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【教程】采用GastroPlus模拟PK曲线的步骤
2017-08-21

 

【教程】采用GastroPlus模拟PK曲线的步骤

导读

 通过对in vivo的溶解、溶出、渗透、分布、消除五个过程的微积分得到整个PK曲线;

此外,药物在胃肠道的沉淀、化学降解等因素也会导致药物部分的损失,影响吸收的总量。

以下步骤为通用步骤,涉及具体药物需根据特定情况,再加载数据。

步骤1in vivo solubility

一般通过体外测定的亲水性介质或者生物体相关介质的溶解度,可较好地反映化合物在体内的溶解过程。

GastroPlus通过以下形式表征体内溶解度:

1直接加载体外不同pH下的溶解度,作为体内溶解度此时的reference solubility输入曲线上的任一点均可:

2采用亨德森-哈塞尔巴尔赫方程(Henderson-Hasselbalch equation)进行计算结合pKaSol factorreference solubility描述溶解度随pH的变化。

l  对于酸性药物,方程为:pH = pKa + log10([A-]/[HA])

l  对于碱性药物,方程为:pH = pKa + log10([base]/[acid])

GastroPlus中表现的形式如下(该情况下,一般选择溶解度曲线上平衡部分作为reference solubility)

 

3考察温度、粒径、胆酸盐对药物溶解度的影响:

可分别用体外测定药物的熔点、粒径以及生物体相关介质的溶解度进行转化:

 

4考察体内胃肠道各部分pH变化,对药物溶解度的影响

可借助GastroPlus内建的ACAT模型自带的胃肠道生理学参数,进行转化:

步骤2in vivo dissolution

GastroPlus提供多种溶出模型表征体内溶出,但体外溶出不一定能很好地表征体内释放,这是口服模型搭建的一个重要环节;

体内可用药物的理化性质参数进行表述,也可用体外溶出曲线进行表征;该项需通过选择不同的模型,才能辅助评价体外溶出条件的合理性,为制剂开发提供非常有用的参考:

1基于数学模型的模拟体内溶出:

l  Johnson 模型 (默认)


l  Wang-Flanagan (Wang 1999, Wang 2002):


l  Z-Factor (Takano 2006):


   Z factor represents term

 

l  Johnson, Wang-Flanagan, Instant Dissolution都是结合药物的理化性质参数表述制剂体内的溶出;

l  z-factor则是结合体外溶出曲线与药物理化性质参数一起表征体内溶出。

2基于体外测定的溶出曲线,反映药物的体内溶出。

直接用体外测定的某条溶出曲线,作为制剂体内的溶出过程微积分运算:

3自定义或反推体内溶出曲线,得到Weibull溶出方程的参数,拟合计算得到体内溶出曲线:

步骤3in vivo absorption

大部分吸收可简化为药物在体内的跨细胞膜被动转运,符合菲克定律(Fick’s First Law)GastroPlus也可考察经细胞旁路扩散、主动转运。

通常吸收部分的体内、体外相关性较好,但需有较透彻的体外吸收实验作为支撑:

1GastroPlus常规的吸收过程微积分方程为:


其中,ASFtrans,i ASFpara,i 是药物跨膜、经细胞旁路扩散的吸收放大因子,Ri是每个肠道的半径,Ptrans,i Ppara,i是药物跨膜及胞间扩散的渗透能力,Vlum,i 是胃肠道每个部分的体积,

C(t)lum,i 是肠腔中药物浓度,C(t)entU,i 是肠上皮细胞中游离的药物浓度,C(t)pvU 是肝脏门静脉中游离的药物浓度。

2渗透部分通常输入体外细胞或者在体测定的表观渗透系数,并结合ACAT模型生理参数,自动转化到胃肠道各部分的渗透表征:

3对于经细胞旁路扩散方式GastroPlus提供了两个可选择的模型进行表征:

4对于主动转运过程,需详细的体外转运体及相应的转运体动力学参数,进行体外体内转化:

步骤4: 基于Compartmental PK型的分布与消除

1)利用该模型表征的药物体内分布与消除,通常较为简单。采用静脉给药后的血药浓度-时间数据点,并利用PK参数计算GastroPlus可直接准确得到相关的参数;

2)如下,模拟某个药物的体内清除与分布的参数;然后进行微积分计算。该模型直接采用体内的PK数据进行计算并用于PK曲线的模拟,一般情况下,计算结果体内体外的相关性较好:

5. 基于PBPK模型的药物体内分布

1GastroPlusPBPK模型结合药物的理化性质参数、机体的生理学参数,通过内建的公式进行计算得到,其相应的计算公式如下


公式中,Vp 是指血浆的体积,Ve 是红细胞的体积, E:P 是红细胞与血浆中的药物浓度比,Vt是组织的体积, Kpt是药物在组织和血浆中的分配系数,该参数可结合药物性质和生理参数参数进行计算得到, ERt 是在药物在特定组织中的提取率。

Vnlt是组织中中性脂类的百分数,Vpht是组织中磷酸酯的百分数,

Vewt是组织中细胞外水分的百分数,Viwt组织中细胞内水分的百分数;

Ka 是碱性化合物与酸性磷酸酯的结合常数;

[AP]T 是每个组织中酸性磷酸酯的浓度;

X[D], IW, X[D],P 是中性药物在细胞内(pH=7) 的百分数;血浆中(pH=7.4)中的百分数;

P是药物在溶剂/水中分配系数;

fup是药物的游离分数;

RAtp是组织和血浆中白蛋白的浓度比;

Fn+Fa是血浆中没有正电荷情况下药物的百分数; Fc 是血浆中有正电荷情况下药物的百分数;

Kpu是游离的组织与血浆的浓度比。

2)常规公式中,涉及体外测定的药物参数主要是logP, pKa, Rbp, fup的参数涉及的生理学参数,内建的PBPK模型一般已提供;

3PBPK模型的Vss计算,对于大多数药物能够较好地用体外数据与生理参数推导体内分布的过程;实际操作中,一般还需结合静脉的PK数据进行验证;在较差的情况下,还需进一步补充动物组织分布的数据,以矫正分布行为计算的偏差。

步骤6:基于PBPK模型的清除率计算

1在整个PK曲线的积分计算中,清除率是一个非常重要的参数,可获取的途径也很多(AAPS J. 2012 Jun;14(2):262-81.),体外与体内的相关性随药物性质、研究的种属等变化,具有很大的差异性。

2直接采用体内PK数据点计算得到系统清除率,并加载到GastroPlus

该方法体内偏差较小,但若想进一步提高准确性,最好是有物料质量平衡的实验数据,这可明确体内各组织器官所占系统总清除的百分数:

 

3体外肝微粒体等实验的数据,基于公式进行体内的转化。

该方法体外体内相关性较差,需根据药物性质与体内PK曲线,评估每种方法预测的准确性。如涉及首次人体PK预测,一般可结合动物PK预测与评估的结果,选择最优的方式来进行人体PK的预测。

4种属间的清除率外推,一般有单种属,也有多种属校正转化关系,并外推到另外一个种属。

单种属的外推主要涉及在公式的指数项设定,以及选择转化依据,如基于体重的转化:


可参照文献,了解更多的信息:J Med Sci 2009;29(6):331-339

5肝外清除的考察,需结合质量平衡的体外实验进行研究可能的肝外清除。

一般较为常见的是肾脏排泄与胆汁分泌。肾脏排泄的清除通常采用肾小球滤过率的积分方程来进行计算: 

6胆汁分泌通常伴随组织内的转运体介导,需有详细的体外转运体类型以及动力学数据进行支撑: