药物代谢动力学.ppt

第3章药物代谢动力学Chapter3Pharmacokinetics,药物代谢动力学(pharmacokinetics),Pharmacokinetics简称药动学，主要研究药物的体内过程及体内药物浓度随时间变化的规律。前者主要以文字和图表定性地描述药物在体内的变化过程；后者主要以数学模型与公式定量地描述药物随时间改变的变化过程。,第3章药物代谢动力学Chapter3Pharmacokinetics,药物代谢动力学(pharmacokinetics)简称药动学，主要研究药物的体内过程及体内药物浓度随时间变化的规律。前者主要以文字和图表定性地描述药物在体内的变化过程；后者主要以数学模型与公式定量地描述药物随时间改变的变化过程。,学习目标,通过学习掌握药动学的基本原理和方法，结合对药效学和剂量（浓度）效应量效关系的理解和应用，可以科学地计算和调控达到效应所需的药物剂量（浓度）。通过剂量调节体内药物浓度，达到满意的治疗效应并控制浓度过高引起的中毒，提高临床治疗效果。,第一节药物的体内过程,药物的体内过程是指药物经过给药部位进入直至排出机体的过程。在此过程中，药物的吸收提高血药浓度；药物的代谢和排泄降低血药浓度。体内过程对药物起效时间、效应强度和持续时间均有很大影响。通过研究药物体内过程可以更好地了解药物在体内的变化规律。,药物体内过程,药物体内过程包括药物的吸收(absorption)、分布(distribution)、代谢(metabolism)和排泄(excretion)，即ADME四个基本过程。代谢和排泄都是药物在体内逐渐消失的过程，统称为消除(elimination)。给药一经吸收，ADME四个基本过程即持续、同时发生，是决定血药浓度升降的因素。Pharmacokineticsisconcernedwiththekineticprocessofdrugabsorption,distribution,metabolism(biotransformation),andelimination(ADME).,Fig.3-1SchematicrepresentationoftheADMEprocessofadrug.Drugwasabsorbedfromthesitesofadministrationintothesystemiccirculation,inwhichtheyreversiblelybindtoalbuminorotherproteins.Thebounddrugisinactive,thereforeitislimiteditssystemicdistribution,metabolisumandexcretion.Onlyfreedrugisabletocrossmembranetoreachtissues,sitesofdrugactionandbemetabolizedorexcreted.,一、药物的转运,药物的转运方式药物的吸收、分布和排泄本质上是药物分子在体内跨过各部位生物膜的转运（跨膜转运）。,TheADMEprocessesofdrugsusuallyinvolvetheirpassageacrossbiomembranes.Themechanismsthroughwhichdrugscrossbiomembranesincludepassivetransport,activetransportandothers(e.g.,facilitateddiffusion,endocytosis,pinocytosis,andion-pairtransport,etc.).,药物的转运方式主要有,被动转运(passivetransport)主动转运(activetransport)其他转运方式。,被动转运,1被动转运指药物自生物膜浓度高的一侧向浓度低的另一侧进行的跨膜转运。包括简单扩散(simplediffusion)和滤过(filtration)。被动转运的作用力来源于膜两侧的药物的浓度差势能，势能越大转运动力越大，也称为顺浓度梯度转运或下山转运，大多数脂溶性药物属于此种转运方式。,passivetransport,Inpassivetransport,drugmoleculesusuallypenetratebysimplediffusionaccordingtoaconcentrationgradientbyvirtueofthedrugssolubilityinthelipidbilayer.Onlynon-ionizedmoleculesarelipid-solubleandcandiffuseeasilyacrossthecellmembranes.Incontrast,theionizedmoleculesareusuallyunabletopenetratethelipidmembranebecauseoftheirlowlipidsolubility.Thereforethecross-membranetransportanddistributionofdrugsthatareweakorganicacidsorbasesareusuallydeterminedbytheirpKaandthepHgradientacrossthemembrane.,被动转运的特点为,不需要载体；不消耗能量（ATP）；无饱和现象；不同药物同时转运时无竞争性抑制现象；当可跨膜转运的药物分子在膜两侧的浓度相等时达到动态平衡。