以美國藥典（USP）收載的1112章節(jié)“水分活度測定在非無菌制劑中的應(yīng)用”為參考，從水分活度的概念，測定原理與方法、與微生物的關(guān)系以及在藥品質(zhì)量控制中的應(yīng)用、意義、問題和不足等角度，介紹和分析水分活度測定在非無菌制劑中的應(yīng)用。USP率先將水分活度應(yīng)用于制藥領(lǐng)域微生物控制，代表了非無菌制劑的微生物控制由微生物限度測試逐漸向微生物風(fēng)險評估下的參數(shù)放行轉(zhuǎn)變的發(fā)展趨勢，其理念更為科學(xué)合理，控制方法更為簡便靈活。對水分活度的理解和認(rèn)識有助于推動《中華人民共和國藥典》2020年版相關(guān)內(nèi)容的增訂與推廣。
微生物指標(biāo)是反映藥品安全性和有效性的重要指標(biāo)，而水在藥品生產(chǎn)中用量大，使用廣，用于生產(chǎn)過程及藥物制劑的制備，藥品中不可避免地含有水分。長期以來，水分含量是反映藥品質(zhì)量安全和穩(wěn)定的一個重要參數(shù)。然而，用于控制微生物導(dǎo)致的變質(zhì)，水分活度（water activity）是比水分含量更重要的一個參數(shù)，它是產(chǎn)品中微生物可利用水的量度，是影響微生物生長的關(guān)鍵因素之一。過低或過高的pH，營養(yǎng)缺乏，含某些表面活性劑，添加的抑菌劑以及低水分活度等產(chǎn)品屬性，都將有助于防止微生物生長繁殖。美國藥典（USP）<1112>水分活度測定在非無菌制劑中的應(yīng)用于2006年發(fā)布，用以指導(dǎo)水分活度在非無菌制劑微生物控制中的應(yīng)用，包括一系列微生物生長需要的水分活度數(shù)據(jù)和基于產(chǎn)品水分活度的微生物限度檢查建議，推薦水分活度的測量方法等內(nèi)容。本文淺析非無菌制劑水分活度測定的應(yīng)用，探討應(yīng)用水分活度以實現(xiàn)藥品的微生物控制。
1水分活度概述
水分活度（aw），是相同溫度下產(chǎn)品水蒸氣壓（P）與純水蒸氣壓（Po）的比值。它在數(shù)值上等于封閉系統(tǒng)中由產(chǎn)品產(chǎn)生的相對濕度（RH）的1/100。RH可通過直接測量蒸汽壓或露點的方法獲得，也可通過傳感器間接測量，傳感器的物理或電學(xué)特性會隨著所處環(huán)境的相對濕度的變化而變化。水分活度和平衡相對濕度（ERH）之間的關(guān)系由以下等式表示：
ERH=aw×100%
水分活度是物理化學(xué)術(shù)語，反映產(chǎn)品中水的能量狀態(tài)，表示水與產(chǎn)品成分之間結(jié)合的緊密程度，aw值介于0~1。
水分活度測定一般采用物理或化學(xué)方法，最常用的方法有水分活度儀測定法和恒定相對濕度平衡法（康衛(wèi)氏皿擴散法）。國際上多采用儀器測定法，我國食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)一直以來均采用恒定相對濕度平衡法（康衛(wèi)氏皿擴散法），現(xiàn)行版《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品水分活度的測定》首次收載儀器測定法作為第二法?！吨腥A人民共和國藥典》（簡稱《中國藥典》）2015年版收載了費休氏法等5種水分測定方法，但尚未收載水分活度的測定方法。目前，水分活度測定常用的3種方法是露點/冷面鏡法、電子濕度計法和相對平衡濕度法。
露點/冷面鏡法是USP、歐洲藥典（EP）、日本藥局方（JP）、美國分析化學(xué)家協(xié)會（AOAC）、國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）等推薦的測定水分活度的標(biāo)準(zhǔn)方法，使用此法進行水分活度測定時，需要對其適應(yīng)性進行評價、驗證和校準(zhǔn)。這些儀器通常使用如表1所列的25℃飽和鹽溶液校準(zhǔn)。
