药代动力学的研究

药药物物代代谢谢动动力力学学的的研研究究 摘摘要要：超高效液相色谱 (UPLC)和 PBPK 模型在药物代谢动力学研究发挥的重 要的作用。UPLC 是一种柱效高、发展前景好的液相色谱技术 ,是一种基于 机制的数学模型； PBPK 用于模拟化学物质在体内的分布代谢更方面对药物 动力学的研究。药物代谢动力学的更深研究在药物研发中起到了重要意义及 作用。 关关键键词词：药物代谢动力学 UPLC PBPK 模型 药物研发 Abstract: the high performance liquid chromatography (UPLC) and PBPK model in the study of the pharmacokinetic play an important role. UPLC is a column efficiency high, the prospects of the development of good performance liquid chromatography, is based on a mathematical model of the mechanism; PBPK used for simulation of the chemical substances in the body of metabolic distributed more medicine dynamics research. The pharmacokinetic deeper in drug development research has important significance and role. Keywords: Pharmacokinetic UPLC PBPK model Drug development 前前言言：动力学的基本理论和方法已经渗透到生物药剂学 ,药物治疗学 ,临床 药理学及毒理学等多学科领域中。药物代谢动力学是应用数学处理方法, 定量描述药物及其他外源性物质在体内的动态变化规律,研究机体对药物吸 收、分布、代谢和排泄等的处置以及所产生的药理学和毒理学意义;并且探 讨药物代谢转化途径 ,确证代谢产物结构 ,研究代谢产物的药效或毒性 ;提供 药物效应和毒性的靶器官 ,阐明药效或毒性的物质基础 ,弄清药物疗效和毒 性与药物浓度的关系 1。 1 1、 药药物物动动力力学学的的研研究究进进展展 1 1. .1 1 群群体体药药物物动动力力学学 群体药物动力学是研究药物动力学群体参数的估算，药物动力学参数群 体值不仅是临床用药所必需，而且有可能成为新药评价的一个必备参数。药 物动力学参数群体值的估算有两种方法，一种是传统的二步法，另一种是近 年来发展的一步法。后者亦名 Nonmen 程序法，它把药物动力学参数在患者 身上的自身变异及患者间的变异全估算在内。根据变异值的大小也可预估一 些生理、病理因素对药物动力学参数的影响。因而更具优越性，在个体化给 药中，Nonmen 常与 Bayesian 反馈法结合使用。 1 1. .2 2 时时辰辰药药物物动动力力学学 时辰药物动力学是指同一剂量在 l 天内不同时间给予时药物处置出现显 著变异。如多数脂溶性药物的吸收，清晨比傍晚吸收更佳，另外象单硝酸异 山梨酯在清晨服用时所导致的体位性低血压最为明显，同时达峰时间也较其 他时间给药为短。一些疾病并非 1 天 24 小时机体均需要同等水平的药物， 如心脏病患者在凌晨发病较多，若制成脉冲式给药，可产生预防作用；相反， 如药物浓度始终维持在同一水平却容易带来耐药性，例如硝酸甘油和许多抗 菌素类药物；再如只有当血浆中糖分较高时才需要较高的胰岛素。人们开始 研究能够自动感知血糖水平，以调节胰岛素释放速率的智能给药装置。 