生物质谱分析实验。
生物质谱分析实验。(Carlos Jones / Oak Ridge National Laboratory, U.S. Department of Energy / Wikimedia Commons;CC BY 2.0)

肝细胞与免疫细胞提供实测药代资料

美国麻省理工学院(Massachusetts Institute of Technology,MIT)与英国 CN Bio Innovations 等团队,在 CPT: Pharmacometrics & Systems Pharmacology 研究怎样用定量模型解释微生理系统(microphysiological systems,MPS)的药物结果。主体实验使用人肝细胞与肝驻留巨噬细胞 Kupffer 细胞的三维共培养。

团队测量氢化可的松(hydrocortisone,HC)在系统中的减少,比较低、高两种人血清白蛋白浓度,并在第 3 天和第 5 天开始各观察 48 小时。白蛋白既改变游离药物比例,也会影响仅看总浓度时得到的代谢估计。

传统模型把总 HC 当作一个可代谢组分,机制模型另加入 HC 与白蛋白结合,并设定只有游离 HC 可被肝细胞代谢。两种模型使用同一组浓度时间数据拟合。

区分总药物和游离药物后,白蛋白效应改变

低、高白蛋白浓度分别为 1.25 和 25 mg/mL。依据既有结合参数,模型估算起始结合比例约为 5% 和 53%,因此总浓度与可被代谢的游离浓度相差明显。

第 3–5 天,传统模型得到的总 HC 代谢速率常数分别为 0.016 和 0.009 h⁻¹;机制模型得到的游离 HC 常数为 0.016 和 0.018 h⁻¹,低、高白蛋白条件间的差距减小。

统计分析中,传统模型的常数受白蛋白浓度和培养时期影响;机制模型的游离代谢常数不再显示显著白蛋白依赖,但仍受培养时期影响。第 5–7 天的常数整体高于第 3–5 天,提示培养功能随时间变化。

实验体系的游离 HC 比例约为 47%–95%,人体血浆约为 7.5%。用游离代谢参数预测人体药代时,还需要处理不同系统的蛋白结合、细胞数量和体液体积。

炎症反应模型解释首次与重复刺激的差异

另一组实验用脂多糖刺激该肝脏共培养,测量肿瘤坏死因子 α 和白细胞介素 6。前者出现较短暂升高,后者更持续;移除刺激后信号下降,重复刺激没有重现首次的强反应。

模型纳入受体结合、内化、回收及细胞因子产生过程,解释重复反应减弱。作者提出受体饱和及较慢回收可能参与这一变化,并以模拟讨论不同刺激强度的反应时程。

这部分为模型拟合与后续实验设计提供假设。论文明确提出还需用不同强度的实验检验,因此较弱刺激产生更持续反应的情景,在此阶段属于预测结果。

四器官部分用于计算平台设计

研究最后建立假设的肠、肝、肾及药效组织四 MPS 网络,另设混合腔。模型表示肠吸收、蛋白结合、肝代谢、肾排出及组织之间的流动;药效组织可以按问题选择,本文只用通用表示。

敏感性分析显示,组织间浓度达到相近水平所需时间,主要受总流量、药效组织培养液体积和肠通透性影响。增大流量或减小下游体积通常加快混合,但低通透性药物仍受入口吸收限制。

游离药物暴露还强烈受游离比例影响。游离比例提高可增加组织暴露,也会加快肝代谢和肾排出;相同下游浓度曲线有时可以由低流量或低通透性分别产生,需结合其他参数解释。

单肝系统的实测数据用于估计蛋白结合和代谢参数。四器官网络则通过计算比较流量、体积及通透性组合,提出平台设计方案,完整网络尚待实验检验。

来源与延伸阅读

  1. Quantitative Systems Pharmacology Approaches Applied to Microphysiological Systems (MPS): Data Interpretation and Multi-MPS Integration. CPT: Pharmacometrics & Systems Pharmacology. 2015. doi:10.1002/psp4.12010 ↗