Уравнение токсикокинетики первого порядка в каких случаях оно применимо
Обновлено
Поделиться
Токсикокинетика – методологические подходы. Обзорная статья
О.Н. Пожарицкая, кандидат фармацевтических наук, А.Н. Шиков, доктор фармацевтических наук, В.Г. Макаров, доктор медицинских наук, профессор Санкт-Петербургский институт фармации 188663, Россия, Ленинградская обл., Всеволожский р-н, г.п. Кузьмоловский, ул. Заводская, д. 3, корп. 245 Е-mail: info@doclinika.ru
Пожарицкая О.Н., Шиков А.Н., Макаров В.Г. Токсикокинетика – методологические подходы. Обзорная статья. Лабораторные животные для научных исследований. 2019; 1. https://doi.org/10.29296/2618723X-2019-01-06
Рассмотрена необходимость интеграции фармакокинетики в испытания токсичности, что будет способствовать более точной интерпретации результатов токсикологических исследований и обеспечению рационального дизайна исследования. Термин «токсикокинетика» в контексте разработки лекарственных средств (ЛС) означает получение фармакокинетических данных либо в качестве интегрального компонента при проведении доклинических исследований токсичности либо в специально разработанных исследованиях по определению системной концентрации. Полученные данные могут быть полезны для интерпретации токсикологических исследований и их актуальности с точки зрения клинической безопасности. Современная практика разработки лекарств требует токсикологического исследования с самого раннего этапа поиска возможных кандидатов в ЛС. Токсикокинетические исследования, проводимые на исследовательском этапе, необходимы для установления более точной цели в процессе разработки. Токсикокинетический раздел – неотъемлемая часть программы доклинических испытаний. Получаемая информация призвана повысить ценность токсикологических данных как с точки зрения понимания исследований токсичности, так и в сравнении с клиническими данными для оценки риска и безопасности у человека. Благодаря включению в исследования токсичности и сопоставлению доклинических и клинических исследований, основной акцент делается на интерпретации данных токсичности, а не на характеристику основных фармакокинетических параметров изучаемой субстанции. Основная цель токсикокинетического исследования – определение системных концентраций, достигаемых у животных и выявление связи их с уровнем дозы и периодом проведения исследования токсичности. Кроме этого, при проведении токсикокинетических исследований ставятся вторичные цели: определить связь между концентрациями, достигнутыми в исследованиях токсичности, и результатами токсикологических исследований и провести оценку соответствия полученных данных параметрам клинической безопасности; подтвердить выбор вида и режим терапии данными доклинических исследований токсичности; получить информацию, которая в совокупности с результатами исследований токсичности позволит разработать дизайн последующих доклинических исследований токсичности. Токсикокинетика также помогает выбрать режим и интервал дозирования лекарств, необходимых для успешной терапии и/или экспериментальных исследований.
Введение
Предмет токсикокинетики – изучение абсорбции, распределения, метаболизма/биотрансформации и экскреции (Absorption, Distribution, Metabolism/biotransformation and Excretion, ADME) ксенобиотиков/токсикантов во времени. Поскольку основные кинетические концепции абсорбции, распределения, метаболизма и выделения химических веществ в организме изначально изучались в фармакологии, область исследования традиционно называется фармакокинетикой. Токсикокинетика расширяет кинетические принципы для изучения токсичности и охватывает различные области, начиная от изучения неблагоприятного воздействия ЛС и заканчивая исследованиями о том, как кинетика дислокации экзогенных химических веществ из окружающей среды (обычно называемые ксенобиотиками) регулирует их вредное воздействие на организм.
Принципы токсикокинетики
Знание кинетических принципов имеет большое значение в терапии, поскольку оно показывает взаимосвязь между фармакологическим или токсикологическим действием препарата/токсиканта и концентрацией препарата/токсиканта в организме. Эти принципы полезны для определения следующих факторов:
степени и скорости распространения параметров ADME в организме;
дозы и режимы дозирования препарата и их модификации в соответствии с индивидуальными потребностями и особенностями;
концентрации лекарственных веществ (ЛВ), которые вызывают терапевтические и токсические эффекты;
концентрации ЛВ в различных жидкостях организма и тканях, а также накопления ЛВ или его метаболитов в организме;
периода полувыведения (T1/2) и продолжительности действия ЛВ;
влияния состояния организма (заболевания) на различные фармакокинетические параметры;
характера и степени взаимодействия ЛВ.
Термин «токсикокинетика» в контексте разработки ЛС, предназначенных для человека, означает получение фармакокинетических данных либо в качестве интегрального компонента при проведении доклинических исследований токсичности, либо в специально разработанных исследованиях по определению системной концентрации. Полученные данные могут также быть полезны для интерпретации токсикологических исследований и их актуальности в аспекте вопросов клинической безопасности [1].
Цель данной публикации – оценка методологической основы для лучшего понимания значения и практического применения токсикокинетических данных и предоставления дальнейших рекомендаций по разработке стратегии проведения доклинических испытаний.
Токсикокинетический раздел – неотъемлемая часть программы доклинических испытаний [2], и получаемая информация призвана повысить ценность токсикологических данных как с точки зрения понимания исследований токсичности [3], так и в сравнении с клиническими данными в рамках оценки риска и безопасности у человека [4]. Благодаря включению в исследование токсичности и сопоставлению доклинических и клинических исследований, основной акцент делается на интерпретации данных токсичности, а не на характеристику основных фармакокинетических параметров изучаемого ЛВ [5].
Разработка препарата – динамичный процесс, включающий постоянную взаимосвязь между доклиническими и клиническими исследованиями (рис. 1). Детализованной процедуры проведения токсикокинетических исследований на сегодняшний день не разработано.
Современная практика разработки лекарств требует проведение токсикологического исследования с самого раннего этапа поиска возможных кандидатов в ЛС (см. рис. 1). Благодаря оптимизации молекулы/синтеза на этапе отбора выбираются кандидаты в ЛВ с высокой таргетностью, а исследования по изучению токсичности исследуемых препаратов с использованием новейших достижений науки обеспечивают адекватные точки отбора для дальнейшего исследования. Токсикокинетические исследования, выполняемые на этом исследовательском этапе, также необходимы для установления более точной цели в процессе разработки.
Основная цель токсикокинетического исследования – определение системных концентраций, достигаемых у животных, и выявление связи их с уровнем дозы и периодом проведения исследования токсичности. Кроме этого, при проведении токсикокинетических исследований ставятся вторичные цели:
определить связь между концентрациями, достигнутыми в исследованиях токсичности, и результатами токсикологических исследований и провести оценку соответствия полученных данных параметрам клинической безопасности;
подтвердить выбор вида и режим терапии;
получить информацию, которая в совокупности с результатами исследований токсичности позволит разработать дизайн последующих доклинических исследований.
Этих целей можно достичь путем расчета одного или нескольких фармакокинетических параметров измерений, осуществляемых в соответствующие моменты времени в ходе исследований хронической токсичности. Такие измерения, как правило, включают определение концентраций исходного ЛВ и/или его метаболита(ов) в биоматрице (плазме, либо цельной крови, либо в сыворотке).
В фармакологических исследованиях новых перспективных соединений в основном оцениваются параметры, описывающие биодоступность соединения, включая общий клиренс препарата из системы, объем распределения ЛС, скорость его элиминации, скорость абсорбции ЛС, константы скорости переноса среди компартментов системы и т.д. [7, 8]. Токсикокинетические исследования, напротив, направлены на определение альтернативных параметров, которые суммируют токсикологические эффекты, связанные с воздействием химических соединений на организм: определение максимальной концентрации Cmax; время Tmax, при котором достигается Cmax; период полувыведения T1/2; и площадь под кривой концентрация–время (AUC). Интерпретация токсикокинетических параметров при этом меняется. Cmax и Tmax относятся к скорости абсорбции и воздействия, тогда как AUC в этом случае следует интерпретировать в качестве сводного показателя степени абсорбции и воздействия. Период полувыведения T1/2 – это время, необходимое для устранения половины токсина из крови или плазмы от максимальной концентрации.
Иногда для некоторых веществ могут быть более актуальны иные биоматрицы, например выведение с мочой. Такие параметры как, например, биодоступность (f), период полувыведения (T1/2), фракция несвязанного препарата и объем распределения (Vd), также могут иметь значение при интерпретации токсикокинетических данных. Таким образом, выбор параметров и моментов времени должен осуществляться в индивидуальном порядке с учетом общих принципов.
Основная цель токсикокинетического анализа состоит в изучении системной концентрации препарата, достигаемой при введении его животным, используемым для токсикологических исследований. Однако при определенных обстоятельствах измерение концентрации метаболитов в плазме или других жидкостях организма имеет особое значение при проведении токсикокинетических исследований.
Данные, полученные при проведении токсикокинетических исследований, должны обеспечить адекватную оценку степени всасывания. Однако вследствие серьезных внутри- и межиндивидуальных различий кинетических параметров и небольшого количества животных, участвующих в токсикокинетических исследованиях, высокой статистической точности, как правило, не требуется. Следует учитывать расчет среднего значения и медианы, а также оценку изменчивости, но в некоторых случаях данные отдельных животных могут быть важнее детального статистического анализа групповых данных [5].
