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药物毒理学,中国医科大学药学院药物毒理学教研室,第二章毒物的处置与毒代动力学,蔡际群教授,2,第一节毒物的吸收、分布、生物转化与排泄,毒物分子的跨膜转运,Free,Bound,组织器官,体循环,吸收,生物转化,排泄,游离型,结合型,代谢物,3,被动转运(passivetransport),特点：顺膜两侧浓度差转运高低不消耗能量不需载体，无饱和性各药间无竞争性抑制现象,绝大多数毒物按此方式通过生物膜,4,体液pH对毒物被动转运的影响,pKa：弱酸或弱碱类毒物在50%解离时的溶液的pH值。,Ka=,pKa=pH-log,10pH-pKa=,酸性,碱性,5,膜两侧不同pH状态，弱酸类毒物被动运转达平衡时，膜两侧浓度比较：,例：某弱酸性毒物pKa=5.4,分子型离子型毒物总量（分子型+离子型）,血浆pH=7.4,胃液pH=1.4,HA1,A-100101,HA1,A-0.00011.0001,6,主动转运(activetransport),特点：逆浓度差转运消耗能量需载体，有饱和性有竞争性抑制现象（例：丙磺舒与青霉素）,易化扩散(faciliteddiffusion),特点：不需要能量，有饱和性,7,特殊转运(specializedtransport),内摄作用（endocytosis）,液体毒物：吞饮作用（pinocytosis）颗粒毒物：吞噬作用（phagocytosis）,8,主要影响毒物通过细胞膜的因素,药物的脂溶性膜面积与厚度毒物的浓度差局部血流量,9,（一）经胃肠道吸收是药物和毒物吸收最重要的部位之一，治疗服用、误用或者自杀。如安眠药、有机磷等。影响消化道对毒物吸收速度的因素：1.毒物的理化性质2.胃肠道存留食物的多少3.毒物在胃肠道各部位的停留时间4.胃肠道的吸收面积和吸收能力5.胃肠道局部的pH6.胃肠道的分泌能力7.肠道的微生物菌丛（约有60种细菌对毒物有转化作用）,一、吸收（absorption）,10,胃肠道,血液,（二）经肺吸收气体、挥发性溶剂或颗粒可经由肺部吸收，如吸人给药(吸入麻醉)、喷雾给药(喷雾剂)，因此药物可通过肺泡壁吸收产生毒性作用。呼吸道表面积30100M2，毛细血管网的总长度约2000km,鼻咽,支气管,肺泡,毒物,11,（三）经皮肤吸收,成人的体表面积约1.8平方米,毒物通过皮肤吸收的途径,1.单纯扩散（大部分亲脂性毒物）2.毛发区的毛囊吸收3.汗腺管吸收4.经破损皮肤部位吸收,影响毒物通过皮肤吸收的因素,1.毒物的性质和浓度2.皮肤的酸碱度、水分含量、面积和厚度。3.皮肤的解剖和生理特性（与年龄、种族和种属有关）,12,毒物从血液向组织、细胞间液或细胞内液转运的过程称为分布。,二、分布distribution,（一）分布容积distributionvolume,体内毒物总量和血浆药物浓度之比，Vd非体内生理空间，因此也叫表观分布容积(Apparentvolumeofdistribution),A：体内药物总量C：平衡时血药浓度,药物（毒物）在人体内的分布情况,区域总量的%70kg人的体液（L）给1g化合物后血浆浓度（mg/L）,血浆4.53333总细胞外液201471总体液553826组织结合-025,14,1.药物与血浆蛋白结合（Proteinbinding）,可逆影响转运、无药理活性不同药物与血浆蛋白结合率不同药物之间有竞争性,（二）药物（毒物在组织中的储存）,15,significant,negligible,16,与血浆蛋白结合率比较高的药物,95%boundThyroxine甲状腺素Warfarin华法林Diazepam地西泮Frusemide呋塞米Heparin肝素Imipramine丙咪嗪,90%but95%boundGlibenclamide格列本脲Phenytoin苯妥英Propranolol普萘洛尔SodiumValproate丙戊酸钠,17,2.