药物与血浆蛋白结合的药理学基础及其研究进展_郭宾

1、·241·中国临床药理学与治疗学中国药理学会主办CN 34-1206 R , ISSN 1009-2501http : w ww . DrugChina . ne t 2005Mar ; 10(3 :241-253综述药物与血浆蛋白结合的药理学基础及其研究进展郭宾, 李川中国科学院上海生命科学研究院药物研究所, 上海201203摘要体内各种因素引起的药物与血浆蛋白结合的改变, 可能导致相应的药代动力学参数变化。本文综述了有关药物-血浆蛋白结合的基础理论和研究方法进展, 及其与药代动力学和药效相关性的理论阐述, 并运用药理学相关基础理论对其临床意义进行了深入的探讨, 总结了在

2、常规的药物实践中如何评价药物的游离浓度监测和血浆蛋白结合的药效和临床相关性研究。关键词药物-血浆蛋白结合; 药物代谢动力学; 药物效应动力学; 临床相关性中图分类号:R969. 1文献标识码:A文章编号:1009-2501(2005 03-0241-13一般认为药物与血浆蛋结合成为复合体后不能跨膜转运, 药物的分布、代谢、排泄以及与相应受体结合继而发生药理效应都以游离形式进行, 血中游离药物浓度的变化是决定体内药物处置、继而影响药效的重要因素之一。在以往的许多文献中, 特别强调了药物与血浆蛋白结合的改变在临床上的重要意义, 主要依据是各种因素引起的体内药物-血浆蛋白结合的改变, 有时会导致相应

3、的药物代谢动力学参数的变化, 以及导致药效或毒性变化的药物间相互作用会伴随着一定程度的药物与血浆蛋白结合率的改变。本文主要综述药物与血浆蛋白结合的基础知识和理论、药物-血浆蛋白结合的研究方法进展、血浆蛋白结合与体内游离药物浓度的概念、血浆蛋2005-01-21收稿2005-01-30修回国家科技部资助项目(2004CB720305 郭宾, 男, 博士生, 研究方向:药物代谢和药物动力学。Tel 2226E -mail :binnguo hotmail . com 李川, 通讯作者, 男, 研究员, 博士生导师, 研究方向:药物代谢和药物动力学。Tel mail ch

4、li mail . s . ac 白结合与药物代谢动力学, 以及与药效相关性之间的相互关系的理论阐述, 总结在常规的药物实践中如何考虑这些重要因素, 以明确哪些药物在什么情况, 才有必要进行药物的游离浓度监测, 以及血浆蛋白结合的药效和临床相关性研究。1药物与血浆蛋白的结合药物进入循环后, 因结构上的差异或多或少会与血液中的成分(如血细胞、血浆蛋白等 形成结合型(bound 药物, 而未被结合(unbound 的部分则称为游离型药物(free drug 。药物的结合主要通过离子键、氢键、疏水性结合及范德华力结合, 一般是可逆的, 结合型药物分子变大不易透膜而“储存”于血液中, 经血液运输通过游

5、离药物分布到机体各组织部1位。多数药物在血液中与血浆蛋白结合, 还可以与血细胞结合或进入其中, 药物在血液中的分布通过游离药物达成动态平衡。血浆蛋白与药物结合是影响药物分布的重要因素, 其中白蛋白(HSA 和1酸性糖蛋白(AGP 是两种最重要的药物结合蛋白组2, 3分。1. 1药物-血浆蛋白结合模型药物与血浆蛋白怎样结合? 结合多少? 长期以来, 出于药物安全性和有效性的考虑以及药代动力学等方面的评估, 药物与血浆蛋白结合规律的研究引起了人们广泛的兴4, 5趣。借助一些药物蛋白结合模型可进行相应结合数据的分析和结合常数的估算, 并用于体内药物浓度的预测。根据质量作用定理, 药物-血浆蛋白可逆结

6、合遵循以下平衡C u +P1, 6:1-1b(1K a =1 -1=1 K d其中1和-1分别为结合速率常数和解离速, K a d -·242·Chin J Clin Pharmacol Ther 2005Mar ; 10(3和解离常数, 反映药物与结合蛋白亲和力的大小, 一般地, 高蛋白结合药物的K a 值通常为1010mmol ·L27-15时都发生在相对稳定的结合部位, 并伴随着一定程度的空间构象变化2, 9。因此在多位点或多药物分, 而低结合或中等结合强度的K a 值通4-17常在1010mmol ·L 范围。C u 和C b 分别是体子结合时,

7、 可能产生药物之间的抑制、诱导、协同效2, 6应等相互作用。HSA 的分子量为66248, 其一级结构序列分析很早就完成了, 由585个氨基酸残基组成的一条多肽链(牛血清白蛋白B SA 的氨基酸残基数为582 , 含有35个半胱氨酸残基(Cys , 除Cys 外, 其余形成17对二硫键。HSA 的二级结构包括I 、II 、III 三个-螺旋的结构域(domain , 其中每个结构域又分为A 和B 两个亚结构域(subdomain 10, 11234系中未结合的和结合的药物浓度、P 为未被结合的蛋白浓度, 准确的说是游离结合部位的浓度。一般情况下, 蛋白远未被药物分子饱合, P 可近似认为体系中

8、结合蛋白的总浓度8。简单地假设每个蛋白分子含有n 个相互独立、亲和力相当(K a 的结合位点(binding site , 由配体与大分子表面之间Langmuir 吸附等温式,1-C b (n ·P =(n ·P (2 1·C u ·-1·C b 其中n ·P 值的大小是药物与蛋白的结合容量的指标, C b P 表示每摩尔所蛋白结合的药物分子数(文献中常用符号表示 。公式(2 重排得结合率(f b 与游离药物浓度的表达式,n ·P ·K ab 1+n ·P ·K a +K a ·C u

9、(3。人们采用药物分子与白蛋白结合的竞争抑制和白蛋白的断裂、化学修饰等实验手段, 相继发现了血浆白蛋白上存在一些特定的小分子结合区域(binding region 。Kragh -Hansen 曾归纳为6类结合位点, 现在认为多数药物的结合位点主要集中于两大位点:Sudlo w I (华法令结合位点 和II (地西泮 吲哚结合位点 , 分别位于亚结构域IIA 和IIIA 上。不久前Liu 等采用定点突变技术直接证实了HSA -Halothane 之间的静电相互作用。人血浆1酸性糖蛋白是由183个氨基酸残基组成的单链, 2个二硫键(5-147和72-165 , 5个多聚糖链(占总重的42% 通过

10、N -糖苷键与蛋14白质上的天(门 冬酰胺残基相连接。除一些保守序列外, 种属间差异比白蛋白大, 如大鼠1酸性糖蛋白含187个氨基酸残基, 其中59%氨基酸序列15与人同源, 每分子有6个多聚糖链相连接。最近, Nagy 等1612132可见, 尽管结合率随药物浓度的变化而变化, 药物呈现出浓度依赖型(concentration -dependent 和饱和结合(saturable binding 的特点, 但在多数情况下满足K a ·C u 1, 结合率在一定的药物浓度范围内为一常数, 不随药物浓度而变化, 药物与血浆蛋白的呈线性结合。根据式(3 可知, 在一定的环境下, 决定血浆

11、蛋白结合的因素有药物浓度、血浆蛋白的结合容量(包括结合蛋白浓度和结合位点数目 以及亲和力等三种因素。因此, 研究这些因素的体内改变, 对理解药物在血浆中与蛋白的结合变化有重要意义。为了求算结合参数n 和K a , 文献报道了多种线性化方法, 如有双倒数法(double -recipr ocal plot 、Scatc hard 和Rosenthal 作图法等7运用超高分辨率和灵敏度的电喷雾傅立叶变换离子回旋共振(E SI -FTICP 质谱对人AGP多聚糖链的结构进行了解析。AGP 在个体间存在显著的遗传多态性(genetic polymorphism , AGP 不同基因表达产物在蛋白的氨基

12、酸序列上有差异, 这些差异可能改变AGP 与药物分子的结合功能, 以致影响到相关药物在体内的分布与处置17。然而, 实际中药物与血浆蛋白结合的情况要复杂的多, 药物可能与蛋白上的多类位点结合, 并与多种结合蛋白发生相互作用。特别对于血浆(或血清 等复杂体系, 若药物与蛋白体系的结合性质(结合常数和位点等 不很明确, 这时可采用Kr ger -Thiemer 等提出的方程和Woolf 作图法来估算表观结合容量和结合常数任一药物浓度下的蛋白结合率。1. 2药物与血浆蛋白的结合位点以上假设认为药物在蛋白上的结合位点是相互独立的, 结合作用时互不干扰, 不存在时序和空间效应。尽管多数的药物与血浆蛋白的

13、结合不是特异性的, 不像与特定5。许多药物置换实验表明对碱性药物AGP 仅有单个不很专一的结合位点, 但其它药物的结合数据通过Scatchard 分析后最多可达7个不同结合性质的位点3。以往通, 进而可计算常认为小分子只与蛋白发生疏水(hydrophobic 相互作用, 后来发现蛋白去唾液酸化(desialylation 后会影响心得安和氯丙嗪的结合, 表明静电作用也参与了药物与蛋白的结合。目前, 随着大分子结构19, 2021解析技术, 如圆二色柱、X -晶体衍射、高分辨质谱22, 233, 18、NMR24-26等以及计算机辅助设计方法的发展, HSA 与AGP 分子的三维结构研究11,

14、27, 28中国临床药理学与治疗学2005Mar ; 10(3 ·243·由于血浆蛋白在小分子结合过程中具有“柔性”(flexibility , 引起结合时空间构象变化, 可能出现药物与血浆蛋白结合时的协同交互(c ooperation 现象, 如一定比例脂肪酸的存在会导致胆红素与HSA 或BSA 的结合的增强2目的49。该方法的优点是可以在基本不干扰生物体内正常生命活动的情况下进行实时采样和在线分析。近年来, 微透析与色谱或质谱分析联用在生命过程的动态变化的研究中显示出很大的应用前景49, 50。但更多的是, 由于药物与血。尽管微透析特别适合于血中游离药物浓度7浆蛋白结合

15、位点的结合特异性不高, 许多理化性质相似的药物、代谢物或内源性物质可能竞争相同的结合位点, 将另一药物置换游离出来, 若是高血浆蛋白结合率药物被置换时, 其具有药理活性的游离药物浓度将大幅度上升, 可能导致毒性反应。因此, 在联合用药时高血浆蛋白结合药物之间的置换相互作用(displacement interaction 的研究有着潜在的临床意义6, 29监测, 但不能同时进行总浓度测定。1. 4药物-血浆蛋白的体内结合研究由于技术上的原因, 要直接测定药物在体内活性部位的浓度以及蛋白结合率是非常困难的, 因此, 药物与血浆蛋白的结合的测定往往都在体外进行。但体外结合能在多大限度上真实反映体内

16、情况, 则取决于体外试验条件与当时体内环境的接近程度。值得注意的是, 药物在血液中的分布平衡并非始终恒定的29。但根据竞争机制, 要置换出一种高蛋白, 它会结合的药物, 替代剂需具备与结合蛋白相当强的亲30和能力或者在体系中有足够高的浓度。1. 3药物-血浆蛋白结合的测定方法进展研究药物与血浆蛋白结合的方法包括平衡透析(equilibrium dialysis 、超过滤(ultrafiltration 、超离心(ultracentrifu -gation 、快速或动力透析、分配平衡、光谱等各类方法4, 7, 31, 32随环境温度、pH 值、离子强度等因素的变化而变化,因此在用体外方法研究这种

17、平衡时, 应尽量与体内环境保持一致, 实验中还应当考虑血样抗凝、收集、处理和储存过程对平衡的影响。药物-血浆蛋白结合的体外与体内相关性的研究很早就引起了人们的4, 29注意。下面列举一些常见的有关药物与血浆蛋白结合的体内-体外相关性问题。首先, 应尽量提高体外实验条件的可比性, 应注意控制外加(spiking 药物使体外与体内药物浓度相当, 避免出现体外的饱和结合; 体外试验温度、pH 、离子浓度等结合环境尽量与体内一致; 实验过程中应避免反应介质的理化性质的较大改变, 特别注意考察体系中药物与结合蛋白的稳定性。如果忽略这些考虑往往会导致体外与体内研究、不同试验结果之间的巨大差异。如布比卡因和

18、马比佛卡因都与血浆中的AGP 高度结合, 在AGP 溶液中, 布比卡因的加入可以引起Mepi -vacaine 的游离率上升109%,但在同样浓度的血浆中马比佛卡因的游离率仅有9%的上升51。在这些常用的方法中, 平衡透析(ED 和超过滤(UF 是两种使用最多的方法。ED 法基于药物结合的平衡原理, 且受实验因素的干扰很小, 常被认为是研究药物-蛋白结合的经典参比方法(refer -ence 33; 然而由于实验过程很长, 难以提高样品分析的通量, 但最近推出的96-孔微型透析装置可能会34解决部分问题。UF 的最大优点是实现血浆中游离药物的快速分离, 加之与高灵敏度的液-质联用检测技术相结合

19、, UF 已被广泛运用于大规模生物样品35-37的游离药物浓度分析。近来, 圆二色柱、质谱、核磁共振等新型光谱技术在结合动力学、相互作用位点以及结合蛋白的空间构型变化等研究中发挥着重要的作用。高效前沿分析法(HPFA 是近十年来快速发展的新型方法。它采用一种内表面反相硅胶(ISRP 的体积排阻色谱柱, 可直接进样实现血浆等生物基质中总药物和游离药物浓度的洗脱分7, 44, 45离和一同分析。HPFA 的缺点是需保证柱及填料的合理选择、洗脱平台区域的出现和大体积的样品量等, 但基于毛细管电泳(CE 的HPFA 方法的进样量少、检测能力高, 是更具潜力的临床检测方46-48法。微透析(micr o

20、dialysis 方法是以生理溶液不断灌注埋在组织中的微透析探针(probe , 组织中小分子物质经探针头部的半透膜弥散进入灌注液(perfusate 而在膜两侧达成动态平衡, 同时被连续流7, 38-43。体外与体内血浆蛋白结合差别还可能来源于血浆基质中的一些内源性物质如脂肪酸等, 或采血时加入的血液抗凝剂如肝素一些干扰物质的存在29, 52。此外, 以往对体内游离药物浓度的测定都是采用间接方法进行的, 如先测定药物在体外的血浆蛋白结合率, 再将体内血浆中测定药物的总浓度, 分别与体外的血浆蛋白结合率相乘即得到药物在体内各时刻的游离浓度, 由于结合率并非始终维持恒定, 这样, 得到的很可能不

21、是体内真实的游离药物浓度-时间曲线。其次, 体内结合基质中的代谢产物也可能影响到母体药物的血浆蛋白结合, 这时, 若体外测试采用的是相应动物给药前的空白基质, 则与体内分析的结果53, 54·244·Chin J Clin Pharmacol Ther 2005Mar ; 10(3物之间、磺胺甲嘧啶与它的N -乙酰化产物之间都呈现竞争结合相互作用异55-584, 29。更多的类似例子提示这些药物的血浆蛋白结合在体内、外之间存在差。1. 5药物-血浆蛋白结合的动力学研究作为药物“补给库”(depot 和药物浓度的“缓冲器”(buffer , 血浆蛋白通过药物与血浆蛋白之间的快

22、速结合 解离平衡, 并瞬时进行再分布以维持体内的游离药物浓度。一般地, 药物-血浆蛋白复合体的形成与解离能够在短时间内很快完成, 许多药物-血浆蛋白的解离半衰期(t d 1 都在毫秒级范围内25, 592血浆蛋白结合与体内游离药物浓度的关系前面提到在以往的文献中, 血浆药物游离浓度(C u , P 常通过测定药物游离率(f u , P 与药物总浓度(C t , P , 并将两者相乘计算而获得, 尽管这在数学上不存在任何疑问, 但很容易误认为C u , P 似乎依赖于f u , P 和C t , P 两个独立的参数。然而从生理和药理学角度, C u , P 是相对独立的且很少受f u , P 的

23、影响, 而C t , P 则取决于f u , P 和C u , P 这两个独立参数68, 69。此外, 由于动。根据前面药物与血浆蛋白的质量作用关系, f u , P 由药物与蛋白的亲和力以及未结合蛋白的位点数决定, 而且大多数药物在治疗浓度下仅很小部分结合蛋白被占用, 因此, f u , P 由药物和蛋白内在结构因素决定而与C u , P 和C t , P 无关。反过来, C u , P 也很少依赖于药物与血浆蛋白的结合(f u , P 因此, 与总浓度相比, 游离浓度更具有内在的意义, 这可以从药物的体内分布和消除两方面来理解。2. 1药物的体内分布药物不仅在在血液中存在多重平衡, 还可以

24、通过游离浓度与组织达成动态平衡, 这时血浆中药物浓度反映了药物的组织结合及药物剂量在组织中分布的结果。在典型的分布模型中, 体内的药物被认为分布于血浆容积(V P 和组织容积(V T 两部分之中, 体内总药物量(A 通过血浆药物浓度(C P 来表示, 令V d 为体内药物的总容积即表观分布容积(apparent distribution volume , C T 为组织药物浓度, 则有4力学过程研究的技术难度, 传统方法中多数研究的是药物与血浆蛋白结合的热力学平衡。但有时仅考察药物与血浆蛋白的结合程度(如结合率或平衡常数 , 而忽略结合速度因素, 来分析药物的体内现象是不够的60。从式(1 可

25、看出, 相同平衡常数K a 相同的药物, 其结合速率1和-1可以不同甚至是数量级的差别。因此, 一些低程度结合的药物可能在体内很快就达到平衡, 而相反一些高结合率的药物可能在体内达成平衡所需的时间很长。有些化合物与血浆蛋白结合具明显的时间依赖性, 如N -Acetyl -L -cysteine 与白蛋白的结合和解离速度都很慢61, 直接影响到它在体内的处置过程, 因此药物与血浆蛋白结合动力学的研究也逐渐引起了人们的重视。文献上报道的动力学研究方法主要有停流(stopped -flow 光谱技术、荧光淬灭、色谱前沿分析(frontal analysis 等5, 60-62。1. 6药物与血浆蛋白

26、的不可逆结合研究药物与血浆蛋白的结合一般都是快速的可逆过程, 然而, 目前发现不少药物在血中会与血液成分形成过强的或近似不可逆的、甚至共价的结合, 游离药物从血浆蛋白的解离成了清除的限速步骤63A =V d ·C P =V P ·C P +V T ·C T浆中的游离浓度C u , P 相等, 即C u , P =f u , P ·C P =f u , T ·C T =C u , T(4分布达到平衡时, 组织中的未结合浓度C u , T 应与血(5, 严重影响药物在体内的处置, 有些药物因过大的毒性反应已被禁止销售。造成这种特殊结合的主要原因是有

27、些药物分子与血液成分之间的亲和度过大, 或某些药物存在的活泼基团对血浆蛋白上的一些氨基酸残基或其它活性结构进行了共价修饰(covalent adducts , 如抗癌药UCN -01(7-hydr oxystaurosporine 在血中与AGP 的结合常数高达8×10M348-1式中f u , T 表示药物在组织中游离率, 由上面式子可推导出药物表观分布容积随血浆游离率的表达式V d =V P +V T ·(f u , P f u , T 对多数药物来说, V d V P (如V d >0. 4L ·kg 以忽略不计, 则游离药物浓度可以表示为C u ,

28、P =V d ·C P ·(f u , T V T =A ·(f u , T V T 68(6-170,体内只有小部分药物与血浆蛋白结合, V P 的贡献可(7数量级64。又如, 血浆白蛋白上Cys 的自由巯基有着较高的活性, 可以与含巯醇基药物(thiol -containing drug 形成混合二硫键, 或与含有酰基葡(萄 糖苷酸等潜在活性基的药物共6, 65-67可见, 游离药物浓度并不依赖于总浓度及血浆蛋白的结合, 尽管它受组织结合的影响。当然总血浆浓度会随药物血浆结合率的改变而变化, 但只要组。中国临床药理学与治疗学2005Mar ; 10(3

29、83;245·药物分布容积的定义, V u , d =V d f u , P , 此时, 游离药物的表观容积(V u , d 也与药物的f u , P 无关。2. 2游离药物的清除由于结合率的变化可以引起药物清除的改变, 蛋白结合率对游离药物浓度的影响还与药物的内在清除率有关, 因此, 在体内游离药物浓度取决于药物进入机体循环的速率和它在体内的消除速率之间的平衡, 此外, 这种清除的变化可68, 69能导致游离药物浓度继而总药物浓度的变化, 因此, 游离药物浓度不能被认为与蛋白结合率呈简单的反变关系。以静脉输注为例, k 0为静脉给药速率, 若药物仅以肝脏代谢, 运用均匀搅拌清除模型

30、(well -stirred model 表示为k 0k 0Q H +f u , B ·CL int , H C u , ss =k 0CL u , H (Q H ·E H f u , B Q H ·CL int , H(8式中Q H 为肝血流量, E H 为肝抽提率, C L u , H 和CL int , H 分别为肝脏对药物的游离清除率和内在清除率。药物的肝清除程度主要取决于血中药物的游离率、肝代谢转化的内在清除率以及肝血流量的大小。当肝脏的内在清除率很小时, f u , B ·CL int , H Q H , 则式(8 变为C u , ss =k

31、 0 C L int , H此时血药总浓度C ss 为k 0C ss f ·C Lu , B in t , H(10 (971K m , 限制了药物的代谢清除; 反之, 灌流限制型药物如心得安等, 对酶的亲和力要强于与血浆蛋白的亲和力(K m K d , 药物的清除取决于肝血流量。3血浆蛋白结合与药物代谢动力学的关系3. 1表观分布容积在前面已经讨论过, 药物的分布容积与血浆蛋白结合率的关系可用公式(6 来描述, 对于大容积分布的药物, 公式(6 简化成(7 , V d 与f u , P 正比例相关, 如心得安, 文献报道V d 与f u , P 在人体内有很好的线性关系, 且V T

32、 f u , T 为一常数73。此外, 血浆蛋白结合对药物的总分布容积(V d 和游离分布容积(V u , d 的影响程度是不一样的, 如假设药物仅与白蛋白结合, 可分布于所有体液, 那么, 血浆中未结合分数的增加仅较小地影响V d , 但却能显著降低V u , d 。3. 2清除率一般说来, 与血浆蛋白结合的药物既不能通过滤过肾小球滤膜, 也不能被代谢转化从而限制了它在体内的消除。药物的清除率(C L 主要包括肝清除率(CL H 和肾清除率(C L R 。血浆蛋白结合对肝清除的影响可以借助前面提到的清除模型来说明,Q H ·f u , B ·CL int , HC L H

33、 =Q H ·E H Q H +f u , B ·CL int , H(13, 则稳态血药游离浓度C u , ss 可从式中可以看出, 对于低抽提比药物, f u , B ·C L int , H Q H , 则(13 式可简化为CL H f u , B ·CL int , H , 药物的肝清除率与游离率成正变关系; 而对高抽提比药物, f u , B ·CL in t , H ·Q H , C L H 与游离率没有关系, 只取决于Q H 的大小(C L H Q H 。肾消除主要是肾小球的滤过作用(glomerular filtrat

34、ion , 但有时还需考虑肾小管的排泄(tubular secretion 以及重吸收(reabsorp -tion 72, 74可见, 对低抽提率的药物, 血中游离血药浓度与药物结合率无关, 而总浓度则随着游离率的增加而降低, 这类药物被称为清除限制型(restrictive 药物药物, 又被称为灌流限制型(flow -limited 药物f u , B ·C L int , H ·Q H , 则有C u , ssk 0·f u , BQ H(11 (1230, 70。,相反, 对内在清除率很大的非限制性(non -restrictive 30, 70, 因此,

35、C L R =(f u , B ·G FR +C L R , secretio n ·(1-F reab sorp tion (14 式中C L R , secretion 是肾清除率中的主动排泄清除率, F reabsorption 为重吸收分数, G FR 和RBF 分别代表肾小球的滤过速度(约125ml ·min 和肾血流速(约1. 5L ·min 。肾小管排泄是主动过程, 需要能量,而大多数外源性物质如药物的重吸收以被动过程为主。在实际中, C L R 是通过尿排泄来测定的, 由于尿中物质均来于血浆, 故CL R 由药物的尿排泄量和血浆浓度决定,

36、 C L R =C U ·Q U C P , 其中C U 和Q U 分别为尿药浓度和尿流速(约1ml ·min 。对于大多数, CL R , -1-1-1C ss =k 0 Q H总血药浓度与游离率无关。这类药物的游离浓度随着游离率的增大而增大, 而对于药物的上述分类, 可借用游离药物的“拔河70, 72竞争(tug -of -war 模型”来加以解释, 肝中的游离药物在血浆蛋白与代谢酶蛋白之间存在着动态平衡, 药物与血浆蛋白和酶结合作用的亲和程度分别用可用常数K d 和K m 来表示。对清除限制性药物, , d·246·Chin J Clin Phar