Сопутствующие токсикокинетические исследования, проводимые в рамках исследований токсичности, регулируемые нормами Надлежащей лабораторной практики (GLP), также должны соответствовать нормам GLP. Токсикокинетические исследования, ретроспективно предназначенные для генерации специфического набора данных при условиях, близко имитирующих условия проведения исследований токсичности, также должны соответствовать GLP, если данные исследования проводятся для оценки безопасности [9].
Выбор уровня доз в исследованиях токсичности во многом определяется результатами токсикологических испытаний и фармакодинамического ответа для изучаемого вида животных. Однако при определении уровня дозы могут быть задействованы токсикокинетические принципы – выбор 3 уровней доз [5].
Интеграция фармакокинетических данных в исследование токсичности подразумевает раннюю разработку аналитических методов. Последние должны выполняться при непрерывном анализе выбора аналитов и матриц, по мере получения новой информации о метаболизме и межвидовых различиях. Аналит и матрица, изучаемые в доклинических исследованиях, в идеале должны совпадать с изучаемыми в клинических исследованиях. Если в доклинических и клинических исследованиях используются разные методы анализа, все они должны быть надлежащим образом валидированы [10–13].
По результатам проведенного токсикокинетического исследования должен быть составлен отчет с полным анализом токсикокинетических данных, в том числе с целью интерпретации результатов токсикологических исследований [14]. В отчете должен быть изложен план аналитического метода, либо приведена ссылка на него. Кроме того, должно быть дано обоснование выбора анализируемой матрицы и измеряемого аналита.
Основные требования и рекомендации к помещениям для содержания животных, для проведения экспериментов, хранения данных, образцов, кормов и других материалов, помещениям для персонала подробно изложены в [15].
Фармакокинетика и токсикокинетика вместе с тесно связанными дисциплинами – фармакодинамикой и токсикодинамикой становятся важными компонентами процесса разработки и готового ЛС (ГЛС) (рис. 2). За последние 30 лет фармакокинетика играла все возрастающую роль в R&D-разработках; в настоящее время она является самостоятельной критической и высокоинтеллектуальной дисциплиной, способствующей получению знаний о распределении и активности лекарственного вещества в период доклинического и клинического изучения. Токсикокинетика имеет более недавнее происхождение и в настоящее время является предметом многочисленных дискуссий.
При введении препарата перорально или экстраваскулярно (э/в) [внутримышечно (в/м), подкожно (п/к), внутрибрюшинно (в/б) и т.д.], он медленно (по сравнению с внутривенным введением) проникает в системный кровоток. Типичная кривая концентрации в плазме, полученная после однократной пероральной дозы ГЛС показана на рис. 3. Эти параметры также применимы к токсикантам. Плазменная концентрация препарата постепенно увеличивается до максимума (пиковый уровень). Поскольку препарат поступает в кровоток, он распределяется по тканям и органам тела и далее выводится. Восходящая часть кривой (слева от пика) представляет собой фазу поглощения, поскольку на этой фазе скорость поглощения больше, чем скорости распределения и элиминации. Нисходящая часть кривой (справа от пика) обычно представляет собой фазу выведения, так как в этой фазе скорость элиминации превышает скорость поглощения. Скорость, с которой происходят процессы поглощения и элиминации, определяется наклонами кривой и выражается константой скорости поглощения (Ka) и константой скорости элиминации (Eβ) соответственно.
Важные параметры, необходимые для определения режимов приема лекарств (см. рис. 3):
минимальная эффективная концентрация (MЭК/MEC): минимальная концентрация ЛС в плазме, необходимая для получения желаемого фармакологического/терапевтического ответа. В случае противомикробных препаратов используется термин «минимальная ингибирующая концентрация» (МИК/MIC), которая может быть определена как минимальная концентрация антимикробного агента в плазме, требуемая для ингибирования роста микроорганизмов;
максимальная безопасная концентрация (МБК/MSC) или минимальная токсическая концентрация (МТК/MTC): концентрация препарата в плазме, выше которой возникают эффекты. Концентрация препарата выше MSC считается токсичной. Концентрация ЛС между MEC и MSC представляет терапевтический диапазон;
максимальная концентрация в плазме/пиковая концентрация в плазме (Cmax или Cpmax): точка, соответствующая максимальной концентрации лекарственного вещества в плазме. Максимальная концентрация в плазме зависит от вводимой дозы и скорости абсорбции (константа скорости поглощения, Ka) и элиминации (константа скорости элиминации, Eβ). Пиковая концентрация представляет точку времени, когда абсорбция равна скорости элиминации ЛС. Она часто выражается в мкг/мл;
площадь под кривой (Area Under Curve AUC): общая интегрированная площадь под кривой плазменной концентрации препарата. Она выражает общее количество ЛС, которое поступает в системный кровоток после введения препарата. Для некоторых веществ могут быть более актуальны другие характеристики, например показатели выведения с мочой;
пиковый эффект: максимальный или пиковый фармакологический эффект, получаемый от введения препарата. Он обычно наблюдается при максимальной концентрации препарата в плазме;
время достижения максимальной концентрации/время пиковой концентрации (Tmax): время, необходимое для достижения пиковой концентрации вещества в плазме. Чем быстрее скорость поглощения, тем ниже Tmax. Этот показатель также полезен при оценке эффективности лекарств, используемых для купирования острых состояний (например, боли), которые можно лечить с помощью одной дозы. Tmax выражается в часах;
начало действия: начало фармакологического ответа препарата. Это соответствует моменту, когда концентрация препарата в плазме превышает MEC;
время начала: время, необходимое лекарству для начала фармакологического ответа. Обычно это соответствует времени, когда концентрация в плазме достигает MEC после введения препарата;
продолжительность действия: период времени, в течение которого препарат вызывает фармакологический ответ. Это обычно соответствует длительности, когда концентрация препарата в плазме остается выше уровня MEC.
Другие параметры, например, биодоступность, Т1/2, фракция несвязанного препарата и объем распределения, также могут иметь значение при интерпретации токсикокинетических данных. Следовательно, выбор параметров и моментов времени должен осуществляться в индивидуальном порядке с учетом общих принципов.
Модели для описания токсикокинетического анализа
Прежде чем обсуждать различные модели, используемые при анализе токсикокинетики, важно определить процессы, которые будут возникать во время ADME. Например, когда вещество вводят любым другим способом, кроме внутривенного, оно медленно проникает в системную циркуляцию, и концентрация лекарственного вещества в плазме постепенно увеличивается до максимального пикового уровня. По мере того, как вещество всасывается в кровь, оно распределяется по тканям тела и также может одновременно выводиться. Если предположить, что концентрация химического вещества в крови или плазме находится в некотором описываемом динамическом равновесии с его концентрациями в органах и тканях, то изменение концентрации вещества в плазме должно отражать изменение его концентрации в тканях, а относительно простые кинетические модели могут адекватно описывать поведение вещества в организме. Ниже приведены часто встречающиеся модели, описывающие процессы в токсикокинетике:
Скорость кинетики нулевого порядка. Процесс нулевого порядка (кинетика нулевого порядка или кинетика с постоянной скоростью) может быть определен как процесс токсикокинетики, скорость которого не зависит от концентрации ксенобиотика/химического соединения; т.е. скорость процесса токсикокинетики остается постоянной и не может быть увеличена еще больше за счет увеличения концентрации ксенобиотика.
Скорость кинетики 1-го порядка. Процесс 1-го порядка (кинетика первого порядка или линейная кинетика) может быть определен как токсикокинетический процесс, скорость которого прямо пропорциональна концентрации ксенобиотика/химического соединения (т.е. чем выше концентрация, тем быстрее процесс).
Скорость кинетики смешанного порядка. Процесс смешанного порядка (кинетика смешанного порядка, нелинейная кинетика или дозозависимая кинетика) можно определить как процесс токсикокинетики, скорость которого представляет собой смесь процессов нулевого порядка и 1-го порядка. Процесс смешанного порядка соответствует кинетике нулевого порядка при высокой концентрации и кинетике 1-го порядка – при более низкой концентрации ксенобиотика. Этот тип кинетики обычно наблюдается при увеличении дозы или многократном приеме некоторых химических веществ.
Токсикокинетические модели
Для токсикокинетического анализа выбор используемой модели зависит от предполагаемого применения и доступных данных. Наиболее часто используют классическую токсикокинетику (традиционная), некомпартметные модели/некомпартментный анализ и физиологические модели.
Классическая токсикокинетика
Классической (традиционной) моделью токсикокинетики является математическое описание процесса от времени нахождения токсиканта во всем организме. При таком подходе организм представляет собой систему, состоящую из 1 или 2 (иногда – большего числа) компартментов (отделов), даже если отсеки не имеют точного соответствия анатомическим частям тела или физиологическим процессам. Эти эмпирические модели разделов почти всегда разрабатываются для описания кинетики токсикантов в легкодоступных жидкостях организма (в основном в крови) или экскрементах.
Это наиболее простой способ получения информации об абсорбции, распределении, метаболизме и выведении соединения, а также для изучения временного курса концентрации токсинов в крови или в плазме с течением времени. Если предположить, что концентрация химического вещества в крови или плазме находится в некотором описываемом динамическом равновесии с его концентрациями в тканях, то изменения концентрации токсикантов в плазме должны отражать изменения в концентрациях токсикантов в тканях, а относительно простые кинетические модели могут адекватно описывать поведение этого токсиканта в организме.
