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微渗析技术在药代动力学和药物代谢研究中的应用

2024-07-22 来源:汇智旅游网
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药学学报Acta phasmaceutlea Sinica 2002,37(4):316—320 微渗析技术在药代动力学和药物代谢研究中的应用 丁平田 ,徐 晖,郑俊民 (沈阳药科大学药学系辽宁沈阳I t0016) 关键词:微渗析;药代动力学;药物代谢:药物分布 中图分类号:R917;R969 1 文献标识码:A 文章编号:05t3—4870(2002)04 0316—05 1前言 的速度通过微渗析探针,在膜的两侧则产生了浓度 )是一种在体取样技术( 梯度。如果探针周围组织中药物的浓度大于灌注液 中的浓度,药物会扩散进人探针中;相反,如果灌注 微渗析(mlcro:lie, vlvo sampling technique),是在线渗析技术的一个分 支:最早由美国和瑞典的研究人员首先提出了这一 概念 。他们的构思是在动物组织内植入一个“人 液中药物的浓度大于组织中的浓度,药物则由探针 内进入组织中:原理如图l所示。由于灌注液的流 速一般在0.1~10 ・min,探针回路中不会产生 工毛细血管”,用生理溶液(灌注液,peffusate)对其进 行灌注,组织细胞间液中的分子则可以通过管壁进 压力,由此引起的超滤现象(ultra.filtration)则可忽 略。物质通过渗析膜的扩散遵守Fick’s扩散定 入渗析液(dlalysate),然后通过对渗析液中的物质进 行分析来反映组织液中物质组成。 律 可以根据实验要求和药物的性质,选择应用 这一技术自80年代初逐步发展成熟起来,首先 成为宴验精神药理学和神经生理学的一个有力的实 验工具,并为世界所公认 关于这方面的应用已 不同类型的探针进行实验。 Dialysb wiadow 经有大量的论文发表。进入8O年代中期,特别是90 年代后,随着分析技术和其他相关学科的发展,微渗 析技术也得到了进一步的发展,应用领域也大大拓 宽 本文介绍微渗析的原理,并对其在药学中应用 进行综述。 2微渗析的原理 Cm 微渗析的基本原理是:在肌体组织内植入一根 很细的渗析管(称为微渗析探针,microdialysis probe),用于模拟体内细小的血管,渗析管中流动的 人工生理溶液则模拟了血液 渗析膜组成的材料有 多种,如纤维素、聚碳酸酯,醚、乙腈一甲代烯丙基磺 酸钠共聚物等,外径一般为150~500 um。渗析膜具 有一定的截留分子量(5~50 ku),只有分子量小于 3基本概念 3.1相对回收率c relative recovery) 微渗析探针 中灌注液的连续流动导致了药物在组织液和灌注液 之间的扩散不能完垒达到平衡,药物在渗析液中的 浓度和在组织液中的浓度并不相等。相对回收率是 指药物在渗析液中的浓度(C )和在组织液中的浓 度(C )的比值(回收率通常意指相对回收率) Bun Y等 给出了相对回收率的一般性定义: , = —截留值的化台物才可以自由通过渗析膜,在组织液 和灌注液之间进行物质交换,如小分子药物和水分 子;其他大分子则不能通过渗析膜。灌注液以一定 收稿El期2001 136—25 r  (I) Lm—Ll- 式(1)中.C 是药物在灌注液中的浓度 如果C 等于零,即渗析探针中灌注的是空白 人工生理溶液(灌注液),式【1)则可以改写为: 作者简介:r芈田(1969一),舅.博士.副斡授 ‘ 【:(024)23953228,Fax:(024)23883595、 E-mail:D fm365 D 维普资讯 http://www.cqvip.com