1 1. .3 3 手手性性药药物物的的药药物物动动力力学学 机体内存在“手性环境”。药物在机体内部发生作用往往通过不同的立 体构象，与受体等部位发生三维结合而产生作用。药物分子在立体构象上的 差异会对其效应的特征及强度产生显著影响。有人发现头孢氨卡口服后只有 D 一型被吸收，且呈饱和性和竞争性，而L 一型则抑制其吸收。 S(一)布洛 芬的血中浓度较高，除代谢方面的原因之外，与R(+)型在肾脏有较高的立 体选择性排泄也有关。对普奈洛尔及华法林的药物动力学立体异构性研究表 明，该两种药物在大鼠与人身上均表现出相反的立体选择性，药物动力学的 参数变化反映了立体选择性综合作用的结果 2、4。 2 2、U UP PL LC C 在在药药物物代代谢谢研研究究中中的的应应用用 2 2. .1 1 U UP PL LC C 的的理理论论基基础础 UPLC 保持了 HPLC 的基本原理 ,其理论依据于范迪姆特 ( Van Deemter ) 经验方程： HETP=Adp+ B/v+ C(dp)2v 式中,HETP 为理论塔板高度 ,A 为涡流扩散系数 ,dp 为填料粒径 ,B 为分 子径向扩散系数 ,C 为传质因子,v 为流动相线速度。 由该方程可以得出结论 :颗粒度越小柱效越高 ,每个颗粒度尺寸有自己 的最佳柱效的流速 ,更小的颗粒度使最高柱效点向更高流速 (线速度)方向移 动,而且有更宽的线速度范围。因此 ,降低颗粒度不但提高柱效 ,同时也提高 速度。随色谱柱中装填固定相粒度dp 的减小,色谱柱的理论塔板高度 H 也越小,色谱柱的柱效越高 ,并可获得更宽的线速度范围 ,达到分离分析的高 速、高效和高灵敏度。 UPLC 采用了 1-7m 颗粒度的色谱柱填料 ,增加了分 析的通量、灵敏度及色谱峰容量 ,弥补传统 HPLC 的不足。 2 2. .2 2 U UP PL LC C 在在药药物物代代谢谢研研究究中中的的应应用用 建立适合进行生物样品测定的分析方法是进行药代动力学各项研究的前 提。药代动力学研究中生物样本的分析一般具有待测药物浓度低、取样量少、 内源性杂质多、不易重复获得等特点 ,这就要求所采用的分析方法必须灵敏、 专属、精确、可靠。目前生物样本常用的分析方法有:(1)色谱法;(2)免疫 学方法;(3)微生物学方法。当今生物样本分析首选色谱法 ,如 U PLC、超高 效液相色谱-质谱联用技术 (UPLC-MS/MS)等,这类方法应用最广 ,大约 90%的 药物测定都可以用色谱法来完成。作为一种高灵敏度的检测手段UPLC- MS/MS 在药代动力学中得到越来越广泛的应用。 UPLC 特点是采用小粒径填 料,可耐超高压,可显著改善色谱峰的分离度和检测灵敏度 ,同时大大缩短分 析周期,特别适用于生物样本中微量复杂混合物的分离和高通量研究。 UPLC 与 MS 联用时, 在离子源处相互竞争的化合物之间的离子抑制作用减弱,因 而代谢产物的离子化率更高。 UPLC 相比 HPLC 具有更高的灵敏度 ,可以保证 更低浓度的代谢产物被检出 ,帮助防止潜在的毒物继续停留在药物发现的进 程中。UPLC 与质谱联用可以减少代谢物的共流出 ,并提供更多数据信息 ,因 此成为复杂体系分离分析以及化合物结构鉴定的良好平台,并已经成功应用 于药物代谢动力学的研究 3。 3 3、生生理理药药物物代代谢谢动动力力学学模模型型（ P PB BP PK K） 3 3 3. .1 1 生生理理药药物物代代谢谢动动力力学学模模型型（ P PB BP PK K）应应用用原原理理 传统的药物代谢动力学模型称为房室模型，最初用于药物代谢的研究。 它将复杂的药物转运过程简化为简单的一室、二室或三室结构，无论是最终 确定的模型结构还是所使用的参数都是来自于实验数据，通过血药浓度- 时间曲线判断法、残差平方和或加权残差平方和判断法、AIC 判断法等方 法确定房室数，再进行主要药物代谢动力学参数的估算，进而得到最适合某 种特定药物的房室模型。