Однокомпартментная модель
Однокомпартментная открытая модель представляет собой простейшую модель, которая рассматривает все тело как единую, кинетически однородную единицу (компартмент). В этой модели конечное равновесное распределение между химическим веществом в плазме и другими жидкостями организма достигается быстро и поддерживается в течение всего времени.
Внутривенное введение: при введении любого химического вещества в виде болюса химическое вещество мгновенно распространяется в организме, и вся доза химического вещества поступает в организм и немедленно распространяется через циркуляцию по всем тканям (рис. 4). В такой ситуации кривая ксенобиотической концентрации от времени будет получена как прямая линия в полулогарифмическом виде, показывая монофазное экспоненциальное снижение. В этой модели снижение концентрации ксенобиотиков в плазме происходит только за счет элиминации химического вещества из организма; поэтому фаза называется «фазой элиминации». Фаза распределения обычно игнорируется в расчетах, потому что распределение происходит настолько быстро, что не может быть показано на графике. Экстраполированный нулевой член уравнения фазы линейной элиминации дает коэффициент B, а константа скорости элиминации определяется β. Величина В представляет собой концентрацию в плазме в момент введения химического вещества (см. рис. 4).
После в/в введения кривая представляет собой прямую линию в полулогарифмическом виде и показывает монофазный спад (рис. 5). В отличие от в/в, после перорального или э/в введения (вместо прямой линии) имеются 2 экспоненты (например, фаза абсорбции и элиминации).
При описании токсикокинетических процессов с помощью этой модели исходят из допущения, что вещество, попав в организм, полностью распределяется в едином пространстве, равном по величине объему распределения. В однокамерной модели наиболее простая оценка токсикокинетики влечет за собой количественную оценку плазменных концентраций токсиканта в нескольких временных точках после введения. Если полученные данные описываются прямой при использовании полулогарифмических координат, говорят, что кинетика токсиканта соответствует однокомпартментной модели (рис. 6).
Хотя такая модель достаточно примитивно описывает реальные процессы, протекающие в организме, она позволяет дать количественно описать свойства токсиканта. Эта модель наиболее широко применяется в практике токсикокинетических исследований, причем используется значительно чаще, чем любая другая.
Двухкомпартментная модель
Однокомпартментная модель не учитывает физиологические особенности организма. Предположили, что с увеличением числа компартментов, принятых в математической модели кинетики токсиканта, можно улучшить качество описания поведения вещества в организме. Таким образом, в модели включены компартменты, учитывающие процесс метаболизма ксенобиотиков, его связывание с тканями, внутрипеченочную циркуляцию и т.д. Однако для проверки правильности этих моделей требуется выполнение очень большого числа сложных экспериментов по определению содержания веществ и его метаболитов в различных органах и тканях. Часто получаемая информация не оправдывает затраты. Модель с 2 отсеками предполагает, что организм состоит из 2 компартментов (отсеков): центрального и периферийного (рис. 7). Центральный отсек (компартмент 1) включает кровь и сильно васкуляризированные органы, такие как печень, почки, легкие, сердце и мозг; менее васкуляризированные ткани, – кожа, мышцы, кости и хрящи – составляют периферическое отделение (компартмент 2). Лекарственное средство/токсикант при прямом в/в введении поступает в центральный отсек. После поглощения он распределяется по различным органам и быстро уравновешивается. Элиминация вещества происходит из центрального отсека, потому что там находятся основные органы, участвующие в выведении ЛС (например, печень и почки). Распределение средства/токсиканта в периферическое отделение происходит через кровь (центральное отделение) и протекает достаточно медленно. Предполагается, что передача химического вещества из центрального компартмента в периферийный и обратно происходит в соответствии с кинетикой первого порядка и определяется константой скорости (K). Индекс указывает направление химического движения; например, К12 относится к перемещению ЛС из компартмента 1 (центральное отделение) в компартмент 2 (периферический отдел), и обратное для К21 (рис. 8). Открытая модель с 2 отделами адекватно описывает кинетику распределения большинства химических веществ у людей и животных.
Внутривенное введение: после в/в введения, которое описывается кинетической моделью с 2 компартментами, снижение концентрации в плазме является двухэкспоненциальным; при представлении данных в полулогарифмических координатах кривая концентрации ксенобиотика в плазме быстро снижается в течение 1-й фазы, после чего следует медленное терминальное снижение (см. рис. 8). Первоначальное резкое снижение концентрации объясняется, главным образом, распределением лекарственного вещества из центрального компартмента в периферический, а окончательное медленное снижение в основном связано с выводом из центрального отсека. Линейная конечная часть кривой называется фазой элиминации. Разложение двухэкспоненциальной кривой на ее составляющие позволяет получить 2-й линейный сегмент, называемый фазой распределения.
Для любого химического вещества, которое поступает в организм перорально или с помощью э/в и распределяется в соответствии с открытой двухкомпартментной моделью, скорость изменения концентрации химического вещества в плазме описывается 3 показателями: Ka – показатель поглощения; α – показатель распределения; β – показатель выведения (см. рис. 8).
Трехкомпартментная модель
Токсикокинетическое поведение некоторых химических веществ, которые имеют высокое сродство к определенной ткани лучше интерпретировать в соответствии с трехкамерной открытой моделью (рис. 9). В этом случае считают, что тело состоит из 3 отсеков: 1 – центрального и 2 – периферийных компартментов. Центральный компартмент (отделение 1) содержит плазму и сильно васкуляризированные органы, тогда как периферические компартменты 2 и 3 содержат умеренно (например, кожу и мышцы) и плохо васкуляризированные ткани (например, кости, зубы, связки, волосы и жир) соответственно. Если какое-либо химическое вещество вводят внутривенно, то сначала оно немедленно распределяется в сильно васкуляризированные ткани (отделение 1), а затем медленно в умеренно васкуляризированные ткани (отделение 2); после этого вещество очень медленно распределяется в плохо васкуляризированные ткани (отделение 3). Графическое представление плазменных концентраций в полулогарифмических координатах имеет трехэкспоненциальный вид.
Некомпартметные модели/некомпартментный анализ
Некомпартментные модели и некомпартментный анализ – еще один подход, используемый для изучения поведения препаратов в организме. Такие подходы не требуют предположения о конкретной компартментной модели. Они рассматривают зависимость концентрации лекарственного вещества в плазме от времени как статистическую кривую распределения и выводят кинетические параметры из простых алгебраических уравнений. При этом подробное описание характеристик выведения лекарств не требуется. Недостаток этого метода – он часто оперирует средними значениями и предоставляет ограниченную информацию о профиле концентрации в плазме от времени.
Физиологические модели. Для конкретизации токсикокинетических исследований и оценки состояния организма после контакта с токсикантом иногда важно представлять реальные характеристики движения веществ в органах и тканях. Но эти характеристики зависят от параметров абсорбции, распределения, метаболизма, выведения веществ через эти органы и тканы. Если их определять с помощью методов компартментного моделирования, то получаемые значения будут достаточно условны, так как зависят от особенностей выбранной модели. Кроме того, при математическом моделировании невозможно представить, почему при введении в организм, например, противоопухолевого средства адриамицина развивается именно кардиотоксический эффект [16].
Эти трудности удается отчасти преодолеть, используя физиологические модели, разрабатываемые с учетом анатомо-физиологических особенностей органов и тканей у различных биологических видов (на которых изучается токсикокинетика), таких как объем, масса органа, кровоток через органы, связывание с белками, проницаемость гистогематических и клеточных барьеров, интенсивность и характер метаболизма в органах и т.д.
С помощью такого подхода можно достаточно хорошо представить токсикокинетику веществ, осмыслить влияние биометрических параметров на особенности токсикокинетических характеристик. Поскольку биометрические параметры органов видоспецифичны, видоспецифичны и токсикокинетические параметры ксенобиотиков, а поскольку между биометрическими параметрами и параметрами кинетики существует количественная связь, данные, полученные на животных, можно с достаточной точностью переносить на человека, подставляя в полученные на лабораторных животных эмпирические уравнения, соответствующие биометрические параметры органов и тканей человека.
При разработке физиологических моделей распределения веществ между органами и тканями обычно исходят из схемы кровоснабжения организма, которая для всех млекопитающих, по сути, одинакова. Обычно выбирают для исследования интересующий орган (например, сердце – при изучении кинетики кардиопротекторов, или печень – при изучении гепатопротекторов). Для каждого органа может быть построена либо упрощенная, либо полная модель, основанная на учете всех особенностей его кровоснабжения, метаболизма, функций.
Физиологические/основанные модели токсикокинетики (ФОМТ) представляют собой математическое описание физиологических процессов, которые определяют скорость и степень поглощения ксенобиотиков/токсикантов, распределения, обмена веществ и экскреции. Основное различие между ФОМТ и классическими токсикокинетическими моделями заключается в константах скорости, которые описывают транспорт химических веществ в компартменты и из них. В классической токсикокинетике константы скорости рассчитываются на основании полученных данных. В ФОМТ константы скорости представляют собой известные или гипотетические биологические процессы.
