中国药科大学中药分析技术课件中药代谢动力学

1、中药代谢动力学 杨杰 08.12.19中药药代动力学的概念 中药药代动力学是借助于动力学原理，研究中药活性成分、组分、中药单方、复方在体内吸收absorption、分布distribution、代谢metabolism、排泄elimination的动态变化规律及其体内量效关系，并用数学函数加以定量描述的一门边缘学科。 主要研究药物的体内过程及体内药物浓度随时间变化的规律。中药药代动力学研究的意义 中药和西药存在着非常大的“语言”差别，而“语言”问题是中药走向国际化道路的最大障碍，那么走向国际化道路的通用语言是什么呢？是中药的物质基础：包括药物的化学成分、药代动力学、毒理研究、严格规范的GCP临

2、床试验数据。中药药效学药动学侯选新药毒性研究 美国最近一项报告指出，药物研究过程中只有10%的新药候选物可进入市场，而大约40%的药物是由于无体内活性或药代动力学参数不佳而遭淘汰。因此，在药物设计及新药开发早期进行药物代谢研究将有助于获得安全、有效的治疗药物，降低候选药物的淘汰率。 中药药代动力学对于了解中药的作用机制、指导临床合理用药、优选用药方案、指导剂型改进和新药研究设计的重要性日益引起重视。中药成分复杂，其不同的作用可由不同的成分引起，而且可能是若干成分共同作用的结果。如延胡索扩冠脉的成分是其季胺类生物碱，而镇痛成分则主要是所含的四氢巴马汀。不同的成分在体内代谢、消除的途径、速度都不可

3、能相同，同一个中药，不同的作用或其所涉及的有效成分，在体内有不同的药动学过程。所以中药药代动力学与西药药代动力学相比要复杂得多。 药物代谢与药物不良反应 为保证药物临床应用的安全性，在开发过程中一定要对新药进行全面细致的安全评价，并要充分预测在人体内可能产生的毒性。一般可用动物实验预测药物的安全性。 自由型药物 结合型药物组织Binding and storage给药部位 肝等Biotransformation靶器官Sites of actionAbsorptionDistribution代谢物MetabolismExcretion循环系统 药物体内ADME过程一、吸收（Absorption）

4、二、分布（Distribution）三、代谢 (Metabolism)四、排泄(Excretion)五、主要药代动力学参数六、应用（一）吸收（Absorption） 药物在胃肠道的吸收小肠是营养成份以及药物的主要吸收部位。对于首过效应大的药物，口服给药往往生利用度很低 其他吸收途径口腔粘膜、鼻腔粘膜、直肠粘膜、皮肤、肺部、皮下、肌肉、眼部口服主要吸收部位在小肠 首过消除（first pass elimination）口服药物在吸收过程中受到胃肠道和肝脏细胞的酶的灭活代谢，导致进入体循环的活性药量减少的现象。 研究胃肠道吸收的常用方法在体回肠灌流法本法能避免胃容物和消化道固有生理活动对结果影响。

5、2）肠外翻囊法（everted sacs）该方法可根据需要研究不同肠段的药物吸收或分泌特及其影响因素3) Caco-2细胞模型（Caco-2 cell model） 可作为研究药物吸收的快速筛选工具; 在细胞水平上研究药物在小肠粘膜中的吸收、转运和代谢; 可以同时研究药物对粘膜的毒性; 由于Caco-2细胞来源于人, 不存在种属的差异性。 （二）分布 (Distribution)影响因素2、体内屏障（1）血脑屏障（2）胎盘屏障3、其他（3）血眼屏障1、蛋白结合率血浆蛋白 药物的代谢和排泄统称为消除（elimination）。药物的代谢(metabolism)，也称为生物转化(biotransf

6、ormation)，是药物从体内消除的主要方式之一。（三）代谢 (Metabolism)药物消除药物不经任何代谢而直接以原型随粪便和尿液排出体外在体内经代谢后，再以原型和代谢物的形式随粪便和尿液排出体外。（1）专一性酶如乙酰胆碱酯酶、单胺氧化酶等。它们分别转化乙酰胆碱和单胺类药物。（2）非专一性酶AChEP-450代谢酶如肝脏微粒体混合功能酶系统，如： 细胞色素P-450。它们能在体内转化约200种化合物代谢方式 一相反应 二相反应亲脂性药物 水溶性代谢产物 高水溶性代谢产物 氧化、还原、水解 结合反应 第一相反应：以细胞色素P450为核心的单加氧酶系的作用下，分子结构发生改变，极性增强。第二

