鞘内药物分布的计算模拟和体外实验研究：关于注药容积、脑脊液搏动和药物摄取的参数研究

简 介

与静脉给药相比较，药物鞘内输注只需较少的药物剂量即可达到镇痛效果。但是对药物鞘内注射的效果了解尚不足，限制了该技术的进步。鞘内注射时药物的分布受多种因素影响，包括脑脊液流动模式、鞘内输注方案、药物亲脂性等。而目前尚未有中枢神经系统鞘内输注给药的标准化指南。在体模型和临床试验的实验数据难以相互比较，因为各研究中药物注射量，持续时间，输注速率，输注总摩尔数，药物种类和受试者物种类型等参数各不相同。本研究采用信息化个体特异性人类中枢神经系统模型预测药物的分布。不久的将来，这种预测方式可以成为优化鞘内输注治疗策略的有力工具。

方 法

1. 人体数据

本研究获取了2名健康男性人类受试者（26岁，29岁）的解剖学数据。通过相位对比MRI技术获取一位29岁的男性受试者颅脑和脊柱中含脑脊液的空间的解剖数据。通过CINE-MRI技术得到脊柱轴平面处的脑脊液流速。整合心动周期期间小脑延髓池轴平面16个时间点的脑脊液流速MRI测量值得到脑脊液每搏输出量。同时，重建受试者个体化计算机虚拟模型，该模型包括了含脑脊液的区域和脑、脊髓区域。

2. 台式模型药物体外扩散实验

根据受试者1的中枢神经系统MRI解剖数据构建一个台式模型，通过此模型研究注射容积和脑脊液搏动对鞘内输注的影响。心率的变化会引起脑脊液搏动频率改变，设置脑脊液搏动频率为40、72、120次/分钟。心输出量的变化会影响脑脊液每搏输出量，每搏输出量分别为0.5、1、2 ml。将台式模型的L1-L2鞘内注射接口连接药物输注泵。根据总注射量确定示踪剂输注浓度，输注容积分别为1、5、10、20 ml，示踪剂浓度分别为1、0.1、0.05%，输注速率为0.0167～10 ml/min。台式模型通过光学染色示踪装置观测药物浓度分布。用MATLAB进行后期图像处理，计算机重建示踪剂的浓度分布。根据时间变化沿脊柱的神经元轴绘制浓度分布图。

3. 药物输注模型

根据人体医学影像数据重建颅脑和脊柱内含脑脊液空隙的受试者个体化计算机模型。通过一个药物运输方程计算脑脊液中药物扩散速率。同时根据Navier-Stokes方程计算脑脊液流动区域。药物进入组织间隙后，可以通过血管内血液摄取将药物从组织中清除。通过计算机模拟药物输注泵（Medtronic，美敦力）进行鞘内持续输注。同时模拟腰椎引流管（Medtronic，美敦力），并将其置于受试者个体化计算机模型中L1-L2穿刺部位处的硬脑膜。通过ANSYS Fluent 15.0 (ANSYS Inc, Canonsburg, PA)计算脑脊液流动和物种输注方程。模拟输注参数来匹配药物体外扩散台式试验，此外，对受试者模型进行药物泵药物输注，导管流速为0.005 ml/min。

4. 模型比较

将MRI测量的脑脊液流动情况与人类计算模型中待测的脊髓平面的脑脊液流动情况匹配，从而验证模型是否与实际匹配。体外扩散台式实验中，将台式模型的药物扩散情况与相应的计算模型中的示踪剂扩散情况相比较，以此验证预测的药物运输情况是否与台式模型匹配。从医学影像数据获得中枢神经系统尺寸大小数据，并且将其优化，以匹配台式替代物的尺寸形状。

结 果

1. 在体脑脊液搏动与计算机模型的比较

在受试者1中，CINE-MRI测量数据与计算机模拟结果比较，每个心动周期的脑脊液搏出量的误差在C4节段为0.9%，在T6节段为1.6%，在L4节段为1.5%。脑脊液流场影响着药物的生物分布，创造了一种受试者个体化计算模型，可以预测脑脊液流动区域。

2. 体外脑脊液流动和计算机模型的比较。使用光学方法追踪示踪剂，以1 ml/min的速率输注5 ml药物，观察随时间变化的药物扩散状态。个体输注研究通过计算与台式模型的药物扩散比较，结果显示混合前和混合后最大差值小于5.2%，平均差值为1.8%。

3. 计算机模型模拟鞘内输注

（1）输注量

模拟显示，药物泵以0.0167 ml/min的速度输注时，搏动性脑脊液的流动区域没有发生明显改变，即低输注速度时，药物扩散主要由心搏驱动的脑脊液搏动控制。10 ml/min的大剂量或者约10%脊髓脑脊液总量的注射会产生药物喷射现象，将药物沿脊髓向颅端推进。推注结束后，脑脊液重新回到心搏驱动的脑脊液搏动模式。

注射不同体积的药物后60 s的扩散容积结果如下。1 ml药物输注时，药物的扩散体积限制在注射点附近的区域，体积为1.8 ml。2.5 ml药物输注时，药物扩散容积为6.2 ml，1分钟后到达胸腰区域。在5 ml和10 ml药物输注中，药物可出现于胸段。快速输注10 ml药物，药物沿注射部位到T9神经根扩散18 ml，扩散容积达40 ml。这些在模型上的结果证明，药物注射的容积大小与药物在椎管内的有效生物分布有直接关系。

本研究也模拟了药物连续输注的方案，输注速度为0.005 ml/min。在受试者1中，药物向颅侧扩散4.2 cm，向尾侧扩散2.9 cm。在受试者2中则分别为5.3 cm和2.7 cm。受试者1的脊髓脑脊液空隙长度为65 cm，腰骶容积为51 ml，脊髓脑脊液总容积为98 ml。而受试者2的数据分别为70 ml、44 ml和106 ml。

（2）药物反应动力学

在受试者个体化模型上研究了生物化学反应动力学对鞘内输注后药物扩散的影响。1 ml的输注容积以1 ml/min的速率进行输注，模拟了反应动力学引起药物的扩散。①吗啡：其组织摄取较慢。药物注射完毕的瞬时，腰部注射点的药物浓度最大。30 min后，注射部位吗啡浓度降低一半，药物扩散至胸段T2处。由于组织摄取率低，94%的吗啡存在于脑脊液。注射后60 min，吗啡分布在整个脊髓上直至小脑延髓池。大部分药物存在于胸腰段，81%仍然存在于脑脊液中。②阿芬太尼：该药物具有高组织摄取率。注射后，药物存在于腰部区域。此后，5%的药物被组织迅速吸收。注射后30 min后，阿芬太尼从T6扩散到L5，只有46%存在于脑脊液中。60 min后，大部分的阿芬太尼被组织吸收，只有14%残留于脑脊液中。高组织摄取率的特性降低了脊髓蛛网膜下腔的扩散容积使其不能超过胸中段T6水平。③舒芬太尼：其组织摄取率极低。60 min后，模拟结果显示舒芬太尼到达小脑延髓池，几乎所有药物99.3%仍然存在于脑脊液间隙。④最后研究了吗啡通过血液循环清除的情况。60 min后，79%的吗啡存在于脑脊液中，组织中为15%，6%通过血管途径从中枢神经系统中清除。

（3）搏动

受试者1的模型进行5 ml鞘内推注后，通过改变脑脊液搏动来研究脉搏对药物扩散的影响。120 BPM的药物扩散速度快于72 BPM。40 BPM情况下的药物扩散容积最小。进行4 h的药物混合示踪并计算混合锋速度，发现在40、72、120 BPM三种情况下混合锋速度分别为0.47、0.63和1.02 cm/min。

4.靶向脊柱水平的模拟

不同脊柱水平的治疗需要不同的靶向治疗策略将药物输送至相应位置。以0.0167 ml/min的速率模拟外置药物泵的缓慢连续输注，L1水平浓度峰值出现在1 h后，扩散至T9和L4之间。以1 ml/min的速率单次快速输注可以达到腰部区域的快速靶向的目的，药物集中于T8-L3水平而浓度峰值位于注射点。在人体鞘内输注模拟中，采用大容量输注可以达到脊髓颈段水平的治疗。模拟多次药物推注方案，将5 ml药物以1 ml/min的速率推注，随后立即以10 ml/min的速率将5 ml的人工脑脊液推注。1 h后，C3到T4之间为高浓度区域。使用大容量注射剂量随后以人工脑脊液冲洗可以达到高节段水平。以1 ml/min的速率注射5 ml药物，随后以10 ml/min速率注射10 ml的人工脑脊液，可实现颅脑药物的靶向输注。大部分输注药物被输送至颈椎和脑实质部位。

讨 论

鞘内注射通过增加疗效同时降低不良反应而在疼痛管理中发挥了重要作用，但是几乎没有平台可用以研究最佳输注方案。通过受试者个体化模型，我们希望提供更加精准的药物靶向，从而减少副作用。该模型只使用了2个健康受试者，临床有效性较为局限，但结果提示输注参数的选择与药物扩散相关。

在中枢神经系统台式模型中的研究结果显示，增加注药速度可扩大药物覆盖范围。示踪剂扩散的速度首先由注射的冲击力决定，随后由脑脊液搏动引起的对流扩散决定。研究发现台式模型的推测结果与中枢神经系统计算机模型一致性较高，表明这里提出的受试者个体化计算机模型可以预测不同输注模式和脑脊液搏动引起的药物扩散。未来脑脊液流场模型可以研究呼吸运动，身体运动和脊柱曲度的影响。

一个重要结果是在注药期间脑脊液搏动和输注速率的影响。在受试者搏动较弱的模型中，我们发现药物扩散速度较慢，这可能会将药物局限在注射部位。低输注速率使颅侧扩散减少，而大容积药物注射可以使药物迅速扩散甚至进入大脑。注意这种情况，以免引起呼吸系统并发症。本研究希望通过计算机模型试验高风险的输注方案，为临床医师提供输注参数的相关信息，从而减少鞘内输注的并发症。

本研究也通过推注后人工脑脊液冲洗药物靶向输注至高于注射点的区域，且限制了所经过的脊髓节段的药物浓度。对基因治疗研究或颅脑端靶向来说，无药物成分的多次输注有较大研究价值。未来，多次输注以及大剂量输注可能与针对脑实质的酶替代疗法或者基因治疗相关。计算机模型提供了一个平台，可以在动物和人体测试之前灵活地验证各种假设以及非常规治疗方法。然而，脑脊液中可输注入的液体量有一定限制。根据动物实验的经验来看，脑脊液总体积的10%～15%的注射体积是上限。

药物靶向输注计算机模型的建造与具体临床病例研究不同。脊髓靶控输注模型可以作为计算机模型用于优化药物运输策略。未来的研究应严格遵守个体鞘内输注的案例研究，以比较结果并提出替代的药物输注策略。不同的输注策略，如单次大剂量注射或含有脑脊液冲洗的多次输注可以实现不同的药物扩散特征。

目前的模型中，除了在药物泵持续输注的比较中包括了受试者2，其余所有计算方案仅针对受试者1进行。在多受试者实验中初步研究表明，相同的输注方案中2个受试者模型表现出相似的药物分布特征。本研究没有研究大样本案例的平均趋势，而是侧重于鞘内输注参数对个体的影响。我们使用个体化方法评估计算预测，该方法根据个体情况评估每个受试者的需求。结果表明，使用提出的的计算方法进行鞘内注射方案个体性优化，这种想法在原则上是可行的。在未来，更多的受试者可以改进这项研究的中的成果。此类研究可以以性别、年龄和身材为控制因素，研究鞘内注射的药物分布模式。

Bernard对猪的实验中，药物泵输注速度与本研究的0.0167 ml/min相同，为1 ml/min。在猪的研究中，检测瞬时药物浓度显示，注射点在整个实验过程中保持高药物浓度水平。在60 min内距离注射点头端5 cm处浓度不断增加，在200 min内尾端5 cm浓度不断增加。此外，在头端10 cm处用采样探测器检测到一定量的药物。药物泵输注方案中，以相同输注速度(0.0167 ml/min)输注，鞘内注射1 h后出现了额头侧6.8 cm和尾侧4.1 cm的药物分布。模型中的人类中枢神经系统解剖结构与猪模型不同，然而，药物传播的趋势是相似的。下一步将进行临床实验和计算机模拟之间详细比较的研究，这将进一步验证计算机模型的合理性。

未来，根据药物特异性药代动力学数据建造模型且验证完成后，所提出的计算方法可用于设计人体试验。现有的药代动力学模型不能解释病人解剖结构的影响，也缺乏机械运输和反应模型，因此无法推断出所需的结果或指导原则。本研究提出的计算方法可以提供药物的预期分布，是整合计算机模型并作为展示病人个体化治疗方案安全性工具的第一步。