Токсикокинетика насыщения. Как уже упоминалось, распределение и выведение большинства веществ происходит в соответствии с кинетикой 1-го порядка. В этом случае ожидается, что константа скорости элиминации, кажущийся объем распределения, клиренс и период полувыведения не изменяются при увеличении или уменьшении дозы введенного вещества (т.е. не зависят от дозы). Однако для некоторых веществ в зависимости от введенной дозы могут изменяться его кажущийся объем распределения или клиренс. Это обычно называют нелинейной или кинетикой насыщения, поскольку биотрансформация, активные процессы переноса и связывания с белками имеют конечную емкость и могут быть насыщенными.
При нелинейной токсикокинетике повышение дозы приводит к тому, что концентрация токсиканта в месте метаболизма приближается или превышает константу Михаэлиса, увеличение скорости метаболизма становится меньше, чем пропорциональное дозе и в конечном итоге достигает максимума при чрезвычайно высоких дозах.
Переход от кинетики 1-го порядка к насыщению имеет важное значение в токсикологии, потому что это может привести к значительной кумуляции соединения в организме после острого воздействия и чрезмерного накопления при повторных воздействиях. В дополнение к усложнению кинетики, зависящей от дозы, существуют химические вещества с кинетикой очистки, которые изменяются с течением времени (зависящая от времени кинетика). Общей причиной кинетики, зависящей от времени, является автоматическая индукция ферментов, метаболизирующих ксенобиотик; т.е. субстрат способен индуцировать свой собственный метаболизм посредством активации транскрипции гена. Это явление часто встречается у некоторых препаратов, которые приводят к индукции фермента, тем самым сокращая период полувыведения.
Выбор дозы и режима дозирования. Режим дозирования определяется как способ введения ЛС. Для некоторых лекарств (противорвотные средства, антигельминтные и др.) однократная доза может обеспечить эффективное лечение. В таких случаях не происходит накопление лекарственного вещества, и поддержание постоянной терапевтической концентрации в плазме не требуется для лечения. Однако для многих лекарств, таких как антимикробные, антигипертензивные и антиаритмические препараты для успешной терапии требуются множественные дозы ЛС, поступающие в организм через определенные промежутки времени в течение определенного периода времени. В этих случаях необходимо разработать оптимальный режим дозирования.
Независимо от пути введения режим дозирования включает 2 важных аспекта:
величина единичной дозы (размер дозы);
частота повторения дозы (интервал дозирования).
Доза или размер дозы — это количественный термин, определяющий количество ЛС, которое необходимо вводить для получения определенного биологического ответа (т.е. для достижения определенной концентрации целевого компонента в плазме). Поскольку величина терапевтических и токсических реакций зависит от концентрации ЛС в плазме, размер дозы следует выбирать таким образом, чтобы она достигла максимальной концентрации в плазме (Cmax) или в пределах терапевтического диапазона (между минимальной эффективной концентрацией и максимальной безопасной концентрацией). Диапазон терапевтической концентрации в плазме получен путем тщательной клинической оценки ответа у достаточного количества соответственно отобранных индивидуумов.
Заключение
Знание данных токсикокинетики и компартментного моделирования можно применять для принятия решения о выборе дозы и режима дозирования при планировании дальнейших токсикологических исследований. Для многих химических веществ данные о концентрации в крови или плазме могут быть адекватно описаны с помощью моделей с 1 или 2 компартментами. В некоторых случаях для описания данных токсикокинетики крови или плазмы потребуются более сложные модели с увеличенным числом компартментов (например, модели токсикокинетики на физиологической основе). Параметры классических компартментных моделей обычно оцениваются путем статистической подгонки данных к модельным уравнениям с использованием методов нелинейной регрессии. Ряд программных пакетов доступен как для подбора данных, так и для моделирования с классическими моделями. Данные, полученные в результате анализа токсикокинетики, помогают понять динамику токсического события (например, какие концентрации в крови или плазме достигаются для получения специфического ответа, как накопление химического вещества контролирует возникновение и степень токсичности, а также стойкость токсических эффектов после прекращения воздействия). Токсикокинетика также помогает выбрать режим дозирования и интервал дозирования лекарств/химикатов, необходимых для успешной терапии и/или экспериментальных исследований.
Видео:Законы Кирхгофа - самое простое и понятное объяснение этих законовСкачать
Уравнение токсикокинетики первого порядка в каких случаях оно применимо
Главная
Видео уроки
Книги
Рекомендуем:
Токсикология:
Токсикология
Общая токсикология
Неотложная помощь при отравлении
Поражения от радиации
Отравления через дыхательные пути
Отравления через рот, желудок
Укусы змей, насекомых, животных
Химическая катастрофа
Книги по токсикологии
Частная токсикология:
Отравление анальгетиками
Отравление антиаритмиками
Отравление антидепрессантами
Отравление антигистаминными
Отравление взрывчаткой
Отравление гормонами
Отравление контрастом
Отравление лекарствами для лечения болезнй ЖКТ
Отравление лекарствами для лечения болезнй легких
Отравление лекарствами для лечения инфекций
Отравление лекарствами для снижения давления
Отравление стимуляторами дофаминовых рецепторов
Отравление металлами
Отравление наркотиками и психоактивными веществами
Токсикокинетика оксимов — пралидоксима и обидоксима (токсогонина)
а) Всасывание оксимов при пероральном применении:
— Пралидоксим. Пероральные дозы P2S (6—8 г) обеспечивают достижение плазменного уровня 4 мкг/мл примерно через 20 мин и могут поддерживать его до 5 ч. Пероральная доза 2 г 2-РАМ-С1 приводит к такому уровню примерно за 1 ч, а сохраняется он около 4 ч. Пероральный прием 3 г 2-РАМ-С1 дает плазменную концентрацию оксима выше 5 мкг/мл примерно через 2 ч и поддерживает ее в течение около 2 ч. Доза 6 г обеих этих форм пралидоксима приводит к превышению плазменного уровня 6 мкг/мл за 0,5 ч и сохранению его на протяжении 4 ч. Пероральный прием оксимов, по-видимому, дает слишком медленный эффект в экстремальных ситуациях как на войне, так и в мирных условиях.
— Обидоксим. Через 1—2 ч после перорального приема 1 г обидоксима достигается его плазменная концентрация около 1 мкг/мл. Доза 3 г может вызвать онемение губ и «сухость во рту». Плазменные уровни не ниже 4 мкг/мл обеспечиваются дозами 7 г и выше, при использовании которых часто отмечаются ригидность щек, онемение лица, привкус ментола и холод в глотке.
б) Всасывание оксимов при внутримышечном введении:
— Пралидоксима хлорид. После внутримышечной инъекции 2-РАМ-С1 в дозе 30 мг/кг его плазменная концентрация 14—15 мкг/мл достигается за 20—30 мин. Дозы 7,5—10 мг/кг дают уровень 4 мкг/мл в плазме через 5—10 мин. Концентрации выше 4 мкг/мл могут сохраняться от 4 до 8 ч.
— Пралидоксима мезилат (P2S). Внутримышечное введение мужчине дозы 30 мг на 1 кг массы тела через 20 мин приводит к пиковой плазменной концентрации в среднем 15 мкг/мл. Через 90 мин она падает до 9 мкг/мл. Терапевтический уровень в плазме достигается за 5— 10 мин. Если эти результаты верны для среднего мужчины, внутримышечная инъекция 20—30 мг P2S на 1 кг массы тела должна давать терапевтическую плазменную концентрацию именно за такой срок. У подопытных животных P2S хорошо снимает нервно-мышечную блокаду, вызванную зарином (метилизопропоксифторфосфатом), но гораздо менее эффективен при поражении табуном (диметиламидоэтоксицианфосфатом).
в) Всасывание оксимов при внутривенном введении:
— Пралидоксима хлорид. Внутривенное введение 2-РАМ-Cl в дозе 35 мг/кг дает плазменный уровень 17,6 мкг/мл за 30 мин; уровни такого порядка сохраняются в течение 6—8 ч. Внутривенная доза 45 мг/кг в случае применения P2S через 30 мин приводит к концентрации оксима в плазме 18,7 мкг/мл; уровень около 4 мкг/мл поддерживается в течение 4—5 ч.
Непрерывное внутривенное вливание. Перед тем как удовлетворительные концентрации РАМ будут достигнуты путем вливания, может потребоваться 2 ударные дозы 30 мг/кг с интервалом в 4 ч.
Непрерывное введение — расчет дозы. Непрерывное внутривенное введение 2-РАМ-Cl бывает эффективным у пациентов с рецидивированием никотиновых симптомов (мышечных фасцикуляций) в результате отравления фосфорорганическими соединениями (ФОС) после получения ударных доз антидотов. Ранее здоровый мужчина в возрасте 23 лет поступил в отделение неотложной медпомощи после того, как проглотил несколько унций неизвестного фосфорорганического инсектицида.
У него был выражен синдром SLUD (слюнотечение, слезотечение, недержание мочи, диарея), диаметр зрачков составлял 2 мм, пульс был равен 135 уд. в 1 мин, артериальное давление 150/110 мм рт.ст. Пациент жаловался на крайнюю слабость, неспособность ходить и спутанность сознания. Ему ввели 2,0 мг атропина и 1 г 2-РАМ-Cl внутривенно, после чего начали процедуры по очистке пищеварительного тракта.
