基于生理药动学模型的异丙嗪在模拟失重大鼠体内的处置研究

摘要

目前航天药代动力学研究采用经典房室模型计算参数，缺乏不同生理状态的关联分析，失重导致机体生理功能改变时难以准确预测动力学参数，给指导航天员安全用药埋下隐患。生理药动学（PBPK）模型是以机体生理参数、药物的理化性质和特异性参数为基础，从整体效应阐明药物在机体内的处置过程，可实现不同生理状态和种属间推算，弥补经典房室模型的不足。本论文将PBPK模型应用到失重状态下的药代动力学研究。以航天抗运动病首选药物异丙嗪作为模型药，测定机体生理学参数、药物及其代谢产物的特异性参数、组织或器官药物分布、排泄参数等，建立质量微分方程组，建立正常和尾吊大鼠的PBPK模型，进行比较分析，在实现从正常大鼠到模拟失重大鼠用药剂量和给药方式推算的基础上，实现从动物到人，以及从地面到失重状态下航天员用药的计算，建立宇航员的个体用药方案，为航天药物研究进行有益的探索，确保航天员用药安全有效。
　　一、大鼠血浆、组织、尿液和粪便中PMZ和PMZSO分析方法的建立
　　建立了LC-MS/MS检测大鼠血浆、心、肝、肾、脑、肌肉、尿液和粪便中PMZ和PMZSO的分析方法。PMZ和PMZSO的标准曲线在0.1~6000 ng/mL范围内呈线性关系，方法快速准确，灵敏度高，可应用于大鼠血浆、组织、尿液和粪便中PMZ和PMZSO的药代动力学研究。
　　二、异丙嗪在正常大鼠和模拟失重大鼠体内的血浆药代动力学研究
　　本实验研究了PMZ分别在正常大鼠和模拟失重大鼠体内低、中、高三个给药剂量（4.5、9.0、18 mg/kg）的血浆药代动力学。首先在PMZ在正常大鼠体内的低、中、高给药剂量的AUC(0-∞)分别为20.75±4.357，50.669±11.147和93.51±21.50μg/(L·h)，与给药剂量成正比关系，说明PMZ在正常大鼠体内的药代动力学是线性动力学关系；同样，PMZ在模拟失重大鼠体内的低、中、高给药剂量的AUC(0-∞)分别为16.069±3.449，35.349±7.778和64.316±14.768μg/(L·h)，与给药剂量成正比关系，说明PMZ在模拟失重大鼠体内的药代动力学也是呈是线性动力学关系。另外，分别比较低、中、高三个给药剂量下正常大鼠与模拟失重大鼠体内PMZ药代动力学的差异：（1）给药剂量为4.5 mg/kg时，正常大鼠和模拟失重大鼠血浆中PMZ的AUC(0-∞)分别为20.75±4.357和16.069±3.449μg/(L·h)；（2）给药剂量为9.0 mg/kg时，正常大鼠和模拟失重大鼠血浆中PMZ的AUC(0-∞)分别为50.669±11.147和35.349±7.778μg/(L·h)；（3）给药剂量为18 mg/kg时，正常大鼠和模拟失重大鼠血浆中PMZ的AUC(0-∞)分别为93.51±21.50和64.316±14.768μg/(L·h)。在同一剂量下，模拟失重大鼠血浆中PMZ的AUC(0-∞)均小于正常大鼠血浆中的PMZ的AUC(0-∞)。另外，给药剂量为9.0 mg/kg时，模拟失重大鼠血浆中PMZSO的AUC(0-∞)为1351.788±297.336μg/(L·h)，大于正常大鼠血浆中PMZSO的AUC(0-∞)为1137.27±238.827μg/(L·h)，这说明在模拟失重环境中，大鼠体内PMZ的代谢加快，有更多的PMZ被代谢为了PMZSO。
　　三、异丙嗪在正常大鼠和模拟失重大鼠体内的组织分布研究
　　本部分实验以大鼠口服9 mg/kgPMZ后肝、心、肾、脑、肌肉为主要研究组织，进行PMZ和PMZSO的组织分布研究。采用建立的LC-MS/MS分析方法对正常大鼠和模拟失重大鼠单次灌服9 mg/kgPMZ后组织中PMZ的含量进行测定，考察大鼠口服PMZ后PMZ和PMZSO在各组织中的分布特点和积蓄情况，以及模拟失重环境对PMZ和PMZSO在大鼠体内组织分布的影响。
　　PMZ和PMZSO在正常大鼠和模拟失重大鼠体内组织分布的研究结果显示，正常大鼠和模拟失重大鼠口服PMZ5 min后已快速分布于各主要组织中，在30 min左右各组织中 PMZ的浓度已达到峰值，各组织的浓度由高到低为心脏＞脑＞肌肉＞肝脏＞肾脏。30 min后组织中药物浓度逐渐消除，2 h时各组织中PMZ浓度已明显降低，12 h时各组织中药物浓度已接近完全消除。因此，PMZ在大鼠体内消除迅速，不易在组织中积蓄。PMZ具有很强的脂溶性，因此在脑组织中的分布较大，从而能发挥很好的镇静和抗晕动作用。比较正常大鼠和模拟失重大鼠体内 PMZ的组织分布可以发现，模拟失重环境对 PMZ组织分布的影响不大，正常大鼠口服9 mg/kgPMZ后组织中PMZ含量AUC(0-∞)的平均值分别为心脏1862、肝脏86、肾脏20、脑1368和肌肉1061μg/(L·h)；而模拟失重大鼠口服9 mg/kgPMZ后组织中PMZ含量AUC(0-∞)的平均值分别为心脏1945、肝脏80、肾脏15、脑1357和肌肉1046μg/(L·h)，由此可见，失重环境中PMZ在心脏中的分布稍有增加，在肝脏、肾脏、脑和肌肉中的分布都是有略微下降。
