药动药效同步模型在兽药领域应用的研究进展

刘雪松，朱庆贺，杨旭东，张 艳，陈 曦，王 爽，王观悦，穆永才，罗天瑶，史同瑞

(黑龙江省农业科学院畜牧兽医分院，黑龙江齐齐哈尔 161000)

通常对某种药物的研究包含两个方面，分别为药代动力学(Pharmacokinetics，PK)和药效学(Pharmacodynamics，PD)。在以往的药学研究中，PK和PD被认为是两个分离的学科，通常是单独进行研究的。PK描述的是机体对药物的作用，即药物是如何吸收、分布、转化以及通过新陈代谢进行消除的。PD研究的是药物对机体的作用及其规律，阐明药物防治疾病的机制。单独研究PK仅仅可以显示出剂量-浓度-时间三者的关系，而单独研究PD也仅仅可以显示出浓度-效应两者之间的关系。而PK/PD模型可以将PK和PD结合在一起，从而将剂量-浓度-效应-时间四者的关系联系在一起进行研究[1]。将PK和PD结合在一起进行研究有助于观察到药物在临床表现方面的个体差异，且有利于探究药物的作用机制、机体内外环境对药物影响等相关方面。近几年来，PK/PD模型的实际应用得到迅速的发展，已经成为一个新的学科增长点。目前，在兽医领域内，PK/PD模型主要应用于为兽用药物制定具有科学依据的用药剂量以及用药间隔，并通过与多个理论和模型进行结合，为兽用药物常用剂量的有效性进行评估[2]。

1 PK/PD模型的优点

在PK/PD模型未广泛使用时，药物剂量的测定通常使用的是药物剂量滴定试验(does titration studies)。这种试验是将健康动物和感染疾病的动物模型共同均衡地分配到几个药物剂量组中，将动物模型组与健康动物组进行对比，并应用统计学的方法对药物的效果进行评估，从而确定药物的剂量。这种试验只是运用到了简单的平行设计。用这种方法获得的所谓的“合理剂量”往往比真实的合理剂量要高很多。因为剂量滴定试验的成功与否往往通常与试验设计相关，而这种试验想要获得成功需要获得统计学意义上的差异，而这种差异与试验动物的数量密切相关[3]。试验动物数量较少，达不到统计学上的差异，可能会导致获得的剂量往往比合理剂量要高出许多。尽管将平行试验设计改为交叉试验效果会好一些，但是获得的剂量依然要比真正的合理剂量要高一些。药物剂量滴定试验只能将药物剂量与药物效果联系在一起。而不能将药物在机体内的血药浓度与药效之间的关系表达清晰[4]。

而PK/PD模型可以通过PK/PD参数将药物浓度-时间曲线与药效结合在一起，得出不同药物浓度时的药效。并且，通过PK/PD模型算出药物剂量时，只需要对动物进行单次给药，就可通过已经构建好的模型，通过算法算出不同抗菌效果时所需要的最低剂量。对于以往的剂量滴定试验，药物剂量与治疗效果在动物体内的具体关系是一个看不透的黑箱。也就是说在动物体内，多大的药物浓度产生什么样的抗菌效果是不清晰的。但是对于PK/PD模型来说，剂量-浓度-效应-时间四者是清晰可见的，并不再是一个无法看清的黑箱。PK/PD模型可以真实的反应出药物、机体以及病原菌之间复杂的相互关系[5]。综上所述，相比较于以往的药物剂量滴定试验，PK/PD模型具有省时、省试验动物，且算出的给药剂量以及给药间隔更加具有科学性的优势。

2 PK/PD参数的选择

PK/PD参数是由PK的相关参数与PD的相关参数结合在一起重新构建起的参数。对于PK，有几个主要参数经常被研究分别是药时曲线下面积(area under concentration，AUC)、达峰时间(peak time，Tmax)、达峰浓度(peak concentration，Cmax)以及在机体中游离药物浓度的前缀代表f[6]。PD的最主要的参数包括最小抑菌浓度(minimal inhabit concentration，MIC)、最小杀菌浓度(minimal bactericidal concentration，MBC)、防突变耐药浓度(mutant prevention concentration，MPC)以及抗菌后效应(post antibiotical effect，PAE)[7]。将PK与PD的参数结合在一起，构建出3种PK/PD参数，分别为%T>MIC、AUC/MIC以及Cmax/MIC。按照作用类型可以将药物分为两大类，分别为浓度依赖性药物和时间依赖性药物。浓度依赖性药物特点为药物的作用效果与药物作用部位的浓度有关。这类药物适合的PK/PD参数为AUC/MIC和Cmax/MIC。运用这两个PK/PD参数的目的就是合理地增加药物浓度来达到更好的药效。这类药物主要包括氨基糖苷类、氟喹诺酮类、甲硝唑、黏菌素等[8]。而时间依赖性药物的作用效果是与药物作用浓度超过MIC的时间占比相关，故PK/PD参数为%T>MIC。时间依赖性药物主要包括β-内酰胺类、万古霉素、克林霉素、大环内酯类等。根据抗菌后效应长短，又可将时间依赖性药物分为两类，分别为抗菌后效应无或短的药物以及抗菌后效应长的药物。目前对于抗菌后效应无或短的药物，主要使用的PK/PD参数为%T>MIC，例如β-内酰胺类药物。而对于抗菌后效应长的药物，主要使用PK/PD参数为AUC/MIC和%T>MIC，例如糖肽类药物[9]。药物的作用类型通常通过杀菌曲线来进行区分，如果药物的抗菌效果一直随着浓度的增加而增加，则为浓度依赖性药物。如果药物的抗菌效果在不随着药物浓度的增加而增加，而是随着时间的推移而增加，则为时间依赖性。随着研究的深入，某些药物在做相关研究时出现了两种药物的特性，这其中以阿奇霉素最为典型[10]。需要注意的是，在运用PK/PD模型的时候，某种药物运用哪个PK/PD参数并非绝对的和固定不变的。而药物在动物体内分为游离型药物以及结合型药物，只有游离型药物才能发挥抗菌效果，PK/PD模型拟合时经常以游离型药物代谢情况为主，以游离型药物为基础的PK/PD参数为%fT>MIC，fAUC/MIC、fCmax/MIC[11]。

3 PK/PD研究的方法

3.1 体外PK/PD模型

体外PK/PD模型(invitroPK/PD model)是一种依靠体外模拟装置进行的一种药理模型。该种模拟装置可以模拟药物在体内的代谢过程，可以模拟得到抗菌药物在机体内药物浓度随着时间变化的过程中的抗菌效果。这种模型适合用于抗菌药物体外PK/PD参数的选择以及给药方案的初步筛选。体外PK/PD模型主要包括稀释模型和扩散模型，常用的扩散模型为中空纤维感染模型(hollow fiber infection model，HFIM)[12]。

目前，抗菌药物所用的动力学模型模拟的基本上为一级吸收和消除的动力学过程，包括一室模型、二室模型等。不同的模型在结构上基本相似，大体上都有几个液体容器通过管道连接组成。通常包括含有培养基的储存容器、废液收集容器以及一个模拟体内药物浓度变化的容器。血管外给药模型中还会增加一个容器叫吸收室用来模拟抗菌药物的吸收过程。几个容器之间培养液的流动通过蠕动泵实现[13]。

目前，体外PK/PD模型多应用于抗菌药物PK/PD参数上的筛选。这种方法节省了实验动物的经费，并且克服了测定杀菌曲线时，药物浓度恒定的缺点。但是正是由于缺乏实验动物，没有考虑到动物自身的免疫机制，成为了这种模式最主要的缺点[14]。

3.2 半体内PK/PD模型

半体内PK/PD模型(exvivoPK/PD model)也是目前兽医上经常使用的PK/PD模型之一。半体内的特点是将体内的药动学和体外的药效学结合在一起，通常使用的方法便是在试验动物上安装组织笼，给药后定时采集组织液和血液，检测血液和组织液的药物浓度，并用体外杀菌曲线的方法获得组织液和血液的药物抗菌效果。这种PK/PD模型适用于大中动物例如牛、猪、羊、骆驼等[15-17]。半体内的PK/PD模型优点在于不需要去牺牲动物来获得药物的抗菌效果。在做杀菌曲线时，由体外的培养液换成了来自体内的血液或组织液，更加贴近于试验动物的情况。缺点便是不适用于小动物，且组织液和血液中药物的抗菌效果大多是通过体外杀菌曲线的方式来获得的，比起体内模型，动物自身免疫因素考虑的相对较少。

3.3 体内PK/PD模型

体内PK/PD模型(invivoPK/PD model)是需要建造动物感染模型后，在动物体内进行的模型。最常用到的动物感染模型包括粒细胞减少小鼠大腿感染模型[18]、小鼠乳房炎模型[19]、粒细胞减少小鼠肺炎感染模型等[20]。由于是体内PK/PD模型，首先需要制造细菌感染模型，最常见的方式是用免疫抑制剂例如环磷酰胺在制造模型前进行注射，之后将细菌注入到动物体内[21]。

这种模式的优点在于将试验动物的自身免疫因素考虑在内，并且可以分析不同给药方式，不同部位以及不同病原菌的PK/PD参数是否相近。该模型的缺点需要大量牺牲试验动物，所以该模型不适用于大型动物[22]。

4 PK/PD模型研究的目的

4.1 PK/PD靶值

PK/PD模型的最终目的是为临床用药提供科学依据，其中的方式之一便是获得PK/PD靶值(pharmacodynamics target，PDT)[23]。PK/PD靶值更像是一种临界值，是药物达到某种抗菌效果时需要的最小值。PK/PD靶值对于不同种动物是具有针对性的，它的获得是基于临床前和临床药物-微生物相互作用关系的[24]。在理想情况下，PK/PD靶值是确保治疗成功的保障。通过PK/PD模型获得PK/PD靶值的方式多用于模式动物，最常用的动物为小鼠，在大动物上也有使用。

4.2 合理给药剂量

PK/PD模型也可以最终通过计算获得合理的给药剂量[25]。算出计量的公式如下。

其中，CL为药物清除率，fu为血浆中的游离型药物，F为生物利用度。这个剂量的计算公式经常使用在浓度依赖性药物的剂量计算。对于时间依赖性药物，可先算出其T>MIC的值，然后算出该药物的加权AUC，即WAUC。WAUC的定义为药物浓度-时间曲线下血浆药物浓度超过MIC的面积。获得了WAUC后，在再讲WAUC带入到剂量公式中，便可以算出相应的合理剂量。T>MIC以及WAUC的计算公式如下[26]。它们的计算一般用相应的药理学分析软件进行，例如Winnonlin软件等。

其中，D为计划剂量，Vd为表观分布容积，T1/2β为消除半衰期，t为给药间隔。

其中，(T>MIC)Max为24 h时的情况。

5 PK/PD模型与蒙特卡洛模型

蒙特卡罗(Monte Carlo Simulation，MCS)模拟法原用于社会、经济、工业、商业、医学等领域，主要用于预测某种后果发生的几率或可能性。MCS是采用不同统计取样技术来提供定量问题近似解决方案的随机模拟方法。简单来说，MCS是通过计算机创造一个随机事件或“试验”的分析方法，当运行到指定的次数，可以获得任何特定目标的概率[27]。

1998年10月美国食品和药物管理局(FDA)抗感染药物顾问委员会首次把该方法用于制定药物的剂量和确定药敏试验的临界浓度。大多数情况下，根据某种细菌MIC调查，并通过试验获得某种药物的PK参数值，应用MCS来获得某种药物现如今使用剂量的治疗效果。通常进行MCS的软件为水晶球软件(Crystal ball software)[28]。