7、相反应：第一相反应后，生成的初级代谢产物与内源性物质（葡萄糖醛酸、硫酸盐等）结合，转化为水溶性更高的化合物。16 第一相反应氧化反应 氧化反应是药物代谢中最常见、最重要的反应。某些氧化反应由线粒体和细胞质中的脱氢酶或氧化酶催化，而大部分氧化反应是由肝脏微粒体单加氧酶末端酶系细胞色素P450催化。 细胞色素P450酶系统是电子传递系统，该系统的核心是细胞色素P450。参与向底物传递氢的还有NADPH-细胞色素P450还原酶和NADPH，它们起提供电子的作用。17 1. C-烷基的氧化:一般来说，甲基、亚甲基和次甲基的氧化性依次降低。但由于这些基团所处的化学环境不同，实际上也很难预测其氧化性的难易

8、。 川芎嗪在大鼠体内的生物转化 川芎嗪在家兔体内的生物转化 182. N-烷基的氧化: FAD-单加氧酶是肝脏含量最丰富的黄酶之一，约占肝细胞总蛋白质量的0.5，它催化仲胺的羟基化和叔胺、羟胺的氧化，因此也称胺氧化酶（amine oxidase）。 吴茱萸碱在大鼠体内的生物（转化） 19 3. O-和S-烷基的氧化 由微粒体FAD-单加氧酶催化，主要有S-脱烷基、脱硫和S-氧化三种类型。 4. 脂肪环的羟基化脂肪环化合物由于具有亚甲基结构，同直链状烷烃一样易于氧化代谢。如将环己烷给予家兔，有38左右的环已烷被氧化为环己醇，后者继续被氧化为反式环己二醇，最后以葡萄糖醛酸形式排出体外。环己醇也可以

9、葡萄糖醛酸形式排出体外。 20 双键邻位的亚甲基易于被氧化代谢，但双键本身也能够被氧化代谢生成环氧化物。一般来说，环氧化物在化学上是不稳定的，反应性丰富，常常与生物体内源性大分子蛋白质以及核酸等共价结合，导致组织坏死和致癌等等。在生物体中形成的该类环氧化物可迅速被存在于肝微粒体或肝细胞可溶部分的环氧化物水解酶分解。5. 双键的氧化21 分子中含有芳香基的药物较多，其上的氢被羟基取代是芳香基氧化的特征，又称为羟基化反应。般来说电子密度高的部位优先被氧化。例如：芳环上已有羟基或氨基等供电子取代基，它们的对位（P-位）或邻位（O-位） 容易被氧化。而像硝基苯具有吸电子取代基的化合物就很难发生羟基化，

10、把硝基还原后进行氧化可得到p-氨基酚主要代谢产物。 6. 芳香环的氧化：22第一相反应还原反应 与氧化代谢反应相比，生物体内进行的还原反应就显得很少，但对于药物的生物转化也有重要的意义。硝基化合物还原为羟胺是生物体常见的还原代谢反应，从启动高铁血红蛋白形成开始，有时也产生细胞毒、致突变、致癌等活性代谢产物，这些反应在毒理学研究上有重要意义。能够进行还原反应的官能基有：硝基、偶氮基、N-和 S-氧化物、环氧化物、过氧化合物、羰基（醛、酮）、烯基、二硫化物、C-卤素，等等。23 厚朴酚在大鼠体内的生物还原 24 第一相反应水解反应（1）环氧化物的水解： 具有芳基和烯基的脂肪族碳氢化合物容易被氧化，

11、生成环氧化物。环氧三元环应力大，反应性强。与多种生物体成分发生亲电反应而使细胞坏死、突变、致癌，等等。生物体防御这种有害反应发生的酶类有环氧化物水解酶，将环氧化物催化为反式邻二醇。25青蒿素的人体内生物转化 26（2）糖苷键的水解： 糖苷键水解是天然药物中糖苷化合物进人生物体后最普遍的反应。口服给药水解反应主要发生在胃肠道内，静脉给药水解反应主要发生在肝脏内和肠肝循环过程中。 27淫羊藿苷在人体内的代谢 28 第二相反应结合反应 药物代谢的结合反应就是药物经过第一相的氧化、还原、水解等生物转化，代谢物进入第二相与生物内源性分子如葡萄糖醛酸、硫酸盐、磷酸盐、甘氨酸或其它氨基酸、硫氰酸盐结合或乙酰

