基于異速生長(zhǎng)法則預(yù)測(cè)獸藥在不同動(dòng)物種屬間的藥動(dòng)學(xué)參數(shù)

李亞男，楊 帆，孫靈靈，白景英，王 丹

（河南科技大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471003）

異速生長(zhǎng)法則（allometric principles）最早是一個(gè)源于希臘語(yǔ)系的工程學(xué)術(shù)語(yǔ)，1936 年，Huxley等第一次將該理論應(yīng)用于生命科學(xué)領(lǐng)域。隨后的多篇報(bào)道證實(shí)可以利用異速生長(zhǎng)法則研究不同種屬動(dòng)物間的多個(gè)生理參數(shù)與動(dòng)物體表面積之間的關(guān)系[1]。后來(lái)研究者逐漸轉(zhuǎn)用體重來(lái)進(jìn)行異速生長(zhǎng)分析[2]。除了生理參數(shù)以外，還可以應(yīng)用異速生長(zhǎng)法則研究藥動(dòng)學(xué)參數(shù)與動(dòng)物體表面積或體重之間的關(guān)系，進(jìn)而預(yù)測(cè)藥物在不同動(dòng)物體內(nèi)的藥動(dòng)學(xué)參數(shù)。目前，國(guó)外已有多篇類(lèi)似的報(bào)道[3-5]，但國(guó)內(nèi)尚未見(jiàn)該方面研究。因此，本文從預(yù)測(cè)原理、預(yù)測(cè)方法以及影響預(yù)測(cè)結(jié)果的因素等幾方面對(duì)異速生長(zhǎng)法則進(jìn)行介紹。

1 異速生長(zhǎng)法則原理

如前所述，可以通過(guò)異速生長(zhǎng)法則研究生理學(xué)或藥動(dòng)學(xué)參數(shù)（Y）與體重（W）之間的關(guān)系，該關(guān)系可用冪函數(shù)來(lái)表示：Y=a×Wb，其中a 和b 為常數(shù)，一般兩者均大于0（在個(gè)別報(bào)道中b＜0），這是最簡(jiǎn)單的異速生長(zhǎng)函數(shù)。在該冪函數(shù)中變量Y 與自變量W之間為非線性關(guān)系，可以通過(guò)對(duì)等式兩邊取對(duì)數(shù)的方法獲得兩者（logY 與logW）之間的線性關(guān)系，即logY=blogW+loga，此時(shí)b 為線性回歸方程的斜率，而截距等于loga。

2 應(yīng)用異速生長(zhǎng)法則預(yù)測(cè)常見(jiàn)的藥動(dòng)學(xué)參數(shù)

2.1 表觀分布容積 表觀分布容積（Vd）是將全血或血漿中的藥物濃度與體內(nèi)藥量聯(lián)系起來(lái)的比例常數(shù)，它是藥動(dòng)學(xué)中表征藥物分布特征的一個(gè)重要參數(shù)。而穩(wěn)態(tài)表觀分布容積（Vdss）指的是血藥濃度達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)藥物的Vd，其在數(shù)值上等于藥物在機(jī)體內(nèi)的平均駐留時(shí)間（MRT）與體清除率（Cl）的乘積。此外，對(duì)于符合多室模型的藥物而言，還有一個(gè)中央室表觀分布容積（Vc）。

研究者利用異速生長(zhǎng)法則預(yù)測(cè)了很多藥物的Vd、Vc 或Vdss。針對(duì)不同藥物，指數(shù)b 的數(shù)值一般接近于1.0（多介于0.8-1.1 之間）[2]，說(shuō)明表觀分布容積與體重之間一般具有近似等速的生長(zhǎng)關(guān)系，但也有例外[6]：如二氮嗪的指數(shù)b 僅為0.58。指數(shù)b 的數(shù)值大小會(huì)顯著影響藥動(dòng)學(xué)參數(shù)的變化：指數(shù)b 稍大于1.0 時(shí)，體重的微小變化就會(huì)造成藥動(dòng)學(xué)參數(shù)的成倍增長(zhǎng)；相反，指數(shù)b 稍小于1.0 時(shí)，體重的微小變化則會(huì)引發(fā)藥動(dòng)學(xué)參數(shù)的成倍減小。

