藥動(dòng)藥效同步模型在獸藥領(lǐng)域應(yīng)用的研究進(jìn)展

劉雪松，朱慶賀，楊旭東，張 艷，陳 曦，王 爽，王觀悅，穆永才，羅天瑤，史同瑞

(黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院畜牧獸醫(yī)分院，黑龍江齊齊哈爾 161000)

通常對(duì)某種藥物的研究包含兩個(gè)方面，分別為藥代動(dòng)力學(xué)(Pharmacokinetics，PK)和藥效學(xué)(Pharmacodynamics，PD)。在以往的藥學(xué)研究中，PK和PD被認(rèn)為是兩個(gè)分離的學(xué)科，通常是單獨(dú)進(jìn)行研究的。PK描述的是機(jī)體對(duì)藥物的作用，即藥物是如何吸收、分布、轉(zhuǎn)化以及通過(guò)新陳代謝進(jìn)行消除的。PD研究的是藥物對(duì)機(jī)體的作用及其規(guī)律，闡明藥物防治疾病的機(jī)制。單獨(dú)研究PK僅僅可以顯示出劑量-濃度-時(shí)間三者的關(guān)系，而單獨(dú)研究PD也僅僅可以顯示出濃度-效應(yīng)兩者之間的關(guān)系。而PK/PD模型可以將PK和PD結(jié)合在一起，從而將劑量-濃度-效應(yīng)-時(shí)間四者的關(guān)系聯(lián)系在一起進(jìn)行研究[1]。將PK和PD結(jié)合在一起進(jìn)行研究有助于觀察到藥物在臨床表現(xiàn)方面的個(gè)體差異，且有利于探究藥物的作用機(jī)制、機(jī)體內(nèi)外環(huán)境對(duì)藥物影響等相關(guān)方面。近幾年來(lái)，PK/PD模型的實(shí)際應(yīng)用得到迅速的發(fā)展，已經(jīng)成為一個(gè)新的學(xué)科增長(zhǎng)點(diǎn)。目前，在獸醫(yī)領(lǐng)域內(nèi)，PK/PD模型主要應(yīng)用于為獸用藥物制定具有科學(xué)依據(jù)的用藥劑量以及用藥間隔，并通過(guò)與多個(gè)理論和模型進(jìn)行結(jié)合，為獸用藥物常用劑量的有效性進(jìn)行評(píng)估[2]。

1 PK/PD模型的優(yōu)點(diǎn)

在PK/PD模型未廣泛使用時(shí)，藥物劑量的測(cè)定通常使用的是藥物劑量滴定試驗(yàn)(does titration studies)。這種試驗(yàn)是將健康動(dòng)物和感染疾病的動(dòng)物模型共同均衡地分配到幾個(gè)藥物劑量組中，將動(dòng)物模型組與健康動(dòng)物組進(jìn)行對(duì)比，并應(yīng)用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法對(duì)藥物的效果進(jìn)行評(píng)估，從而確定藥物的劑量。這種試驗(yàn)只是運(yùn)用到了簡(jiǎn)單的平行設(shè)計(jì)。用這種方法獲得的所謂的“合理劑量”往往比真實(shí)的合理劑量要高很多。因?yàn)閯┝康味ㄔ囼?yàn)的成功與否往往通常與試驗(yàn)設(shè)計(jì)相關(guān)，而這種試驗(yàn)想要獲得成功需要獲得統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上的差異，而這種差異與試驗(yàn)動(dòng)物的數(shù)量密切相關(guān)[3]。試驗(yàn)動(dòng)物數(shù)量較少，達(dá)不到統(tǒng)計(jì)學(xué)上的差異，可能會(huì)導(dǎo)致獲得的劑量往往比合理劑量要高出許多。盡管將平行試驗(yàn)設(shè)計(jì)改為交叉試驗(yàn)效果會(huì)好一些，但是獲得的劑量依然要比真正的合理劑量要高一些。藥物劑量滴定試驗(yàn)只能將藥物劑量與藥物效果聯(lián)系在一起。而不能將藥物在機(jī)體內(nèi)的血藥濃度與藥效之間的關(guān)系表達(dá)清晰[4]。

