生理藥代動力學模型在天然藥物藥動學研究中的應用＊

姚 莉，李思澤，李 敏，丁 寧，相小強

（復旦大學藥學院 上海 201203）

天然藥物，尤其是植物藥目前在國內外的臨床治療和健康保健領域都有廣泛的應用。另外，從中草藥等天然植物中提取有效成分，明確其化學結構和藥理作用，篩選得到有潛力的藥物，也是新藥研發的重要方向之一。對天然植物成分開展藥動學研究是這些藥物臨床合理使用和進一步開發的關鍵步驟。生理藥代動力學模型近些年逐漸完善并應用于化學藥物的研發，FDA 已有通過生理藥代動力學模型模擬藥物數據進行新藥申報的案例。對于天然藥物的研發，生理藥代動力學模型可以彌補傳統研究方法的不足，在推測靶器官藥物濃度、種屬間外推等多個方面具有獨特優勢，對加快天然藥物研發進程，降低研發成本具有一定的意義。因此本文總結了生理藥代動力學模型在天然藥物研發中的應用情況，以期促進對生理藥代動力學模型的認識，為天然藥物活性成分的臨床前研究開發和臨床使用提供新工具和思路。

1 生理藥代動力學模型概述

生理藥代動力學（Physiologically based pharmacoki?netic，PBPK）模型是一種基于解剖學生理數據和藥物理化性質，模擬藥物在體內各組織器官吸收、分布、代謝、消除過程的數學模型[1-3]。PBPK 模型的優勢在于使用數學模型模擬藥物在體內的變化過程，可以代替部分動物實驗或臨床試驗[4]。PBPK 模型由機體系統模塊和藥物特性模塊構成。機體系統模塊整合了人體或其他種屬的生理病理情況，包括血液灌注速率、組織器官容積等[5]；藥物特性模塊則包括了藥物的理化性質和體外的吸收、分布和代謝參數，例如酶代謝的固有清除率、血漿蛋白結合率和膜通透性等[5,6]。PBPK 模型將兩個模塊描述并結合起來，采用“自下而上”的方法，即根據系統參數和藥物的體外數據參數，預測藥物在體內暴露量動態變化過程[7,8]。PBPK 模型首先依據機體的解剖生理學特征建立多房室模型的主體框架。假設藥物在特定組織或器官內平均分布，用一個室代表一個組織器官或者器官組織的一部分，并將房室按特定順序鏈接（圖1）。依據質量平衡微分方程，描述每個房室內藥物的流入和流出，再用計算機程序執行計算過程。通過計算機模擬，PBPK 模型可以提供藥物及其代謝產物在血漿及特定組織器官的時間-濃度曲線，在預測生物利用度和了解體內藥物代謝動力過程方面有巨大優勢。

圖1 生理藥代動力學模型示意圖

目前PBPK 模型已經被廣泛應用于小分子化學藥物的研究中，包括藥物的研發、臨床試驗和上市后監管階段。FDA 自上個世紀90 年代就開始推薦使用建模手段代替動物實驗和人體試驗，其中就包括PBPK模型這種有效的建模技術。但是在中國，PBPK 模型還沒有被廣泛推廣，尤其是包括中草藥在內的天然藥物的研究很少使用PBPK建模的方法[9]。

2 天然藥物成分藥物代謝動力學研究的概況和不足

天然藥物是指來源于自然界動植物和微生物，經現代醫藥理論指導，對人體有一定藥理活性的天然產物及制劑。由植物提取物制備的膠囊劑、片劑、注射劑、搽劑、乳膏劑等在臨床上有廣泛應用。隨著中藥資源和植物藥的開發利用，尤其是青蒿素大獲成功后，天然植物內在成分的研究已經成為全球新藥研發的一個重要方向。得力于分析技術的發展，檢測儀器的高靈敏度、高精確度使植物中微量活性成分的含量測定成為可能，極大促進了天然藥物的開發研究。近幾十年天然藥物的藥代學研究主要集中在中草藥主要活性成分藥代動力學研究、天然藥物與常用化學藥物的相互作用以及藥物代謝酶對天然藥物活性成分的影響等領域[10-16]。