12、化、甲基化等，生成水溶性的、无药理作用的产物，从尿液或胆汁排泄。 29 （1）葡萄糖醛酸结合反应 具有或在第一相反应生成的羟基（-OH）、巯基（-SH）、氨基（-NH2）、羧基（-COOH）等的化合物均能与葡萄糖醛酸反应。催化该反应的酶是UDP-葡萄糖醛酸基转移酶（UDP-glucuronyl transferase，UGT）。 30葛根素在大鼠胆汁和尿液中的排泄 31葛根素在大鼠体内的转化 （2）硫酸结合反应 32（3）磷酸结合反应 （4）氨基酸结合反应 （5）乙酰基结合反应 。（6）甲基结合反应 33药物代谢作为特殊条件下的有机化学反应，有一定的特点，归纳如下： 氧化反应为主 反应底物种类

13、多 代谢物水溶性增加 药物转化的多样性 药物代谢是多种因素作用的结果 药物代谢后活性变化代谢物活性或毒性降低形成活性代谢物形成毒性代谢物前药的代谢激活药物代谢的部位 药物在肝脏的代谢 药物在肠道内的代谢 药物在肾脏内的代谢 药物在肺部的代谢 药物在脑部的代谢药物代谢研究常用的方法 1、体内研究方法 在整体水平上进行的，给予一定剂量的药物后，于不同的时间段分别收集胆汁、尿液和粪便，然后采用 HPLC、LC-MS 和 LC-MS/MS等方法从胆汁、尿液和粪便寻找药物的代谢产物（包括相和相代谢物），并对代谢产物进行初步的分析和鉴定，最终确定药物在体内的代谢途径。盐酸关附甲素在人和大鼠体内代谢途径2、

14、体外研究方法肝微粒体体外温孵法、肝细胞体外温孵法、 离体肝灌流法 、肝切片法 体外代谢研究可以排除体内诸多的干扰因素，直接观察到代谢酶对底物的选择性代谢；对于体内代谢转化率低，且缺乏灵敏检测手段的药物来说，体外代谢不失为一种很好的研究手段；具有快速简便的特点，适合于大批量化合物的药动学筛选；研究费用相对较低。与体内代谢情况不完全一致，因此体外代谢无法代替体内代谢研究，两者相辅相成。（四）排泄 (Excretion)药物的排泄途径、胆汁排泄肝肠循环、粪便排泄、乳腺、汗腺、呼吸、唾液、泪水、肾排泄肾小球滤过肾小管主动分泌肾小管被动重吸收40峰值浓度（Cmax）和达峰时间(tmax)最小有效浓度（M

15、EC）有效期（effective period）最小中毒浓度(MTC)半衰期（elimination half-life t1/2) 指血浆中药物浓度下降一半所需的时间。t1/2的意义反映机体消除药物的能力与消除药物的快慢程度；一次用药后经过5个t1/2后体内药物基本清除干净；按t1/2的长短常将药物分为5类：超短效为t1/21h，短效为1-4 h，中效为4-8 h，长效为8-24 h，超长效为24 h；肝肾功能不良者，药物的t1/2将相应延长，此时应依据病人肝肾功能调整用药剂量或给药间隔。 时-量曲线 时间代谢排泄相Cmax潜伏期持续期残留期MTCMECTmax血药浓度(mg/L)吸收分布相

16、43 表观分布容积(apparent volume of distribution，Vd) 指体内药物均匀分布时，由体内药量与血药浓度的比例常数（单位为:L或L/kg)。 Vd的意义：反映药物分布到体内各部位的能力； 反映药物剂量与血药浓度的关系，用于药量计算； 表观分布容积Vd值与药物分布范围药物Vd ( L)分布范围双香豆素 3-5血液内碘化物10-20细胞外液安替比林 40全身体液碘 115甲状腺中蓄积Vd用于给药方案设计及调整 对于某一具体药物而言，Vd为已知常量，而治疗所需的有效浓度（C）也是清楚的，所以可以据此计算或调整所需治疗剂量。曲线下面积(AUC) 由时-量曲线与坐标横轴围成

17、的面积称为曲线下面积(area under the curve，AUC)，它与药物吸收的总量成正比。用于评价吸收程度。 时间血药浓度(mg/L)绝对生物利用度用于比较两种吸收途径的吸收差异相对生物利用度用于比较两种不通制剂的吸收差异生物利用度(F)生物利用度(bioavailability，F) 是指药物经血管外 (extravascular, ev) 给药后能被吸收进入体循环的百分数。 4950速率过程 药物的体内过程导致在不同器官、组织、体液间的药物浓度随时间变化而改变，此动态的药物转运和转化过程，称为动力学过程或速率过程。一级消除动力学零级消除动力学半衰期恒定(t 0.693Ke)(2)

18、停药后约经5个t药物基本消除完毕(3）时量曲线下面积与所给予的单一剂成正比。()半衰期不恒定 （t1/2 = 0.5 C0/k。）()时量曲线下面积与所给的单一剂量不成正比。药物代谢动力学模型房室模型 （compartment models） 非房室模型 (non- compartmental models) 生理药物代谢动力学模型（phsicological pharmacokinetic model)房室模型（compartment models）根据药物在体内分布速率的特点对机体进行抽象进行划分。目前常用房室模型有：1、开放性一室模型(open one compartment model

19、 )2、开放性二室模型(open two compartment model )3、开放性多室模型(open multi-compartment model )外周室一室模型与二室模型比较One compartment modelTwo compartment model体内D0ke中央室D0k12k21k10lgCtke/2.303*绝大多数药物在体内按一级速率消除 BlgCt消除项分布项A一室模型二室模型体内分析的特点 1生物样品组成复杂，干扰杂质多，大多需要分离和净化2可供分析的样品量少，尤其是连续测定时，很难再度获得完全相同的样品 3被测药物和代谢物的浓度或活性极低，且波动范围大。 4

20、.测定数据的处理和阐明有时较为困难5. 工作量较大.生物样品前处理方法样品均匀化 对于生物样品，应在测定前混合均匀，以免造成测定误差。可置涡流混合器上混匀，血浆样品往复振摇亦可达到均匀化的目的。 对含有不溶性组分的样品(例如组织和粪便)，须将样品进行匀浆处理，以保证样品的均匀性。 同时还应注意取样的代表性问题。 2. 去蛋白处理 生物样品如血浆、血清等含有大量的蛋白质，它们能结合药物，因此对于某些药物的测定，必须先将与蛋白结合的药物游离之后再作进一步处理。 通常去蛋白过程是将蛋白质变性处理后，把与蛋白结合的药物解离出来，离心分离以除去蛋白。 加入适当的沉淀剂或变性剂，使蛋白质脱水而沉淀(如有机

21、溶剂、中性盐)，甲醇、乙腈、丙酮和乙醇是沉淀蛋白常用的有机溶剂 有的是由于蛋白质形成不溶性盐而析出(如高氯酸) 中性盐可用氯化铵等。 无机盐沉淀蛋白是可逆的，即将蛋白稀释后仍具有生理活性，而有机溶剂和酸类沉淀的蛋白是不可逆的。 也可用透析法与超滤法除去样品中蛋白。 是否会导致生物样品中的药物发生分解或影响药物的提取。3. 被测组分的提取 生物样品中被测组分一般需提取后才能进行色谱分析，这一步骤包含了样品的净化与浓缩。 液液萃取 一般弱酸性药物可加入一定量的酸，弱碱性药物可加入一定量的碱，使药物以分子状态存在，有利于有机溶剂的提取效果； 有时加入一些强离子的无机盐(如氯化钠)， 利用盐析作用，能

22、促进组分进入有机相。 在液质联用中，必须使用可挥发性的酸和碱，甲酸、乙酸、氨水等。通过选择不同的有机溶剂可提高选择性。一般可选用乙酸乙酯、乙醚、二氯甲烷、氯仿、正己烷、甲基叔丁基醚、甲醇、乙腈等有机溶剂及其不同比例的混合物进行提取。 两性药物或水溶性很强的药物通常可用离子对萃取法。针对呈解离状态的药物，可以加入反离子来形成离子对络合物，再用有机溶剂萃取出来。一般碱性药物用十二烷基磺酸类作为反离子；酸性药物可用烷基季铵类化合物作为反离子，如四丁基铵等。形成离子对后可用相应有机溶剂提取。 固相分离 固相分离又称为固相提取柱法，其常用的柱填料有吸附剂、高分子大孔树脂、离子交换树脂、键合硅胶等。On-

23、line identication of the constituents of Buyang Huanwu decoction in pig serum using combined HPLCDADMS techniques Journal of Chromatography B, 831 (2006) 288302补阳还五汤：补气活血通络，中风，心脑血管疾病。黄芪：黄酮、皂苷；赤芍：芍药苷；当归：挥发油类成分；川芎：生物碱；桃仁：苦杏仁苷、甾体皂苷；红花：红花苷、黄酮；地龙：蛋白质红花川芎黄芪Screening and identication of potential bioactive components in a combined prescription of Danggui Buxue decoction using cell extraction coupled with high performance liquid chromatography Biomed. Chromatogr. 22: 157163 (2008)当归补血汤： 补气补血当归黄芪川芎提取物hepatic cell line H