55https://doi.org/10.29296/2618723X-2019-01-06
Токсикокинетика - методологические подходы. Обзорная статья
О.Н. Пожарицкая, кандидат фармацевтических наук, заместитель директора по стандартизации и новым технологиям А.Н. Шиков, доктор фармацевтических наук, заместитель директора по инновациям, В.Г. Макаров, доктор медицинских наук, профессор Санкт-Петербургский институт фармации 188663, Россия, Ленинградская обл., Всеволожский р-н, г.п. Кузьмоловский, ул. Заводская, д. 3, корп. 245
Е-таК: [email protected]
Резюме. Рассмотрена необходимость интеграции фармакокинетики в испытания токсичности, что будет способствовать более точной интерпретации результатов токсикологических исследований и обеспечению рационального дизайна исследования. Термин «токсикокинетика» в контексте разработки лекарственных средств (ЛС) означает получение фармакокинетических данных либо в качестве интегрального компонента при проведении доклинических исследований токсичности либо в специально разработанных исследованиях по определению системной концентрации. Полученные данные могут быть полезны для интерпретации токсикологических исследований и их актуальности с точки зрения клинической безопасности.
Современная практика разработки лекарств требует токсикологического исследования с самого раннего этапа поиска возможных кандидатов в ЛС. Токсикокинетические исследования, проводимые на исследовательском этапе, необходимы для установления более точной цели в процессе разработки. Токсикокинетический раздел - неотъемлемая часть программы доклинических испытаний. Получаемая информация призвана повысить ценность токсикологических данных как с точки зрения понимания исследований токсичности, так и в сравнении с клиническими данными для оценки риска и безопасности у человека. Благодаря включению в исследования токсичности и сопоставлению доклинических и клинических исследований, основной акцент делается на интерпретации данных токсичности, а не на характеристику основных фармакокинетических параметров изучаемой субстанции.
Основная цель токсикокинетического исследования - определение системных концентраций, достигаемых у животных и выявление связи их с уровнем дозы и периодом проведения исследования токсичности. Кроме этого, при проведении токсикокинетических исследований ставятся вторичные цели: определить связь между концентрациями, достигнутыми в исследованиях токсичности, и результатами токсикологических исследований и провести оценку соответствия полученных данных параметрам клинической безопасности; подтвердить выбор вида и режим терапии данными доклинических исследований токсичности; получить информацию, которая в совокупности с результатами исследований токсичности позволит разработать дизайн последующих доклинических исследований токсичности.
Токсикокинетика также помогает выбрать режим и интервал дозирования лекарств, необходимых для успешной терапии и/или экспериментальных исследований.
Ключевые слова: токсикокинетика, дизайн, методология, доклинические исследования.
Для цитирования: Пожарицкая О.Н., Шиков А.Н., Макаров В.Г. Токсикокинетика -методологические подходы. Лабораторные животные для научных исследований. 2019; 1. https://doi.org/10/29926/2618723X-2019-01-06
laboratory animals for science
-mvftcb лабораторные животные
цт* для научных исследований
Toxicokinetics - methodological approaches
O. Pozharitskaya, PhD in pharmacy, deputy director, A. Shikov, PhD in pharmacy, DrSci, deputy director, V. Makarov, Dr. Med. Sci., professor, director Saint Petersburg Institute of Pharmacy Leningradskiy region, Vsevolozhskiy district, Kuzmolovskiy, st. Zavodskaya, 3. b. 245, 188663, Russia
E-mail: [email protected]
Summary. The article discusses the importance of integration of pharmacokinetics in toxicity testing. This will be helpful in interpretation of the results of toxicological studies and ensure the development of a rational study design. The term "toxicokinetics" in the context of the development of medicines means obtaining pharmacokinetic data either as an integral component when conducting preclinical toxicity studies or in specially designed studies to determine systemic concentration. The data obtained can also be used for interpretation of the results of toxicological date and their relevance in terms of clinical safety issues.
The current practice of drug development requires toxicological study from the very early stage of the search for possible candidates for drugs. Toxicokinetic studies conducted at the early stage are necessary to establish a more accurate goal in the development process. The toxicokinetic section is an integral part of the preclinical testing program and the information obtained is intended to increase the value of the toxicological data obtained, both from the point of view of understanding toxicity studies, and in comparison with clinical data as part of a person's risk and safety assessment. Due to the inclusion of toxicity and the comparison of preclinical and clinical docie, the main focus is on the interpretation of toxicity data, and not on the characterization of the main pharmacokinetic parameters of the substance under study.
The main aim of the toxicokinetic study is to determine the systemic concentrations achieved in animals and to identify their relationship with the dose level and the period of the toxicity study. In addition, when conducting toxicokinetic studies, secondary aims are: to determine the relationship between the concentrations achieved in toxicity studies and the results of toxicological studies, and to assess the compliance of the obtained data with the parameters of clinical safety; confirm the selection of the type and mode of therapy data preclinical toxicity studies; obtain information that, together with the results of toxicity studies, will allow the design of subsequent preclinical toxicity studies to be developed. Toxicokinetics also helps to select the dosing regimen and the dosing interval of drugs / chemicals necessary for successful therapy and / or experimental studies.
Key words: toxicokinetics, design, methodology, preclinical studies.
For citation: Pozharitskaya O., Shikov A., Makarov V. Toxicokinetics - methodological approaches. Laboratory Animals for Science. 2019; 1. https://doi.org/10.29296/2618723X-2019-01-06
Введение
Предмет токсикокинетики - изучение абсорбции, распределения, метаболизма/биотрансформации и экскреции (Absorption, Distribution, Metabolism/ biotransformation and Excretion, ADME) ксенобиотиков/токсикантов во времени. Поскольку основные кинетические концепции абсорбции, распределения, метаболизма и выделения химических веществ в организме изначально изучались в фармакологии, область исследования традиционно называется фармакокине-тикой. Токсикокинетика расширяет кинетические принципы для изучения токсичности и охватывает различные области, начиная от изучения неблагоприятного воздействия ЛС и заканчивая исследованиями о том, как кинетика
дислокации экзогенных химических веществ из окружающей среды (обычно называемые ксенобиотиками) регулирует их вредное воздействие на организм.
Знание кинетических принципов имеет большое значение в терапии, поскольку оно показывает взаимосвязь между фармакологическим или токсикологическим действием препарата/токсиканта и концентрацией препарата/токсиканта в организме. Эти принципы полезны для определения следующих факторов:
1) степени и скорости распространения параметров ЛБМБ в организме;
2) дозы и режимы дозирования препарата и их модификации в соответствии с индивидуальными потребностями и особенностями;
3) концентрации лекарственных веществ (ЛВ), которые вызывают терапевтические и токсические эффекты;
4) концентрации ЛВ в различных жидкостях организма и тканях, а также накопления ЛВ или его метаболитов в организме;
5) периода полувыведения (Т1/2) и продолжительности действия ЛВ;
6) влияния состояния организма (заболевания) на различные фармакокине-тические параметры;
7) характера и степени взаимодействия ЛВ.
Термин «токсикокинетика» в контексте разработки ЛС, предназначенных для человека, означает получение фармакокинетических данных либо в качестве интегрального компонента при проведении доклинических исследований токсичности, либо в специально разработанных исследованиях по определению системной концентрации. Полученные данные могут также быть полезны для интерпретации токсикологических исследований и их актуальности в аспекте вопросов клинической безопасности [1].
Цель данной публикации - оценка методологической основы для лучшего понимания значения и практического применения токсикокинетических данных и предоставления дальнейших рекомендаций по разработке стратегии проведения доклинических испытаний.
Токсикокинетический раздел - неотъемлемая часть программы доклинических испытаний [2], и получаемая информация призвана повысить ценность токсикологических данных как с точки зрения понимания исследований токсичности [3], так и в сравнении с клиническими данными в рамках оценки риска и безопасности у человека [4]. Благодаря включению в исследование токсичности и сопоставлению доклинических и клинических исследований, основной акцент делается на интерпретации данных токсичности, а не на характеристику основных фармакокинетических параметров изучаемого ЛВ [5].
Разработка препарата - динамичный процесс, включающий постоянную взаимосвязь между доклиническими и клиническими исследованиями (рис. 1). Детализованной процедуры проведения токсикокинетических исследований на сегодняшний день не разработано.
Принципы токсикокинетики
laboratory animals for science
Рис. 1. Место токсикокинетики в процессе разработки препарата [6]
лабораторные животные ^^
для научных исследований
Современная практика разработки лекарств требует проведение токсикологического исследования с самого раннего этапа поиска возможных кандидатов в ЛС (см. рис. 1). Благодаря оптимизации молекулы/синтеза на этапе отбора выбираются кандидаты в ЛВ с высокой таргетностью, а исследования по изучению токсичности исследуемых препаратов с использованием новейших достижений науки обеспечивают адекватные точки отбора для дальнейшего исследования. Токсикокинетические исследования, выполняемые на этом исследовательском этапе, также необходимы для установления более точной цели в процессе разработки.
Основная цель токсикокинетического исследования - определение системных концентраций, достигаемых у животных, и выявление связи их с уровнем дозы и периодом проведения исследования токсичности. Кроме этого, при проведении токсикокинетических исследований ставятся вторичные цели:
• определить связь между концентрациями, достигнутыми в исследованиях токсичности, и результатами токсикологических исследований и провести оценку соответствия полученных данных параметрам клинической безопасности;
• подтвердить выбор вида и режим терапии;
• получить информацию, которая в совокупности с результатами исследований токсичности позволит разработать дизайн последующих доклинических исследований.
Этих целей можно достичь путем расчета одного или нескольких фармакоки-нетических параметров измерений, осуществляемых в соответствующие моменты времени в ходе исследований хронической токсичности. Такие измерения, как правило, включают определение концентраций исходного ЛВ и/или его метабо-лита(ов) в биоматрице (плазме, либо цельной крови, либо в сыворотке).
В фармакологических исследованиях новых перспективных соединений в основном оцениваются параметры, описывающие биодоступность соединения, включая общий клиренс препарата из системы, объем распределения ЛС, скорость его элиминации, скорость абсорбции ЛС, константы скорости переноса среди компартментов системы и т.д. [7, 8]. Токсикокинетические исследования, напротив, направлены на определение альтернативных параметров, которые суммируют токсикологические эффекты, связанные с воздействием химических соединений на организм: определение максимальной концентрации Стах; время Ттах, при котором достигается Стах; период полувыведения Т1/2; и площадь под кривой концентрация-время (ЛИС). Интерпретация токсикокинетических параметров при этом меняется. Стах и Ттах относятся к скорости абсорбции и воздействия, тогда как ЛИС в этом случае следует интерпретировать в качестве сводного показателя степени абсорбции и воздействия. Период полувыведения Т1/2 - это время, необходимое для устранения половины токсина из крови или плазмы от максимальной концентрации.
Иногда для некоторых веществ могут быть более актуальны иные биоматрицы, например выведение с мочой. Такие параметры как, например, биодоступность (£),
период полувыведения (Т1/2), фракция несвязанного препарата и объем распределения (Уё), также могут иметь значение при интерпретации токсикокинетических данных. Таким образом, выбор параметров и моментов времени должен осуществляться в индивидуальном порядке с учетом общих принципов.
Основная цель токсикокинетического анализа состоит в изучении системной концентрации препарата, достигаемой при введении его животным, используемым для токсикологических исследований. Однако при определенных обстоятельствах измерение концентрации метаболитов в плазме или других жидкостях организма имеет особое значение при проведении токсикокинетических исследований.
Данные, полученные при проведении токсикокинетических исследований, должны обеспечить адекватную оценку степени всасывания. Однако вследствие серьезных внутри- и межиндивидуальных различий кинетических параметров и небольшого количества животных, участвующих в токсикокинетических исследованиях, высокой статистической точности, как правило, не требуется. Следует учитывать расчет среднего значения и медианы, а также оценку изменчивости, но в некоторых случаях данные отдельных животных могут быть важнее детального статистического анализа групповых данных [5].
Сопутствующие токсикокинетические исследования, проводимые в рамках исследований токсичности, регулируемые нормами Надлежащей лабораторной практики (СЬР), также должны соответствовать нормам СЬР Токсикокинетические исследования, ретроспективно предназначенные для генерации специфического набора данных при условиях, близко имитирующих условия проведения исследований токсичности, также должны соответствовать СЬР, если данные исследования проводятся для оценки безопасности [9].
Выбор уровня доз в исследованиях токсичности во многом определяется результатами токсикологических испытаний и фармакодинамического ответа для изучаемого вида животных. Однако при определении уровня дозы могут быть задействованы токсикокинетические принципы - выбор 3 уровней доз [5].
Интеграция фармакокинетических данных в исследование токсичности подразумевает раннюю разработку аналитических методов. Последние должны выполняться при непрерывном анализе выбора аналитов и матриц, по мере получения новой информации о метаболизме и межвидовых различиях. Аналит и матрица, изучаемые в доклинических исследованиях, в идеале должны совпадать с изучаемыми в клинических исследованиях. Если в доклинических и клинических исследованиях используются разные методы анализа, все они должны быть надлежащим образом валидированы [10-13].
По результатам проведенного токсикокинетического исследования должен быть составлен отчет с полным анализом токсикокинетических данных, в том числе с целью интерпретации результатов токсикологических исследований [14]. В отчете должен быть изложен план аналитического метода, либо приведена ссылка на него. Кроме того, должно быть дано обоснование выбора анализируемой матрицы и измеряемого аналита.
2019
laboratory animals for science
№1
Токсичность
Центральная
нервная система
Почечная
Респираторная
Кардиотоксичность
Неврологическая
Печеночная
Мышечно-
скелетная и др.
Токсикокинетика
Безопасность/оценка рисков
Рис. 2. Вклад токсикокинетики и фармакокинетики в оценку риска безопасности и побочных эффектов, связанных с мишенью [6]
Основные требования и рекомендации к помещениям для содержания животных, для проведения экспериментов, хранения данных, образцов, кормов и других материалов, помещениям для персонала подробно изложены в [15].
Фармакокинетика и токсикокинетика вместе с тесно связанными дисциплинами - фармакодинамикой и токсикодинамикой становятся важными компонентами процесса разработки и готового ЛС (ГЛС) (рис. 2). За последние 30 лет фармакокинетика играла все возрастающую роль в Я&Б-разработках; в настоящее время она является самостоятельной критической и высокоинтеллектуальной дисциплиной, способствующей получению знаний о распределении и активности лекарственного вещества в период доклинического и клинического изучения. Токсикокинетика имеет более недавнее происхождение и в настоящее время является предметом многочисленных дискуссий.
