杜海燕，陳 濤，張文鵬，譚 莉，李 正，劉文芳，林 陽，莊笑梅

（1.首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京安貞醫(yī)院藥事部，北京 100029；2.上海凡默谷信息技術(shù)有限公司，上海 200120；3.軍事科學(xué)院軍事醫(yī)學(xué)研究院毒物藥物研究所，抗毒藥物與毒理學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100850）

萬古霉素（vancom ycin）屬于三環(huán)糖肽類抗生素，自1958年FDA批準(zhǔn)上市以來一直在臨床廣泛應(yīng)用。它主要通過破壞細(xì)菌細(xì)胞壁肽聚糖的合成發(fā)揮殺菌效應(yīng)，對目前常見的主要病原菌——甲氧西林（methicillin）耐藥的葡萄球菌，如耐甲氧西林金黃色葡萄球菌和耐甲氧西林凝固酶陰性葡萄球菌等，均具有強(qiáng)大的抗菌活性［1］。但萬古霉素臨床應(yīng)用時常伴隨各種不良反應(yīng)，最主要的就是急性腎損傷［2］。幸運(yùn)的是，萬古霉素誘發(fā)的腎損傷是可逆的，只要發(fā)現(xiàn)及時和調(diào)整劑量即可糾正，因此，目前臨床應(yīng)用時需要密切監(jiān)測給藥后血清中的藥物濃度來預(yù)警腎毒性。

研究表明，萬古霉素誘發(fā)的腎毒性主要是腎小管損傷。血清藥物濃度雖可監(jiān)測萬古霉素的體內(nèi)暴露，但仍無法有效反映其在腎小管組織的真實(shí)濃度?；谏淼乃巹訉W(xué)（生理藥動學(xué)，physiologically based pharmacokinetic，PBPK）模型，可根據(jù)藥物的理化特性、機(jī)體的生理學(xué)特性和生理模型結(jié)構(gòu)模擬藥物在機(jī)體的動態(tài)處置過程，根據(jù)藥物的清除率和組織分配系數(shù)不僅可模擬藥物在血清中的藥-時曲線，還能預(yù)測藥物在組織中的分布［3］。本研究擬根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道的萬古霉素理化參數(shù)和健康人體藥動學(xué)（pharmacokinetics，PK）特征，應(yīng)用GastroPlus軟件構(gòu)建并驗(yàn)證萬古霉素的PBPK基礎(chǔ)模型，進(jìn)而預(yù)測藥物在人體靶器官的組織分布，探索解決藥物在人體靶器官的組織分布數(shù)據(jù)難以獲得的問題。

1 材料與方法

1.1 萬古霉素理化性質(zhì)及藥動學(xué)參數(shù)收集

以“萬古霉素”、“vancomycin”、“l(fā)og P”、“p Ka”和“pharmacokinetics”為關(guān)鍵詞，檢索中國知網(wǎng)、ScienceDirect和PubMed等數(shù)據(jù)庫關(guān)于萬古霉素理化常數(shù)和PK性質(zhì)的相關(guān)文獻(xiàn)，得到萬古霉素的理化性質(zhì)（表1）及分子結(jié)構(gòu)（圖1）。

Tab.1 lnput physiochem icalparameters for basic physio logically-based pharmacokinetic（PBPK）model of vancom ycin

Fig.1 Struc tu re of vancom ycin hyd roch lo ride.

根據(jù)文獻(xiàn)［4］設(shè)定萬古霉素單次給藥劑量為6 mg·kg-1。藥物以無菌注射用水溶解后，加入5%葡萄糖注射液150m L，輸液泵恒定滴注60m in。

1.2 軟件

運(yùn)用GastroPlus軟件Version 9.0（SimulationsPlus，Inc，Lancaster，CA，USA）搭建所有的預(yù)測模型。

1.3 PBPK模型建立

將萬古霉素分子結(jié)構(gòu)導(dǎo)入GastroPlusTM9.0軟件，設(shè)置理化參數(shù)及模型給藥方案。根據(jù)式（1）計(jì)算萬古霉素腎清除率，萬古霉素的肝清除率占總清除率的10%［5］，總清除率為腎清除率與肝清除率之和；按照式（2）計(jì)算萬古霉素分布體積Vss；按照式（3）計(jì)算萬古霉素組織分配系數(shù)，結(jié)果見表2。