目前天然藥物藥代動力學的研究大部分是采用健康動物或疾病動物模型，模擬藥物的體內藥代學特征。也有部分研究直接測量人體血藥濃度，獲得血藥濃度經時變化曲線。以雷公藤甲素為例，郭舜民等[17]發現雷公藤甲素在大鼠體內表現出非線性消除特征，李穎等[18]進行了類風濕關節炎患者體內雷公藤甲素的血清含量測定。這類研究均能各自構建出中藥活性成分的體內藥動學模型，但仍有不足之處：第一，研究中獲得的動物或人體血藥濃度不能代表靶器官或靶組織中藥物的暴露量，仍然需要一種方法獲取人體靶器官或靶組織的藥物濃度。第二，研究結論不能直接指導單味植物藥的安全使用。與化學藥物不同，植物藥成分復雜，有效成分不明確。單一成分無法代表單味植物，植物藥的藥效可能是多組分多靶點產生的綜合效應。由于各組分的藥動學研究是孤立的，需要一種方法將多種成分的藥動學研究結果進行整合。第三，通常參加血藥濃度測定的病人數量較少，小樣本的試驗結果代表性差。同時參與者自身生理狀況的差異導致血藥濃度波動范圍大，需要有效的方法將這種差異導致的偏差定量化。第四，動物實驗操作復雜，周期長，而且實驗結果無法克服種屬差異，較難直接應用到人體。若存在一種操作便捷、可直接應用到人體的藥動學模型可以大大減少動物實驗，加快藥物開發速度。

3 PBPK模型在天然藥物藥動學研究中的優勢

PBPK 模型可以有效彌補以上缺陷，既可以模擬人體和其他種屬的體內變化情況，也可以外推獲得藥物使用劑量等相關信息。近年來有部分研究開始利用PBPK 模型作為天然藥物活性成分的研究工具，其應用優勢體現在以下方面：

3.1 PBPK模型能更好解答植物藥的安全使用問題

植物藥，尤其是中草藥的安全使用在世界范圍內都是難題，日本“小柴胡湯事件”、中國“魚腥草注射劑事件”、新加坡“黃連事件”和美國“馬兜鈴酸肝癌事件”為中藥的安全使用敲響警鐘。我國臨床上廣泛使用的毒性中藥如大黃、梔子、何首烏、補骨脂、白鮮皮、雷公藤等都有引發不良反應的案例報導[19-24]，然而目前還無這些中藥的明確的安全劑量推薦。PBPK 模型依據人體解剖學，以房室代表器官或組織，每一房室內流入和流出的藥物量遵循質量平衡。因此，PBPK模型可以預測毒性中藥在靶器官或目標組織的藥物暴露量，進一步明確量-效關系，為毒性中藥安全使用提供安全劑量參考。同時，PBPK 模型模擬藥物及代謝產物在各個器官的分布，描述了植物藥及其代謝產物的經時變化過程，有助于探討植物藥或其代謝組分的代謝機制。

3.2 PBPK 模型是研究天然藥物多成分相互作用的有效工具

天然產物提取物成分多樣，且常常與其他草藥或西藥聯合使用。同一種植物藥提取物的活性成分之間或者多種植物藥的活性成分之間都可能產生藥-藥相互作用。PBPK 模型可以同時構建多種天然藥物活性成分的體內模擬模型，利用數學模型定量探求各組分間相互作用大小，為考察天然藥物引發藥物相互作用提供有利支持[25]。

3.3 PBPK 模型在解決特殊人群安全用藥問題上更有優勢

兒童、妊娠期婦女、老年人和肝腎功能受損等特殊人群在使用天然藥物時常常面臨更大的風險。然而針對這些特殊群體的臨床試驗樣本量少，還常常面臨倫理問題。PBPK 模型正好可以避免這些問題。在研究特殊人群的藥代動力研究中，通常先建立健康人體模型，然后根據特殊人群的生理病理特征調節參數，建立虛擬的特殊人群模型，預測天然藥物活性成分在特殊人群中的體內藥代學過程。

3.4 PBPK 模型在以天然藥物進行新藥研發過程中有更大潛力

作為新藥開發的途徑之一，從中草藥等天然植物中尋找有潛力的單體成分，探求單體成分的藥物動力學，將這些單體成分的藥代動力學信息整合建立PBPK 模型，有助于了解天然藥物活性成分的人體藥動學特征。PBPK 模型具有強大的外推能力，可以實現從動物模型到人體模型的跨種屬外推，解決了倫理審批的難題，減少了動物實驗，提高新藥研發速度和科研效率。