Никотиновые симптомы внешне ослабли, но мышечные фасцикуляций возобновились примерно через 2,5 ч после введения антидотов. Медперсонал решил провести непрерывное вливание пралидоксима, но не знал, какую дозу и в течение какого времени использовать. Пациент весил 175 фунтов (около 79,5 кг). Был предложен следующий расчет.
А. Концентрация: рассчитывается минимальная эффективная концентрация (МЭК) пралидоксима по формуле: (ударная доза (мг)/масса пациента(кг)) x (1/временной интервал (до рецидивирования симптомов)) x 0,8 (объем распределения, VD) = МЭК. Например: (1000 мг/79,5 кг) х (1/2,5 ч) х 0,8 = 4,03 мкг/мл.
Б. Скорость вливания (10 % выше МЭК) рассчитывают по формуле: (1,1(10% выбранный «запас» хМЭК х клиренс(мл/мин) х 60 мин)/1000, где МЭК х 754 х 0,06 = МЭК х 50 = R (скорость вливания пралидоксима, мг/ч); 4,03 х 50 = 200 мг/ч. Готовим внутривенный раствор, добавляя 4 г пралидоксима к 500 мл изотонического солевого раствора; 200 мг/ч получим при скорости введения 25 мл/ч.
Меры предосторожности: 1. Применять при лечении всех симптоматических пациентов после экспозиции к нервно-паралитическому газу. 2. При тяжелой одышке внутривенно ввести 4—6 г атропина и 1 г 2-РАМ-Cl. Следить за частотой сердечных сокращений и артериальным давлением. 3. При умеренной экспозиции к парам (респираторный дистресс-синдром, желудочно-кишечные симптомы, мышечные подергивания) ввести 6 мг атропина, 2-РАМ-Cl и обязательно диазепам (10 мг внутримышечно). 4. Припадки часто купируются атропином и 2-PAM-Cl. В противном случае внутривенно ввести диазепам: 5— 10 мг за 3—5 мин взрослому; 0,24—0,4 мг/кг (до 10 мг) за 2—3 мин ребенку. Следить за дальнейшим угнетением дыхания (после применения диазепама), вызванным нервно-паралитическим веществом.
Наблюдать за рецидивированием никотиновых симптомов. Если они не появляются вновь в ближайшие 24 ч, прекратить терапию. Если появляются, отметить время рецидива и оценить уровень пралидоксима в организме пациента в данный момент (МЭК). Немедленно ввести 1 г пралидоксима. Начать его непрерывное внутривенное вливание для поддержания уровня примерно на 10 % рассчитанной МЭК. Ступенчато снижать дозу, например на 25 % каждые 8 ч.
Следить за пациентом в течение как минимум 1 ч после каждого снижения. Эти правила не всегда применимы в случае жирорастворимых фосфорорганических пестицидов, которые могут проявлять такие свойства ФОС, как «старение», перераспределение и позднее всасывание; у пациента бывает нарушена токси-кокинетика пралидоксима (в зависимости от почечной функции, сывороточного рН); необходимо учитывать взаимодействие с атропином.
Дозы при отравлении фосфорорганическими инсектицидами — другие методы. Обычная взрослая доза пралидоксима соответствует 1—2 г при массе тела 70 кг (14—28 мг/кг) внутривенно в 100— 150 мл солевого раствора в течение 15—30 мин. Рекомендуемая начальная доза для детей — от 15 до 25 мг/кг. Sidell предлагает начальную дозу для младенцев 15 мг/кг.
Детская доза. Семи детям с отравлением фосфорорганическими инсектицидами в течение 30 мин внутривенно ввели ударную дозу 2-РАМ-Cl: 15—50 мг/кг в 0,9 % солевом растворе для достижения концентрации антидота в крови 10—20 мг/мл. Затем было проведено поддерживающее вливание со скоростью 9—19 мг/кг в ч. Исходя из токсикокинетики 2-РАМ-С1 (Т1/2 1,14 ч; VD 0,73 л/кг), непрерывное вливание со скоростью 18 мг/кг в час должно дать равновесную сывороточную концентрацию 2-РАМ-Cl, примерно равную (в зависимости от VD) 40 мкг/мл. Другими словами, непрерывное вливание со скоростью 10—20 мг/кг в час обеспечивает стандартный уровень выше 4 мкг/мл.
Эти данные предполагают, что надо начинать лечение с дозы 2-РАМ-Cl 25 мг/кг внутривенно за 15—30 мин, а затем переходить на непрерывное вливание со скоростью 10—20 мг/кг в час. Его продолжают не менее 18 ч в зависимости от клинического состояния пациента и особенностей предполагаемого токсина.
г) Всасывание обидоксима (Toxogonin). Еще в 50-е годы сообщалось, что некоторые нуклеофиль-ные соединения (например, гидроксиламин, гидроксамовые кислоты, оксимы) способны реактивировать ингибированную холинэстеразу.
Плазменная концентрация 2-РАМ-Cl у добровольцев с отравлением ФОС поднимается выше, чем в контрольных группах. Максимальный уровень 2-РАМ-Cl после однократного внутримышечного введения дозы 1000 мг/3 мл составлял 9,9 мкг/мл у пациентов и 7,5 мкг/мл в контрольной группе, причем достигался в обеих группах за 33—34 мин. Период полувыведения был соответственно 174,4 и 148,9 мин, общий клиренс — 5,5 мл/мин на 1 кг и 9,1 мл/мин на 1 кг, а в неизмененном виде с мочой выводилось 62,6 и 80,2 % антидота.
Кажущийся объем распределения в обеих группах был практически одинаков (2,8 и 2,7 л/кг). Для сведения к минимуму риска передозировки у пациентов рекомендуется мониторинг плазменного уровня оксимов, особенно повышенной токсичности (например, тримедоксима и обидоксима).
д) Терапевтические дозы РАМ. Внутривенное или внутримышечное введение 2-РАМ-С1 или P2S в дозах 30 мг/кг или 8 мг/кг в час (550 мг/ч) обеспечивает считающиеся приемлемыми концентрации оксимов, однако обе схемы требуют внутривенного введения ударной дозы РАМ 30 мг/кг через 4 ч для достижения плазменного уровня выше 4 мкг/мл.
е) P2S. После внутривенной инъекции P2S в дозе 20 мг на 1 кг массы тела человеку может быть достигнут плазменный уровень 50 мкг/мл. При такой концентрации отмечаются головокружение, затуманенность зрения и диплопия, однако через несколько минут уровень антидота падает. Плазменный уровень P2S выше 4 мкг/мл (обычно 8— 12 мкг/мл) достаточен для противодействия нервно-мышечной блокаде, брадикардии, гипотензии и дыхательной недостаточности у анестезированной кошки.
ж) Распределение пралидоксима. Пралидоксим легко распределяется в большинстве биологических жидкостей и слабо связывается с плазменными белками. Объемы распределения (л/кг) двух форм этого оксима после внутривенного введения следующие:
з) Распределение обидоксима. Кажущийся объем распределения обидоксима составляет 0,173 л/кг.
з) Выведение пралидоксима. Пралидоксим быстро выводится с мочой. Примерно 90 % 2-РАМ-Cl и 87,1 % P2S после внутривенной дозы 5 мг/кг экскретируется в неизмененном виде. Период полувыведения при пероральном приеме близок у P2S к 94 мин, а у 2-РАМ-Cl — к 160 мин после доз 2—9 г (2,9—128 мг/кг). Период полужизни при внутримышечном введении 2-РАМ-Cl (2,5—10 мг/кг) равен примерно 77 мин. Период полужизни при внутривенном введении у P2S близок к 84 мин, а у 2-РАМ-Cl — к 78 мин.
и) Выведение обидоксима. Примерно 2,2 % пероральной дозы выводится с мочой за 24 ч. При этом период полувыведения обидоксима равен 2,64 ч. После внутривенной инъекции 68 % дозы обнаруживается в моче, а период полувыведения составляет 1,20 ч.
к) Взаимодействие оксимов с лекарствами: — Бикарбонат натрия — тиамин. Если 2-РАМ-Cl вводят вместе с тиамином, общий клиренс снижается. Тиамина хлорид, по-видимому, не усиливает защитных свойств 2-РАМ-Cl, а ощелачивание бикарбонатом натрия, похоже, повышает эффективность антидота. Пралидоксим активнее выводится с кислой мочой.
л) Оксимы при беременности и лактации. Безопасность РАМ в периоды беременности и лактации не изучалась.
м) Развитие устойчивости к оксимам (старения). Поражение большинством нервно-паралитических веществ (GA-табуном, GB — зарином, VX — ви-газом) эффективно лечится оксимами, например пралидоксимом, в течение нескольких часов после экспозиции (GB 5— 6 ч; VX — 48 ч), однако зоман (GD) становится устойчивым к оксимам за считанные минуты. Другими словами, GD быстро «стареет». Когда произошло такое старение, оксимовая терапия теряет эффективность. Старение связанного с ферментом ФОС может происходить в результате отщепления от последнего алкильной или алкоксильной части. Остающийся модифицированный комплекс фермент-ФОС более стабилен и устойчив к реактивации оксимами и сходными антидотами.
