抗结核药物药代动力学/药效学的研究及进展

赵皎洁 陆宇

结核病是最为严重的单一传染性疾病，是全球十大死亡原因之一。2017年，全球范围内估算有1010万例结核病新发患者，包括55.8万例新发利福平耐药结核病(RR-TB)患者,而RR-TB患者中又有82%为耐多药结核病(MDR-TB)[1]。尽管目前应用的治疗方案使结核病治愈率达到95%(在最佳条件下的敏感型结核病)，但结核分枝杆菌耐药性的产生对结核病的治疗造成了极大的挑战。由于抗结核药物的研发难度大，研究周期长，在过去几十年几乎没有出现新的突破性进展。重新使用现有药物并改进其治疗方案、给药剂量、给药间隔和给药途径是一种有效的方法，可以缩短结核病的治疗时间，改善耐药结核病的治疗效果，防止结核分枝杆菌耐药性的产生。因此有必要更好地了解各种抗结核药物药代动力学/药效学(pharmacokinetics/pharmacodynamics，PK/PD)特点，以指导临床优化抗结核治疗。

一、PK/PD的概念及研究意义

PK是研究药物在机体的吸收、分布、代谢和清除的动态过程，反映药物在机体特定部位的有效浓度范围和持续时间，可用浓度-时间曲线等数学原理和方法进行表示。PD主要研究药物对病原微生物的体内外活性，即抗结核药物抑菌或杀菌效应随着时间和浓度而变化的动力学过程。PK/PD将药物浓度与时间、抗菌作用结合起来，阐明抗菌药物在特定剂量/浓度和特定给药方案下抑菌或杀菌效果的时间过程。

抗菌药物PK/PD研究近年受到高度重视，并取得了重大成就，已被广泛应用于抗菌新药研发的全过程。为抗菌药物各期临床试验给药方案的制定、抗菌药物群体量效关系的探索、特殊患者群体和特定患者个体给药方案的调整等提供支持性数据；可为抗菌药物对各目标病原菌的药物敏感性折点的制定提供PK/PD界值，并在剂型变化、新适应证增加、新适用人群、上市后给药方案优化，以及药品审评审批和监管决策等方面发挥重要作用。

根据PK/PD，一般将抗菌药物分为浓度依赖性药物和时间依赖性药物两大类。浓度依赖性抗菌药物杀菌效果与其药物浓度相关，浓度越高，则杀菌效果越强。其主要的PK/PD指数为游离药物的血药峰浓度 (Cmax)与最低抑菌浓度(minimal inhibitory concentration，MIC)的比值(Cmax/MIC)，以及游离药物的血浆药物浓度-时间曲线下面积(AUC0～24)与MIC的比值(AUC0～24/MIC)(注：“0～24”指“0～24 h AUC”)。代表药物如氨基糖苷类、氟喹诺酮类(fluoroquinolones，FQs)和硝基咪唑类。时间依赖性抗菌药物的游离药物浓度在一定范围内时，其杀菌效果与浓度相关，但超过该浓度范围后，杀菌速率达饱和状态，其杀菌效果与药物浓度超过病原菌MIC时间的长短有关，则主要的PK/PD指数为游离的药物浓度高于MIC的时间占给药间期的百分比(%T>MIC)，代表药物如β-内酰胺类等。此类药物中某些抗菌药抗生素后效应(post antibiotics effects, PAE)无或短，如果PAE较长，则主要PK/PD指数为AUC0～24/MIC，代表药物如糖肽类等。PK/PD研究是确定给药方案的重要依据，在抗菌药物的剂量选择中，首先考虑在该给药方案下要保证患者安全性和耐受性，根据PK/PD研究结果选择最佳的临床给药剂量，达到最好的治疗效果且能有效防止结核分枝杆菌耐药性产生。

二、PK/PD研究方法

抗菌药物PK/PD研究贯穿于抗结核药物研发的各个阶段，以支持新药有效性和安全性的确切评价。该研究随着药物研发的进程而逐渐完善，可以分为非临床阶段的PK/PD研究和临床阶段的PK/PD研究两部分。基于动物和人体感染的致病菌为同一类型，作用机制也一致的特点，抗结核药物体外药效学结合体外PK/PD研究和动物PK/PD研究等非临床PK/PD研究可间接反映药物进入机体后在感染病灶内达到抑菌或杀菌效果的动态过程，预测药物在人体内的杀菌和抑菌效果，这对临床PK/PD研究及给药方案制定具有重要参考价值。临床PK/PD研究是决定临床给药方案的制定包括剂量的优化、亚组剂量选择等的重要依据。

(一)体外PK/PD研究

体外PK/PD研究主要包括MIC、最低杀菌浓度(minimum bactericidal concentration，MBC)、PAE的测定，时间杀菌曲线的绘制，以及在体外PK/PD模型中进行的相关研究。

首先对受试菌株进行MIC测定，然后根据抗菌药物对目标菌株的MIC测定结果，选择具有药效学特点的细菌进行MBC测定。根据以上结果，选择符合测定要求的菌种进行PAE的测定，提供一些对药物进行评价的药效学数据，但这些体外结果的数据作用十分有限，不足以准确反映药物、结核分枝杆菌和宿主之间复杂的相互作用，也很难反映实际的体内情况。

抗结核药物的体外PK/PD模型可以借助一些体外装置来模拟药物在体内的药代动力学和药效学过程，弥补了单个参数的弊端，且不受实验动物个体的影响。抗菌药物的体外PK/PD模型主要包括扩散模型和稀释模型，其中常用的扩散模型是中空纤维系统(hollow-fiber system, HFS)模型。

Knazek等[2]在1972年发明了HFS模型，该模型中采用了有半透过性的中空纤维膜，不能透过细胞却不影响营养物质和代谢产物的进出。经过进一步的改进，HFS中又引入了透析膜[3]。HFS可承受更高的细菌负荷，模拟极端给药剂量，是一个可以动态观察药物对细菌的作用的方法，后来HFS作为药物开发工具被欧洲药物局认可[4]，得到的实验数据可用于临床申报。

利用体外PK/PD模型可以模拟不同给药方案下抗结核药的药-时曲线，利用测得的Cmax、AUC0～24和t1/2等PK参数，结合该药对受试菌株的MIC值，建立3个PK/PD指数Cmax/MIC、AUC0～24/MIC和%T>MIC，与该种药物的药效学参数结合建立药效学模型(如Sigmoidal Emax模型)，根据拟合度大小选择代表该抗菌药的最佳体外PK/PD指数。

(二)体内PK/PD研究

体内PK/PD研究包括动物感染模型中的研究，以及临床PK/PD研究。

1.动物感染模型：动物感染模型中的PK/PD研究可定量描述抗菌药物不同给药方案下感染动物血浆药物浓度随时间变化，以及与动物体内细菌菌落单位(colony-forming units，CFU)计数变化、动物存活率或死亡率之间的关系，建立PK/PD指数与其感染动物组织/体液中细菌菌落数对数差值(Δlog10 CFU)的药效学模型。

在动物模型实验中可以研究不同药物的给药方案在体内的PK特点、作用效果及治疗时间的长短，在临床前评估抗结核药物的疗效，以优化其使用。可以更好地模拟患者的病理生理学特点，据此获得的动物PK/PD指数及靶值与临床研究结果有较好的一致性，对临床和微生物学疗效的预测优于体外PK/PD模型。

目前，已经建立的动物感染模型有哺乳动物模型和无脊椎动物模型。哺乳动物感染结核分枝杆菌模型包括鼠、豚鼠、兔、牛、羊及非人类灵长类动物；无脊椎动物感染结核分枝杆菌模型包括阿米巴虫、果蝇和斑马鱼[5]。不同种类的动物感染模型、感染方法、感染菌种、所使用的给药方法和给药剂量也是不一样的。

虽然动物感染模型更接近于人体实际环境，但实验中测量的药效并不一定能很好地推断出在人体内的情况。除此之外，进行实验通常需要大量的动物，伦理方面可能会存在一些限制。所以应该发展可以有效地结合体外和体内研究获得的信息的新方法，从而以最佳的方式使用动物模型。

2.临床PK/PD研究：抗结核药物的临床研究主要分为三部分，即临床PK研究、临床PD研究、临床PK/PD关系建立。临床PK研究包括健康志愿者PK研究、目标适应证患者人群PK研究、特殊人群PK研究。在获得了临床阶段的PK和PD数据后，应开展临床PK/PD关系建立研究。

动物模型和人类之间存在着不可避免的种属差异，但不能完全模拟人体内的实际环境，在动物和人体上的毒性反应、代谢速度以及药物剂量换算也存在一些不同，所以药物在进入市场之前必须要在人体内进行PK/PD研究来准确评价抗结核药物的作用效果。

在选择临床试验中评估的给药方案时，应基于体外模型和动物感染模型、早期临床试验结果以及暴露-效应关系考虑目标PK/PD指数。除此之外，在临床研究期间应获得详细的和稀疏采样的群体PK数据(包括与痰和组织穿透性可能相关的数据)，结合抗结核药物的作用模式，探索抗结核药物PK/PD关系，确定目标阈值，为临床试验中制订合理的给药方案提供参考依据。同时还有助于发现可以降低耐药发生风险的潜在治疗方案。

三、主要抗结核药物PK/PD特点

(一)异烟肼(isoniazid，INH)

INH是一种利用分枝杆菌酶katG将其转化为活性形式的前药。其作用机理是抑制分枝菌酸的合成，破坏结核分枝杆菌细胞壁[6]。口服给药时，在胃肠道中被迅速吸收，但应避免高脂饮食，建议空腹时服用。INH体内代谢速度与基因型有关，快代谢型血浆半衰期为1.5 h，而慢代谢型需要4 h。

INH对快速增殖期结核分枝杆菌的杀菌力非常强，在抗结核药物中具有最强的早期杀菌活性(early bactericidal activity，EBA)，存在高度的选择性，是治疗各种结核病的首选药物[7]。INH的MIC为0.01～0.25 mg/L，其活性表现出浓度依赖性，高剂量的INH可以消除敏感株或具有低水平耐药性的菌株。

在HSF和动物感染模型中，相比于其他PK/PD参数AUC0～24/MIC与INH的杀菌效果显示出了最好的相关性[8]。在结核分枝杆菌造成的肺部空洞中，AUC0～24/MIC为567是INH给药后的PK/PD目标靶值[9]。

临床治疗药物监测给药300 mg后的峰值浓度为3～5 μg/ml，如果峰值小于2 μg/ml可以增加剂量。当AUC0～24≤52 mg·h·L-1时，容易产生不良反应。

(二)利福平(rifampicin，RFP)

RFP是用来治疗结核病的关键药物。其作用机制是与依赖DNA的RNA多聚酶的β亚单位结合，阻止RNA多聚酶与DNA连接，从而阻断蛋白合成[10]。rpoB基因突变导致RFP耐药性的产生。口服给药的情况下RFP吸收效果很好，2～4 h可达到治疗浓度。食物会干扰RFP的吸收，所以应空腹服药。

RFP不仅对快速生长期的结核分枝杆菌有很强的杀菌作用，对静止期的结核分枝杆菌也有很好的杀菌活性。RFP的MIC分布范围是0.15～0.5 μg/ml。在小鼠模型内进行的短期剂量分馏实验证明RFP的AUC0～24/MIC是与活性最相关的PK/PD指数。在中空纤维感染模型中证明，Cmax/MIC与抑制耐药和PAE的关系最密切，当Cmax/MIC为175时，其耐药抑制效果最佳[11]。

在大多数患者中，在口服600 mg后，RFP的目标Cmax是8～24 μg/ml。RFP是浓度依赖性药物，根据临床经验以及药物监测发现增加RFP剂量可以改善治疗效果，但研究中发现即使剂量达到1200 mg，RFP的作用效果依然没有达到最高值[12-13]。所以RFP的最佳给药剂量还需进一步研究确定。

(三)吡嗪酰胺(pyrazinamide，PZA)

PZA是一种烟酰胺的结构类似物，需要由pncA编码的酰胺酶转化为吡唑酸。能杀灭酸性环境中缓慢生长的吞噬细胞内的结核分枝杆菌，但在中性培养条件下几乎没有活性。PZA通过抑制脂肪酸合成的酶的活性，发挥其杀菌作用。PZA口服易吸收，给药1～2 h血浆浓度达到峰值。分布广泛，能透过血脑屏障，脑脊液中也能达到较高的血药浓度。消除半衰期较长，主要由肾脏排泄。在给药治疗的前2天没有发现EBA。

