药物毒理学课件：毒物的处置与毒代动力学2017.ppt

1、第二章第二章药物的药物的毒代动力学毒代动力学23 毒代动力学毒代动力学（Toxicokinetics ） What is Toxicokinetics? how a substance gets into the body and what happens to it in the body 4 The science of toxicology has evolved to include environmental and occupational chemicals as well as drugs Toxicokinetics is thus the appropriate term

2、for the study of the kinetics of all toxic substances 5 药物的药物的毒代动力学毒代动力学 运用药物代谢动力学的原理和方法，定量地研究运用药物代谢动力学的原理和方法，定量地研究在毒性剂量下在毒性剂量下药物药物在动物体内的吸收、分布、代在动物体内的吸收、分布、代谢、排泄的过程和特点，进而探讨药物毒性的发谢、排泄的过程和特点，进而探讨药物毒性的发生和发展规律的一门科学。生和发展规律的一门科学。678910How toxicokinetics of a substance can influence its toxicity? Why a sub

3、stance of low toxicity may be more of a hazard than a highly-toxic substance? Why two substances with equal toxicity and absorption may differ in hazard?11 The most important factors that affect the absorption:lroute of exposure; eg. DDTlconcentration of the substance at the site of contactlchemical

4、 and physical properties of the substance12 the primary routes of exposure 13 other routes of exposure 14Cd151617 影响消化道对毒物吸收速度的因素：影响消化道对毒物吸收速度的因素： 1.1.毒物的理化性质毒物的理化性质 2.2.胃肠道存留食物的多少胃肠道存留食物的多少 3.3.毒物在胃肠道各部位的停留时间毒物在胃肠道各部位的停留时间 4.4.胃肠道的吸收面积和吸收能力胃肠道的吸收面积和吸收能力 5.5.胃肠道局部的胃肠道局部的pHpH 6.6.胃肠道的分泌能力胃肠道的分泌能力 7.7

5、.肠道的微生物菌丛（约有肠道的微生物菌丛（约有6060种细菌对毒物有转化种细菌对毒物有转化作用）作用）18胃肠道血液 鼻鼻咽咽支支气气管管肺泡肺泡毒物毒物19气体、挥发性溶剂或颗粒可经由肺部吸收，如吸人给药气体、挥发性溶剂或颗粒可经由肺部吸收，如吸人给药(吸入麻醉吸入麻醉)、喷雾给药喷雾给药 (喷雾剂喷雾剂)，因此药物可通过肺泡壁吸收产生毒性作用。呼，因此药物可通过肺泡壁吸收产生毒性作用。呼吸道表面积吸道表面积30100M2，毛细血管网的总长度约，毛细血管网的总长度约2000km20（三）经皮肤吸收（三）经皮肤吸收 成人的体表面积约成人的体表面积约1.81.8平方米平方米毒物通过皮肤吸收的途径

6、毒物通过皮肤吸收的途径1.1.单纯扩散单纯扩散 （大部分亲脂性毒物）（大部分亲脂性毒物）2.2.毛发区的毛囊吸收毛发区的毛囊吸收3.3.汗腺管吸收汗腺管吸收4.4.经破损皮肤部位吸收经破损皮肤部位吸收影响毒物通过皮肤吸收的因素影响毒物通过皮肤吸收的因素1.1.毒物的性质和浓度毒物的性质和浓度2.2.皮肤的酸碱度、水分含量、面积和皮肤的酸碱度、水分含量、面积和 厚度。厚度。3.3.皮肤的解剖和生理特性（与年龄、皮肤的解剖和生理特性（与年龄、 种族和种属有关）种族和种属有关）21 some notable toxicants can gain entry into the body followi

7、ng skin contamination：lorganophosphate pesticides lneurological warfare agent, Sarin lindustrial solvents lcarbon tetrachloride l Hexane 22 二、分布（二、分布（distribution）Distribution is the process whereby an absorbed chemical moves away from the site of absorption to other areas of the body. 23l How do ch

8、emicals move through the body?l Does distribution vary with the route of exposure?l Is a chemical distributed evenly to all organs or tissues?l How fast is a chemical distributed?l Why do some chemicals stay in the body for a long time whereas others are eliminated quickly?24Once a chemical is in th