С
Z
Z
ш Z
m
го ^
с
со
ОС 5 J го
II
ш J I
о
Токсический уровень
Пиковый эффект
Терапевтический диапазон
MSC
Продолжительность действия
Рис. 3. Профиль концентрации в плазме готового лекарственного средства после однократного перорального введения [8]
При введении препарата перорально или экстраваскулярно (э/в) [внутримышечно (в/м), подкожно (п/к), внутрибрюшинно (в/б) и т.д.], он медленно (по сравнению с внутривенным введением) проникает в системный кровоток. Типичная кривая концентрации в плазме, полученная после однократной пероральной дозы ГЛС показана на рис. 3. Эти параметры также применимы к токсикантам. Плазменная концентрация препарата постепенно увеличивается до максимума (пиковый уровень). Поскольку препарат поступает в кровоток, он распределяется по тканям и органам тела и далее выводится. Восходящая часть кривой (слева от пика) представляет собой фазу поглощения, поскольку на этой фазе скорость поглощения больше, чем скорости распределения и элиминации. Нисходящая часть кривой (справа от пика) обычно представляет собой фазу выведения, так как в этой фазе скорость элиминации превышает скорость поглощения. Скорость, с которой происходят процессы поглощения и элиминации, определяется наклонами кривой и выражается константой скорости поглощения (Ка) и константой скорости элиминации (Ер) соответственно.
Важные параметры, необходимые для определения режимов приема лекарств (см. рис. 3):
• минимальная эффективная концентрация (МЭК/МЕС): минимальная концентрация ЛС в плазме, необходимая для получения желаемого фармакологиче-
-mvftcb лабораторные животные
4ЧМЦТ* ддЯ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ™ I
ского/терапевтического ответа. В случае противомикробных препаратов используется термин «минимальная ингибирующая концентрация» (МИК/MIC), которая может быть определена как минимальная концентрация антимикробного агента в плазме, требуемая для ингибирования роста микроорганизмов;
• максимальная безопасная концентрация (МБК/MSC) или минимальная токсическая концентрация (МТК/MTC): концентрация препарата в плазме, выше которой возникают эффекты. Концентрация препарата выше MSC считается токсичной. Концентрация ЛС между MEC и MSC представляет терапевтический диапазон;
• максимальная концентрация в плазме/пиковая концентрация в плазме (Cmax или Cpmax): точка, соответствующая максимальной концентрации лекарственного вещества в плазме. Максимальная концентрация в плазме зависит от вводимой дозы и скорости абсорбции (константа скорости поглощения, Ka) и элиминации (константа скорости элиминации, Бр). Пиковая концентрация представляет точку времени, когда абсорбция равна скорости элиминации ЛС. Она часто выражается в мкг/мл;
• площадь под кривой (Area Under Curve AUC): общая интегрированная площадь под кривой плазменной концентрации препарата. Она выражает общее количество ЛС, которое поступает в системный кровоток после введения препарата. Для некоторых веществ могут быть более актуальны другие характеристики, например показатели выведения с мочой;
• пиковый эффект: максимальный или пиковый фармакологический эффект, получаемый от введения препарата. Он обычно наблюдается при максимальной концентрации препарата в плазме;
• время достижения максимальной концентрации/время пиковой концентрации (Tmax): время, необходимое для достижения пиковой концентрации вещества в плазме. Чем быстрее скорость поглощения, тем ниже Tmax. Этот показатель также полезен при оценке эффективности лекарств, используемых для купирования острых состояний (например, боли), которые можно лечить с помощью одной дозы. Tmax выражается в часах;
• начало действия: начало фармакологического ответа препарата. Это соответствует моменту, когда концентрация препарата в плазме превышает MEC;
• время начала: время, необходимое лекарству для начала фармакологического ответа. Обычно это соответствует времени, когда концентрация в плазме достигает MEC после введения препарата;
• продолжительность действия: период времени, в течение которого препарат вызывает фармакологический ответ. Это обычно соответствует длительности, когда концентрация препарата в плазме остается выше уровня MEC.
Другие параметры, например, биодоступность, Т^, фракция несвязанного препарата и объем распределения, также могут иметь значение при интерпретации токсикокинетических данных. Следовательно, выбор параметров и моментов времени должен осуществляться в индивидуальном порядке с учетом общих принципов.
Модели для описания токсикокинетического анализа
Прежде чем обсуждать различные модели, используемые при анализе токсико-кинетики, важно определить процессы, которые будут возникать во время ЛБМЕ. Например, когда вещество вводят любым другим способом, кроме внутривенного, оно медленно проникает в системную циркуляцию, и концентрация лекарственного вещества в плазме постепенно увеличивается до максимального пикового уровня. По мере того, как вещество всасывается в кровь, оно распределяется по тканям тела и также может одновременно выводиться. Если предположить, что концентрация химического вещества в крови или плазме находится в некотором описываемом динамическом равновесии с его концентрациями в органах и тканях, то изменение концентрации вещества в плазме должно отражать изменение его концентрации в тканях, а относительно простые кинетические модели могут адекватно описывать поведение вещества в организме. Ниже приведены часто встречающиеся модели, описывающие процессы в токсикокинетике:
1. Скорость кинетики нулевого порядка. Процесс нулевого порядка (кинетика нулевого порядка или кинетика с постоянной скоростью) может быть определен как процесс токсикокинетики, скорость которого не зависит от концентрации ксенобиотика/химического соединения; т.е. скорость процесса токсикокинетики остается постоянной и не может быть увеличена еще больше за счет увеличения концентрации ксенобиотика.
2. Скорость кинетики 1-го порядка. Процесс 1-го порядка (кинетика первого порядка или линейная кинетика) может быть определен как токсикокинетический процесс, скорость которого прямо пропорциональна концентрации ксенобиотика/ химического соединения (т.е. чем выше концентрация, тем быстрее процесс).
3. Скорость кинетики смешанного порядка. Процесс смешанного порядка (кинетика смешанного порядка, нелинейная кинетика или дозозависимая кинетика) можно определить как процесс токсикокинетики, скорость которого представляет собой смесь процессов нулевого порядка и 1-го порядка. Процесс смешанного порядка соответствует кинетике нулевого порядка при высокой концентрации и кинетике 1-го порядка - при более низкой концентрации ксенобиотика. Этот тип кинетики обычно наблюдается при увеличении дозы или многократном приеме некоторых химических веществ.
Токсикокинетические модели. Для токсикокинетического анализа выбор используемой модели зависит от предполагаемого применения и доступных данных. Наиболее часто используют классическую токсикокинетику (традиционная), некомпартметные модели/некомпартментный анализ и физиологические модели.
Классическая токсикокинетика. Классической (традиционной) моделью токсико-кинетики является математическое описание процесса от времени нахождения токсиканта во всем организме. При таком подходе организм представляет собой систему, состоящую из 1 или 2 (иногда - большего числа) компартментов (отделов), даже если отсеки не имеют точного соответствия анатомическим частям тела или физиологическим процессам. Эти эмпирические модели разделов почти всегда
laboratory animals for science
Линейные координаты | Полулогарифмические л м
г/ координаты г/
z к м в к м в
\ ^
и j \ и \
а р \ а р /
X т н \ т н / К ^^
J X е j н е ^ н
о о о
Время в/в введения Время в/в введения Время per os или э/в введения
Рис. 4. Однокомпартментная открытая модель после внутривенного (в/в) болюсного и
перорального (per os) или экстраваскулярного (э/в) введения однократной дозы токсиканта [8]
разрабатываются для описания кинетики токсикантов в легкодоступных жидкостях организма (в основном в крови) или экскрементах.
Это наиболее простой способ получения информации об абсорбции, распределении, метаболизме и выведении соединения, а также для изучения временного курса концентрации токсинов в крови или в плазме с течением времени. Если предположить, что концентрация химического вещества в крови или плазме находится в некотором описываемом динамическом равновесии с его концентрациями в тканях, то изменения концентрации токсикантов в плазме должны отражать изменения в концентрациях токсикантов в тканях, а относительно простые кинетические модели могут адекватно описывать поведение этого токсиканта в организме.
Однокомпартментная модель. Однокомпартментная открытая модель представляет собой простейшую модель, которая рассматривает все тело как единую, кинетически однородную единицу (компартмент). В этой модели конечное равновесное распределение между химическим веществом в плазме и другими жидкостями организма достигается быстро и поддерживается в течение всего времени.
Внутривенное введение: при введении любого химического вещества в виде болюса химическое вещество мгновенно распространяется в организме, и вся доза химического вещества поступает в организм и немедленно распространяется через циркуляцию по всем тканям (рис. 4). В такой ситуации кривая ксенобиотической концентрации от времени будет получена как прямая линия в полулогарифмическом виде, показывая монофазное экспоненциальное снижение. В этой модели снижение концентрации ксенобиотиков в плазме происходит только за счет элиминации химического вещества из организма; поэтому фаза называется «фазой элиминации». Фаза распределения обычно игнорируется в расчетах, потому что распределение происходит настолько быстро, что не может быть показано на графике. Экстраполированный нулевой член уравнения фазы линейной элиминации дает коэффициент B, а константа скорости элиминации определяется р. Величина В представляет собой концентрацию в плазме в момент введения химического вещества (см. рис. 4).
100
z
5С
Z
<и Z
m
го ^
С
J
го
IX
ф
J X
о
В 20
10
В = 20 мкг/мл ТУ2 = 1,75 ч
С
Фаза элиминации (в)
(в) = 1,75 ч
I I I I I I 0 1 2 3 4 5 6 7 Время, ч
Однокомпарментная открытая модель
Рис. 5. Полулогарифмическая кривая, описывающая зависимость концентрации вещества в плазме после в/в введения [8]
в/в
э/в
▼ Ке К
Введение в/в Применение э/в
Рис. 6. Однокомпартментная открытая модель
К
а
После в/в введения кривая представляет собой прямую линию в полулогарифмическом виде и показывает монофазный спад (рис. 5). В отличие от в/в, после пе-рорального или э/в введения (вместо прямой линии) имеются 2 экспоненты (например, фаза абсорбции и элиминации).
При описании токсикокинетических процессов с помощью этой модели исходят из допущения, что вещество, попав в организм, полностью распределяется в едином пространстве, равном по величине объему распределения. В однокамерной модели наиболее простая оценка токсикокинетики влечет за собой количественную оценку плазменных концентраций токсиканта в нескольких временных точках после введения. Если полученные данные описываются прямой при использовании полулогарифмических координат, говорят, что кинетика токсиканта соответствует однокомпартментной модели (рис. 6).
Хотя такая модель достаточно примитивно описывает реальные процессы, протекающие в организме, она позволяет дать количественно описать свойства токсиканта. Эта модель наиболее широко применяется в практике токси-кокинетических исследований, причем используется значительно чаще, чем любая другая.
Двухкомпартментная модель. Однокомпартментная модель не учитывает физиологические особенности организма. Предположили, что с увеличением числа компартментов, принятых в математической модели кинетики токсиканта, можно улучшить качество описания поведения вещества в организме. Таким образом, в модели включены компартменты, учитывающие процесс метаболизма ксенобиотиков, его связывание с тканями, внутрипеченочную циркуляцию и т.д. Однако для проверки правильности этих моделей требуется выполнение очень большого числа сложных экспериментов по определению содержания веществ и его метаболитов в различных органах и тканях. Часто получаемая информация не оправдывает затраты. Модель с 2 отсеками предполагает, что организм состоит из 2 компартментов (отсеков): центрального и периферийного (рис. 7). Центральный отсек (компартмент 1) включает кровь и сильно васкуляризированные органы, такие как печень, почки, легкие, сердце и мозг; менее васкуляризированные ткани, - кожа, мышцы, кости и хрящи -составляют периферическое отделение (компартмент 2). Лекарственное средство/токсикант при прямом в/в введении поступает в центральный отсек. После поглощения он распределяется по различным органам и быстро уравновешивается. Элиминация вещества происходит из центрального отсека, потому что там находятся основные органы, участвующие в выведении ЛС (например, печень и почки). Распределение средства/токсиканта в периферическое отделение происходит через кровь (центральное отделение) и протекает достаточно медленно. Предполагается, что передача химического вещества из центрального компартмента в периферийный и обратно происходит в соответствии с кинетикой первого порядка и определяется константой скорости (K). Индекс указывает направление химического движения; например, К12
z L_ . z \ а 1 а
s J ro 1-X Ш J X V в 1 1-X ш J X
о о ■—
Время в/в введения Время рег об или э/в введения
Рис. 8. Открытая модель с 2 компартментами после в/в и э/в введения однократной дозы токсиканта (кривая двухэкспоненциальная). Линейная конечная часть является фазой элиминации в
относится к перемещению ЛС из компартмента 1 (центральное отделение) в компартмент 2 (периферический отдел), и обратное для К21 (рис. 8). Открытая модель с 2 отделами адекватно описывает кинетику распределения большинства химических веществ у людей и животных.
Внутривенное введение: после в/в введения, которое описывается кинетической моделью с 2 компартментами, снижение концентрации в плазме является двухэкспоненциальным; при представлении данных в полулогарифмических координатах кривая концентрации ксенобиотика в плазме быстро снижается в течение 1-й фазы, после чего следует медленное терминальное снижение (см. рис. 8). Первоначальное резкое снижение концентрации объясняется, главным образом, распределением лекарственного вещества из центрального компартмента в периферический, а окончательное медленное снижение в основном связано с выводом из центрального отсека. Линейная конечная часть кривой называется фазой элиминации. Разложение двухэкспоненциальной кривой на ее составляющие позволяет получить 2-й линейный сегмент, называемый фазой распределения.
Для любого химического вещества, которое поступает в организм перо-рально или с помощью э/в и распределяется в соответствии с открытой двух-компартментной моделью, скорость изменения концентрации химического вещества в плазме описывается 3 показателями: Ка - показатель поглощения; а - показатель распределения; р - показатель выведения (см. рис. 8).
Трехкомпартментная модель. Токсикокинетическое поведение некоторых химических веществ, которые имеют высокое сродство к определенной ткани лучше интерпретировать в соответствии с трехкамерной открытой моделью (рис. 9). В этом случае считают, что тело состоит из 3 отсеков: 1 - центрального и 2 - периферийных компартментов. Центральный компартмент (отделение 1) содержит плазму и сильно васкуляризированные органы, тогда как периферические компартменты 2 и 3 содержат умеренно (например, кожу и мышцы)
и плохо васкуляризированные ткани (например, кости, зубы, связки, волосы и жир) соответственно. Если какое-либо химическое вещество вводят внутривенно, то сначала оно немедленно распределяется в сильно васкуляризированные ткани (отделение 1), а затем медленно в умеренно васкуляризированные ткани (отделение 2); после этого вещество очень медленно распределяется в плохо васкуляризированные ткани (отделение 3). Графическое представление плазменных концентраций в полулогарифмических координатах имеет трехэкспоненциальный вид.
Некомпартметные модели/некомпартментный анализ. Некомпартментные модели и некомпартментный анализ - еще один подход, используемый для изучения поведения препаратов в организме. Такие подходы не требуют предположения о конкретной компартментной модели. Они рассматривают зависимость концентрации лекарственного вещества в плазме от времени как статистическую кривую распределения и выводят кинетические параметры из простых алгебраических уравнений. При этом подробное описание характеристик выведения лекарств не требуется. Недостаток этого метода - он часто оперирует средними значениями и предоставляет ограниченную информацию о профиле концентрации в плазме от времени.
Физиологические модели. Для конкретизации токсикокинетических исследований и оценки состояния организма после контакта с токсикантом иногда важно представлять реальные характеристики движения веществ в органах и тканях. Но эти характеристики зависят от параметров абсорбции, распределения, метаболизма, выведения веществ через эти органы и тканы. Если их определять с помощью методов компартментного моделирования, то получаемые значения будут достаточно условны, так как зависят от особенностей выбранной модели. Кроме того, при математическом моделировании
невозможно представить, почему при введении в организм, например, противоопухолевого средства адриамицина развивается именно кардиотоксический эффект [16].
Эти трудности удается отчасти преодолеть, используя физиологические модели, разрабатываемые с учетом анатомо-физиологических особенностей органов и тканей у различных биологических видов (на которых изучается ток-сикокинетика), таких как объем, масса органа, кровоток через органы, связывание с белками, проницаемость гистогематических и клеточных барьеров, интенсивность и характер метаболизма в органах и т.д.
С помощью такого подхода можно достаточно хорошо представить токсико-кинетику веществ, осмыслить влияние биометрических параметров на особенности токсикокинетических характеристик. Поскольку биометрические параметры органов видоспецифичны, видоспецифичны и токсикокинетиче-ские параметры ксенобиотиков, а поскольку между биометрическими параметрами и параметрами кинетики существует количественная связь, данные, полученные на животных, можно с достаточной точностью переносить на человека, подставляя в полученные на лабораторных животных эмпирические уравнения, соответствующие биометрические параметры органов и тканей человека.
При разработке физиологических моделей распределения веществ между органами и тканями обычно исходят из схемы кровоснабжения организма, которая для всех млекопитающих, по сути, одинакова. Обычно выбирают для исследования интересующий орган (например, сердце - при изучении кинетики кардиопротекторов, или печень - при изучении гепатопротекторов). Для каждого органа может быть построена либо упрощенная, либо полная модель, основанная на учете всех особенностей его кровоснабжения, метаболизма, функций.
Физиологические/основанные модели токсикокинетики (ФОМТ) представляют собой математическое описание физиологических процессов, которые определяют скорость и степень поглощения ксенобиотиков/токсикантов, распределения, обмена веществ и экскреции. Основное различие между ФОМТ и классическими токсикокинетическими моделями заключается в константах скорости, которые описывают транспорт химических веществ в компартменты и из них. В классической токсикокинетике константы скорости рассчитываются на основании полученных данных. В ФОМТ константы скорости представляют собой известные или гипотетические биологические процессы.
Токсикокинетика насыщения. Как уже упоминалось, распределение и выведение большинства веществ происходит в соответствии с кинетикой 1-го порядка. В этом случае ожидается, что константа скорости элиминации, кажущийся объем распределения, клиренс и период полувыведения не изменяются при увеличении или уменьшении дозы введенного вещества (т.е. не зависят от дозы). Однако для некоторых веществ в зависимости от введенной дозы могут изменяться его кажущийся объем распределения или клиренс.
laboratory animals for science
Это обычно называют нелинейной или кинетикой насыщения, поскольку биотрансформация, активные процессы переноса и связывания с белками имеют конечную емкость и могут быть насыщенными.
При нелинейной токсикокинетике повышение дозы приводит к тому, что концентрация токсиканта в месте метаболизма приближается или превышает константу Михаэлиса, увеличение скорости метаболизма становится меньше, чем пропорциональное дозе и в конечном итоге достигает максимума при чрезвычайно высоких дозах.
