Фармакокинетическое моделирование на основе физиологии (PBPK) - это метод математического моделирования для прогнозирования абсорбции, распределения, метаболизм и выделение (ADME) синтетических или природных химических веществ у людей и других видов животных. Моделирование PBPK используется в фармацевтических исследованиях и разработке лекарств, а также в оценке риска для здоровья для косметики или общих химических веществ.
Модели PBPK стремятся быть механистическими, математически расшифровывая анатомические, физиологические, физические и химические описания явлений, вовлеченных в сложные процессы ADME. В этих моделях все еще присутствует большая степень остаточного упрощения и эмпиризма, но они имеют расширенную область применимости по сравнению с классическими, основанными на эмпирических функциях, фармакокинетическими моделями. Модели PBPK могут иметь чисто прогностическое применение, но другие применения, такие как статистический вывод, стали возможны благодаря развитию байесовских статистических инструментов, способных работать со сложными моделями. Это верно как для оценки риска токсичности, так и для разработки терапевтических препаратов.
Модели PBPK пытаются априори опираться на анатомическую и физиологическую структуру тела и, в некоторой степени, на биохимию. Обычно это модели с несколькими отделениями, с отделениями, соответствующими предопределенным органам или тканям, с взаимосвязями, соответствующими потокам крови или лимфы (реже диффузии). Можно написать систему дифференциальных уравнений для концентрации или количества вещества в каждом отделении, и ее параметры представляют потоки крови, скорость легочной вентиляции, объемы органов и т. Д., Информация о которых доступна в научных публикациях. Действительно, описание тела упрощено, и необходимо найти баланс между сложностью и простотой. Помимо преимущества возможности набора априорной информации о значениях параметров, эти модели также облегчают межвидовые транспозиции или экстраполяцию от одного способа введения к другому (например, от ингаляции к пероральному). Пример 7-компартментной модели PBPK, пригодной для описания судьбы многих растворителей в организме млекопитающего, приведен на рисунке справа.
Первая фармакокинетическая модель, описанная в научной литературе, на самом деле была моделью PBPK. Однако это привело к вычислениям, которые в то время было невозможно выполнить. Затем акцент сместился на более простые модели, для которых можно было получить аналитические решения (такие решения представляли собой суммы экспоненциальных членов, что привело к дальнейшим упрощениям). Доступность компьютеров и алгоритмов численного интегрирования ознаменовала возобновление интереса к физиологическим моделям в начале 1970-х годов. Для веществ со сложной кинетикой или когда требовалась межвидовая экстраполяция, простых моделей было недостаточно, и исследования продолжались на физиологических моделях. К 2010 году сотни научных публикаций описали и использовали модели PBPK, и как минимум две частные компании основывают свой бизнес на своем опыте в этой области.
Уравнения модели следуют принципам массопереноса, гидродинамики и биохимии, чтобы моделировать судьбу вещества в организме. Компартменты обычно определяются путем группирования органов или тканей с одинаковой скоростью перфузии крови и содержанием липидов (то есть органов, для которых зависимости концентрации химических веществ от времени будут одинаковыми). Порты входа (легкие, кожа, кишечник...), порты выхода (почки, печень...) и органы-мишени для терапевтического эффекта или токсичности часто остаются разделенными. Кость может быть исключена из модели, если исследуемое вещество не распределяется по ней. Связи между компартментами следуют физиологии (например, кровоток на выходе из кишечника идет в печень и т. Д.)
