微透析技術在藥動學及藥動學-藥效學模型研究中的應用進展

胡賀佳，陳艷，王愛民，王永林，鞏仔鵬

(貴州醫科大學 1. 貴州省藥物制劑重點實驗室/藥用植物功效與利用國家重點實驗室，2. 民族藥與中藥開發應用教育部工程研究中心，3. 藥學院，貴州 貴陽 550004； 4. 遵義市產品質量檢驗檢測院，貴州 遵義 563000)

藥物代謝動力學(簡稱藥動學)是定量研究藥物在生物體內吸收、分布、代謝和排泄規律的一門學科。在創新藥物研制過程中，藥動學研究與藥效學研究、毒理學研究處于同等重要的地位，已成為藥物臨床前研究和臨床研究的重要組成部分。而生物樣品的采集是藥動學研究的首要環節，傳統的取樣方法主要是在特定時間點采集動物全血用于制備血漿或血清以及處死動物采集組織進行勻漿后處理分析，這種方法存在所需動物數量較大、前處理復雜、分析結果多為非游離型藥物濃度、不能準確反映成分在機體內實時變化等缺點[1]。

在藥動學-藥效學(PK-PD)結合模型研究中，需要持續測定組織中的游離態藥物濃度及其相應時間點的藥理效應。傳統取樣不僅容易造成動物體液損失引起藥物PK-PD行為的改變，而且長時間取樣易使動物體液損失過多而死亡。微透析取樣技術具有連續取樣、動態觀察、組織損傷輕、可在線檢測等特點，在PK-PD研究中逐漸顯示出巨大優勢。同時，其可在多器官組織同時取樣，為靶部位藥物PK-PD的研究和闡明其作用機制提供了技術支撐。

隨著微透析技術的日益成熟，其應用范圍也從腦部逐漸擴展至心、肺、肝、膽、腎、眼、皮膚、血液等器官和組織，其中應用最廣泛的部位包括腦、血液、皮膚、關節等[2-6]。本文對微透析技術在藥動學及PK-PD研究中的應用進行綜述，以期為藥物的體內過程、作用機制以及靶向性研究提供參考。

1 微透析技術概述

微透析取樣技術以半透膜的透析原理為基礎，經相關微創手術將探針植入相應組織區域，通過微量泵以一定速率不斷將灌流液泵入探針中，組織細胞外液中的待測物質便可根據Fick′s定律順濃度差透過微透析膜進入灌流液中，將其連續不斷地帶出，并以一定時間間隔有序收集透析液[7]，達到活體組織實時、連續取樣的目的。因其只有小分子物質可以通過，避免了蛋白質等大分子對樣品的干擾，可無須前處理，直接進行檢測分析，避免了樣品污染及操作誤差，提高了實驗結果的準確性，同時也提高了科研人員的工作效率。微透析技術可以在同一動物的不同器官，連續同時采樣，減少了取樣次數和動物數量，避免了體液損失對藥物真實分布情況的影響及動物個體差異所引起的誤差[8]。

2 微透析在藥動學研究中的應用

2.1 基于腦部的微透析研究

微透析最早用于研究腦內神經遞質的釋放[9-10]，且腦微透析技術已在實驗室和各種臨床應用中使用了幾十年[11]。在中樞神經系統疾病中，腦血管病占大多數，具有發病率高、致殘率高、復發率高以及死亡率高等特點，神經化學為神經系統疾病的病理生理學和藥物機制提供了思路[12]，而腦內藥動學研究在了解中樞神經系統藥物的藥理作用及機制中扮演著重要角色。由于血腦屏障的存在，多數藥物的血藥濃度與腦中藥物濃度存在差異，中樞神經系統藥物的發現和發展受到嚴重阻礙，且傳統的組織勻漿方法對結果存在諸多干擾。腦部微透析取樣技術則是將腦作為靶部位，將探針植入海馬區、紋狀體、大腦皮層等部位收集透析液，并可實現清醒狀態下(更接近于正常生理狀態)，實時、連續取樣，客觀評價藥物在腦內的分布和消除狀況，彌補了以往腦組織勻漿方法存在的不足，是一種能夠定量游離藥物的高靈敏度技術[13]。

宋宇塵等[14]基于腦部微透析技術，將探針植于大鼠前額葉皮質內，在清醒狀態下收集透析液，研究安神定志靈對自發性高血壓大鼠(spontaneously hypertensive rats，SHR)多動、沖動行為及前額葉皮質單胺類神經遞質及其代謝產物的影響。結果表明，安神定志靈能調控SHR多動、沖動行為，改善去甲腎上腺素、多巴胺缺乏狀態。此外，他們還進行了探針回收率實驗(發現影響探針回收率的因素有3個：溫度、膜長與流速)，指出在腦微透析實驗中，探針回收率是關鍵問題。Wang等[15]利用腦部微透析取樣結合液質聯用技術，測定補陽還五湯中有效成分在中腦動脈阻塞大鼠腦脊液的藥物濃度，并比較藥動學特征。結果表明，與益氣活血低劑量組相比，益氣活血高劑量組能加速腦組織芍藥苷達峰時間，顯著提高腦組織中芍藥苷最大濃度，為益氣活血低劑量組的1.34倍。益氣活血中、高劑量組的血藥濃度-時間曲線下面積明顯高于益氣活血低劑量組。隨著黃芪劑量的增加，芍藥苷的腦靶向性增強，益氣活血高、低劑量組腦靶向性有顯著性差異。說明益氣活血高劑量組對芍藥苷在體內和腦內保持較長的有效作用時間，以及提高腦靶向性有很大的好處，從藥動學角度驗證了黃芪在補陽還五湯中用于益氣活血的合理性。該項研究利用微透析結合靈敏度高、檢測時間短的超高效液相色譜-串聯質譜(UPLC-MS/MS)技術，獲得了更加詳細、完整的藥動學參數，為其他中藥復方的藥動學研究提供了參考。Zheng等[16]也利用微透析技術研究了腦缺血狀態下芍藥苷的藥動學行為。研究發現，與正常組相比，模型組(中腦動脈阻塞)給予黃芪桂枝五物湯后芍藥苷在血液中最大濃度、曲線下面積升高，清除率降低；在腦中半衰期、表觀分布容積降低。另外，Janson 等[17]采用微透析技術對清醒、自由活動的雄性SD大鼠腦間質液進行取樣，并結合頸靜脈取血方式獲得血清及腦脊液吸取采樣，通過非房室分析和群體建模方法研究靜脈注射后化學修飾的重組磺酰胺酶和重組磺酰胺酶藥動學。結果表明，兩種化合物在給藥后均以相當快的速度通過血腦屏障，達到平衡，這可能有利于到達大腦中的各種靶細胞。該項研究通過對血清、腦脊液及腦間質液的測定，比較其中藥物濃度隨時間變化的情況，明確藥物透過血腦屏障的快慢以及在腦內分布，突破了傳統取樣技術收集數據不準確的局限。此外，國內外有多位研究人員均建立微透析腦部取樣方法[18-21]。因此，采用微透析技術進行腦部的藥物監測研究對腦部治療藥物、靶向給藥等新型給藥系統而言具有重要意義[8]。

2.2 基于皮膚的微透析研究

皮膚覆蓋全身表面，是人體最大的器官，且具有吸收藥物的作用。經皮給藥能夠克服傳統口服給藥帶來的肝臟首過消除、服藥量大(特別是兒童難以接受)、較難保持血藥濃度、對胃黏膜的刺激以及注射劑一旦進入體內無法逆轉的缺點[22]。施用于皮膚的藥物在血液中的濃度往往很低，血藥濃度并不能準確反映皮膚組織中真實的藥物濃度，而經皮微透析直接對靶部位皮膚組織液進行采樣分析，得到的藥動學參數可更真實地反映藥物透皮性能及其在皮膚的代謝情況[23-24]，是直接評估皮膚中藥物水平的首選技術[25]。

賴建輝等[26]應用經皮微透析技術研究雙丹脂質體凝膠(SD-Lip Gels)和雙丹凝膠(SD-Gels)的皮膚藥動學過程，考察其在體經皮滲透性能。首先采用增量法和減量法考察微透析探針體外回收率，采用反透析法測定探針體內回收率，之后采用微透析技術采集不同時間的含藥皮下組織樣品，結合高效液相色譜(HPLC)測定樣品中丹參酮ⅡA和丹皮酚的濃度，并用藥動學分析軟件DAS 2.0進行數據處理，計算相關藥動學參數。結果表明，SD-Lip Gels可延長藥物在皮下組織中的滯留時間及有效濃度，具有更優的緩釋作用，可望成為雙丹方經皮給藥的新劑型。由于皮膚屏障的存在，血藥濃度并不能衡量經皮藥物的生物等效性，且皮膚給藥制劑作用于皮膚組織，一般血藥濃度都很低，難以檢測到相關藥物。該研究應用經皮微透析技術，測定給藥部位皮下組織中游離藥物濃度，獲得了藥物實時藥動學數據，較好地觀察藥物在動物體內的吸收、分布、代謝、排泄等局部藥動學過程。周開等[27]建立蛇床子素在體皮膚微透析采樣方法，研究蛇床子軟膏在SD大鼠體內的局部藥動學。該項研究采用濃度差法考察濃度、流速對探針體外回收率的影響；減量法研究探針的體內回收率穩定性。探針植入SD大鼠皮膚后將蛇床子軟膏涂敷于探針所在皮膚表面，測定微透析液中蛇床子素濃度，繪制藥時曲線，計算藥動學參數。黎曉麗等[28]以小鼠為實驗對象，分別給予制川烏凝膠和制川烏-白芍凝膠，利用皮膚微透析技術以生理鹽水為灌流液，灌流速度2 μL/min，每30 min收集1次，共收集8 h。采用HPLC-MS/MS測定制川烏中6種生物堿的含量，并繪制濃度-時間曲線，計算藥動學參數并對其參數進行SPSS分析，研究制川烏-白芍配伍對制川烏中6種生物堿透皮吸收的影響。結果表明，制川烏-白芍配伍促進了單酯型生物堿的經皮滲透，抑制了部分雙酯型生物堿的吸收，該研究從經皮轉運的角度闡明了制川烏-白芍“增效減毒”的配伍機制，同時也為其他藥對配伍機制的研究提供參考。另外，李懷國等[29]采用HPLC-MS/MS技術建立SD大鼠皮膚微透析液中烏頭堿含量的測定方法，考察玉龍散中烏頭堿的透皮吸收過程。吳麗穎等[30]建立了大鼠在體皮膚微透析技術，并應用于創傷涂膜劑經皮給藥的藥動學研究。張紫萍等[31]采用微透析法研究雷公藤甲素在正常和糖尿病大鼠皮膚中的藥動學差異，為其臨床合理應用提供參考。以上研究表明微透析技術在經皮給藥研究中起著重要作用，將會大大推動經皮給藥制劑的藥物檢測及新劑型的開發。

2.3 基于關節的微透析研究

骨關節疾病是人類高發的疾病類型之一，研究治療關節疾病的藥物很有必要。但傳統的關節局部藥動學的分析方法大多是將動物在規定的時間點處死，沖洗關節處，將關節液抽出，與其他設備聯用測定其中的藥物濃度，建立藥動學研究曲線，這樣需要耗費大量的實驗動物，也不能完成連續取樣。而微透析技術取樣量少，不會導致實驗動物體液流失過多而使實驗數據不準確，該技術只需在關節部位完成一個微創手術，可以完成在體實時連續的取樣，與傳統技術相比更有說服力[32]。

