药动学-药效学结合模型及其在兽用抗菌药物中的应用摘要:药动学-药效学(PK-PD)结合模型,综合研究体内药物浓度的动态过程与其药效消长之间关系,被广泛用于优化抗菌药物的给药方案｡简要介绍了抗菌药物PK-PD模型的基本概念､研究方法等,综述了氟喹诺酮类､β-内酰胺类及其他抗菌药的PK-PD结合模型研究应用进展,以期为兽用抗菌药物的研究开发及临床合理应用提供帮助｡关键词:药动学-药效学结合模型;突变选择窗;氟喹诺酮类药物;β-内酰胺类抗生素Pharmacokinetic-Pharmacodynamic Models and Its Applications in Veterinary Antimicrobial DrugsAbstract: Pharmacokinetic-pharmacodynamic (PK-PD) model, which was capable to research the relationship between the dynamic change of drug concentration in body and the growth-and-decline law of its efficacy integratedly,was widely used to optimize dosage regimens of antibacterial. In this paper, the concepts and research methods of PK-PD model in antibacterial were introduced. In order to provide some assistance for the research and development of veterinary antibacterial and its clinical application, the progress of PK-PD model in fluoroquinolones, β-lactam antibiotics and other antibacterial were summarized in this review.Key words: pharmacokinetic-pharmacodynamic models; mutant selection window; fluoroquinolones; β-lactam antibiotics药效学(Pharmacodynamics,PD)和药动学(Pharmacokinetics,PK)是在体内同步进行着的两个密切相关的动力学过程｡但在相当长的一段时间内对PK与PD多是分割看待,两者之间的内在联系被忽视,使得PK和PD的研究存在一定的局限性｡随着对PK和PD研究地不断深入,人们逐渐认识到这一问题,进而提出了药动学-药效学(PK-PD)结合模型,综合研究药物在体内的动态变化过程与其药效消长之间的关系,它借助数学方法定量表述浓度(或剂量)､时间和效应三者之间的内在关系,有助于更为全面和准确地了解药物的效应随剂量(或浓度)及时间而变化的规律,对药物的研究开发[1,2]及合理使用[3,4],特别是抗菌药物的应用及降低耐药性产生与传播,具有普遍的指导意义｡使用PK-PD结合模型优化兽用抗菌药物的给药方案,可以有效避免抗菌药物在兽医临床使用过程中过量或剂量不足的现象｡本文就PK-PD结合模型及其在兽用抗菌药物领域的研究进行了介绍｡1抗菌药物PK-PD模型的基本概念1.1浓度依赖性药物和时间依赖性药物根据PK与PD的相关性,可以将抗菌药物分为如下3类(表1[5],图1[6])｡①浓度依赖性药物,其特点是药物的抗菌活性表现为浓度依赖性,浓度越高,抗菌活性越强｡