Редактор: Искандер Милевски. Дата обновления публикации: 18.3.2021
— Вернуться в оглавление раздела «Токсикология»
Видео:Что такое исчисление предикатов первого порядка? Душкин объяснитСкачать
Количественные характеристики токсикокинетики
Важнейшим этапом изучения токсикокинетики ксенобиотика является определение количественных характеристик процессов резорбции, распределения, элиминации. Методология определения токсикокинетических констант постоянно совершенствуется. Её развитие сопряжено с внедрением в практику исследований новых методов количественного определения веществ в биосредах и развитием математического аппарата анализа данных. Ниже будет представлена характеристика некоторых, наиболее часто встречающихся, методических приемов.
1. Скорость элиминации. Константа скорости элиминации. Время полуэлиминации
Как указывалось ранее, в понятие элиминации включаются все процессы, приводящие к снижению содержания чужеродного вещества в организме. Для количественной характеристики элиминации прибегают к проведению основного (базисного) токсикокинетического эксперимента. В ходе эксперимента внутривенно вводят исследуемое вещество в дозе «Д», а затем определяют в динамике концентрацию вещества «С» в плазме крови. Полученные результаты представляют в графической форме зависимости «С» от времени после введения «t» (рисунок 1). В большинстве случаев зависимость имеет вид экспоненты: временная зависимость 1-го порядка. В соответствии с кинетическим уравнением 1-го порядка имеем:
т.е. скорость процесса в каждый момент времени пропорциональна концентрации вещества.
Мерой скорости элиминации вещества является величина угла наклона касательной к кривой, проведенной в интересующей исследователя точке, или величина дифференциала dC/dt. Скорость элиминации уменьшается с течением времени, поскольку уменьшается величина C. Однако неизменной характеристикой процесса остается коэффициент пропорциональности К Е .
Рисунок 1. Зависимость концентрации вещества в плазме крови от времени после внутривенного введения
Интегрируя уравнение, имеем:
lnC 0 /C t = K E t , где
C 0 — исходная концентрация вещества;
C t — концентрация вещества в момент времени t;
t — время после введения вещества;
K E — константа скорости процесса элиминации;
Для определения К Е необходимо представить зависимость концентрации вещества в плазме от времени в полулогарифмической системе координат (рисунок 2). При этом зависимость приобретает линейный характер. Константа элиминации определяется как честное от деления lnС/ t. После определения величины К Е легко определить еще один важный токсикокинетический параметр, а именно величину времени полуэлиминации (t 1/2 ), т.е. время в течение которого из организма элиминируется половина введенного вещества. Время полуэлиминации связано простой зависимостью с величиной константы скорости элиминации:
t 1/2 = ln2/К Е = 0,693/К Е
Рисунок 2. Зависимость концентрации вещества в плазме крови от времени после внутривенного введения в системе полулогарифмических координат
Представление зависимости концентрации вещества в крови от времени в полулогарифмических координатах (рисунок 2) позволяет расширить информацию об особенностях токсикокинетики вещества, введенного внутривенно.
Начальная концентрация вещества С О в плазме крови не доступна для непосредственного измерения, поскольку необходимо время перемешивания ксенобиотика в крови (этап конвекции). Однако как условная величина С О имеет токсикокинетическое значение. Она может быть определена путем экстраполяции прямой зависимости lnC от времени к моменту t = 0. Значение С 0 и величина введенной дозы Д позволяют рассчитать объем распределения вещества V d до того, как начался процесс элиминации ксенобиотика:
Отнеся полученную величину к массе тела (М) получаем значение (V R ):
Значения относительного объема распределения и времени полуэлиминации некоторых ксенобиотиков представлены в таблице 1.
Таблица 1. Токсикокинетические характеристики некоторых веществ
Вещества
Хлорпромазин
Под клиаренсом понимают условный объем плазмы крови (мл), который полностью освобождается от находящегося в ней ксенобиотика в единицу времени. По Досту (Dost) все процессы, участвующие в элиминации вещества в конечном итоге суммируются и определяют так называемый «общий клиаренс» вещества (Cl tot ). При этом можно выделить элементы общего клиаренса, обеспечиваемые деятельностью основных органов выведения: почек, печени, легких, и метаболизмом ксенобиотиков, и рассматривать их отдельно как почечный (Cl R ), печеночный (Cl H ) и т.д. клиаренс:
Cl tot = Cl R + Cl H + Cl .
Определение общего клиаренса осуществляется на основе данных, полученных в ходе базисного токсикокинетического эксперимента (см. выше). Для этого по данным, представленным на рисунке 1, определяют величину площади под кривой зависимости «концентрация-время» (ППК). Клиаренс рассчитывают как:
Чем больше площадь под кривой при введенной дозе ксенобиотика, тем ниже значение клиаренса, т.е. тем дольше вещество выводится из организма. Клиаренс через отдельные органы рассчитывают с учетом количества вещества, выделяемого через эти органы. Значения клиаренса некоторых летучих токсикантов представлены в таблице 2.
Таблица 2. Респираторный и метаболический клиаренс некоторых летучих органических растворителей у человека
Растворители
Респираторный клиаренс
Метаболический клиаренс
Бензол
Толуол
Ксилол
Стирол
Дихлорметан
Хлороформ
Четыреххлористый углерод
1,1-дихлорэтан
1,2-дихлорэтан
1,1,1-трихлорэтан
1,1,2-трихлорэтан
1,1,1,2-тетрахлоэтан
1,1,2,2,-тетрахлорэтан
Трихлорэтилен
Тетрахлорэтилен
(A. Sato, T. Nakajima, 1987)
На принципе определения величины ППК основывается расчет и другой токсикокинетической характеристики вещества — биодоступности.
Под биодоступностью понимают способность вещества, находящегося в определенном агрегатном состоянии и связи с инертными носителями (почва, пища, растворитель и т.д.), абсорбироватся во внутренние среды организма и достигать места взаимодействия с системами-мишенями.
Поскольку место действия для подавляющего большинства токсикантов не определено, или недоступно для экспериментального анализа, принято допущение, согласно которому содержание вещества в крови линейно связано с величиной его биодоступности.
В соответствии с принципом Доста мерой биодоступности вещества в водимой дозе может являться величина ППК, которая не зависит от временных характеристик процесса резорбции. Чем больше ППК вещества при различных способах введения, тем выше его биодоступность, тем более выражено действие данного ксенобиотика на организм. Сравнение ППК при внутривенном способе и иных способах аппликации (например, ингаляционном, трансдермальном и т.д.) позволяет определить квоту резорбции токсиканта через различные «входные ворота» — частный случай характеристики биодоступности:
Q R = ППК инг /ППК в/в и т.д.
Фракция (F) апплицированной дозы вещества (в конкретном примере равна Q R ) определяет то количество действующего агента, которое достигло общего кровотока. При иных, кроме внутривенного, способах введения ксенобиотиков F G — фракция токсиканта в крови портальной системы;
F L — фракция токсиканта экстрагируемая печенью;
F — фракция токсиканта, попавшая в общий кровоток. Причем:
Так, если 80% вещества достигает портальной системы, а 30% при этом еще и экстрагируется печенью, то общего кровотока достигает: F = 0,8 0,7 = 0,56, т.е. 56% от введенного количества.
Однако в таком прочтении величина биодоступности не может в полной мере отражать последствия действия токсиканта на организм. Дело в том, что ППК при разных способах воздействия может быть одинаковой, но различная скорость поступления и одновременно протекающая элиминация соединения могут привести к совершенно разным эффектам одного и того же вещества. Пример такой ситуации приведен на рисунке 3.
Рисунок 3. Кривые динамики концентрации вещества Д в плазме крови экспериментального животного при различных способах воздействия:
N1 — внутривенное введение
N2 — введение через желудочно-кишечный тракт
N3 — введение через желудочно-кишечный тракт в форме, адсорбированной на ионно-обменной смоле
Как показано на рисунке, площадь под кривыми 1, 2, 3 после воздействия вещества в дозе Д различными способами практически одинакова, однако формирующиеся эффекты различны.
5. Соотношение между значениями клиаренса, объема распределения и времени полувыведения вещества
Клиаренс — характеристика скорости элиминации ксенобиотика. Независимой от клиаренса является величина объема распределения. Она определяется способностью веществ растворяться в воде, липидах, связываться с биосубстратом. Сильное связывание молекул токсиканта тканями приводит, при расчетах, к большим значениям V d . Период полувыведения является функцией объема распределения и скорости элиминации:
t 1/2 = ln2 V d /Cl tot
Из уравнения следует, что чем больше объем распределения при одном и том же значении клиаренса, тем дольше выводится вещество из организма. Усиление клиаренса сокращает период полувыведения.
Клиаренс может быть определен, как произведение константы элиминации на объем распределения:
Cl tot = K E V d = ln2 V d /t 1/2
При оценке полученных результатов необходимо иметь в виду, что в реальных условиях ни константа элиминации ни объем распределения не являются в полной мере величинами независимыми от времени после введения препарата.
Под компартментом в количественной токсикокинетике понимают некий гипотетический объем жидкости организма, в котором, в соответствии с едиными количественными характеристиками, «растворяется» вещество, поступившее во внутренние среды. Токсикокинетические компартменты не имеют ни анатомических, ни физиологических эквивалентов. В зависимости от желания исследователя можно представить организм в виде одного, двух, нескольких, многих компартментов и на основе этого представления произвести расчет интересующих токсикокинетических констант.
При определении и расчетах упомянутых в предыдущих разделах характеристик исходили из представления о наличии в организме лишь одного компартмента равного по величине V d . Реально в организме существует множество сред с различными свойствами и неодинаковой способностью связывать вещества. Желание экспериментаторов учесть эти особенности привели к созданию многокомпартментных математических моделей описания токсикокинетики соединений (рисунок 4). Однако в настоящее время нет возможности доказать, что двух- , трех-, наконец многокомпартментные модели более корректны, чем однокомпартментная, так как с биологических позиций они все же не физиологичны. Поэтому полагают, что любая математическая модель в принципе без большого ущерба может быть редуцирована до двухкомпратментной (водная фаза — липидная фаза) модели, а на практике по-прежнему наиболее часто используемой является однокомпартментная модель описания поведения вещества в организме.
Рисунок 4. Токсикокинетические модели:
k a — константа скорости абсорбции;
k e — константа скорости элиминации;
k 1 3 — константы скорости движения веществ между компартментами
При описании токсикокинетических процессов с помощью этой модели исходят из допущения, что вещество, попав в организм, полностью распределяется в едином пространстве, равном по величине объему распределения (V d ). Хотя такая модель достаточно груба для реальных процессов, происходящих в организме, она позволяет дать количественные характеристики, необходимые для описания свойств токсиканта. Эта модель получила самое широкое распространение в практике токсикологических исследований и используется значительно чаще, чем любая другая. Ниже приведены примеры её использования для описания нескольких ситуаций.
6.1.1. Моделирование поведения ксенобиотика при однократном внутривенном введении
В этой модели делается допущение, что вещество, быстро введенное внутривенно, мгновенно и равномерно распределяется в жидкостях и тканях организма. Под «организмом» понимают некий компартмент с определенным объемом. При этом в единице объема крови содержится количество ксенобиотика, которое отражает его содержание во всем «организме» (объеме). Метаболизм вещества не учитывается, а выведение рассматривается, как процесс, подчиняющийся закону кинетики 1-го порядка (скорость выведения определяется концентрацией вещества в крови: v = f(С)). Это позволяет предположить:
-b* = K Е b и b t = b 0 e -Kеt , где
b* — изменение содержания вещества в крови;
b 0 — содержание вещества в крови в момент времени t = 0 (т.е. величина, равная дозе вещества Д, введенной внутривенно);
b t — содержание вещества в крови в любое другое время после введения.
Если в качестве органа элиминации выступает только какой-то один орган, например почки, то количество вещества, ушедшего из крови, должно быть равно количеству, выделившегося с мочой: u t = b 0 — b t , или иначе: u t = b 0 (1 — e -Ke t ).
Течение этих процессов (выделения и снижения содержания в крови) графически представлено на рисунке 5.
Рисунок 5. Однокомпартментная модель: кривая элиминации из крови (b t ) и поступления в мочу (U t ) вещества с периодом полувыведения 3 часа (К Е = 0,23 ч -1 )
Для характеристики концентрации вещества в крови справедливо выражения:
При переводе данных в систему полулогарифмических координат можно легко определить значение К Е и С 0 (см. выше).
Исходя из дозы, введенного в организм вещества, и его концентрации С 0 рассчитывают объем распределения V d . В связи с тем, что процесс подчиняется кинетике 1-го порядка можно записать:
По прошествии времени, равного 5t 1/2 в «организме» остается около 3% введенного количества вещества.
Почечный клиаренс рассчитывается как:
Поскольку — b* = u = K E b, а b = C V d , имеем: u = Cl R C, т.е. клиаренс есть константа пропорциональности между величинами скорости выведения вещества через почки и концентрацией его в плазме крови. Иными словами клиаренс можно представить, как угол наклона прямой зависимости между количеством вещества, выделившегося в мочу за единицу времени t (u*) и концентрацией вещества в плазме.
6.1.2. Моделирование поведения ксенобиотика с параллельными путями выведения
Помимо выведения вещества через почки (u) возможно выведение и другими органами, например печенью (G), что приводит к более быстрому снижению его содержания в крови. Полагают, что оба процесса выведения подчиняются закону кинетики 1-го порядка. При этом К Е = К 1 + К 2 , где:
b* = — (К 1 + К 2 )b; u* = К 1 b; G* = К 2 b.
При этом для характеристики количества вещества, выделяющегося с мочой или желчью, имеем:
u 0 /D = K 1 /K 2 ; G 0 /D = K 2 /K 1 , где
u 0 /D — часть введенной дозы вещества, выведенная за исследуемое время через почки;
G 0 /D — часть введенной дозы вещества, выведенная за исследуемое время через печень.
Т.е. соотношение количества вещества, выделяющегося различными путями пропорционально константам скоростей элиминации через эти органы:
Cl tot = Cl H + Cl R
6.1.3. Моделирование поведения ксенобиотика полностью резорбирующегося из места введения
Как правило, токсикант поступает в организм не путем внутривенного введения, а в результате резорбции через легкие, кожу, желудочно-кишечный тракт, из подкожного или внутримышечного депо. При моделировании поведения ксенобиотика полагают, что резорбция также есть кинетический процесс первого порядка.
Предположим в момент времени t = 0 вещество в дозе Д быстро попало в депо М и начался процесс его резорбции в кровь с одновременной элиминацией через почки (u).
Все процессы, приводящие к повышению содержания вещества в крови, вследствие выхода его из места депонирования (поступления в организм) можно обозначить как инвазивные и условно объединить их в единый процесс с константой скорости инвазии К А . Напротив, все процессы, приводящие к уменьшению содержания вещества в организме, обозначаются как элиминационные (см. выше) с константой К Е . Как правило, при воздействии вещества наблюдаются оба процесса.
Динамика концентрации вещества в плазме крови при этом может быть описана функцией Батемана (Bateman):
С t = D/V d K A (K A — K E ) (e -Ke t — e -Ka t ).
Типичная кривая Батемана представлена на рисунке 6 (для вещества с соотношением К А /К Е равным 2)
Рисунок 6. Динамика концентрации вещества в крови (кривая В) при одновременном течении процессов резорбции и элиминации. Соотношение К А /К Е равно 2. Кривая А — концентрация вещества в месте аппликации.
На рисунке 7 представлены кривые Батемана для веществ с различными значениями констант скорости инвазивного процесса и одинаковым значением константы скорости элиминации. Все максимумы функций лежат выше кривой, отражающей динамику содержания веществ в крови при их внутривенном введении.
Рисунок 7. Функции Батемана для веществ В, С, Д с различными значениями константы скорости процесса инвазии (В = 2,0; С = 0,5; Д = 0,125 ч -1 ) при одинаковом значении константы скорости элиминации (0,125 ч -1 ). Кривая А отражает динамику содержания веществ В, С, Д при их внутривенном введении.
На рисунке также видно, что при одинаковом значении t 1/2 элиминации рассматриваемых веществ (кривая А, t 1/2 = 5 ч), кажущееся время полувыведения, наблюдаемое при постепенной резорбции токсикантов, существенно отличается от истинного значения и зависит от скорости процесса резорбции. Чем меньше скорость резорбции, тем более выражены различия истинного и кажущегося значений периода полувыведения (для вещества Д t 1/2 = 10 часам).
Таким образом, при анализе кривой динамики концентрации вещества в «организме», достаточно корректные данные о скорости элиминации можно получить лишь в тех случаях, когда скорость инвазии вещества значительно превышает скорость элиминации, и лишь в том временном интервале, когда процесс резорбции токсиканта полностью завершен.
Однокомпартментная модель не учитывает физиологические особенности организма, поэтому предположили, что с увеличением числа компартментов, принятых в математической модели кинетики токсиканта, можно улучшить качество описания поведения вещества в организме. Таким образом, в модели были включены компартменты, учитывающие процесс метаболизма ксенобиотиков, его связывание с тканями, внутрипеченочную циркуляцию и т.д. Однако для проверки правильности этих моделей требуется выполнение очень большого числа сложных экспериментов по определению содержания веществ и его метаболитов в различных органах и тканях. Часто получаемая информация не оправдывает затраты. Наконец, рассчитываемые константы справедливы только для принятой исследователем модели и не сопоставимы с константами, полученными в других моделях. В этой связи в практической токсикологии все чаще используют характеристики не зависящие от моделирования (метод определения ППК), получаемые при однокомпартментном моделировании или с помощью физиологических гемодинамических моделей (см. ниже).
6.3. Нелинейные токсикокинетические процессы
Модели, рассматривавшиеся выше, основаны на представлении, согласно которому скорость процессов, зависит только от концентрации веществ в объеме распределения (крови) V = f(с), а динамика концентрации вещества в объеме распределения подчиняется кинетике 1-го порядка. В соответствии с этим представлением токсикокинетика вещества может быть описана рядом линейных уравнений (см. выше). Однако такое представление справедливо лишь для системы, находящейся в состоянии динамического равновесия. На практике в биологии чаще имеют дело с неравновесными состояниями. В этой связи экспериментальные данные существенно отклоняются от полученных с помощью математического моделирования. Особенно часто это имеет место в тех случаях, когда вещество само влияет на процессы собственной резорбции, распределения, метаболизма, элиминации.