4 PBPK模型在天然藥物藥動學研究中的應用

天然藥物廣泛用于臨床和人們的日常食療中，已經有相當多的研究采用PBPK 模型獲取天然化合物單體的藥動學參數，為人類使用天然藥物制品的安全風險進行定量評估。Law等[26]將3個兒茶素單體的PBPK模型鏈接到一起，構建了茶多酚混合物PBPK 模型。該混合物模型能夠根據攝入綠茶劑量推算出內源性靶標器官的暴露量，準確預測了3 種兒茶素單體在人體血漿中的藥代動力學過程。Ploeger 等[27,28]采用PBPK 建模驗證了甘草酸及活性代謝物的轉運和代謝消除機制，為高暴露人群安全應用甘草酸提供了可靠依據。目前，PBPK 建模技術除了應用于天然化合物單體的藥動學模擬，還更加廣泛地應用在天然藥物的藥物相互作用研究和特殊人群的藥動學研究領域。

4.1 天然藥物活性成分與其他藥物的相互作用研究

天然藥物產品的使用率持續攀升，部分原因是人們普遍誤認為“天然”就是“安全”的同義詞。經常有患者擅自使用天然藥物產品緩解疾病或補充醫生的治療方案。因此，常常存在天然藥物與處方藥、非處方藥同時服用的情況，這很可能引發藥物相互作用。已有文獻報導，丹參、銀杏、當歸、紅花、枸杞、鹿蹄草等單味植物及其復方制劑能增強華法林的抗凝作用，人參、連翹等單味植物及其制劑會減弱華法林抗凝效果[29,30]。天然植物的相互作用評價比傳統小分子藥物復雜，它們的具體作用成分不明，且對造成相互作用的個別成分研究較少。目前還沒有一種可靠的方法來識別致因成分，描述其藥代動力學特征，并從機理上解釋藥物間相互作用。PBPK 建模和仿真作為一種手段，可以定量預測天然藥物制劑與化學藥的藥物相互作用[31,32]。

4.1.1 PBPK 模型方法預測通過抑制腸道葡萄糖醛酸化介導的草藥-藥物相互作用

水飛薊賓來自乳薊種子提取物，主要單體成分有水飛薊賓素A、水飛薊賓素B 及少量異構體，目前廣泛用于肝功能異常的恢復和癌癥預防。水飛薊賓作為葡萄糖醛酸轉移酶（UDP-glucuronosyl transferases，UGT）抑制劑，聯合UGT 底物用藥時可能產生潛在的藥物相互作用。Gufford等使用PBPK 模型預測天然藥物產品水飛薊賓和UGT 底物雷洛昔芬相互作用的可能性和程度[33]。研究者使用兩個建模平臺（Berkeley Madonna?和SimCYP?）建立了雷洛昔芬、水飛薊賓素A和水飛薊賓素B 的健康志愿者PBPK 模型。他們通過文獻數據并結合微粒體實驗、細胞實驗得到建模參數，開展單劑量隨機交叉試驗獲得觀察數據。模型的預測值和觀察值十分接近。兩藥合用后，雷洛昔芬的藥時曲線下面積（area under the curve，AUC）和血漿峰濃度（Cmax）最高增長30%，在預定義的無影響范圍內（0.75-1.33）。研究證明兩種藥物的相互作用機制是抑制腸道葡萄糖醛酸反應，雖然水飛薊賓是UGT 代謝抑制劑，但兩藥合用不影響雷洛昔芬的臨床安全性。

4.1.2 利用PBPK 模型預測圣約翰草與多種酶底物的相互作用

圣約翰草是國際上常見的抗抑郁草藥，主要成分是貫葉金絲桃素。我國已上市圣約翰草提取物片（商品名：路優泰），臨床上用于輕、中度抑郁癥和焦慮、煩躁不安等疾病[34]。Jeffry 等利用PBPK 模型預測圣約翰草制品與多種藥物的相互作用[35]。他們首先建立了貫葉金絲桃素的健康人體PBPK 模型，并利用已有的臨床數據驗證。然后模擬了貫葉金絲桃素導致的肝腸系統中細胞色素P450 氧化酶（Cytochrome P450，CYP）家族中酶的活性變化。最后預測了貫葉金絲桃素與CYP3A 酶底物、CYP2C9 酶底物和CYP2C19 酶底物的相互作用，其中包括阿普唑侖、卡馬西平、多西他賽、炔雌醇、伊馬替尼、布洛芬、氯雷他定等多種藥物。與已報導的臨床數據相比，PBPK 模型預測的各藥物單獨使用和聯合使用的AUC 差值之比在0.80-1.25 之間。例如，聯合使用貫葉金絲桃素后，伊馬替尼的Cmax和利用度均下降，與臨床數據的變化趨勢相同。以伊馬替尼單獨使用和聯合用藥的AUC 之比為標準，模型預測值與臨床觀察值的比值是1.01。證明該研究中經過驗證的貫葉金絲桃素PBPK 模型可以準確預測圣約翰草與CYP3A、CYP2C9、CYP2C19 酶底物的相互作用，為圣約翰草的安全使用提供新的重要支持。

4.1.3 PBPK 模型預測五酯膠囊聯用他克莫司等免疫抑制劑的藥動學變化

五酯膠囊是華中五味子的乙醇提取物制劑，主要成分有五味子酯甲和五味子醇甲，可以降低血清谷丙轉氨酶。他克莫司作為一線免疫抑制藥，常用于器官移植病人術后抑制排異反應。鑒于病人長期服用他克莫司后通常會出現谷丙轉氨酶升高的癥狀，臨床上常將五酯膠囊和他克莫司聯合使用。但他克莫司治療窗窄，與五酯膠囊合用后可能影響藥效。Zhang 等利用PBPK 模型預測了他克莫司聯合五味子酯甲或五味子醇甲的藥動學變化[36]。他們利用體外實驗探明五味子酯甲和五味子醇甲對CYP3A4/5 肝藥酶的抑制機制，以此建立五味子酯甲、五味子醇甲和他克莫司的PBPK 模型。模型預測結果顯示，單次和多次聯合使用五味子酯甲后，他克莫司的AUC 分別增長了1.77倍和2.61 倍。同時，單次和多次聯合使用五味子醇甲后，他克莫司的AUC 分別增長了1.34倍和1.75倍。預測值和觀察值吻合。該研究定量探明了五味子酯甲和五味子醇甲在五酯膠囊和他克莫司的相互作用中的貢獻，可以為臨床聯合使用五酯膠囊和他克莫司提供參考。Fan 等人同樣利用PBPK 模型預測了五酯膠囊主要成分和環孢素A 的藥物相互作用，定量探明了五味子酯甲和五味子醇甲與環孢素A的相互影響[37]。

4.1.4 建立PBPK 模型預測與甘草酸相關的潛在藥物-藥物相互作用

甘草酸作為保肝藥物，目前已納入我國肝病治療的范疇。Dong 等人[38]研究了甘草酸肝膽排泄的分子機制，并探討其在有機陰離子轉運體（organic aniontransporting polypeptide，OATP）OATP1B 上的藥物相互作用潛力。他們建立了甘草酸的PBPK 模型，使用模型的定量分析表明，OATP1B1/3 在甘草酸的藥代動力學中具有關鍵作用，轉運體介導的肝膽排泄控制甘草酸的清除過程。與轉運體的抑制劑利福平共同給藥時，甘草酸的AUC顯著增加。了解甘草酸在OATP1B1/3上的藥物相互作用，可以提高含甘草酸藥物組合治療肝病的療效。

4.2 天然藥物活性成分在特殊人群的藥代動力學研究

特殊人群在臨床用藥過程中常常難以確定安全劑量，尤其是肝腎損傷患者藥物過量的風險大大加劇。特殊人群開展相關體內藥動學研究比較困難，而PBPK 正好可以基于肝腎損傷患者的生理病理變化預測化合物在體內的藥動學過程，從而代替體內研究[39]。

4.2.1 利用PBPK 模型預測左旋四氫巴馬汀及其代謝產物在肝損傷人群和CYP2D6超強代謝人群中的藥代動力學

左旋四氫巴馬汀是一種從延胡索或千金藤中提取出來的生物堿，臨床上長期作為鎮痛藥使用。蕭偉斌等利用PBPK 模型預測了左旋四氫巴馬汀及其代謝產物在肝損傷人群中的藥代動力學參數[40]。他們采用GastroPlusTM軟件建立了左旋四氫巴馬汀的健康人體PBPK 模型。然后依據肝硬化病人的生理學數據，例如血液灌注速率、血漿蛋白濃度、肝藥酶活性和腎排泄速率等參數的變化，對模型進行參數調整，最終預測了藥物在肝功能受損人群和CYP2D6超強代謝人群的藥動學特征。模擬結果表明，與健康人群相比，左旋四氫巴馬汀在肝功能受損人群的代謝和消除水平變低，藥物利用度增高。同時，CYP2D6 超強代謝人群的血漿藥物濃度和利用度顯著降低。研究結果可應用于肝損傷人群服用左旋四氫巴馬汀的劑量調整和基于CYP2D6基因多態性的藥物劑量變化。

4.2.2 PBPK模型評價肝損傷人群應用雷公藤的安全性

雷公藤常用來治療類風濕性關節炎等疾病。雷公藤甲素是抗炎作用的藥效成分，也是引起肝毒性的主要成分。為了評價肝損傷人群應用雷公藤草藥制品的安全性，吳桐等利用PBPK 模型預測了肝損傷人群的藥物代謝特點和藥-藥相互作用[41]。研究者使用GastroPlusTM軟件建立了雷公藤甲素的大鼠PBPK 模型，然后外推得到人體模型。進而預測了雷公藤甲素在健康人群和肝功能受損人群的藥動學過程，并研究了該藥和CYP3A 酶抑制劑的藥物相互作用。模擬結果表明，與健康人群相比，雷公藤甲素在中重度肝功能受損人群中代謝速率降低，藥物血漿濃度升高；聯合使用酶抑制劑酮康唑后，雷公藤甲素的Cmax是單藥組的1.38 倍，AUC 是單藥組的1.44 倍。表明臨床肝損傷人群應用天然植物雷公藤及其制劑時應注意藥動學的變化。

4.2.3 研究吸煙人群應用中藥補骨脂后對CYP1A2酶的抑制作用

中草藥補骨脂常用做白癜風、銀屑病等免疫疾病用藥。補骨脂的有效成分補骨脂素和異補骨脂素，同時也存在于當歸、皂角等多種草本植物中，廣泛用作多種中藥方劑的有效成分。已有研究發現，這兩種化合物是強效的CYP1A2酶抑制劑。為了研究補骨脂對吸煙人群CYP1A2 酶的影響，Zhuang 等以非那西丁為探針藥物，利用SimCYP?模擬軟件調整健康受試者的CYP1A2 酶豐度，構建吸煙者群體的PBPK 模型[42]。結果顯示，吸煙人群應用兩種化合物后，非那西丁的AUC 分別增加了2.12 倍和5.01 倍，而健康人群增加了1.71 倍和3.24 倍，吸煙人群受酶抑制作用更顯著。這些發現表明補骨脂對CYP1A2 酶具有可逆的、時間依賴的抑制活性，可以為服用含有補骨脂素中藥的吸煙人群提供安全有效的用藥指導參考。

5 小結與展望

PBPK 模型作為一種藥物動力學研究的方法，在天然藥物的研究、開發和臨床使用領域開始嶄露頭角。針對天然藥物的藥動學研究，PBPK 模型方法可以大大減少在體實驗，節約實驗成本，加快研究過程。在計算機技術幫助下，PBPK 能實現更快捷的篩選，從眾多成分中識別有臨床意義和開發價值的化合物，極大地縮短臨床前研發過程。若將其應用于指導臨床用藥過程中，能幫助實現精準化用藥，減少藥物不良反應。目前的研究思路主要是利用模型研究天然藥物的體內代謝消除機制、預測天然藥物的藥物相互作用和探討特殊人群的給藥方案調整。

盡管其應用前景良好，我們仍需注意，PBPK 模型的建模特征，并不直接適用于中草藥藥動學研究。中草藥產品的的復雜成分使得傳統的藥物相互作用靜態模型在預測草藥-藥物相互作用方面可靠性降低。中草藥產品缺乏標準化導致成分含量差異較大，臨床上也缺乏相關的藥代動力學數據，這些因素都制約了PBPK 技術在中草藥-藥物相互作用的研究?？紤]到天然藥物的多組分特征，進行藥代動力學研究難以忽略復雜組分相互作用的影響。在PBPK 模型驗證環節，如何選擇主成分也是一個難題。因此PBPK 模型更適用于天然藥物中結構明確的單體化合物和含量高的主成分的研究，也可以進而探討對多個成分藥動學的單個和協同作用研究。

PBPK 建模仍面臨不少難點和挑戰。構建模型需要大量的生理數據，比如各個組織和器官的體積、血流量，還需要藥物體內代謝的相關參數，比如藥物的溶解度、血漿蛋白結合率、肝藥酶轉化速率等。這些因素都需要大量的數據文獻支持。此外，PBPK 模型采用的數學計算復雜，也需要計算機技術發展，為更精細復雜的模型提供支持。隨著相關學科的發展，PBPK模型將更為優化。