加，特别是极性强、水溶性高的药物。局部麻醉（简称局麻）药布比卡因（butacaine）和普鲁卡因（procaine）都是高极性药物，在角膜擦伤后药物的通透量增加。丁卡因（tetracaine）分子结构中有一个极性基团和一个非极性基团，具有适中的油水分配系数，因此受影响较小。
大多数抗生素及其盐类都是水溶性大分子物质，角膜损伤时药物的通透性增加。这些抗生素有杆菌肽、氯霉素、多西环素、红霉素、庆大霉素、四环素、青霉素、多黏菌素和链霉素等。
糖皮质激素类抗炎药由于水溶性低，角膜上皮层对它们的屏障作用远不如对抗生素那么重要，除去上皮层仅轻度增加（有些不增加）其通透性。
（2）角膜病变：
在各种动物实验性角膜病变造成角膜病理变化时，如角膜炎症、角膜溃疡、感染和碱烧伤，均可增加药物的通透性。其中有些情况可能是上皮屏障完全破坏之故。
（3）药物的结构和性质因素：
小分子的水溶性物质和离子主要通过角膜上皮细胞间隙进入眼内，能够通过的分子直径为10～25nm大于此直径的药物对角膜的通透性受化学结构、理化性质、药物浓度以及溶媒特性（pH值、渗透压与各种赋形剂）等因素的影响，而药物溶解度性质则起重要作用。非极性、脂溶性物质易于通过角膜。而对于大分子水溶性物质，完整的角膜几乎是一种不渗透的屏障。
脂溶性物质易于透过角膜上皮，但滴入结膜囊的药物，在其到达角膜之前，必须先克服一层水性泪膜，而完全脂溶性药物是难以通过泪膜的。因此对完整的角膜来说，具有理想通透性的药物应具有双相溶解性，既溶于水又溶于油，即有一个合适的油水分配系数（油和水中的溶解度之比）。角膜表面泪液的生理pH值为7.2～7.4，这些生物碱有35%～50%为分子形式，与离子形式保存着动态化学平衡。未解离型分子迅速透过角膜上皮，为保持动态平衡，解离型药物不断转化为未解离型药物，使药物的未解离型与解离型始终保持一定的比例。未解离的药物在穿透角膜后，在基质层细胞的生理pH值情况下，又转化为解离型药物，通过内皮细胞的转运到达内皮细胞，此时再一次转变为未解离型游离碱。最后透过内皮细胞进入房水，如此循环，药物不断被吸收进入眼组织中。但是皮质激素的醇型结构与酯化物结构无法用其溶解性来判断它们的通透性，如于正常兔眼局部应用氢化可的松（分配系数1.3，水中溶解度30mg/ml）后，15分钟最大房水浓度为5.25mg/ml；在同样条件下，应用醋酸氢化可的松（分配系数13，水中溶解度为前者的1/10），获得的最大房水浓度为1.4μg/ml。通过对药物化学结构进行修饰制成具有良好角膜穿透性的前体药物。前体药物透过角膜，进入角膜组织和其他眼组织，在一些酶的作用下，重新转化为原型药物而发挥作用，从而改变药物的角膜通透性和作用强度。
3.眼科外用制剂的组方
一种药物的角膜穿透能力是相对恒定的，但如果组成一个合理的制剂处方，便可提高药物的生物利用度，即增加药物的角膜通透性。下列几种因素应加以考虑：
（1）pH值：
可解离的弱酸、弱碱药物，其角膜通透性取决于药物分子型与离子型的比例。虽然眼泪本身有一定的缓冲作用，但眼科外用制剂的pH值对这一比例的影响仍然很大。
