万古霉素健康人体生理药动学模型建立及其组织分布特征预测

杜海燕，陈 涛，张文鹏，谭 莉，李 正，刘文芳，林 阳，庄笑梅

（1.首都医科大学附属北京安贞医院药事部，北京 100029；2.上海凡默谷信息技术有限公司，上海 200120；3.军事科学院军事医学研究院毒物药物研究所，抗毒药物与毒理学国家重点实验室，北京 100850）

万古霉素（vancom ycin）属于三环糖肽类抗生素，自1958年FDA批准上市以来一直在临床广泛应用。它主要通过破坏细菌细胞壁肽聚糖的合成发挥杀菌效应，对目前常见的主要病原菌——甲氧西林（methicillin）耐药的葡萄球菌，如耐甲氧西林金黄色葡萄球菌和耐甲氧西林凝固酶阴性葡萄球菌等，均具有强大的抗菌活性［1］。但万古霉素临床应用时常伴随各种不良反应，最主要的就是急性肾损伤［2］。幸运的是，万古霉素诱发的肾损伤是可逆的，只要发现及时和调整剂量即可纠正，因此，目前临床应用时需要密切监测给药后血清中的药物浓度来预警肾毒性。

研究表明，万古霉素诱发的肾毒性主要是肾小管损伤。血清药物浓度虽可监测万古霉素的体内暴露，但仍无法有效反映其在肾小管组织的真实浓度。基于生理的药动学（生理药动学，physiologically based pharmacokinetic，PBPK）模型，可根据药物的理化特性、机体的生理学特性和生理模型结构模拟药物在机体的动态处置过程，根据药物的清除率和组织分配系数不仅可模拟药物在血清中的药-时曲线，还能预测药物在组织中的分布［3］。本研究拟根据文献报道的万古霉素理化参数和健康人体药动学（pharmacokinetics，PK）特征，应用GastroPlus软件构建并验证万古霉素的PBPK基础模型，进而预测药物在人体靶器官的组织分布，探索解决药物在人体靶器官的组织分布数据难以获得的问题。

1 材料与方法

1.1 万古霉素理化性质及药动学参数收集

以“万古霉素”、“vancomycin”、“log P”、“p Ka”和“pharmacokinetics”为关键词，检索中国知网、ScienceDirect和PubMed等数据库关于万古霉素理化常数和PK性质的相关文献，得到万古霉素的理化性质（表1）及分子结构（图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.

根据文献［4］设定万古霉素单次给药剂量为6 mg·kg-1。药物以无菌注射用水溶解后，加入5%葡萄糖注射液150m L，输液泵恒定滴注60m in。

1.2 软件

运用GastroPlus软件Version 9.0（SimulationsPlus，Inc，Lancaster，CA，USA）搭建所有的预测模型。

1.3 PBPK模型建立

将万古霉素分子结构导入GastroPlusTM9.0软件，设置理化参数及模型给药方案。根据式（1）计算万古霉素肾清除率，万古霉素的肝清除率占总清除率的10%［5］，总清除率为肾清除率与肝清除率之和；按照式（2）计算万古霉素分布体积Vss；按照式（3）计算万古霉素组织分配系数，结果见表2。

其中，fup为血浆游离分数，GFR为肾小球滤过率。

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

其中，Vp是血浆体积，Ve是红细胞体积，E∶P是红细胞与血浆中的药物浓度比，Vt是组织体积，Kpt是药物在组织和血浆中的分配系数，该参数可结合药物性质和生理参数计算得到，ERt是药物在特定组织中的提取。

其中，K=Po∶w；Vnlt是组织中中性脂类百分数，Vpht是组织中磷酸酯百分数，Vwt是组织中水分百分数；P是药物油水分配系数；fup是药物在血浆中的游离分数；fut是药物在组织中的游离分数；RAtp是组织和血浆中白蛋白浓度比。

由于万古霉素分布到各组织器官室的速率主要受药物透膜能力的影响［4］，因此尿液排泄及组织分布选择膜渗透限速模型，应用肝表面积透过率（permeability×surface area，PStc）拟合肝细胞的SpecPStc数值为2.0×10-5L·s-1·L-1肝组织，然后把该数值用于PBPK模型的其他所有组织。根据文献报道的临床试验中受试者的资料［5］，选择美国青年人的生理学与解剖学参数库，建立美国青年人万古霉素静脉滴注的PBPK模型，最后应用美国青年人静滴万古霉素后浓度-时间实测值与PBPK模型进行比对。若峰浓度（Cmax）和药物暴露曲线下面积（AUC0-∞）的模型预测值与实测值的比值≤2倍，则认为拟合度良好，该预测模型可靠、有效［6］。

1.4 PBPK模型验证

首先应用美国青年人静滴万古霉素6mg·kg-1后尿液中万古霉素累积排泄-时间结果［5］进行模型验证。其次应用文献报道的中国青年人静滴万古霉素单次每人1.0 g，加入5%葡萄糖注射液250 m L，输液泵恒定滴注100 m in后获得的血浆浓度-时间曲线再次对模型进行验证［7］。

1.5 PBPK模型预测

在验证后的万古霉素PBPK模型上，预测万古霉素在人体各脏器组织中药物浓度-时间曲线。

1.6 参数敏感性分析

选择给药剂量和log D（油水分布系数），以及肾的清除率、Kp、fut和futE（药物在组织细胞外液中的游离分数）等参数对万古霉素体内系统暴露量进行参数敏感性分析。

2 结果

2.1 美国青年人静滴万古霉素后PBPK模型

PBPK模型预测的血浆药-时曲线与文献［5］报道的万古霉素血药浓度实测值数据点拟合图（图2）和模型预测的PK参数值与实测值（表3）表明，美国青年人实测的血药浓度数据点与模型预测曲线拟合较好（r2=0.914），PK参数预测值和实测值的比值均≤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 万古霉素PBPK模型验证

应用建立的美国青年人静滴万古霉素PBPK模型对美国青年人静滴万古霉素尿排泄（图3）与中国青年人静滴万古霉素的PK（图4）进行验证，结果表明，万古霉素累积尿液排泄-时间实测曲线与PBPK模型预测曲线拟合较好，24 h实测累积尿液排泄率为88%，预测值为86%。由中国青年人静滴万古霉素后预测的血浆药-时曲线与实测曲线的拟合图（图4）和预测的PK参数值与实测值（表4）可见，中国青年人实测的血药浓度数据点与模型预测曲线拟合较好（r2=0.936），PK参数预测值和实测值的比值均≤1.5倍，表明该PBPK模型可用于模拟万古霉素的PK及组织分布。

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 万古霉素PBPK模型预测组织分布

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模型预测的万古霉素在人体各组织中的药-时曲线（图5）显示，万古霉素的组织分布具有明显的特征，在肝和心等其他组织中浓度均低于血浆浓度，但在肾和肾小管中浓度高于血浆浓度，其中肾中药物达峰时间明显滞后于血浆，消除速率也低于其他组织，肾小管中药物浓度约高达血浆中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.

参数敏感性分析结果（图6）表明，万古霉素的系统暴露量对给药剂量最为敏感，给药剂量＞1g后，药物的血浆暴露量会明显增加；而log D、肾清除率及肾的Kp，fut和fut等参数对万古霉素体内系统暴露量的影响很小。

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

3 讨论

万古霉素在治疗革兰阳性菌引起的细菌性感染中有效率＞70%，临床应用广泛，已成为确诊的或高度怀疑为耐甲氧西林金黄色葡萄球菌感染患者（如使用医用留置器材、免疫缺陷或接受侵袭性操作的医院感染患者）的经验性治疗药物［13］。

万古霉素的人体血浆PK研究报道较多［14-15］，包括国内外健康人群以及重症感染患者等，但由于人体组织分布研究存在技术难度，至今未见报道。而万古霉素肾毒性与肾和肾小管中的药物暴露密切相关，如果能够发现给药剂量、血药浓度与肾和肾小管中药物浓度的关系，也将为解释和研究万古霉素的肾毒性提供重要参考。

PBPK模型是一种整体模型，根据生理、解剖和生物化学等知识，模拟机体循环系统的血液流向将各器官或组织相互联结，每个室代表机体实际的器官或组织，遵循质量平衡原理对药物体内转运代谢过程进行研究。人体的生理解剖参数是影响PK的重要因素，因此也是建立PBPK模型的基础。本研究中应用美国青年人PK数据建立了万古霉素的PBPK模型，继而对中国青年人的万古霉素PK进行预测，在模型建立时对两者的生理参数均进行了优化。其中美国青年人人群按照文献将年龄设为23岁，体质量设定为77 kg，中国青年人设定为23岁和69 kg，由于GastroPlus软件Version 9.0中只有美国人和日本人的生理学参数，中国青年人其他生理参数的设定主要在日本人的基础上对肝和肾等可能主要影响万古霉素体内清除和分布的生理学参数进行了微调，包括肝动脉和肾的灌流速率等。

建立整体PBPK模型预测药物体内血浆PK过程除了需要药物的理化参数外，最关键的是能确定清除率和分布体积［16-17］。对于万古霉素来说，肝清除率仅占总清除率的10%，主要经肾清除。至今未发现转运体参与万古霉素的肾排泄过程，提示万古霉素在肾小管中经被动扩散清除排泄，其肾清除率就可按照fup与GFR乘积获得，总清除率为肝、肾清除率之和。结合理化性质参数和机体的生理学参数，按照式（2）计算万古霉素的分布体积为35 L。应用PBPK模型预测药物尿液排泄的关键因素包括药物在组织中的Kp、药物进入组织的模式以及药物清除方式。药物进入组织有血流灌注和透膜2种方式，万古霉素在组织间的转运主要受透膜影响［12］，因此本模型中设置组织透膜限速模型。

本研究中应用上述数据和假设建立的美国青年人静滴万古霉素PBPK模型，经与实际血浆PK和尿排泄结果比较，均显示具有较好的吻合度；用于预测中国青年人静滴万古霉素后的血浆PK也具有良好吻合度，表明模型成功建立。应用该模型进行组织分布预测时，结果显示万古霉素的组织分布具有明显的特征（图5），肝和心等其他组织中浓度均低于血浆浓度，但在肾和肾小管中浓度高于血浆浓度，其中肾中药物达峰时间滞后于血浆，并且消除速率也低于其他组织，肾小管中药物浓度高达血浆中的40～50倍。推测其原因可能与万古霉素的药物性质有关，由于万古霉素主要以原型经肾排泄清除，肾成为机体的唯一排出通道，而万古霉素静滴入血后与其他各组织之间不断进行转运交换，最终血浆和其他组织内的药物都要经血流从肾小球滤过进入肾小管，因此肾小管内药物浓度远远高于血浆。进入肾小管的药物经过重吸收作用可能将部分药物吸收回肾血液中，后者与肾组织间又存在交互转运作用，因此药物在肾中的浓度也明显高于血浆，并且出现达峰时间滞后效应，目前的模拟预测结果为进一步体内研究提供参考。

本研究应用PBPK模型探索模拟了万古霉素在组织特别是肾中的分布特点，可见PBPK模型由于考虑到药物特性和生理特点，不仅对万古霉素的组织分布特征进行了预测，也为万古霉素的肾毒性机制的深入研究提供方向。本研究结果将在后续开展的动物体内进行验证，进而为体外肾毒性机制研究提供科学的剂量设置。