浅谈生理药动学模型及其在兽药残留研究中的应用

３生理模型在兽药残留研究中的应用
动物组织中兽药残留问题被日益关注，这是 因为人们在长期摄入这些化合物后，会引起药物 过敏，体内抗药菌增加等严重问题。目前，国内外
浅谈生理药动学模型及其在兽药残留研究中的应用一杨帆
专题综述
・５・
室、脂肪室，此外为了满足药物的物质：ｊ：恒等式， 模型中还包括一个虚拟的“其他室”，Ｊｔｊ来代表其 他未纳入该模型的所有组织和器官，模掣的模拟 图参见原文。作者收集了模型所需的各隔室的解 剖和生理学参数，其中各生理隔室的容积都用体 重的百分数来表示，而血流灌注速率总和即为心 输出量（也就是血液室的血流灌注速率）。此外，要 特别说明的是注射部位室和“其他室”。注射部位 室为肌肉注射给药部位周围的重量为０．５ ｋｇ的 肌肉组织。为了简化计算，做了如下假设：注射部 位室的药物分配系数及血流灌注速率均等于肌肉 室，所以某时刻肌肉室的药物浓度乘以０．５ ｋｇ再 加上该时注射部位未被吸收的药物量即为此时注 射部位室药物质量，这样就可以计算注射部位室 此时的药物浓度。而“其他室”的血流灌注速率由 总灌注速率（血液室灌注速率）减去其余几个室的 灌注速率来计算，“其他室”的容积分数则由ｉ减 去另外６个室的值而得到。这些参数中，药物在不 同组织中的分配系数及肝肾的清除速率等，大多 由试验来获得，而其他生理和解剖学参数一般可 以从相关文献中检索到。 在获得这些参数的基础之上，Ｃｒａｉｇｍｉｌｌ等忉 根据物质守恒建立了７个代表不同生理隔室药量 经时过程的微分方程，而这些方程是建立生理模型 的基础。目前，ｈｃｓｌＸｔｒｅｍｅ软件包是国际上最常用 的建立生理模型的工具，Ｃｒａｉｇｍｉｌｌ等应用该软件 建立上述模型，并利用已经发表的文献资料中的各 组织中的药物浓度数据做了模型的有效性验证，结 果表明仅注射部位药物浓度报道值（观测值）与模 型模拟值存在较大差异①２：０．４３２），其他生理隔室 的模拟值与观测值均拟合良好，Ｒｚ介于９．２３和 ９．８７之间。同时，Ｃｒａｉｇｍｉｌｌ还认为可利用该模型 外推到牛和山羊等其他反刍动物，来研究土霉素在 这些动物组织中的残留消除规律。此外还可利用该 模型，根据其他猪只的血液药物浓度时间数扔：，颅 测可食性组织中的药物消除规律，达到不须宰杀大 量动物即可预测休药期的目的。
资料的收集
资料通常包括药物和实验动
物两方面：（１）药物方面：ａ．理化性质：亲脂性、电 离性、ｐＨ值、油水分配系数等；ｂ．热力学性质：药 物晶型、相变温度、稳定性、蛋白结合的等温线等； Ｃ．生物药剂学特性：膜的通透性、转运机理及特 点、生物转化速率和消除速率等。（２）实验动物方 面：ａ．解剖学方面：器官（组织）容积、器官（组织）
２．１
化学和解剖学的知识，模拟机体循环Leabharlann Baidu统的血液 流向，将各器官或组织通过血液循环相互连接，每 一房室（ｃｏｍｐａｒｔｍｅｎｔ）即代表一种或一组特殊的 器官或组织，每一器官或组织在实际血流灌注速 率和药物的组织／血液分配系数以及化合物性质 的控制下，遵循物质平衡（ｍａｓｓ ｂａｌａｎｃｅ）原理进 行药物转运［１】。因此，生理模型的优点可以总结
的重量、器官（组织）血容量等；ｂ．生理学厅面：心 输出量、器官的血流灌注速率（器官血流比）、酶反 应速率等口】。 ２．２循环血流图的设计循环血流图（Ｃｉｒｃｕ—
ｌａｔｉｎｇ ｆｌｏｗ
ｓｃｈｅｍｅ）是指将需要纳入模型的各
器官和组织按照血液循环的分布和方向进行连接 所得到的整体模型示意图。纳入模型的器官至少 应该包括：药理活性的作用部位、药物积蓄部位及 药物消除部位。如有需要还应包含肠肝循环、肠道 消除等重要的药物处置过程。 循环血流图设计的原则是：突出重点，去繁存 精。对于要解决的关键问题，应按照解剖学、生理 学知识，尽量反映机体的真实情况，以满足研究目 的要求；其它方面则应该尽可能简化，以利于实际 运用，不应过分强调模型的复杂精细和多室性。对 某些非主要研究对象而又具有相似生理特征的器 官组织，或难以得到生理参数的细小器官组织，可 以合并为一个房室。 ２．３建立物质平衡方程对于多数生理模型而 言，当所研究药物是一种小分子、弱离子化、脂溶 性的化合物时，常可假定药物分子穿过毛细血管 壁和细胞膜的速度，远比组织灌流的速度快。这 样，药物分布到体内各组织的速率仅受限于血流 的速率，此时便可简化为血流速率限制房室（ｐｅｒ—