Gumbo等[14]利用HFS检验了PZA灭菌效果的PK/PD特性，在pH值为5.8时，PZA的AUC0～24/MIC为209时可以达到EC90。蒙特卡罗模拟显示，给药剂量高于目前推荐的2 g/d更有可能达到以上靶值，但可能存在安全性问题[14]。抑制耐药性的产生则与%T>MIC有关。

在一项群体药代动力学的研究中发现，为了达到Cmax>35 μg/ml和(或)AUC0～24>363 μg·h·ml-1的治疗靶值，给药剂量应在30～40 mg/kg的范围内。若要达到AUC0～24/MIC>11.3的目标靶值，给药剂量应大于80 mg/kg[15]。

(四)乙胺丁醇(ethambutol，EMB)

EMB是一种细胞壁合成抑制剂，干扰分枝杆菌细胞壁多糖-阿拉伯半乳聚糖的生物合成是EMB对结核分枝杆菌的主要作用机制[16]。阿拉伯糖基(arabinosyl)转移酶的编码基因embB突变与EMB耐药的产生有关。

EMB经口服给药可以被迅速吸收，生物利用度为70%～80%，不受食物的影响。药物摄入后2～3 h出现峰值血浆浓度，除脑脊液外该药在整个身体中均匀分布，并且仅约30%与血浆蛋白结合。消除半衰期为3～4 h，并且大部分药物从尿液中排泄，肾功能不全可延长血浆半衰期。

EMB对所有形式的结核分枝杆菌都有活性，但主要以抑菌作用为主。MBC90的范围为0.51～1.02 mg/L[17]。

在HFS中的研究证明EMB的作用效果与AUC0～24/MIC有关，当AUC0～24/MIC为119时可达到EC90[18]。在浓度效应研究中发现，使用比现在更高的EMB剂量可能会产生更好的作用效果，但确切的剂量及在此剂量下的毒性作用仍有待确定。15～25 mg/kg给药剂量后的血浆浓度在2～6 μg/ml，药物监测如果Cmax<2 μg/ml，应增加给药剂量。

(五)FQs药物

FQs药物会干扰结核分枝杆菌拓扑异构酶的作用，而这个亚基负责DNA的超螺旋并将其包裹在细胞内[10]。耐药性突变通常发生在拓扑异构酶的GyrA和(或)GyrB中。

FQs药物口服吸收效果较好，左氧氟沙星和加替沙星经肾脏消除；莫西沙星主要是通过肝脏代谢和胆汁排泄消除。通常在服药后1～3 h血浆药物浓度达到峰值。

FQs药物PK/PD特点为浓度依赖性，多数具有较长的PAE，且PAE随着浓度的增大而增加。评价此类药物的临床疗效，预测其耐药性和抗菌活性的重要PK/PD指标为AUC0～24/MIC和Cmax/MIC，目标靶值为AUC0～24/MIC>100、Cmax/MIC>10[19]。服用750～1000 mg左氧氟沙星后，Cmax可达到8～12 μg/ml，Cmax/MIC大约为10。在临床模拟实验中，400 mg/d的莫西沙星目标达成率仅为59%，800 mg/d可以提高到90%；这在小鼠模型中得到了进一步的证实，但是人类的安全性还没有建立。

(六)利奈唑胺(linezolid，Lzd)

Lzd是一种合成的恶唑烷酮类抗结核药物，作为二线抗结核药物，其可用于MDR-TB的治疗。与所有恶唑烷酮类药物相同，Lzd通过与原核核糖体50亚基的23S RNA肽转移酶中心结合的独特作用机制抑制细菌蛋白合成的启动[20-21]。

Lzd口服给药后吸收迅速，生物利用度接近100%，有良好的组织渗透性，可以进入脑脊液[22]。消除半衰期为5～6 h，主要经过肾脏排泄。每天服用600 mg/次每天1次或300 mg/次每天2次的剂量，预计Cmax将达到12～26 μg/ml[23]。

Lzd对H37Rv的MIC为1 mg/ml。合理的给药浓度的最低目标应≥结核分枝杆菌的MIC。Lzd谷浓度是与Lzd相关线粒体毒性关系最为密切的PD指标，0.19 mg/L是与50%最大毒性相关的波谷浓度[24]。

Lzd暴露与耐药亚群的细菌负担之间的关系类似于倒U的形状。与作用效果预测最相关的PK/PD参数是AUC0～24/MIC。为了防止耐药性的发展，在相关组合药物存在的情况下，Lzd的AUC0～24/MIC比值应为100[25]。14 d的EBA研究表明，每天2次的Lzd用药方案与每天1次相同剂量的Lzd相比，杀菌效果更好，但毒性也较强[25]。

为了更好地使患者坚持采用治疗方案或便于直接观察治疗，在临床治疗过程中每天1次的治疗方案可能是最佳选择，600 mg的每日剂量可能在疗效和毒性之间取得平衡。

(七)贝达喹啉(bedaquiline，Bdq)

Bdq属于二芳基喹啉类药物，于2012年获得美国食品药品监督管理局(Food and Drug Administration，FDA)批准，并于2013年被欧洲药品管理局(European Medicines Agency，EMA)批准，是新一类的抗结核药物。可以抑制结核分枝杆菌ATP合成酶质子泵，抑制结核分枝杆菌ATP的合成，切断能量供给。对活跃复制和休眠的结核分枝杆菌发挥作用，但并不影响真核生物的线粒体合成酶。这与现有抗结核药物的作用机制不同，产生交叉抗性的可能性较低。

体外实验中，Bdq的MIC为0.05 mg/ml。口服给药后吸收效果较好，食物的摄取能促进Bdq的吸收。Tmax约5 h，Cmax与给药剂量呈正比，Bdq在人体内的半衰期很长(约为173 h)， 故Bdq可以间歇性给药。

Bdq的杀菌效果呈时间依赖性。在单剂量和多剂量的研究中，AUC0～24和Cmax均呈现线性动力学特性，半衰期与给药剂量无关[26]。Bdq的抗菌效果与总剂量有关，而与给药频率无关[27]，%T>MIC是预测Bdq作用效果的最佳PK/PD靶值。但Bdq的最佳给药剂量目前并未确定，还需进一步研究。

(八)德拉马尼(delamanid，Dlm)

Dlm是甲硝唑和硝基咪达唑吡喃前药的衍生物，可抑制分枝菌酸的生物合成，对细胞内结核分枝杆菌有极好的抑制作用[28]。2014年被EMA批准用于治疗MDR-TB。与主要抗逆转录病毒药物不存在药物相互作用，使其能够用于HIV感染并发MDR-TB[29]。该药具有良好的口服生物利用度，食物可以提高生物利用度。其新陈代谢主要由血浆白蛋白调节。Dlm的杀菌作用具有浓度依赖性。推荐给药剂量为100 mg/次，2次/d。在敏感和耐药菌株中，MIC的范围为0.006～0.024 μg/ml。

在一项研究中，经过100 mg/次，2次/d连续给药且达到稳态后，继续给予100 mg的剂量，受试者血液中可以达到的平均Cmax 为0.4 μg/ml，平均 Cmin 为0.3 μg/ml，平均 AUC0～24为7.9 μg·h·ml-1。

将Dlm加入世界卫生组织治疗MDR-TB相关指南制定的背景药物方案后，2个月痰培养阴转率明显提高[30]；可能更适于与较不容易产生耐药性的抗结核药物一起使用。目前被推荐用于无法设计含有4种二线抗结核药物和PZA的有效给药方案的成年多耐药结核病患者，或者有确凿的证据证明该患者对于任何FQs或者二线注射类药物产生抗药性或者耐药性。

四、展望

抗结核药物的PK/PD研究对新药开发研究、优化药物治疗、预防结核分枝杆菌耐药性的产生等诸多方面均有重要价值。每一种PK/PD的研究方法都有其优点和局限性。PK/PD的研究需在药物研发与应用过程中不断进行，只有通过智能地整合和利用抗结核药物的PK/PD信息，重要的生物学和临床现象才会被有效地结合起来，根据每种药物的PK/PD特性，在临床用药过程中对治疗药物进行监测，及时调整给药剂量、给药间隔等，从而更好地对药物进行开发，优化抗结核药物的使用。