在預(yù)測(cè)表觀分布容積時(shí)，最常使用的異速生長(zhǎng)函數(shù)為簡(jiǎn)單的冪函數(shù)。Gebru 等[4]利用該方法獲得了9 種哺乳動(dòng)物體內(nèi)奧比沙星的Vss與W之間的關(guān)系式：Vss=1.10×W1.05。Cox[3]則利用該方法研究了不同動(dòng)物體內(nèi)麻保沙星、莫西沙星、達(dá)氟沙星和二氟沙星的Vss與動(dòng)物體重間的關(guān)系，其計(jì)算得到的冪函數(shù)中4 種藥物的a 值分別為1.34、3.25、3.56 和2.16，b 值分別為1.01、0.91、0.93 和0.88，logVss 與logW的相關(guān)系數(shù)則分別為0.996、0.977、0.937 和0.986。

Huang 等[6]的研究顯示，為了獲得準(zhǔn)確的表觀分布容積預(yù)測(cè)結(jié)果，至少應(yīng)選擇3 種以上動(dòng)物進(jìn)行異速生長(zhǎng)分析。但也有學(xué)者提出了不同的觀點(diǎn)，Bachmann 等[7]收集了100 種化學(xué)異物在大鼠和人體內(nèi)的表觀分布容積，之后僅利用大鼠體內(nèi)的Vd參數(shù)值預(yù)測(cè)得到了人體內(nèi)的Vd值。

2.2 體清除率 體清除率（Cl）是指機(jī)體在單位時(shí)間內(nèi)清除相當(dāng)于流經(jīng)血液體積中所含藥物的能力，是一個(gè)表征藥物在體內(nèi)清除速度的重要參數(shù)。應(yīng)用異速生長(zhǎng)法則預(yù)測(cè)Cl 時(shí)，針對(duì)不同藥物需要使用不同的方法：對(duì)于主要經(jīng)腎排泄的小分子藥物而言，利用簡(jiǎn)單的冪函數(shù)即可獲得較好的預(yù)測(cè)效果，但對(duì)于大分子蛋白質(zhì)類(lèi)藥物而言，其在體內(nèi)的清除主要依靠酶促反應(yīng)，該反應(yīng)往往是種屬特異性的，此時(shí)再使用簡(jiǎn)單的冪函數(shù)進(jìn)行異速生長(zhǎng)分析時(shí)，預(yù)測(cè)效果往往不好，為此研究者提出了不同的預(yù)測(cè)方法。

不同動(dòng)物之間，其壽命（maximum life-span potential，MLP）及大腦的重量（brain weight，BrW）都存在較大差別，這一差別體現(xiàn)了不同種屬動(dòng)物間的進(jìn)化差異，因此有研究者[8]將MLP 或BrW作為校正因子加入到簡(jiǎn)單的冪函數(shù)中預(yù)測(cè)Cl，此時(shí)異速生長(zhǎng)函數(shù)可以改寫(xiě)為：Cl×MLP=a×Wb或Cl×BrW=a×Wb。在Mahmood 等[8]的研究中，利用簡(jiǎn)單冪函數(shù)預(yù)測(cè)得到的頭孢唑林在人體內(nèi)的Cl 為141 mL/min，相對(duì)誤差為131%，而在冪函數(shù)中加入MLP 后，預(yù)測(cè)得到的數(shù)值為50.55 mL/min，相對(duì)誤差僅為17%。

2.3 消除半衰期 消除半衰期（t1/2）是指體內(nèi)藥量或濃度降低一半所需要的時(shí)間，對(duì)于遵循線性一級(jí)消除的藥物而言，t1/2與劑量及給藥途徑無(wú)關(guān)。但對(duì)于同一藥物而言，不同種屬間t1/2會(huì)有差別，同屬內(nèi)也會(huì)有差別。t1/2作為Vss 和Cl 的混雜參數(shù)，在數(shù)值上可以通過(guò)下式計(jì)算：t1/2=0.693×Cl/Vss，需要注意的是該公式只適合符合單室模型處置特點(diǎn)的藥物。事實(shí)上，現(xiàn)有的關(guān)于t1/2的異速生長(zhǎng)分析得到的logt1/2與logW之間的相關(guān)系數(shù)均較小。Riviere 等[5]對(duì)44 種獸藥的t1/2進(jìn)行了異速生長(zhǎng)分析，其研究結(jié)果表明，44 種獸藥中僅有11 種的logt1/2與logW存在較好（相關(guān)系數(shù)大于0.74）的線性關(guān)系，另有19 種獸藥的logt1/2與logW之間的相關(guān)系數(shù)小于0.26，其中磺胺噻唑的相關(guān)系數(shù)更低至0.00。Gebru 等[4]的研究也表明，簡(jiǎn)單的冪函數(shù)無(wú)法精確預(yù)測(cè)奧比沙星在不同動(dòng)物體內(nèi)的t1/2。Cox[3]的研究結(jié)果則表明，在麻保沙星、莫西沙星、達(dá)氟沙星和二氟沙星中，僅莫西沙星的logt1/2與logW之間線性相關(guān)系數(shù)大于0.8，其余均小于0.1。為了提高t1/2的預(yù)測(cè)精度，研究者提出了一些間接計(jì)算方法。因?yàn)閠1/2=0.693×Vss/Cl，而如前所述，利用異速生長(zhǎng)法則能夠精確預(yù)測(cè)Cl 和Vss 的數(shù)值，因此利用上式可進(jìn)一步計(jì)算得到t1/2。此外，有學(xué)者首先利用簡(jiǎn)單的異速生長(zhǎng)法則獲得了MRT 與W之間的冪函數(shù)，之后再通過(guò)t1/2=0.693×MRT 來(lái)計(jì)算t1/2。

3 影響藥動(dòng)學(xué)參數(shù)預(yù)測(cè)結(jié)果的因素分析

3.1 生物轉(zhuǎn)化 雖然不同種屬動(dòng)物體內(nèi)都具有相同或相似的生物化學(xué)特征，但不同種屬動(dòng)物體內(nèi)所存在的代謝酶的種類(lèi)、數(shù)量及活性并不完全一致，有時(shí)差異甚至極其顯著，例如狗體內(nèi)無(wú)法完成藥物的乙?；x，大鼠體內(nèi)藥物的乙?；饔脛t非常強(qiáng)烈，而人體內(nèi)乙?；傅幕钚詣t介于狗和大鼠之間；同樣，貓?bào)w內(nèi)無(wú)法完成藥物的葡萄苷酸化反應(yīng)，相反人體內(nèi)該反應(yīng)則能順利進(jìn)行。很多研究證明，不同動(dòng)物體內(nèi)藥動(dòng)學(xué)參數(shù)間的差異是由Ⅰ和Ⅱ相代謝中的差異造成的，因此如果藥物在動(dòng)物體內(nèi)要經(jīng)過(guò)乙酰化、葡萄苷酸化或硫酸酯化代謝反應(yīng)的話(huà)，往往無(wú)法利用異速生長(zhǎng)法則準(zhǔn)確預(yù)測(cè)該藥在不同動(dòng)物體內(nèi)的藥動(dòng)學(xué)參數(shù)。

3.2 遺傳多態(tài)性 肝臟中的CYP450 酶是一系列重要的藥物代謝酶，能夠在體內(nèi)催化眾多藥物的氧化還原反應(yīng)，而不同種屬動(dòng)物間CYP450 同工酶的結(jié)構(gòu)及活性差異也較大。不同種屬動(dòng)物的基因中即使僅有一小段序列不同，其表達(dá)的酶的結(jié)構(gòu)或活性也可能產(chǎn)生巨大差異，這些都會(huì)引起藥動(dòng)學(xué)參數(shù)預(yù)測(cè)結(jié)果的偏差。此外，當(dāng)藥物代謝酶能夠被某些因素抑制或誘導(dǎo)時(shí)，預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性會(huì)更差。

3.3 血漿蛋白結(jié)合率 結(jié)合型的藥物無(wú)法通過(guò)腎小球?yàn)V過(guò)作用清除，因此如果藥物在不同種屬動(dòng)物間的血漿蛋白結(jié)合率不一致的話(huà)，利用簡(jiǎn)單的冪函數(shù)無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)該藥的藥動(dòng)學(xué)參數(shù)。但可以在冪函數(shù)中加入血漿蛋白結(jié)合率作為校正因子來(lái)預(yù)測(cè)Cl 和Vd[9]。