ｐｈａｒｍａｃｏｋｉｎｅｔｉｃ ｍｏｄｅｌ，ＰＢＰＫ—ｍｏｄｅｌ，以下简称
生理模型）。近年来，有关生理模型在兽药残留研 究中的应用已有报道。本文在概述生理模型基本 特点和建立过程的基础上，重点评述生理模型在 兽药残留研究中的最新进展。
１
生理模型的基本特点
生理模型是一种整体模型。根据生理学、生物
２生理模型的建立
浅谈生理药动学模型及其在兽药残留研究中的应用
杨帆 （华南农业大学兽医药理实验室，广东广州５１０６４２）
中图分类号：￥８５９．７９＋９．９ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００５—８５６７（２０１０）０３—０００３－０３
药动学是应用动力学原理研究药物在体内的 吸收、分布、生物转化（代谢）和排泄过程的速度规 律的一门科学。在药动学研究中，经常采用数学模 型来模拟药物在体内的速率过程，其中应用最多 的是房室模型。房室模型就是按照机体对药物的 不同处置速度，把机体分为抽象的“一室”、“二室” 或“多室”。每个隔室内药物的浓度时间关系，可用 一个微分方程来表示，最终通过求解微分方程组， 来获得各个隔室的药物浓度，其中以血液中的药 物浓度为主。尽管房室模型在实际研究中有广泛 的应用，但是房室模型和机体生理解剖状况有着 明显的差距，不能很好地描述组织间药物浓度差 异较大的生理系统，而且房室模型的分析结果依 赖于房室模型的选择，而房室模型的选择带有一 定的不确定性。为了克服房室模型的缺点，２０世 纪６０年代后期，Ｂｉｓｃｈｏｆｆ、Ｄｅｄｒｉｃｋ等提出了生 理药物动力学模型（ｐｈｙｓｉｏｌｏｇｉｃａｌｌｙ
ｄｅｐｌｅｔｉｏｎ ｓｔｕｄｙ
ｔｏ
ａｓｓｅｓｓ
ｔｈｅ ｐｈｙｓｉｏｌｏｇｉｃａｌｌｙ ｂａｓｅｄ
ｉｎ
ｐｈａｒｍｏｋｉｎｅｔｉｃ（ＰＢＰＫ）ｍｏｄｅｌ
ｂａｓｅｄ
为：生理模型中的每个隔室都有明确的解剖结构 和生理意义，机体的每个器官或组织都可以成为 一个隔室。从理论上讲，乍理模型可以描述机体内 任何器官或组织内药物及其代谢物浓度的经时变 化，以提供药物体内分布的资料，并可模拟肝脏等 药物代谢器官的功能，提供药物体内生物转化的 资料，从而得到药物对靶器官作用的信息，有助于 药物作用机理的探讨。生理模型使不同状态间的 外推（ｓｃａｌｅ ｕｐ）成为可能。例如，通过正常受试动 物可以建立生理模型，然后将模型中的一些生理 或生化参数调整为病理或药理状态下的相应参 数，用于描述病理或药理状态下动物体内药物的 变化过程。同样，通过变换不同物种间的相应生理 或生化参数，可以预测药物在不同种属之间体内 的变化规律，甚至实现不进行人体试验，直接从动 物外推到病人的理想状态嘲。此外，通过生理模型 的敏感性分析，可掌握对药代动力学性质最具重 要意义的参数，这对新药的开发和毒性的控制极 有帮助。生理模型还有助于从动力学角度比较同 类系列药物某些作用上的差异，在新药开发过程 中可与已上市的同系列药物相比较，以评估其异 同，预测临床应用的前景。生理模型近年来在应用 方面取得了迅速进展，正是由于上述特点。
收稿日期：２００９—１２—１６
．４．
专题综述
浅谈生理药动学模型及其在兽药残留研究中的应用一杨帆
新兽药报批都必须提供组织的药物残留消除规律 的相关试验数据。我国农业部发布的《兽药残留试 验技术规范（试行）》对试验的具体方法及步骤做 了详细的规定，而农业部第２３５号公告《动物性食 ・㈨ｌ，兽药最高残留限量》则规定了常用兽药的最 高残留限量（ＭＲＬ）。 目前，国内外规定需提供试验数据的动物可 食性组织一般包括：肌肉、肝、。肾、脂肪，禽类还包 括皮肤。因此，完全可以利用生理模型来开展兽药 残留在可食性组织中消除规律的研究。但目前国 内未见相关报道，而国外在这方面报道较多。１９９７ 年Ｂｒｏｃｋｌｅｂａｎｋ等［５３最先建立生理模型预测鲑鱼 的可食性组织中土霉素的残留消除规律。