药物在肝脏和肾脏的储存,肝脏细胞内的蛋白谷胱甘肽S-转移酶,药物、毒物有机酸,肝脏、肾脏中的金属硫蛋白,金属离子,18,3.药物在脂肪组织中的储存,高脂溶性的有机化合物，如硫喷妥。,4.药物在骨骼组织的储存,含有氟、铅等金属的化合物,19,（三）体内生物膜屏障（membranebarriers),血脑屏障BloodBrainBarrier,胎盘屏障Placentalbarriers,药物在机体内发生化学结构的改变过程，是药物在体内消除的重要途径,三、生物转化Biotransformation,1.药物代谢的部位肝脏：肝外部位：肠、肾、脑等,21,2.药物在体内转化的两个步骤：I相反应II相反应药物代谢物结合物（氧化、水解、还原等）（结合）药物经生物转化后，其结局如下：灭活、毒性降低极性增加产生毒性代谢物,22,专一性酶如ChE,MAO等非专一性酶（细胞色素P450药物代谢酶系，CYP450）生物转化主要在肝脏进行，因促进体内药物生物转化的酶主要是肝脏微粒体氧化酶系统（又称肝药酶）也称为细胞色素P-450氧化酶。其特点是:专一性低，活性有限，个体差异大和活性可受药物影响,3.生物转化酶的特点及种类：,23,CYP2D6,家族,亚家族,酶,1）细胞色素P450药物代谢酶系，CYP450,是相反应中促进药物生物转化的主要酶系统，有许多种同工酶。,24,Fe3+-O,D,P-450,H,OH,P-450,P-450,P-450,P-450,P-450,Fe2+-O2-,H,Fe2+-O2,D,D,D,D,Fe2+,Fe3+,Fe3+,D,H,H,H,H,O2,e,e,2H+,H2O,(1),(2),(3),(4),D,（结合）,（活化）,（加氧）,（药物氧化）,25,药物（毒物）RH在细胞色素P450药物代谢酶系的作用下，进行如下反应,RH+O2ROH+H2ONADPH+H+NADP+,26,常见的肝药酶诱导剂,Phenytoin苯妥英Phenobarbitone苯巴比妥Carbamazepine卡马西平Rifampicin利福平Griseofulvin灰黄霉素Chronicalcoholintake长期饮酒Smoking吸烟,27,Chloramphenicol氯霉素Sodiumvalproate丙戊酸盐Sulphonamides磺胺类药Phenylbutazone保泰松Isoniazid异烟肼Amiodarone胺碘酮Omeprazole奥美拉唑,常见的肝药酶抑制剂,四、排泄excretion,药物和毒物以原形或代谢产物形式通过排泄或分泌器官排出体外的过程,排泄途径,尿液,粪便,肺脏,汗腺,乳汁,29,1.经尿液排泄绝大部分药物经肾脏排出体外只有非与血浆蛋白结合的药物（分子量小于6000的化合物）可被肾小球滤过,肾小管分泌：主动分泌如丙磺舒，同类药物之间有竞争性肾小管的重吸收：脂溶性药物在排泄过程中可被肾小管再吸收（与药物本身的pKa、血和尿的pH有关）,30,尿液pH值对药物排泄的影响：弱酸性药物在碱性尿液中解离多，重吸收少，排泄快，而在酸性尿液中解离少，重吸收多，排泄慢。弱碱性药物则相反。（巴比妥类中毒时用碳酸氢钠解救）意义：改变尿液pH值可以改变药物的排泄速度，用于药物中毒的解毒或增强疗效。,2.经其它途径排泄胃肠道及胆汁排泄肝肠循环,31,肠肝循环（enterohepaticcirculation),Liver,Drug,指自胆汁排进十二指肠的结合型药物在肠中经水解后被再吸收的过程。,32,经肺排泄挥发性高的有机溶剂如乙醇等,经唾液、汗腺排泄铅、砷等重金属和某些生物碱等,经乳汁、头发排泄许多金属、毒品、有机氯农药等可从乳汁排泄而影响婴儿。某些重金属可排泄到头发中。,33,第二节毒代动力学Toxicokinetics,在毒理学研究中根据产生毒性作用的剂量，定性和定量地研究实验动物体内药物的吸收、分布、代谢和排泄随时间的动态变化规律。毒代动力学研究所用的剂量远远高于药效剂量和临床拟用剂量，并且为多次重复用药，其给药情况和毒理学研究的实际情况相同或相似，所获结果对动物毒理学试验研究方案的设计、结果的评价以及将动物试验结果外推到人的安全性评价等方面都有很大的帮助。,34,第三节动力学模型(Kineticmodel),动力学模型,经典动力学模型ClassicalTtoxicokinetics,生理动力学模型Physiologicaltoxicokinetics,35,房室概念和房室模型：动力学的房室(compartment)概念是抽象的数学概念，其划分取决于毒物在体内的转运及/或转化速率。一房室模型(onecompartmentmodel)二房室模型(twocompartmentmodel)中央室(centralcompartment)周边室(peripheralcompartment),（一）经典动力学模型ClassicalTtoxicokinetics,36,一房室模型（First-ordercompartmentmodel）,药物,吸收,消除,一室模型计算公式：,37,二房室模型,二室模型,药物,中央室,周边室,吸收,消除,38,二室模型计算公式：C=Aet+Bet,C:t时血浆药物浓度:分布速率常数:消除速率常数B相外延至纵轴的截距A实测浓度和相各相应t时浓度之差形成的直线在纵轴上的截距e:自然对数之底2.718,斜率=-/2.303,斜率=-/2.303,A+B,39,一房室模型：体内药物瞬时在各部位达到平衡，即给药后血液中浓度和全身各组织器官部位浓度迅即达到平衡。二房室模型：药物在某些部位的药物浓度和血液中的浓度迅速达平衡，而在另一些部位中的转运有一速率过程，但彼此近似，前者被归并为中央室，后者则归并成为外周室。三房室模型：转运到外周室的速率过程有较明显快慢之分。,40,40,一级消除动力学(Firstordereliminationkinetics)：n=1dC/dt=-kC,零级消除动力学(Zeroordereliminationkinetics)n=0dC/dt=-k,dC/dt=-kCn,41,零级,一级,零级,对数浓度,一级,浓度,42,一级消除动力学数学表达公式,43,一级消除动力学特点：消除速率与血药浓度有关，属恒比消除有固定半衰期如浓度用对数表示则时量曲线为直线,44,零级动力学(zero-ordereliminationkinetics),0级消除动力学数学表达公式,0级消除动力学特点：,消除速率与血药浓度无关，属定量消除无固定半衰期血药浓度用真数表示时量曲线呈直线,45,(二)生理毒代动力学模型生理毒代动力学房室模型与经典毒代动力学房室模型的基本差别，在于描述药物(毒物)转运进出房室的速率常数不同，可用以表示组织中药物的浓度。经典毒代动力学由数据定义速率常数，因此这些模型通常基于数据进行论述；而生理毒代动力学则能体现已知的或假设的生理过程，因此这些模型通常基于生理学进行论述。,46,生理毒代动力学的优点：1.这些模型能提供药物分布于任何组织器官的时程。2.能预测改变生理参数对药物组织浓度的影响。3.通过体表面积换算，相同模型能反映药物通过不同物种的毒代动力学。4.能使复杂的治疗方案容易调节。生理毒代动力学的缺点：1.需要较多的信息2.许多数学方程较难掌握3.许多参数在不同物种、品系或病理情况下很难定义。尽管如此，生理毒代动力学无论在理论上还是应用上，都比经典毒代动力学在毒理学领域有应用前景。,47,一房室模型药物的药量-时间关系Timecourseofdrugconcentration,一、一次给药,48,hrs,Plasmaconcentration,49,(1)描述引起试验动物全身申毒的量效关系和时效关系；(2)了解药物毒性研究中出现中毒症状与结果之间的关系，为预测这些毒理学结果与临床用药安全性之间的关系提供资料；(3)明确重复用药对动力学特征的影响;(4)探讨给药剂量、药物体液浓度和毒性反应之间的关系；(5)预测药物毒性作用的靶器官(组织)，并解释中毒机制；(6)明确是原形药物还是某种特定代谢产物引起的毒性反应，以及与毒性反应种属间差异的关系；(7)明确动物毒性剂量和临床剂量之间的关系，为临床安全用药提供依据。