药物代谢动力学

药代动力学研究特定的外源性化学物质如何通过体内的吸收、分布和代谢机制（如通过细胞色素P450或葡萄糖醛酸转移酶等代谢酶）影响机体，并形成药物的代謝產物和排泄途径。[2]化合物的药代动力学特性受给药途径和给药剂量的双重影响，并一同影响吸收速率。[3]

在研究中，为简化生物体与化学物质相互作用的过程，可以运用某些模型研究药代动力学，如多隔室模型（或称多房室模型，多室模型，Multi-compartmental model）。建模类型中有些较为复杂，其中“单室模型”（Monocompartmental models）和”两室模型”（Two compartmental models）较为简单且常用。[4]模型中分隔出为不同的室通常称为ADME图（ADME scheme），若将释放过程（Liberation）从吸收过程中单独列出，也称为LADME：

• Liberation 释放——药物从制剂中释放的过程。[5][6]参见IVIVC 。
• Absorption 吸收 ——物质进入血液循环的过程。
• Distribution 分布——物质在身体体液和组织内的分散或传播。
• Metabolism 代谢——生物体识别存在外源性化合物，并将化合物不可逆地转化为代谢产物。
• Excretion 排泄——将物质从体内排出。一些药物若不可逆地在身体组织中积聚，可能会导致毒性。

药物的代谢和排泄两个阶段也可统称为药物消除（Elimination）。对以上药物在体内不同阶段的研究涉及一些基本概念，以了解药物体内的动态过程，其中诸多因素会影响到整个药代动力学过程，例如：赋形剂的物料属性对于释放产生影响；生物膜特有性质对于物质穿越膜及对药物吸收产生影响；酶反应的特性可导致药物失去活性等。

以上的概念均可通过相应数学公式来表达。通过理解药物分子的特性，以及药物基本物理化学性质，如酸解离常数(pKa)、生物利用度、溶解度、吸收能力和机体组织中的分布情况等，可推测其在有机体体内的药物动力学情况。

常用的药代动力学指标如下表：[7][8]

药代动力学参数

参数	描述	符号	单位	公式	示例 值
剂量	服用药物量	${\displaystyle D}$	${\displaystyle \mathrm {mol} }$	设计参数	500 mmol
服药间隔	服用药物间隔时间	${\displaystyle \tau }$	${\displaystyle \mathrm {h} }$	设计参数	24 h
Cmax	服药之后血药浓度峰值	${\displaystyle C_{\text{max}}}$	${\displaystyle \mathrm {mmol/L} }$	直接测定值	60.9 mmol/L
tmax	服药之后达到Cmax的时间	${\displaystyle t_{\text{max}}}$	${\displaystyle \mathrm {h} }$	直接测定值	3.9 h
Cmin	在下一次服药之前的最低血药浓度	${\displaystyle C_{{\text{min}},{\text{ss}}}}$	${\displaystyle \mathrm {mmol/L} }$	直接测定值	27.7 mmol/L
Cavg	在一个剂量间隔时间内，血药浓度达到稳态期间的平均血药浓度	${\displaystyle C_{{\text{av}},{\text{ss}}}}$	${\displaystyle \mathrm {h\times mmol/L} }$	${\displaystyle {\frac {AUC_{\tau ,{\text{ss}}}}{\tau }}}$	55.0 h×mmol/L
分布容积	某药物表观分布容积	${\displaystyle V_{\text{d}}}$	${\displaystyle \mathrm {L} }$	${\displaystyle {\frac {D}{C_{0}}}}$	6.0 L
血药浓度	在一定体积血浆的药量	${\displaystyle C_{0},C_{\text{ss}}}$	${\displaystyle \mathrm {mmol/L} }$	${\displaystyle {\frac {D}{V_{\text{d}}}}}$	83.3 mmol/L
吸收半衰期	一定剂量的药物吸收50%入体循环所需时间	${\displaystyle t_{{\frac {1}{2}}a}}$	${\displaystyle \mathrm {h} }$	${\displaystyle {\frac {\ln(2)}{k_{\text{a}}}}}$	1.0 h
吸收速率常数	药物通过口服或血管外路径进入体内的速率	${\displaystyle k_{\text{a}}}$	${\displaystyle \mathrm {h} ^{-1}}$	${\displaystyle {\frac {\ln(2)}{t_{{\frac {1}{2}}a}}}}$	0.693 h−1
消除半衰期	药物在体内降低至原浓度一半时所需时间	${\displaystyle t_{{\frac {1}{2}}b}}$	${\displaystyle \mathrm {h} }$	${\displaystyle {\frac {\ln(2)}{k_{\text{e}}}}}$	12 h
消除速率常数	药物从体内移除的速率	${\displaystyle k_{\text{e}}}$	${\displaystyle \mathrm {h} ^{-1}}$	${\displaystyle {\frac {\ln(2)}{t_{{\frac {1}{2}}b}}}={\frac {CL}{V_{\text{d}}}}}$	0.0578 h−1
输注速率	需要平衡药物消除的输注速率	${\displaystyle k_{\text{in}}}$	${\displaystyle \mathrm {mol/h} }$	${\displaystyle C_{\text{ss}}\cdot CL}$	50 mmol/h
曲线下面积	一次性给药或在稳态时浓度-时间曲线的积分	${\displaystyle AUC_{0-\infty }}$	${\displaystyle \mathrm {M} \cdot \mathrm {s} }$	${\displaystyle \int _{0}^{\infty }C\,\mathrm {d} t}$	1,320 h×mmol/L
		${\displaystyle AUC_{\tau ,{\text{ss}}}}$	${\displaystyle \mathrm {M} \cdot \mathrm {s} }$	${\displaystyle \int _{t}^{t+\tau }C\,\mathrm {d} t}$
清除	每单位时间内清除药物血浆的体积	${\displaystyle CL}$	${\displaystyle \mathrm {m} ^{3}/\mathrm {s} }$	${\displaystyle V_{\text{d}}\cdot k_{\text{e}}={\frac {D}{AUC}}}$	0.38 L/h
生物利用度	药物在生物系统中可以利用的比例	${\displaystyle f}$	无单位	${\displaystyle {\frac {AUC_{\text{po}}\cdot D_{\text{iv}}}{AUC_{\text{iv}}\cdot D_{\text{po}}}}}$	0.8
波动	在稳态下一次给药间隔期间峰谷波动值	${\displaystyle \%PTF}$	${\displaystyle \%}$	${\displaystyle 100{\frac {C_{{\text{max}},{\text{ss}}}-C_{{\text{min}},{\text{ss}}}}{C_{{\text{av}},{\text{ss}}}}}}$ 其中 ${\displaystyle C_{{\text{av}},{\text{ss}}}={\frac {AUC_{\tau ,{\text{ss}}}}{\tau }}}$	41.8%

在药代动力学中，稳态（Steady state）是指药物总体的摄入量与其体内消除量处于动态平衡时的状态。实际情况下，一般开始规律性给药后，服药时间达到3至5倍半衰期后可达稳态。[1]

每 24 小时口服给药后 96 小时内药物血浆浓度的时间进程。请注意，在稳态和线性药代动力学中，AUCτ=AUC∞。 [9]大约 5 × 12 = 60 小时后达到稳态。该图展示了药物血浆浓度的典型时间过程，并解释了主要的药代动力学指标

药代动力学通过非膈室或膈室方法进行建模。非隔室方法可通过估算血药浓度-时间图中的曲线下的面积（Area under the cruve，AUC）估计药物暴露量（Exposure）。隔室方法使用动力学模型估算血药浓度-时间图。非隔室方法不假设任何特定的隔室模型，而同样可准确预测生物等效性，因此被更广泛地使用。[4]药物在生物体内如何发生转化以及化合物最终的排泄过程，取决于许多相互关联的药代动力学因素。为了简化这方面的研究，已经开发了许多功能模型进行预测。这些模型基于将生物体视为许多相关隔室，如将有机体视为只有一个同类隔室。这种单室模型先假定药物的血浆浓度可真实反映药物在血浆体液或组织液中的浓度，并且药物的消除与生物体中药物浓度成正比，即一级动力学[10]。

然而，不存在完美准确反映体内的真实情况的模型。例如，并非所有身体组织具有相同的血液供给，因此药物在低血液供给组织中的药物分布会少于血液供应较好的组织。此外，有些如大脑的特定组织中存在的血脑屏障，对药物分布会构成较大障碍。若需要药物分布至有屏障的组织，必须有目的性地设计药物的相关特性以穿透相关屏障。若依据消除速率对组织进行区分，则生物体内可视为存在两类隔室：一类有更快的药物分布称为中央膈室，如主要脏器和血液供应发达的系统；另一类因其血流量较低称为外周隔室。其他组织如大脑，药物可能因血脑屏障而导致与其他器官组织分隔，可单独视为一个特殊膈室[11]。

药物消除过程发生在哪个隔室会导致隔室模型有所不同。最常见的情况是消除过程发生在中央隔室，如肝脏和肾脏因其血液供应丰富而最容易发生药物消除。然而，较少情况下消除可能发生在外周隔室或同时发生在两者中。这意味着两室模型中主要存在三种可能性。[12]

当负责代谢药物的酶（如细胞色素P450）发生饱和，或存在独立于血药浓度的主动消除机制，则经典药代动力学模型可能不适用。在实际情况中，每个组织都拥有独立的分布特性，药物在组织中不存在完全的线性关系。我们将药物在生物体中的分布容积定义为Vd_F，并将药物在组织中的分布容积定义为Vd_T ，则生物体的分布容积可由一个以下方程表述，其中考虑了不同作用类型的各种组织：[13][14]

${\displaystyle Vd_{F}=Vd_{T1}+Vd_{T2}+Vd_{T3}+\cdots +Vd_{Tn}\,}$

多室模型可由多条药物浓度曲线组成，因此一条复杂的整体曲线需使用较复杂的数学方程表述。许多计算机程序已用于绘制这些方程和曲线。[12]无论模型可以设计得多复杂和尽量得精确，由于分布容积本质是为解决药代动力学问题而虚拟的一个简化概念模型，因此其预测结果与真实体内情况仍存在误差。为了尽量减少预测误差，找到与药物匹配模型非要必要。

表示单隔室行为模型的图例

多室模型

非线性药代动力学模型的吸收和消除图例

多室模型即非药代动力学模型，其各因素之间呈非线性关系，因此其图例可用曲线表示，可通过计算曲线下不同区域的面积来评估各种因素之间的关联。非线性药代动力学中使用的模型主要基于Michaelis-Menten动力学。[17][18]

影响非线性药动力学的因素包括：

• 多相吸收：静脉注射的药物主要通过两种机制从血浆中清除：(1) 药物分布至身体各个组织 (2) 药物代谢+药物排泄。药物血浆浓度降低遵循双相模式（如图）：
  

  静脉给药后血浆药物浓度与时间的关系
  [19]
  • Alpha相：血浆浓度起初快速下降。血药浓度降低主要归因于药物从中央隔室（循环）分布至周围隔室（身体组织）的过程。当中央和外围隔室之间建立药物浓度的准平衡（Pseudo-Equilibrium）时该相结束。
  • Beta相：在alpha相之后，血药浓度逐渐下降至一个平台。此时血药浓度降低主要归因于药物消除，即代谢和排泄。[20]
  • 其他相吸收，如：伽玛相（Gamma）、德尔塔相（Delta）等。[21]
• 药物性质可决定高血流量和低血流量的组织分布情况。
• 酶饱和：药物代谢和转化需要特定生物酶，而当药物剂量达该酶处理能力阈值之上，则负责药物代谢的酶达到饱和。达到饱和点之后的血药浓度会不成比例地增加，即非线性。且药物的消除速率亦不再恒定。[22][23]
• 诱导或酶促抑制：一些药物具有抑制或刺激其自身代谢的能力，即处于负反馈或正反馈反应中。如药物氟伏沙明、氟西汀和苯妥英钠，随着这些药物剂量的增加，未代谢药物的血浆浓度会持续增加，而消除半衰期也延长，从而可能产生不良反应。因此，当需要高剂量用药时，必须调整剂量或其他治疗参数。[24]
• 肾脏还可为某些药物建立主动消除机制，而与血浆浓度无关。[25]

因此可以看出，吸收、分布、代谢和消除以上各个因素均可以影响整个药代动力学发生非线性过程。[26]

不同形式的片剂，其给药后的药代动力学行为有所不同。

药物的生物利用度，也称生体利用率或生体可用率，在药理学上是指所服用药物的剂量部份能到达体循环的比例，是药物的一种药物动力学特性。[27][28][29]因此药物通过静脉给药因其直接进入人体循环，可提供最大的生物利用度，并且静脉给药被认为产生了 1（或 100%）的生物利用度，也称绝对生物利用度（Absolute bioavailablity，F_abs或B_A）。使用其他药物递送方法的生物利用度与静脉注射的生物利用度，或特定研究中与其他递送方法相关的标准值（相对生物利用度）进行比较，即相对生物利用度（Relative bioavailability，F_rel或B_R）。[30][31]

${\displaystyle B_{A}={\frac {[ABC]_{P}\cdot D_{IV}}{[ABC]_{IV}\cdot D_{P}}}}$

${\displaystyle {\mathit {B}}_{R}={\frac {[ABC]_{A}\cdot {\text{dose}}_{B}}{[ABC]_{B}\cdot {\text{dose}}_{A}}}}$

一旦确定了药物的生物利用度，就可以基于需要达到的血药浓度调整药物剂量。因此，生物利用度是影响给药剂量的重要因素。可以使用以下公式计算血浆中真正可产生作用的药量：[32][33]

${\displaystyle De=B\cdot Da\,}$

其中${\displaystyle De}$代表有效剂量， ${\displaystyle B}$代表生物利用度， ${\displaystyle Da}$代表给药剂量。

如药物的生物利用度为 0.8（或 80%），且给药剂量为100毫克则：

De = 0.8 × 100 毫克 = 80 毫克

即：每100 mg给药量将使得80 mg有效的进入血浆并影响药效。

生物利用度受每种药物固有的一系列因素影响，例如：[34]

• 药物形式
• 化学形态
• 给药途径
• 稳定
• 代谢

这些概念可以通过数学量化和积分得到一个整体数学方程式：

${\displaystyle De=Q\cdot Da\cdot B\,}$

其中${\displaystyle Q}$是药物的纯度。[34]

${\displaystyle Va={\frac {Da\cdot B\cdot Q}{\tau }}}$

其中${\displaystyle Va}$是药物的给药速率，而${\displaystyle \tau }$是吸收的药物到达循环系统的速率。

最后，使用亨德森-哈塞尔巴尔赫方程并代入药物的酸度系数${\displaystyle pKa\,}$（电离药物与非电离药物之间存在平衡时的pH），可计算药物的非电离浓度，从而进一步计算吸收的浓度[35]：

${\displaystyle \mathrm {pH} =\mathrm {pKa} +\log {\frac {B}{A}}}$

一旦药物进入生物体随机发生药代动力学过程，这些过程可分为几个重要阶段，取其英文首字母缩写词为，LADME、ADMET或ADME，参见ADME[36]：

• 释放：经药物递送系统释放活性物质，
• 吸收：生物体对活性物质的吸收，
• 分布：通过血浆分布至身体的不同组织，
• 代谢：代谢使外源性物质失活，并最后发生
• 排泄或消除：物质或其代谢产物的排泄或消除。

药物时常以活性形式给药，因此没有释放阶段或将释放与吸收阶段结合，并将分布、代谢和排泄结合为处置阶段（Disposition phase）。还可将药物毒理学方面研究结合ADME，称之为ADME-Tox或ADMET[37][38]。

以上每个阶段均受到药物和生物体之间的物理化学相互作用的影响，这些相互作用可以用数学模型进行研究。因此，药代动力学可表达为预测药物行为的数学方程式，且强调血药浓度与给药后时间两者的关系。

群体药代动力学是研究个体药物浓度的变异性在群体中的来源和相关性，这些个体是接受临床相关剂量药物的目标患者群体。[46]某些患者的人口统计学、病理生理学和治疗属性，如体重、排泄和代谢功能以及是否同时接受其他治疗的信息，均改变剂量-浓度关系并可解释药物暴露量的可变性。例如，在肾功能衰竭患者中，主要由肾脏消除的药物稳态浓度通常高于接受相同药物剂量的肾功能正常患者。群体药代动力学旨在确定可测量的病理生理因素，并解释引起剂量-浓度关系变化的原因以及程度。若剂量-浓度关系变化影响到临床相关的治疗指数，并与血药浓度及药物暴露量变化直接联系，则必须适当修改剂量。群体药代动力学建模的优势在于能够分析较少的数据样本，当每位患者只有一个浓度测量值时仍可进行分析。[47][48]

临床药代动力学是源自群体药代动力学临床应用的一门学科，旨将有关药代动力学和患者人群特征的知识直接应用于临床治疗领域[49]。

环孢素药物作为免疫抑制剂的限制使用与重新启用，以帮助器官移植是一个相关案例。环孢素最初在临床中证明具有治疗效果，但发现许多用药患者出现肾毒性后其临床应用被严格限制。[50]然而，经过药代动力学的研究，例如通过分析患者的血浆浓度可以个体化指导患者环孢素的剂量。这种个体化用药使得环孢素可以再次广泛的应用于临床，并帮助了许多成功的器官移植手术。[51][52]

临床监测药代动力学参数，常通过测定血药浓度进行，因血液数据通常最易获取且较为可靠。[49][53]

在临床上出现以下情况需要监测药物血浆浓度：[54]

• 治疗窗口窄（致毒性浓度和药物起效浓度差）
• 高毒性
• 生命危险高

生态毒理学是研究微塑料或其他对生物圈和环境有害物质的性质、影响以及相互作用的科学分支。[55]近些年发现造成环境污染的物质，如杀虫剂等可进入生物体并可能产生蓄积作用，因此药代动力学领域开展了对生态毒理学的研究。生产与生活中普遍应用的化学品均接受政府或国际机构（例如EPA或WHO）的研究和安全试验，以评估和阐述其对人体或生物体的影响。[56][57]这些化学物质在生物体内的滞留时间，即生物半衰期以及致死量等因素均是生态毒理学的主要关注点。[58]