进行MCS时，首先要计算出相应的%fT>MIC、fAUC/MIC以及fCmax/MIC，并获得相应的PK/PD靶值，通过模拟计算抗菌药物不同给药方案对某一细菌PK/PD指数达到该靶值的累积响应百分率(cumulative fraction of response，CFR)，以及不同MIC下对某一细菌达到PK/PD靶值的达标概率(probability of target attainment，PTA)。通过这种模拟可以确定达到最佳临床和细菌学疗效时抗菌药物的给药方案，包括给药剂量、间隔和给药方式。MCS可以测定小样本量试验动物的PK的平均参数，模拟大于10 000个试验动物的PK变化情况，根据病原菌MIC的分布情况和范围，计算不同的给药方案达到预期药效学靶值的概率分布。这是以往靠人力无法进行的[29]。

6 PK/PD模型与细菌耐药性

细菌的耐药性的发生通常与新的基因获取或者染色体上的点突变有关。细菌耐药性问题在世界范围内逐渐成为了一个亟待解决的难题。随着药物的滥用，这种问题正在逐渐加剧。对于某些发展中国家来说，细菌耐药性问题成为了一个阻碍养殖业发展的重要难题，因为在这些国家中无法获得第二段或者第三代抗生素，即使能够获得，价格也异常昂贵[30]。对于一些旧的药物来说，由于几十年的使用，在许多种类的细菌菌株上产生了耐药性。为了让这些旧的药物得到持续合理的使用，也为了让新的药物有合理的用药剂量，预防细菌耐药性的产生，有必要根据PK/PD模型的药物与病原体的作用关系对这些药物剂量进行评估。突变选择窗理论的出现，也为这种评估提供了一种新的思路。突变选择窗(mutant selection window，MSW)以及防突变浓度(mutant prevention concentration，MPC)是由Zhao与Drlica在研究细菌对于氟喹诺酮类药物耐药机制时提出的新理论[31]。该理论认为对于不同种细菌存在一个浓度，这个浓度是可以防止突变株选择性富集扩增的最低浓度，这个浓度就是MPC。MSW就是MIC与MPC之间的差值。该理论认为当细菌处于MSW中的药物浓度时，由于药物选择压力的影响，细菌很容易对该种药物产生耐药性。只有药物浓度高于MPC时，既可以有效地杀灭细菌，又可以防止细菌耐药突变株的产生。基于MIC为基础的PK/PD模型只能起到抑制或杀灭细菌的目的，未考虑细菌在该种药物的选择压力下产生耐药情况。MPC弥补了MIC的这个缺陷。以MPC为基础的PK/PD模型逐渐被人们所接受并使用。以MPC为基础的PK/PD模型，其PK/PD参数为%T>MPC、AUC/MPC以及Cmax/MPC[32]。PK/PD模型与MSW理论的联合使用为药物的合理应用提供了一个新的方向。

7 展望

目前PK/PD模型因其可以科学地指导药物的使用剂量，在兽药相关领域得到了广泛的应用。运用该模型可以让兽药的研发人员更有把握地根据试验相关数据来计算出临床最佳用药方案，并且具有省时、省力、快速、高效以及经济的优势。用这个模型可以指导使用年限相对较长的兽药持续地、合理地治疗动物相关疾病。对于新研发的兽药，可以运用该模型对将会出现的耐药情况进行预测，从而提出科学的用药方案防止耐药性的产生。随着科技的进步与研究的深入，PK/PD模型可以与多种模型以及相关软件进行联合使用，充分发挥其潜能，对未来兽医的临床用药提供一定的理论基础，为防止细菌耐药性的出现提供大量的试验数据。在未来的发展中，PK/PD模型在兽药相关领域的应用会越来越完善，应用也会越来越广泛，不仅可以使用在化学药物上，在中兽药的应用上也逐渐发展起来，为相关研究提供试验数据。PK/PD模型将会为兽药的科学合理使用起到关键作用。