Фармакокинетический анализ бимодальных дозовых зависимостей Текст научной статьи по специальности «Фундаментальная медицина»

УДК 615

Фармакокинетический анализ бимодальных дозовых зависимостей

Кандидат биологических наук К. Г. Гуревич

Традиционно в фармакологии принято считать, что биологический ответ пропорционален силе воздействия на систему, при этом в случае чрезмерной силы возможно угнетение ответа из-за истощения «внутреннего резерва» клеток [1]. В последние годы на базе обширного материала, полученного при изучении эффектов различных биологически активных веществ, было показано, что дозовая зависимость имеет более сложный характер: воздействия малой силы вызывают клеточный ответ, на воздействия средней силы ответ отсутствует и снова проявляется на более интенсивные силы (рис. 1). Такие бимодальные дозовые кривые описаны для большого числа биологически активных веществ [2—28] (см. таблицу), они характерны также для действия ионизирующей радиации [29, 30].

При всем разнообразии химической природы веществ, вызывающих бимодальные эффекты, и различии этих эффектов есть одно общее свойство: все вещества, представленные в таблице, не влияют на клеточные функции непосредственно, а оказывают влияние опосредованно, через системы проведения и усиления сигнала, т.е. все эти вещества имеют регуляторную природу. Исходя из такого заключения, мы разработали возможный механизм формирования бимодальных дозовых зависимостей [31], основанный на свойствах систем каскадного проведения и усиления рецепторного сигнала в предположении, что некоторые из каскадных реакций имеют системы обратной связи (суб-

Рис. 1. Бимодальная зависимость «доза—эффект»

стратное торможение, ингибирование избытком продукта и т.д.).

В настоящей статье дан фармакокинетический анализ развития биологического ответа для бимодальных дозовых зависимостей.

В живых системах биологический ответ возникает в результате связывания клеточных рецепторов с эндогенными или экзогенными лигандами [32, 33]. В большинстве случаев эти лиганды не вырабатываются непосредственно в месте действия, а поставляются при транспортировании по системе крови, лимфатической, межтканевой жидкости и т.д. Такому транспорту в простейшем случае отвечает линейная фармакокинетическая модель, представленная на схеме 1:

Место введения Камера лиганда (кровь)

mi (t) ki ► m2 (t)

mi (0) = M mi (0) = 0

^ kel

Схема 1

где т, — масса лиганда в камерах; к ке/ — константы процессов поступления лиганда в кровь и элиминации лиганда из крови.

Большинство лигандов обратимо связываются с белками крови, при этом основными белками-переносчиками являются альбумины. Этому процессу отвечает схема:

к

1_ + Р ^^ 1_Р (2)

где I. — лиганд; Р —белок-переносчик; 1.Р — их комплекс; К— константа диссоциации.

Обычно концентрация лиганда много меньше концентрации связывающего белка. Так, например, концентрация альбуминов составляет порядка 10-5 М, а концентрация гормона роста — фактора роста нервных клеток составляет 10-9—10-и М[27].

Таблица

Примеры биологически активных веществ, вызывающих бимодальные эффекты

Вещества

Биологический ответ

Объект воздействия

Ссылка

Неорганические соединения

Ионы меди

Ионы кальция Пероксид водорода

Термостабильность Теплоустойчивость Проницаемость Повреждающая активность Повреждение ДНК

Клетки дуаниеллы Мембраны тилакоиды Хлорные каналы Клеточная линия V79 E. coli

200 токсинов Трициклические антидепрессанты

Фенозан, а-токоферол Форболовый эфир Имазалил

Органические пероксиды Форсколин

Простангландин Е2 Никотин

Трансформированный ростовой фактор р Фактор роста опухолей р

Непептидные органические соединения

Захват нейтрального красителя Фибробласты

Активность моноаминокси-дазы

Каталитическая активность Активация клеток Рост клеток

Рост биомассы Генерация активных форм кислорода Пролиферация Тревога

Секреция инсулина

Пролиферация

Частота, сила сокращений

ß-Блокаторы ß-Субъединица холерного Рост клеток токсина

Малеиновый ангидрид Цитотоксичность

Головной мозг, тромбоциты

Протеинкиназа С В-клетки

Семена гороха, водоросль

Scendesmus

Клетки культуры табака

Остеопласты

Лимфоциты Крысы

Клеточная линия MIN6

Культура гладкомышечных клеток

Культура кардиомиоцитов Культура клеток 3T3

N K-клетки

Пептидные соединения

Трансглютаминаза

Нейропептид Y Опиоидные пептиды

Мет-энкефалин Интерлейкин-1

Гормон роста

я-Формилметионил-

лейцинфенилаланин

Сродство адренорецепторов к лигандам

Пищевая мотивация Высвобождение энкефалинов Активность аденилатциклазы Пролиферация Активность цитохрома Р450 Стимуляция роста клеток Секреция и клиренс Продукция свободных форм кислорода

Нейробластома Крыса

Бледное тело

Клетки из Myenteric plexus

Лимфоциты

Гепатоциты

р-Клетки

Человек

Нейтрофилы

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10] [3]

[11] [12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]

[20]

[21] [22]

[23]

[24]

[25]

[26]

[27]

[28]

Поэтому концентрацию белка-переносчика во взаимодействии, описываемом схемой (2), можно считать неизменной. Тогда концентрацию комплексов лиганда с транспортными белками можно описать следующим уравнением (аналог уравнения Кларка для рецепторного связывания):

[-Р Ьтгт+Рт, [р] = [р0] (3)

^ о ] + к

где [и], [Р0] — начальные концентрации лиганда и белка-переносчика.

Для большинства лигандов К >> [и], и (3) можно привести к виду:

[ЦР] = а[Ь] (4)

где а = [Р]/К — константа, так как в норме концентрация транспортных белков крови поддерживается в организме на постоянном уровне.

Соответственно концентрация свободного лиганда определяется формулой:

[Ц] = (1 - а)М = РМ (5) где р — константа, «степень связывания». Если Р = 0, то весь лиганд находится в связанном виде.

В рамках фармакокинетической модели (1) возможно выведение только связанной формы лиганда (например для билирубина) или только свободной формы (например для стероидных гормонов). Тогда для схемы (1) уравнения закона действующих масс запишутся так:

с/т,

с№

Ст2

~1Г

ц

- = - кть т,(0) = М

(6)

= к-т- - у ке1т2, т2(0) = 0

где у — константа, учитывающая выведение из крови только связанной формы лиганда, тогда у = р (уравнение 5), или только свободной формы лиганда, тогда у = а (уравнение 4).

Решением системы (6) будет уравнение

ГП2 = Щев17 - е-к1) (7)

С практической точки зрения удобнее использование концентрации, а не массы лиганда. Тогда (7) преобразуется к виду:

С = СЬ(еке ек1) (8)

где С = — концентрация лиганда; V— объем камеры (для крови 5 л); С0 — начальная эффективная концентрация лиганда.

Как было указано выше, для того чтобы вызвать биологический ответ, лиганд в свободной форме должен вступать во взаимодействие с клеточным рецептором:

К

Ц + Р ^^ ЦР (9)

где Р — рецептор; ЦР — лиганд-рецепторный комплекс; К — константа диссоциации комплекса.

Концентрация лиганд-рецепторных комплексов зависит от соотношения концентраций лиганда и рецептора и от модели рецепторного связывания [33]. Но нас интересует не количество связанного лиганда, а конечный клеточный ответ. Формирование этого ответа осуществляется посредством системы проведения и усиления рецепторного сигнала (см. схему 2).

Схема 2

где 1 — поступающий сигнал (концентрация свободного ли-ганда); 2 — система проведения и усиления рецепторного сигнала; 3 — клеточный ответ.

Чтобы провести кинетическое описание конечного клеточного ответа, формируемого согласно представленной схеме, мы классифицировали основные модели проведения и усиления сигнала следующим образом. К схемам первого типа были отнесены те, для которых характерен выход дозовой кривой на плато, к схемам второго типа — те, для которых на дозовой кривой имеется максимум (схемы с обратной связью). Кинетические схемы первого типа:

1) Ц + Р ЦР ^ клеточный ответ

2) Ц + Р' ЦР'

ЦР' + Ц Ц2Р' ^ клеточный ответ

3) Е + Б ЕБ ^ С Кинетические схемы второго типа:

1) Ц + Р ЦР ^ «положительный» клеточный ответ ЦР + Ц Ц2Р ^ «отрицательный» клеточный ответ

2) Ц + Р ЦР ^ «положительный» клеточный ответ Ц + Р' ЦР' ^ «отрицательный клеточный ответ»

3) Е + Б ЕБ ^ С ЕБ + Б ЕБ2

4) Е + Б ЕБ ^ С ЕБ + С ЕБС

где Е — фермент; Б — субстрат; ББ — фермент-субстратный комплекс; С — продукт ферментативной реакции.

Можно показать, что для кинетических схем первого типа (см. схему 1) с точностью до первых рядов разложения в ряд Тейлора клеточный ответ /зависит от поступающего сигнала г, например от концентрации лиганда, следующим образом:

Аг

У =

1 + г

(10)

Для процесса, описываемого схемой 2, выполняется зависимость:

У = ■

Аг

2

1 + гг

(10')

где А — коэффициент пропорциональности, учитывающий усиление (А > 1) или ослабление (0 < А < 1) сигнала.

Если изменение концентрации лиганда задается уравнением (8) и только свободный лиганд (уравнение 5) может вызвать клеточный ответ, то сигнал г описывается формулой:

г(0 = [Ц(0 = рСЪ(е-ке° - е-к) (11) Для схем второго типа величину / можно описать уравнением:

/= Аге (12)

Нами был произведен численный расчет процесса развития клеточного ответа во времени для схем первого и второго типов (рис. 2). Величины ке: и к были взяты из

0,3

0,2

^ 0,1

Л/1 а

V Л 2

' V

/ \\\

( \

100 200 300 400 г, мин

0,4

0,2

0,2

0,1

10

Л мин

1.103

0,1

0,1

10 г, мин

100

1.103

Рис. 2. Развитие биологического ответа во времени.

Для а и бпоступающий сигнал г определяется уравнением (11), ответ у— уравнением (10) (а), (10') (б); к = 0,0277 мин-1, ке! = 0,0714 мин-1, С0 = 1 нМ А = 1, у = р ~=1(Т); 0,5(2); 0,3(3); 0,2(4).

Для виг сигнал г определяется уравнением (11), ответ у — уравнением (12); к1 = 0,0277 мин-1, ке: = 0,0714 мин-1, А = 1, у = Р; в— С0 = 1 нМ р = 1(1), 2(2), 3(3), 2(44; г— Р = 0,388, С0 (в пМ) 1(1), 5(2), 10(3), 20(44.

0

0

0

1

работы [27] для гормона роста. Для схем первого типа наблюдается мономодальная дозовая фармакокинетиче-ская зависимость (рис. 2 а, б), при этом время наступления максимума эффекта и время развития биологической реакции зависят от степени связывания лиганда с белком-переносчиком. Это действительно было показано в работе [27], в которой изучались эффекты гормона роста и его аналогов при введении их людям разных возрастных категорий, при ассоциации с различными белками-переносчиками, при введении разных доз гормона.

Для схем второго типа фармакокинетическая дозовая зависимость имеет два максимума (бимодальные кривые на рис. 2 в, г, при этом величины максимумов и наличие бимодального эффекта зависят от концентрации лиганда и параметров его ассоциации с белками-переносчиками, что соответствует результатам работы [27]. Незначительные изменения в этих величинах могут привести к драматическому изменению формы клеточного ответа.

Заключение

Белковые транспортные системы млекопитающих характеризуются гетерогенностью связывающих белков [34]. В соответствии с полученными результатами в случае бимодальных зависимостей «доза—эффект» биологический ответ живых систем будет определяться не только дозой биологически активного вещества, как это обычно принято считать в фармакологии, но также и связыванием с белками-переносчиками. Концентрация лиганда и его связывание с транспортными системами влияет не только на величину, но и на форму биологического ответа, включая межпиковый период на бимодальной дозовой кривой и саму возможность формирования бимодального ответа. Изменение этих параметров может привести к трансформации формы фар-макокинетической кривой от мономодальной к бимодальной и наоборот.

Характер зависимости «доза—эффект» имеет существенное значение для медицины. Это связано с тем, что достаточно часто в терапевтических целях используются синтетические аналоги гормонов (пероральная контрацепция, гормонозаместительная терапия и т.д.), которые имеют иное сродство к транспортным белкам крови, чем природные соединения. Применение подобных препаратов может привести к извращению биологического ответа не только по величине, но и по форме. Поэтому назначение синтетических аналогов гормонов отнюдь не столь безо-

пасно и безразлично для организма, как это может показаться на первый взгляд.

Кроме того, при многих патологических состояниях организма изменяется продукция гормонов, что наиболее характерно для новообразований из гормонпродуцирующих тканей. В частности, описано изменение концентрации в крови при поликистозе яичников половых гормонов, белка, связывающего половые гормоны, а также отношения концентраций свободных и связанных половых гормонов [35]. Как следует из наших результатов, это может привести к принципиальным изменениям биологического ответа на половые гормоны не только по силе, но и по форме.

Поэтому следует соблюдать большую осторожность при испытании новых лекарственных средств, имеющих регуля-торные механизмы действия, оценивая не только их фар-макокинетический профиль, но и развитие биологического ответа. Чтобы быть уверенным в отсутствии (наличии) бимодальной дозовой зависимости, требуется проведение всесторонних детальных исследований при достаточно длительном диапазоне времен и с использованием исследуемого фармакологического препарата в широком интервале концентраций. Кроме того, необходимо исследовать зависимость биологического ответа от концентрации связывающих белков: у лиц разных возрастных категорий, при гипоальбуминемии, глобулинемии, новообразованиях и т.д.

В случае лекарственных веществ, не имеющих регуля-торного механизма (антибиотики), изменение дозировки и связывания с белками-переносчиками может повлиять на их максимальную терапевтическую концентрацию и длительность циркуляции в крови (аналогично данным, приведенным на рис. 2 а, б). Несмотря на то, что лекарственные вещества, не имеющие регуляторной природы, не вызывают дозозависимых изменений формы биологического ответа, знание зависимости «доза—эффект» все же необходимо, поскольку возможны модификации в величине биологического ответа, а также в частоте назначения препарата при изменении их дозировки и/или связывании с белками крови.

ЛИТЕРАТУРА

1. Галактионов С.Г, Голубович В.П., Шендерович М.Д., Ахрем А.А. Введение в теорию рецепторов. Минск: Наука и техника, 1986, 199 с.

2. Веселова Т.В, Веселовский В.А., Чернавский Д.С. Стресс у растений. М.: Изд-во МГУ, 1993, 144 с.

3. Веселовский В.А., Веселова Т.В., ЧернавскийД.С. Рос. хим. ж. (Ж. Рос. хим. об-ва им. Д. И. Менделеева), 1999, т. XLIII, № 5, с. 49—54.

4. KurumaA, HartzellH.C. J. Gen. Physiol., 2000, v. 115, №. 1, p. 59—80.

5. Kaneko M, Kodama M, Inoue F. Free Radic. Res., 1994, v. 20, №. 4, p. 229—239.

6. Imlay J.A, Linn S. J. Bacteriol., 1986, v. 166, № 2, p. 519—527.

7. Holzhutter H.G., Quedenau J. J. Biol. Systems, 1995, v. 3, № 1, p. 127—138.

8. Redd AA, Hill JL, Murphy DL. Naunyl Schmiedebergs Arch. Pharmacol., 1988, v. 338, p. 678—683.

9. Пальмина Н.П., Мальцева Е.Л., Пынзарь Е.И., Бурлакова Е.Б. Рос. оим. (Ж. Рос. хим. об-ва им. Д. И. Менделеева) , 1999, т. XLIII, № 5, с. 55—62.

10. Mond J.J., Feuerstein N. June C.H. e. a. J. Biol. Chem., 1991, v. 266, №. 7, p. 4458—4463.

11. Богатыренко Т.Н., Редкозубова Г.П., Конрадов А.А. и др. Биофизика, 1989, т. 34, № 2, с. 327—329.

12. Berger C.E, Datta H.K. Exp. Physiol., 2000, v. 85, № 1, p. 57—60.

13. Sergeeva M.G., Gonchar M.V., Mevkh A.T., Varfoio-meevS.D. FEBS Lett., 1997, v. 418, p. 235—238.

14. File S.E, Kenny P.J., Ouagazzal A.M. Behav. Neurosci., 1998, v. 112, № 6, p. 1423—1429.

15. Sekine N. Yamashtta N. Kojima , e. a. Diabetes Res. Clin. Pract., 1994, v. 26, № 1, p. 7—14.

16. Battegay E.J., Raines E.W., SeffertR.A. e. a. Cell, 1990, v. 63, № 3, p. 515—524.

17. Moins N. Renoux M., Boucher M., Gachon P. In Vitro Cell Dev. Biol., 1991, v. 27A, № 2, p. 147—150.

18. Buckley N.E., Matyas G.R., SplegelS. Exp. Cell Res., 1990, v. 189, № 1, p. 13—21.

19. PiccoiiM., Satto T., Chirigos M.A. Int. J. Immunopharmacol., 1984, v. 6, № 6, p. 569—576.

20. Zhang J., Tucholski J., LesortM. e. a. Biochem. J., 1999, v. 343, part 3, p. 541—549.

21. Borisova E.V., Kadar T., Telegdy G. Acta Physiol. Hung., 1991, v. 78, № 4, p. 301—308.

22.Olive M.F., Maidment N.T. J. Pharmacol. Exp. Ther., 1998, v. 285, № 3, p. 1310—1316.

23. Wang L., Gintzier A.R. J. Neurochem., 1994, v. 63, № 5, p. 1726—1730.

24. Дубинин К.В. Автореф. дисс....... канд. хим. наук, Москва, 1997, 20 с.

25. Nikoiova-Karakashian M., Morgan E. T., Alexander C. e. a,, J. Biol. Chem., 1997, v. 272, № 30, p. 18718—18724.

26. Spinas G.A., Palmer J.P., Mandrup-Poulsen T. e. a. Acta endocrinol., 1988, v. 119, № 2, p. 307—311.

27. Veldhuis J.D., Johnson M.L., Faunt L.M. e. a. J. Clin. Invest., 1993, v. 91, p. 629—641.

28. Bellavtte P., Chirumbolo S., Lippi G. e. a. Cell Biochem. Funct., 1993, v. 11, p. 93—100.

29. Бурлакова Е.Б. Вестн. РАН, 1994, т. 64, № 5, с. 425—431.

30. Спитковский Д.М. Радиобиология, 1992, т. 32, № 3, с. 382—399.

31. Гуревич КГ., Шимановский Н.Л. Воп. биологической, медицинской и фармацевтической химии, 2000, № 3, с. 45—48.

32. Сергеев П.В., Шимановский Н.Л., Петров В.И. Рецепторы физиологически активных веществ. Москва, Волгоград: Семь ветров, 1999, 37 с.

33. Варфоломеев С.Д., Гуревич КГ. Биокинетика. Практический курс. М.: Фаир-пресс, 1999, 720 с.

34. Barnard R., Wolff R. J. Theor. Biol., 1998, v. 190, p. 333—339.

35. Hamltton-Farrley D., Whtte D., Grifftths M. e. a. Clin Endocrinol. (Oxf), 1995, v. 43, p. 159—165.