Фармакокинетика (от древнегреческого pharmakon «лекарство» и кинетикос «движение, приведение в движение»; см. химическая кинетика ), иногда сокращенно ПК , — раздел фармакологии , посвященный описанию того, как на организм влияет определенное вещество после его приема. [1] Вещества, представляющие интерес, включают любые химические ксенобиотики , такие как фармацевтические препараты , пестициды , пищевые добавки , косметика и т. д. Он пытается проанализировать химический метаболизм и выяснить судьбу химического вещества с момента его введения до момента его введения. при котором он полностью выводится из организма . Фармакокинетика основана на математическом моделировании, в котором большое внимание уделяется взаимосвязи между концентрацией препарата в плазме и временем, прошедшим с момента введения препарата. Фармакокинетика – это изучение того, как лекарство влияет на организм, тогда как фармакодинамика (ФД) – это изучение того, как лекарство влияет на организм. Оба вместе влияют на дозировку , пользу и побочные эффекты , как видно на моделях ФК/ФД .
Фармакокинетика :
- Процесс поступления лекарств в организм, биотрансформация, которой они подвергаются, распределение лекарств и их метаболитов в тканях и выведение лекарств и их метаболитов из организма в течение определенного периода времени.
- Изучение большего количества подобных связанных процессов [2]
Когда лекарство вступает в контакт с организмом, происходит ряд фаз, которые описываются аббревиатурой ADME (или LADME, если высвобождение включено как отдельный этап от абсорбции):
Некоторые учебники объединяют первые две фазы, поскольку препарат часто назначают в активной форме, а это означает, что фазы высвобождения нет. Другие включают фазу, которая объединяет распределение, метаболизм и выведение в фазу диспозиции. Другие авторы включают токсикологический аспект препарата в так называемое ADME-Tox или ADMET . Две фазы метаболизма и выведения можно объединить под названием «Элиминация» .
Изучение этих отдельных фаз включает использование и манипулирование базовыми концепциями для понимания динамики процесса. По этой причине, чтобы полностью понять кинетику лекарственного средства, необходимо иметь подробные знания о ряде факторов, таких как: свойства веществ, которые действуют как вспомогательные вещества , характеристики соответствующих биологических мембран и способ их действия. вещества могут пересекать их, или особенности ферментативных реакций , инактивирующих препарат.
Ниже приведены наиболее часто измеряемые фармакокинетические показатели: [5] Единицы дозы в таблице выражены в молях (моль) и молях (М). Чтобы выразить показатели таблицы в единицах массы, вместо количества вещества просто замените «моль» на «г», а «М» на «г/дм3». Аналогичным образом, другие единицы в таблице могут быть выражены в единицах эквивалентного размера путем масштабирования. [6]
В фармакокинетике устойчивое состояние относится к ситуации, когда общий прием лекарственного средства находится в динамическом равновесии с его выведением. На практике обычно считается, что после начала регулярного приема лекарственного средства равновесное состояние достигается через период полувыведения, в 3–5 раз превышающий его период полувыведения. В равновесном состоянии и при линейной фармакокинетике AUC τ =AUC ∞ . [8]
Модели были разработаны для упрощения концептуализации многих процессов, происходящих при взаимодействии организма с химическим веществом. Фармакокинетическое моделирование может быть выполнено либо некомпартментными, либо компартментарными методами. Многокамерные модели наилучшим образом приближены к реальности; однако сложность добавления параметров при таком подходе к моделированию означает, что наиболее часто используются однокамерные модели и, прежде всего, двухкамерные модели . Результаты модели лекарственного средства могут использоваться в промышленности (например, при расчете биоэквивалентности при разработке непатентованных лекарств) или при клиническом применении фармакокинетических концепций. Клиническая фармакокинетика предоставляет множество рекомендаций по эффективному и действенному использованию лекарств для специалистов в области здравоохранения и ветеринарной медицины .
Модели обычно принимают форму математических формул , имеющих соответствующее графическое представление . Использование этих моделей позволяет понять характеристики молекулы , а также то, как будет вести себя конкретное лекарственное средство, учитывая информацию о некоторых его основных характеристиках, таких как константа диссоциации кислоты (pKa), биодоступность и растворимость , абсорбционная способность и распределение. в организме. Для разработки моделей можно использовать различные методы анализа, такие как нелинейная регрессия или удаление кривой.
Некомпартментные методы оценивают параметры ФК непосредственно из таблицы измерений концентрации во времени. Некомпартментные методы универсальны, поскольку не предполагают какой-либо конкретной модели и обычно дают точные результаты, приемлемые для исследований биоэквивалентности. Общее воздействие препарата чаще всего оценивается с помощью методов площади под кривой (AUC), при этом наиболее распространенным методом является правило трапеций ( числовое интегрирование ). Из-за зависимости от длины x в правиле трапеций оценка площади сильно зависит от графика отбора проб крови/плазмы. То есть, чем ближе моменты времени, тем точнее трапеции отражают реальную форму кривой концентрации-времени. Количество временных точек, доступных для успешного проведения анализа NCA, должно быть достаточным, чтобы охватить фазы всасывания, распределения и выведения, чтобы точно охарактеризовать лекарственное средство. Помимо показателей воздействия AUC, с использованием методов NCA также можно сообщать такие параметры, как Cmax (максимальная концентрация), Tmax (время достижения максимальной концентрации), CL и Vd.
Методы моделей отсеков оценивают график зависимости концентрации от времени, моделируя его как систему дифференциальных уравнений. Эти модели основаны на рассмотрении организма как ряда связанных между собой компартментов . Используются как однокамерные, так и многокамерные модели . Комментарные модели ПК часто похожи на кинетические модели, используемые в других научных дисциплинах, таких как химическая кинетика и термодинамика . Преимущество компартментального анализа перед некомпартментным анализом заключается в возможности изменять параметры и экстраполировать на новые ситуации. Недостатком является сложность разработки и проверки правильной модели. Хотя модели компартментов способны реалистично моделировать ситуацию внутри организма, модели неизбежно делают упрощающие предположения и не будут применимы во всех ситуациях. Какой бы сложной и точной ни была модель, она по-прежнему не отражает реальности, несмотря на усилия, затраченные на получение различных значений распределения лекарственного средства. Это связано с тем, что понятие объема распределения является относительным понятием и не является истинным отражением реальности. Таким образом, выбор модели сводится к решению, какая из них обеспечивает наименьшую погрешность для используемого препарата.
Простейшей моделью ПК является однокамерная модель ПК. Это моделирует организм как одно однородное отделение. Эта однокамерная модель предполагает, что концентрации лекарственного средства в плазме крови являются единственной информацией, необходимой для определения концентрации лекарственного средства в других жидкостях и тканях. Например, концентрация в других областях может быть приблизительно связана известными постоянными факторами с концентрацией в плазме крови.
В этой однокамерной модели наиболее распространенной моделью выведения является кинетика первого порядка , где выведение препарата прямо пропорционально концентрации препарата в организме. Это часто называют линейной фармакокинетикой , поскольку изменение концентрации с течением времени можно выразить как линейное дифференциальное уравнение . Предполагая, что однократная внутривенная болюсная доза приводит к концентрации в определенный момент времени , уравнение можно решить и получить :
Не все ткани организма имеют одинаковое кровоснабжение , поэтому распределение препарата в этих тканях будет медленнее, чем в других с лучшим кровоснабжением. Кроме того, существуют некоторые ткани (например, ткань головного мозга ), которые представляют собой настоящий барьер для распространения лекарств, который можно преодолеть с большей или меньшей легкостью в зависимости от характеристик лекарства. Если эти относительные условия для различных типов тканей учитывать вместе со скоростью элиминации, можно считать, что организм действует как два отсека: один, который мы можем назвать центральным отсеком , который имеет более быстрое распределение и включает в себя органы и системы с хорошо развитое кровоснабжение; и периферический отдел , состоящий из органов с более низким кровотоком. Другие ткани, например головной мозг, могут занимать различное положение в зависимости от способности лекарства преодолевать барьер , отделяющий орган от кровоснабжения.
Двухкамерные модели различаются в зависимости от того, в каком отделе происходит выведение. Наиболее распространенной ситуацией является то, что выведение происходит в центральном отсеке, поскольку печень и почки являются органами с хорошим кровоснабжением. Однако в некоторых ситуациях элиминация может происходить в периферическом отделе или даже в обоих. Это может означать, что существует три возможных варианта двухкамерной модели, которые еще не охватывают всех возможностей. [9]
В реальном мире каждая ткань будет иметь свои собственные характеристики распределения, и ни одна из них не будет строго линейной. Двухкамерная модель может быть неприменима в ситуациях, когда некоторые ферменты, ответственные за метаболизм препарата, становятся насыщенными или когда присутствует механизм активного выведения, независимый от концентрации препарата в плазме. Если обозначить объем распределения препарата в организме Vd F и объем его распределения в ткани Vd T , то первый будет описываться уравнением, учитывающим все ткани, действующие по-разному, то есть:
Это представляет собой модель с несколькими отсеками и множеством кривых, которые выражают сложные уравнения для получения общей кривой. Для построения этих уравнений был разработан ряд компьютерных программ . [9] Наиболее сложные модели PK (называемые моделями PBPK ) основаны на использовании физиологической информации для облегчения разработки и проверки.
График нелинейной зависимости между различными факторами представлен кривой ; взаимосвязь между факторами затем можно найти путем расчета размеров различных областей под кривой. Модели, используемые в нелинейной фармакокинетике, в основном основаны на кинетике Михаэлиса-Ментен . К факторам нелинейности реакции относятся следующие:
Таким образом, можно видеть, что нелинейность может возникать по причинам, которые влияют на всю фармакокинетическую последовательность: абсорбцию, распределение, метаболизм и выведение.
На практическом уровне биодоступность лекарства можно определить как долю лекарства, которая достигает места своего действия. С этой точки зрения внутривенное введение лекарства обеспечивает максимально возможную биодоступность, и считается, что этот метод дает биодоступность 1 (или 100%). Биодоступность других способов доставки сравнивают с биодоступностью при внутривенном введении (абсолютная биодоступность) или со стандартным значением, связанным с другими методами доставки в конкретном исследовании (относительная биодоступность).
После того, как установлена биодоступность лекарства, можно рассчитать изменения, которые необходимо внести в его дозировку, чтобы достичь необходимого уровня в плазме крови. Таким образом, биодоступность является математическим фактором для каждого отдельного препарата, влияющим на вводимую дозу. Рассчитать количество препарата в плазме крови, которое имеет реальный потенциал оказать свое действие, можно по формуле:
где De – эффективная доза , B – биодоступность и Da – введенная доза.
Следовательно, если лекарство имеет биодоступность 0,8 (или 80%) и его вводят в дозе 100 мг, уравнение будет демонстрировать следующее:
То есть введенные 100 мг представляют собой концентрацию в плазме крови 80 мг, которая способна оказывать фармацевтический эффект.
Эта концепция зависит от ряда факторов, присущих каждому препарату, таких как: [12]
Эти концепции, которые подробно обсуждаются в соответствующих озаглавленных статьях, можно выразить математически количественно и интегрировать для получения общего математического уравнения:
где Q — чистота препарата. [12]
где – скорость введения лекарственного средства и – скорость, с которой абсорбированное лекарственное средство достигает системы кровообращения.
Наконец, используя уравнение Хендерсона-Хассельбаха и зная pH препарата ( рН, при котором существует равновесие между его ионизированными и неионизированными молекулами), можно рассчитать неионизированную концентрацию лекарства и, следовательно, концентрацию, которая будет подлежат поглощению:
Когда два препарата имеют одинаковую биодоступность, их называют биологическими эквивалентами или биоэквивалентами. Эта концепция биоэквивалентности важна, поскольку в настоящее время она используется в качестве критерия при разрешении непатентованных лекарств во многих странах.