Wang等[10]建立微透析-UPLC-MS/MS測定佐劑性關節炎大鼠關節腔透析液中梔子苷的含量。采用反向透析技術計算藥物在體內的流失量，以估算梔子苷在體內的相對回收率。通過關節兩側凹陷處將探針植入左腿髕骨與髕韌帶連接處，微量注射泵的流量設定為1 μL/min，穩定1 h后口服給予梔子苷，每隔1 h采樣1次，共8次(在整個取樣過程中，大鼠處于麻醉狀態)，之后采用UPLC-ESI-MS/MS技術對微透析樣品進行分析檢測，可以應用于關節腔內藥物的藥動學研究。另外，占翔等[33]建立了 UHPLC-MS/MS 測定梔子苷和3 種牛膝皂苷成分(姜狀三七皂苷R1、人參皂苷R0、竹節參皂苷IVa)在大鼠關節、血液透析液中藥物濃度的分析方法，并應用該法研究牛膝總皂苷-梔子苷配伍前后在佐劑性關節炎大鼠體內的藥動學過程。發現牛膝皂苷與梔子苷聯用后，使梔子苷的關節腔藥物濃度-時間曲線下面積/血漿藥物濃度-時間曲線下面積達到梔子苷單用的2倍，表明牛膝皂苷可以提高梔子苷向關節腔靶向分布的程度，對梔子苷具有靶向引導作用，增加梔子苷在關節腔濃度。上述研究均利用微透析技術結合分離能力好、靈敏度高的UPLC-MS/MS技術，為關節腔內藥物分析提供一種更加簡便、動態的分析方法，推動關節靶部位藥物的研究。

2.4 基于血液及其他部位的雙位點、多位點微透析研究

一般而言，盡管藥理作用通常發生在組織中而不是血液中，但醫學實踐中的診斷和治療通常仍然依賴藥物和(或)生物分子的血液濃度。而血液作為最常見的生物樣本，其傳統的采集方法主要有尾部采血(割、剪鼠尾)，眼眶靜脈叢采血，斷頭采血，心臟采血，頸靜脈(動脈)采血，腹主動脈采血，股動(靜)脈采血等，都會對動物造成不同程度的損害，且體液損失嚴重，生理狀態與正常機體存在一定差異。且血液成分復雜，內源性物質干擾大，前處理過程煩瑣，很大程度影響了藥物研究的準確性及效率。而微透析技術基于半透膜的原理，避免了大分子物質的干擾，且大大降低了體液的損失，保證了動物的機體狀態。

Zhou等[34]成功地建立了一種基于微透析和UHPLC-MS/MS聯用的新方法，并將其應用于正常和心肌梗死大鼠口服四逆湯后苯甲酰新烏頭堿、苯甲酰烏頭堿和苯甲酰次烏頭堿的藥動學比較研究。首次發現正常大鼠與心肌梗死大鼠口服四逆湯后，苯甲酰新烏頭堿、苯甲酰烏頭堿和苯甲酰次烏頭堿的藥動學特征有顯著性差異。與正常大鼠相比，心梗大鼠血藥濃度低，清除慢，分布延遲，全身暴露少，無毒，有明顯的心臟保護作用。研究結果為了解四逆湯的代謝特征和治療效果提供了實驗依據。另有諸明娜等[35]結合微透析技術建立HPLC法測定大鼠血漿中五味子甲素含量，探討其在大鼠體內的代謝過程。

