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1、药物毒理学,中国医科大学药学院药物毒理学教研室,第三章 药物毒代动力学,蔡际群 教授,2,药物毒代动力学的概念和由来,吃了多少药&体内有多少药的关系即剂量&暴露量的关系根据ADME的变化预测不良反应的发生,药物毒代动力学研究的内容：研究产生毒性作用剂量（大于治疗剂量）的药物，在体内吸收、分布、代谢和排泄等过程随时间的动态变化规律，以更好地指导临床合理用药，增加动物实验安全性评价结果外推的可靠性。,3,药物毒代动力学概念 药物毒代动力学（drug toxicokinetics）是运用药代动力学（pharmacokinetics，PK）方法和原理，结合毒理学试验定量研究毒性剂量下药物体内ADME的
2、过程和特点，探讨药物毒性发生和发展规律的科学。,4,图3-1 药物与机体相互作用的两个基本过程,药物作用于机体引起机体生理生化功能改变从而产生药效/毒效，但当药物给予机体后，机体将反作用于药物，表现为：吸收（absorption）、分布(distribution)、代谢(metabolism)和排泄(excretion),即所谓的ADME，此称药物体内处置（drug disposition）或药代动力学/毒代动力学过程（pharmacokinetic/toxico-kinetic events）（图3-1）。本章将重点阐述药物毒代动力学的基本概念及其研究内容和要求，并阐述药物的体内处置和药代动
3、力学的基本原理。,5,第1节 药物的体内处置（drug disposition）,毒物分子的跨膜转运,Free,Bound,组织器官,体循环,吸收,代谢(生物转化),排泄,游离型,结合型,代谢物,分布,6,药物毒性作用的产生及强弱通常取决于药物在靶器官或靶组织的浓度；影响血液及组织浓度的因素：（1）吸收：（2）分布：（3）代谢：（生物转化)：不同浓度转化速率可能不同；形成毒性更大或更小的代谢产物；（4）排泄：排泄越快，靶器官的浓度越低，毒性作用弱。,一、药物的吸收、分布、代谢和排泄,7,1、经消化道吸收 消化道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。动物试
4、验也大多采用经口给药途径。影响消化道对毒物吸收速度的因素：1.毒物的理化性质（脂溶性、解离度）；2.肠道的运动情况：运动增加，吸收减少。3.药物过度稀释：促进排空，在十二指肠增加吸收。,（一）吸收（absorption）,8,首关效应（first-pass effect）,指某些药物口服后经肠壁或肝脏代谢转化使其进入体循环的药量减少，这种现象称为首关效应，又称体循环前消除（pre-systemic elimination）。首关效应解释了某些药物为什么不采用胃肠给药，如治疗心绞痛的硝酸甘油、抑制支气管哮喘急性发作的异丙肾上腺素采用舌下给药，从而避免了胃肠给药吸收的首关效应，又如临床常用的抗心律
5、失常药利多卡因，镇痛药吗啡均采用注射给药而不采用口服给药。首关效应是剂量依赖性的，具饱和性，因此，增加剂量是克服首关效应的有效方法之一，但这仅适用于高治疗指数的药物，增加剂量常可导致毒性反应的发生。,9,胃肠道,血液,2、经鼻黏膜和肺吸收 气体、挥发性溶剂或颗粒可经由肺部吸收，如吸入给药(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100M2 200M2，毛细血管网的总长度约2000km,鼻咽,支气管,肺泡,毒物,快！,1、气体：非离子型2、肺泡上皮薄3、血流速度快,颗粒：1 mM，肺纤维化,10,3透皮吸收,透皮吸收可避免肠道和肝脏的首关效应，并可提供较
6、好的传输控制和维持药物治疗水平于较长时间。表皮最上层的角质层构成了药物经皮吸收的限制屏障，药物通过角质层的转运成为透皮吸收的关键因素，由于皮肤角质层具有类脂膜性质，因而脂溶性较大的药物易于透皮吸收，如硝酸甘油、硝苯地平、可乐宁、东莨菪碱、氨茶碱等，它们能穿透皮肤进入体循环，其透皮吸收量足以发挥全身作用。来自工业和环境污染的外源性化学异物（xenobiotics）的透皮吸收具有毒理学意义。例如神经毒气沙林易于通过完整的皮肤吸收；四氯化碳透皮吸收量足以引起肝脏损伤；有机磷农药喷洒时足以透过完整皮肤吸收中毒，甚至死亡。,11,吸收后药物随血流向组织器官的转运过程称为分布。药物发挥其作用通常必须到达其