而PK/PD模型可以通過(guò)PK/PD參數(shù)將藥物濃度-時(shí)間曲線與藥效結(jié)合在一起，得出不同藥物濃度時(shí)的藥效。并且，通過(guò)PK/PD模型算出藥物劑量時(shí)，只需要對(duì)動(dòng)物進(jìn)行單次給藥，就可通過(guò)已經(jīng)構(gòu)建好的模型，通過(guò)算法算出不同抗菌效果時(shí)所需要的最低劑量。對(duì)于以往的劑量滴定試驗(yàn)，藥物劑量與治療效果在動(dòng)物體內(nèi)的具體關(guān)系是一個(gè)看不透的黑箱。也就是說(shuō)在動(dòng)物體內(nèi)，多大的藥物濃度產(chǎn)生什么樣的抗菌效果是不清晰的。但是對(duì)于PK/PD模型來(lái)說(shuō)，劑量-濃度-效應(yīng)-時(shí)間四者是清晰可見(jiàn)的，并不再是一個(gè)無(wú)法看清的黑箱。PK/PD模型可以真實(shí)的反應(yīng)出藥物、機(jī)體以及病原菌之間復(fù)雜的相互關(guān)系[5]。綜上所述，相比較于以往的藥物劑量滴定試驗(yàn)，PK/PD模型具有省時(shí)、省試驗(yàn)動(dòng)物，且算出的給藥劑量以及給藥間隔更加具有科學(xué)性的優(yōu)勢(shì)。

2 PK/PD參數(shù)的選擇

PK/PD參數(shù)是由PK的相關(guān)參數(shù)與PD的相關(guān)參數(shù)結(jié)合在一起重新構(gòu)建起的參數(shù)。對(duì)于PK，有幾個(gè)主要參數(shù)經(jīng)常被研究分別是藥時(shí)曲線下面積(area under concentration，AUC)、達(dá)峰時(shí)間(peak time，Tmax)、達(dá)峰濃度(peak concentration，Cmax)以及在機(jī)體中游離藥物濃度的前綴代表f[6]。PD的最主要的參數(shù)包括最小抑菌濃度(minimal inhabit concentration，MIC)、最小殺菌濃度(minimal bactericidal concentration，MBC)、防突變耐藥濃度(mutant prevention concentration，MPC)以及抗菌后效應(yīng)(post antibiotical effect，PAE)[7]。將PK與PD的參數(shù)結(jié)合在一起，構(gòu)建出3種PK/PD參數(shù)，分別為%T>MIC、AUC/MIC以及Cmax/MIC。按照作用類型可以將藥物分為兩大類，分別為濃度依賴性藥物和時(shí)間依賴性藥物。濃度依賴性藥物特點(diǎn)為藥物的作用效果與藥物作用部位的濃度有關(guān)。這類藥物適合的PK/PD參數(shù)為AUC/MIC和Cmax/MIC。運(yùn)用這兩個(gè)PK/PD參數(shù)的目的就是合理地增加藥物濃度來(lái)達(dá)到更好的藥效。這類藥物主要包括氨基糖苷類、氟喹諾酮類、甲硝唑、黏菌素等[8]。而時(shí)間依賴性藥物的作用效果是與藥物作用濃度超過(guò)MIC的時(shí)間占比相關(guān)，故PK/PD參數(shù)為%T>MIC。時(shí)間依賴性藥物主要包括β-內(nèi)酰胺類、萬(wàn)古霉素、克林霉素、大環(huán)內(nèi)酯類等。根據(jù)抗菌后效應(yīng)長(zhǎng)短，又可將時(shí)間依賴性藥物分為兩類，分別為抗菌后效應(yīng)無(wú)或短的藥物以及抗菌后效應(yīng)長(zhǎng)的藥物。目前對(duì)于抗菌后效應(yīng)無(wú)或短的藥物，主要使用的PK/PD參數(shù)為%T>MIC，例如β-內(nèi)酰胺類藥物。而對(duì)于抗菌后效應(yīng)長(zhǎng)的藥物，主要使用PK/PD參數(shù)為AUC/MIC和%T>MIC，例如糖肽類藥物[9]。藥物的作用類型通常通過(guò)殺菌曲線來(lái)進(jìn)行區(qū)分，如果藥物的抗菌效果一直隨著濃度的增加而增加，則為濃度依賴性藥物。如果藥物的抗菌效果在不隨著藥物濃度的增加而增加，而是隨著時(shí)間的推移而增加，則為時(shí)間依賴性。隨著研究的深入，某些藥物在做相關(guān)研究時(shí)出現(xiàn)了兩種藥物的特性，這其中以阿奇霉素最為典型[10]。需要注意的是，在運(yùn)用PK/PD模型的時(shí)候，某種藥物運(yùn)用哪個(gè)PK/PD參數(shù)并非絕對(duì)的和固定不變的。而藥物在動(dòng)物體內(nèi)分為游離型藥物以及結(jié)合型藥物，只有游離型藥物才能發(fā)揮抗菌效果，PK/PD模型擬合時(shí)經(jīng)常以游離型藥物代謝情況為主，以游離型藥物為基礎(chǔ)的PK/PD參數(shù)為%fT>MIC，fAUC/MIC、fCmax/MIC[11]。

3 PK/PD研究的方法

3.1 體外PK/PD模型

體外PK/PD模型(invitroPK/PD model)是一種依靠體外模擬裝置進(jìn)行的一種藥理模型。該種模擬裝置可以模擬藥物在體內(nèi)的代謝過(guò)程，可以模擬得到抗菌藥物在機(jī)體內(nèi)藥物濃度隨著時(shí)間變化的過(guò)程中的抗菌效果。這種模型適合用于抗菌藥物體外PK/PD參數(shù)的選擇以及給藥方案的初步篩選。體外PK/PD模型主要包括稀釋模型和擴(kuò)散模型，常用的擴(kuò)散模型為中空纖維感染模型(hollow fiber infection model，HFIM)[12]。

目前，抗菌藥物所用的動(dòng)力學(xué)模型模擬的基本上為一級(jí)吸收和消除的動(dòng)力學(xué)過(guò)程，包括一室模型、二室模型等。不同的模型在結(jié)構(gòu)上基本相似，大體上都有幾個(gè)液體容器通過(guò)管道連接組成。通常包括含有培養(yǎng)基的儲(chǔ)存容器、廢液收集容器以及一個(gè)模擬體內(nèi)藥物濃度變化的容器。血管外給藥模型中還會(huì)增加一個(gè)容器叫吸收室用來(lái)模擬抗菌藥物的吸收過(guò)程。幾個(gè)容器之間培養(yǎng)液的流動(dòng)通過(guò)蠕動(dòng)泵實(shí)現(xiàn)[13]。

目前，體外PK/PD模型多應(yīng)用于抗菌藥物PK/PD參數(shù)上的篩選。這種方法節(jié)省了實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的經(jīng)費(fèi)，并且克服了測(cè)定殺菌曲線時(shí)，藥物濃度恒定的缺點(diǎn)。但是正是由于缺乏實(shí)驗(yàn)動(dòng)物，沒(méi)有考慮到動(dòng)物自身的免疫機(jī)制，成為了這種模式最主要的缺點(diǎn)[14]。

3.2 半體內(nèi)PK/PD模型

半體內(nèi)PK/PD模型(exvivoPK/PD model)也是目前獸醫(yī)上經(jīng)常使用的PK/PD模型之一。半體內(nèi)的特點(diǎn)是將體內(nèi)的藥動(dòng)學(xué)和體外的藥效學(xué)結(jié)合在一起，通常使用的方法便是在試驗(yàn)動(dòng)物上安裝組織籠，給藥后定時(shí)采集組織液和血液，檢測(cè)血液和組織液的藥物濃度，并用體外殺菌曲線的方法獲得組織液和血液的藥物抗菌效果。這種PK/PD模型適用于大中動(dòng)物例如牛、豬、羊、駱駝等[15-17]。半體內(nèi)的PK/PD模型優(yōu)點(diǎn)在于不需要去犧牲動(dòng)物來(lái)獲得藥物的抗菌效果。在做殺菌曲線時(shí)，由體外的培養(yǎng)液換成了來(lái)自體內(nèi)的血液或組織液，更加貼近于試驗(yàn)動(dòng)物的情況。缺點(diǎn)便是不適用于小動(dòng)物，且組織液和血液中藥物的抗菌效果大多是通過(guò)體外殺菌曲線的方式來(lái)獲得的，比起體內(nèi)模型，動(dòng)物自身免疫因素考慮的相對(duì)較少。

3.3 體內(nèi)PK/PD模型

體內(nèi)PK/PD模型(invivoPK/PD model)是需要建造動(dòng)物感染模型后，在動(dòng)物體內(nèi)進(jìn)行的模型。最常用到的動(dòng)物感染模型包括粒細(xì)胞減少小鼠大腿感染模型[18]、小鼠乳房炎模型[19]、粒細(xì)胞減少小鼠肺炎感染模型等[20]。由于是體內(nèi)PK/PD模型，首先需要制造細(xì)菌感染模型，最常見(jiàn)的方式是用免疫抑制劑例如環(huán)磷酰胺在制造模型前進(jìn)行注射，之后將細(xì)菌注入到動(dòng)物體內(nèi)[21]。

這種模式的優(yōu)點(diǎn)在于將試驗(yàn)動(dòng)物的自身免疫因素考慮在內(nèi)，并且可以分析不同給藥方式，不同部位以及不同病原菌的PK/PD參數(shù)是否相近。該模型的缺點(diǎn)需要大量犧牲試驗(yàn)動(dòng)物，所以該模型不適用于大型動(dòng)物[22]。

4 PK/PD模型研究的目的

4.1 PK/PD靶值

PK/PD模型的最終目的是為臨床用藥提供科學(xué)依據(jù)，其中的方式之一便是獲得PK/PD靶值(pharmacodynamics target，PDT)[23]。PK/PD靶值更像是一種臨界值，是藥物達(dá)到某種抗菌效果時(shí)需要的最小值。PK/PD靶值對(duì)于不同種動(dòng)物是具有針對(duì)性的，它的獲得是基于臨床前和臨床藥物-微生物相互作用關(guān)系的[24]。在理想情況下，PK/PD靶值是確保治療成功的保障。通過(guò)PK/PD模型獲得PK/PD靶值的方式多用于模式動(dòng)物，最常用的動(dòng)物為小鼠，在大動(dòng)物上也有使用。

4.2 合理給藥劑量

PK/PD模型也可以最終通過(guò)計(jì)算獲得合理的給藥劑量[25]。算出計(jì)量的公式如下。

其中，CL為藥物清除率，fu為血漿中的游離型藥物，F(xiàn)為生物利用度。這個(gè)劑量的計(jì)算公式經(jīng)常使用在濃度依賴性藥物的劑量計(jì)算。對(duì)于時(shí)間依賴性藥物，可先算出其T>MIC的值，然后算出該藥物的加權(quán)AUC，即WAUC。WAUC的定義為藥物濃度-時(shí)間曲線下血漿藥物濃度超過(guò)MIC的面積。獲得了WAUC后，在再講WAUC帶入到劑量公式中，便可以算出相應(yīng)的合理劑量。T>MIC以及WAUC的計(jì)算公式如下[26]。它們的計(jì)算一般用相應(yīng)的藥理學(xué)分析軟件進(jìn)行，例如Winnonlin軟件等。

其中，D為計(jì)劃劑量，Vd為表觀分布容積，T1/2β為消除半衰期，t為給藥間隔。

其中，(T>MIC)Max為24 h時(shí)的情況。

5 PK/PD模型與蒙特卡洛模型

蒙特卡羅(Monte Carlo Simulation，MCS)模擬法原用于社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、工業(yè)、商業(yè)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，主要用于預(yù)測(cè)某種后果發(fā)生的幾率或可能性。MCS是采用不同統(tǒng)計(jì)取樣技術(shù)來(lái)提供定量問(wèn)題近似解決方案的隨機(jī)模擬方法。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，MCS是通過(guò)計(jì)算機(jī)創(chuàng)造一個(gè)隨機(jī)事件或“試驗(yàn)”的分析方法，當(dāng)運(yùn)行到指定的次數(shù)，可以獲得任何特定目標(biāo)的概率[27]。

1998年10月美國(guó)食品和藥物管理局(FDA)抗感染藥物顧問(wèn)委員會(huì)首次把該方法用于制定藥物的劑量和確定藥敏試驗(yàn)的臨界濃度。大多數(shù)情況下，根據(jù)某種細(xì)菌MIC調(diào)查，并通過(guò)試驗(yàn)獲得某種藥物的PK參數(shù)值，應(yīng)用MCS來(lái)獲得某種藥物現(xiàn)如今使用劑量的治療效果。通常進(jìn)行MCS的軟件為水晶球軟件(Crystal ball software)[28]。

進(jìn)行MCS時(shí)，首先要計(jì)算出相應(yīng)的%fT>MIC、fAUC/MIC以及fCmax/MIC，并獲得相應(yīng)的PK/PD靶值，通過(guò)模擬計(jì)算抗菌藥物不同給藥方案對(duì)某一細(xì)菌PK/PD指數(shù)達(dá)到該靶值的累積響應(yīng)百分率(cumulative fraction of response，CFR)，以及不同MIC下對(duì)某一細(xì)菌達(dá)到PK/PD靶值的達(dá)標(biāo)概率(probability of target attainment，PTA)。通過(guò)這種模擬可以確定達(dá)到最佳臨床和細(xì)菌學(xué)療效時(shí)抗菌藥物的給藥方案，包括給藥劑量、間隔和給藥方式。MCS可以測(cè)定小樣本量試驗(yàn)動(dòng)物的PK的平均參數(shù)，模擬大于10 000個(gè)試驗(yàn)動(dòng)物的PK變化情況，根據(jù)病原菌MIC的分布情況和范圍，計(jì)算不同的給藥方案達(dá)到預(yù)期藥效學(xué)靶值的概率分布。這是以往靠人力無(wú)法進(jìn)行的[29]。

