第2章药物毒性代谢动力学

1、第2章药物毒性代谢动力学一、研究目的(1)描述药物在动物全身暴露及其毒性剂量和时间的关系;(2)了解毒性研究中药物暴露量与结果之间的关系；(3)明确重复用药的暴露延长对代谢的过程；(4)评价药物在不同种属、性别、年龄、生理和病理状态下的毒性反应；(5)评价毒理学试验间的关联性、毒理学试验与药效学试验间的关联性、毒理学结果对临床试验的支持作用；(6)阐明药物的致毒机制和毒性发生、发展规律；(7)为进一步的非临床毒性研究设计和临床试验的给药剂量设置和药物的安全性提供资料。第一节 毒代动力学的研究目的和内容2continue二、研究参数 暴露：表达药物浓度与驻留时间的关系 血浆药物浓度或血浆代谢物浓

2、度C 血药浓度曲线下面积AUC 药峰浓度C max 达峰时间Tmax 半衰期t 1/23三 、研究内容单剂量毒性研究 (急性毒性研究 ) 动物一次 (24vh 内多次 ) 给药 后 ,一定时间内所产生的毒性反应.目的: 确定毒性试验剂量,预测药物全身暴露的速率程度 及 持续时间,为后期研究 提供依据 .常用方法: 最大耐受量法,最大给药量法,半数致死剂量法,固定剂量法,序贯法,近似致死量法,累积剂量法. 通常在药品开发的早期进行，这些研究一般早于生物分析方法建立之前，因此无法进行毒代动力学监测。如果需要对其进行研究，可在研究中采集血浆样本，储存以备后期分析，但要求待分析物在样本基质中稳定性数据

3、合乎要求。为解决在单剂量毒性研究中出现的问题，在此项研究完成后可另进行毒代动力学研究。42.重复给药毒性研究 (长期毒性研究 )目的 :通过长期的重复给药显示动物的毒性,预测药物可能对人的不良反应,降低其临床用药风险.获得的主要信息 :全身暴露情况,性别和种属差异,剂量相关性,蓄积程度,肝药酶的变化等 .方案设计和种属选择要尽可能与药效学和药代动力学原则相符合。毒代动力学可纳入毒性研究设计中，包括最初重复剂量研究过程中，对合适的剂量水平中毒过程进行监测。后期研究采用的步骤将依据前期研究的结果和试验设计方案中出现的变化。早期毒性研究结果出现问题时，对特定药物的监测或特征描述可以扩大、缩小或修改。

4、53.组织分布研究 几下几种情况需要考虑药物的组织分布:1.单次给药有药物在组织或器官积蓄,其组织半衰期显著超过血浆半衰期,且达到毒性试验给药时间间隔的两倍.2.药代动力学和毒代动力学研究显示循环系统内药物或代谢物的稳态浓度显著高于单次给药预测的浓度.3.单次给药的组织分布研究中,药物主要分布的组织有病理变化,应考虑重复给药的组织分布研究,解释药物与靶器官的关系 .4.具有特异性分布的靶向释放药物.64. 遗传毒性研究 当体内遗传毒性研究出现阴性结果时，毒代动力学可以较好地描述所用种属的全身中毒情况或对特定组织的毒性效应。 5. 致癌研究需致癌研究的药物 :1.结构与已知致癌物质结构相似的新药

5、或代谢物;2.长期毒性试验中发现有细胞毒作用或对某些脏器,组织细胞生长有异常促进的作用的药物;3.致突变试验结果呈阳性的药物;76.生殖毒性研究 药物对生殖能力胚胎和胎儿生长发育及分娩前后动物的影响. 生殖毒性研究时，中毒剂量的极限通常由母体毒性所决定。毒代动力学数据并非对所有药物生殖毒性试验都是需要的，但在某些情况下，毒代动力学监测是有价值的，尤其是对母体毒性低的药物。 在缺乏药理或毒理资料而难以断定全身中毒量是否足够时，毒代动力学原理有助于确定在生殖过程不同阶段给药以达到的中毒量。 雌性动物的下述试验组可用于收集毒代动力学数据。8第二节 药物动力学的基本概念和重要参数一、药物在体内的分布和

6、消除 （1） 分布：药物 从血液向组织、细胞间液或细胞内液转运的过程。 房室模型 动力学的房室(compartment)概念是抽象的数学概念，其划分取决于药物 (毒物)在体内的转运及/或转化速率。 9一室模型：体内药物瞬时在各部位达到平衡，即给药后血液中浓度和全身各组织器官部位浓度迅即达到平衡。 continue 10 一室模型计算公式：一房室模型（First-order compartment model）药物吸收消除11continue二室模型：药物在某些部位的药物浓度和血液中的浓度迅速达平衡，而在另一些部位中的转运有一速率过程，但彼此近似，前者被归并为中央室，后者则归并成为外周室。 三室