因此，房室模型是 “经验模型”或者说是“基于 数据的模型”。 与房室模型相比，生理药物代谢动力学模型（ physiologically based toxicokinetic model，PBPK 模型）生理药物代谢动力学模型是根据现有的 人类或者其他动物的解剖和生理知识及其生物化学数据建立，通过数学方法 模拟化学物质在体内的吸收、分布、代谢和排泄过程，进而实现剂量外推和 种间外推的过程。 PBPK 模型将药物或者毒物的复杂的吸收、分布、代谢、 排泄过程简化为以生理学事实为基础的房室结构。模型中主要的结构是生物 体组织（器官）、体液或者系统，其中的参数是基于解剖学和生理结构得到 的。从这一意义上来讲， PBPK 模型的结构已经不是基于特定的药物在体内 的代谢过程，而是事先模拟建立的一种 “ 机制模型”。因此，PBPK 模型 在模拟不同物质的吸收、分布、代谢、排泄方面有着更广阔的应用空间 5。 (2)部分 PBPK 模型，描述身体部分独立的器官（系统），如肠吸收模型、 肝脏（代谢）模型。由于肠吸收是一个复杂的过程，在药理学领域， 有 些学者认为将其简单作为一个房室不能准确描述其中发生的复杂过程，因此， 将其单独建模。但是在毒理学领域，一般不考虑复杂的肠吸收过程，而是将 其作为一个黑箱处理，用一个房室代表。在建立整体PBPK 模型时， 需要 依据哺乳动物一般的解剖学循环结构。其中，最大的问题是选择哪些组织 （器官）、体液、系统作为模型的组成部分。在实际的建模过程中，主要包 括以下几个部分：（ 1）核心组织（器官）、体液，包括血液、肝脏（主要 代谢器官）、肾脏（主要排泄器官）等，几乎每一个PBPK 模型都会包括 这些结构。（ 2）与化学物质有关的组织，例如，其他消除该物质的组织 （如肺和肠）；染毒位置如皮肤（接触）、肺（吸入）、肠（口服）；潜在 可能发生反应的位置等。（ 3）对于毒物平衡、储存有影响的组织，如骨、 脂肪、肌肉等。此外，为简化模型，还可以把一些组织分组，根据血液是否 充分灌注，分为充分灌注组织和非充分灌注组织等；或者分为核心组织，快 速和慢速平衡组织。总之，要根据必要和简化的原则，并且根据具体的化学 物质来选择模型的基本组成。 PBPK 模型的参数包括两类： (1)生理参数，与化学物质无关，基于生理结构和过程，其主要参数包括 体重、组织体积、心输出量、组织灌注速率、分输出量、肺泡通气量。 (2)生化参数，基于物质在体内的动力学特性，其主要参数包括吸收速率、 一级/二级速率常数、米氏常数、最大代谢速率、组织扩散系数、转运体活 性参数。这类参数由实验获得，包括体内实验与体外实验。通过体内实验， 即给实验动物通过不同途径给药，可以得到药时曲线与相应的参数等。而通 过体外实验，如在体外系统（新鲜离体干细胞、微粒体、细胞液）进行，得 到的代谢常数经过调整可以应用于动物整体的体内环境。而传统生理药物代 谢动力学模型参数仅可以通过体内实验获得。在确定了模型结构和模型参数 之后，对每个房室列出物质守恒微分方程，即用流入该房室的动脉血中该物 质的浓度和流出该房室的静脉血中的浓度之差乘以该室的血流量，再加上该 房室中该物质的生成项和消除项，等于该房室内该物质的瞬时变化量。因此， 一个模型就简化为一个微分方程组，再利用计算软件求解。常用计算软件包 括 ACSL、Berkeley Madonna、Matlab 等，其中， Matlab 在当前的 PBPK 模型文献中应用最多，且已有文献论述其在PBPK 模型中应用的优越性。模 型建立之后，还需要根据目的对模型进行灵敏度分析以及检验模型结构是否 需要简化等。最后，要进行模型验证，即用与建模所用药物代谢动力学资料 不同的另外一套数据来检验模型是否能够很好地预测同一物质在不同实验条 件下的药物代谢动力学过程。