7、靶器官/组织。因而这一过程与药物的疗效和毒性密切相关并受许多因素影响。,（二）分布 distribution,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。影响因素：器官血流量、组织亲和力；,12,（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,13,（1）药物的脂溶性：通常脂溶性的药物易于通过被动扩散跨膜转运。典型的例子是中枢神经系统抑制药物，他们具有较强的脂溶性，从而克服血脑屏障进入脑组织。这类药
8、物易产生过量中毒甚至死亡，因此临床应用必须严加监控。高脂溶性药物往往易于在脂肪组织储存，当血药浓度降低时又自动释放入血，例如催眠药地西泮脂溶性强，静注后很快被脑吸收，随后大量再分布至脂肪，当血药浓度测不出时尿中仍可以测出地西泮。,1影响药物分布的因素,14,（2）体液pH：由于细胞内液pH（pH7.0）低于细胞外液pH（pH 7.4），有利于有机碱从细胞外进入细胞内液，而不利于有机弱酸从胞外向胞内的转运，因而有机碱类药物的表观分布容积大，作用强；有机弱酸类药物表观分布容积小，作用弱。,（3）药物与血浆蛋白的结合：结合所形成的药物蛋白结合物由于分子量加大，难以跨膜转运而暂时丧失药理活性；,15,
9、但由于这种结合是可逆的，当游离药物浓度降低时，结合型药物将释放出游离型药物，从而保持动态平衡。从这个意义上讲，药物血浆蛋白结合将作为一个药物储存库而对药物作用和血药浓度起到缓冲作用。这种结合增加了许多低溶性药物如固醇类药物可的松，去氧皮质酮等的溶解度，否则，很难想象它们会在血液中被转运。这种结合使药物不易透过血脑屏障以及限制了药物自肾小球的滤过，但这种结合不影响药物通过主动转运机制消除的药物的消除。,与血浆蛋白有高度结合的药物往往半衰期较长，从而延长了药物的作用时间。另外这种结合往往成为药物-药物相互作用以及药物-内源性化合物相互作用的基础。特别是对白蛋白有高度亲和力的药物，当他们同时使用时，
10、由于竞争结合，其中一个药物将可能使另一个药物从结合部位被解离出来，致后者游离药物浓度明显升高，而易引发不良反应。,17,早产儿细菌感染：青霉素-硫胺类联合高死亡率；硫胺类置换出大量与清蛋白结合的胆红素，致脑组织损伤，称核黄疸。（磺胺类抗菌素，丙磺舒）药物与血浆蛋白结合具有广泛性，血浆蛋白可与酸性化合物如苯巴比妥、碱性化合物如米帕明（丙咪嗪，三环类抗抑郁药）或中性化合物如地高辛结合，因此无论在创新药物临床前、临床研究和临床使用时均应重视。,18,抗炎药保太松与抗凝药双香豆素同用时，前者由于对白蛋白有高度亲和力而置换出双香豆素，从而出现危及生命的出血不良反应。新生儿使用较大剂量的的磺胺类、水杨酸类
11、药物，可致白蛋白结合位点上的胆红素被置换而游离出来，引起胆红素性脑病。,表3-2 蛋白结合置换引起的不良反应,19,（4）与组织细胞结合：组织成分有特殊的亲和力，从而使药物有选择性分布。如碘经特殊转运机制在甲状腺组织中聚集，其浓度较其他组织高1万倍；氯喹在肝脏中浓度为血浆浓度的700倍，故适用于治疗阿米巴性肝脓肿。药物发挥作用的部位，但多数是储存现象：脂溶性药物在脂肪中储存，地高辛有50%以上在骨骼肌中储存。（5）器官血流量：药物在高血流量灌注的器官如肝、药物在高血流量灌注的器官如肝、肾、脑、肺等分布较快，相反，在低血流量灌注的器官如肌肉、皮肤等分布较慢。,20,（6）生理性屏障：,血脑屏障（
12、blood brain barrier，BBB）特别重要其重要性在于保障血液和脑组织之间的正常代谢产物的交换，阻止非必须物质进入，从而维持脑的正常功能。通常脂溶性高、分子量小的药物易透过BBB；而水溶性，分子量大，解离型药物则相反。中枢神经系统的血管内皮细胞紧密联结，毛细血管被胶质细胞包围，脑细胞间液的低蛋白含量以及血管内皮细胞含有的外排“泵”（转运体）构成了BBB解剖学和生理学基础。新生儿BBB未发育完全，造成吗啡、铅等对新生儿毒性较成年人大的原因之一。,21,胎盘屏障，它阻止外源性化合物由母体进入胎儿，从而保障胎儿的正常发育；大多数药物透过胎盘屏障的机制为简单扩散，故脂溶性药物易经胎盘由母
13、体进入胎儿体内，对胎儿造成毒性。亦可导致畸胎，故孕妇用药应特别注意。血眼屏障，血睾屏障等。,22,药物发生毒性作用的靶组织或靶器官并非一定是其分布浓度最高的组织。例如铅：90%分布在骨骼；选择性毒性：肾、中枢神经、外周神经、造血系统；,23,2药物在体内的蓄积及其毒理学意义,机体长期暴露于药物时，如消除速度慢于吸收速度，将导致体内药物含量逐渐升高，这种现象称为药物体内蓄积。当蓄积部位为药物靶点时，易发生慢性中毒；而当药物对蓄积部位相对无害时，这些器官组织便成为药物在体内的存储库。储存库中的药物浓度与血药浓度保持动态平衡，当药物被消除、储存库内药就会释放入血予以补充。从毒理学角度看，药物体内储存
14、有双重意义：保护性机制和潜在的危害。,24,储存库中的药物浓度与血药浓度保持动态平衡，当药物被消除、储存库内药就会释放入血予以补充。从毒理学角度看，药物体内储存有双重意义：储存库中的药物多数处于无活性状态，对机体不产生毒害，因此储存库可视为一种保护性机制，使靶器官中药物量减少而使机体免于急性中毒；另外，储存库可能成为一种游离型外源性化学物的来源而具有潜在危害。譬如，吸收入血的铅有8%9%储存于骨骼而后缓慢释放入血，引起慢性铅中毒，当机体过度紧张、疲劳或饮酒后，骨骼中的铅可大量释放入血，引发明显的急性铅中毒现象。,25,药物在机体内的储存部位,（1）血浆蛋白：血浆蛋白作为药物在机体的储存库。（2
15、）肝和肾：这两个器官不仅因其血流量大，而且由于这些组织的细胞具有与许多药物结合的能力。可通过主动转运方式或受体结合方式，使药物富集。肝肾细胞内还含有一些特殊的结合蛋白，如金属硫蛋白（metallothionein，MT）能与镉、汞、锌以及铅牢固结合，从而造成这些金属在肝肾中有很高的分布浓度。MT的结合可使肝肾避免这些重金属的损害，但当MT耗竭时，就可以引起重金属的毒性作用。药物在肝肾中的浓度往往较高，从而成为不少药物易造成肝毒性和肾毒性的原因之一。,26,肝脏、肾脏中的金属硫蛋白,金属离子,肝脏和肾脏具有很强的与多种化学物质结合的能力。在机体各组织中，这两个组织可通过主动转运过程或与组织结合的
16、机制，比机体其他组织浓缩富集更多的药物。,27,（3）脂肪组织：,脂溶性高的药物，易通过简单扩散转运至脂肪组织，并能蓄积储存起来，由于脂肪在人体比重较大（占人体体重的20%50%），故药物在脂肪组织的蓄积的毒理学意义不容忽视。在脂肪组织储存的药物往往具有较大的表观分布容积和较长的半衰期；如氯丙嗪半衰期为30h，表观分布容积达21L/kg，远大于总体水体积；由于在脂肪的蓄积，氯丙嗪在停药后6个月仍可在尿中检出。,28,（4）骨骼：该组织中的某些成分与某些外源性化合物有特殊亲和力，而成为某些外来异物在体内的储存库。这类例子在工业毒物和环境毒物中常见，如氟、铅等，药物中以四环素、氟、喹诺酮类药物多见
17、。骨骼摄取外来异物属表面化学现象，在骨骼表面物质（无机羟磷灰石结晶）和周围液体（细胞内液）之间发生交换，细胞内液携带药物进入羟磷灰石框架，渗入结晶表面，由于电荷和尺寸相似，故易发生物质交换，如F-取代HO-，从而在骨骼中储存。,29,某些药物经血流迅速向全身组织输送，首先分布至血流灌注丰富的器官，而后向血流灌注差的组织转移，这种现象谓之再分布（re-distribution）。典型的例子为硫喷妥。该药脂溶性很大，极易通过BBB先分布至血流量大的脑、心、肝肾组织，故迅即发挥全身麻醉效应，而后向肌肉、结缔组织和脂肪转移，此即所谓再分布，当药物分布达平衡时（8h），60%的药物被脂肪组织细胞摄取并储
18、存，稍后缓慢释放，造成患者苏醒后又转入较长时间的睡眠。药物的再分布受多种因素影响，如脂溶性、血容量、体液pH、患者脂肪含量等。,3.药物的再分布,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。由于药物经过生物转化改变了原来的固有作用和在体内的滞留时间，必定会在其发生毒性效应的靶部位发生质和量的变化。,(三)代谢(生物转化)Biotransformation,31,1.药物代谢的生物学意义,（1）促进药物自机体的清除 代谢后，水溶性和极性增加，容易从肾脏和胆汁排出。（2）灭活（inactivation)（3）活化（activation)前体药 pro-drug,32,（4）毒性
19、代谢物形成,形成高度化学反应活性的毒性代谢物（toxic chemically reaction metabolite),表3-4 可形成毒性代谢物的药物,33,非那西丁,对氨基苯乙醚,对乙酰氨基酚,N-乙酰对苯醌亚胺（NAPQI),与生物大分子结合,与GSH结合,羟化,产生毒性,灭活,产生肝肾毒性,34,35,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：1、灭活、毒性降低极性增加 2、产生毒性代谢物,极性增加,2.药物代谢反应类型,36,（1）肝内代谢：（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
20、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.药物的肝内与肝外代谢,37,药物（毒物）RH在细胞色素 P450药物代谢酶系的作用下，进行如下反应,RH+O2 ROH+H2ONADPH+H+NADP+,38,（2）肝外代谢：,肠道、肾、肺、皮肤、脑等。肠道：吸收前肠道菌群的分解代谢 吸收中肠壁上皮细胞合成反应 介导中药毒性,39,肠道菌群还介导不少中药的毒性作用。例如，苦杏仁为中医常用止咳祛痰药，过量服用有毒，但注射给药却无毒性，这种明显的给药途径依赖性毒性反应与肠道菌群相关，其原因是苦杏仁
21、中含有的活性成分苦杏仁苷（苯乙醇腈-双糖苷）在肠道菌群的-糖苷酶作用下生成HCN所致（图3-3）。,图 3-3肠道菌群对苦杏仁苷的代谢作用,40,（1）药酶诱导,Phenytoin 苯妥英Phenobarbitone 苯巴比妥Carbamazepine 卡马西平Rifampicin 利福平Griseofulvin 灰黄霉素Chronic alcohol intake 长期饮酒Smoking 吸烟,4.药物代谢酶的诱导与抑制,41,Chloramphenicol 氯霉素Sodium valproate 丙戊酸盐Sulphonamides 磺胺类药Phenylbutazone 保泰松Isoniaz
22、id 异烟肼Amiodarone 胺碘酮Omeprazole 奥美拉唑,2.药酶抑制,42,临床所用药物中不少为手性药物（chiral drug），它们绝大多数以消旋体给药，从立体化学角度看，消旋体不是单一化合物，而是左旋体与右旋体各半的混合物（当药物分子中只有一个手性中心时）。左旋体与右旋体互为对映体，当手性药物给予机体后，由于药物代谢酶是手性的，通过手性识别（chiral recognition），从而产生对映体选择性代谢，这种选择性代谢具有重要的致毒作用。震惊世界的沙利度胺致畸事件是一个很有说服力的例子。其致畸原因出自它的对映体选择性代谢生成的致畸性代谢产物，其S-对映体分子中的二酰亚胺
23、经酶促水解生成苯二酰亚氨基谷氨酸(图3-5)，后者渗入胎盘而致畸胎。但R-对映体不易发生上述水解反应，故不致畸。如当初给予的是R-对映体，而不是消旋体，或许能够避免这一惨祸。,5.手性药物的对映体选择性代谢,图3-5 沙利度胺水解生成苯二酰亚氨基谷氨酸,43,(四)排泄 excretion,药物和毒物以原形或代谢产物形式通过排泄或分泌器官排出体外的过程,排泄途径,尿液,粪便,肺脏,汗腺,乳汁,45,1.肾脏排泄肾小球滤过：绝大部分药物经肾脏排出体外只有非与血浆蛋白结合的药物（分子量小于6000的化合物）可被肾小球滤过,肾小管分泌：主动分泌 如丙磺舒，同类药物之间有竞争性肾小管的重吸收：脂溶性药
24、物在排泄过程中可被肾小管再吸收（与药物本身的pKa、血和尿的pH有关）,46,尿液pH值对药物排泄的影响：弱酸性药物在碱性尿液中解离多，重吸收少，排泄快，而在酸性尿液中解离少，重吸收多，排泄慢。弱碱性药物则相反。（巴比妥类中毒时用碳酸氢钠解救）意义：改变尿液pH值可以改变药物的排泄速度，用于药物中毒的解毒或增强疗效。,药物排出饱和：肾小球滤过率正常，但药物排出达到饱和；肾脏受损：药物血浆清除率降低；有肾毒性的药物代谢产物的产生。,毒代动力学研究中关注的问题：,47,Liver,Drug,指自胆汁排进十二指肠的结合型药物在肠中经水解后被再吸收的过程。,2.肾外排泄胃肠道及胆汁排泄肝肠循环：,48
25、,经肺排泄挥发性高的有机溶剂如乙醇等,经唾液、汗腺排泄铅、砷等重金属和某些生物碱等,经乳汁、头发排泄许多金属、毒品、有机氯农药等可从乳汁排泄而影响婴儿。某些重金属可排泄到头发中。,49,二、CYP酶的多型性及其毒理学性质,（一）CYP酶的多型性,50,（二）CYP酶的有关毒理学性质,51,三、转运体在药物体内处置中的作用,（一）药物转运体存在细胞膜上，介导药物和毒物的跨膜主动转运,外排性转运体P-gp依赖ATP、将底物逆向转出细胞外。,摄取性转运体非依赖ATP、将底物转入细胞内。,52,（二）转运体在体内药物处置的作用,1.转运体与药物的肠吸收P-gp外排性转运体将药物从肠上皮细胞内泵回肠腔，
26、减少药物的吸收和生物利用度。2.转运体与药物的组织分布转运体广泛存在于血管内皮细胞的腔膜或腔膜下以及各种生理屏障，保护重要脏器和胎儿。,53,3.转运体与药物的肝肾清除促进药物的葡萄糖醛酸结合物进入胆汁，P-gp抑制剂可产生药物相互作用。介导药物在肾脏的排泄和重吸收,54,第2节 药物毒代动力学的基本概念,一、药物毒代动力学定义毒物代谢动力学即毒代动力学（toxicokinetics，TK），简称毒动学。毒代动力学可简单地定义为对外来毒性物质的动力学研究。具体说，它是研究毒物或潜在毒性化合物体内处置（ADME）的动态变化规律，特别是要研究这些外来毒性物质体内暴露与毒性之间关系的一门新的动力学边
27、缘学科。药物毒代动力学（drug toxicokinetics）则是运用药代动力学（pharmaco-kinetics，PK）方法和原理，结合毒理学试验定量研究毒性剂量下药物体内ADME的过程和特点，探讨药物毒性发生和发展的规律性。,55,二、药物毒代动力学和药代动力学的比较,1药物毒代动力学和药代动力学的相互关联 分析方式和手段相同、技术可以共享或相互借鉴；药代动力学参数可以为毒代研究提供参考。2药物毒代动力学与药代动力学又有区别（1）剂量、动力学、参数变化：药物毒代动力学是研究药物远大于正常治疗剂量时药物的ADME，此时由于代谢酶以及转运系统的饱和，药物的动力学行为多表现为非线性动力学。,
28、剂量的增加引起血药浓度以及药-时曲线下面积的超比例的增加、清除率降低、半衰期延长、表观分布容积增大，极易引起药物中毒反应；药代动力学主要研究临床治疗剂量下药物ADME的动态变化规律，其动力学行为通常表现为线性动力学，剂量的增加引起血药浓度以及药-时曲线下面积的成比例的增加，但清除率、半衰期、表观分布容积仍保持不变，通常不易引起中毒反应。,56,57,（2）药物毒代动力学侧重点是阐明药物致毒机理以及毒性发生和发展的动态变化规律，而药代动力学侧重点则是阐明药物产生所向往的治疗作用的机理以及药效发生、发展的动态变化规律。（3）药物毒代动力学研究通常要结合毒理学研究进行，其给药情况和毒理学研究的实际情
29、况相同或相似，而药代动力学研究要结合临床给药方案进行。（4）药物毒代动力学参数重点描述药物全身暴露与毒性的关系，而药代动力学参数重点描述药物的消除动力学行为，为临床给药方案的拟定提供动力学依据。,58,三、药物毒代动力学研究的必要性,安全性已成为人们公认的药物三大要素（安全性、有效性和质量可控性）中的首要要素。单纯的静态的传统毒理学研究是不够的，因其着重考察的是药物在不同剂量水平产生的毒性的表现和程度，以及药物的毒性靶器官等，但不涉及机体染毒后药物体内处置的动力学，而毒代动力学十分着重研究药物及其代谢产物在毒性剂量下的全身暴露与毒性的关系，及其毒理学特征。只有传统的毒理学与毒代动力学研究相结合
30、才能全面解释药物的毒性作用和致毒机理，因此如同药代动力学与药理学的关系一样，毒代动力学已成为毒理学的一个重要的不可分割的组成部分。,毒代动力学目前受到国内外的重视，早在1994年ICH（International Conference of Harmonization）第4阶段的协调会议上，毒代动力学研究指导原则就被欧盟、日本、美国的行政管理部门采纳。我国在新药注册管理办法中明确提出“属注册分类的新药，一般应在重复给药毒性试验中进行毒代动力学研究”。,59,60,四、药物毒代动力学研究的目的和意义,1为药物安全性评价提供动力学依据，提高毒理学评价能力和可靠性药物毒代动力学从体内药物暴露（血液中
31、药物AUC、Cmax；组织中药物AUC、Cmax）水平阐明药效与毒性的相关性；其研究可获得药物的中毒浓度，并可求得有效浓度/中毒浓度的安全范围；毒代动力学研究通过测定毒性靶器官中的药物浓度，从而发现毒性与靶器官中药物浓度的关系；,根据毒性靶器官中药物浓度随时间的改变可判断药物毒性的持续时间以及是否具有可逆性；毒代动力学研究中毒性代谢物的发现为药物毒性作用寻找物质基础，也可为中毒的解救提供新思路。使药物安全性评估更为全面、更为科学、更为可靠。,61,62,2.促进创新药的研发这种毒代动力学研究因伴随毒性试验进行，故又称相伴毒代动力学（concomitant toxicokinetics），它对创