3.4 非線性藥物動(dòng)力學(xué) 如果藥物在動(dòng)物體內(nèi)存在非線性藥動(dòng)學(xué)特征，那么在較高劑量下藥物的處置過(guò)程會(huì)呈現(xiàn)零級(jí)速率過(guò)程，此時(shí)藥動(dòng)學(xué)參數(shù)和劑量之間不存在關(guān)聯(lián)性，因此無(wú)法借助異速生長(zhǎng)法則預(yù)測(cè)不同動(dòng)物體內(nèi)的藥動(dòng)學(xué)參數(shù)。事實(shí)上，絕大部分藥物在機(jī)體內(nèi)的處置均呈線性特點(diǎn)，但隨著科研資料的不斷累積，在動(dòng)物體內(nèi)的吸收、分布、代謝和排泄過(guò)程中呈現(xiàn)非線性特征的藥物也逐漸增多。呈現(xiàn)非線性吸收的獸藥有安替比林、戊巴比妥和磺胺噻唑；呈現(xiàn)非線性排泄的獸藥有阿司匹林、卡那霉素、硫噴妥鈉和芐青霉素等；呈現(xiàn)非線性代謝的獸藥有阿司匹林、水楊酸鹽和四環(huán)素等；呈現(xiàn)非線性膽汁或腎排泄的獸藥有四環(huán)素和核黃素等。

3.5 肝、腸循環(huán)過(guò)程中的種屬差異 腸、肝循環(huán)是指經(jīng)膽汁或部分經(jīng)膽汁排入腸道的藥物，在腸道中又被重新吸收，經(jīng)門(mén)靜脈返回肝臟的現(xiàn)象。此現(xiàn)象主要發(fā)生在經(jīng)膽汁排泄的藥物中，有些由膽汁排入腸道的原型藥物，極性高，很少能從腸道再吸收，大部分從糞便排出；但有些藥物在肝內(nèi)與葡萄糖醛酸結(jié)合后，水溶性增高，分泌入膽汁，排入腸道，在腸道細(xì)菌酶作用下水解釋放出原型藥物，又被腸道重吸收進(jìn)入肝臟。因此因膽汁生成量及速率不同及腸道中微生物菌群不同時(shí)，同種藥物在不同種屬動(dòng)物體內(nèi)的肝、腸循環(huán)過(guò)程會(huì)有明顯差異。此時(shí)利用簡(jiǎn)單的冪函數(shù)無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)藥動(dòng)學(xué)參數(shù)，需要加入膽汁流量（Bile flow，BF）作為校正因子。

3.6 對(duì)尿液pH 值敏感的腎小管重吸收 一般肉食動(dòng)物尿液的pH 值偏酸，而草食動(dòng)物尿液的pH 值偏堿。而對(duì)于弱酸或弱堿性藥物來(lái)說(shuō)，在腎排泄過(guò)程中，尿液的pH 值會(huì)影響其在遠(yuǎn)曲小管的重吸收。據(jù)推測(cè)，對(duì)解離常數(shù)（pKa）在3 到7 之間的弱酸性藥物而言，在肉食動(dòng)物體內(nèi)的t1/2會(huì)縮短，而堿性藥物則剛好相反[6]。因此，利用異速生長(zhǎng)法則預(yù)測(cè)獸藥在不同動(dòng)物體內(nèi)的藥動(dòng)學(xué)參數(shù)時(shí)，如果同時(shí)涉及到肉食動(dòng)物或草食動(dòng)物，往往在大動(dòng)物（主要為草食動(dòng)物）體內(nèi)的預(yù)測(cè)結(jié)果更差。

4 小結(jié)

利用異速生長(zhǎng)法則預(yù)測(cè)獸藥在不同種屬動(dòng)物間的藥動(dòng)學(xué)參數(shù)具有顯而易見(jiàn)的優(yōu)勢(shì)：（1）易于分析，便于操作；（2）成功率高，能夠達(dá)到80%。但同時(shí)應(yīng)意識(shí)到應(yīng)用該法也存在著較大的局限性：（3）一般只能預(yù)測(cè)Cl、Vd 或Vdss 及t1/2，且t1/2的預(yù)測(cè)結(jié)果往往不理想；（4）如藥物的轉(zhuǎn)運(yùn)和/或代謝過(guò)程中存在較大的種屬間差異時(shí)，利用簡(jiǎn)單的冪函數(shù)法預(yù)測(cè)得到的藥動(dòng)學(xué)參數(shù)往往存在較大誤差；（5）在應(yīng)用簡(jiǎn)單的冪函數(shù)無(wú)法獲得精確的預(yù)測(cè)結(jié)果時(shí)，往往需要使用校正因子，但有關(guān)校正因子的選擇并無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。

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