К числу нелинейных токсикокинетических процессов могут быть отнесены так называемые «насыщающиеся процессы»: канальцевая секреция ксенобиотиков в почках, метаболизм веществ в печени, связывание веществ белками плазмы крови и т.д. С насыщающимися процессами сталкиваются при исследовании механизмов активного транспорта веществ через барьеры. Так, элиминация этилового спирта из организма не подчиняется кинетике 1-го порядка, носит все признаки насыщаемого процесса (0 порядок). В этом случае скорость эвакуации вещества не зависит от его концентрации в объеме распределения и является величиной постоянной во времени, а следовательно не может быть отнесен к линейным процессам. Элиминация спирта из организма — пример нелинейной токсикокинетики.
Основные последствия кинетики насыщающихся процессов следующие:
— увеличение дозы вводимого вещества не приводит к пропорциональному увеличению его концентрации в объеме распределения;
— более высокая концентрация вещества в объеме распределения не сопровождается увеличением скорости выведения вещества из организма;
— повторное введение вещества не дает такого эффекта, который можно было бы ожидать, исходя из расчетов, основанных на данных, полученных при однократном введении;
— повторное введение не приводит к накоплению в организме вещества в концентрации, которую можно было бы ожидать, исходя из расчетов, основанных на данных, полученных при однократном введении.
К нелинейности кинетических процессов приводит также взаимодействие нескольких веществ друг с другом: влияние на процессы связывания, прохождения через биологические мембраны, изменение объемов распределения, индукция энзимов и т.д. Влияние нелинейности может быть математически учтено в процессе создания как однокомпартментной, так и многокомпартментных кинетических моделей.
При нелинейности процессов изменяются значения многих характеристик токсикокинетики веществ (период полувыведения, клиаренс и т.д.).
6.3.1. Нелинейная однокомпартментная модель распределения с ограниченным характером процесса элиминации
Если установлено, что процесс элиминации ксенобиотика подчиняется уравнению Михаэлиса-Ментен, это свидетельствует о его насыщаемости:
С* = — V max C /(K M + C) = — K E K M C /(K M + C), где
С* — изменение концентрации вещества в системе;
С — концентрация вещества в системе;
V max — максимальная скорость процесса (например выведения);
K M — константа Михаэлиса или константа полунасыщения системы;
K E — константа элиминации:
Как видно из уравнения при низких концентрациях вещества в плазме (С M ) скорость элиминации прямо пропорциональна С:
Напротив, в случаях, когда С> > K M процесс элиминации не зависит от концентрации вещества:
В этом случае имеем:
С(t) = C(o) — V max t
Это уравнение описывает, например, снижение содержания алкоголя в крови человека при его концентрации выше 0,1 мг/л. Если содержание вещества ниже этого значения процесс подчиняется кинетике 1-го порядка, то есть становится линейным.
Уравнение, описывающее процесс, может быть представлено в иной форме:
lnC(t) = lnC(o) — K E t + [ [ —> (C(o) — C(t)/K M] ] —>
Представление в полулогарифмической шкале координат дает график прямой в диапазоне малых концентраций, где процесс линеен и подчиняется кинетике 1-го порядка (при С(о)® 0, (C(o) — C(t)/K M ® 0).
В областях высоких концентраций зависимость носит более сложный характер, но выпрямляется в системе обычных координат (рисунок 8)
Рисунок 8. Зависимость содержания вещества в плазме крови от времени при насыщающемся характере элиминации ксенобиотика
7. Физиологические токсикокинетические модели
Для конкретизации токсикокинетических исследований и оценки состояния организма после контакта с токсикантом порой важно представлять реальные характеристики движения веществ в органах и тканях. Но эти характеристики зависят от параметров резорбции, распределения, метаболизма, выведения веществ через эти органы и тканы. Если их определять с помощью методов компартментного моделирования, то получаемые значения будут условны, т.к. зависят от особенностей выбранной модели. Кроме того при математическом моделировании невозможно, например, представить почему при введении в организм противоопухолевого средства адриамицина развивается именно кардиотоксический эффект.
Эти трудности удается отчасти преодолеть, используя физиологические модели, разрабатываемые с учетом анатомо-физиологических особенностей органов и тканей у различных биологических видов (на которых изучается токсикокинетика), таких как объем, масса органа, кровоток через органы, связывание с белками, проницаемость гистогематических и клеточных барьеров, интенсивность и характер метаболизма в органах и т.д. (таблица 3).
Таблица 3. Сравнительная характеристика некоторых биометрических параметров организма человека и крысы (самцы)
Параметр
Крыса
Человек
Человек/ крыса
Масса тела, г Масса (% от массы тела): -печени -почек -сердца -легких -надпочечников Площадь поверхности, м 2 Продолжительность жизни, дни Основной метаболизм: -ккал/кг сут -ккал/м 2 сут Потребление пищи, г/кг сут Время вынашивания плода, сут Общий белок крови, г/дл Альбумины/глобулины крови
109 908 50 22 8,01 0,95
2,28 0,43 0,41 1,50 0,02 1,88 26 10 3
25,6 953 10 280 6,71 1,66
0,23 1,05 0,20 12,72 0,84 1,75
(По Oser B.L., 1981)
С помощью такого подхода можно достаточно хорошо представить токсикокинетику веществ, осмыслить влияние биометрических параметров на особенности токсикокинетических характеристик. Поскольку биометрические параметры органов видоспецифичны, видоспицефичны и токсикокинетические параметры ксенобиотиков, а поскольку между биометрическими параметрами и параметрами кинетики существует количественная связь, данные полученные на животных можно с достаточной точностью переносить на человека, подставляя в полученные на лабораторных животных эмпирические уравнения, соответствующие биометрические параметры органов и тканей человека.
При разработке физиологических моделей распределения веществ между органами и тканями обычно исходят из схемы кровоснабжения организма, которая для всех млекопитающих, по сути, одинакова.
Обычно выбирают для исследования интересующий орган (например, сердце при изучении кинетики гликозидов, или мозг при изучении психодислептиков), а для нерастворимых в жирах веществ из рассмотрения вообще убирают жировую ткань. Для каждого органа может быть построена либо упрощенная, либо полная, основанная на учете всех особенностей его кровоснабжения, метаболизма, функций, модель (рисунок 9).
Рисунок 9. Схематическое представление органа в физиологической токсикокинетической модели
В упрощенном виде обычно рассматривают две возможности:
а) преимущественное влияние на характер распределения вещества особенностей кровоснабжения органа;
б) преимущественное влияние на распределение вещества свойств гистогематического барьера.
Если переход веществ из одного компартмента в другой (например, из крови в ткань) осуществляется значительно быстрее, чем прохождение крови через исследуемый орган, говорят о преимущественной зависимости распределения вещества от особенностей гемодинамики, если значительно медленнее — о преимущественной зависимости от свойств барьера.
Следующий этап исследования состоит в составлении уравнения баланса масс распределения для каждого органа или ткани. Например, такое уравнение для органа «i» с лимитирующим фактором распределения «особенности кровоснабжения» можно представить следующим образом:
V i dC i /dt = Q i [ [ —> C a — (C i /R i )] ] —> , где
V i — объем органа;
Q i — скорость кровотока через орган;
C a — концентрация токсиканта в артериальной крови;
R i — коэффициент распределения вещества в системе кровь/орган;
dC i /dt — скорость изменения концентрации токсиканта в органе.
Таким образом, скорость накопления вещества в органе (V i dC i /dt) зависит от:
— концентрации вещества в крови;
— скорости кровотока в органе;
— скорости диффузии вещества из других органов в кровь и наоборот;
— скорости биотрансформации веществ.
Практическое значение подобного подхода зависит от физической возможности исследователя получить большое количество экспериментальных данных, необходимых для насыщения физиологической модели конкретной информацией. Поскольку большая часть информации может быть получена только в ходе экспериментальных исследований на лабораторных животных, необходим следующий этап работы, а именно: получение данных о влиянии биометрических характеристик органов и систем на параметры токсикокинетики ксенобиотиков.
Установлению этого влияния были посвящены многочисленные исследования. При этом для математического описания связей между сравниваемыми величинами использовали аллометрические уравнения вида:
y = x , где
y — исследуемая токсикокинетическая характеристика (например клиаренс);
х — биометрическая характеристика (например, масса органа элиминации);
Поскольку токсикокинетические характеристики изучаются в организмах существенно отличающихся друг от друга биометрическими показателями (массой, размерами, интенсивностью метаболизма, частотой сердечных сокращений и т.д.) сравнительная оценка получаемых величин для разных видов живых существ порой в значительной степени затруднена.
Иногда удается преодолеть возникающие трудности путем использования для анализа экспериментального материала некоего единого масштаба, учитывающего особенности физиологии организмов. Так, установлено, что период полуэлиминации цефалоспорина у 5 различных видов живых существ значительно различается (у мыши — 10 мин, у собаки — 60 мин, у человека — 90 мин). Однако, при переводе полученных данных к «единой шкале измерений», установлено, что у всех видов период полуэлиминации равен 7253 сокращениям сердечной мышцы (J. Mordenti, 1986).
💥 Видео
Что означает Основное начисление сотрудника следует редактировать в одной строке - 1С ЗУП 8 ред2.5Скачать
Доцент Глотов М.А.: Системная токсичность местных анестетиков в клинической практикеСкачать
lnС/ 
x 
, где