　　另外，本实验详细地研究了正常大鼠和模拟失重大鼠灌服PMZ后，PMZ代谢产物PMZSO在组织中的分布情况。结果显示PMZSO在组织中的积蓄发生的比PMZ在组织中的分布要晚，大概在12个小时左右PMZSO在组织中的分布才达到峰值，而且PMZSO的组织含量-时间曲线的消除相非常平缓，说明PMZSO的消除进行的非常缓慢，在组织中积蓄的时间较长。PMZSO在正常大鼠和模拟失重大鼠组织中的分布情况为肝脏>心脏>脑>肌肉>肾脏。比较正常大鼠和模拟失重大鼠体内PMZSO的组织分布可以发现，模拟失重环境对 PMZSO组织分布的影响不大，正常大鼠口服9 mg/kgPMZ后组织中PMZ含量AUC(0-t)的平均值分别为心脏346639、肝脏451515、肾脏3832、脑254892和肌肉170976μg/(L·h)；而模拟失重大鼠口服9 mg/kgPMZ后组织中PMZ含量AUC(0-t)的平均值分别为心脏385590、肝脏511933、肾脏4285、脑283474和肌肉182443μg/(L·h)，由此可见，失重环境中PMZSO在心脏、肝脏、肾脏、脑和肌肉中的分布中的分布都是有略微增加。
　　四、异丙嗪在正常大鼠和模拟失重大鼠体内的排泄研究
　　本实验对正常大鼠和模拟失重大鼠灌服PMZ后以PMZ和PMZSO的形式通过尿液和粪便排泄的情况进行了详细的研究。收集灌服9 mg/kgPMZ的正常大鼠和模拟失重大鼠的尿液和粪便，用建立的LC-MS/MS分析方法检测定大鼠尿液和粪便中PMZ和PMZSO的浓度，并计算相应的累积排泄量，然后用累积排泄量除以 PMZ给药剂量1.98 mg（大鼠体重按220 g计算），求得正常大鼠灌服PMZ后以PMZ原型形式通过尿液和粪便的排泄率分别为0.8％和0.2%，以PMZSO形式通过尿液和粪便的排泄率分别为3.8%和0.16%；模拟失重大鼠灌服PMZ后以PMZ原型形式通过尿液和粪便的排泄率分别为0.77%和0.2%，以PMZSO形式通过尿液和粪便的排泄率分别为3.6%和0.15%。不足1%的低粪便排泄率说明PMZ的口服吸收非常好，几乎全部吸收；以PMZ和PMZSO形式的总排泄率只有不到5%，因为PMZ的排泄主要是通过葡萄糖醛酸结合反应和硫酸化反应生成极性较大的葡萄糖醛酸和硫酸盐结合物排出体外，另外还生成其他代谢产物排出体外。模拟失重大鼠以PMZ或PMZSO的形式通过尿液和粪便的排泄率与正常大鼠相比差别不大，只是有些略微减少，可能和模拟失重环境中血流量减少，尿液和粪便量减少有关。
　　五、模拟失重环境对大鼠CYP2D6表达的影响
　　本实验我们研究了正常大鼠，吊尾3天、7天、15天和30天模拟失重大鼠肝药酶CYP2D6的表达情况，结果显示在失重模拟开始时，CYP2D6的表达显著增加（3天和7天吊尾模拟失重组），与正常环境组相比P<0.05，有显著差异；CYP2D6的表达在吊尾模拟失重7天时达到最大，随着吊尾时间的增加表达开始减少，吊尾15天和30天CYP2D6的表达开始减少，但是仍然比正常环境的表达高，P值均小于0.05，有显著性差异。模拟失重环境中，大鼠肝脏中的CYP2D6的增加可以从药物代谢方面解释PMZ在正常大鼠体内的血浆药物量高于模拟失重大鼠而PMZSO在正常大鼠体内的血浆药物量低于模拟失重大鼠体内药物含量的实验结果。
　　六、异丙嗪在正常大鼠和模拟失重大鼠体内的生理药动学模型的建立和外推
　　本实验根据PMZ在正常大鼠和模拟失重大鼠的处置特点，建立了PMZ在正常大鼠和模拟失重大鼠体内的生理药动学模型，以模拟 PMZ在正常大鼠和模拟失重大鼠血液和重要组织中的含量变化情况。通过将生理药动学模型模拟的预测值与前面实验得到的实测值的比较结果表明，建立的生理药动学模型拟合的 PMZ在正常大鼠和模拟失重大鼠血液、心脏、肝脏、肌肉和脑组织中的处置情况与实际情况有比较良好的吻合，能够真实的反应出 PMZ在正常大鼠和模拟失重大鼠血液和重要器官中的处置情况。然后将成功建立的正常大鼠和模拟失重大鼠的生理药动学模型外推至正常人体和模拟失重人体，预测出 PMZ在正常人体和模拟失重人体血液和相应器官中的处置情况，并且通过与已发表的文献中 PMZ在正常人体和模拟失重人体血液中的实测血药浓度进行比较，模型预测值与实测值的高度一致验证了外推模型的可行性，因此模型预测的 PMZ在正常人体和模拟失重人体重要器官中的分布情况具有很好的参考价值。模型预测的 PMZ在正常人体和模拟失重人体器官中的分布结果显示，PMZ在模拟失重人体器官中的分布比正常人体器官中的分布增加，尤其是在脑内分布的增加，说明 PMZ在模拟失重人体内会发挥更强的药效，不过同时也会表现出更严重的嗜睡的副作用。因此，通过 PMZ在正常人体和模拟失重人体的生理药动学模型模拟的器官分布结果，我们建议航天员在执行航天任务时可以考虑适当减少 PMZ的服用剂量以保证疗效的同时不至于出现严重的嗜睡副作用而影响航天任务的执行。