9、e blood stream it may be: Excreted Stored biotransformed into different chemicals (metabolites) its metabolites may be excreted or stored the chemical or its metabolites may interact or bind with cellular components25 (Apparent volume of distribution) )/()(LmgCmgAVdA：体内药物总量：体内药物总量 C：平衡时血药浓度：平衡时血药浓度药

10、物（毒物）在人体内的分布情况药物（毒物）在人体内的分布情况区域区域 总量的总量的% 70kg人的体液（人的体液（L） 给给1g化合物后血浆浓度（化合物后血浆浓度（mg/L）血浆血浆 4.5 3 333总细胞外液总细胞外液 20 14 71总体液总体液 55 38 26组织结合组织结合 - - 025271. 1. 药物与血浆蛋白结合药物与血浆蛋白结合（Protein binding）（二）药物（毒物在组织中的储存）（二）药物（毒物在组织中的储存）28unbound90mg10mg boundunbound90mg + 5mg10mg -5mg bound95mg bound5mg unboun

11、d95mg 5mg bound5mg + 5mg unboundsignificantnegligible29 95% boundThyroxine 甲状腺素甲状腺素Warfarin 华法林华法林Diazepam 地西泮地西泮Frusemide 呋塞米呋塞米Heparin 肝素肝素Imipramine 丙咪嗪丙咪嗪 90% but 95% boundGlibenclamide 格列本脲格列本脲Phenytoin 苯妥英苯妥英Propranolol 普萘洛尔普萘洛尔Sodium Valproate 丙戊丙戊酸钠酸钠3031含有氟、铅等金属的化合物含有氟、铅等金属的化合物, 药物中有四环素、氟喹药

12、物中有四环素、氟喹诺酮诺酮strontium (Sr) or lead (Pb) may be substituted for calcium (Ca), and fluoride (F-) may be substituted for hydroxyl (OH-) ions32 The primary sites for toxicant storage are adipose tissue, bone, liver and kidneys. Lipid-soluble toxicants are often stored in adipose tissues. 33（三）（三） 体内生物膜

13、屏障（体内生物膜屏障（membrane barriers)血脑屏障血脑屏障 Blood Brain Barrier Placental barriers目目 录录第一节第一节 药物体内过程与毒性药物体内过程与毒性1. 药物吸收环节的毒性2. 药物分布环节的毒性3. 药物生物转化环节的毒性4. 药物排泄环节的毒性第二节第二节 毒代动力学毒代动力学1. 毒代动力学研究的目的和内容2. 毒代动力学研究实验设计34外源化学物在机体内经多种外源化学物在机体内经多种酶催化酶催化的的代谢代谢转化。转化。生物转化是机体对外源化学物处置的重要的环节生物转化是机体对外源化学物处置的重要的环节，是机体维持稳态的主要

14、机制。，是机体维持稳态的主要机制。Benzpyrene（苯并芘）Detoxification Biotransformation bilirubin 胆红素胆红素 eg. vinyl chloride 氯乙烯 肝外部位：肠、肾、脑肝外部位：肠、肾、脑肺等肺等1. 1. 药物代谢的部位药物代谢的部位39 I相反应相反应 II相反应相反应药物药物 代谢物代谢物 结合物结合物 （氧化、还原、水解等）（氧化、还原、水解等） （结合）（结合） CYP450 UGTs药物经生物转化后，其结局如下：药物经生物转化后，其结局如下： 灭活、毒性降低、极性增加灭活、毒性降低、极性增加 产生毒性代谢物产生毒性代谢物

15、2.2.药物在肝脏转化的两个步骤药物在肝脏转化的两个步骤403.3.药物代谢转化与毒性药物代谢转化与毒性 氧化反应氧化反应（oxidation） 还原反应还原反应（reduction） 水解反应水解反应（hydrolysis） 结合反应结合反应（conjunction）41氧化反应氧化反应 I1. C -H bond oxidationsC-H键位于杂原子的键位于杂原子的位位置的时候，置的时候，C-H键被代谢键被代谢酶氧化，形成的羟基化衍酶氧化，形成的羟基化衍生物不稳定，容易被进一生物不稳定，容易被进一步氧化成羰基。步氧化成羰基。eg. 氯霉素：形成不稳定氯霉素：形成不稳定酰氯结构，容易与蛋白

16、质酰氯结构，容易与蛋白质的赖氨酸结合的赖氨酸结合42氧化反应氧化反应 II2. Unsaturated bond oxidations不饱和双键容易被代不饱和双键容易被代谢酶氧化生成活性很谢酶氧化生成活性很高的环氧化合物。高的环氧化合物。eg. eg. 黄曲霉素黄曲霉素B1B1代谢代谢转化后形成的环氧结转化后形成的环氧结构，与构，与DNADNA中鸟嘌呤结中鸟嘌呤结合，导致肝癌的发生合，导致肝癌的发生43氧化反应氧化反应 III3. N -oxidations仲胺被代谢氧化生成羟胺仲胺被代谢氧化生成羟胺结构，经磺酸化或酯化，结构，经磺酸化或酯化，消去羟基，进而形成活性消去羟基，进而形成活性很高的

17、氮翁离子。氮翁离很高的氮翁离子。氮翁离子与临近的碳原子互变异子与临近的碳原子互变异构形成碳正离子，进攻生构形成碳正离子，进攻生物大分子。物大分子。Eg. 2- 乙酰氨基芴乙酰氨基芴 ( FAA )44还原反应还原反应 IReduction of polyhalogenated compounds多氯化合物经还原多氯化合物经还原反应，接受一个或反应，接受一个或两个电子，形成活两个电子，形成活性很高的自由基，性很高的自由基，进攻蛋白质或脂质进攻蛋白质或脂质分子。分子。45水解和结合反应水解和结合反应A：Glucuronic acid conjugation 葡萄糖醛酸结合反应葡萄糖醛酸结合反应B：

18、Sulfation 硫酸化结合反应硫酸化结合反应C: Acetylation 乙酰化作用乙酰化作用D: Glutathione conjugation 谷胱甘肽结合谷胱甘肽结合E: Methylation 甲基化作用甲基化作用46美国食品和药物管理局（美国食品和药物管理局（FDA）2011年年1月月13日发布公告，要日发布公告，要求制药厂限制复方制剂处方药中对乙酰氨基酚的含量，并提求制药厂限制复方制剂处方药中对乙酰氨基酚的含量，并提示公众警惕对乙酰氨基酚的肝脏毒性。示公众警惕对乙酰氨基酚的肝脏毒性。90% ConjugationNAPQIP450GlutathioneAcetominophen

19、 MetabolismN-acetyl-p-benzoquinonamine 对乙酰苯醌亚胺对乙酰苯醌亚胺N-acetyl-p-benzoquinonimine (NAPQI)Normally 85-90% metabolism by conjugation glutathione required for further metabolism to non-toxic metabolitesMinor oxidative pathways (P450 enzymes) produces the intermediate toxic metabolite NOCOCH3Acetominophe

20、n Metabolism对乙酰基苯醌亚胺对乙酰基苯醌亚胺 NAPQI induced an adaptive defense response 50Acetaminophen Protein AdductsCYPsHS-ProteinH2N-ProteinS.D. Nelson, Drug Metab. Rev. 27: 147-177 (1995)K.D. Welch et al., Chem Res Toxicol 18:924-33 (2005) HNCOCH3OH NOCOCH3 HNCOCH3OHSProtein HNCOCH3OHNH Protein OCOCH3NSProtein

21、5160%35%CYP2E1*CYP1A2CYP3A11*induced by ethanol, isoniazid ect.Protein adducts,Oxidative stressToxicity HNCOCH3OH HNCOCH3OSO3H HNCOCH3OOCO2HOHOHHO NOCOCH3Increase ConjugationChildren, the pillInduced P450: chronic alcohol, antiepileptics, barbituratesGlutathione depletion: chronic ingestion paraceta

22、mol, malnutritionBlocked P450:acute alcohol, cimetidine53 Induction Two major categories of CYP inducers Phenobarbital is prototype of one group - enhances metabolism of wide variety of substrates by causing proliferation of SER and CYP in liver cells. Polycylic aromatic hydrocarbons are second type

23、 of inducer (ex: benzoapyrene). Induction appears to be environmental adaptive response of organism Orphan Nuclear Receptors (PXR, CAR) are regulators of drug metabolizing gene expression54xenobioticsRXRcytoplasmnucleusxenoprotectiontarget genesco-activatorPBP55Wilkinson G. N Engl J Med 2005;352:221

24、1-2221Mechanism of Induction of CYP3A4-Mediated Metabolism of Drug Substrates (Panel A) and the Resulting Reduced Plasma Drug Concentration (Panel B)56NAPQI toxicity linked to PXR activationG. Guo et al. 2004, Toxicol Sci 82(2):374-80 NOCOCH3 HNCOCH3OHCAR PXR CYP2E1*CYP3A11toxicityXenobiotics57Pheny

25、toin 苯妥英苯妥英Phenobarbitone 苯巴比妥苯巴比妥Carbamazepine 卡马西平卡马西平Rifampicin 利福平利福平Griseofulvin 灰黄霉素灰黄霉素Chronic alcohol intake 长期饮酒长期饮酒Smoking 吸烟吸烟 excretion排泄途径排泄途径尿液尿液粪便粪便肺脏肺脏汗腺汗腺乳汁乳汁59主动分泌主动分泌 如丙磺舒，同类药物之间如丙磺舒，同类药物之间有竞争性有竞争性脂溶性药物在排泄过程中可被肾小管脂溶性药物在排泄过程中可被肾小管再吸收（与药物本身的再吸收（与药物本身的pKapKa、血和尿、血和尿的的pHpH有关）有关）60弱酸性药

26、物在碱性尿液中弱酸性药物在碱性尿液中解离多，重吸收少，排泄快，而在酸性尿液中解离少，解离多，重吸收少，排泄快，而在酸性尿液中解离少，重吸收多，排泄慢。弱碱性药物则相反。（巴比妥类中重吸收多，排泄慢。弱碱性药物则相反。（巴比妥类中毒时用碳酸氢钠解救）毒时用碳酸氢钠解救）改变尿液改变尿液pHpH值可以改变药物的排泄速度，用于药值可以改变药物的排泄速度，用于药物中毒的解毒或增强疗效。物中毒的解毒或增强疗效。61（enterohepatic circulation)LiverDrug62 1 1、药物固有的作用特征、药物固有的作用特征 2 2、药物到达靶器官的量和滞留时间、药物到达靶器官的量和滞留时间

27、 3 3、机体对药物的处置能力、机体对药物的处置能力 4 4、机体靶器官对药物的异感性、机体靶器官对药物的异感性目目 录录第一节第一节 药物体内过程与毒性药物体内过程与毒性1. 药物吸收环节的毒性2. 药物分布环节的毒性3. 药物生物转化环节的毒性4. 药物排泄环节的毒性第二节第二节 毒代动力学毒代动力学1. 毒代动力学研究的目的和内容2. 毒代动力学研究实验设计6364定义：定义：在药物毒理学研究中在药物毒理学研究中根据产生毒性作用的剂量根据产生毒性作用的剂量，定，定性和定量地研究实验动物体内药物的吸收、分布、代谢和性和定量地研究实验动物体内药物的吸收、分布、代谢和排泄随时间的排泄随时间的动

28、态变化规律动态变化规律。毒代动力学研究所用的毒代动力学研究所用的远远高于药效剂量和临床拟用远远高于药效剂量和临床拟用剂量，并且为剂量，并且为。65 药代动力学药代动力学 VS VS 毒代动力学毒代动力学666768药物毒代动力学的研究目的和内容药物毒代动力学的研究目的和内容(1)(1)描述引起试验动物全身中毒的描述引起试验动物全身中毒的量效关系量效关系和和时效时效关系关系；(2)(2)了解药物毒性研究中出现了解药物毒性研究中出现中毒症状中毒症状与与结果结果之间之间的关系，为预测这些毒理学结果与临床用药安的关系，为预测这些毒理学结果与临床用药安全性之间的关系提供资料；全性之间的关系提供资料；(3

29、)(3)明确重复用药对明确重复用药对动力学特征动力学特征的影响的影响; ;69药物毒代动力学的研究目的和内容药物毒代动力学的研究目的和内容(4)(4)探讨给药探讨给药剂量剂量、体液、体液浓度浓度和和毒性毒性反应之间的关系；反应之间的关系；(5)(5)预测毒性作用的预测毒性作用的靶器官靶器官( (组织组织) )，并解释，并解释中毒机制中毒机制；(6)(6)明确是明确是原形药物原形药物还是某种特定还是某种特定代谢产物代谢产物引起的毒性引起的毒性反应，以及与毒性反应反应，以及与毒性反应种属间差异种属间差异的关系；的关系；(7)(7)明确动物毒性剂量和临床剂量之间的关系，为明确动物毒性剂量和临床剂量之

30、间的关系，为临床临床安全用药安全用药提供依据。提供依据。70药物毒代动力学模型药物毒代动力学模型动力学模型动力学模型经典毒代动力学模型经典毒代动力学模型Classical Toxicokinetics生理毒代动力学模型生理毒代动力学模型Physiological Toxicokinetics研究模型研究模型71房室概念和房室模型：房室概念和房室模型： 动力学的房室动力学的房室(compartment)概念是抽象的数学概念，概念是抽象的数学概念，其划分取决于毒物在体内的转运及其划分取决于毒物在体内的转运及/或转化速率。或转化速率。 (one compartment model) (two com

31、partment model) (central compartment) (peripheral compartment) Classical Toxicokinetics72一房室模型一房室模型（First-order compartment model）药物药物吸收吸收消除消除73二房室模型二房室模型药物药物 74一房室模型：一房室模型：体内药物瞬时在各部位达到平衡，即体内药物瞬时在各部位达到平衡，即给药后血液中浓度和全身各组织器官部位浓度迅即给药后血液中浓度和全身各组织器官部位浓度迅即达到平衡。达到平衡。 二房室模型：二房室模型：药物在某些部位的药物浓度和血液中药物在某些部位的药物浓度

32、和血液中的浓度迅速达平衡，而在另一些部位中的转运有一的浓度迅速达平衡，而在另一些部位中的转运有一速率过程，但彼此近似，前者被归并为中央室，后速率过程，但彼此近似，前者被归并为中央室，后者则归并成为外周室。者则归并成为外周室。 三房室模型：三房室模型：转运到外周室的速率过程有较明显快转运到外周室的速率过程有较明显快慢之分。慢之分。 75 毒代动力学常用参数：毒代动力学常用参数： AUC：生物利用度生物利用度 Cmax：峰浓度峰浓度 Tmax：达峰时间达峰时间 Vd：表观分布容积表观分布容积 t1/2：半衰期半衰期76( (二二) )生理毒代动力学模型生理毒代动力学模型（了解内容）（了解内容）u

33、生理毒代动力学房室模型与经典毒代动力学房室生理毒代动力学房室模型与经典毒代动力学房室模型的基本差别模型的基本差别: :在于描述药物在于描述药物( (毒物毒物) )转运进出房室转运进出房室的速率常数不同，可用以表示组织中药物的浓度。的速率常数不同，可用以表示组织中药物的浓度。u 经典毒代动力学由数据定义速率常数，因此这些经典毒代动力学由数据定义速率常数，因此这些模型通常基于数据进行论述；而生理毒代动力学则模型通常基于数据进行论述；而生理毒代动力学则能体现已知的或假设的生理过程，因此这些模型通能体现已知的或假设的生理过程，因此这些模型通常基于生理学进行论述。常基于生理学进行论述。7778 1 1、

34、动物选择、动物选择 2 2、剂量选择、剂量选择 3 3、染毒途径选择、染毒途径选择 4 4、样本种类和采样时间选择、样本种类和采样时间选择 5 5、测定方法、测定方法 6 6、代谢产物测定、代谢产物测定 7 7、数据处理和统计分析、数据处理和统计分析 8 8、实验报告撰写与总结、实验报告撰写与总结79 选择适宜的动物，应选择适宜的动物，应与毒理学研究与毒理学研究选用相同的种选用相同的种属和品系：小鼠、大鼠、狗等属和品系：小鼠、大鼠、狗等 初始研究初始研究可采用单一性别可采用单一性别 最好从最好从同一动物多次采样同一动物多次采样，每个时间点最少有，每个时间点最少有3 3个样本个样本 一只动物不能

35、满足多次采样时，应一只动物不能满足多次采样时，应增加动物数增加动物数，合并样本合并样本80 81 应与毒理学研究选用相同或拟用的剂量。应与毒理学研究选用相同或拟用的剂量。 (1)(1)低剂量低剂量: :即无毒性反应的剂量。即无毒性反应的剂量。 (2)(2)中等剂量：中等剂量：低剂量的适当倍数，以体现剂量低剂量的适当倍数，以体现剂量- -毒性效应关系。毒性效应关系。 (3)(3)高剂量：高剂量：对动物有明显毒性反应的剂量，但对动物有明显毒性反应的剂量，但在实验期限内不应死亡（或少量死亡）。在实验期限内不应死亡（或少量死亡）。8283 应与毒理学研究选用相同途径或人通常的接触途应与毒理学研究选用相

36、同途径或人通常的接触途径。径。 对拟采用新的临床给药途径时，确定改变临床给对拟采用新的临床给药途径时，确定改变临床给药途径是否会显著降低安全范围。药途径是否会显著降低安全范围。8485 样本种类：血样、尿样、胆汁、唾液等样本种类：血样、尿样、胆汁、唾液等 间隔时间采样，间隔时间采样，不可过于频繁不可过于频繁 吸收相吸收相、分布相分布相、消除相，消除相，约约8-12个采样时间点个采样时间点8687 特异性、准确度、精密度、定量下限特异性、准确度、精密度、定量下限 高效液相色谱、放射免疫分析、放射性核素法、高效液相色谱、放射免疫分析、放射性核素法、GC-MS、LC-MS、等分析方法等分析方法88代

37、谢产物的测定代谢产物的测定 如果药物可被转化为一种或多种如果药物可被转化为一种或多种具有药理或毒理具有药理或毒理活性的代谢产物活性的代谢产物，则应同时研究代谢产物的动物，则应同时研究代谢产物的动物学过程。学过程。 FDAFDA规定，当代谢物累计规定，当代谢物累计超过药物剂量的超过药物剂量的1%1%时应时应分析代谢物。分析代谢物。899091929394 1 1、动物选择、动物选择 2 2、剂量选择、剂量选择 3 3、染毒途径选择、染毒途径选择 4 4、样本种类和采样时间选择、样本种类和采样时间选择 5 5、测定方法、测定方法 6 6、代谢产物测定、代谢产物测定 7 7、数据处理和统计分析、数据

38、处理和统计分析 8 8、实验报告撰写与总结、实验报告撰写与总结95l药物与毒物的吸收、分布、生物转化与排泄的药物与毒物的吸收、分布、生物转化与排泄的概念及影响因素，与毒性相关性；概念及影响因素，与毒性相关性；l药物毒代动力学的研究内容，药物毒代动力学药物毒代动力学的研究内容，药物毒代动力学的实验设计。的实验设计。延伸阅读延伸阅读 1. Gender Differences in the Toxicokinetics of Triptolide after Single- and Multiple-dose Administration in Rats. Liu L et al., Drug R

39、esearch 2015, PMID: 25647231 2. Reducing pre-clinical blood volumes for toxicokinetics: toxicologists, pathologists and bioanalysts unite. Chapman K et al., Bioanalysis. 2014 Nov;6(22):2965-8. 3. A study of Semen Strychni-induced renal injury and herb-herb interaction of Radix Glycyrrhizae extract and/or Rhizoma Ligustici extract on the comparative toxicokinetics of strychnine and brucine in rats. Gu L et al. Food Chem Toxicol. 2014 Jun;68:226-33.9697