药物的杀菌作用取决于峰浓度(Maximum concentration of drug in plasma,Cmax),而与作用时间关系不密切,氨基糖苷类､氟喹诺酮类以及具有抗厌氧菌活性的甲硝唑等,均属于这一类药物｡用于评价其杀菌作用的PK-PD参数主要有Cmax与最小抑菌浓度(Minimum inhibitory concentration,MIC)的比值Cmax / MIC,血药浓度-时间曲线下的面积(Area under curve,AUC)与MIC的比值AUC/MIC,即AUIC｡②时间依赖性药物,其特点是抗菌活性与药物同细菌接触的时间密切相关,而与Cmax关系较小｡其代表药物有大多数的β-内酰胺类､大环内酯类､林可霉素､万古霉素等｡评价该类药物杀菌作用的PK-PD参数主要有血药浓度大于MIC的时间(T>MIC)和MIC值以上的AUC部分(AUC>MIC)｡③浓度-时间依赖性药物[7],在治疗一些特殊病原菌的感染中(如耐药菌､厌氧菌等),以及由于治疗维持时间和治疗终点判断的不同,一些抗菌药物会同时表现出浓度依赖和时间依赖的属性｡1.2PK-PD与细菌耐药研究发现[8,9],抗菌药物存在一个可以对耐药突变菌株选择性放大的浓度窗,即突变选择窗(Mutant selection window,MSW),窗的上界为防突变浓度(Mutant prevention concentration,MPC),即可抑制突变耐药细菌生长的抗菌药物浓度,下界为细菌的MIC,如图2[5]｡如果药物浓度高于MPC,不仅可以使治疗成功,且不会出现耐药突变;药物浓度低于MIC,则不能达到预期的临床效果,但也不会导致细菌的耐药突变;如果药物浓度介于MPC和MIC之间,即处于MSW中,优势的敏感菌株被消灭,但不能抑制耐药突变菌生长,临床治疗可能会取得短暂效果,但耐药菌也出现繁殖｡一些新型氟喹诺酮类药物对于肺炎链球菌MPC和MIC十分接近或相等,即MSW很窄,其临床效果就明显优于一些以往的氟喹诺酮类药物｡所以,关闭或消除这个窗口对抑制细菌的耐药性的产生具有重要意义｡从临床抗菌药物使用上看,要尽量减少药物在这一窗口的停留时间,除选择更理想药物､调整剂量方案外,联合用药也可能是一种途径[10,11]｡从图2中可以看出,突变选择窗的大小与药物的PK､PD特性有关,如图中实线和虚线所示｡1.3PK-PD模型理论的研究方法目前,研究PK-PD结合模型理论的方法主要有体外模型､动物感染模型和间接体内法等｡体外模型研究常采用体外房室模型法,模型装置包括1个无菌容器,内有适量培养基,外接3个通道｡从一个通道给予药物和细菌悬液,一个通道由泵与新鲜培养基连接,并以一定速率流入模型内,由另一通道以同样速率将液体泵出,进入废液瓶｡模型内可均匀搅拌,有恒温装置｡通过调节泵流速,模拟药物在体内的Cmax､tmax､t1/2β,定时从模型内取出液体,进行药物浓度和细菌数量测定｡动物感染模型是先制作动物疾病模型,然后使用不同的给药剂量和给药间隔进行治疗,不同时间剖杀动物,对感染部位进行细菌计数,将PK､PD参数同时进行考虑得到合理的PK-PD参数｡尽管使用这些模型研究药效比体外模型更接近临床实际,但是这些研究的大部分都不能准确获得抗菌药物在感染部位的浓度和细菌的生长曲线｡间接体内法(ex vivo)不同于体外(in vitro)研究,多在动物皮下埋植组织笼,获得组织渗出液;通过向组织笼内注射角叉菜胶､脂多糖等制造感染模型,获得病理组织渗出液｡在动物给药后,定时从组织笼中抽取组织液,进行药物浓度和ex vivo杀菌活力测定,然后将PK-PD参数与ex vivo杀菌活力相关联,通过PK-PD模型分析确定PK-PD参数临界点的值,以此预测给药剂量｡间接体内法实现了抗菌药物PK 和PD研究的同步,可作为一种新的确定给药剂量的方法｡2兽用抗菌药物PK-PD模型研究概况目前,在兽医学领域,抗菌药PK-PD结合模型研究集中在氟喹诺酮类和β-内酰胺类,其他种类抗菌药的相关研究较少｡2.1氟喹诺酮类药物研究表明AUC/MIC是预测氟喹诺酮类疗效的最佳PK-PD参数｡Scaglione[12]在小鼠中性粒细胞减少的肺炎模型中进行了左氧氟沙星和环丙沙星3种不同给药方案的对比试验,其目的是在增加AUC/MIC的同时而不改变Cmax/MIC,反之亦然｡结果表明,AUC/MIC与菌落形成单位(CFU)之间的关系稍微优于Cmax/MIC 和CFU之间的关系,而T>MIC和疗效之间则没有明确的相关性(R2<0.1)｡Sarasola[13]以人工感染溶血性巴氏杆菌的方法,造小牛肺炎模型后,分别单剂量快速静注和36 h内滴注0.738 mg/kg的单诺沙星｡支气管分泌物细菌计数表明,单剂量快速静注的疗效优于静脉滴注(P<0.05),且前者的直肠温度低于后者｡结果表明单诺沙星在治疗由溶血性巴氏杆菌引起的呼吸道疾病时,具有浓度依赖的抗菌活性,兽医临床实践中推荐使用单剂量快速静注的给药方法｡在传统的PK/PD研究中,Cmax/MIC､AUC/MIC和T>MIC更多地用于预测临床疗效,并没有考虑到限制耐药突变株的选择｡自引入MSW和MPC概念后,学者们也将与MPC和MSW相关的一些新的PK-PD参数与耐药性的关系做了研究,试图找出预防耐药发生的PK-PD参数｡对于氟喹诺酮类药物,当AUC/MIC≥100和/或Cmax/MIC>8时可获得良好的临床疗效｡但这些传统PK-PD参数并没有考虑到限制细菌耐药突变体的选择,虽然有些病人/患病动物临床症状改善或消失,但体内却出现了耐药突变体,为耐药菌株的产生与传播奠定了基础｡而近年来提出的新PK-PD参数,MPC和MSW,在着眼于控制感染的同时,也考虑到药物限制耐药突变体选择的能力｡崔俊昌[14]建立了兔组织笼金黄色葡萄球菌感染模型,给予不同剂量的左氧氟沙星以灌胃治疗｡抽取组织笼内组织液进行PK测定,计算PK-PD参数,同时监测组织笼内细菌药物敏感性变化｡结果表明,PK/PD参数AUC/MIC､AUC/MPC､Cmax/MIC､Cmax/MPC､T>MPC和Tmsw与耐药发生相关,T>MIC与耐药的发生无相关性｡当AUC/MIC在20~150时,容易发生耐药;保持药物AUC/MPC>25可以限制耐药发生｡体内MSW的上､下限分别为AUC/MPC 25和AUC/MIC 20｡从而认为AUC/MPC､Cmax/MPC和T>MPC可能是预测耐药发生的独立参数｡2.2β-内酰胺类抗生素杨东[15]以体外一室模型的方法,研究了阿莫西林对金黄色葡萄球菌的PK-PD 关系｡结果表明,T>MIC是反映阿莫西林对金黄色葡菌球菌疗效的关键指标,当其浓度超过MIC时,初始浓度在0.4~3.2 μg/mL的范围内对杀灭金黄色葡菌球菌的药效没有影响;而Cmax/MIC不是影响阿莫西林对金黄色葡菌球菌药效的关键指标,疗效维持的时间主要和T>MIC有关｡时间依赖性抗菌药物的杀菌效应取决于血药浓度高于MIC的时间｡当然并不需要抗菌药物血药浓度在24 h内均高于MIC,只要血药浓度高于MIC的时间超过给药间隔一定比例的临界值,就能够获得可靠的临床疗效｡一般情况下,实现抑菌或杀菌效应,抗菌药物血药浓度高于MIC时间百分数临界值为40%,40%~50%可达到满意的杀菌效果;但当抗菌药物的血药浓度高于MIC的时间约60%时,再延长药物浓度高于MIC的时间并不能相应增加杀菌率｡但是也有研究表明,由于试验所用菌株的差异,以及治疗维持时间和治疗终点判断的不同等,Cmax/MIC和AUC/MIC也可能成为反映β-内酰胺类抗生素疗效的最为相关的PK-PD参数｡Gustafsson[16]通过建立体外PK模型,研究了头孢噻肟和阿莫西林对化脓性链球菌和大肠杆菌的PK-PD关系｡模型中药物的消除率不同,使24 h内T>MIC处于给药间隔的20%~100%范围内,同时保持AUC和/或Cmax(即体外PK模型中的药物初始浓度)不变｡受试菌株24 h内最大抗菌效应(maximal antimicrobial effect,Emax)出现在T>MIC分别为给药间隔50%和80%的时候｡对青霉素敏感的肺炎双球菌(MIC,0.03 mg/L)和对青霉素中度敏感的菌株(MIC,0.25 mg/L),阿莫西林在T>MIC为给药间隔50%时表现出最大抗菌活性｡对于MIC为2 mg/L的菌株,需要增加Cmax方可以达到Emax｡在Cmax是10倍MIC的条件下,T>MIC为给药间隔60%时获得Emax,提示除T>MIC之外,Cmax也是反映中度耐青霉素的肺炎双球菌抗菌疗效的重要参数｡对于MIC为 4 mg/L的菌株,尽管初始浓度(Cmax)10倍于MIC,但是使细菌计数从-0.4变化到-3.6 lgCFU/mL则需要T>MIC 为给药间隔的100%｡Bakker-Woudenberg[17]以人工感染肺炎克雷伯菌的方法建立小鼠肺部感染模型,研究了头孢他啶对其治疗效果相关的PK-PD参数｡结果表明,在治疗维持期为48 h的试验组中,T>MIC与感染小鼠的肺部细菌计数最为相关,当T>MIC为给药间隔的60%~70%时达到Emax;然而在治疗维持期为18 d的试验组中,以动物的存活率代替细菌计数作为治疗终点,AUC/MIC则成为与疗效最为相关的PK-PD参数,小鼠的存活率为50%时对于注射频率为6､12､24 h的各试验组的AUC/MIC分别为18.0､20.2和27.9,当AUC/MIC>100时存活率为100%｡因而推断,与治疗效果最相关的PK-PD参数取决于治疗维持期的长短和/或治疗结果的判断｡2.3其他抗菌药物Marina[18]研究发现,在考虑到氨基糖苷类药物的PK-PD参数后,阿米卡星日剂量单次给药的方案要明显优于日剂量两次给药的方案｡氨基糖苷类药物日剂量单次给药可降低适应性耐药和耳､肾毒性的发生率,同时可获得较高的Cmax/MIC,取得更好的临床和细菌学疗效｡杨雨辉[19]采用体内药动学和体外药效学联合的方法,研究氟苯尼考在猪半体内抗大肠杆菌的活性｡由于大肠杆菌对氟苯尼考的敏感性较差和氟苯尼考肌注药动学特征的限制,应用氟苯尼考,按照常规方案治疗猪大肠杆菌病,可能导致治疗失败｡Renard[20]以PK-PD模型预测螺旋霉素对金黄色葡萄球菌所致乳房炎的体内和体外疗效｡推荐对于金黄色葡萄球菌引起的乳房炎,螺旋霉素的最佳治疗方案为每日20 000 IU/kg,连用3 d｡3结语抗菌药物PK-PD结合模型综合考虑了机体､病原体和药物之间的关系,在科研开发中可使抗菌药物及其制剂的开发更为科学合理;应用于兽医临床实践,能够优化给药剂量､给药间隔等,减少药物毒副反应的发生率,有效降低耐药风险,降低动物性食品中药物残留等｡然而对于兽医临床这方面的研究在国内外也才处于起步阶段,且相关研究主要集中在氟喹诺酮类药物和β-内酰胺类抗生素,其他抗菌药的相关报道则较少｡因此,可以预见应用PK-PD结合模型的研究方法,确定畜禽抗菌药物最佳给药方案,将成为兽医临床用药研究的热点｡参考文献:[1] 柳晓泉,陈渊成,郝琨,等.药动学-药效学结合模型的研究进展及在新药研发中的应用[J].中国药科大学学报,2007,38(6):481-488.[2] 史军.药物动力学和药效动力学在抗菌药物新药开发和临床治疗上的应用[J].中国临床药理学与治疗学,2007,12(2):121-133.[3] TOUTAIN P L, LEES P.Integration and modelling of pharmacokinetic and pharmacodynamic data to optimize dosage regimens in veterinary medicine[J].J 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