运用PK-sim预测异甘草酸镁在人体中暴露浓度的方法

技术领域

本发明属于临床药物暴露预测分析预测，具体涉及基于生理药动学模型预测人血浆和肝脏中异甘草酸镁药物暴露的方法。

背景技术

药物在体内蓄积情况最直观的表述是药物在人体血浆中的暴露浓度。除此之外，由于肝脏是人体分布和代谢的主要器官，如果药物在肝脏过量蓄积，不仅会影响药物的分布和代谢过程，部分药物甚至会直接或者间接损害肝细胞，所以药物在人体肝脏中的蓄积浓度也是个很重要的观测值。理论上，已上市药物在研发阶段已经进行了严格的筛选，但是由于个体差异性，给药剂量和方式的不同以及药物的相互作用，导致药物在体内蓄积可能会超出预计。

在临床前研究中，传统的药动学-药效学模型(PK-PD)可以描述药物效应随浓度变化的动力学过程。PK研究主要考察药物的吸收、分布、代谢和排泄(ADME)过程随时间变化的规律，而PD研究在于考察药物与机体之间的作用关系。PK-PD模型采用数学和统计学方法，定量研究药物在体内外ADME过程与药效之间关系。该模型虽然可通过种属间转化、跨种属转化和临床前到临床的剂量推算，但是并不能与患者的生理病理情况建立联系，因此引入基于生理的药代动力学模型(PBPK)。PBPK模型是根据生理学、生物化学以及解剖学等相关知识，模拟机体循环系统的血液流向，将各组织器官相互联结为一个整体的数学模型。因此，组织的体积，血流量和分配系数会被添加到模型中，而不是利用观察到的PK数据进行估算，该模型的预测对于药物的开发与研究具有很高的意义，因为它不仅可以预测血浆中的药物暴露，而且还可以预测靶组织的药物暴露。而对于某些特殊组织而言，药物的暴露是很难或不可能通过实验进行测量。PBPK模型的一个重要应用是对特殊的临床情况进行外推，例如对肝或肾功能损害的患者进行剂量估算。通过对观察到的药物行为的生理过程和内在机理的理解可以建立普通患者的PBPK模型。随后针对特殊人群的生理特征可以建立相应的PBPK模型，确定理想的治疗方案，并优化风险收益率。

目前，基于PBPK模型预测动物体内药代过程已有不少案例，只需要利用已发表的的信息就能预测不同给药情况下药物在动物各组织中的暴露浓度。当前，已有通过传统PK-PD建立的异甘草酸镁人二房室模型，然而还没有运用PK-sim建立PBPK模型来预测异甘草酸镁在人体血浆和肝脏中的浓度的案例。

发明内容

发明目的：本发明目的是运用PK-sim建立符合人体解剖生理特征的PBPK模型，提供一种基于人体PBPK模型的药物暴露浓度预测方法，能够预测异甘草酸镁在临床给药剂量下，在不同时间段内在人体血浆和肝脏中的暴露浓度，准确性高，有临床指导价值。

技术方案：本发明提供运用PK-sim预测异甘草酸镁在人体肝脏中浓度的方法，包括如下步骤：

1)确立PBPK模型结构和质量平衡方程：依据人的生理解剖和异甘草酸镁在其体内的代谢特征提出人的PBPK模型假设，确立模型结构，然后依据血流限速和质量守恒的原则确立异甘草酸镁在人的PBPK模型的质量平衡方程。

2)收集文献中人血浆中异甘草酸镁的暴露浓度：查阅相关文献获得，收集人给予异甘草酸镁后的血药浓度随时间变化的数值，同时记录给药剂量和给药方式。入选数据的要求：(1)给药方式为单剂量静脉滴注。(2)实验对象为人。(3)不同时给予其他药。(4)药物为原料药而非特殊制剂，如纳米制剂。

3)用PK-sim建立PBPK模型并对所建立的模型参数进行拟合求解：在PK-sim软件上输入获得的人血浆中异甘草酸镁浓度-时间数据，给药剂量，给药方式和药物的理化性质相关参数，然后根据异甘草酸镁浓度-时间数据校正PBPK模型中质量平衡方程参数。

4)预测药物暴露浓度：在PK-sim中优化PBPK模型之后，在软件中预测给药之后血浆和肝脏中的药物浓度变化趋势。

进一步的，所述步骤(1)中对模型的假设如下：人体PBPK模型包含静脉血，动脉血，心脏，肝脏，脾脏，肠道，肺，肾脏等脏器。各组织模块通过血液连接在一起；每一组织器官中的药物浓度在任意时刻都是动态平衡的；组织-血液药物浓度分配系数不依赖于浓度和时间；药物分布到各组织的速率是受血液流速限制；除了酶促反应外，所有过程都是线性的；异甘草酸镁药物在人体内以原药的形式进行分布和清除，不产生代谢产物，而且药物清除途径是通过肝脏中的CYP3A4酶。