37、macol Ther 2005Mar ; 10(3直接相关; 一些药物如地高辛等, 有轻微的重吸收作用, CL R 与游离率呈线性相关; 而某些药物如青霉素等, 清除率高且以CL R , secretion 为主, 则CL R 受结合率的影响很小。3. 3消除半衰期根据定义, 药物在体内的消除半衰期(t 1 则由上面两个参数分布容积和清除率共2 同决定的5, 1974角度看, 机体对药物的有效接触或暴露(exposure 的程度, 更应值得关注和考虑75。目前最常用的有关药物接触的测定参数, 主要包括一定剂量下体内的血药水平及其时间过程即血药浓度-时间曲线下面积(A UC 。(1 血药浓度判据

38、前面提到因病理、替代作用等原因, 药物与血浆蛋白结合的变化可能导致药物消除速率常数k (或t 1 的改变, 从而对体内血药浓2 度产生暂时或持续的影响。回到前面静脉输注的例子, 从公式(9 (12 得出, 血中药物结合率的变化尽管会改变体内的稳态血药浓度, 但只有在高清除率药物中才会对游离药物浓度产生影响。为了进一步说明药物的抽提性质和分布容积等因素对该过程的影响, 图1分类给出了游离药物分数增大100%(f u , B :0. 10. 2 时, 不同类型药物的稳态血药浓度C ss 和相应的游离药物浓度C u , ss 随时间的变化过程。对于低抽提比的药物, 游离率增大会仅升高C ss , 而

39、对C u , ss 的影响很小, 但应注意到, 若药物分布容积过小, 则C u , ss 可能出现瞬间增大的现象, 然而, 随游离药物再分布的完成, C u , ss 可很快恢复到初始水平(图1A ; 而高抽提比的药物, 游离率增大会升高C u , ss77, 假定清除由肝代谢主导, 由公式(6和(13 则有ln2·V d f u , P Q H +f u , B ·CL in t , Ht 1 =0. 693·(V P +V T · 2u , T H u , B in t , H(15可见, 药物在血中游离率的变化可能增大、减小或不改变消除半衰期。对于

40、分布容积较大(V d V T ·f u , P f u , T 且低清除(C L H f u , B ·C L int , H 的药物如苯妥英、丙戊酸、安定等70, 74, (15 式可简化为(16V T ·f u , P f u , T 0. 693·V T ·R B t 1 2=0. 693·f u , B ·CL int , H CL in t , H ·f u , T可见, 这类药物的f u , P 的变化对其t 1 2的影响极小, 而小分布容积或高清除药物的消除半衰期则容易受血浆蛋白结合变化的影响。3.

41、4血浆蛋白结合对机体与药物接触的影响根据前面的分析结果, 药物与血浆蛋白结合的变化可能导致一系列药代动力学参数的变化, 但仅此还不足以阐明药物蛋白结合现象在药理学上的重要意义75, 76。因此, 对治疗窗口窄、游离分数低、清除率高或分布容积小的药物, 其血浆结合率在体内发生变化时可能具有潜在的临床意义 。从药物实践的目的, 即药物效应或毒性的图1不同药物在血中游离率的改变对静脉恒速输注过程的血药浓度的影响示意图77B 、中国临床药理学与治疗学2005Mar ; 10(3 ·247·(19(2 A UC 判据与药物浓度不同, A UC 是体内药物接触参数的积分形式, 且与体外

42、所给的药物剂量(D 直接关联,A UC (17CL式中F 为系统的生物利用度(bioavailability , 若循环系统内给药无首过效应(first -pass 时, F =1; 若血管外给药, 肝的代谢可能是药物首过效应的主要因素之一, 此时, F 则为药物进入系统的各个环节, 如进入消化道、通过胃肠壁、肺等过程的利用分数(F X 和肝利用度(F H 的乘积71A U C =f u , B ·AUC运用上面的式子我们分别对在以下几种情况下药物接触参数与血中药物结合率变化的关系进行分析:(1 血管外给药如口服, 且药物很少于肝中发生清除(F H =1, E H =0 ; (2 血

43、管外给药如口服, 且药物主要在肝中发生清除(C L =CL H ; (3 血管内给药(F =1 。然而, 机体对药物有效接触取决于游离药物, 因此体内游离药物的浓度-时间曲线下面积(A UC u 才真正反映了机体对有效药物的接触程度。此外, 与浓度参数一样, 药物的清除类型也会改变血中药物游离率对药物接触的影响。根据分析结果, 表1归纳了药物的给药途径、清除类型、血中游离率等对A UC 和A UC u 的影响, 从表1中可看出, f u , B 的改变不会对低清除药物的A UC u 产生影响; 仅高清除率药物在血管内给药, 或血管外给药但非肝清除占主导时, f u , B 的改变才可能具有临床

44、上的意义75, 7775。根据前面的清除模型,将F 与CL 代入公式(17 可得F X ·(1-E H ·D F X ·D Q HA UC ·C L Q ·f u , B ·C l in t Q H +f u , B ·C L int , HQ +f u , B ·C L int(18根据定义, AUC u 与A UC 的关系为:。表1血浆蛋白结合对药物总浓度和游离浓度的时间曲线下面积的影响给药途径血管外(如口服清除方式肝清除非肝清除血管内(如静脉注射肝清除非肝清除低抽提率(CL f u , B ·CL

45、int A UC F X ·Df u , B int , HF X ·D f u , B intD u , B int , H D u , B intA UC u F X ·D CL int , H F X ·D CL int D int , H D int高抽提率(C L Q A UC F X ·D f u , B int , HF X ·D D HD QA U C u F X ·D CL int , H F X ·Df u , B D H u , BD u , B4药物与血浆蛋白结合的药效相关性分析前面的药物代

46、谢动力学理论分析结果表明, 药物的血浆蛋白结合的变化在体内并没有临床上的普遍意义。下面再从药效学角度和结合一些实例来进一步分析血浆蛋白结合或游离药物浓度的改变与体内效应或毒性之间的相关性。4. 1血中游离药物体内效应的机制药物进入体内后产生效应的强度与持续时间取决于能抵达作用靶位、并在受体周围维持一定有效浓度的活性药物29分子。一般地, 药物与血浆蛋结合成为复合体后不能跨膜转运, 药物的分布、代谢、排泄以及与相应受体结合继而发生药理效应都以游离形式进行, 因此可认为游离药物才是血液乃至靶点的“活性药物”形式。这一学说(free drug hypothesis 已得到较多, 78明药物的药理效应

47、或毒性与它们在血液中的游离部分、而不是与总浓度直接相关。药物与血浆蛋白结合产生的药理结果首先表现为对药物动力学的影响, 如主要通过改变药物的体内分布和消除, 进而改变靶组织的游离型药物的浓度等方式来影响药效的发挥, 如靶组织游离药物的浓度增高则效应增强, 而清除率降低则药物的效应延长等。例如, 动物经手术、AGP 诱导剂、或转基因等方法处理后体内的AGP 水平显著上升, 一些主要与AGP 结合的药物如心得安、利多卡因、丙咪嗪等在这些动物体内的血浆蛋白结合率明显增加, 而体内药效与游离药物浓度之间的随动性要比血药(总 浓度更好。但是, 由于药物的体内过程存在复杂的组织分布与平衡, 因此有时很难准

48、确预测血浆蛋白结合的改变所引起的相应药理效应的变化。药物效应, 7883818079-85·248·Chin J Clin Pharmacol Ther 2005Mar ; 10(3药物效应的出现有时并不同步。根据药动-药效(PK -PD 模型, 从给药剂量(D 到血药浓度(C P 的过程是由PK 因素决定的, 从效应位点的药物浓度(C E 到药效(E 产生环节取决于PD 参数, 而C P 到C E 的变化过程则由PK -PD 共同决定86改变, 但只有极少数药物的药效变化或毒副反应是由这种单纯的血浆蛋白结合率的改变所引起。例如, 低清除药物华法令、苯妥英、甲苯磺丁脲等,

49、在体内可被许多其它药物所置换, 但很少有关它们药效或副作用持续增强的报道, 仅有三氯乙酸曾引起华法令的药效瞬间内明显增强, 原因是华法令的治疗浓度窗窄且具有很小的分布容积(0. 1L ·kg ; 而具有中等或更大分布容积的苯妥英等则很少有此类现象的发生30-1。除了及时效应(immediate effect 和累积效应(cumulative effect 外, 药物的延迟效应(delay effect 则更为常见, 它大体反映了药物C P 变化导致C E 变化所需的时间。延迟多由药物的组织再分布引起, 药动-药效平衡半衰期(PK -PD equilibrium half -time

50、从几分钟到几小时不等, 如双异丙吡胺、奎宁丁和地高辛分别为2、8和200min , 有的由诱导表达等因素决定, 延迟可长达几天。对于平衡半衰期很短的药物, 如一些抗心率失常药、麻醉剂以及镇痛剂等, 血中游离药物浓度的变化可很快引起药物效应的出现, 因此在使用这些药时则应注意血浆蛋白结合率变化可能引起的不良后果, 如普罗帕酮, 尽管口服给药, 但由于它平衡半衰期很短、治疗指数(therapeutic index 窄、再加上高清除、高血浆蛋白结合的特点, 血浆蛋白结合率下降很容易出现药物的毒副反应。4. 2药物血浆结合率的变化对药效影响的分析药物血浆蛋白结合的变化可能引起药物浓度和V d 、CL

51、、t 1 2、A UC 等一系列药代动力学参数的变化, 但只有最终导致靶位游离药物浓度的改变才是影响药物效应和临床治疗结果的重要依据。事实上在体内, 由于联合用药或其它因素常导致药物结合率的7575, 86。但保泰松存在时可使华法令出现严重持续的毒副反应, 这主要是因为保泰松抑制了华法令的代谢过程, 即降低了华法令的内在清除率, 而不是单纯的血浆蛋白结合的替代作用30, 75。又如, 高抽提率的药物青霉素和乙酰唑胺, 分别与阿斯匹林和水杨酸联合用药时, 其血浆游离率和游离浓度显著增加, 但没有观察到它们的毒性反应, 可能因为其治疗浓度范围宽, 安全性大, 且阿斯匹林和水杨酸主要抑制它们肾小管分

52、泌排泄而不是它们与血浆蛋白的结合作用。此外, 表1表明, 一些高清除率药物由于血管外给药, 多数因肝代谢的首过效应(口服且非肝清除的药物很少7530, 使得血浆结合率的变化对机体与游离药物接触(A UC u 的影响很小。表2中列举的一些药物的血浆蛋白结合率的变化很少有临床上的意义, 这些药物有时与其它药物共存时, 一些具有药效或毒性相关性的游离血药浓度的变化并非或完全是由血浆蛋白结合变化, 而主要由30, 75, 76其它的机制所导致的。表2一些药物血浆蛋白结合的改变不具备药效和临床相关性的原因药物AcetazolamideCarbamazepine Ceftriaxone Chlorprop

53、amide Diazepam Ketoprofen Methotrexate Penicillins Phenytoin Tolbutamide Valproic acid Warfarin无相关性的原因-口服; 低清除率(E H =0. 08 低清除率(E H =0. 01 ; 治疗浓度范围宽极低清除率(E H =0. 001 低清除率(E H =0. 02口服; 低清除率(E H =0. 06 ; 可能平衡半衰期长低清除率(E H =0. 06 ; 可能平衡半衰期长治疗浓度范围宽低清除率(E H =0. 03口服; 低清除率(E H =0. 01 ; 平衡半衰期长极低清除率(E H =0.

54、 005 口服; 极低清除率(E H =0. 002 ; 平衡半衰期长丙磺舒等抑制II 相结合代谢和肾排泄水杨酸等抑制肾排泄阿斯匹林等抑制肾排泄2-丙基戊酸钠等抑制代谢酶保泰松、硫胺类药等抑制代谢酶水杨酸等抑制代谢酶保泰松、苯磺唑酮等抑制代谢酶83药效发生变化的其它机理水杨酸等抑制肾排泄丙磺舒等抑制肾排泄除前面提到的代谢抑制外, 还应注意到一些与血浆蛋白有关的因素导致的内在清除率变化, 例如, 手术处理后的大鼠体内AGP 水平升高, 降低了血浆中心得安的游离率, 但同时也减小了C L int , H 值; 又如人AGP 通过减少肝细胞表面对哌唑唪的摄入(uptake , 而不是抑制代谢, 来降

55、低药物的在肝中的中国临床药理学与治疗学2005Mar ; 10(3 ·249·内在清除87。血浆蛋白对药物的这种作用不是简88合对药效或毒性的影响时, 应充分考虑到更多其它因素的影响。图2总结了在常规药物实践中如何考虑这些因素, 以明确哪些药物、在什么情况才有必要进行药物的游离浓度监测和血浆蛋白结合的药效和临床相关性研究68, 76单的结合行为, 如丙咪嗪进入脑组织受AGP 抑制, 但几乎不受HSA 、脂蛋白等血浆成分的影响。一些文献报道AGP 可降低某些药物的摄取, 而HSA 则相反87, 对于强血奖蛋白结合的药物(如脂肪酸、胆89。在图中所示的各项药物-血酸等 在肝内的

56、快速清除机理, Weisiger 等曾提出了肝细胞表面白蛋白受体假说, 但Reed 等并未发现有白蛋白受体存在于肝细胞表面, 他们认为细胞表面诱导的白蛋白构象变化促使了与白蛋白结合药物的迅速释放, 可见, 血浆蛋白影响组织细胞对91, 92药物的摄取的机理颇为复杂。4. 3药物-血浆蛋白结合的药效和临床相关性指标综合前面的分析, 药物-血浆蛋白结合的变化最终并不一定导致相应的药物效应的改变, 还取决于药物与蛋白的结合性质、治疗浓度范围、内在清除率、分布容积、药动-药效平衡时间、给药方式等诸多因素。此外, 不少与药物药效或毒性相关的游离血药浓度的变化并不完全是由血浆蛋白结合率的改变所引起(表2

57、。因此, 如果仅根据药代动力学参数发生变化就强调药物与血浆蛋白结合研究具有临床上的重要相关性是不充分的, 在分析药物血浆蛋白结90浆蛋白结合的药效相关性指标中, 药物与蛋白的结合性质和治疗药物的游离浓度安全性范围是优先考虑的, 一个结合率低于70%时的药物, 即使结合率降低10%,体内游离药物浓度最多只增加20%,而一个结合率高达98%的药物, 若结合率降低10%,则可以使游离药物浓度上升5倍。当然, 如果药物的安全浓度范围较大, 即使游离浓度增加很多倍, 也不会导致严重的毒副反应。对于安全性小的药物, 血浆蛋白结合率变化对药效和毒性的影响, 还取决于药物的清除特性、分布容积和药动-药效平衡半

58、衰期的大小。通常, 在治疗血药浓度范围内药物的血浆蛋白结合率是比较恒定的, 药物的血药浓度就大体反映了血中的游离药物水平, 此时, 即使药物的血浆蛋白结合发生改变, 也没有必要特别进行体内游离药物的浓度监测(图2 。图2游离血药浓度监测和体内药物-血浆蛋白结合的药效与临床相关性评价与研究方略·250·Chin J Clin Pharmacol Ther 2005Mar ; 10(3specific drug binding sites on hu man serum albumin J . MolPharmacol , 1975; 11:824-32Liu R , Pidikiti R , Ha C -E , Peter