其中，fup為血漿游離分?jǐn)?shù)，GFR為腎小球?yàn)V過率。

Tab.2 Calcu lated K p and Cl values for PBPK m odel of vancom ycin

其中，Vp是血漿體積，Ve是紅細(xì)胞體積，E∶P是紅細(xì)胞與血漿中的藥物濃度比，Vt是組織體積，Kpt是藥物在組織和血漿中的分配系數(shù)，該參數(shù)可結(jié)合藥物性質(zhì)和生理參數(shù)計(jì)算得到，ERt是藥物在特定組織中的提取。

其中，K=Po∶w；Vnlt是組織中中性脂類百分?jǐn)?shù)，Vpht是組織中磷酸酯百分?jǐn)?shù)，Vwt是組織中水分百分?jǐn)?shù)；P是藥物油水分配系數(shù)；fup是藥物在血漿中的游離分?jǐn)?shù)；fut是藥物在組織中的游離分?jǐn)?shù)；RAtp是組織和血漿中白蛋白濃度比。

由于萬古霉素分布到各組織器官室的速率主要受藥物透膜能力的影響［4］，因此尿液排泄及組織分布選擇膜滲透限速模型，應(yīng)用肝表面積透過率（permeability×surface area，PStc）擬合肝細(xì)胞的SpecPStc數(shù)值為2.0×10-5L·s-1·L-1肝組織，然后把該數(shù)值用于PBPK模型的其他所有組織。根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道的臨床試驗(yàn)中受試者的資料［5］，選擇美國青年人的生理學(xué)與解剖學(xué)參數(shù)庫，建立美國青年人萬古霉素靜脈滴注的PBPK模型，最后應(yīng)用美國青年人靜滴萬古霉素后濃度-時間實(shí)測值與PBPK模型進(jìn)行比對。若峰濃度（Cmax）和藥物暴露曲線下面積（AUC0-∞）的模型預(yù)測值與實(shí)測值的比值≤2倍，則認(rèn)為擬合度良好，該預(yù)測模型可靠、有效［6］。

1.4 PBPK模型驗(yàn)證

首先應(yīng)用美國青年人靜滴萬古霉素6mg·kg-1后尿液中萬古霉素累積排泄-時間結(jié)果［5］進(jìn)行模型驗(yàn)證。其次應(yīng)用文獻(xiàn)報(bào)道的中國青年人靜滴萬古霉素單次每人1.0 g，加入5%葡萄糖注射液250 m L，輸液泵恒定滴注100 m in后獲得的血漿濃度-時間曲線再次對模型進(jìn)行驗(yàn)證［7］。

1.5 PBPK模型預(yù)測

在驗(yàn)證后的萬古霉素PBPK模型上，預(yù)測萬古霉素在人體各臟器組織中藥物濃度-時間曲線。

1.6 參數(shù)敏感性分析

選擇給藥劑量和log D（油水分布系數(shù)），以及腎的清除率、Kp、fut和futE（藥物在組織細(xì)胞外液中的游離分?jǐn)?shù)）等參數(shù)對萬古霉素體內(nèi)系統(tǒng)暴露量進(jìn)行參數(shù)敏感性分析。

2 結(jié)果

2.1 美國青年人靜滴萬古霉素后PBPK模型

PBPK模型預(yù)測的血漿藥-時曲線與文獻(xiàn)［5］報(bào)道的萬古霉素血藥濃度實(shí)測值數(shù)據(jù)點(diǎn)擬合圖（圖2）和模型預(yù)測的PK參數(shù)值與實(shí)測值（表3）表明，美國青年人實(shí)測的血藥濃度數(shù)據(jù)點(diǎn)與模型預(yù)測曲線擬合較好（r2=0.914），PK參數(shù)預(yù)測值和實(shí)測值的比值均≤1.5倍，表明所建PBPK模型可靠。

Fig.2 Observed(□)and physio logically based PK m odel-sim ulated(—)p lasm a concentration-tim e p rofile of vancom ycin in Am erican young popu lations after in fusion adm inistration.

