同一组药物比较四种体外培养条件

药物进入人体后,肝脏会以不同速度清除其中一部分。体外实验若要为药物研发提供清除率估计,需要把培养体系中的药物消失速度与人体资料比较。美国得克萨斯农工大学、匹兹堡大学等机构在 Toxicology 发表研究,考察四细胞肝腺泡微生理系统 LAMPS 在这项任务上的表现。

研究者把原代人肝细胞或人诱导多能干细胞衍生肝细胞,分别放在普通二维培养和灌流三维 LAMPS 中。LAMPS 另外加入内皮、Kupffer 细胞和肝星状细胞,形成四细胞体系。四种组合使用同一组测试药物,使培养方式与肝细胞来源的影响可以分别比较。

七种测试药物为咖啡因、吡格列酮、罗格列酮、特非那定、托卡朋、曲格列酮和曲伐沙星,覆盖不同脂溶性、血浆蛋白结合和体内清除速度。团队测量培养液或芯片流出液中的原药浓度,再计算体外内在清除率;既有文献中的人肝细胞悬液数据和临床资料构成对照。

肝组织结构示意图展示肝细胞、肝窦内皮细胞、Kupffer 细胞与肝星状细胞。

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肝组织细胞组成示意,显示肝细胞、内皮细胞、Kupffer 细胞和星状细胞。(Qing Luo et al. / International Journal of Molecular Sciences, 2023, Fig. 3;CC BY 4.0)

10 天培养显示清除能力随时间变化

实验连续观察 10 天,七种药物在四种体系中的体外内在清除率总体都随培养时间下降。托卡朋和曲伐沙星相关培养中还出现细胞损伤与炎症读数变化,但阴性对照药物咖啡因也出现清除率下降。因此,清除能力随时间变化还受到培养状态等因素影响。

不同肝细胞来源的清除率高低因药物而异。多数情况下,原代肝细胞的清除率高于 iPSC 衍生肝细胞;特非那定在三维培养、托卡朋在二维培养则出现相反方向。作者据此按具体药物和培养条件报告读数,没有把一种细胞来源统一视为更接近人体。

四种新培养体系在七种药物上的读数彼此相关,相关系数为 0.71–0.96;它们与既有悬液研究的数据相比,相关系数为 0.23–0.51。同一研究内保持实验条件一致后得到的药物排序,与跨研究来源的体外数据能否直接对齐,是两种不同的比较。

文献中的肝细胞悬液和临床参照通常来自短于 1 天的观察,研究者于是取四种新培养体系的首个 24 小时读数作横向比较。10 天连续测量提供了体系随时间变化的信息;用来与临床清除率比较的,却是首日结果。这两个时间范围在解释模型表现时需要分开。

iPSC 三维体系的排序稳定,绝对清除率仍偏低

把七种药物的体外估计与临床推算值比较后,肝细胞悬液的绝对数值最接近临床:其中五种药物的平均预测落在 10 倍范围内。二维和三维培养的大多数估计值则低于临床值超过 10 倍。因而,在这组药物中,结构更复杂的芯片并没有改善未经校正的绝对清除率预测。

若关注的是不同药物之间的变化趋势,使用 iPSC 衍生肝细胞的三维 LAMPS 表现较整齐:线性拟合的调整后 R² 为 0.81,高于其他体系的 0.46–0.69;Pearson 和 Spearman 相关系数分别为 0.92 和 0.82。七种药物的样本量较小,这些指标显示的是本组药物中的排序与离散程度。

这种较稳定的排序伴随系统性低估。作者的回归分析显示,iPSC 三维体系在选定参照清除率处的偏差约为一个 10 倍数量级;研究者提出可继续评估经验换算因子,这个换算因子仍需在更多药物和实验室条件下检验。体外体系的“精密度”和未经校正的“准确度”,在这组结果中指向不同结论。

输入参照与药物特征也影响比较

临床内在清除率参照来自已发表的人体资料,需要经过换算。团队从已发表的人体清除资料换算参照值,七种药物中有五种的血浆游离比例低于 5%。游离比例很低时,测量上的小差别可能放大到内在清除率估计;罗格列酮、特非那定和曲格列酮的既有结合数据也存在较大差异。

药物本身的清除速度跨度同样很大。咖啡因和吡格列酮的低估相对较小,特非那定则是明显偏离者。作者指出,特非那定还受到肠道代谢影响,而本研究的肝脏培养体系没有纳入肠道。临床参照、药物特征与器官范围共同决定了体外读数的解释空间。

研究按培养介质中原药的减少计算清除率,没有同时测量代谢物生成或细胞内药物浓度,而且只设置一个初始药物浓度。作者提出,增加多个浓度和代谢物读数,有助于进一步检验低清除药物的体外估计,也能更清楚地区分原药消失与具体代谢过程。

这项工作比较了七种药物在四种培养条件中的首日清除率,呈现了更稳定的药物间排序与更低的绝对预测值可以同时存在。扩大药物范围、改进代谢活性和游离药物测量,并观察代谢物形成,是作者提出的后续检验方向;对低清除药物的评价尤其需要更稳定的长期读数。

来源与延伸阅读

  1. Prediction of hepatic drug clearance with a human microfluidic four-cell liver acinus microphysiology system. Toxicology (2021). doi:10.1016/j.tox.2021.152954 ↗