药代动力学在新药研发中的作用

药物代谢及其动力学在新药研发中的应用 胡卓汉博士瑞德肝脏疾病研究 上海 有限公司复旦大学药学院 2004年12月30日中国 北京 EfficacyHits OptimizedLeadGoornogodecision CompoundforDevelopment CD NEWDRUG IND NDA R D 临床实验 临床前实验 研究和发现 药物研发的三大任务药效Efficacy Pharmacodynamics安全Safety Toxicology药物代谢动力学DrugMetabolism Pharmcokinetics 药物代谢动力学的任务 最大无毒性浓度 最小有效浓度 最小药效时间 血浆浓度 时间 药效 毒理 药代 最佳血浆浓度 EfficacyHits OptimizedLeadGoornogodecision CompoundforDevelopment CD NEWDRUG IND NDA R D 临床实验 临床前实验 研究和发现 研究和发现阶段能否被吸收 permeability是否被代谢 metabolicstability代谢产物 metaboliteidentification代谢途径 pathwayidentification对其它药物的影响 drug druginteraction EfficacyHits OptimizedLeadGoornogodecision CompoundforDevelopment CD NEWDRUG IND NDA R D 临床实验 临床前实验 研究和发现 临床前阶段生物利用度bioavailability血浆浓度的线性和非线性doseescalation proportionality多次给药和体内积蓄multipledoses accumulation吸收和排泄模式massbalance体内分布distribution从动物代谢推算人体代谢extrapolation EfficacyHits OptimizedLeadGoornogodecision CompoundforDevelopment CD NEWDRUG IND NDA R D 临床实验 临床前实验 研究和发现 临床阶段长期毒性实验的动物选择metabolismprofilinginanimalsandhumans EfficacyHits OptimizedLeadGoornogodecision CompoundforDevelopment CD NEWDRUG IND NDA R D 临床实验 临床前实验 研究和发现 临床实验准则GoodClinicalPractice GCP 非临床实验准则GoodLaboratoryPractice GLP 二五原则5毫克5天 临床前实验药物代谢动力学的生物模型体外和离体模型 invitro insitumodels 吸收模型absorption permeability代谢模型metabolism体外推测和体内 invitro invivocorrelation 动物模型 invivoanimalmodels 动物推测人 speciesextrapolation 排出太快 药效时间太短 口服吸收差 血浆浓度太低 分布 排泻 代谢问题 吸收问题 蛋白质相互作用 分布体积 肾脏排泄 肝脏代谢 溶解度 肠道吸收膜通透性 肠道消化 早期研发阶段 后期研发阶段 SituationAnalysis invitro体外metabolism insitu离体permeability invivo体内bioavailability PlasmaconcentrationsofBCH 3840anditsmetabolite BCH 6440 inmicedosed50mg kgorally Poororalbioavailability 药物吸收模型 计算机 脂溶度 脂层转移 细胞层转移 十二指肠灌流 14 absorption distributionmodel脂层转移模型 水相Aqueousphase 水相Aqueousphase 有机相Organicphase pH 6 5 pH 7 4 PermeabilityEvaluation invitro 15 invitroabsorption distributionmodel Caco 2TransportPathways人大肠癌细胞模型 TransportPathways药物吸收机制 被动 细胞间 主动 P糖蛋白 ProbesforTransportPathways肠道吸收标准对照药物 Transcellular 被动吸收 Propranolol TestosteroneParacellular 细胞间渗透 Mannitol InulinCarriermediated 主动吸收 GlucoseP Glycoproteinmediated P 糖蛋白调节 底物Vinblastine抑制物Verapamil Glucose 蔗糖 vsInulin 木香素 主动吸收vs细胞间渗透 PropranololvsMannitol被动吸收vs细胞间渗透 由P 蛋白所调节的药物吸收 使用P 糖蛋白抑制剂Verapamil Chong DandoPharm Res 1997 FalsePositive假阳性 低 FalseNegative假阴性 高 Caco 2TransportPathways人大肠癌细胞吸收模型 insituratintestinalperfusion singlepass 离体大鼠十二指肠灌流模型 单循环 METHODAnimal MaleSprague Dawleyrats 250 350g fastedovernight Ratisanesthetizedbyurethane1 5g kg im beforeperfusionstarts Perfusate Phosphatebuffer pH 6 510mMglucosePhenolred negativecontrol Acetaminophen positivecontrol Finalconcentrationsoftestarticle 0 05 0 30mg mL PerfusionProcedures ratisputonaheatingpadtomaintainbodytemperaturejejunumisexposedviaamiddlelineincisionsutures 1stismadeat5cmdistaltotheligamentofTreitz2ndismadeatabout20cmdistalto1stonetheinletofcannula asyringeinfusionpumptheoutletofcannula afractioncollectortheperfusionsegmentisprecleanedbypassing10mlofblankperfusatebufferperfusiontimeandrate 0 1ml minfor120minoutletperfusionsamplesarecollectedevery10minplasmasamplesarecollectedat30 60 90and120minafterperfusionCalculations Permeability Peff cm min Q 2RLp x 1 C out C in C out C in Cout Cin x phenolred in phenolred out insituratintestinalperfusion singlepass Insituratintestinalpermeability singlepass Predictionwithin90 interval 19 31 61 3 In housevalidation 假阳性 假阴性 PlasmaconcentrationsofBCH 3840anditsmetabolite BCH 6440 inmicedosed50mg kgorally Poororalbioavailability 排出太快 药效时间太短 口服吸收差 血浆浓度太低 分布 排泻 代谢问题 吸收问题 蛋白质相互作用 分布体积 肾脏排泄 肝脏代谢 溶解度 肠道吸收膜通透性 肠道消化 早期研发阶段 后期研发阶段 SituationAnalysis invitro体外metabolism insitu离体permeability invivo体内bioavailability InSituRatIntestinalPermeability Good 阳性对照 阴性对照 受试药物 EnhancedThroughputScreeningPerfusion 4compoundsperday 4animals Samplesize timepoints7duplicatex2control drugx3sample perfusion42Totalsamples day168Bioanalysis noextractionnostandardcurve peakarea machinetime 2LCs24hrsTotalmanpower animaltechx1PKDMtechx2Testarticleamount 1mg testarticleScreeningrate onechemotypeswith30compounds 2weeks pKa 10pKa 8 4pKa 6 5Preduced 0 Preduced 7 Preduced 12 SAR pKavs permeability实例 结构优化和吸收率分析 SAR permeabilityvs efficacy实例 结构优化和吸收率和活性的分析 IC50 2uMPreduced 0 IC50 0 012uMPreduced 0 IC50 1 1uMPreduced 17 IC50 0 025uMPreduced 15 小结 体外和离体药物吸收实验系统体外人大肠癌细胞模型 invitroCaco 2monolayer 离体大鼠十二指肠灌流模型 insituratintestineperfusion 体内动物药物代谢动力学模型二五原则 5毫克 5天 血浆浓度 时间 化学药物 化学药物 中药 中药的药物代谢动力学的任务本身的药物代谢动力学问题对其它药物吸收的作用 排出太快 药效时间太短 口服吸收差 血浆浓度太低 分布 排泻 代谢问题 吸收问题 蛋白质相互作用 分布体积 肾脏排泄 肝脏代谢 溶解度 肠道吸收膜通透性 肠道消化 早期研发阶段 后期研发阶段 SituationAnalysis invitro体外metabolism insitu离体permeability invivo体内bioavailability 死还是不死 这是个问题 Tobeornottobe thisisaproblem 哈默雷特体内试验还是体外试验 这是个问题 Invitroorinvivo thisisaproblem 药代研究员 动物体内模型 人体内 临床试验 Invivoanimalsvs invivohumans人体外模型 人体内 临床试验 Invitrohumansvs invivohumans选择的指南与人相似 疾病模型 药效 毒性 药物代谢实验成本 38 HeartbeatandBodyweight 心率和体重 小鼠 大鼠 兔 猴 狗 人 39 LiverweightandHepaticFlowvsBodyweight 体重 肝重和肝血流量 人 狗 猴 兔 大鼠 小鼠 人 狗 猴 兔 大鼠 小鼠 40 Antipyrineclearance l min rat mouse rabbit monkey dog human Clearance InVitroModelsoftheLiver体外肝模型 Hepatocytes肝细胞Liverslices肝切片Livermicrosomes肝微粒体LiverS 9Fraction肝S 9组分 USFDAGuidanceforIndustry美国药物和食品管理局关于药物代谢实验的指南 Themostcompletepictureforhepaticmetabolismcanbeobtainedwithliversystems inwhichthecofactorsareself sufficientandthenaturalorientationforlinkedenzymesispreserved Isolatedhepatocytesandprecision cutsliceshavethesedesirablefeatures GuidanceforIndustry DrugMetabolism DrugInteractionStudiesintheDrugDevelopmentProcess StudiesInVitroCDER CBER U S FDA 1997 译文 肝系统 分离的肝细胞和精确的肝切片 能为药物代谢实验提供最完全的信息 因为这个系统含有足够的天然水平的酶系 2 Hydroxy EE2 Conjugates EE2 EE2 Hepatocytes 肝细胞 Microsomes 微粒体 Hepatocytes 肝细胞 MetabolismofEythinylEstradiol EE2 肝微粒体和肝细胞的代谢功能差异 Li Hartman Lu CollinsandStrong BrJClinPharmacol48 733 742 1999 PlasmaconcentrationsofBCH 3840anditsmetabolite BCH 6440 inmicedosed50mg kgorally Poororalbioavailability 排出太快 药效时间太短 口服吸收差 血浆浓度太低 分布 排泻 代谢问题 吸收问题 蛋白质相互作用 分布体积 肾脏排泄 肝脏代谢 溶解度 肠道吸收膜通透性 肠道消化 早期研发阶段 后期研发阶段 SituationAnalysis invitro体外metabolism insitu离体permeability invivo体内bioavailability Reactionvolume 1 0ml DPBSpH7 4HepaticS 9 Microsomes 0 5mgprotien mLSpecies Human Monkey Dog Rat MouseSubstrateconcentration 10mMNADPH 2 4mMUDPGA 1 5mMIncubation 60minat37oCStoppingprocedure chilledacetonitrile 3xvolume InVitroMetabolismAssay体外肝微粒体实验 1234 ABCDEF EnhancedThroughputScreening 增速筛选 A B 空白对照 testarticle buffer vehiclecontrol VC C D 阴性对照 testarticle microsomes negativecontrol NC E F 实验样品 testarticle microsomes cofactors treatedDosingsolution timezero T 0 4compoundsincludingpositivereference plate 7ethoxycoumarin 阴性对照 空白对照 测试样本 EnhancedThroughputScreeningIncubation 4compoundsper24 wellplate15compounds 1positivecontrolperdaySamplesize Timezeroduplicate 16x2 VCduplicate 16x2 NCduplicate 16x2 Treatedduplicate 16x2 Totalsamples day128Bioanalysis noextractionnostandardcurve peakarea machinetime 2LCs24hrsTotalmanpower PKDMtechx3Testarticleamount 0 1mg testarticleScreeningrate onechemotypewith60compounds 1week HPLCprofilesofBCH 3840anditsmetabolite BCH 6440 BCH 3840 metabolite InvitrometabolicstabilitybyrathepaticS9 EfficacyHits OptimizedLeadGoornogodecision CompoundforDevelopment CD NEWDRUG IND NDA R D 临床实验 临床前实验 研究和发现 研究和发现阶段能否被吸收 permeability是否被代谢 metabolicstability代谢产物 metaboliteidentification代谢途径 pathwayidentification对其它药物的影响 drug druginteraction LiquidChromatography MassSpectrumofBCH 3840anditsmetabolite BCH 6440 HydroxylationorOxidation MH 310 MH 294 MassIdentification HPLCprofilesofBCH 3840anditsmetabolite BCH 6440 Preparationofmetabolitebybulkincubation M M P P 10mgmicrosomalprotein2mgBCH 3840 Fractioncollectionofmetabolite fractionation concentration NuclearMagneticResonanceprofilesofBCH 3840anditsmetabolite BCH 6440 C5 H BCH 3840 Metabolite StructureElucidation InvitrotherapeuticindexofBCH 6440 EfficacyHits OptimizedLeadGoornogodecision CompoundforDevelopment CD NEWDRUG IND NDA R D 临床实验 临床前实验 研究和发现 研究和发现阶段能否被吸收 permeability是否被代谢 metabolicstability代谢产物 metaboliteidentification代谢途径 pathwayidentification对其它药物的影响 drug druginteraction InhibitorsforCYPIsoformConc mM Furafulline CYP1A2 10Tranylcypromine CYP2A6 50Sulfaphenazole CYP2C9 25Omeprazole CYP2C19 20Quinidine CYP2D6 24 methylpyrazole CYP2E1 250Ketoconazole CYP3A4 5 ChemicalInhibition 化学抑制 Pureenzyme 纯酶 CorrelationAnalysis 相关分析 MetabolismPhenotyping代谢途径鉴定 InhibitorsforCYPIsoformConc mM Inhibition ofNC Tranylcypromine CYP2A6 5040 2Sulfaphenazole CYP2C9 2514 24 methylpyrazole CYP2E1 25067 6Ketoconazole CYP3A4 575 2 MetabolismPhenotyping代谢途径鉴定 EfficacyHits OptimizedLeadGoornogodecision CompoundforDevelopment CD NEWDRUG IND NDA R D 临床实验 临床前实验 研究和发现 研究和发现阶段能否被吸收 permeability是否被代谢 metabolicstability代谢产物 metaboliteidentification代谢途径 pathwayidentification对其它药物的影响 drug druginteraction Drug DrugInteractions 对其它药物代谢的影响 Inhibition 抑制 potential IC50andKimechanism mechanistic 机械性 competitive 竞争性 testsystem livermicrosomes 肝微粒体 cryopreservedhepatocytes 冷冻肝细胞 Induction 诱导 testsystem freshisolatedhepatocytes 肝细胞 TargetEnzymesCytochromeP450s 1A2 2A6 2C8 2C9 2C19 2D6 2E1 3A4PhaseIIconjugation glucuronidation IC50 M 0 675GoodnessofFit 0 980795 ConfidenceIntervals 5 63 8 28 IC50 M 20 4GoodnessofFit 0 973095 ConfidenceIntervals 16 9 26 3 CYP3A4 CYP3A4 Drug druginteraction inhibition抑制作用 体外药效浓度 1uM Drug druginteraction Induction 肝细胞诱导模型 5daysprocedureDay0 Isolatefreshhepatocytes viability 70 Platinghepatocytesto24 wellplate 0 7x106viablecells wellPlatingmediareplacedwithsandwichafter7 hourattachmentDay1 incubationforestablishingbasallevelsofCYP450isoforms Day2 sameasDay1Day3 dosingwithtestarticlesDay4 sameasDay3Day5 washingoutthedosingsolutionandaddingsubstratesforCYP450isoformsasbelow 1A2 ethocyresorufinO deethylation2A6 coumarin7 hydroxylation2C9 tolbutamide4 hydroxylation2C19 S mephenytoin4 hydroxylation2D6 dextromethorphanO demethylation2E1 chlorzoxazone6 hydroxylation3A4 testosterone6b hydroxylation Drug druginteraction Induction诱导作用 排出太快 药效时间太短 口服吸收差 血浆浓度太低 分布 排泻 代谢问题 吸收问题 蛋白质相互作用 分布体积 肾脏排泄 肝脏代谢 溶解度 肠道吸收膜通透性 肠道消化 早期研发阶段 后期研发阶段 SituationAnalysis invitro体外metabolism insitu离体permeability invivo体内bioavailability EfficacyHits OptimizedLeadGoornogodecision CompoundforDevelopment CD NEWDRUG IND NDA R D 临床实验 临床前实验 研究和发现 临床前阶段生物利用度bioavailability血浆浓度的线性和非线性doseescalation proportionality多次给药和体内积蓄multipledoses accumulation吸收和排泄模式massbalance体内分布distribution从动物代谢推算人体代谢extrapolation 119 236 310 Proportionality血浆浓度的非线性 提示 代谢或排泄的非线性饱和 90 72 Proportionality AUC 大鼠试验 93 63 提示 药物吸收的非线性饱和 TOXICOKINETICS毒物代谢动力学试验Animal Sprague Dawleyrats male female Cynomolgusmonkey male female Singledoseescalation 线性动力学 50 250 500mg kg Multipledoseescalation 药物体内积累 50 250 500mg kg dailyfor14days 90 72 Proportionality AUC 大鼠试验 93 63 提示 药物吸收的非线性饱和 0 100 200 300 400 500 600 0 10 20 30 40 50 60 FemaleRats OralDose mg kg 0 100 200 300 400 500 600 0 10 20 30 40 50 MaleRats OralDose mg kg Cmax m g mL 73 47 56 49 Proportionality Cmax 大鼠试验 提示 药物吸收的非线性饱和 0 92 0 77 1 04 1 19 1 02 1 07 AccumulationRatio药物积累率 大鼠 Malerats Femalerats Proportionality AUC 猕猴 MaleMonkey FemaleMonkey 49 34 60 38 提示 药物吸收的非线性饱和 38 31 55 32 Proportionality Cmax 猕猴 MaleMonkey FemaleMonkey 提示 药物吸收的非线性饱和 MaleMonkey FemaleMonkey 0 79 1 11 1 12 0 73 0 76 1 14 AccumulationRatio药物积累率 猕猴 PhaseITrial Singledoseescalation 临床一期单剂量药代动力学试验HealthyMaleSubject n 22OralDoses 4 100 200 400 and800mgTimepoints 13 0 5 1 1 5 2 3 4 6 8 10 12 16 20 and24hour EfficacyHits OptimizedLeadGoornogodecision CompoundforDevelopment CD NEWDRUG IND NDA R