Tab.3 Comparison of PBPK simulated and observed pharm acokinetics（PK）param eters of vancom ycin in Am erican young popu lations

2.2 萬古霉素PBPK模型驗(yàn)證

應(yīng)用建立的美國青年人靜滴萬古霉素PBPK模型對美國青年人靜滴萬古霉素尿排泄（圖3）與中國青年人靜滴萬古霉素的PK（圖4）進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明，萬古霉素累積尿液排泄-時間實(shí)測曲線與PBPK模型預(yù)測曲線擬合較好，24 h實(shí)測累積尿液排泄率為88%，預(yù)測值為86%。由中國青年人靜滴萬古霉素后預(yù)測的血漿藥-時曲線與實(shí)測曲線的擬合圖（圖4）和預(yù)測的PK參數(shù)值與實(shí)測值（表4）可見，中國青年人實(shí)測的血藥濃度數(shù)據(jù)點(diǎn)與模型預(yù)測曲線擬合較好（r2=0.936），PK參數(shù)預(yù)測值和實(shí)測值的比值均≤1.5倍，表明該P(yáng)BPK模型可用于模擬萬古霉素的PK及組織分布。

Fig.3 Observed（□）and physio logically based PK m odel-simu lated（—）p lasm a concentration-tim e profile and observed（□）and predicted（—）cumulative urinary exc retion of vancom ycin in Am erican young popu lations by PBPKm odel.

2.3 萬古霉素PBPK模型預(yù)測組織分布

Fig.4 Observed（□）and physio logically based PK m odel-simu lated（—）p lasma concentration-time profile of vancom ycin in Chinese young populations after in fusion adm inistration.

Tab.4 Com parison of PBPK simulated and observed PK param eters of vancom ycin in Chinese young popu lations

PBPK模型預(yù)測的萬古霉素在人體各組織中的藥-時曲線（圖5）顯示，萬古霉素的組織分布具有明顯的特征，在肝和心等其他組織中濃度均低于血漿濃度，但在腎和腎小管中濃度高于血漿濃度，其中腎中藥物達(dá)峰時間明顯滯后于血漿，消除速率也低于其他組織，腎小管中藥物濃度約高達(dá)血漿中40～50倍。

Fig.5 Physio logically based PK m odel-sim u lated tissue concen tration-tim e p rofile of vancom ycin in Chinese young populations after in fusion adm inistration.Plasma concentration was μg·L-1.

參數(shù)敏感性分析結(jié)果（圖6）表明，萬古霉素的系統(tǒng)暴露量對給藥劑量最為敏感，給藥劑量＞1g后，藥物的血漿暴露量會明顯增加；而log D、腎清除率及腎的Kp，fut和fut等參數(shù)對萬古霉素體內(nèi)系統(tǒng)暴露量的影響很小。

Fig.6 Param eter sensitivity analysis of dose，reference log D，and Kp of kindey on AUC for vancom ycin.

3 討論

萬古霉素在治療革蘭陽性菌引起的細(xì)菌性感染中有效率＞70%，臨床應(yīng)用廣泛，已成為確診的或高度懷疑為耐甲氧西林金黃色葡萄球菌感染患者（如使用醫(yī)用留置器材、免疫缺陷或接受侵襲性操作的醫(yī)院感染患者）的經(jīng)驗(yàn)性治療藥物［13］。

萬古霉素的人體血漿PK研究報(bào)道較多［14-15］，包括國內(nèi)外健康人群以及重癥感染患者等，但由于人體組織分布研究存在技術(shù)難度，至今未見報(bào)道。而萬古霉素腎毒性與腎和腎小管中的藥物暴露密切相關(guān)，如果能夠發(fā)現(xiàn)給藥劑量、血藥濃度與腎和腎小管中藥物濃度的關(guān)系，也將為解釋和研究萬古霉素的腎毒性提供重要參考。