Биоаналитические методы необходимы для построения профиля концентрации во времени. Химические методы используются для измерения концентрации лекарств в биологическом матриксе , чаще всего в плазме. Надлежащие биоаналитические методы должны быть избирательными и чувствительными. Например, микромасштабный термофорез можно использовать для количественной оценки того, как биологическая матрица/жидкость влияет на сродство лекарства к его мишени. [13] [14]
Фармакокинетику часто изучают с помощью масс-спектрометрии из-за сложной природы матрицы (часто плазмы или мочи) и необходимости высокой чувствительности для наблюдения за концентрацией после низкой дозы и длительного периода времени. Наиболее распространенным прибором, используемым в этом приложении, является ЖХ-МС с тройным квадрупольным масс-спектрометром . Для большей специфичности обычно используется тандемная масс-спектрометрия . Стандартные кривые и внутренние стандарты обычно используются для количественного определения одного фармацевтического препарата в образцах. Образцы представляют разные моменты времени, когда фармацевтический препарат вводится, а затем метаболизируется или выводится из организма. Пустые образцы, взятые перед введением, важны для определения фона и обеспечения целостности данных в таких сложных матрицах образцов. Большое внимание уделяется линейности стандартной кривой; однако обычно используют аппроксимацию кривой с более сложными функциями, такими как квадратичные, поскольку отклик большинства масс-спектрометров не является линейным в больших диапазонах концентраций. [15] [16] [17]
В настоящее время существует значительный интерес к использованию масс-спектрометрии очень высокой чувствительности для исследований микродозирования , которые рассматриваются как многообещающая альтернатива экспериментам на животных . [18] Недавние исследования показывают, что вторичная ионизация электрораспылением (SESI-MS) может использоваться для мониторинга лекарств, что дает преимущество, позволяющее избежать жертвоприношения животных. [19]
Популяционная фармакокинетика — это исследование источников и коррелятов вариабельности концентраций лекарственного средства среди лиц, входящих в целевую популяцию пациентов, получающих клинически значимые дозы интересующего лекарственного средства. [20] [21] [22] Определенные демографические, патофизиологические и терапевтические особенности пациента, такие как масса тела, выделительные и метаболические функции, а также наличие других методов лечения, могут регулярно изменять соотношение дозы и концентрации и объяснять вариабельность экспозиции. Например, равновесные концентрации лекарств, выводимых преимущественно почками, обычно выше у пациентов с почечной недостаточностью, чем у пациентов с нормальной функцией почек, получающих ту же дозу лекарства. Популяционная фармакокинетика направлена на выявление измеримых патофизиологических факторов и объяснение источников вариабельности, которые вызывают изменения во взаимосвязи доза-концентрация и степень этих изменений, чтобы, если такие изменения связаны с клинически значимыми и значительными изменениями в воздействии, которые влияют на терапевтический индекс , дозировка может быть соответствующим образом изменена. Преимуществом популяционного фармакокинетического моделирования является его способность анализировать разреженные наборы данных (иногда доступно только одно измерение концентрации для каждого пациента).
Клиническая фармакокинетика (возникающая в результате клинического использования популяционной фармакокинетики) — это прямое применение в терапевтической ситуации знаний о фармакокинетике лекарственного средства и характеристиках популяции, к которой принадлежит (или к которой может быть отнесен) пациент.
Примером может служить возобновление использования циклоспорина в качестве иммуносупрессора для облегчения трансплантации органов. Первоначально были продемонстрированы терапевтические свойства препарата, но он практически не использовался после того, как было обнаружено, что он вызывает нефротоксичность у ряда пациентов. [23] Однако затем стало понятно, что можно индивидуализировать дозу циклоспорина для пациента путем анализа его плазменных концентраций (фармакокинетический мониторинг). Эта практика позволила снова использовать этот препарат и облегчила трансплантацию большого количества органов.
Клинический мониторинг обычно проводится путем определения концентрации в плазме, поскольку эти данные обычно легче всего получить и они наиболее надежны. К основным причинам определения концентрации препарата в плазме относятся: [24]
Экотоксикология — это отрасль науки, которая изучает природу, воздействие и взаимодействие веществ, вредных для окружающей среды, таких как микропластик и другие вредные для биосферы вещества. [25] [26] Экотоксикология изучается в области фармакокинетики, поскольку вещества, наносящие вред окружающей среде, такие как пестициды , могут проникать в тела живых организмов. Таким образом, влияние этих химикатов на здоровье является предметом исследований и испытаний на безопасность со стороны правительства или международных агентств, таких как Агентство по охране окружающей среды или ВОЗ . [27] [28] Как долго эти химические вещества остаются в организме , смертельная доза и другие факторы являются основным предметом внимания экотоксикологии.
Все программное обеспечение на основе моделей, указанное выше.
Глобальные центры с самым высоким профилем обеспечения углубленного обучения включают университеты Буффало , Флориды , Гетеборга , Лейдена , Отаго , Сан-Франциско , Пекина , Токио, Уппсалы , Вашингтона , Манчестера , Университета Монаша и Университета Шеффилда . [1]