Распределение лекарства в ткани может быть ограничено скоростью перфузии или проницаемость. Кинетика с ограниченной скоростью перфузии применяется, когда тканевые мембраны не представляют барьера для диффузии. Кровоток, если предположить, что лекарство переносится главным образом кровью, как это часто бывает, является ограничивающим фактором для распределения в различных клетках тела. Обычно это верно для небольших липофильных препаратов. При ограничении перфузии мгновенная скорость поступления количества лекарства в отсек просто равна объемной скорости потока (крови) через орган, умноженной на концентрацию поступающей крови. В этом случае; для общего отсека i дифференциальное уравнение для количества Q i вещества, которое определяет скорость изменения этого количества, имеет вид:
где F i - кровоток (обозначен Q на рисунке выше), C art концентрация поступающей артериальной крови, P i ткань над разделением крови коэффициент и V i объем отсека i.
Полный набор дифференциальных уравнений для 7-секционной модели, показанной выше, может быть дан в следующей таблице:
Ткань | Дифференциальное уравнение |
---|---|
Кишечник | |
Почка | |
Ткани с плохой перфузией (мышцы и кожа) | |
Мозг | |
Сердце и легкое | |
Поджелудочная железа | |
Печень |
Приведенные выше уравнения включают только условия переноса и не учитывают входы или выходы. Их можно смоделировать с помощью конкретных условий, как показано ниже.
Входные данные для моделирования необходимы для получения содержательного описания фармакокинетики химического вещества. В следующих примерах показано, как написать соответствующие уравнения.
При пероральном введении болюсной дозы (например, прием внутрь таблетки) абсорбция первого порядка является очень распространенным предположением. В этом случае уравнение кишечника дополняется входным членом с константой скорости поглощения K a:
Для этого необходимо определить уравнение для количества проглоченного и присутствующего в просвете кишечника:
При отсутствии кишечного компартмента ввод может производиться непосредственно в печень. Однако в этом случае местный метаболизм в кишечнике может быть неправильно описан. Случай приблизительно непрерывного поглощения (например, через питьевую воду) можно смоделировать с помощью скорости поглощения нулевого порядка (здесь R ing в единицах массы с течением времени):
Можно использовать более сложную модель кишечной абсорбции. В этих моделях дополнительные отсеки описывают различные участки просвета и ткани кишечника. Можно принять во внимание рН кишечника, время прохождения и присутствие активных переносчиков.
Поглощение химического вещества, отложившегося на коже, также можно смоделировать с использованием условий первого порядка. В этом случае лучше всего отделить кожу от других тканей, чтобы дополнительно дифференцировать открытую кожу и незащищенную кожу, а также дифференцировать жизнеспособную кожу (дерму и эпидермис) от рогового слоя (фактического верхнего слоя кожи). слой открыт). Это подход, использованный в [Bois F., Diaz Ochoa J.G. Гаевска М., Коварич С., Мауч К., Пайни А., Пери А., Сала Бенито Дж. В., Тенг С., Уорт А., в печати, Подходы к многомасштабному моделированию для оценки безопасности косметических ингредиентов, Токсикология. doi: 10.1016 / j.tox.2016.05.026]
Неокрашенный роговой слой просто обменивается с подлежащей жизнеспособной кожей путем диффузии:
где - коэффициент разделения, - это общая площадь поверхности кожи, доля открытой площади поверхности кожи,...
Для жизнеспособная неэкспонированная кожа:
Для кожи рогового слоя обнаженного:
для обнаженной жизнеспособной кожи:
dt (QSkin_u) и dt (QSkin_e) питаются из артериальной крови и обратно в венозную кровь.
Опубликованы более сложные модели диффузии [добавить ссылку].
Внутривенная инъекция является обычным клиническим путем введения. (будет дополнено)
Вдыхание происходит через легкие и его трудно отделить от выдоха (будет дополнено)
Есть метаболизм можно смоделировать несколькими способами. Для некоторых моделей предпочтительна линейная скорость выведения. Это можно сделать с помощью простого дифференциального уравнения. В противном случае уравнение Михаэлиса-Ментен, как показано ниже, обычно подходит для более точного результата.