近年來，隨著微透析技術的逐漸成熟，基于血液及其他部位的雙位點、多位點的微透析被更為廣泛的應用[36-38]。Mi等[39]以血瘀型偏頭痛患者為研究對象，采用血腦雙位點微透析技術，收集透析液，結合UPLC-MS法研究了不同濃度天麻素和天麻苷元對川芎嗪和阿魏酸藥動學行為的影響。結果顯示，天麻素和天麻苷元能提高川芎嗪和阿魏酸的腦靶向性，說明天麻素和天麻苷元能提高川芎嗪和阿魏酸通過血腦屏障的滲透速率,使川芎嗪和阿魏酸迅速到達腦組織。同時，他們推測天麻素和天麻苷元降低了血腦屏障的通透性，增加了川芎嗪和阿魏酸在腦內的生物利用度和滯留時間，延緩了川芎嗪和阿魏酸在腦內的清除率。該項研究在一定程度上闡明了川芎與天麻配伍治療血瘀型偏頭痛的藥理機制，為臨床用藥提供了科學依據，為今后相關藥物配伍研究提供了參考。此外，Yan等[40]研究了阿魏酸經皮或灌胃后在大鼠血漿和皮膚微透析液中的藥動學行為。Xu等[41]同時利用微透析取樣技術、穩定同位素標記法及超高效液相色譜-高分辨率質譜(UPLC-HRMS)建立了測定大鼠腦和血液中尼古丁及其代謝物的新方法。該方法將微透析探針植入SD大鼠的右側紋狀體和頸靜脈，采用優化的UHPLC-HRMS法對尼古丁腹腔注射后的透析液進行分析，以尼古丁-吡啶-d4為代謝示蹤劑，用幾種穩定標記的同位素對反透析的體內回收率進行了校正，為研究血腦屏障對藥物通過及其速率的影響提供參考。

另外，杜清等[42]為進一步探究雷公藤白芍微乳凝膠在體內的代謝情況，建立了雷公藤白芍凝膠中雷公藤甲素和芍藥苷的 LC-MS/MS 含量測定方法；采用濃度差法(增量法和減量法)測定了血液探針體外回收率。同時建立了雷公藤甲素和芍藥苷皮膚和血液微透析方法，并通過微透析技術聯合 LC-MS/MS定量分析技術對雷公藤白芍微乳凝膠的在體皮膚和血液的藥動學進行了研究。楊盟等[43]也采用皮膚、血液雙位點同步微透析技術研究雷公藤甲素普通凝膠、納米乳、納米乳凝膠在大鼠皮膚和血液中的藥動學過程。結果表明，雷公藤甲素納米乳和納米乳凝膠在皮膚和血液中的AUC明顯高于雷公藤甲素普通凝膠，且雷公藤甲素納米乳凝膠緩釋效果更加明顯，顯著提高了雷公藤甲素的生物利用度。上述研究均基于皮膚及血液雙位點微透析技術研究藥物的藥動學行為，為經皮給藥制劑進一步研究提供參考。

除此之外，多位點微透析技術也扮演著不可小覷的角色。歐詠[44]以三妙丸為研究對象，探討微透析探針回收率的影響因素，并利用多位點微透析技術與UPLC-MS/MS聯用技術，測定三妙丸中的小檗堿在大鼠血、肝臟、膝關節透析液中的濃度。該研究將不同類型的探針分別植入大鼠頸靜脈、肝臟、膝關節，以枸櫞酸-枸櫞酸鹽葡萄糖溶液為灌流液，分別以2.5、1.0、1.0 μL/min的流速灌流。探針植入平衡1 h后，大鼠灌胃三妙丸水提物，劑量為17.5 g/kg生藥(蒼術∶黃柏∶牛膝=3∶2∶2)，收集微透析樣品，透析液每隔30 min收集1次。利用UPLC-MS/MS技術對透析液進行分析，首次實現了大鼠血、肝臟、膝關節中的小檗堿藥物濃度動態檢測，為生物堿在大鼠體內的藥動學研究提供了參考。由此可見，基于多位點微透析技術的藥代動力學研究方法是可行的，是腦內單位點微透析技術的發展，將在闡明藥物吸收、分布、代謝、排泄等體內過程，靶向性等方面發揮重要作用[45]，與傳統研究方法相比，擁有眾多不可比擬的優勢[46]。