进一步的，所述步骤(2)中收集文献中人血浆中异甘草酸镁的方法如下：寻找符合条件的文献，使用Enguage digitizer获取文献图片中药物浓度-时间数据。Enguagedigitizer是一种专业的数据提取软件，该工具可以将图像文件(如PNG、JPEG和TIFF)中获得数据点。

所述的临床上异甘草酸镁的推荐剂量为200mg，静脉滴注0.5h。

有益效果：

1.本发明建立的人体PBPK模型不同于传统的PK-PD模型，该模型是根据生理学、生物化学以及解剖学等相关知识，模拟机体循环系统的血液流向，将各组织器官相互联结为一个整体。因此，组织的体积，血流量和分配系数会被添加到模型中，而不是将其拟合到观察到的PK数据中，该模型的预测具有很高的药理学意义，因为它不仅可以预测血浆中的浓度，而且还可以预测靶部位的药物暴露。

2.人体肝脏器官的药物量是很难或不可能通过实验进行测量。但是通过PKsim建立的PBPK模型，可以通过使用血浆中药物-时间数据进行模型参数的求解，然后运用该模型预测肝脏的药物残余和时间的关系。

3.本发明所诉的方法可预测临床推荐给药剂量下，异甘草酸镁在血浆和肝脏中药物-时间关系，从而进行临床用药的指导。

4.本发明所诉的方法可将实际临床给药外推到其他可能的临床应用，通过对观察到的药物行为的生理过程和内在机理的理解可以建立普通患者的PBPK模型。随后针对特殊人群的生理特征可以建立相应的PBPK模型，确定理想的治疗方案，并优化风险收益率.

附图说明

图1为人体PBPK模型的结构图，该模型是符合生理特性和解剖学特性的模型，不仅包括了各种生命器官，各组织器官间通过血流相互连接。药物进入机体后，药物血流进入各组织，进而进行分布与清除。以心脏为例，药物于动脉血经血流进入心脏，后由心脏流出进入静脉血。但是肺由于其特殊的生理解剖结果和功能性，肺部的药物由静脉血运输进入动脉血，与其他器官形成一个循环。除此之外，肝脏中药物来源分别为肠，脾脏和动脉血，最后一起进入静脉血。最后，药物主要在肝脏和肾脏清除。某些非研究或者对药物分布或者消除影响不大的组织，则将其看做是一个整体，命名为其他组织；

图2为临床给药剂量下人血浆中异甘草酸镁随时间变化的浓度预测和实测值的拟合图；

图3为临床给药剂量下人血浆和肝脏中异甘草酸镁随时间变化的浓度预测图。

具体实施方式

实施例1

本实施例是以异甘草酸镁为工具药，临床推荐给药剂量下对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

步骤1.确立PBPK模型机构和质量平衡方程。

文献资料表明，人体主要器官包括静脉血，动脉血，心脏，肝脏，脾脏，肠道，肺，肾脏等脏器，其中，肝脏是异甘草酸镁的作用部位。此外，异甘草酸镁在体内过程主要以原药形式发挥作用，发生代谢反应的比例较低，主要在肝脏被CYP3A4酶系代谢。因此，依据人体生理解剖结构和异甘草酸镁在其体内的代谢特征提出的人体PBPK模型的假设是：人体PBPK模型包含静脉血，动脉血，心脏，肝脏，脾脏，肠道，肺，肾脏等脏器。各组织模块通过血液连接在一起；每一组织器官中的药物浓度在任意时刻都是动态平衡的；组织-血液药物浓度分配系数不依赖于浓度和时间；药物分布到各组织的速率是受血液流速限制；除了酶促反应外，所有过程都是线性的；异甘草酸镁药物在人体内以原药的形式进行分布和清除，不产生代谢产物，而且药物清除途径是通过肝脏中的CYP3A4酶系。由以上分析，确定PBPK模型的结构图如图1所示。

依据血流限速和质量守恒的原则确立异甘草酸镁在人体内PBPK模型的质量平衡方程，模型结构中每个模块都包含相应的质量平衡方程，具体见下列各式：Heart(ug/h)：