,药物跨膜转运主要影响因素,药物跨膜转运主要受到药物的溶解性和解离性等理化特性的影响。溶解性是指药物具有的脂溶性和水溶性。药物的跨膜转运必须先融入生物膜的脂质双层结构，然后达到膜的另一侧。化学物质具有脂与脂相融，水与脂难融的特点，因此脂溶性强的药物容易跨膜转运；而水溶性强的药物难于跨膜转运。,+,+,解离性和离子障(iontrapping)现象,解离性是指水溶性药物在溶液中溶解后可生成离子型或非离子型。非离子型分子可以自由跨膜转运，容易吸收。离子型分子带有正电荷或负电荷不易跨膜转运，被限制在膜的一侧，形成离子障(iontrapping)现象。临床应用的药物多属于弱酸性或弱碱性药物，它们在不同pH值的溶液中的解离状态不同。药物的pKa值和解离比例可用Handerson-Hasselbalch公式计算。,Handerson-Hasselbalch公式,药物的pKa值,由公式可见，当溶液中药物的离子型与非离子型的浓度相等时，pH=pKa，即药物的pKa值是该药50%为离子型时所在溶液的pH值。溶液pH值改变与药物的解离度改变呈指数关系。pH值每增减就可以使弱酸性或弱碱性药物的解离度改变10倍，从而影响其跨膜转运（见图3-2）。药物的理化性质决定其固定的pKa值。,Fig.3-2Lipidmucosalbarrieractsasaniontrapping.Iontrappingissignificantformanyweakacidorbasedrugs.Forexample,whenaweakaciddrug(pKa=4.4)isdissolvedinthegastricjuice(ph=2.4),itsconcentrationdifferenceofionizeddrugbetweenbothsidesoflipidmucosalbarrieris100,000timesbecausethePHvalueofplasmais7.4.Acidicdrugsarewellabsorbedintheacidicmediumofthestomach,howeveritisbetterfortheabsorptionsofbasicdrugsinthealkalinemediumofthesmallbowel.,离子障,(iontrapping),碱化酸化体液和尿液,通过用药可轻微改变pH，如应用碳酸氢钠可碱化，而用氯化铵可酸化体液和尿液，应用此原理可使药物吸收或排泄的速度改变，对提高药物的吸收或促进中毒物质的排泄有临床意义。弱酸性药物在pH低的溶液中解离度小，容易跨膜转运，在酸性胃液中吸收较快；但如用药碱化尿液pH变大，则解离度增大而妨碍原形排泄的药物在肾小管中的重吸收，促进药物从体内排泄。,主动转运,2主动转运指药物不依赖膜两侧浓度差的转运，可以由生物膜的浓度低的向浓度高的一侧转运，形成药物在特殊部位的高浓度聚积，因而又称为逆浓度梯度转运或上山转运。少数药物和生命活动的关键离子（如Na+、Ca+、K+）依赖机体特有的载体转运系统（酶或离子泵）消耗能量ATP进行主动转运形成浓度势能。,Activetransport,Activetransportmayinvolvemovementagainstanelectrochemicalgradientandischaracterizedbytherequirementofenergy,saturability,selectivityandcompetitiveinhibitionbycotransportedcompounds.,主动转运的特点,需要载体，载体对药物有特异性和选择性；需要消耗能量；受载体转运药物的最大能力的限制，因而有饱和现象；同一载体同时转运不同药物时，有竞争性抑制现象；当膜一侧的药物转运完毕后转运即停止。属于此种转运药物如丙磺舒竞争性抑制青霉素类在肾小管分泌，可延长青霉素类药物的作用时间。,其他转运方式,3其他转运方式药物还可通过易化扩散(facilitateddiffusion)、胞吞(endocytosis)或胞饮(pinocytosis)、膜孔滤过(filtrationthroughpores)、离子对转运(ion-pairtransport)等方式转运。,(二)体内药物,体内药物以游离型(free)和结合型(binding)两种形式进行转运或储存，两者间处于动态平衡。游离型药物才能跨膜转运及发挥药理活性；结合型药物是药物在体内储存的形式并暂时失去药理活性。,药物血浆蛋白结合率与竞争结合,血浆蛋白结合率很高的药物在长期用药时可能发生具有临床意义的药物相互作用。极少数血浆蛋白结合率高、消除慢和安全范围窄的药物，如华法林和磺胺或阿司匹林的相互作用。两种药物竞争共同的血浆蛋白结合位点时,可能引起游离血药浓度增加,作用和毒性增强。,血浆蛋白,二、药物的体内过程,(一)吸收药物的吸收是指药物由给药部位进入血液循环的过程。除静脉给药直接进入血液循环外，其他血管外给药途径都需要吸收。常用给药途径吸收快慢顺序依次为：气雾吸入腹腔注射舌下含服直肠给药肌内注射皮下注射口服给药皮肤贴剂。临床上起效最快的是静脉注射，常用于急救；最简便、安全和常用的是口服给药，常用于门诊患者。,口服吸收与首过消除,除直接注入血管外,一般的给药方式都要经过细胞膜转运,以被动转运方式吸收。药物由消化道吸收后经门静脉进入肝脏，再进入体循环血液。口服药物在吸收过程中受到胃肠道和肝脏细胞的酶灭活代谢导致进入体循环的活性药量减少，这种现象称为首过消除(firstpasselimination，也称为首过代谢firstpassmetabolism)。,(二)分布(distribution),药物吸收后随血液循环到达各组织器官中的过程称为分布。药物分布的规律是药物由静脉回流到心脏，从动脉先向体循环血流量相对大的组织器官分布，再转向血流量相对小的组织器官，最终达到各组织间分布的动态平衡。,再分布(redistribution),脂溶性高的药物如静脉麻醉药硫喷妥钠(pentothalsodium)先向血流量大的脑组织分布，药物浓度迅速升高而产生麻醉效应，但脑组织中的药物很快随血流再向脂肪组织转移，浓度迅速下降而麻醉效应消失。药物先分布于血流量大的组织器官，随后向其他组织器官转移的这种现象称为再分布。,药物在体内的分布,受到药物的理化性质和跨膜转运性质的影响，大多数药物在体内的分布是不均匀的，并呈现一定的器官选择性。如链霉素主要分布在细胞外液。在给药后血液与各组织器官中的浓度达到动态平衡时，血药浓度与分布在靶器官的药物浓度成一定的比例。由于药物与靶位结合的比例决定药效强弱，因此在治疗浓度下，血药浓度与药物效应强弱呈正相关的量效关系。,药物分布的屏障,药物在体内的分布的不均匀性还表现在某些器官组织特殊解剖结构限制药物转运而形成特殊的屏障，如血脑屏障(blood-brainbarrier)，血眼屏障(blood-ocularbarrier)，胎盘屏障(placentalbarrier)等。,血脑屏障,在组织学上由血-脑、血-脑脊液及脑脊液-脑三种屏障组成。高脂溶性药物可通过脂质膜转运进入中枢神经系统。在脑膜炎或脑炎时，对药物通透性可增加。治疗流行性脑膜炎和其他中枢神经系统疾病时，应选用脂溶性高的药物；相反把药物季胺化,可阻止其进入中枢神经系统,减少药物的中枢神经系统副作用。,血眼屏障,血眼屏障是指循环血液与眼球内组织液之间的屏障。血眼屏障包括血房水屏障、血视网膜屏障等结构，它使全身给药时药物在眼球内难以达到有效浓度，因此大部分眼病的有效药物治疗是局部给药。,胎盘屏障,胎盘屏障是指胎儿胎盘绒毛与孕妇子宫血窦间的屏障。所有药物均能从孕妇体内通过胎盘进入胎儿体内，只是程度、快慢差异。由于胎盘屏障作用弱和新生儿血脑屏障发育尚不健全，所以在妊娠期禁止使用对胎儿生长发育有影响的药物。不少的药物有致畸胎的危险,故在妊娠期应尽量避免用药,尤其对胎儿有影响的药物,以策安全。,(三)生物转化(biotransformation),生物转化药物作为外源性物质在体内发生化学结构的改变称为转化或生物转化。药物发生转化的器官主要是肝脏，此外肠黏膜、肾、肺、体液和血液等组织的酶参与某些递质和药物的转化或灭活作用。生物转化本质上是药物在体内温和环境中经酶促作用产生生物化学反应形成新的化合物。,生物转化过程,生物转化分为两个时相：相包括氧化(oxidation)、还原(reduction)、水解(hydrolysis)，主要由肝药酶(cytochromeP450,CYP)和其他酶使药物分子结构中引入或暴露出极性基团，如产生羟基、羧基、巯基、氨基等；相为结合(conjugation)使药物分子结构中的极性基团与体内的化学成分如葡萄糖醛酸(glucuronicacid)、谷氨酰胺、谷胱甘肽、乙酰基等经共价键结合，生成水溶性强、极性高的代谢物易于从肾排出体外。,Metabolismofdrugs,Metabolismorbiotransformationofdrugsmainlyoccursinliverwheremostenzymesystemsresponsiblefordrugmetabolismarefound,althoughextrahepatictissuesexaminedhavesomemetabolicactivities.Ingeneral,biotransformationofdrugsgeneratesmorepolarandinactivemetaboliteswhicharemoreeasilyeliminatedfromthebody.,药物代谢的、相和代谢酶,metabolites,Fig.3-3Theproportionofdrugsmetabolizedbymajorphaseandphaseenzymes.TherelativesizeofeachpiesectionstandsfortheestimatedpercentageofphaseIorphaseIImetabolismviadifferentenzymesshowninthefigure.Inmanycases,morethanoneenzymeisinvolvedinaparticulardrugsmetabolism.Inthisfigure:CYP,cytochromeP450;GST,glutathioneS-transferases;NAT,N-acetyltransferases;ST,sulfotransferases;TPMT,thiopurinemethyltransferase;UGT,UDP-glucuronosyltransferases.,生物转化后其药理活性的改变,药物经过生物转化后其药理活性发生改变。大多数药物代谢产物的药理活性减弱或无活性，称为灭活(inactivation)，少数药物经生物转化后可以被活化(activation)而出现药理活性。脂溶性强的抗结核药经肝脏生物转化的代谢产物可引起肝损害。原形药物经过生物转化后生成的代谢产物有多种形式，有的活性减弱或消失、活性增强或转化成活性物质，甚至有毒性代谢物(toxicitymetabolite)产生。因此，将药物的转化称之为“解毒”(detoxication)是不确切的。,Metabolitesofdrug,However,insomecases,metaboliteswithpotentpharmacologicalactivitiesortoxicpropertiesmaybeproduced.Manydrugscaninducethehepaticmicrosomalenzymestoincreasethemetabolismofdrugs,whileotheragentscaninhibittheenzymes.,前体药物(pro-drug),前体药物(pro-drug)是需经生物转化活化后才能产生药理效应的药物，制成前体药物给药常可避免口服给药时的首过消除对药物的灭活。,酶催化反应类型,药物的生物转化是酶的催化反应，催化酶有专一性酶和非专一性酶两大类。专一性酶是指催化作用选择性很强、活性很高的酶，如胆碱酯酶(cholinesterase)灭活乙酰胆碱(acetylcholine，ACh、单胺氧化酶monoamineoxidase，MAO)转化单胺类药物。适度抑制某专一性酶活性的物质可以延缓递质或药物的灭活速度，成为具有临床用途的药物，如胆碱酯酶抑制药新斯的明。非专一性酶主要是指肝细胞的微粒体混合功能氧化酶系统(hepaticmicrosomalmixed-functionoxidasesystem，也称为肝药酶)。,肝药酶,肝药酶由许多结构和功能类似的细胞色素P450同工酶(cytochromeP450isozyme，CYP)组成。研究发现，CYP的基因和同工酶的多态性现象（polymorphism）很普遍，如迄今发现人体对药物代谢重要的P450酶系统的组成的等多种亚型，它们主要参与药物代谢的第相反应。它们的代谢底物(药物)各有差异，酶的变异也较大，如对CYP2D6研究发现，其亚型的变异已达50多种，对药物代谢有显著的影响，其代谢活性的个体差异（individualdifference）可达1万倍以上。,肝药酶催化的总反应式和步骤,在酶促反应中底物RH2在NADPH2(还原型辅酶II)为供氢体和O2参与下。催化反应后底物RH2由单加氧作用使其羟化为RHOH，剩下的一个氧原子接受NADPH2供氢体的H2生成水。上述反应式本质上是底物RH2经单加氧反应形成羟化产物，故又称肝药酶为细胞色素P450单加氧酶系统,Fig.3-5CytochromeP450cycleindrugoxidations.Inthefigure,O2:oxygenRH2:parentdrug;RHOH:product.,肝药酶的特性,选择性低，能催化多种药物转化；变异性较大，常因遗传、年龄、营养和疾病等机体状态的影响而存在明显的个体差异；酶活性易受外界因素影响而出现增强或减弱现象。,影响药物生物转化的因素,1药酶的诱导。2药酶的抑制。3遗传的多态性。,酶诱导和酶抑制,细胞色素P450同工酶受药物等因素的影响可引起活性的改变。能够增强酶活性的药物称为酶诱导剂(enzymeinducer)，而能够减弱CYP酶活性的药物称为酶抑制剂(enzymeinhibiter)。酶诱导剂和酶抑制剂可增强或减弱自身的转化导致效应强弱变化。,酶诱导和酶抑制,长期应用苯巴比妥(barbiphenyl)后出现的耐受性(tolerance)与酶诱导作用(induction)使血浓度降低有关。当合用药物时酶诱导剂可使合用药物的效应减弱，而酶抑制剂可使合用药物效应增强。其临床意义在于CYP酶活性改变引起药物代谢动力学的改变，导致血浓度和药物效应的改变，也因代谢减少或毒性代谢物生成增多而增加药物毒性，以及导致其他药物间的相互作用。,Michaelos-Meuten动力学,细胞色素P450同工酶催化反应遵循Michaelos-Meuten动力学，药物在临床常用剂量下酶促反应极快，只有极个别药物（如阿司匹林(aspirin)、苯妥英）在用量很大时会出现酶代谢饱和现象。,肝脏转化速率（提取率）,药物在肝脏转化时首先是药物随血流经过肝脏时被提取进入肝细胞，在酶的催化下发生转化。当药物的经过肝脏时转化速率非常高（如提取率0.7）时，其代谢快慢依赖于肝血流量的大小而改变，称为肝血流依赖性药物(hepaticbloodflowdependentdrug)，它们的首过消除现象明显。反之，当药物的经过肝脏时转化速率较低(如提取率24h；肝肾功能不良者，如影响到药物消除速率常数Ke值变小，药物的t1/2将相应延长，此时应依据患者肝肾功能调整用药剂量或给药间隔。,零级速率,根据零级速率公式(2)：积分得：当Ct=C0/2时，t1/2(12)因此按零级速率消除的药物，t1/2不是固定值，可随药物浓度的变化而改变。,（四）生物利用度,生物利用度(bioavailability，F)是指药物经血管外(extravascular,ev)给药后能被吸收进入体循环的百分数。因为时量曲线下面积（AUC）与药物吸收的总量成正比，因此用血管外给药的AUC(ev)与静脉给药的AUC(iv)的比值的百分数表示绝对生物利用度。而相对生物利用度以相同给药途径比较测试药物AUC(test)与标准药物AUC(standard)比值的百分数，可用于评价不同厂家同一种制剂或同一厂家的不同批号药品间的吸收率，如吸收率差异较大将导致血药浓度及药物效应的改变。,四、生物利用度bioavailability,F为血管外给药时，制剂中药物被吸收进入体循环的程度（相对量）和速度。(1)生物利用度的程度:血管外给药时A=FD绝对生物利用度:相对生物利用度:,Fig.3-10,Fig.3-10Thetheoreticalplasmaconcentrationsresultingoveraperiodoftimeaftertheoraladimistrationofthreedifferentformulationsofthesamedoseofthesamedrug.EachdrughasadifferentspeedofabsorptionbuthasthesameAUC.,生物利用度的速度,但是利用上述公式计算生物利用度时在理论上有一定的局限性，因为它未能反映生物利用度的速率因素。有些药物的不同制剂即使其曲线下面积（AUC）相等，但曲线形状不同，表现为峰浓度(peakconentration,Cmax)及达峰时间(peaktime,Tmax)不同，这些差异主要是由于药物的吸收速率不同造成的，它足以影响疗效，甚至产生毒性，见图3-10。,bioavailability,Theterm“bioavailability”isusedtodescribethefractionalextenttowhichadoseofadruggivenorallyreachesthesystemiccirculation.However,whenabsorbeddrugspassthroughtheliver,significantmetabolismandbiliaryexcretionmayoccurbeforethedrugsreachthebloodcirculation.Thus,bioavailabilitymaybesubstantiallyreduced.Thisphenomenoniscalled“first-passeffect”.,五、一级速率消除与多次用药,临床治疗都是在规定疗程中，重复多次给药维持有效血药浓度来达到治疗目的的。按表3-2数据和图3-11，在恒量恒速重复多次给药5个t1/2后，给药量与消除量达到动态平衡，体内药物累积量可基本达到稳态浓度(steadystateconcentration，Css)，血药浓度不再升高，曲线趋向平稳故Css也称为坪值(plateau)。在达到Css时，血药浓度随着给药途径不同可有程度不同的波动幅度，其最高