由生物碱组成的眼用制剂，在pH值越低的时候，其离子型越多，药物制剂虽然稳定，但角膜通透性下降。当pH值增加的时候，药物在碱性环境中分子形式增加，药物易于穿透角膜，但药物制剂的稳定性下降，眼科外用制剂pH值的调整受两方面因素的限制：一是改变制剂的pH值，眼球能否适应这一变化；二是药物制剂的pH值发生改变对制剂中主药稳定性的影响。对药物在眼角膜的穿透性来讲，泪液pH值是影响的主要因素。
（2）浓度：
药物在角膜的穿透，基本上是一种简单扩散过程。在一定范围内，增加药物的浓度可以增加药物的角膜转运量，但药物的生物利用度却并不增加。
（3）药物制剂中的附加剂
1）表面活性剂：
滴眼剂中表面活性剂的作用一方面是增加药物在水中的溶解，另一方面可以改变皮肤或黏膜的通透性以增加药物吸收。表面活性剂由亲水和亲油基团组成。亲油基团插入角膜上皮细胞并与之结合，亲水基团插入水中和水分子结合，降低角膜的表面张力而增加药物的通透性。表面活性剂有三种类型：阳离子表面活性剂、阴离子表面活性剂和非离子表面活性剂。阳离子和阴离子表面活性剂具有较大的毒性和刺激性，因此，只有非离子表面活性剂适用于滴眼剂。
2）黏性基质：
黏性基质可增加滴眼剂的黏度，延长药物在眼内的滞留时间，增加角膜对药物的吸收。常用的黏附剂有：甲基纤维素（MC）、羟丙基甲基纤维素（HPMC）、聚乙烯醇（PVA）、聚维酮（PVP）和聚丙烯酰酯（PPA）。
四、外用眼药的渗透压
生物膜（如人体的细胞膜或毛细血管壁）一般具有半透膜的性质，溶剂通过半透膜由低浓度溶液向高浓度溶液扩散的现象称为渗透，阻止渗透所需施加的额外压力即是渗透压。眼球能适应的渗透压范围相当于浓度为0.6%～1.5%的氯化钠溶液，超过2%时有明显的不适感。
1.渗透压的调节
在临床用药实践中，溶液的等渗、低渗或高渗是以血浆总渗透压为标准。即溶液的渗透压与血浆总渗透压相等的溶液为等渗溶液，否则为低渗溶液或高渗溶液。在制作滴眼剂等药物制剂时必须考虑渗透压，特别是避免低渗溶液，以防溶血现象的发生。眼用制剂渗透压的高低对眼组织的影响很大，临床应用也有不同，通常利用等渗调节剂或渗透促进剂来调节。
（1）等渗调节剂：
一般高渗的滴眼液可使外眼组织失去水分，使组织干燥而产生不适感，但临床上也用高渗滴眼液消除角膜水肿；低渗的滴眼液能使外眼组织细胞胀大，而产生刺激感。因此滴眼液应配制成等渗溶液。眼用溶液最常用的等渗调节剂为氯化钠、硼酸、葡萄糖、硼砂、氯化钾、甘油等。
（2）渗透促进剂：
眼部给药量有限，且药物停留时间短，易流失，因而眼部用药生物利用度较低。为了提高生物利用度，常常需要使用渗透促进剂。眼渗透促进剂对刺激性要求较高。浓度为0.5%或更低浓度的聚乙烯醚非离子表面活性剂及烷基多糖能促进肽类药物的眼部吸收，且没有刺激性。烷基糖苷中，具有12～14碳链的麦芽糖衍生物作用最强。
渗透促进剂种类不同，增加药物眼内透过性的作用部位也有区别。例如乙二胺四乙酸（EDTA）、牛磺胆酸、癸酸以及皂苷都能够显著增大β受体拮抗药的角膜透过性，对结膜渗透也有一定促进作用。但角膜和结膜对吸收促进剂的反应不同，癸酸和皂苷对角膜的作用明显，而对结膜作用较弱；牛磺胆酸则对结膜作用比角膜强。
2.渗透压调节的测定方法
渗透压摩尔浓度（mOsmol/kg） =［每千克溶剂中溶解的溶质克数/分子量］×n×1 000