１９９９年 ＬａｗＢ］应用生理模型制定了土霉素在Ｃｈｉｎｏｏｋ大 马哈鱼中的休药期。２００３年Ｃｒａｉｇｍｉｌｌ［７１应用生 理模型研究了肌注土霉素在绵羊组织中的残留消 除规律。２００５年Ｂｕｕｒ等暗１建立了猪静脉注射ＳＭＭ 后的生理药动学模型，在血浆和脂肪、肌肉、肾脏、 肝脏组织中药物浓度预测值与实测值的相关系数 分别为０．９３、０．８６、０．９９、０．９４、０．９８，预测值稍高 于实测值，在后面的时间点，两者非常接近。作者 还将上述结果用于推算可食性组织中的药物残留 量，并得出休药期为１２０ ｈ，与美国食品药品管理 局推荐的按照１０倍血浆药物半衰期所计算得到 的１００ ｈ较为接近。２００６年Ｂｕｕｒｍ］等进行了相似 的研究，但应该说明的是他们在模型中引入了蒙 特卡洛模拟来减小由不同动物个体间生理及解剖 等参数差异引起的模型误差，具体方法为：模型建 立后，保持给药方案不变，通过分别更改血流灌注 速率、药物的组织／血液分配系数和体清除率等 参数，考察这些参数对药物分布的影响，确定敏感 参数，之后敏感参数的数值分布通过蒙特卡洛模 拟来确定，而非敏感参数的数值则由单点纠正来 确定。最终Ｂｕｕｒ等人利用该模型计算的结果得出 猪单次静注３５ ｍｇ／ｋｇ ＳＭＺ时，休药期为２ｌ天，比 之前推荐的１５天要长，但这种方法考虑了不同动 物间的个体差异，每一头实验动物都有９５％的置 信ｆｘ．间。下面以Ｃｒａｉｇｍｉｌｌ［７１的文章为例来详细介 绍生理模型在兽药残留中的应用。 为预测可食性组织中的兽药残留，该模型中 包括：血液室、肌肉室、注射部位室、肝脏室、肾脏
参考文献：
［１］Ｆｒａｎｃｉｓ Ｃ Ｐ，何绍雄．生理药代动力学模型的进展与应用 ［Ｊ］．药学学报，１９９７，３２（２）：１５１－１６０． ［２］魏树礼，张强．生物药剂学与药物动力学［Ｍ］．第二版．北京： 北京大学医学出版社，２００４．２０４－２０５． ［３］黄亮．生理药动学模型方法建立及其运用初探［Ｄ］．成都：四 川大学，２００６．２４—２５． 【４］Ｗａｄａ Ｄ Ｒ，Ｓｔａｎｓｋｉ Ｄ Ｒ，Ｓｍｉｔｈ Ｇ，ｅｔ ａ１．Ａ Ｐｃ—ｂａｓｅｄ
ｆｕｓｉｏｎ ｌｉｍｉｔｅｄ
ｃｏｍｐａｒｔｍｅｎｔ，简称血流限制房
室）。如果物质转运时，穿过细胞膜是限速步骤，则 血管和细胞间隙亚室便处于平衡状态，可简化为 细胞亚室和细胞外亚室，此称膜限制房室（ｍｅｍ－
ｂｒａｎｅ ｌｉｍｉｔｅｄ
ｃｏｍｐａｒｔｍｅｎｔ）。不同房室的物质
平衡方程及计算方法可参照Ｗａｄａｌ４］的文章。 ２．４模型的验证和修订模型的验证是通过对模 型的实际应用和考察来确认的。事实上，任何一个 创造性和有实用价值的模型在建立时都很难一次 成功，有一个反复验证、反复修订和不断完善的过 程。在验证和修订模型的同时，还应考虑研究目的、 研究内容是否过多，要求是否太高。尽量由少到多， 由简至繁，分阶段改进模型，以便达到最终｝１的。
ｇｒａｐｈｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｏｒ
ｎｅｔｉｃ ｆｏｒ
ｐｈｙｓｉ０１０９ｉｃａｌ ｐｈａｒｍａｃｏｋｉ—
ｍｏｄｅＩｓ［Ｊ］．Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｍｅｔｈｏｄｓ ａｎｄ Ｐｒｏｇｒａｍｓ ｉｎ
Ｂｉｏｍｅｄｉｃｉｎｅ，１９９５：２４５—２５５．
［５］Ｂｒｏｃｋｌｅｂａｎｋ Ｊ Ｒ Ｎａｍｄａｒｉ Ｒ Ａｎ ｏｘｙｔｅｔｒａｃｙｃｌｉｎｅ ｒｅｓｉｄｕｅ
本肇大，对分析检测方法的灵敏度和专属性要求 赢。但计算机模拟技术和体外试验方法的发展使前 两方面问题得到简化，大大缩短了模型研究所需时 间，而药物分析和动物试验技术的不断进步也已使 得难点（３）不再是难点。在动物组织兽药残留方面， 应用生理模型则可以降低试验成本，缩短试验时 间，尤其是将蒙特卡洛模拟同生理模型结合起来， 更能减少因动物个体间误差造成的误差，得到更精 确的结果。因此，生理模型在兽药组织残留消除规 律研究中必将发挥更大的作用。