对药物动力学在药物研发和评价中的认识

对药物动力学在药物研发和评价中的认识

三部六室 赵明 李晓天

药物进入机体后，出现两种不同的效应。一是药物对机体产生的生物效应，包括治疗作用和毒副作用，即所谓的药效学（Pharmacodynamics）和毒理学（toxicology）。另一个是机体对药物的作用，包括药物的吸收、分布、代谢和排泄，即所谓的ADME。药物动力学 (pharmacokinetics) 是将动力学 (kinetics) 原理应用于药物(Pharmakon, 希腊文) 的一门学科。 即应用动力学原理与数学处理方法，定量描述药物及其它外源性物质 (xenobiotics) 在体内动态行为的变化规律。药物通过各种途径进入体内，其ADME过程均存在“量时”变化或“血药浓度经时”变化，对这一动态变化过程规律进行定量描述即为药物动力学的基本任务。

一、 药物动力学发展史

1913年，Michaelis和Menten提出了有关动力学方程； 1924年，Widmark和Tandbery提出了开放式一室动力学模型； 1937年，T．Teorell提出了二室模型假设，并用数学公式详细描述了二室模型动力学规律，在“国际药效学文献”上发表了两篇题为“物质在体内的分布动力学”的文章，由于数学公式繁杂，这一开创性的工作当时未得到足够重视。到了20世纪60年代，由于药理学、临床治疗学和生物科学的发展提出药物研究课题，才引起了研究者对药物动力学发展的关注，1953年，F·H．Dost博士的第一本药物动力学教科书的问世，E.Kruger-Themer博士的论文的发表，以及E.Nelson的第一篇有关药物动力学的综述的发表，才使这一新兴的发展有了希望。直至1972年，在美国马里兰州波兹大国立卫生科学研究所(N．I．H)由国际卫生科学研究中心(International Center for Advanced Study in Health Sciences)召开的药理学与药物动力学国际会议上

被确立为独立学科。从此以后，对几乎所有的临床药物都进行过药物动力学研究。

近年来，药物动力学研究在理论上，实验方法上和应用上都有了飞速的发展，特别是计算机技术的广泛应用和微量分析检测技术的发展，推动了药物动力学学科的发展。

以概率论和数理统计学中的统计矩方法为理论基础，将药-时曲线视为概率统计曲线，对数据进行解析已经成为不依赖于房室模型的药动学研究方法之一。随着高灵敏度的药物分析仪器或方法的应用，获得测样数据的可能性与可靠性大大提高了，另外，随着计算机在药动学中的应用，大大提高了处理数据的能力。在60年代中后期，Bischoff，Dedrick等人开始了生理药动学模型 (physiological pharmacokinetic model) 的研究工作。该模型中，以“生理学室”代替了经典模型中的房室，这些生理学室各代表与药物体内分布有主要关系的单个或群体脏器、组织或体液。药物以血流的传送为驱动力，透过各种生物膜被送入某室。而药物离开该室时可能发生的消耗，则应以该室的各种清除率（如代谢清除率、排泄清除率等）为指标。采用这种方法能阐明药物体内动态变化的实质。Sheiner等在1977年首次提出群体药动学的概念，群体药动学 (population pharmacokinetics，PPK) 是将经典药动学基本原理和统计学方法相结合，研究药物体内过程的群体规律，研究药动学参数的统计分布及影响因素，即利用稀疏数据(sparsedata)研究群体的特征、变异和各种因素对药动学影响的药物动力学方法, 目前已成功应用于临床个体化给药方案的设计。针对中药制剂特点，提出的表征药动学（representative pharmacokinetics）等新概念和药理效应法、毒理效应法等新方法，都为中药药物动力学研究做出了有益的探索。伴随药物动力学的发展，生物药物分析方法也得到迅速的发展，气相色谱-质谱联用技术、高效液相色谱-质谱联用技术、高效液相色谱-核磁共振联用技术、固相微萃取技术、微透析技术等新技术、新方法均在药物动力学领域得到应用。此外，针对手性药物体内过程的立体选择性进行的手性药物药动学(chiral pharmacokinetics)研究、针对生物技术药物多肽、蛋白进行的生物大分子药动学研究等，都丰富了药动学研究内容、促进了药动学的进

一步发展。

1980年，Rowland博士和Tozer博士合作出版了临床药物动力学(clinical pharmacokinetics)一书，临床药物动力学通过对人体药物动力学研究、药物浓度与药物效应关系研究、疾病对药物动力学过程的影响规律研究、合并用药对药物动力学过程的影响规律研究等，不仅为新药的临床评价与临床应用方法提供了理论依据，也为临床个体化给药方案的制定提供了理论依据，而合理的临床给药方案对提高治愈率、缩短治疗时间、减少或消除毒副作用发生率、降低死亡率等将发挥积极的作用，最终提高临床药物治疗水平。

随着以上国内外药物动力学著作的发行和应用，以及面对不断创新的药物和药物开发、评价及应用中的众多问题，其概念、原理、方法和应用都将得到迅速发展，在新药创新研制过程中，药物动力学研究与药效学研究、毒理学研究处于同等重要的地位。

二、药物动力学参数

药物动力学研究的主要参数如下：

（1）速度参数：包括吸收速度常数（ka）、室间转运（从m室到n室）的速度常数（kmn）、代谢速度常数（km）、排泄速度常数（ke）和消除速度常数（K）,速度常数越大，过程进行的越快。

（2）时间参数：速度常数的倒数称为时间常数，取时间为单位。如吸收时间常数a与吸收速度常数之间的关系为 a＝1／Ka。消除时间常数el与消除速度常数Kel之间的关系为：el＝1／Kel。时间常数越大，过程进行的越慢。

（3）半衰期（T1/2）参数：在生物药剂学领域，还常以各种半衰期（T1/2）来表示过程进行的快慢。 T1/2与相应的k值之间的关系为：T1/2＝0.693／k 速度参数，时间参数及半衰期参数，本质上都是衡量体内某动态过程进行快慢的同一类参数。

（4）容积参数（表观分布容积）：表观分布容积为容积参数，取体积为单位。对于一室模型：V＝X/C；对于二室模型：有Vc，Vb等形式的容积参数。

（5）清除率参数：整个机体、或机体内某些消除器官、组织中药物的清除率，是指机体或机体的上述部位在单位时间内能清除掉相当于多少体积的流经血液中的药物。用数学式表示：CL＝（－dx/dt）／C。-dx/dt：机体或消除器官中单位时间消除的药物量。CL的单位是体积／时间。

CL＝(-dx/dt)/C=K•X/C=K•V

从上式可以看出，清除率参数综合包括了速度与容积两种要素，综合了时间参数及空间参数的特征，同时它又具有明确的生理学意义。

（6） AUC：药时曲线下面积（area under the curve，AUC）

（7）其它参数：tmax、Cmax 、MRT 、Css 、Cav、F、DF等。

三、药物动力学研究目的及内容

药物动力学已是新药开发的必须研究项目，根据药物动力学的基本任务，其研究内容主要有：①药物动力学模型的建立；②探讨药物动力学参数与药物疗效和毒性之间的关系；③探讨药物结构与药物动力学及药效学之间的关系；④探讨药物剂型因素与药物动力学之

间的关系，开发新型给药系统；⑤根据药物动力学参数进行临床药物治疗方案的制定；⑥从药物动力学观点对药物质量进行认识与评价；⑦对药物在体内代谢产物和代谢机制进行研究，开发新药；⑧对新药的生物利用度和生物等效性进行研究是药物动力学研究的重要内容之一。

四、药动学在药物研发中的应用

药物研究开发是一项高科技、多学科、高投入、高风险和长周期的系统工程。这一特殊性决定了新药研究开发有别于其他产品的研究开发。新药研究从筛选到上市经历药物设计、筛选发现和淘汰、临床前药效和安全性评价以及临床研究和上市后再评价等复杂的过程。在发达国家开发成功一种新药的周期约在10年左右。许多体外研究认为很有前途的候选化合物可能因在体内活性很低甚至无体内活性或在体内具有较大的毒性而夭折，因此盲目开发会造成极大的人力和财力的浪费。缺乏体内活性的原因之一可能是由于其药动学性质不理想，如首过效应较强导致生物利用度太低；或代谢太快，半衰期太短；或由于其在体内形成毒性代谢物等。如Prentis等在1988年的统计结果：研究药物总数：319个。经过临床研究后因药效、毒性、药动学原因而淘汰的：198个，占62%。198个淘汰药物，有严重的药动学问题的77个，占40%。

以下就药物动力学在药物研发中的具体应用作简单的介绍：

1、药物代谢和新药设计

硬药(Hard drugs): 指不可代谢的药物。优点：解决了代谢物毒性问题，药物动力学过程简单。药物：依那普利拉和赖诺普利。基本不被代谢，没有明显的代谢物副作用。 问题：因细胞色素P450种类繁多，功能强大，设计困难。

软药(Soft drugs): 可代谢的药物。代谢可以预测，产生无毒或无活性的代谢产物。优点：代谢可以预测，产物无毒性。药物：非去极化型肌松剂阿曲库胺包含季胺N和酯基团。阿曲库胺在体内非酶代谢途径即通过霍夫曼降解形成一个叔胺和一个链烯，另一个是酯酶对的水解作用。问题：具有学术价值，但市场上这类药不多。

活性代谢产物 发现许多药物的代谢产物具有药理活性。具有药理活性的代谢产物现已经成为新候选药物来源。

Ⅰ相活性代谢物：非那西丁对乙酰氨基酚。止痛作用强，不产生高铁血红蛋白症和和溶血性贫血。 如保泰松 羟基保泰松。止痛作用强，胃刺激小。

Ⅱ相结合物：吗啡 6-葡萄糖醛酸吗啡。镇痛作用强，副作用小。

临床前药物代谢研究中的体外模型：

代谢特征 可用模型

对药酶的诱导： 肝细胞原代培养

HepG2细胞

肝切片

代谢不稳定： 肝细胞悬液

肝切片

亚细胞结构(如微粒体)

c-DNA表达的代谢酶

对药酶的抑制： 亚细胞结构(如微粒体)

c-DNA表达的代谢酶

肝细胞悬液

2、药物吸收和新药设计

影响药物吸收的主要因素：脂溶性、亲水性、P-糖蛋白的外排作用。通过改变药物的脂溶性或水溶性从而提高药物的生物利用度增强药物的疗效，如氟康唑及印地那韦的发现。

药物吸收研究中常用的模型：在体肠回流法、肠襻法、分离肠粘膜法、外翻囊法、Caco-2模型法、体内法。

目前预测药物吸收特别是小分子药物吸收的模型主要是Caco-2细胞模型。Caco-2细胞来源于人结肠肠癌上皮细胞(The Human Colon Carcinoma cell Line: Caco-2)。其核型为四倍体，不同细胞间染色体数目有较大差异。细胞在生长至融合后有柱状凸起，类似于小肠微绒毛，向培养液一侧形成刷状缘并有分化良好的紧密连接复合物。其标志酶的功能表达及通透特征也与小肠类似，因而被大多数实验采用作为研究小肠上皮细胞转运和代谢的体外模型。

Caco-2细胞模型在药物转运研究中的优点：

(1)实验条件可精确控制，所需药量很少

（2）可测定细胞对药物的摄取及跨膜转运

(3)来源是人结肠癌细胞，同源性好；细胞极性分化，和肠上皮细胞结构相似(4)可研究药物肠内代谢机制。缺点: 缺少粘液层及部分代谢酶; 缺少细胞异质性(单一细胞构成);屏障特性与结肠上皮更相似等。

Caco-2细胞模型的主要应用：

(1) 研究口服药物的跨膜转运速率； (2) 口服药物的吸收机制研究；(3) 肠细胞代谢对药物吸收的影响。

Caco-2细胞模型的评价指标：

（1）光、电镜检查：具有微绒毛、紧密连接；（2） TEER值： 500～700·cm2；（3） 14C-甘露醇：甘露醇通透量<0.5%•h-1·cm-2；（4） 碱性磷酸酶活性：碱性磷酸酶主要集中于绒毛膜面。

Caco-2细胞模型在研究药物的吸收方面与实际机体内药物的吸收有很好的相关性，如Artursson 等人研究了药物在Caco-2细胞模型中的通透系数，并将通透系数分级，发现通透系数的大小一般在510-8510-5 cm/s之间，并且与吸收程度相关：

吸收良好的药物 Papp≥10-6cm/s

吸收中等 1.0 10-7 ≤ Papp ≤ 110-6cm/s

吸收差的药物 Papp≤10-7cm/s

3、 药物分布与药物设计

药物亲脂性不仅影响药物的吸收和代谢，而且影响药物的结合和分布。一般脂溶性越强，血浆蛋白结合率高，分布越广。

进入CNS起作用的药物，要考虑血脑屏障对分布的影响。对于以被动扩散形式进入CNS的药物，药物的脂溶性和脑通透性有一定的关系。脂溶性越大，脑通透性越强。

4、药物消除与药物设计

改变结构以改变消除半衰期：将硝苯地平二羟基吡啶上的2-甲基连接上烷基侧链后，得到氨氯地平。结果：药效不变，清除率降低，首过作用减弱，半衰期延长，生物利用度提高。

五、药物动力学认识中的问题

1、 忽略早期研究

药物动力学是要物研究的重要组成部分，是一个化合物转化为药物过程中的关键环节，及早认识化合物的药代特征，对于评价其价值有着决定性意义。因此，强化药物动力学研究是早期决策的重要依据。早期开展研究，早期评价研究结果（也可能是不完善的结果），可以及早淘汰药物动力学性质不理想的化合物，节省资金，降低药物开发的风险。创新药物的研究和开发尤应特别重视。

2、 阶段性

药物动力学研究贯穿于药物研发的全过程，但又具有明显的阶段特征。前期的研究比较粗略，而后期的研究比较系统和全面。某个阶段以动物实验为主，另一个阶段以人体试验为主。有时与药效动力学研究相结合，有时又与安全性评价相关联。在研究和评价中，应整合各个阶段的研究进行整体讨论，不应割裂其内在的关联性。

3、 参数与特征

参数是药物动力学特征的体现，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ADME的过程，阐明其对与安全有效性的价值，阐明如何更好地获得良好的临床治疗效果。

以上仅是个人的一些看法，难免以点带面，请各位同仁指正。