目录

封面

声明

目录

缩略语表

中文摘要

英文摘要

前言

文献回顾

1 航天员个体化用药的必要性

2 异丙嗪研究进展

3 生理药动学研究进展

实验一 异丙嗪在正常大鼠和模拟失重大鼠体内的血浆药代动力学研究

第一节 大鼠血浆中PMZ和PMZSO分析方法的建立

第二节 异丙嗪在正常大鼠和模拟失重大鼠体内的血浆药代动力学研究

实验二 异丙嗪在正常大鼠和模拟失重大鼠体内的组织分布研究

1 仪器与试药

2 组织样品中PMZ和PMZSO分析方法的建立与确证

3 组织分布研究

4 讨论

实验三 异丙嗪在正常大鼠和模拟失重大鼠体内的排泄研究

1 仪器与试药

2 大鼠尿液和粪便中PMZ和PMZSO分析方法建立与确证

3 PMZ在正常和模拟失重大鼠体内的排泄研究

4 讨论

实验四 模拟失重环境对大鼠CYP2D6表达的影响

1 材料

2 方法

3 结果

4 讨论

实验五 异丙嗪在正常大鼠和模拟失重大鼠体内的生理药动学模型的建立和外推

1 PMZ生理药动学模型的设计

2 结果

3 讨论

小结

参考文献

附录

个人简历和研究成果

致谢