如果不能通过验证，则需要进一步调整模型的 结构6。 3 3. .2 2 复复合合生生理理药药物物代代谢谢动动力力学学模模型型 进入环境的物质大多数情况下不是以单一化学物质的形式存在，而是以 多种物质共存的形式进入人体或者动物体。在体内药物代谢动力学和药效学 之间的相互作用可以产生低于几种物质单独作用的毒性（拮抗作用），也 可以大于各物质单独作用的毒性（协同作用）。因此,若明确多种物质产生 的复合毒性就需要对复合化学物质在体内的相互作用进行研究。当前已经有 PBPK 模型对此进行模拟计算，其中，两种物质的相互作用是最基础的形式。 将两种物质各自的 PBPK 模型在发生相互作用的器官（多为肝脏）进行耦合， 建立两套公式，一套描述各自发生的吸收、分布、代谢、排泄过程，另一套 描述二者之间的相互作用，进而得到复合的PBPK 模型。三种或者更多物质 的 PBPK 模型也根据这个基本原理建立 7，8。 El-Masri 等9建立了复合 PBPK 模型，研究了毒死蜱和对硫磷在大鼠 体内的毒理学相互作用，并且估计了联合作用的阈值。Alan 等根据汞、砷、 镉、铅对甲苯和苯代谢的影响，首先利用前人建立的重金属和苯、甲苯的 PBPK 模型得到各个物质在肝脏中的浓度，再将独立的模型在肝脏中进行耦 合，模拟预测同时存在不同物质情况下肝脏中苯的浓度。 但现有的复合污染的 PBPK 模型都是描述已知相互作用机制的有机物或 者重金属和有机物的相互作用，还没有完全由重金属构成的复合PBPK 模 型。由于各个重金属在体内的代谢过程各不相同，半衰期相差很大，时间范 围从天（如砷）、月（如甲基汞）到数十年（如铅、镉），很难将其综合到 一个模型中考虑 10。因此，重金属的复合 PBPK 模型成为相关研究中的一 个难点。但有学者从组织层面上对两种药物在吸收过程中的相互作用进行了 假设，提出不同的模型，并且根据实测数据筛选出最佳的描述吸收过程的模 型。这为建立重金属的整体复合 PBPK 模型打下了基础。 4 4、药物代谢动力学在药物研发中的意义及作用、药物代谢动力学在药物研发中的意义及作用 4 4. .1 1 国国内内外外研研究究现现状状 传统的药物研究多采用 “串行”研究模式,即先后启动不同专业学科的 工作,其中药物代谢和毒理学评价滞后于其他专业 ,是对已“成型”的药物 进行研究,其研究目的基本是为临床前的新药申报。在药物发现阶段,过多 的侧重于“构-效”关系研究,尽管是对创新化合物的系列结构进行改造和 修饰,也仅仅是为了提高化合物对受体的结合及药理活性。据上世纪90 年 代的统计数据表明 ,新药研发失败率的 40%是由于化合物不良的代谢性质造 5 成的。传统的药物发现是化学和药理学驱动的 ,主要以筛选和验证具有潜在 治疗活性的成千上万个化合物和自然底物为基础 ,缺乏对药物靶标和药物功 能的认识,因此筛选是耗时、费力且效率低下的 11。基因组计划的实施以 及分子生物学的出现 ,为靶标的研究带来了前所未有的机遇。基于靶标的药 物研制,其靶特异性高 ,副作用小并能加速药物发现的速度 ,减少临床前和临 床研究的失败率 ,现代药物的发现模式转变为 :基因-蛋白靶标-筛选发现先 导化合物-先导化合物结构优化 -在动物及人体验证安全性和有效性 ,药物研 究已经由初始的经验性、偶然性研究发展到现今的理论性和科学性研。如何 提高药物发现的命中率和新药研发的成功率已成为备受关注的焦点,按学科 专业分阶段实施的新药研发传统模式必须改变 ,药物开发的瓶颈已经从先导 化合物结构的产生转向研究具有优良生理特性和预期临床结果的有效药物,寻 找在药物研发的早期阶段可以整合诸如药代和毒性等体内特性的研究已成为 当务之急 12。 