药学学报Acla PhartnaeeutJca Sinica 2002.37(4):316—320 R= Cd (2) 的传递率等于回收率,所以以传递率来代替回收率。 理论上,探针的回收率和传递率对于相同的药物是 相等的 这一假设正是用于在体测定探针回收率的 反向渗析法的原理。然而,事宴上情况却不总是如 3.2绝对回收量(absolute recovery) 绝对回收量 (R.)的概念是指在一定时间内,由流经探针的渗析 液所转移带出的药物的总量 。可表示如下: R :C ・V (3) 此.有许多药物的回收率和传递率并不相等 。在 这种情况下.应用反向渗析法测定的回收率是不正 确的 因此,在应用反向渗析法之前,应首先用实验 式(3)中,v 是单位时间内流经探针的渗析液 的体积。 验证药物的回收率和传递率是相等的,即药物经渗 析膜的正向和反向扩散应是相等的。但很多文献中 都未对此进行验证,就应用反向渗析法进行探针回 3.3传递率【delivery。Loss)药物经过渗析膜的扩 散双向进行,其净扩散的方向取决于膜两边的浓度 差。当药物在灌注液中的浓度大于探针周围环境的 浓度时,药物则由灌注液扩散进入组织液中。这种 情况下,回收率往往被称为传递率 。如果组织液 中药物的浓度相对灌注液中的浓度很低,则可以认 为C 为零,传递率可由下式表示: 一收率的测定,进而计算组织中的药物浓度,其实验结 果和结论均值得怀疑: 3.4.2零流速法 以不同的流速进行微渗析实验, 测定渗析液中药物的浓度。应用非线性回归分析的 方法来外推求得零流速时渗析液中的药物浓度,这  【4) 物浓度。 。旦学 时可以认为回收率为lO0%,即得到了组织中的药 3.4回收率的测定在药学研究中,微渗析探针的 3.4.3近似平衡渗析法 近似平衡渗析法是应用 尽可能长的渗析膜和尽可能低的流速进行实验,来 保证药物在膜两边的扩散达到平衡,这时回收率也 是lO0%,测量得到的渗析液中的药物浓度即为组 织中细胞间液中的浓度 。 回收率是用于求得组织中药物浓度的重要参数。一 般条件下,体外回收率和体内回收率是不相等的,因 为植入组织中的探针的周围环境同水溶液中的完全 不同。在组织中包含了细胞内、细胞问以及血管、毛 细血管内的空间,与般溶液相比,药物扩散传递的 路径要长,路径的曲折程度要大,扩散系数显然要 低。此外,例如在真皮中,一些由葡糖氨基蛋白多 糖、胶原纤维、弹性纤维组成的无定形物质也会阻碍 药物扩散的进行:并且组织的某些变化和反应(如红 3.5影响回收率的因素 相对回收率的大小取决 于探针中灌注液流速:灌注液流速增大,相对回收率 降低;反之,相对回收率则升高。因为流速越低时, 药物在微渗析探针内外越接近达到平衡。绝对回收 率虽也受流速大小的影响,但关系却要复杂 些 有文献 报道,绝对回收量随灌注液流速的增大而 升高,在某一速度下达到最大值后,则随流速的增大 而降低 流速的选择不仅要使回收率大小适宜,而 且在取样时间间隔中可以取得足够体积的渗析液以 备用于药物浓度的测定。 探针的回收率与渗析膜的有效面积呈正比关 肿、血流加快)也可能导致回收率的改变。所以探针 回收率的测定是微渗析实验中的重要内容。 3.4.1 旅差法和反向渗析法 根据回收率的定义 (方程1),用 系列含不同浓度药物的灌注液进行 微渗析实验,然后以C..一C。对C。作图,则得到一 条直线,直线的斜率就是R,横轴上的截距则为C ; 两者可以由线性回归方程分别计算出 这就是用于 计算C 和R的所谓浓差法(concentration diference ineth0d,l】IJ net lfux method) 。 。事实上,只有当Cd— C >0时,药物才由探针周围环境向灌注液扩散,这 时R为回收率;当C 一C <0时,灌注液中的药物 向周围环境中扩散,R为传递率。反向渗析法 (retrodialysis method)通常用于在体测定探针回收率, 是用系列的含不同浓度药物的灌注液对空白组织 进行微渗析实验,由于组织液中不含药物,即C 一 c <0,这时求得的R应为传递率。同时假定药物 系,渗析有效面积越大.膜的渗析效率越高,即回收 率越高。渗析膜材料的类型、膜孔径的大小、荷电情 况等都对回收率有影响 此外温度、药物的性 质 及灌注液的组成也影响探针的回收率。 4微渗析技术在药学研究中的应用 目前微渗析技术应用的领域有神经科学、实验 药理学、糖尿病及护理、机体代谢研究、药代动力学、 药物代谢研究等。其中微渗析在药学研究中的应用 是这领域的又个研究热点,已经引起了人们的 广泛的注意。研究内容涉及药代动力学、药物代谢 和组织分布等。与传统的取样技术相比,微渗析在 维普资讯 http://www.cqvip.com

药学学报4eta Phanr,aceutil a Sini{;a 2002.37(4):316—320 体取样具有无可匹敌的优势,包括以下几点 : 更小,而且还可以实现长时间内连续取样。Evrard (1 微渗析技术对动物组织的损伤小,动物无组织液 等应用微渗析技术测定了苯氟布洛芬(flurbiprofen) 眦脑屏障的分布 。 的损失;(2)使得同时在同一动物体内监测靶组织和 血液药物浓度成为可能;(3)每一动物均用自身做对 小鼠体内静注后血药浓度 0,研究了秋水仙素通过 照,这样不仅减少了实验误差,而且实验动物数可大 大减少;(4)可以在多种器官和组织中进行实验,包 括血液;(5)微渗析测定的是药物在组织中的游离浓 随着可方便灭菌消毒的柔软、耐用型探针的出 现,已有临床上将探针植入病人动脉/静脉中进行血 液微渗析的报道。Parsalos等 进行了 系列抗癫 度,这比组织中的总浓度与药物的作用强度更具相 关性;(6)微渗析是一种连续的、不间断的取样手段, 真正做到了对组织中的药物进行实时监测;(7)微 痫药(卡马西平、苯妥英、扑癫酮、苯巴比妥)在病人 体内的药代动力学研究,实验结果表明:微渗析实验 数据的动力学图线和直接 液采样的 线相当;病 渗析可以连续进行数小时,乃至几天;(8)由于微渗 析探针膜的分离作用,大分子的机体内源性物质不 能进入渗析液,所以渗析液可以直接用高效液相色 谱法等多种技术进行分析测定.不需任何的前处理 过程;(9)在渗析液中由于 Jf_=存在大分子酶类,在样 品的存放和测定的过程中避免了药物被降解,保证 了药物的稳定性。 4.1经皮微渗析在过去的几年中,人们将微渗析 取样技术应用于药物经皮渗透的研究,称之为经皮 徽渗析(cutaneous microdialysis)” 。这一研究领域中 的先驱是Fox和Hilton ,他们于1958年将壁上钻 有孔的注射器针头平行插入皮下,进行了缓激肽的 测定:1971年,又有学者利用这一技术于研究皮肤 有炎症反应时组胺的释放 。1991年,Anderson 等 对微渗析探针进行了改进,用于研究乙醇经人 体皮肤的吸收。从那时起,真正意义上的经皮微渗 析才开始应用于皮肤科的研究。早期的研究论文多 数集中于研究皮肤的病变和皮肤内源性物质的测 定,随后经皮微渗析被应用到了药物经皮吸收的研 究领域,用于研究药物的在体经皮渗透性以及局部 用制剂使用后皮肤内药物浓度的测定 。经皮 微渗析的应用可使皮肤内生化物质的变化和皮肤的 生理状态同时得以监测;可直接测定药物在靶部位 的游离浓度,与药效学相关联;不存在体内外相关性 的问题。 4.2血液微渗析 血液微渗析技术和HPLC或其 他分析技术(如高效毛细管电泳、质谱、液 质联用) 联用可用于动物血液中药代动力学的在线测定。由 于这一方法可用于直接测定血液中游离药物的浓 度,还可用于在体测定药物的血浆蛋白结合率。小 动物(如小鼠、大鼠)用于药代动力学研究.由于自身 有限的血液容量,用传统的取血方法每一动物只能 提供有限时间点的血样。由于微渗析取样无体液的 损失,损伤性小,可以使取样间隔缩小到数分钟乃至 人更乐意接受微渗析取样一这一研究小组还应用微 渗析技术监测左旋多巴和3—0一甲基多巴在帕金森 综合症病人体内浓度,以使给药剂量最佳化。此外 还用于人体血糖的测定 4.3 胆汁微渗析 支路型微渗析探针(shunt micmdialysis probe)最初由ScOtI和Lutte 于1993年 设计,可用于胆汁微渗析实验 探针中的支路管可 以保持胆汁循环,渗析管穿过支管用于对胆汁连续 取样并且不会干扰胆汁的正常流动。胆汁微渗析实 验可以提供药物肝脏代谢和药代动力学的第一手信 息。在传统实验中,需长时间收集胆汁,至少48 h: 长时间取样容易引起肠道中胆酸盐的耗竭.而导致 药代动力学的改变 使用支路型微渗析探针,则可 以完全避免这类问题的出现 胆汁微渗析研究的药 物包括苯酚、乙酰氨基酚、他可林【taerine)、酚酞。 在酚酞的研究中,支路型微渗析探针的应用还保持 了该药物及其葡糖苷酸加合物的肝肠循环 4.4肿瘤组织微渗析 一般认为抗癌药物的治疗 效果与靶组织中的浓度密切相关 ,因此研究测 定肿瘤部位细胞问液中药物的浓度一时间曲线具有 重要意义。实际中测定肿瘤中药物浓度的方法是组 织匀浆法,本方法繁杂、动物问差异大.并且测定的 是组织的血管中、细胞间和细胞内药物的浓度总和, 缺少专属性。近来研究人员将微渗析技术用于在体 (包括动物模型和人体实验)研究肿瘤组织中药物的 分布,取得了一定进展,所研究的药物包括氨甲蝶呤 (MTX)、5-FU、替奠唑胺(temozolotmde)和doxorubin 等。 4.5其他组织器官中的应用 微渗析可以同时用 于测定同一动物不同组织器官中游离的药物浓度, 这是其他取样技术不可能实现的 例如,如果同时 将探针植入动物的血管、肝脏和胆管中,则有可能得 到药物及其代谢产物由肝脏向血液或胆小管传递的 重要信息。 维普资讯 http://www.cqvip.com

曲学学报Acta Pharmaeeutiea Siniea 2002.37f4):3l6—320 微渗析的应用还包括以下几种组织和器官:眼 睛、肌肉、心脏、肺、肾脏、肝脏、胰脏以及中枢神经系 REFERENCES: [1]Ungerstedt c Mierodllaysis:histo ̄'and future:A tnteraatio ̄f斯mposiam。n Clinicaf Microdial?s ̄ ̄ Lppsala,Sweden:1997 22—25 2nd c j 统等组织中内源性和外源性物质的测定,详细内容 可以参阅文献 。 。 5微渗析原理的假设和误区 2 Ham burger A,Jacobosnn l,Nystrom B.etⅡf M crod a ys s 蛆m|]1 L g of neu ̄na[et ̄vi ronment in[ ̄rsic and clinical 微渗析理论的主要假设是药物通过膜传递扩散 的唯一动力是浓度梯度 。这种情况下,经过膜不 rese ̄:h[J], Acta Dem2 ̄Med.199I,Z30(2):375—380 reol,1996,76(Suppl/:I一61 l3 Gmth L Cutaneous m crodialysis methodolo ̄,and,'alidatio ̄l 【4j Bungay PM.Morrison PF,Dedfick RL Stead}'一state theo ̄ for quantitative microdialysis of solutes and water in 1.z帅and 同方向上的扩散流量是一致的,即正向渗析和反向 渗析的流量相等。这一理论是浓差法和反向渗析法 测定回收率的基本前提:最近,膜科学中的常见因 素——超滤(ultrafihratlon)和渗透作用(osmosi s)被 『 人到了微渗析理论中。由于跨膜压力的存在,导致 了灌注液经膜流向周围环境(组织),而引起渗析液 的体积减少 超滤作用表现为渗析膜的表面有“出 汗”现象.其在渗析管具有较高的流体静力学阻力、 大流速或渗析膜具有较高的截留分子量时易于出 现。另一方面,由于在膜的另一边存在高浓度的大 分子物质、细胞等 『起灌注液流向周围环境,这一现 象称之为渗透作用。无论是超滤作用还是渗透作 用,这两个因素都对药物的回收率有负面的影响。 为了消除超滤和渗透作用,可以考虑以下几方 面的措施:(1)应用具有尽可能低的截留分子量的渗 析膜、低流速和较短的出口连接管路;(2)渗析膜较 长易出现超滤时,可以使用推挽式(push—pul1)灌注 方式;(3)在灌注液中加人大分子(如白蛋白、右旋糖 酐等)以减少渗透压的影响.但加入的物质不应对测 定有干扰。 6结束语 微渗析技术作为一种新兴的取样技术,本身仍 有许多问题有待于进一步研究,如:(】)组织中探针 植入造成的损伤对药物代谢和动力学的影响;(2)水 溶性差的药物回收率低,对测定造成困难,要求具有 高灵敏度的检测方法;(3)定量微渗析中探针回收率 测定的方法学研究;(4)与组织具有良好相容性的新 型探针材料的研究和开发。 但无论如何,微渗析在研究中的应用提供了药 物分布的重要信息,是药物在靶组织(器官)中的代 谢和分布研究的有力工具,这一技术将在药代动力 学和药物代谢研究领域具有广阔的应用前景。此 外,随着微渗析技术的进一步发展和成熟,临床药代 动力学和药物监测也是微渗析极具潜力的应用领 域。 in nitro.J. Sci,I990,46(2):105 Il9 [5]Stable I .Segersvard S.Unge ̄ledt【Drug distribution studies wjth microdialysis:II caffeine and theophylline in bI ,brain and other tissues in rats J Sci,199I, (24):1843—1952 l6 J Stable L,Segersvard S.Ungerstedt U.A comparison between thYee me【hods for estimation of compounds by microdiab sis [J]J PharmocolMe ̄hods、199l,25(1) 41—52 7 Chu J,Gallo JM App]ication of microdialysis to charactefi ̄ drug deposition in tHmo/ ̄l J J Adv Drug Delit ,,20OO.45 f 2—3):243—253 [8 J Scott DO.Bell MA.Lunl ̄,c Micmdialysis perfusion sampling r【he investigation of phendl metabolism J , Pham2 dMf.1989,7(1】):】249一I259 [9]Hsiao JK,BaH BA,Morrison PF. Ⅱf Eff ̄ts of diife n【 semJpemnealile me ̄lhranes m in vitro performance of microdialysis probes l J J,,%urochem,1990,54(10):1449 —1506. 1 10]Stahle L Pharmacokinetics estimations from mlc ̄Nli sls data[J].J Clin pharmco1.1992,43(2):289—294 【11 J L LlT】le cE.St-oR DO Samplign living system using mlcrodialysis probe[J J AMf Chem,1901,63(15):773:k一 7鲫A 【12 Peter L.Microdialysls——a Hew and promising method in clinical medicine.J.,mMed.1991,230/2):363—364 l】3 Ungerstedt U Mierodialysis——principles and app]ications for studies Ln animals and nigh【J J., c Med.1991.230 L2):365—373 14j geoR DO,so n LR.Lunte CE/n vivo microdJalysis sampling coupled to liquid chromatography for the stud}"of acetaminphen metabolism Jj ,Chromatogr,I990,506 (3 :46l一469 [15]Fox RH,Hihon S/*i Bradyk nin formation in human skin as afactor 0n heat vasoddatation[J]JPh ̄io1.I958,14(19): 2219—2232 【16 Sondergaard J.Greases Mw Direct recovery of histamine from cutEuleous anaphylaxi s in 【J J Acta m , 1971.s2(1):98一100 17j Anderson C.Anderson T._ ̄Ilaander M Ethanol absorption across human skin measured by/n 1,f∞trdetx ̄dialysis technique:J].^№Derm wr ,I991,71(3):389 393 【18 Ault JM,Lunte CE,Meltzer NM, al Microdlal ̄sis smapling for the inveshgation of derma/traasporl【JJ Pharm 维普资讯 http://www.cqvip.com

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