7、模型：转运到外周室的速率过程有较明显快慢之分。 12二房室模型二室模型药物中央室周边室吸收消除13 二室模型计算公式：C=Ae t+Be t C: t 时血浆药物浓度 : 分布速率常数 : 消除速率常数 B 相外延至纵轴的截距 A 实测浓度和相各相应 t 时浓度之差形成的直线在纵轴上的截距 e: 自然对数之底斜率= - 斜率=- /2.303 A+B 14continue (2)药物的消除速率类型 药物的消除速率：药物在体内转运和转化引起的血药浓度随时间的变化。dC/dt = - kCn消除速率常数 (Rate constant for elimination) 类型: 一级速率、零级速率15

8、16 一级消除动力学 (First order elimination kinetics )： n = 1 dC/dt = - kC零级消除动力学 (Zero order elimination kinetics) n = 0 dC/dt = - kdC/dt = - kCn消除速率常数 (Rate constant for elimination) 1617零级 一级 零级 对数浓度 一级浓度 18一级消除动力学数学表达公式19一级消除动力学特点：消除速率与血药浓度有关，属恒比消除 有固定半衰期 如浓度用对数表示则时量曲线为直线2021 一级消除动力学 (First order elimin

9、ation kinetics )： n = 1 dC/dt = - kC零级消除动力学 (Zero order elimination kinetics) n = 0 dC/dt = - kdC/dt = - kCn消除速率常数 (Rate constant for elimination) 21零级动力学(zero-order elimination kinetics)0级消除动力学 数学表达公式 0级消除动力学特点：消除速率与血药浓度无关，属定量消除无固定半衰期 血药浓度用真数表示时量曲线呈直线22非线性动力学消除:米氏消除动力学（混合型消除）： 包括零级和一级动力学消除在内的混合型消除方

10、式。 如当药物剂量急剧增加或患者有某些疾病，血浓达饱和时，消除方式则可从一级动力学消除转变为零级动力学消除。如乙醇血浓0.05 mg/ml时，则可转成按零级动力学消除。 232425单位时间内多少容积血浆中的药物被清除，反映肝肾功能；单位：L/h或ml/min CL=CL肾脏CL肝脏CL其它 计算公式： CL = K Vd= 0.693 Vd / t1/2 单位时间内机体清除药物的速率。 计算公式： CL = D / AUC1、消除率（ Clearance，CL ） 二、主要参数262.速率常数ke表示单位时间内药物从体内消除的分数，即药物从体内任一时间消除与该时间内药物的量成正比。单位：h-

11、1反应药物从体内消除的快慢例： ke=0.1 h-1表示每小时消除体内药物的10%。27 血浆药物浓度消除一半所需时间3.消除半衰期（Half-life, T1/2） 零级消除动力学: t1/2 = 0.5 C0/k 一级消除动力学: t1/2t1/2t1/2t1/2t1/2t1/2Slope(斜率) 时间（h）时间（h）血浆药物浓度血浆药物浓度单位时间消除药量与浓度成正比半衰期不随浓度而变单位时间消除药量不变半衰期随浓度而变28体内药物总量和血浆药物浓度之比 Vd(L)A(mg)/C(mg/L)=F DC 4、表观分布容积（Volume of distribution）设想药物均匀分布于各种

12、组织与体液，且浓度与血液中相同，在这种假设条件下药物分布所需容积。数学概念，并不代表具体的生理空间。给药剂量或体内药物总量与血药物浓度的比例常数 29DrugVolume (L/70kg)阿的平（Mepacrine）40000氯喹（Chloroquine）17000苯丙胺（Amphetamine）300普萘洛尔（Propranolol）250氨茶碱（Theophylline）30甲苯磺丁脲（Tolbutamide）6血浆 3 L细胞间液 12 L细胞内液 27 L体液总量、组成和药物Vd的关系Acidic drugsBasic drugsAmphoteric drugs Neutral dru

13、gs碱性药物因在组织内蓄积而致高Vd值部分常用药物的Vd总体液：42 L30 推测药物在体内的分布范围 Digoxin：0.5mg 0.78 ng/ml Vd = 645 L主要分布于肌肉（包括心肌，其浓度为血浓30倍）和脂肪组织 计算用药剂量：Vd=D/CVd的临床应用意义31hrs Plasma concentration 7.峰浓度（Cmax） 一次给药后的最高浓度 此时吸收和消除达平衡 8.达峰时间（Tmax） AUC 5.曲线下面积 单位：ngh/mL 反映药物体内总量Area under curve 32 药物到达全身血循环内的相对量和速度2. 吸收速度： 比较 Tmax 绝对生物