電子濕度計法通常采用電子濕度傳感器測量水分活度，是通過測量密閉的樣品頂部空間達到平衡后的溫度和蒸汽壓來實現(xiàn)的。測量時應(yīng)嚴(yán)格控制和測量樣品與傳感器之間的溫度。恒定相對濕度平衡法（康衛(wèi)氏皿擴散法）在密封、恒溫的康衛(wèi)氏皿上，試樣中的自由水與水分活度較高和較低的標(biāo)準(zhǔn)飽和溶液相互擴散，達到平衡后，根據(jù)試樣質(zhì)量的變化量，求得樣品的水分活度。在沒有水分活度儀的情況下，這是一個很好的替代方法，不足之處是工作量大，分析煩瑣，平衡時間較長。
2水分活度與微生物生長的關(guān)系
1953年William James Scott發(fā)現(xiàn)了水分活度影響微生物生長，1957年提出了微生物生長所需的最低的水分活度限值，并明確了是水分活度而不是水分含量影響微生物生長。目前這一概念已經(jīng)作為預(yù)測微生物生長，反映產(chǎn)品穩(wěn)定性和安全性的參數(shù)而被廣泛認(rèn)可。降低水分活度將會導(dǎo)致微生物生長停滯期的延長，代謝活性的降低，生長繁殖速率的降低，細(xì)菌內(nèi)生孢子和霉菌孢子活性的降低，產(chǎn)生毒素的減少，以及細(xì)菌孢子耐熱性增加等作用。
在微生物學(xué)中細(xì)菌、酵母菌和霉菌的新陳代謝、繁殖、孢子萌發(fā)和生存需要可利用水，水分活度是反映存在于產(chǎn)品中微生物新陳代謝的可利用水（非結(jié)合水或自由水）的量度。因此水分活度是預(yù)測產(chǎn)品中潛在微生物生長繁殖的有力工具。
水分活度可反映產(chǎn)品中潛在微生物的生長繁殖狀況。一定的水分活度環(huán)境僅支持特殊類型的微生物生長。革蘭陰性菌生長所需最小水分活度一般在0.91~1.00范圍內(nèi)，而革蘭陽性菌、酵母菌和霉菌生長的最低水分活度要求低于革蘭陰性菌，可以在更干燥條件下生存。較高水分活度（aw>0.85）環(huán)境中，細(xì)菌會與真菌競爭營養(yǎng)物質(zhì)，細(xì)菌的生長超過真菌。革蘭陰性菌中包括某些致病微生物，如銅綠假單胞菌、大腸埃希菌和沙門氏菌在aw<0.91的產(chǎn)品中不會增殖或存活，而革蘭陽性菌如金黃色葡萄球菌將在aw<0.86時不會增殖，黑曲霉在aw<0.77時不會增殖。此外，包括最耐受高滲的酵母菌和耐旱真菌在內(nèi)的所有微生物在aw<0.60時不會增殖。表2中所列是在25℃時一系列與制藥相關(guān)的代表性微生物生長所需的最低水分活度。這些aw數(shù)據(jù)已被科學(xué)文獻確認(rèn)和證明，且適用于原料、輔料和成品。
表2代表性微生物生長所需的最低水分活度（aw）
3水分活度在非無菌制劑微生物控制中的應(yīng)用
通過測量和控制藥品處方的水分活度，可以減少或消除微生物增殖風(fēng)險。在穩(wěn)定儲存條件下水分活度是藥品的固有屬性。在科學(xué)的微生物風(fēng)險評估的基礎(chǔ)上，可根據(jù)水分活度制定有針對性的個性化微生物控制方案，如全面的微生物限度檢查或減少日常檢查。應(yīng)注意的是使用水分活度進行微生物控制，必須遵循嚴(yán)格的GMP，以確保微生物的最低負(fù)載。這種微生物控制理念為藥品微生物控制提供了新的思路和方向。USP<1112>提供了藥品處方對微生物污染影響的指導(dǎo)，降低藥品水分活度對預(yù)防潛在微生物的增殖大有裨益；非無菌制劑的處方、生產(chǎn)步驟和測試應(yīng)反映這一參數(shù)。
非水液體或固體劑型由于其低水分活度而不支持孢子萌發(fā)或微生物生長，其微生物監(jiān)測的頻率可以通過審查產(chǎn)品的歷史測試數(shù)據(jù)和證明原材料、水、生產(chǎn)過程、制劑和包裝的微生物控制有效性來確定。歷史測試數(shù)據(jù)包括在產(chǎn)品開發(fā)、生產(chǎn)、過程驗證和足夠的產(chǎn)品批次（至少20批）常規(guī)測試中的微生物監(jiān)測數(shù)據(jù)，以確保產(chǎn)品極小的或無微生物污染的可能。