32、新药的研发具备以下重要价值：（1）阐明毒性试验中药物的全身暴露与剂量以及时间的关系。（2）描述重复给药所致的暴露延长（extension of exposure）对药物代谢的影响（药酶诱导或抑制）。（3）解释毒性试验中的毒理学所见或改变。,（4）评价药物在不同种属、不同生理和疾病状态的毒理反应，支持非临床毒性研究的动物种属的选择和给药方案。（5）分析药物毒性表现对临床安全性评价的价值。如药物蓄积引起的肝、肾毒性，可为后续安全性评价提供有用信息。（6）阐明毒理学试验间的关联性、毒理学与药理学试验的关联性、毒理学结果对临床试验特别是临床I期试验的支持作用。（7）阐明药物致毒机理以及毒性发生、发展规
33、律。（8）为临床安全用药提供有关依据。,63,64,五、毒代动力学研究中反映药物全身暴露的动力学参数,“暴露”（exposure）：指机体染毒后，药物对机体组织的负荷量。毒代动力学评价的表征：药物浓度-时间曲线下面积（AUC）、峰浓度（Cmax）、达峰时间（tmax）、半衰期（t1/2）。其中最为重要也是最为常用的的参数为AUC，因为该参数既反映了体内药物浓度，而且又反映了药物在体内的驻留时间。,65,AUC可利用非房室模型方法求得（图3-7），因AUC为零阶矩，可用线性梯形面积法求算0-t时间的AUC（AUCt），而t-时间的AUC（AUC t-）只能通过外推法估算，即AUC t-=Ct/k
34、，0-时间的AUC（AUC）则为上述两种面积之和（公式3-2）；Cmax和tmax通常按实测值计算，t1/2可根据lnC-t作图曲线尾端的斜率求得（公式3-3）。（3-2）（3-3）,式中i为取样点序数，Ci和Ci-1为相邻两个取样点测得的药物浓度，t为取样间隔时间(ti-ti-1)，Ct为最后一次取样时间t测得的药物浓度，为lnC-t作图尾端直线的斜率，K为消除速率常数，当用lnC-t作图时，K等于；当用logC-t作图时K为尾端直线斜率与2.303之乘积。,66,67,图3-7 Cmax、tmax以及非房室分析方法估算AUC的示意图,68,第3节 药物毒代动力学的研究内容及其基本原则与要求
35、,一、药物毒代动力学的研究内容1.单剂量毒代动力学研究2.多剂量的毒代动力学研究3.组织分布的毒代动力学研究4.生殖毒性的毒代动力学研究（妊娠动物）5.致癌毒性的毒代动力学研究（MTD剂量）6.遗传毒性的毒代动力学研究（血及骨髓）,69,二、药物毒代动力学研究的基本原则与要求,1应符合GLP规范 毒代动力学研究是毒理学研究中重要的组成部分，通常伴随毒理学试验进行，故其总体要求应符合GLP（Good Laboratory Practice）规范（药物非临床研究质量管理规范）。2建立专属性好，灵敏，精密、准确的生物分析方法 和药代动力学研究一样，在毒代动力学研究中用于生物样品药物浓度测定的方法必须
36、可靠，为此，生物分析方法必须：,70,（1）高度特异：即能专属的测定原形药物或代谢物，而不受基质的干扰。（2）高度灵敏：生物样品中有效药物浓度往往低至g甚至ng水平，故测定技术应足够灵敏。（3）高度精密：即多次测定结果可重复。（4）准确：即所测结果与真实结果吻合。目前常用的分析方法包括GC（气相色谱法）、HPLC、CE等，近年出现的LC-MS、LC-MS/MS 液质联用分析技术为药物的生物分析提供了一个较理想的分析手段。,71,3试验设计合理在毒代动力学研究中，给药途径和药物剂型应尽可能与临床一致；应设高、中、低3个剂量组，低剂量应是无毒反应的最高剂量，相当于临床应用剂量的数倍；中剂量为出现轻
37、微毒性的剂量，通常是低剂量的某一合适倍数或高剂量某一合适的分数；高剂量应出现明显的毒性（一般要有少数动物死亡或体重明显减轻）；另外，每组要有适宜的动物数，通常大鼠6只，非啮齿类4只，采样点应有足够频度，通常大动物68个点，小动物46个点。此外，还应注意性别、年龄的影响。,72,4注意测定代谢物的暴露毒代动力学研究中测定的暴露目标物除原形药物外，还应注意测定代谢产物，尤其当受试物为前药、代谢物具有药理/毒理活性以及受试物体内代谢快速无法测定原形药时更应测定代谢物的暴露。5综合分析和评价应结合毒理学和药代动力学研究结果对毒代动力学结果进行综合分析和评价。,73,第4节 药代动力学的基本原理及其主要
38、参数,毒代动力学是从药代动力学和毒理学派生出来的一门新兴的分支学科，并运用药代动力学的原理和方法探讨毒性的发生和发展规律，故在毒代动力学研究时必须熟悉药代动力学的一些基本原理。药代动力学是在速率论指导下研究治疗剂量时药物体内处置的动态变化规律，特别是血药浓度随时间而变化的规律，并用数学函数表达的一门边缘学科。经典药代动力学包含两大要素：速率过程和动力学模型。,74,体内药量或浓度随时间变化的过程称速率过程或称动力学过程，用于表述药物体内转运速度的特点，按转运速率与药物量或浓度之间的关系，可将药物体内转运过程分为一级、零级和米式速率过程。一级动力学过方程 一级动力学过程（first-order
39、kinetic process）指药物在某部位某一时刻的转运速率（dc/dt）与该部位该时刻的药量或浓度的一次方成正比，可用下述微分方程表示：（3-4）,一、速率过程,，,75,75,一级消除动力学(First order elimination kinetics)：n=1 dC/dt=-kC,零级消除动力学(Zero order elimination kinetics)n=0 dC/dt=-k,dC/dt=-kCn,76,解此微分方程，得：C=C0e-kt C0为零时药物浓度，式3-5两边求对数得：由上可知，如按lnC-t或LogC-t作图则为一条直线，其斜率分别为K或K/2.303。一级
40、动力学又称线性动力学，它是被动转运的特点，多数药物为有机弱酸或弱碱；它们的体内转运多为跨膜扩散过程，故多数药物遵循一级动力学。,77,一级消除动力学数学表达公式,78,一级消除动力学特点：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,79,一级动力学过程的特点如下,体内药量或药物浓度随时间呈指数性衰减。单位时间内药物转运的比率或百分比不变，故又称恒比（定比）转运,但单位时间内消除量随时间下降，即消除速率下降。半衰期恒定，与剂量或浓度无关。药时曲线下面积与剂量成正比。单次给药后经5个半衰期可认为药物从体内完全消除，多次按相同剂量、相同间隔给药经5个半衰期可达
41、稳态血药浓度。,80,2零级动力学过程,零级动力学过程（zero-order kinetic process）指药物转运速率与该时刻的药物量或浓度的零次方成正比，即转运速率与剂量或浓度无关。可用下式表示：解此微分方程得：可见按C-t作图，为一直线，斜率为K。,81,零级动力学(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,许多药物在剂量过大，超过机体消除能力是，先按零级动力学消除，当浓度降低到机体具有的消除能力时，转为一级消除动力学消除。苯妥
42、英、阿司匹林、氯丙嗪。,82,零级,一级,零级,对数浓度,一级,浓度,非线性,线性,83,零级动力学为主动转运的特点,任何耗能的逆浓度梯度的载体转运，均可出现饱和限速而成零级动力学，其特点是：药物浓度随时间呈线性（直线）衰减。单位时间内药物转运量不变，故又称恒量转运，但转运的百分率发生变化。半衰期不恒定，与剂量（浓度）有关，剂量（浓度）越大，半衰期越长。药-时曲线下面积与剂量不成比例，剂量增加，曲线下面积超比例增加。,84,3米氏动力学过程,米式动力学过程（Michaelis-Menten Kinetic process）又称混合动力学过程，即低剂量（浓度）为一级动力学过程，高剂量（浓度）为零
43、级动力学过程，可用米氏方程加以描述：Vm为最大反应速率，Km为米氏产常数。体内具饱和现象的反应，如底物-酶，配体-受体等具有类似定量关系。零级动力学过程和米式动力学过程又称为非线性动力学过程（non-linear kinetic process）或饱和动力学过程和剂量（浓度）依赖性动力学过程。由图3-8所示，非线性动力学中两种变量（速率-浓度，对数浓度-时间）不成线性关系，与此相反，线性动力学中两种变量间成直线关系。,85,图3-8 线性（a、a）与非线性(b、b)动力学的差异性,y,一级动力学,零级动力学,一级动力学,一级动力学,一级动力学,零级动力学,86,凡涉及容量限定性过程（Capac
44、ity-Limited Process）的药物均可显示非线性动力学，其主要见于：与药物生物转化有关的可饱和酶代谢过程；与药物吸收、排泄有关的可饱和载体转运过程；与药物分布有关的可饱和血浆/组织蛋白结合过程；代谢产物抑制及酶诱导等其他特殊过程。临床常用药物中属于非线性动力学的药物虽然不多（如乙醇、苯妥英、茶碱、阿司匹林、保泰松等），但它们在临床使用时应特别警惕其毒性反应和副作用，因它们在剂量稍大时，即可使清除系统饱和，致半衰期延长，血药浓度急剧上升，故它们的用药剂量应格外审慎。许多药物在治疗剂量时呈线性动力学，但在中毒剂量时，按非线性动力学消除，故在毒代动力学研究中常常会出现非线性动力学。,87