6 PK/PD模型與細(xì)菌耐藥性

細(xì)菌的耐藥性的發(fā)生通常與新的基因獲取或者染色體上的點(diǎn)突變有關(guān)。細(xì)菌耐藥性問(wèn)題在世界范圍內(nèi)逐漸成為了一個(gè)亟待解決的難題。隨著藥物的濫用，這種問(wèn)題正在逐漸加劇。對(duì)于某些發(fā)展中國(guó)家來(lái)說(shuō)，細(xì)菌耐藥性問(wèn)題成為了一個(gè)阻礙養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展的重要難題，因?yàn)樵谶@些國(guó)家中無(wú)法獲得第二段或者第三代抗生素，即使能夠獲得，價(jià)格也異常昂貴[30]。對(duì)于一些舊的藥物來(lái)說(shuō)，由于幾十年的使用，在許多種類的細(xì)菌菌株上產(chǎn)生了耐藥性。為了讓這些舊的藥物得到持續(xù)合理的使用，也為了讓新的藥物有合理的用藥劑量，預(yù)防細(xì)菌耐藥性的產(chǎn)生，有必要根據(jù)PK/PD模型的藥物與病原體的作用關(guān)系對(duì)這些藥物劑量進(jìn)行評(píng)估。突變選擇窗理論的出現(xiàn)，也為這種評(píng)估提供了一種新的思路。突變選擇窗(mutant selection window，MSW)以及防突變濃度(mutant prevention concentration，MPC)是由Zhao與Drlica在研究細(xì)菌對(duì)于氟喹諾酮類藥物耐藥機(jī)制時(shí)提出的新理論[31]。該理論認(rèn)為對(duì)于不同種細(xì)菌存在一個(gè)濃度，這個(gè)濃度是可以防止突變株選擇性富集擴(kuò)增的最低濃度，這個(gè)濃度就是MPC。MSW就是MIC與MPC之間的差值。該理論認(rèn)為當(dāng)細(xì)菌處于MSW中的藥物濃度時(shí)，由于藥物選擇壓力的影響，細(xì)菌很容易對(duì)該種藥物產(chǎn)生耐藥性。只有藥物濃度高于MPC時(shí)，既可以有效地殺滅細(xì)菌，又可以防止細(xì)菌耐藥突變株的產(chǎn)生。基于MIC為基礎(chǔ)的PK/PD模型只能起到抑制或殺滅細(xì)菌的目的，未考慮細(xì)菌在該種藥物的選擇壓力下產(chǎn)生耐藥情況。MPC彌補(bǔ)了MIC的這個(gè)缺陷。以MPC為基礎(chǔ)的PK/PD模型逐漸被人們所接受并使用。以MPC為基礎(chǔ)的PK/PD模型，其PK/PD參數(shù)為%T>MPC、AUC/MPC以及Cmax/MPC[32]。PK/PD模型與MSW理論的聯(lián)合使用為藥物的合理應(yīng)用提供了一個(gè)新的方向。

7 展望

目前PK/PD模型因其可以科學(xué)地指導(dǎo)藥物的使用劑量，在獸藥相關(guān)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。運(yùn)用該模型可以讓獸藥的研發(fā)人員更有把握地根據(jù)試驗(yàn)相關(guān)數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算出臨床最佳用藥方案，并且具有省時(shí)、省力、快速、高效以及經(jīng)濟(jì)的優(yōu)勢(shì)。用這個(gè)模型可以指導(dǎo)使用年限相對(duì)較長(zhǎng)的獸藥持續(xù)地、合理地治療動(dòng)物相關(guān)疾病。對(duì)于新研發(fā)的獸藥，可以運(yùn)用該模型對(duì)將會(huì)出現(xiàn)的耐藥情況進(jìn)行預(yù)測(cè)，從而提出科學(xué)的用藥方案防止耐藥性的產(chǎn)生。隨著科技的進(jìn)步與研究的深入，PK/PD模型可以與多種模型以及相關(guān)軟件進(jìn)行聯(lián)合使用，充分發(fā)揮其潛能，對(duì)未來(lái)獸醫(yī)的臨床用藥提供一定的理論基礎(chǔ)，為防止細(xì)菌耐藥性的出現(xiàn)提供大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。在未來(lái)的發(fā)展中，PK/PD模型在獸藥相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用會(huì)越來(lái)越完善，應(yīng)用也會(huì)越來(lái)越廣泛，不僅可以使用在化學(xué)藥物上，在中獸藥的應(yīng)用上也逐漸發(fā)展起來(lái)，為相關(guān)研究提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)。PK/PD模型將會(huì)為獸藥的科學(xué)合理使用起到關(guān)鍵作用。