3 微透析在PK-PD研究中的應用

PK-PD結合模型研究對闡明藥物的藥效物質基礎及其作用機制具有重要意義，尤其對于闡明中藥的藥效物質基礎和作用機制至關重要。但由于采樣技術的限制，早期的PK-PD研究多用血液PK-PD模型來模擬作用部位的藥物濃度與效應的關系，而微透析取樣技術在PK-PD研究領域的應用，可實現幾乎所有組織的取樣，且可以同步測定透析液中藥物濃度及藥效指標含量，更加真實有效地反應藥物濃度與效應的關系，為靶部位PK-PD的研究增添了一道曙光。

Wang等[47]從PK-PD角度對刺五加的藥效物質基礎和療效進行深入研究，建立微透析-超高效液相色譜-三重四級桿質譜聯用(MD-UPLC-QQQ-MS)同時、連續采集和定量測定清醒缺血性卒中大鼠血漿和海馬中與療效相關的活性成分和內源性神經活性物質的方法。并將所得數據進行PK-PD分析，建立腦缺血區海馬內PK-PD關系的可視化表達方法。Zhan等[48]建立了一個簡單的自由活動大鼠血液微透析取樣系統，同時研究生脈注射液對異丙腎上腺素誘導心肌缺血大鼠實時釋放一氧化氮的影響，成功地建立了心肌缺血大鼠靜脈注射10.8 mL/kg生脈注射液后SMI誘導一氧化氮釋放的PK-PD模型，表征了生脈注射液的量效關系，具有良好的預測能力。Wang等[49]將新西蘭兔隨機分為空白對照組和4個實驗組：ST36組(青藤堿足三里穴位貼敷)、GB34組(青藤堿陽陵泉穴位貼敷)、膝關節組(直接貼敷膝關節部位)和口服給藥組(青藤堿灌胃給藥)。各組在膝關節處進行微透析以獲得樣本，采用UPLC-MS/MS測定藥動學和藥效學參數，并根據所得參數建立PK-PD模型。結果發現，在ST36穴位敷貼青藤堿治療類風濕關節炎的療效優于GB34穴位貼敷、膝關節直接貼敷、灌胃給藥。另有，Zhang等[50]首次將微透析應用于評價頭孢喹肟對抗胸膜肺炎放線桿菌的PK/PD整合，為微透析研究PK/PD整合模型以及使用頭孢喹肟治療胸膜肺炎放線桿菌引起的動物疾病提供了有價值的參考。上述研究分別在腦、血液、關節腔、大腿利用微透析技術取樣，結合液質聯用技術，建立靶部位的PK-PD模型，為藥物靶部位PK-PD研究提供參考，推動藥效物質基礎及作用機制深入研究。

4 結語

綜上所述，微透析結合UPLC-MS/MS技術是目前藥動學研究中應用最為廣泛的方法之一。將微透析技術在體、實時、連續取樣的特點，與UPLC-MS/MS技術速度快，特異性強，靈敏度、準確度、穩定性高等特點相結合，使藥動學、藥效學及PK-PD研究有了新的突破，從而推動新藥開發及臨床合理用藥。

微透析作為一種新型的采樣取樣技術，擁有相當廣闊的應用前景。但值得注意的是其存在以下局限性： ① 微透析探針的植入會對局部組織造成輕微的損傷，影響機體正常的生理活動，如產生炎癥反應等，可能會對藥物的代謝分布等有一定影響。② 微透析探針回收率受諸多因素的影響，如藥物自身性質(脂溶性藥物易吸附在探針上，從而影響回收率的測定)，溫度，流速，使用次數等。③ 微透析技術的取樣量極少，對樣品分析檢測技術要求很高。④ 基于半透膜的原理，只有小分子可以通過，不適合大分子物質的采樣，適用藥物范圍受到限制。⑤ 另外，微透析技術所需耗材昂貴，也是其重要局限性之一。微透析技術在近年來的應用中，也不斷改進，逐漸成熟。可以預見，隨著其廣泛應用，將會改變藥動學、藥效學及PK-PD研究現狀，加速藥學研究進程，開創藥學研究新面貌。