Модели PBPK являются компартментными моделями, как и многие другие, но они имеют несколько преимуществ перед так называемыми «классическими». фармакокинетические модели, менее обоснованные с точки зрения физиологии. Модели PBPK могут сначала использоваться для абстрагирования и, в конечном итоге, согласования разрозненных данных (из физико-химических или биохимических экспериментов, in vitro или in vivo фармакологических или токсикологических экспериментов и т. Д.). Они также предоставляют доступ к концентрации химических веществ или их метаболитов во внутреннем организме, и в особенности в месте их воздействия, будь то терапевтическое или токсическое. Наконец, они также помогают интерполировать и экстраполировать знания между:
Некоторые из этих экстраполяций являются «параметрическими»: для достижения экстраполяции необходимы только изменения входных данных или значений параметров (обычно это имеет место при экстраполяции дозы и времени). Другие являются «непараметрическими» в том смысле, что необходимо изменение самой структуры модели (например, при экстраполяции на беременную женщину следует добавить уравнения для плода).
Из-за механистической основы моделей PBPK еще одним потенциальным применением моделирования PBPK является проверка гипотез. Например, если лекарственное соединение показало более низкую, чем ожидалось, пероральную биодоступность, можно оценить различные модельные структуры (т.е. гипотезы) и значения параметров, чтобы определить, какие модели и / или параметры обеспечивают наилучшее соответствие наблюдаемым данным. Если гипотеза о том, что метаболизм в кишечнике отвечает за низкую биодоступность, оказалась наиболее подходящей, то результаты моделирования PBPK подтверждают эту гипотезу по сравнению с другими оцененными гипотезами.
Как таковое, моделирование PBPK можно использовать, среди прочего, для оценки вовлечения опосредованного носителем транспорта, насыщения клиренса, энтерогепатической рециркуляции исходного соединения, внепеченочного / внекишечного выведения; более высокая растворимость in vivo, чем предполагалось in vitro; задержка опорожнения желудка, вызванная лекарственными средствами; потеря кишечника и региональные вариации кишечного всасывания.
У каждого типа техники моделирования есть свои сильные стороны и ограничения. Моделирование ПБПК не исключение. Одним из ограничений является возможность большого количества параметров, некоторые из которых могут быть коррелированы. Это может привести к проблемам идентифицируемости и избыточности параметров. Однако возможно (и обычно это делается) явно моделировать корреляции между параметрами (например, нелинейные отношения между возрастом, массой тела, объемами органов и кровотоком).
После присвоения числовых значений каждому параметру модели PBPK обычно используется специализированное или общее компьютерное программное обеспечение для численного интегрирования набора обыкновенных дифференциальных уравнений, подобных тем, которые описаны выше, чтобы вычислить числовое значение каждого отсека при заданные значения времени (см. Программное обеспечение). Однако, если такие уравнения включают только линейные функции каждого отдельного значения или при ограничивающих условиях (например, когда входные значения остаются очень маленькими), которые гарантируют, что такая линейность близко аппроксимируется, такие уравнения могут быть решены аналитически для получения явных уравнений (или, при эти ограничивающие условия, очень точные приближения) для средневзвешенного по времени (TWA) значения каждого отсека как функции TWA-значения каждого указанного входа (см., например,).
Модели PBPK могут полагаться на модели прогнозирования химических свойств (модели QSAR или прогнозные химические модели) с одной стороны. Например, модели QSAR могут использоваться для оценки коэффициентов разделения. Они также расширяют, но не предназначены для подмены моделей системной биологии метаболических путей. Они также параллельны физиомным моделям, но не нацелены на детальное моделирование физиологических функций, помимо циркуляции жидкости. Фактически, указанные выше четыре типа моделей могут усиливать друг друга при интеграции.
Модели PBPK требуют больших объемов данных (необходимо задать многие параметры), и их разработка и проверка могут занять много времени. По этой причине их критиковали за то, что они откладывали разработку важных правил.
Дополнительные ссылки:
Специально программное обеспечение:
Общее программное обеспечение: