阿米卡星在老年腎功能不全患者中生理藥動(dòng)學(xué)模型的建立與應(yīng)用 Δ

李喬希 ，管宴萍 ，夏 晨 ，吳莉莉 ，王 妍 （.佛山市第一人民醫(yī)院藥學(xué)部，廣東 佛山 58000；.中山大學(xué)藥學(xué)院臨床藥理研究所，廣州 50030）

阿米卡星是一種氨基糖苷類抗菌藥物，在臨床上被廣泛用于治療由革蘭氏陰性病原菌引起的細(xì)菌感染，對銅綠假單胞菌等常見多藥耐藥菌也有較好的抗菌效果[1]。阿米卡星作為一種濃度依賴性抗菌藥物，其體內(nèi)抗菌效果取決于藥動(dòng)學(xué)-藥效學(xué)指標(biāo)，即血藥峰濃度（cmax）與最小抑菌濃度（MIC）之比[2]。腎毒性是阿米卡星最常見的嚴(yán)重不良反應(yīng)之一，這與其在腎小管中出現(xiàn)飽和性蓄積有關(guān)[3]，通常認(rèn)為穩(wěn)態(tài)谷濃度＜4 μg/mL有利于降低其腎毒性的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)[2]。因此，每日1次的給藥方案有助于增強(qiáng)阿米卡星的抗菌效果，減少腎毒性的發(fā)生[4]。

阿米卡星的體內(nèi)藥動(dòng)學(xué)過程具有較大的個(gè)體間差異，易受患者年齡、體重、腎功能水平等多種因素影響[1]，同時(shí)由于阿米卡星的治療窗較窄且不良反應(yīng)較嚴(yán)重，所以開展精準(zhǔn)用藥以保證其臨床療效和避免毒性反應(yīng)發(fā)生就顯得非常重要。阿米卡星在體內(nèi)主要經(jīng)腎排泄，腎功能水平是影響阿米卡星體內(nèi)暴露的最主要因素，因此根據(jù)血肌酐水平調(diào)整阿米卡星給藥方案較為常見。老年人因身體機(jī)能衰退和免疫功能低下，是住院患者中抗菌藥物使用最廣泛的特殊人群之一。由于受衰老和基礎(chǔ)疾病等因素影響，老年人的解剖學(xué)和生理學(xué)特征與中青年人存在一定差異，因此有必要根據(jù)藥物在老年患者體內(nèi)的藥動(dòng)學(xué)過程來調(diào)整給藥方案[5]。

生理藥動(dòng)學(xué)（physiologically-based pharmacokinetic，PBPK）模型是一種以人體的解剖學(xué)和生理學(xué)特征為基礎(chǔ)，結(jié)合藥物的理化性質(zhì)和生物化學(xué)過程建立的一種用于描述和模擬藥物體內(nèi)藥動(dòng)學(xué)過程的數(shù)學(xué)模型[6]。近年來，PBPK 模型已被廣泛用于藥物研發(fā)和臨床應(yīng)用的各個(gè)領(lǐng)域，特別是預(yù)測藥物在特殊人群體內(nèi)的藥動(dòng)學(xué)過程方面。采用PBPK 模型模擬的方法，根據(jù)已有臨床研究數(shù)據(jù)，對部分關(guān)鍵解剖學(xué)和生理學(xué)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，能預(yù)測未報(bào)道的特殊人群用藥后的體內(nèi)暴露情況[6]，可為臨床精準(zhǔn)用藥提供有效信息和安全保障?；诖?，本研究建立了阿米卡星在老年腎功能不全患者體內(nèi)的PBPK模型，估算其暴露情況，從有效性和安全性兩方面對模擬的給藥方案進(jìn)行評價(jià)，旨在為阿米卡星在老年腎功能不全患者中的臨床合理用藥提供參考。

1 材料

1.1 軟件工具

使用PK-SIM?軟件（version 11，Bayer Technology Services）實(shí)現(xiàn)PBPK 模型的構(gòu)建、擬合和模擬。使用Graph Grabber 軟件（version 2.0.2，Steven Benbow）獲取已發(fā)表文獻(xiàn)中的藥時(shí)曲線等數(shù)據(jù)。使用PkanalixTM軟件（version 2021R2，Lixoft）的非房室模型功能計(jì)算文獻(xiàn)數(shù)據(jù)或模擬數(shù)據(jù)的藥動(dòng)學(xué)參數(shù)。使用R語言軟件（version 4.1.2）及相關(guān)軟件包實(shí)現(xiàn)圖像的制作、編輯及用單因素方差分析結(jié)合事后檢驗(yàn)進(jìn)行多組數(shù)據(jù)間的統(tǒng)計(jì)比較。

1.2 資料來源

檢索DrugBank數(shù)據(jù)庫以獲取阿米卡星的理化性質(zhì)參數(shù)。以“阿米卡星”“藥動(dòng)學(xué)”“老年”“腎功能不全”“amikacin”“pharmacokinetic”“elderly”“renal impairment”為中英文關(guān)鍵詞，檢索PubMed、Google scholar、Web of Science、中國知網(wǎng)等學(xué)術(shù)引擎，獲取成人體內(nèi)藥動(dòng)學(xué)特性參數(shù)以及模型驗(yàn)證所需的臨床藥動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)。排除人口學(xué)資料欠缺、給藥方案模糊、藥時(shí)曲線缺失、給藥方案重復(fù)的研究，將收集到并應(yīng)用于模型建立和驗(yàn)證的臨床藥動(dòng)學(xué)研究整理匯總（表1）。

表1 阿米卡星PBPK模型建立與驗(yàn)證中使用的臨床藥動(dòng)學(xué)研究

2 方法

2.1 PBPK模型研究流程

首先，輸入阿米卡星理化性質(zhì)參數(shù)（如脂水分配系數(shù)）和體內(nèi)藥動(dòng)學(xué)特性參數(shù)（如腎小球?yàn)V過比例），建立靜脈輸注阿米卡星在成人體內(nèi)的PBPK模型并根據(jù)臨床研究數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。其次，固定理化性質(zhì)參數(shù)和藥動(dòng)學(xué)特性參數(shù)設(shè)置，將成人模型外推至老年腎功能正常和腎功能不全患者。將模擬得到的數(shù)據(jù)與真實(shí)臨床研究數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，對模型預(yù)測性能進(jìn)行驗(yàn)證。最后，使用最終模型模擬老年不同程度腎功能不全患者靜脈輸注阿米卡星臨床常用劑量后的血藥濃度數(shù)據(jù)，對安全性和有效性進(jìn)行評估。

2.2 成人PBPK模型建立與驗(yàn)證

根據(jù)查詢資料所得的理化性質(zhì)參數(shù)和藥動(dòng)學(xué)特性參數(shù)初始值（表2），建立阿米卡星的“化合物”模塊。使用PK-SIM?軟件內(nèi)置的成人模型描述阿米卡星在成人體內(nèi)的分布情況，該模型包含18 個(gè)組織器官形成的隔室，隔室之間由動(dòng)靜脈血液循環(huán)連接，組織分配系數(shù)和細(xì)胞膜滲透性使用默認(rèn)的“PK-SIM standard”算法計(jì)算。由于阿米卡星在健康人體內(nèi)主要經(jīng)腎小球?yàn)V過消除，剩余約10%通過非腎途徑消除[7]，故使用腎小球?yàn)V過模型（公式1）和非腎的全身清除模型組合描述阿米卡星的體內(nèi)消除過程（公式2）：

表2 阿米卡星PBPK模型建立中化合物相關(guān)參數(shù)

其中，GFR為腎小球?yàn)V過率；fu為血漿中游離型藥物比例；fGFR為腎小球?yàn)V過比例，該值用以量化藥物在腎小管重吸收或主動(dòng)分泌對濾過性清除的影響；CLrenal為腎清除率；CLnon-renal為非腎清除率；CLtotal為總清除率。

在“人口模型構(gòu)建”模塊中輸入表1中成人藥動(dòng)學(xué)研究的人口學(xué)資料信息，建立成人個(gè)體和群體模型。根據(jù)成人藥動(dòng)學(xué)研究的給藥方案，模擬生成血藥濃度數(shù)據(jù)，并對表2中的部分參數(shù)進(jìn)行擬合優(yōu)化，得到阿米卡星在成人體內(nèi)的PBPK模型。

將模擬給藥個(gè)體模型的血藥濃度預(yù)測值（Cpre）與觀測值（Cobs）進(jìn)行比較，生成擬合優(yōu)度圖，Cpre與Cobs誤差應(yīng)在2 倍范圍以內(nèi)[19]。按公式3 計(jì)算相對殘差，以評估模型的準(zhǔn)確性，若相對殘差絕對值＜30%，說明模型預(yù)測準(zhǔn)確性較好[20]。同時(shí)，比較各模擬場合下藥動(dòng)學(xué)參數(shù)的預(yù)測值（Ppre）與觀測值（Pobs）的一致性，按公式4計(jì)算平均折疊誤差（mean fold error，MFE），以評估模型的預(yù)測性能，若0.5＜MFE＜2，則說明模型預(yù)測性能良好[21]。

2.3 老年患者模型的外推與驗(yàn)證

通過PK-SIM?軟件中內(nèi)置的年齡相關(guān)性算法調(diào)整解剖學(xué)和生理學(xué)參數(shù)，輸入表1中老年患者藥動(dòng)學(xué)研究的人口學(xué)資料信息，建立老年患者個(gè)體和群體模型。隨后，輸入優(yōu)化后的成人模型化合物相關(guān)參數(shù)，外推生成阿米卡星在老年患者體內(nèi)的PBPK 模型，使用老年腎功能正常患者[13]、老年腎功能不全患者[15]及重癥監(jiān)護(hù)室（ICU）老年患者[14]的臨床藥動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行驗(yàn)證。

2.4 老年腎功能不全患者給藥方案評價(jià)

將“人口模型構(gòu)建”模塊中的疾病狀態(tài)由“健康”更改為“慢性腎?。╟hronic kidney disease，CKD）”，GFR 范圍設(shè)置為60～89（CKD2 期）、45～59（CKD3a期）、30～44（CKD3b 期）、15～29（CKD4 期），單位為mL/（min·1.73 m2），建立老年輕度至重度腎功能不全患者群體模型（年齡65～85歲，數(shù)量200人，男女各50%）。模擬靜脈輸注阿米卡星治療革蘭氏陰性菌感染情況下患者的穩(wěn)態(tài)血藥濃度。給藥劑量為5、7.5、10、15、20 mg/kg，給藥間隔為24、36、48 h，輸注時(shí)間為30 min。對給藥后60 min的cmax和下一次給藥前的谷濃度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析[2]。以cmax/MIC≥8作為抗菌效果的藥效指標(biāo)，穩(wěn)態(tài)谷濃度＜4 μg/mL 作為避免腎毒性風(fēng)險(xiǎn)的安全指標(biāo)[1—2]。計(jì)算各模擬場合下的目標(biāo)達(dá)成率（probability of target attainment，PTA），預(yù)期目標(biāo)為PTA≥90%。

3 結(jié)果

3.1 阿米卡星成人PBPK模型

根據(jù)一項(xiàng)成人的臨床藥動(dòng)學(xué)研究[7]建立個(gè)體模型，并利用靜脈輸注阿米卡星后的藥時(shí)曲線和尿藥排泄數(shù)據(jù)，對脂水分配系數(shù)、fGFR、CLnon-renal進(jìn)行擬合優(yōu)化，優(yōu)化后的參數(shù)值見表2，擬合的藥時(shí)曲線見圖1。由圖1 可知，建立的阿米卡星成人PBPK模型可較好地對觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，且能較準(zhǔn)確地描述阿米卡星在成人體內(nèi)的藥動(dòng)學(xué)過程。本次擬合中cmax和從0 到無窮大時(shí)間的藥時(shí)曲線下面積（area under the concentration-time curve within infinite time，AUC0-∞）的MFE分別為0.83和0.92。

圖1 單次靜脈輸注7.5 mg/kg 阿米卡星后藥時(shí)曲線和尿藥排泄率的預(yù)測值與觀測值

隨后，根據(jù)6 項(xiàng)成人臨床藥動(dòng)學(xué)研究中的數(shù)據(jù)[8—12]，分別建立對應(yīng)的個(gè)體和群體模型，通過外部數(shù)據(jù)驗(yàn)證的方式對模型預(yù)測性能進(jìn)行評估。結(jié)果顯示，56個(gè)觀測值中位于預(yù)測值90%置信區(qū)間的比例＞80%（圖2）；約95%的預(yù)測值位于觀測值2 倍誤差范圍內(nèi)（圖3A）；僅6個(gè)濃度點(diǎn)相對殘差超過±50%，位于±30%區(qū)間的濃度點(diǎn)比例＞80%，相對殘差絕對值均數(shù)為25%（圖3B）。所有參數(shù)的MFE 均在＞0.5～＜2 范圍內(nèi)（表3）。以上結(jié)果說明，模型具有較好的預(yù)測性能，可以較準(zhǔn)確地預(yù)測不同給藥方案下阿米卡星的血藥濃度數(shù)據(jù)。

圖2 成人靜脈輸注不同劑量阿米卡星后藥時(shí)曲線觀測值、預(yù)測值及預(yù)測值的90%置信區(qū)間

圖3 成人PBPK模型驗(yàn)證中的擬合優(yōu)度和相對殘差

表3 PBPK模型驗(yàn)證中的藥動(dòng)學(xué)參數(shù)預(yù)測值與觀測值

3.2 阿米卡星老年患者PBPK模型

在驗(yàn)證的成人PBPK 模型基礎(chǔ)上，通過軟件內(nèi)置的年齡算法對解剖學(xué)和生理學(xué)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，建立老年患者PBPK 模型并使用3 項(xiàng)老年患者臨床藥動(dòng)學(xué)研究[13—15]進(jìn)行驗(yàn)證（圖4）。3 項(xiàng)模擬中cmax和AUC0-∞預(yù)測值與觀測值比較的MFE 均在＞0.5～＜2 范圍內(nèi)（表3），說明模型外推至老年患者具有較好的適用性，能合理預(yù)測老年腎功能不全患者給藥后的體內(nèi)暴露。

圖4 老年腎功能不全患者靜脈輸注不同劑量阿米卡星后藥時(shí)曲線觀測值、預(yù)測值及預(yù)測值的90%置信區(qū)間

3.3 老年腎功能不全患者給藥方案評價(jià)

每日給予不同劑量阿米卡星達(dá)穩(wěn)態(tài)后，不同CKD分期老年患者的平均藥時(shí)曲線顯示，腎功能不全對穩(wěn)態(tài)谷濃度的影響明顯大于對cmax的影響。其中，當(dāng)阿米卡星為標(biāo)準(zhǔn)劑量（15 mg/kg）時(shí)，CKD4期患者相較于CKD2期患者的cmax比值為1.12（P＜0.000 1），穩(wěn)態(tài)谷濃度比值為21.05（P＜0.000 1）。結(jié)果見圖5。

圖5 老年不同程度腎功能不全患者靜脈輸注15 mg/kg阿米卡星后的平均藥時(shí)曲線

各模擬情況下，不同CKD 分期老年患者穩(wěn)態(tài)谷濃度＜4 μg/mL 的PTA 見表4。由表4 可知，CKD2、CKD3a、CKD3b 期老年患者給藥劑量為5～15 mg/kg時(shí)，可每24 h 給藥1 次；CKD4 期老年患者給藥劑量為7.5～15 mg/kg時(shí)，給藥間隔應(yīng)延長至36 h。當(dāng)使用超過說明書劑量（≥20 mg/kg）時(shí)，CKD3b期老年患者的給藥間隔需延長至36 h，CKD4期老年患者應(yīng)延長至48 h。

老年CKD 患者在不同模擬情況下，cmax/MIC≥8 的PTA見表5。以銅綠假單胞菌為例，對于MIC≤2 μg/mL的敏感菌，阿米卡星5 mg/kg每24 h給藥1次即可在所有人群中達(dá)到PTA≥90%。當(dāng)MIC 增至4 μg/mL 時(shí)，GFR＜45 mL/min 的患者可使用阿米卡星7.5 mg/kg，GFR≥45 mL/min的患者需使用10 mg/kg。當(dāng)MIC增至8 μg/mL 時(shí)，GFR＜45 mL/min 的患者可使用阿米卡星15 mg/kg，GFR≥45 mL/min 的患者需使用20 mg/kg（略超過說明書最大劑量）。當(dāng)MIC增至16 μg/mL時(shí)（接近折點(diǎn)），所有模擬場合均無法達(dá)成cmax/MIC≥8。

表5 阿米卡星各模擬情況下不同CKD 分期老年患者cmax/MIC≥8的PTA

綜合以上結(jié)果，在有藥敏試驗(yàn)結(jié)果作為依據(jù)時(shí)，推薦老年腎功能不全患者給藥方案見表6。

表6 根據(jù)藥敏試驗(yàn)結(jié)果推薦的老年腎功能不全患者阿米卡星的給藥方案

4 討論

約三分之二的老年人會(huì)出現(xiàn)不同程度的生理或病理性腎功能減退，這使得主要經(jīng)腎排泄的藥物在體內(nèi)消除延長，而部分藥物的腎毒性還可能使腎功能進(jìn)一步受損，例如阿米卡星等氨基糖苷類抗菌藥物。權(quán)衡利弊后，若老年患者必須使用阿米卡星，需在保證治療效果的同時(shí)避免腎毒性發(fā)生。PBPK模型與模擬技術(shù)的發(fā)展為特殊人群精準(zhǔn)用藥提供了新的思路和工具，可根據(jù)已有臨床研究數(shù)據(jù)對成人的藥動(dòng)學(xué)模型進(jìn)行合理外推，在未進(jìn)行研究或研究不充分的情況下獲得特殊人群給藥后的體內(nèi)暴露情況，為其給藥方案的制定提供了依據(jù)。

阿米卡星幾乎不與血漿蛋白結(jié)合，可在腎小球處被動(dòng)濾過，在腎小管處不發(fā)生主動(dòng)分泌，但存在一定的重吸收。盡管以原型經(jīng)腎排泄是阿米卡星的主要消除方式，但仍有一定比例通過非腎途徑從體內(nèi)消除[17]。該非腎消除機(jī)制尚不明確，但在老年腎功能不全患者中可觀察到非腎消除比例增加[15]。若按照說明書中推薦的根據(jù)血肌酐水平進(jìn)行劑量調(diào)整，將忽略非腎消除部分的影響，可能會(huì)低估腎功能不全患者的藥物清除速率，導(dǎo)致調(diào)整后的藥物體內(nèi)暴露不足。因此，本研究采用腎小球?yàn)V過模型與非腎的全身清除模型相結(jié)合來描述阿米卡星的消除過程，同時(shí)利用尿藥排泄數(shù)據(jù)對關(guān)鍵參數(shù)fGFR、CLnon-renal進(jìn)行優(yōu)化，較已發(fā)表的同類模型中采用固定清除率的方式更為合理[22]。本研究的不足之處在于，觀察到部分驗(yàn)證中存在低估cmax預(yù)測值的傾向，這或許與未知的體內(nèi)分布過程相關(guān)，有待進(jìn)一步探討。

本研究中，模擬的腎功能不全對阿米卡星穩(wěn)態(tài)谷濃度的影響較為顯著，而對cmax影響較小，這與以往研究結(jié)果相似[22]。在根據(jù)腎功能調(diào)整給藥方案時(shí)，需首要考慮避免藥物體內(nèi)蓄積引發(fā)腎毒性。本研究結(jié)果顯示，GFR＞45 mL/min 的老年腎功能不全患者，在各模擬給藥方案下，因谷濃度蓄積引起腎毒性的風(fēng)險(xiǎn)較低，與以往研究報(bào)道相似[23]。而對于CKD4 期老年患者，不削減每次給藥劑量，延長給藥間隔至36～48 h更有利于保持cmax/MIC≥8，且可避免谷濃度蓄積引起腎毒性的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)。老年人是ICU中的主要病患人群，受血管內(nèi)皮功能紊亂、腎功能減退和大量輸液等因素影響，ICU 老年患者常出現(xiàn)體液超載。阿米卡星cmax水平主要由表觀分布容積（Vd）決定，由于阿米卡星具有極強(qiáng)的親水性，ICU患者細(xì)胞外液增加可導(dǎo)致阿米卡星的Vd增加，引起cmax降低[24]。本研究在驗(yàn)證中同樣發(fā)現(xiàn)，ICU 老年患者的血藥濃度觀測值低于對應(yīng)的模擬預(yù)測值[14]，預(yù)測值為觀測值的1.29倍（表3）。一項(xiàng)針對阿米卡星在危重癥患者中的藥動(dòng)學(xué)研究發(fā)現(xiàn)[25]，即便在25 mg/kg 的高劑量下，仍有25%～33%的患者未能達(dá)到cmax/MIC≥8（cmax＞60～64 μg/mL）。近年來，國際上關(guān)于阿米卡星中高劑量用于ICU患者和老年患者的報(bào)道不斷增加[26]。出于對腎毒性的擔(dān)憂，高于15 mg/kg 的給藥方案在國內(nèi)應(yīng)用較少[27]。本研究前期對阿米卡星20～30 mg/kg 劑量范圍進(jìn)行了模擬。從安全性角度考慮，在應(yīng)用阿米卡星超說明書劑量時(shí)，CKD3b 期患者可將給藥間隔至少延長至36 h，CKD4 期患者至少延長至48 h。從有效性角度考慮，當(dāng)ICU老年患者必須使用阿米卡星時(shí)，為避免Vd增加導(dǎo)致的暴露不足風(fēng)險(xiǎn)，本研究建議在表6推薦劑量的基礎(chǔ)上加量25%～50%，以確保cmax/MIC≥8，然后再根據(jù)血藥濃度監(jiān)測進(jìn)行個(gè)體化調(diào)整[26]。

綜上，本研究較為完整地建立并驗(yàn)證了阿米卡星在老年腎功能不全患者中的PBPK 模型，可為經(jīng)腎排泄藥物PBPK模型的研究和應(yīng)用提供思路。建立的PBPK模型經(jīng)臨床藥動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)驗(yàn)證，通過合理外推后實(shí)現(xiàn)了在老年腎功能不全患者體內(nèi)的暴露情況模擬，并從有效性和安全性兩方面對臨床常見給藥方案進(jìn)行了評估和推薦，能夠?yàn)榘⒚卓ㄐ窃诶夏昴I功能不全患者中的合理用藥提供參考。