PBPK模型是一種整體模型，根據(jù)生理、解剖和生物化學(xué)等知識，模擬機(jī)體循環(huán)系統(tǒng)的血液流向?qū)⒏髌鞴倩蚪M織相互聯(lián)結(jié)，每個室代表機(jī)體實(shí)際的器官或組織，遵循質(zhì)量平衡原理對藥物體內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)代謝過程進(jìn)行研究。人體的生理解剖參數(shù)是影響PK的重要因素，因此也是建立PBPK模型的基礎(chǔ)。本研究中應(yīng)用美國青年人PK數(shù)據(jù)建立了萬古霉素的PBPK模型，繼而對中國青年人的萬古霉素PK進(jìn)行預(yù)測，在模型建立時對兩者的生理參數(shù)均進(jìn)行了優(yōu)化。其中美國青年人人群按照文獻(xiàn)將年齡設(shè)為23歲，體質(zhì)量設(shè)定為77 kg，中國青年人設(shè)定為23歲和69 kg，由于GastroPlus軟件Version 9.0中只有美國人和日本人的生理學(xué)參數(shù)，中國青年人其他生理參數(shù)的設(shè)定主要在日本人的基礎(chǔ)上對肝和腎等可能主要影響萬古霉素體內(nèi)清除和分布的生理學(xué)參數(shù)進(jìn)行了微調(diào)，包括肝動脈和腎的灌流速率等。

建立整體PBPK模型預(yù)測藥物體內(nèi)血漿PK過程除了需要藥物的理化參數(shù)外，最關(guān)鍵的是能確定清除率和分布體積［16-17］。對于萬古霉素來說，肝清除率僅占總清除率的10%，主要經(jīng)腎清除。至今未發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)運(yùn)體參與萬古霉素的腎排泄過程，提示萬古霉素在腎小管中經(jīng)被動擴(kuò)散清除排泄，其腎清除率就可按照fup與GFR乘積獲得，總清除率為肝、腎清除率之和。結(jié)合理化性質(zhì)參數(shù)和機(jī)體的生理學(xué)參數(shù)，按照式（2）計(jì)算萬古霉素的分布體積為35 L。應(yīng)用PBPK模型預(yù)測藥物尿液排泄的關(guān)鍵因素包括藥物在組織中的Kp、藥物進(jìn)入組織的模式以及藥物清除方式。藥物進(jìn)入組織有血流灌注和透膜2種方式，萬古霉素在組織間的轉(zhuǎn)運(yùn)主要受透膜影響［12］，因此本模型中設(shè)置組織透膜限速模型。

本研究中應(yīng)用上述數(shù)據(jù)和假設(shè)建立的美國青年人靜滴萬古霉素PBPK模型，經(jīng)與實(shí)際血漿PK和尿排泄結(jié)果比較，均顯示具有較好的吻合度；用于預(yù)測中國青年人靜滴萬古霉素后的血漿PK也具有良好吻合度，表明模型成功建立。應(yīng)用該模型進(jìn)行組織分布預(yù)測時，結(jié)果顯示萬古霉素的組織分布具有明顯的特征（圖5），肝和心等其他組織中濃度均低于血漿濃度，但在腎和腎小管中濃度高于血漿濃度，其中腎中藥物達(dá)峰時間滯后于血漿，并且消除速率也低于其他組織，腎小管中藥物濃度高達(dá)血漿中的40～50倍。推測其原因可能與萬古霉素的藥物性質(zhì)有關(guān)，由于萬古霉素主要以原型經(jīng)腎排泄清除，腎成為機(jī)體的唯一排出通道，而萬古霉素靜滴入血后與其他各組織之間不斷進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)交換，最終血漿和其他組織內(nèi)的藥物都要經(jīng)血流從腎小球?yàn)V過進(jìn)入腎小管，因此腎小管內(nèi)藥物濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于血漿。進(jìn)入腎小管的藥物經(jīng)過重吸收作用可能將部分藥物吸收回腎血液中，后者與腎組織間又存在交互轉(zhuǎn)運(yùn)作用，因此藥物在腎中的濃度也明顯高于血漿，并且出現(xiàn)達(dá)峰時間滯后效應(yīng)，目前的模擬預(yù)測結(jié)果為進(jìn)一步體內(nèi)研究提供參考。

本研究應(yīng)用PBPK模型探索模擬了萬古霉素在組織特別是腎中的分布特點(diǎn)，可見PBPK模型由于考慮到藥物特性和生理特點(diǎn)，不僅對萬古霉素的組織分布特征進(jìn)行了預(yù)測，也為萬古霉素的腎毒性機(jī)制的深入研究提供方向。本研究結(jié)果將在后續(xù)開展的動物體內(nèi)進(jìn)行驗(yàn)證，進(jìn)而為體外腎毒性機(jī)制研究提供科學(xué)的劑量設(shè)置。