45、,二、房室模型,药代动力学研究中常借助动力学模型将复杂的动力学过程简化，从而便于对获得的C-t数据进行数学解析.药动学模型包括房室模型（compartment model）、生理药物动力学模型（physiologically-based pharmacokinetics model）药动学-药效学联用模型（PK-PD model）。房室模型将机体视为由一个或两个甚至更多个房室组成，房室的区别不依赖于生理学和解剖学特征。而是根据药物体内转运速率常数。速率常数相同或相近的往往划归同一转运单位（单元），即房室。不同的房室模型具有相应的C-t数学表达式。,88,1.一室模型（one-compartme
46、nt model）该模型将机体视为一个房室，药物进入机体后迅速分布于机体各部位，并瞬即达到动态平衡，然后以一定速率从该室消除（图3-8）。描述其速率过程的C-t方程为一单项指数式：C=C0e-kt只有少数药物（毒物）符合一室模型，这类药物往往脂溶性较大。,89,一房室模型（one compartment model）,药物,吸收,消除,一室模型计算公式：,90,二房室模型,二室模型,药物,中央室,周边室,吸收,消除,91,图3-9 一室模型药物（左侧）和二室模型药物（右侧）静脉注射后的房室模型框图（上部）及对数浓度时间作图（下部）,92,三、药代动力学的主要参数,1.吸收动力学参数（1）峰浓度
47、（Cmax）、达峰时间（tmax）：分别指血管外给药后药物进入体循环的最高浓度值和到达最高浓度所需要的时间。（2）血药浓度时间曲线下面积（AUC）：表示药物吸收进入体循环的相对累积量，是计算生物利用度的重要参数。曲线下面积单位：ngh/mL，反映药物体内总量 既反映了体内药物浓度，而且又反映了药物在体内的驻留时间，而药物对机体的损伤不仅与机体暴露的药物浓度有关，而且也与暴露的时间有关。,93,hrs,Plasma concentration,94,（3）生物利用度(bioavailability，F)：指药物活性成分吸收进入全身循环的程度和速度。狭义的定义仅表示程度，用F表示。生物利用度又分为
48、绝对生物利用度(F)和相对生物利用度(Frel)。前者是以静脉制剂作为参比制剂获得的药物活性成分吸收进入体循环的相对量（式 3-13）；后者是以其他非静脉途径给药的制剂（如片剂、口服溶液）为参比制剂获得的药物活性成分吸收进入体循环的相对量（式 3-14），用于衡量不同制剂、不同厂家或不同批号、或同一药物不同给药途径、不同给药方式的吸收程度。,ex和iv以及T和R分别表示血管外和静脉给药以及受试和参比制剂。,95,2.分布动力学参数（1）表观分布容积（apparent volume of distribution，Vd）：指假设药物以与血药浓度相同的浓度在体内均匀分布，理论上应占有的体液容积。它
49、并非药物在体内占有的真实容积，故称为表观分布容积，它等于体内药量（A）与血药浓度（C）的比值。（2）血浆蛋白结合率（plasma protein binding rate,PPBR,）：指血浆中与蛋白结合的药量占血浆中总药量的百分比,即血浆中结合型药物浓度（Cb）与总药物浓度（Ct）的比值。,96,Vd 值的意义:1)进行血药浓度与药量的换算；2)可推测药物在体内的分布情况 以一70Kg体重的人为例，总体液大约为42L（60%）5 L 血浆中(7%,0.07 L/kg)1020 L 细胞外液(17%,0.17 L/kg)40 L 全身体液(60%,0.6 L/kg)100 L 某一器官或组织,
50、97,（1）消除速率常数（Ke）：指单位时间内消除药物的分数，反映药物消除的快慢，其大小依赖药物理化性质和机体消除能力。（2）半衰期（t1/2）：指体内药量或血浆药物浓度下降一半所需时间，它是PK中十分重要的参数，用以表示药物消除的快慢程度。t1/2与Ke成反比关系，其关系式为：t1/2=0.693/Ke，t1/2成为临床给药方案拟定的首要考虑因素，通常按半衰期给药。对于长半衰期（824h），特别是超长半衰期（24h）药物尤应注意长期用药带来的蓄积中毒问题。,3.消除动力学参数,98,（3）清除率（clearance，CL）：指单位时间内有多少体积血浆中的药物被清除，从药动学角度还可定义为药物