Lung(ug/h)：

Live(ug/h)：

Spleen(ug/h)：

Gut(ug/h)：

Kidney(ug/h)：

Arterial blood(ug/h)：

Venous(ug/h)：

Other(ug/h)：

式中，dX

步骤2.收集文献中人血浆中异甘草酸镁的暴露浓度：

通过查阅相关文献，收集临床异甘草酸镁给药后的血药浓度随时间变化的数值，同时记录给药剂量和给药方式。入选数据的要求：(1)给药方式为单剂量静脉滴注。(2)实验对象为人。(3)不同时给予其他药。(4)药物为原料药而非特殊制剂，如纳米制剂等。入选的文献如表1所示。其中，收集文献中人血浆中异甘草酸镁浓度数据的方法如下：寻找符合条件的文献，使用Enguage digitizer获取文献图片中药物浓度-时间数据。Enguagedigitizer是一种专业的数据提取软件，该工具可以将图像文件(如PNG、JPEG和TIFF)中获得数据点。临床上异甘草酸镁的推荐给药剂量是200mg静脉滴注0.5h。所以，选取ID为2与ID为4的数据，获取的药物浓度-时间数据，具体如表2所示。

表1 PK文献数据总览

表2 临床给药剂量下异甘草酸镁在血浆中的药物浓度(mg/L)

步骤3.用PK-sim建立PBPK模型并对所建立的模型参数进行拟合求解：

在PK-sim软件上输入获得的人血浆中异甘草酸镁浓度-时间数据，给药剂量，给药方式和药物的理化性质相关参数，然后根据异甘草酸镁浓度-时间数据矫正PBPK模型中质量平衡方程参数。临床推荐给药剂量是200mg，静脉滴注0.5h。药物的理化性质如表3所示。除此之外，在PK-sim的个体板块也要根据文献设置为亚洲成年人，平均年龄为20.60岁，平均体重为64.50Kg，平均身高为170.5cm。异甘草酸镁的代谢主要是通过CYP3A4酶系，排泄途径为胆汁排泄，在肝脏中通过肝肠循环使异甘草酸镁可以在肝脏中保持维持较高浓度。拟合结果如图2所示。

表3 异甘草酸镁的理化性质

根据静脉血浆的拟合在PK-sim中得到整体的PK参数分析如表4所示，Vss(plasma)表示根据血浆中异甘草酸镁的浓度-时间曲线计算得到的血浆稳态分布容积，Vd(plasma)表示根据血浆中异甘草酸镁的浓度-时间曲线计算得到的血浆表观分布容积，Vss(phys-chem)表示根据药物的理化性质计算得到的血浆稳态分布容积。Total plasma clearance表示总血浆清除率。

血浆的PK参数分析如表5所示。C_max_p表示异甘草酸镁在血浆中达到的最大浓度，t_max_p表示血浆中异甘草酸镁达到最大浓度时对应的时间，C_tEnd_p表示血浆中异甘草酸镁模拟结束时的浓度，AUC_tEnd_p表示血浆中异甘草酸镁从第一个观测点到最后一个观测点的浓度-时间曲线下的面积，AUC_inf_p表示血浆中异甘草酸镁从第一个观测点外推到无穷大的浓度-时间曲线下的面积，MRT_p表示异甘草酸镁在血浆平均停留时间，Half-life_p表示异甘草酸镁在血浆中的半衰期，％AUC(tlast-∞)_p表示表示血浆中异甘草酸镁从第一个观测点外推到无穷大的AUC的分数，F_p表示异甘草酸镁在血浆中的生物利用度。

肝脏中的PK参数分析如表6所示。C_max_l表示异甘草酸镁在肝脏中达到的最大浓度，t_max_l表示肝脏中异甘草酸镁达到最大浓度时对应的时间，C_tEnd_l表示肝脏中异甘草酸镁模拟结束时的浓度，AUC_tEnd_l表示肝脏中异甘草酸镁从第一个观测点到最后一个观测点的浓度-时间曲线下的面积，AUC_inf_l表示肝脏中异甘草酸镁从第一个观测点外推到无穷大的浓度-时间曲线下的面积，MRT_l表示异甘草酸镁在肝脏平均停留时间，Half-life_l表示异甘草酸镁在肝脏中的半衰期，％AUC(tlast-∞)_l表示表示肝脏中异甘草酸镁从第一个观测点外推到无穷大的AUC的分数，F_l表示异甘草酸镁在肝脏中的生物利用度。

表4 整体PK参数分析

表5 血浆PK参数分析

表6 肝脏PK参数分析

步骤4预测药物暴露浓度：

在PK-sim中优化PBPK模型之后，在软件中预测给药点之后血浆和肝脏中的暴露变化趋势。具体操作为，在PK-sim中的模拟模块选择肝脏组织中的异甘草酸镁浓度和血浆中的异甘草酸镁浓度，这样便可以得到肝脏中异甘草酸镁浓度-时间曲线和血浆中异甘草酸镁浓度-时间曲线。预测的结果图，如图3所示。

以上实施案例仅为本发明若干种优选实施方式中的几种，应当指出，本发明不限于上述实施案例，对于本领域的普通技术人员来说，依然可以对前述实施案例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所要求保护的技术方案的精神和范围。