4 4. .2 2 药药物物代代谢谢动动力力学学在在药药理理学学研研究究中中的的应应用用 药物产生药理效应 ,必须分布到靶部位 ,维持一定的浓度 ,并与作用部位 产生受体药物相互作用 ,产生一定的效应。通过 PK-PD 研究可以探索药物的 作用机制,机体内外环境因素对药物体内过程的影响 ,评价新药或新制剂开 发研究的前景 ,也有利于研究药物治疗的个体差异 13。 药理作用强度多与作用部位的药物浓度有关 ,与血药浓度的关系比剂量 关系更密切;不同个体要达到相同血药浓度所需剂量有很大差异 ;正常动物 对某种药物和受体部位之间的个体差异很小 ,血药浓度相同 ,在不同动物出 现的作用亦相似。速尿利尿作用强度与血药浓度、尿流量和Na+ 排出量存 在着良好的线性关系。水杨酸的血药浓度在50-100mg/L 出现镇痛作用 ;大 于 250mg/L 则有抗风湿作用 ;在 350-400mg/L 具有抗炎作用 ;达到 500mg/L 则出现毒性; 当达到 1600-800mg/L 则引起中毒死亡。因此药物治疗的关键 就在于使用部位药物浓度维持在最低有效浓度以上和最低中毒浓度以下。维 生素 D3 被摄入体内以后 ,首先是在肝脏中通过羟化酶在 25-位引入 1 个羟 基,然后又在肾脏中在分子的 1-位引入第 2 个羟基,成为骨化三醇才具有活 性的。手性药物单体 S-布洛芬具有抗炎镇痛作用 ,而 R-对映体则没有活性 , 药代研究表明口服消旋体布洛芬后 ,R-对映体在胃肠内可部分转化为 S-布 洛芬,发挥药理作用 ,且在胃肠道内停留的时间越长 ,转化程度越大 ,实验也 证实体内两对映体的比率与药物从制剂中的吸收速率呈显著相关性,这可能 是由于肠壁异构酶参与了吸收过程。如果没有药代的参与,得出的结论与疗 效或不良反应的发生有时不一致 ,甚至会错误地指导临床用药 14。 4 4. .3 3 展展望望 药物代谢动力学在药物研发中的地位越来越重要 ,它贯穿于药物研发的 全过程,各研究阶段应进行多学科间的整体综合讨论 ,信息相互反馈 ,相得益 彰;参数是药物代谢动力学特征的体现 ,但研究和评价不是列举参数 , 而是 要通过分析参数 ,深入认识其吸收、分布、代谢和排泄过程与其药理作用和 毒理作用的关系及意义 ,阐明其对安全有效性的价值 ,阐明如何更好地获得 良好的临床治疗效果 15。药物代谢动力学与各学科之间的关系愈加密切 , 对指导临床安全合理用药、预防不良反应 ,了解药物相互作用以及从基因水 平上指导正确药物治疗 ,具有重要意义。 5 5、总总结结 总之，药物动力学已成为一种新的有用的工具，已被广泛地应用于药学 领域中和各个学科，成为医药研究人员和广大医药工作者都需要了解和掌握 的学科。联合国世界卫生组织的一份 技术报告中曾强调指出： “对评价药物 疗效与毒性来说，药物动力学的研究，不仅在临床前药理研究阶段，而且在 新药研究的所有阶段都很重要。”对我们来说，不仅在临床前药理研究阶段， 而且在新药研究，无论是现在还是将来，都有着重要的意义。 参考文献：参考文献： 1刘晓东.药物代谢动力学研究中若干问题的思考 A.C.: 2009. 2裴利霞,杜冠华 药物代谢动力学研究 J.中国医药导刊 ,2006,(5). 3朱凌,张双庆,李佐刚 UPLC 在药物代谢动力学中的应用 J.中国药事, 2011,(8). 4刘克辛,韩国柱 临床药物代谢动力学 M.北京：科学出版社， 2009：57-79. 5贾宜静,朱海燕,曹红斌,孟繁蕴 生理药物代谢动力学模型及其应用 J. 环境与健康杂志 ,2011,(4). 6Rajman I.PK/PD modelling and simulations: utility in drug development J. 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