14、利用度： F = 100% AUC血管外AUC静注 不同制剂AUC比较 F = (AUC受试制剂 AUC标准制剂) 100%6、生物利用度（ Bioavailability ）1. 吸收相对量 相对生物利用度：33同一受试人群口服0.5mg 地高辛（digoxin）A制药公司产品 B制药公司生产的两批产品34一室模型药物的药量-时间关系 Time course of drug concentration时 间 （分）血浆药物浓度 (mg/L) 口 服 静脉注射 一、一次给药35hrs Plasma concentration 峰浓度（Cmax） 一次给药后的最高浓度 此时吸收和消除达平衡 达峰

15、时间（Tmax） AUC 曲线下面积 单位：ngh/mL 反映药物体内总量Area under curve 36379.稳态浓度（target concentration） 是安全有效的平均稳态血浆药物浓度（Css），指多次给药，并按照一级速率消除时，给药速率与消除速率达到平衡时的血药浓度。n)Css根据靶浓度计算给药剂量和制定给药方案，药后还应及时监测血药浓度，调整剂量，以始终准确地维持在靶浓度水平。 靶浓度DrugsTarget conc.Toxic conc.Acetaminophen15 mg/L300mg/LChloroquine20 ng/mL250 ng/mLDigoxin1 n

16、g/mL2 ng/mLImipramine200ng/mL1 mg/LLidocaine3 mg/L6 mg/LNortriptyline100 ng/mL500 ng/mLPhenobarbital15 mg/L30 mg/LPhenytoin10 mg/L20 mg/L38continue10 峰浓度C(ss)max、谷浓度C(ss)min11 蓄积因子R:表示多次给药后药物在体内的累积程度.R = C(ss)max / C(1)max= C(ss)min / C(1)min =1/(1-ekT)39第三节 毒力代谢动力学研究的试验设计原则1。方法可靠；2。试验设计合理 给药途径、剂量、动

17、物数、取样点等；3。结合毒理学和药动学结果进行综合分析40试验设计应注意事项 1。药物暴露：药物毒性效应的定量 中毒程度可用原形药物或其特定代谢产物的血浆(血清或全血)浓度或AUC表示。全身暴露（中毒）的定量可为评估受试种属负荷剂量提供依据，并有助于明确种属间、剂量组间和性别间的毒性相似性和差异性。41continue2，采样时间和采血量（不超过1/10） 采集体液的时间点应达到所需的频度，但不可太频繁以免干扰正常的研究，并引起动物过度的生理应激反应。每项研究的测试时间点应满足药物中毒评估的要求。时间点的确定应以早期毒性研究的动力学数据为基础，也可根据预试验或剂量-毒性效应研究，以及在相同动物

18、模型或可以合理外推的其它动物模型另行研究。423，确定剂量水平以达到合适的中毒量 毒性研究中剂量水平的设置主要由受试种属的毒性和药理学效应所决定。以下列举的毒代动力学原理有助于剂量水平的设置。 (1)低剂量:即无毒性反应的剂量。任何毒性研究的动物最小中毒量在理论上应等同于，或刚刚超过推荐病人(或已知的)的最高用量。 (2)中等剂量：根据毒性研究的目的，中等中毒剂量应该能正常反映较低(或较高)中毒剂量的适当倍数(或分数)，以体现剂量-毒性效应关系。 (3)高剂量：在毒性研究中，高剂量水平通常由毒理学的需要而定。一般要有少数动物中毒死亡，或体重明显减轻。434。中毒程度的评估 试验动物（数量、性别

19、、年龄） 在药物毒性研究中，全身毒性效应必须通过适当数量的动物和剂量组进行测定，以能获得适用的毒代动力学数据，为风险评估提供依据。 毒代动力学可用在主体药物毒性研究或其它相关研究的动物，或有代表性的部分动物身上进行。毒代动力学数据的样本，通常采用主体研究所用的动物，因为主体动物包括了大动物如犬，而其它的相关研究常用较小的种属如啮齿类动物。同时应该采用雌雄两种动物。445。给药途径 以改变给药途径(例如吸人、体表或非肠道释放)来进行毒代动力学研究时，应基于受试药物拟推荐给药途径的动力学性质。 对某一药品采用新的临床给药途径时，（例如一种初期作为口服剂型开发的产品随后又作为静脉给药产品进行开发的情

20、况下，）必须确定改变临床给药途径是否会显著降低安全范围。 该过程包括在人体比较现行的和推荐的给药途径下，进入体内原形药物和(或)其相关代谢产物量 (AUC和Cm)。 如果新给药途径引起人AUC和(或)CM的增加，或有生物转化通路的变化，则应通过动物毒理学和动力学研究以保证安全性。如果推荐的新途径与现有途径相比，进人体内的药物无显著改变，则其它的非临床毒性研究可着重于局部毒性试验。456。代谢产物的测定 药物毒代动力学的主要目的是了解受试药物在产生毒理作用种属中达到的全身中毒量。但在下列情况下，血浆或其它体液中代谢产物浓度的测定在毒代动力学试验中更为重要： (1)受试药物为前体药物而其代谢产物已

21、知是活性药物； (2)药物可被转化为一种或多种具有药理或毒理活性代谢产物，且这些产物可导致明显的组织器官反应； (3)受试药物在体内可被广泛生物转化； 上述情况在毒性研究中给予动物该药物后，测定主要代谢产物的血浆或组织浓度是评价中毒量的合适手段。467。数据的统计学评价 所获数据应能对中毒量进行有代表性的评价。但由于动力学参数存在个体内和个体间的差异，毒代动力学资料的动物样本较小，因此通常不需要高精度的统计学处理。应该注意平均值或中位数的计算以及变异性的测定，在某些情况下，个体动物的数据可能比统计分析的成组资料更为重要。478。分析方法 将毒代动力学结合毒性试验，早期建立的分析方法应根据生物转

22、化情况和种属差异来选择分析药物和检测基质(生物体液或组织)。研究方法对被测药物应是特异的，有足够的准确度和精密度，定量限应满足为获得毒代动力学数据所预期测定的浓度范围。48 必须说明分析药物和检测基质(生物体液或组织)的选择理由，检测来自不同种属样本时，内源性物质可能会引起的干扰。通常选择血浆、血清或全血作为毒代动力学研究的基质。 如果药物是消旋体或其它对映异构体的混合物，对所选的分析物(消旋体或对映异构体)应另加说明。 在非临床研究中检测的药物和基质理论上应与临床研究一致。如果在非临床和临床研究中采用了不同的分析方法，则它们均应进行充分认证。499。报告 指对得到的毒代动力学数据、毒性效应结

23、果的评价、以及应用毒代动力学资料对毒理学结果进行解释的综合报告。应提供动力学研究分析方法的概述，及其选择测定基质和药物的依据。动力学资料在申报资料中的位置，取决于是特异地对某一毒性研究，还是能支持所有的毒性试验。50其他：毒性作用复杂因素探索 应考虑药物与蛋白结合、组织摄取、受体性质和代谢途径上的种属差异。例如，对于蛋白结合率高的药物，用游离(未结合)型药物浓度来表示中毒量更为合适。此外，代谢产物的药理活性和毒理作用以及生物药品的抗原性。血浆浓度相对较低时，特定的组织或器官中也可有药物和(或)其代谢产物的存在。这些均为药物毒性作用的复杂因素。 51第四节 特殊药物和给药途径的毒代动力学研究一、

24、不同类别的药物1。抗癌药2。生物制品3。儿童药物4。辅料52二、给药途径1。 静脉注射2。 局部浓度3。 吸入药4。 掺食给药53第五节 毒代动力学资料解读一、支持临床研究二、注意事项 1。动物毒性存在品种和性别的差异，该差异与临床评价关联；2。毒性的严重程度与药物剂量不成比例，可能是由于饱和现象或自身诱导的作用。3。毒性研究中血药浓度偏高或偏底；4。考虑蛋白质结合、组织摄取、受体性质和代谢的种属差异5 代谢物的药理活动、毒理学作用和生物制品的抗原性545556毒物的吸收、分布、生物转化与排泄 毒物分子的跨膜转运FreeBound组织器官体循环吸收生物转化排泄游离型结合型代谢物57 被动转运

25、(passive transport) 特点： 顺膜两侧浓度差转运 高 低 不消耗能量 不需载体，无饱和性 各药间无竞争性抑制现象绝大多数毒物按此方式通过生物膜58体液pH对毒物被动转运的影响pKa：弱酸或弱碱类毒物在50%解离时的溶液的pH 值。Ka = H+ A HA pKa = pH - log A HA A HA 10pH-pKa =酸性 碱性pKa-pH59 膜两侧不同pH状态，弱酸类毒物被动运转达平衡时， 膜两侧浓度比较：例：某弱酸性毒物 pKa分子型 离子型 毒物总量 （分子型+离子型）血浆 胃液 HA1A-100 101HA1A-0.0001 60主动转运 (active tr

26、ansport) 特点： 逆浓度差转运 消耗能量 需载体，有饱和性 有竞争性抑制现象（例：丙磺舒与青霉素）易化扩散 (facilited diffusion) 特点： 不需要能量，有饱和性 61特殊转运 (specialized transport) 内摄作用（endocytosis）液体毒物：吞饮作用（pinocytosis）颗粒毒物：吞噬作用（phagocytosis）62主要影响毒物通过细胞膜的因素药物的脂溶性膜面积与厚度毒物的浓度差局部血流量63（一）经胃肠道吸收是药物和毒物吸收最重要的部位之一，治疗服用、误用或者自杀。 如安眠药、有机磷等。影响消化道对毒物吸收速度的因素：1.毒物的理

27、化性质2.胃肠道存留食物的多少3. 毒物在胃肠道各部位的停留时间4. 胃肠道的吸收面积和吸收能力5. 胃肠道局部的pH6. 胃肠道的分泌能力7. 肠道的微生物菌丛（约有60种细菌对毒物有转化作用） 一、吸收（absorption ） 64胃肠道血液（二） 经肺吸收 气体、挥发性溶剂或颗粒可经由肺部吸收，如吸人给药(吸入麻醉)、喷雾给药 (喷雾剂)，因此药物可通过肺泡壁吸收产生毒性作用。呼吸道表面积30 100M2，毛细血管网的总长度约2000km鼻咽支气管肺泡毒物65（三） 经皮肤吸收成人的体表面积约平方米毒物通过皮肤吸收的途径1.单纯扩散 （大部分亲脂性毒物）2.毛发区的毛囊吸收3.汗腺管吸

28、收4.经破损皮肤部位吸收影响毒物通过皮肤吸收的因素1.毒物的性质和浓度2.皮肤的酸碱度、水分含量、面积和 厚度。3.皮肤的解剖和生理特性（与年龄、 种族和种属有关）66毒物从血液向组织、细胞间液或细胞内液转运的过程称为分布。 二、分布 distribution（一）分布容积 distribution volume体内毒物总量和血浆药物浓度之比，Vd非体内生理空间，因此也叫表观分布容积 (Apparent volume of distribution) A：体内药物总量 C：平衡时血药浓度67药物（毒物）在人体内的分布情况区域 总量的% 70kg人的体液（L） 给1g化合物后血浆浓度（mg/L）

29、血浆 4.5 3 333总细胞外液 20 14 71总体液 55 38 26组织结合 - - 025681. 药物与血浆蛋白结合（Protein binding）可逆影响转运、无药理活性 不同药物与血浆蛋白结合率不同药物之间有竞争性（二）药物（毒物在组织中的储存）69unbound90mg10mg boundunbound90mg + 5mg10mg -5mg bound95mg bound5mg unbound95mg 5mg bound5mg + 5mg unboundsignificantnegligible70与血浆蛋白结合率比较高的药物 95% boundThyroxine 甲状腺素

30、Warfarin 华法林Diazepam 地西泮Frusemide 呋塞米Heparin 肝素Imipramine 丙咪嗪 90% but 95% boundGlibenclamide 格列本脲Phenytoin 苯妥英Propranolol 普萘洛尔Sodium Valproate 丙戊酸钠712. 药物在肝脏和肾脏的储存肝脏细胞内的蛋白谷胱甘肽S-转移酶药物、毒物有机酸肝脏、肾脏中的金属硫蛋白金属离子723. 药物在脂肪组织中的储存高脂溶性的有机化合物，如硫喷妥。4. 药物在骨骼组织的储存含有氟、铅等金属的化合物73（三） 体内生物膜屏障（membrane barriers)血脑屏障 Bl

31、ood Brain Barrier胎盘屏障 Placental barriers74 药物在机体内发生化学结构的改变过程，是药物在体内消除的重要途径三、生物转化 Biotransformation 1. 药物代谢的部位 肝脏： 肝外部位：肠、肾、脑 等752.药物在体内转化的两个步骤： I相反应 II相反应 药物 代谢物 结合物 （氧化、水解、还原等） （结合）药物经生物转化后，其结局如下： 灭活、毒性降低极性增加 产生毒性代谢物76专一性酶 如ChE, MAO等非专一性酶（细胞色素 P450药物代谢酶系，CYP450）生物转化主要在肝脏进行，因促进体内药物生物转化的酶主要是肝脏微粒体氧化酶系统（又称肝药酶）也称为细胞色素P-450氧化酶。其特点是:专一性低，活性有限，个体差异大和活性可受药物影响3. 生物转化酶的特点及种类：77CYP2