生理藥代動力學(xué)軟件模擬技術(shù)在藥物研發(fā)和評價中的應(yīng)用

王迪，張娟，李睿，李攀

(1.江蘇省食品藥品監(jiān)督檢驗(yàn)研究院，江蘇 南京 210019；2.山東省食品藥品檢驗(yàn)研究院，山東 濟(jì)南 250101；3.中山大學(xué)藥學(xué)院，廣東 廣州 510006)

新藥研發(fā)過程中藥物對人體的安全性和有效性是考慮其成藥性的重要因素，因此藥物在人體內(nèi)的藥代動力學(xué)(pharmacokinetic,PK)行為被日益關(guān)注，這要求研發(fā)者對藥物在機(jī)體內(nèi)的PK行為有更深入透徹的研究。生理藥代動力學(xué)(PBPK)模型可以通過藥物的理化性質(zhì)和體外試驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)模擬藥物在各種組織以及血液中的經(jīng)時變化過程。此外,還能將藥物在動物體內(nèi)的PK行為，通過種屬間外推，預(yù)測人體PK。因此，利用基于PBPK模型的計(jì)算機(jī)軟件模擬技術(shù)，預(yù)測藥物在動物甚至是人體內(nèi)的PK行為成為藥物藥代動力學(xué)研究的一種途徑。

最早的PBPK模型由瑞典生理學(xué)家和生物物理學(xué)家Teorell開發(fā)，是一個由5個房室構(gòu)成，用以表征循環(huán)系統(tǒng)、藥物處置、液體體積、腎臟消除和組織失活的模型[1]。傳統(tǒng)的房室模型僅描述了藥物自身動力學(xué)變化的相關(guān)參數(shù)，PBPK模型考慮了影響藥物吸收、分布和消除等過程因素，描述藥物在各組織及器官中的暴露量及其經(jīng)時變化過程[2]。因此，PBPK模型允許早期預(yù)測局部器官組織濃度，這可以與藥效學(xué)模型相關(guān)聯(lián)，評估任何特定組織的反應(yīng)。此外，在PBPK模型中，所需參數(shù)是從體外實(shí)驗(yàn)和生理學(xué)實(shí)驗(yàn)確定的，因此可以在動物體內(nèi)測試之前提供人類和動物血漿藥時曲線的預(yù)測值。在藥物開發(fā)過程中建立臨床前模型準(zhǔn)確評估不同處方的PK可大大縮短研發(fā)時間，提高人體PK預(yù)測的可信度，同時為臨床安全用藥提供參考依據(jù)。

1 基于PBPK模型的計(jì)算機(jī)軟件模擬技術(shù)功能模塊

PBPK模型由不同的功能模塊組成，組合連接不同的模塊可以實(shí)現(xiàn)不同的功能，現(xiàn)對PBPK模型的常用模塊做簡要介紹。

1.1 基礎(chǔ)模塊 基礎(chǔ)模塊一般包括PK模塊，參數(shù)敏感性分析模塊，優(yōu)化模塊等。PK模塊可以預(yù)測藥物理化性質(zhì)以及在健康和疾病狀態(tài)下的各種給藥途徑的藥物暴露。參數(shù)敏感性分析模塊可以對藥物的敏感參數(shù)進(jìn)行分析，有利于研究其在體內(nèi)的藥代動力學(xué)行為。已有研究者通過該分析模塊研究發(fā)現(xiàn)溶解度、粒徑、胃排空速率和表觀滲透系數(shù)影響藥物在人體中的PK[3-7]。優(yōu)化模塊可以對模型進(jìn)行優(yōu)化。PK模塊還可以模擬機(jī)體胃腸道中的生理環(huán)境，預(yù)測藥物在胃腸道各部位的吸收情況及程度[8]。有報道利用PBPK模型準(zhǔn)確預(yù)測出利培酮及格列齊特的主要吸收部位均為十二指腸和空腸，吸收程度分別為82.2%及69.9%(見圖1)[9-10]。

圖1 GastroPlusTM預(yù)測利培酮和格列齊特在胃腸道各部分的吸收

1.2 群體PK模擬模塊 群體PK模擬和虛擬生物等效性(bioequivalence,BE)試驗(yàn)，為藥物生物等效性研究提供新思路[11-12]。群體PK模擬是通過設(shè)置研究對象的個數(shù)，性別，年齡，身高，種族，健康狀態(tài)等群體參數(shù)，通過軟件隨機(jī)產(chǎn)生一定數(shù)量的虛擬人群，模擬藥物在這些人群中的藥代動力學(xué)。群體PK模擬可以考察藥物在個體間的變異情況，結(jié)合虛擬交叉試驗(yàn)，可以進(jìn)行仿制藥與參比制劑的虛擬BE研究，這對目前仿制藥一致性評價以及BE豁免具有參考意義。

1.3 藥物的體內(nèi)外相關(guān)性研究模塊 體內(nèi)外相關(guān)性(invitro-invivocorrelation,IVIVC)模塊可以通過體外與體內(nèi)的相關(guān)參數(shù)的輸入進(jìn)行IVIVC研究。IVIVC是利用計(jì)算機(jī)軟件描述藥物的體外特征與體內(nèi)行為的一種數(shù)學(xué)模型[13]。通過卷積和去卷積方法將藥物制劑的體外特性與其體內(nèi)行為相關(guān)聯(lián)，闡明影響藥物制劑口服吸收的決定因素，對藥物的非臨床研究、質(zhì)量控制、安全風(fēng)險評估及生物豁免具有重要的意義。

2 PBPK常用軟件簡介

雖然PBPK模型作為預(yù)測和機(jī)制性的藥代動力學(xué)分析工具廣泛用于藥物研究的各階段，然而，不同商業(yè)化的PBPK模型的結(jié)構(gòu)存在很大差異。目前，用于PK參數(shù)模擬、預(yù)測及相關(guān)應(yīng)用的PBPK軟件主要包括3種，分別是：德國拜爾公司的PK-Sim?、美國Certara公司的Simcyp?Simulator和美國Simulations Plus公司的GastroPlusTM。上述軟件與諾華、羅氏及輝瑞等全球Top10制藥企業(yè)及FDA、EMA、日本厚生省及NMPA等藥物監(jiān)管部門均有相關(guān)合作，并得到認(rèn)可。此外，還有一些軟件如MATLAB?和STELLA?，以及一些公司利用商用PBPK模型，根據(jù)研發(fā)的特定需求量身定制的模型。

2.1 GastroPlusTMGastroPlusTM是第一個基于PBPK模型整體描述藥物在胃腸道(GI)PK過程的商業(yè)軟件[14]。GastroPlusTM內(nèi)置了獨(dú)有的高級房室吸收與轉(zhuǎn)運(yùn)模型(advanced compartmental absorption and transit model,ACAT)[15]，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，該模型是在密西根大學(xué)Amidon教授和FDA藥品審評中心Yu博士共同開發(fā)的CAT模型上進(jìn)一步優(yōu)化而來[16]。它按生理學(xué)特征將胃腸道分為9個房室，考慮了藥物在胃腸道中的6種狀態(tài)，可模擬藥物活性成分(active pharmaceutical ingredient,API)及其制劑在動物及人體的藥動學(xué)過程。它的PBPK模型可以構(gòu)建比格犬、大鼠、小鼠及猴的整體生理藥動學(xué)模型，并可通過種屬間外推以模擬人體的藥代動力學(xué)行為。它的年齡相關(guān)群體生理參數(shù)估計(jì)(population estimates for age related physiology,PEAR)功能可估算不同年齡人群的生理參數(shù)，搭建人的生理處置模型。它的PKPlusTM模塊可以計(jì)算PK參數(shù)并擬合出最優(yōu)的房室模型。其內(nèi)置的IVIVCPlusTM模塊可以進(jìn)行IVIVC研究。除了傳統(tǒng)的IVIVC計(jì)算方法，GastroPlusTM還具有特有的機(jī)制性去卷積方法[14]。

圖2 高級房室吸收轉(zhuǎn)運(yùn)(ACAT)模型的結(jié)構(gòu)和特征

2.2 PK-Sim?PK-Sim?是一款基于生理藥代動力學(xué)(physiologically-based pharmacokinetic,PBPK)模型模擬藥物在體內(nèi)吸收、分布、代謝、排泄過程的軟件。它的集成數(shù)據(jù)庫包含了人以及實(shí)驗(yàn)室動物(小鼠、大鼠、小型豬、狗和猴)的所有解剖學(xué)和生理學(xué)參數(shù)。內(nèi)置的PBPK模型能夠整合各功能模塊快速有效的構(gòu)建模型并計(jì)算相關(guān)PK參數(shù)。如圖3所示(部分在圖中未展現(xiàn))，PK-Sim?將胃腸道分為胃；上、下十二指腸；上、下空腸；上、下回腸；盲腸上行、橫向、下行和乙狀結(jié)腸以及直腸等12個節(jié)段[17]。其模塊化架構(gòu)可以選擇不同組合的模塊以滿足藥物研發(fā)過程中的不同需求，其應(yīng)用涵蓋了藥物的臨床前研究以及臨床研究[18]。

圖3 PK-Sim?胃腸道吸收模型結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 Simcyp?Simulator Simcyp?Simulator軟件整合了多房室的胃腸道轉(zhuǎn)運(yùn)(advanced dissolution absorption and metabolism,ADAM)模型[14]，可以預(yù)測藥物在人、大鼠、小鼠以及犬體內(nèi)的藥代動力學(xué)行為，并分析其藥動學(xué)。該軟件還設(shè)有專門的兒童模塊，用以研究藥物在兒童體內(nèi)的藥代動力學(xué)行為。ADAM模型的結(jié)構(gòu)和特征如圖4所示，它將胃腸道分割為一個胃、七個小腸(1個十二指腸、2個空腸、4個回腸)和一個結(jié)腸房室，在每個房室內(nèi)，藥物可以同時存在未釋放、未溶解(固體顆粒)、溶解、過飽和和降解多種狀態(tài)。ADAM可以模擬在禁食和餐后狀態(tài)下胃腸道局部pH和膽酸鹽濃度。ADAM模型還可用于建立基于生理學(xué)(physiologically-based，PB)的體內(nèi)外相關(guān)性(invitro-invivocorrelation,IVIVC)模型(PB-IVIVC)，與傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)性去卷積方法建立的相關(guān)性不同，PB-IVIVC考慮了胃腸道轉(zhuǎn)運(yùn)、滲透、首過代謝等因素對藥物的影響[14]。

圖4 Simcyp?ADAM模型的結(jié)構(gòu)和特征

3 應(yīng)用

3.1 藥物早期研發(fā)和新制劑研究 新藥研發(fā)和藥物新劑型的研究往往伴隨著巨大的人力物力消耗，充分的藥物臨床前研究能更全面的認(rèn)識藥物在機(jī)體內(nèi)的PK過程，有效預(yù)防藥物因臨床表現(xiàn)不能達(dá)到預(yù)期而上市失敗。藥物代謝動力學(xué)模擬軟件為藥物的臨床前研究提供可靠的參考。Saxena等[19]通過PBPK模型研究大鼠體內(nèi)pH效應(yīng)，建立了體內(nèi)外相關(guān)性，并將這種相關(guān)性外推到在研新藥BMS-582949及其酯前藥BMS-751324，考察兩者pH依賴性吸收程度，預(yù)測結(jié)果見圖5，顯然隨著pH值增加，BMS-582949的暴露量明顯降低，說明其吸收明顯受到胃液pH值影響，而BMS-751324的吸收不具有明顯pH依賴性。Bloomer等[20]運(yùn)用PBPK模型考察了目前正處于臨床研究階段、用于治療慢性阻塞性肺病的藥物Danirixin(DNX，GSK1325756)游離堿(free base,FB)和各種鹽的成藥性，PBPK模型證實(shí)了在質(zhì)子泵抑制劑存在下DNX FB的DNX生物利用度降低(AUC下降為原來的42%，Cmax下降為原來的27%)，而DNX 氫溴酸鹽未觀察到PK暴露的等效降低，并且與DNX FB相比，DNX 氫溴酸鹽暴露增加(AUC增加了1.32倍，Cmax增加了1.44倍)。模擬結(jié)果與后續(xù)的臨床試驗(yàn)結(jié)果一致，DNX氫溴酸鹽降低了藥物暴露的變異性，并且暴露不受質(zhì)子泵抑制劑聯(lián)合用藥的影響。軟件模擬的結(jié)果為DNX氫溴酸鹽的臨床研究提供了支持。

圖5 BMS-582949及其酯前藥BMS-751324在不同胃腸道pH下的暴露量預(yù)測結(jié)果

3.2 仿制藥一致性評價 仿制藥質(zhì)量與療效一致性評價是當(dāng)前藥學(xué)研究的熱點(diǎn)。PBPK模型可以通過虛擬群體藥代動力學(xué)模擬和虛擬交叉試驗(yàn)快速高效的對仿制藥和參比制劑進(jìn)行虛擬生物等效性試驗(yàn)，評價仿制藥的性能。Ibarra等[21]通過PK-Sim?軟件以1 000名虛擬高加索人(50%男性，年齡在18至50歲之間，標(biāo)準(zhǔn)體重)模擬原研制劑和其兩種仿制制劑的單劑量給藥PK曲線，評估了烏拉圭市場上25 mg規(guī)格卡維地洛片仿制制劑與原研藥Dilatrend?的性能，體外釋放與原研藥存在差異的兩個仿制藥(兩個仿制藥產(chǎn)品與原研藥的f2因子均小于30)，虛擬BE的結(jié)果也顯示生物不等效[90%置信區(qū)間，Cmax(T/R)>125%]。6只實(shí)驗(yàn)比格犬BE試驗(yàn)結(jié)果顯示仿制制劑T1和T2的Cmax和AUC與原研藥相比在90%置信區(qū)間均超過80%～125%的范圍，Yang等[12]通過群體模擬試驗(yàn)評估了口服拉西地平制劑在比格犬體內(nèi)的生物等效性，24只比格犬虛擬BE結(jié)果顯示生物等效，說明隨著樣本量的增大，模擬的24只比格犬可以克服由6只實(shí)驗(yàn)比格犬個體間變異引起的生物不等效。

3.3 食物效性對藥物PK的影響 食物的作用可能影響藥物的吸收，會導(dǎo)致人體PK參數(shù)的升高或降低[22]，進(jìn)而影響藥物的有效性和安全性。因此，研究食物對藥物PK的影響具有重要的科學(xué)意義。然而，食物對藥物PK的影響機(jī)制比較復(fù)雜，食物帶來的生理變化和物理化學(xué)因素均會對藥物的吸收，分布，代謝和排泄產(chǎn)生影響[23]。早期使用BCS(biopharmaceutics classification system)、BDDCS(biopharmaceuticsdrug disposition classification system)分類系統(tǒng)和QSAR(quantitative structure-activity relationship)模型研究食物效應(yīng)對藥物PK的影響。然而，這種研究結(jié)果是定性而非定量的，且研究方法僅基于藥物性質(zhì)而未考慮制劑對藥物的影響。相比之下，PBPK模型可以考慮食物攝入后一系列的生理變化和相互作用，結(jié)合適當(dāng)?shù)捏w外藥物和制劑特定數(shù)據(jù)，對制劑特異性食物效性進(jìn)行定量預(yù)測[24]。已有報道成功地利用PBPK模型根據(jù)比格犬研究數(shù)據(jù)預(yù)測了人的食物效應(yīng)，預(yù)測結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果高度重合[25]。Patel等[24]使用PBPK模型預(yù)測評價了硝苯地平制劑的特異性食物效應(yīng)，考慮到受試者在空腹和餐后特定胃腸道區(qū)段中的局部條件(pH、膽酸鹽濃度、粒度等)，在PBPK模型中使用擴(kuò)散層模型將這種釋放藥物的溶解作為單獨(dú)的步驟處理。發(fā)現(xiàn)食物使硝苯地平吸收速率變慢，即Tmax增加，Cmax降低，但對吸收程度沒有顯著影響(吸收分?jǐn)?shù)AUC影響不大)。Henze等[26]利用PBPK模型研究了小型豬在甲氧氯普胺給藥后不同食物類型對其胃排空速率的影響。

3.4 藥物相互作用(drug-drug interactions，DDI) 全面研究藥物間的相互作用，可深入了解藥物的性質(zhì)并指導(dǎo)臨床用藥安全。藥物代謝酶和/或轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(轉(zhuǎn)運(yùn)體)介導(dǎo)的藥物-藥物相互作用會對藥物的代謝特征產(chǎn)生明顯的影響。Qi等[28]建立PBPK模型，研究了伏立康唑與質(zhì)子泵抑制劑(proton pump inhibitors，PPIs)(奧美拉唑，艾美拉唑，蘭索拉唑和雷貝拉唑)之間的DDI，預(yù)測的藥時曲線在健康受試者中得到驗(yàn)證，模擬結(jié)果表明，當(dāng)分別與奧美拉唑，艾美拉唑，蘭索拉唑和雷貝拉唑合并用藥時，伏立康唑的(AUC0～t)分別增加了39%、18%、12%和1%。奧美拉唑是最有效的CYP2C19抑制劑，而雷貝拉唑?qū)Ψ⒖颠驔]有影響(對伏立康唑暴露的影響程度順序?yàn)椋簥W美拉唑>艾美拉唑>蘭索拉唑>雷貝拉唑)。然而，考慮到治療濃度范圍，無論共同使用哪種PPI，都不需要調(diào)整伏立康唑的劑量。這一結(jié)果顯示出PBPK軟件在預(yù)測多劑量PPI與伏立康唑聯(lián)合給藥DDI的潛力。Jamei等[29]利用PBPK模型考察了心臟移植患者體內(nèi)OATP抑制劑環(huán)孢素對瑞舒伐他汀暴露的影響，與對照值相比，AUC和Cmax值分別在移植受者中增加了7.1倍和10.6倍。

3.5 兒科藥物研發(fā) 兒童和成人不同的生理和解剖學(xué)特征可能會影響藥物的PK行為。因此，成人的藥物臨床研究不能直接轉(zhuǎn)移到兒童，需要對用藥劑量、間隔及處方等做進(jìn)一步的研究，以保證臨床用藥安全。PBPK模型可模擬藥物在兒童體內(nèi)的PK行為，為兒童臨床用藥提供依據(jù)。表1列舉了近幾年來不同藥代動力學(xué)軟件在兒科用藥評價中的應(yīng)用。

表1 藥代動力學(xué)模擬軟件在兒科用藥中的應(yīng)用

Simcyp?和PK-Sim?允許將吸收房室定義為肺部，來預(yù)測肺部給藥的PK。Stass等[39]使用PK-SIM對健康志愿者中獲得的PK數(shù)據(jù)進(jìn)行去卷積，獲得了吸入環(huán)丙沙星在氣管、支氣管和肺泡間質(zhì)中藥物沉積對全身暴露的相對貢獻(xiàn)。Gauhua等[40]使用嵌入在Simcyp?PBPK模型中的多房室肺模型研究了抗結(jié)核藥物的肺部和全身藥代動力學(xué)。

4 結(jié)語與展望

目前，PBPK模型已應(yīng)用于藥物早期研發(fā)和新制劑研究、食物效性、DDI、兒童藥物研究、吸入制劑開發(fā)以及仿制藥一致性評價等多方面，特別在仿制藥質(zhì)量與療效一致性評價工作中表現(xiàn)突出。群體PK模擬、虛擬BE試驗(yàn)減少了試驗(yàn)動物的使用，降低了臨床試驗(yàn)的風(fēng)險，加快了仿制藥研究的進(jìn)程。幾款PBPK軟件各有所長，其中GastroPlusTM應(yīng)用最為廣泛，除可研究普通給藥途徑的藥物外，在肺部給藥研究中也表現(xiàn)良好。Simcyp?在兒童給藥研究中應(yīng)用廣泛?？傊琍BPK模型的發(fā)展為藥物的深入研究提供了新的思路和方法，解決了一系列運(yùn)用傳統(tǒng)方法難以解決的問題?；赑BPK模型的藥物代謝動力學(xué)模擬軟件能夠快速了解API性質(zhì)和生物利用度，已成為預(yù)測藥物體內(nèi)特征的有力工具[6]。然而，軟件模擬也存在一定的不足，模擬軟件對藥物的預(yù)測有一定的局限性，例如，GastroPlusTM軟件只能預(yù)測藥物分子，不能對其鹽及立體異構(gòu)體進(jìn)行藥代動力學(xué)預(yù)測。此外，模型的建立需要藥物大量的參數(shù)的輸入,為評估所建模型的準(zhǔn)確性，需對模型進(jìn)行進(jìn)一步的驗(yàn)證和優(yōu)化，模型的優(yōu)化需要研究者了解藥物性質(zhì)參數(shù)對藥物體內(nèi)PK的影響。再者，對于模型的準(zhǔn)確性評估目前尚無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，有文獻(xiàn)以軟件模擬的預(yù)測值在試驗(yàn)觀測值的兩倍以內(nèi)作為模型的可接受標(biāo)準(zhǔn)[28]，另有文獻(xiàn)以預(yù)測誤差(prediction error,%PE)作為其評估標(biāo)準(zhǔn)[41]。該類軟件還需進(jìn)一步完善和發(fā)展。總之，PBPK軟件模擬技術(shù)與藥學(xué)等相關(guān)學(xué)科有力結(jié)合，必將為新藥研發(fā)做出突出的貢獻(xiàn)。