水分活度遠低于0.75（例如：片劑，膠囊，非水液體藥品，軟膏和栓劑等劑型）的藥品將是減少微生物限度檢查和穩(wěn)定性評價極佳的研究對象。在進行藥品生產(chǎn)時如原輔料微生物指標(biāo)優(yōu)良，生產(chǎn)環(huán)境不產(chǎn)生微生物污染，本身具有減少微生物的生產(chǎn)過程，制劑有抗微生物活性，以及生產(chǎn)場所已建立了與其產(chǎn)品相關(guān)的低生物負(fù)載的歷史測試數(shù)據(jù)時，建立合理的微生物風(fēng)險評估體系，通過水分活度反映微生物穩(wěn)定性十分有效。然而，單獨的水分活度測量不能作為減少微生物限度檢查的理由。表3是基于水分活度的代表藥劑和非處方藥（OTC）的推薦微生物限度檢查策略。原料藥的微生物限度檢查與此類似。
表3基于水分活度的代表藥劑和非處方藥（OTC）的推薦微生物限度檢查策略
4、測定水分活度的意義
微生物生長有最低水分活度要求，低于此要求的微生物將不能生長。因此，水分活度控制作為微生物風(fēng)險控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是影響藥品穩(wěn)定性的關(guān)鍵參數(shù)。通過設(shè)計和控制藥品水分活度，優(yōu)化處方，可準(zhǔn)確的評估藥品的安全性和穩(wěn)定性，降低微生物增殖風(fēng)險。不同水分活度的藥品中的微生物生存行為對于藥品微生物控制非常重要。
對于制藥工業(yè)，非無菌制劑水分活度與以下方面有關(guān)：
（1）藥品處方以及抑菌體系的抑菌有效性；
（2）藥品處方中易于化學(xué)水解的活性藥物成分的降解；
（3）藥品處方（尤其是液體、膏、乳液和霜）易受微生物污染的程度；
（4）提供了減少微生物限度檢查，依照通則非無菌制劑微生物限度檢查法篩查藥品有效性、穩(wěn)定性和控制菌釋放的理論依據(jù)。低水分活度會防止微生物在藥品上的生長繁殖。
符合當(dāng)前GMP生產(chǎn)要求的藥品水分活度較低，沒有或幾乎沒有微生物污染的風(fēng)險，在這種情況下，日常的全面的微生物限度檢查沒有意義。非水性液體制劑或固體藥劑由于其低水分活度，不支持孢子萌發(fā)和微生物生長，其微生物監(jiān)控頻率取決于產(chǎn)品的歷史測試數(shù)據(jù)和原料、水、生產(chǎn)過程的微生物污染監(jiān)測數(shù)據(jù)。在科學(xué)的微生物風(fēng)險評估的基礎(chǔ)上，采用水分活度測定進行微生物監(jiān)控，建立合理的微生物控制策略及設(shè)計性能優(yōu)良的藥品對于節(jié)約成本，提高效率，提升產(chǎn)品質(zhì)量具有重要的指導(dǎo)意義。
5、局限與問題
盡管水分活度有助于微生物污染的風(fēng)險分析，但不是唯一指標(biāo)，應(yīng)考慮其他因素，以確定產(chǎn)品是否需要進一步的微生物限度檢查。值得注意的是水分活度是反映微生物生長繁殖的指標(biāo)，而不是微生物有無的指標(biāo)，低水分活度與初始微生物負(fù)載無關(guān)，耐受性更強的微生物包括可產(chǎn)生芽孢的梭菌及桿菌、沙門氏菌和絲狀真菌等，盡管在低水分活度時不會繁殖，但仍然可能存在于產(chǎn)品中。因此水分活度是微生物風(fēng)險評估的有力工具，是對現(xiàn)有非無菌制劑微生物控制體系的有力補充，不能完全代替微生物限度檢查，對于水分活度較高，而又不適于降低水分活度的非無菌制劑，全面的微生物限度檢查對保證產(chǎn)品的安全性和有效性仍是十分必要和重要的。
水分活度測定在非無菌制劑中的應(yīng)用可逐步推進生產(chǎn)企業(yè)對藥品微生物控制水平的提升，以及解決由大量的無價值檢驗造成的資源浪費，有助于提高生產(chǎn)效率，降低風(fēng)險，節(jié)省成本。然而，我國制藥領(lǐng)域尚未建立水分活度測定的方法，利用水分活度控制微生物生長的應(yīng)用仍為空白。因此，亟待制定水分活度測定在非無菌制劑中的應(yīng)用指導(dǎo)原則，《中華人民共和國藥典》2020年版計劃增訂的“水分活度測定在非無菌制劑微生物控制中的應(yīng)用”相關(guān)內(nèi)容，必將進一步完善我國藥品微生物控制體系，以推動我國藥品微生物控制的發(fā)展邁上新臺階。
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