公式中，n为一个溶质分子溶解时形成的粒子数，在理想溶液中，例如葡萄糖n=1，氯化钠或硫酸镁n=2，氯化钙n=3，枸櫞酸钠n=4。
临床应用中常用体积表示溶剂的单位，故渗透压摩尔浓度也可表示为：
渗透压摩尔浓度（mOsmol/L） =［每升溶剂中溶解溶质的克数/分子量］×n×1 000
（1）冰点降低法：
纯液体的冰点为固液两相在一个大气压下达到平衡时的温度。溶液的冰点为在一个大气压下纯溶剂的固相与溶液的液相达平衡时的温度。溶剂中加入溶质后，冰点的下降值与溶质的浓度成比例。血浆的冰点为-0.52℃，因此任何溶液，只要其冰点降低为-0.52℃，即与血浆等渗。
（2）氯化钠等渗当量法：
药物的氯化钠等渗当量即与1g药物呈等渗效应的氯化钠的量。例如盐酸吗啡的氯化钠等渗当量为0.15，即1g的盐酸吗啡溶于溶液中，能产生与0.15g氯化钠相同的渗透压。
3.等渗溶液与等张溶液
等渗溶液（iso-osmotic solution）是指渗透压与血浆渗透压相等的溶液，渗透压是溶液的依数性之一，可用人造的理想半透膜以物理化学试验方法求得，因而等渗是一个物理化学概念。然而，根据这个概念计算出某些药物如盐酸普鲁卡因、尿素、甘油等的等渗浓度，配制成等渗溶液，结果却发生不同程度的溶血，因而提出等张溶液的概念。等张溶液（isotonic solution）是指与红细胞张力相等的溶液，在等张溶液中既不发生红细胞体积改变，也不发生溶血，所以等张是一个生物学摡念。
红细胞膜对于许多药物的水溶液来说可视为理想的半透膜，即它只能让溶剂分子出入，而不让溶质分子通过。因此，许多药物的等渗浓度与等张浓度相同或相近，如0.9%的氯化钠溶液，既是等渗溶液又是等张溶液。
但血红细胞的细胞膜不是对所有的药物都具有半透膜的性质，对盐酸普鲁卡因、甘油、尿素等药物而言，红细胞膜就不是理想的半透膜。这些溶质能自由地通过细胞膜，促使细胞膜外水分也进入细胞，使红细胞胀大，甚至破裂而引起溶血。但对眼细胞膜而言，硼酸具有半透膜性质，如1.9%的硼酸溶液，对眼来说既是等张溶液又是等渗溶液，但对血液却不是等张溶液，会引起溶血，这是因为硼酸可以自由通过红细胞扩散。这些药物一般加入适量氯化钠或葡萄糖，将药物浓度调节至等张浓度，即可避免溶血。例如2.6%的甘油溶液与0.9%的氯化钠溶液具有相同的渗透压，但是2.6%的甘油100%发生溶血，所以是等渗不等张的溶液。如果制成含10%甘油和0.9%氯化钠的复方甘油注射液，试验表明不产生溶血现象，红细胞也不胀大变形。因此，等渗和等张溶液的概念不同，等渗溶液不一定是等张溶液，等张溶液亦不一定是等渗溶液。
药物的等张浓度，可用溶血法测定。将人的红细胞放入各种不同浓度的氯化钠溶液中（0.36%～0.45%），则出现不同程度的溶血。同样，将人的红细胞放入某种药物不同浓度的溶液中，也将出现不同种度的溶血。将两种溶液的溶血情況比较，溶血情况相同者认为它们的渗透压也相同。
在新产品试制中，即使所配溶液为等渗溶液，为了用药安全，亦应进行溶血试验，必要时加入等张调节剂，以防止溶血。故明确等渗、等张摡念及测定方法，对于确定合理处方，指导安全用药具有一定的实际意义。