,二、药物毒代动力学的研究目的,50,1，药物毒性效应的定量全身中毒的定量可为评估受试种属负荷剂量提供依据，并有助于明确种属间、剂量组间和性别间的毒性相似性和差异性。中毒程度可用原形药物或其特定代谢产物的血浆(血清或全血)浓度或AUC表示。2，采样时间点的调整在毒代动力学研究中，采集体液的时间点应达到所需的频度，但不可太频繁以免干扰正常的研究，并引起动物过度的生理应激反应。每项研究的测试时间点应满足药物中毒评估的要求。时间点的确定应以早期毒性研究的动力学数据为基础，也可根据预试验或剂量-毒性效应研究，以及在相同动物模型或可以合理外推的其它动物模型另行研究。,三、药物毒代动力学考虑的一般原则的,51,3，确定剂量水平以达到合适的中毒量毒性研究中剂量水平的设置主要由受试种属的毒性和药理学效应所决定。以下列举的毒代动力学原理有助于剂量水平的设置。(1)低剂量:即无毒性反应的剂量。任何毒性研究的动物最小中毒量在理论上应等同于，或刚刚超过推荐病人(或已知的)的最高用量。(2)中等剂量：根据毒性研究的目的，中等中毒剂量应该能正常反映较低(或较高)中毒剂量的适当倍数(或分数)，以体现剂量-毒性效应关系。(3)高剂量：在毒性研究中，高剂量水平通常由毒理学的需要而定。一般要有少数动物中毒死亡，或体重明显减轻。,52,4，中毒程度的评估在药物毒性研究中，全身毒性效应必须通过适当数量的动物和剂量组进行测定，以能获得适用的毒代动力学数据，为风险评估提供依据。毒代动力学可用在主体药物毒性研究或其它相关研究的动物，或有代表性的部分动物身上进行。毒代动力学数据的样本，通常采用主体研究所用的动物，因为主体动物包括了大动物如犬，而其它的相关研究常用较小的种属如啮齿类动物。同时应该采用雌雄两种动物。,53,5，毒性作用复杂因素探索应考虑药物与蛋白结合、组织摄取、受体性质和代谢途径上的种属差异。例如，对于蛋白结合率高的药物，用游离(未结合)型药物浓度来表示中毒量更为合适。此外，代谢产物的药理活性和毒理作用以及生物药品的抗原性。血浆浓度相对较低时，特定的组织或器官中也可有药物和(或)其代谢产物的存在。这些均为药物毒性作用的复杂因素。,54,6，给药途径以改变给药途径(例如吸人、体表或非肠道释放)来进行毒代动力学研究时，应基于受试药物拟推荐给药途径的动力学性质。对某一药品采用新的临床给药途径时，例如一种初期作为口服剂型开发的产品随后又作为静脉给药产品进行开发的情况下，必须确定改变临床给药途径是否会显著降低安全范围。该过程包括在人体比较现行的和推荐的给药途径下，进入体内原形药物和(或)其相关代谢产物量(AUC和Cm)。如果新给药途径引起人AUC和(或)CM的增加，或有生物转化通路的变化，则应通过动物毒理学和动力学研究以保证安全性。如果推荐的新途径与现有途径相比，进人体内的药物无显著改变，则其它的非临床毒性研究可着重于局部毒性试验。,55,7，代谢产物的测定药物毒代动力学的主要目的是了解受试药物在产生毒理作用种属中达到的全身中毒量。但在下列情况下，血浆或其它体液中代谢产物浓度的测定在毒代动力学试验中更为重要：(1)当受试药物为前体药物而其代谢产物已知是活性药物时；(2)当药物可被转化为一种或多种具有药理或毒理活性代谢产物，且这些产物可导致明显的组织器官反应时；(3)受试药物在体内可被广泛生物转化时；上述情况在毒性研究中给予动物该药物后，测定主要代谢产物的血浆或组织浓度是评价中毒量的合适手段。,56,8，数据的统计评价所获数据应能对中毒量进行有代表性的评价。但由于动力学参数存在个体内和个体间的差异，毒代动力学资料的动物样本较小，因此通常不需要高精度的统计学处理。应该注意平均值或中位数的计算以及变异性的测定，在某些情况下，个体动物的数据可能比统计分析的成组资料更为重要。,57,9，分析方法将毒代动力学结合毒性试验，早期建立的分析方法应根据生物转化情况和种属差异来选择分析药物和检测基质(生物体液或组织)。研究方法对被测药物应是特异的，有足够的准确度和精密度，定量限应满足为获得毒代动力学数据所预期测定的浓度范围。,58,必须说明分析药物和检测基质(生物体液或组织)的选择理由，检测来自不同种属样本时，内源性物质可能会引起的干扰。通常选择血浆、血清或全血作为毒代动力学研究的基质。如果药物是消旋体或其它对映异构体的混合物，对所选的分析物(消旋体或对映异构体)应另加说明。在非临床研究中检测的药物和基质理论上应与临床研究一致。如果在非临床和临床研究中采用了不同的分析方法，则它们均应进行充分认证。,59,10，报告指对得到的毒代动力学数据、毒性效应结果的评价、以及应用毒代动力学资料对毒理学结果进行解释的综合报告。应提供动力学研究分析方法的概述，及其选择测定基质和药物的依据。动力学资料在申报资料中的位置，取决于是特异地对某一毒性研究，还是能支持所有的毒性试验。,60,四、毒代动力学研究的特殊问题,1，单剂量毒性研究通常在药品开发的早期进行，这些研究一般早于生物分析方法建立之前，因此无法进行毒代动力学监测。如果需要对其进行研究，可在研究中采集血浆样本，储存以备后期分析，但要求待分析物在样木基质中稳定性数据合乎要求。为解决在单剂量毒性研究中出现的问题，在此项研究完成后可另进行毒代动力学研究。单剂量动力学研究结果有助于剂量方案的选择，并有助于预测给药期间药物毒性效应的速率和持续时间，这可为后期研究选择合适的剂量水平。,61,2，重复剂量毒性研究方案设计和种属选择要尽可能与药效学和药代动力学原则相符合。毒代动力学可纳入毒性研究设计中，包括最初重复剂量研究过程中，对合适的剂量水平中毒过程进行监测。后期研究采用的步骤将依据前期研究的结果和试验设计方案中出现的变化。早期毒性研究结果出现问题时，对特定药物的监测或特征描述可以扩大、缩小或修改。,62,3，遗传毒性研究当体内遗传毒性研究出现阴性结果时，毒代动力学可以较好地描述所用种属的全身中毒情况或对特定组织的毒性效应。,4，致癌研究(1)预试验确定剂量范围:为获得有助于主体研究设计的毒代动力学资料，应特别对早期毒性研究末包括的种属和品系，以及首次使用的给药途径和方法进行整体观察。毒代动力学数据有助于临床给药资料缺乏时选择剂量水平，并有助于理解非线性动力学所导致研究过程的复杂性。,63,理想设计应保证致癌研究所选剂量产生全身中毒反应，而且这些反应大于人用最大剂量反应的若干倍。但这种理想的剂量选择将不可避免地受到种属特异性的干扰。因此应在致癌研究不同阶段对所用剂量的原形药物及其代谢物出现全身中毒量进行评价，以便通过动物模型中毒量和人体给药量的比较，来研究该毒理学过程的发展。在受试动物和人体均可达到的给药量基础上确定最高剂量，在该剂量获得的致癌性试验结果，可作为试验的终点。,64,(2)主体研究:处理方案和种属的选择，应尽可能根据已在大鼠和小鼠进行的药代动力学和毒代动力学资料。通过监测确保在主体研究中，中毒量与独立的或特定剂量范围研究中得到的动力学过程一致。这种监测仅适用于少数研究，但6个月后没有必要再继续进行。,65,5，生殖毒性研究生殖毒性研究时，中毒剂量的极限通常由母体毒性所决定。毒代动力学数据并非对所有药物生殖毒性试验都是需要的，但在某些情况下，毒代动力学监测是有价值的，尤其是对母体毒性低的药物。在缺乏药理或毒理资料而难以断定全身中毒量是否足够时，毒代动力学原理有助于确定在生殖过程不同阶段给药以达到的中毒量。雌性动物的下述试验组可用于收集毒代动力学数据。,66,(1)生育能力研究：可应用重复给药毒性研究的一般原则。这些研究是否需要监测将取决于采用