Переход от кинетики 1-го порядка к насыщению имеет важное значение в токсикологии, потому что это может привести к значительной кумуляции соединения в организме после острого воздействия и чрезмерного накопления при повторных воздействиях. В дополнение к усложнению кинетики, зависящей от дозы, существуют химические вещества с кинетикой очистки, которые изменяются с течением времени (зависящая от времени кинетика). Общей причиной кинетики, зависящей от времени, является автоматическая индукция ферментов, метаболизирующих ксенобиотик; т.е. субстрат способен индуцировать свой собственный метаболизм посредством активации транскрипции гена. Это явление часто встречается у некоторых препаратов, которые приводят к индукции фермента, тем самым сокращая период полувыведения.
Выбор дозы и режима дозирования. Режим дозирования определяется как способ введения ЛС. Для некоторых лекарств (противорвотные средства, анти-гельминтные и др.) однократная доза может обеспечить эффективное лечение. В таких случаях не происходит накопление лекарственного вещества, и поддержание постоянной терапевтической концентрации в плазме не требуется для лечения. Однако для многих лекарств, таких как антимикробные, антиги-пертензивные и антиаритмические препараты для успешной терапии требуются множественные дозы ЛС, поступающие в организм через определенные промежутки времени в течение определенного периода времени. В этих случаях необходимо разработать оптимальный режим дозирования.
Независимо от пути введения режим дозирования включает 2 важных аспекта:
• величина единичной дозы (размер дозы);
• частота повторения дозы (интервал дозирования).
Доза или размер дозы - это количественный термин, определяющий количество ЛС, которое необходимо вводить для получения определенного биологического ответа (т.е. для достижения определенной концентрации целевого компонента в плазме). Поскольку величина терапевтических и токсических реакций зависит от концентрации ЛС в плазме, размер дозы следует выбирать таким образом, чтобы она достигла максимальной концентрации в плазме (Стах) или в пределах терапевтического диапазона (между минимальной эф-
1 и О и V о \
фективной концентрацией и максимальной безопасной концентрацией). Диапазон терапевтической концентрации в плазме получен путем тщательной
laboratory animals for science
клинической оценки ответа у достаточного количества соответственно отобранных индивидуумов.
Знание данных токсикокинетики и компартментного моделирования можно применять для принятия решения о выборе дозы и режима дозирования при планировании дальнейших токсикологических исследований. Для многих химических веществ данные о концентрации в крови или плазме могут быть адекватно описаны с помощью моделей с 1 или 2 компартментами. В некоторых случаях для описания данных токсикокинетики крови или плазмы потребуются более сложные модели с увеличенным числом компар-тментов (например, модели токсикокинетики на физиологической основе). Параметры классических компартментных моделей обычно оцениваются путем статистической подгонки данных к модельным уравнениям с использованием методов нелинейной регрессии. Ряд программных пакетов доступен как для подбора данных, так и для моделирования с классическими моделями. Данные, полученные в результате анализа токсикокинетики, помогают понять динамику токсического события (например, какие концентрации в крови или плазме достигаются для получения специфического ответа, как накопление химического вещества контролирует возникновение и степень токсичности, а также стойкость токсических эффектов после прекращения воздействия). Токсикокинетика также помогает выбрать режим дозирования и интервал дозирования лекарств/химикатов, необходимых для успешной терапии и/или экспериментальных исследований.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Conflict of interest
The authors declare no conflict of interest.
1. ГОСТ Р 56702-2015. Национальный стандарт Российской Федерации. Лекарственные средства для медицинского применения. Доклинические токсикологические и фармакокинетические исследования безопасности.
2. Приказ Министерства здравоохранения Российской Федерации № 558н от 24.08.2017 г. https:// cdnimg.rg.ru/pril/148/86/04/49287.
3. Руководство по проведению доклинических исследований лекарственных средств. Часть первая. М.: Гриф и К, 2012. 944 с; Руководство по экспертизе лекарственных средств. Том I. М.: Гриф и К, 2013:
4. Руководство по проведению клинических исследований лекарственных средств. Часть I. Под ред. А.Н. Миронова. М.: Гриф и К, 2012: 244.
Заключение
Литература
328.
laboratory animals for science
5. ICH Topic S 3 A Toxicokinetics: a guidance for assessing systemic exposure in toxicology studies. Note for guidance on toxicokinetics: a guidance for assessing systemic exposure in toxicology studies (CPMP/ICH/384/95). https://www.ema.europa.eu/documents/scientific-guideline/ich-s-3-toxicokinetics-guidance-assessing-systemic-exposure-toxicology-studies-step-5_en.pdf.
6. Horii I. Advantages of toxicokinetics in new drug development. Toxicol Lett. 1998. 102-103:657-664 DOI.org/10.1016/S0378-4274(98)00281-1
7. Welling P.G. Pharmacokinetic principles. Drug Toxicokinetics. Welling, P G., De La Iglesia, FA (eds). Marcel Dekker, Inc.: New York. 1993.
8. Gupta P.K. Principles and basic concepts of toxicokinetics in Fundamentals of Toxicology: Essential Concepts and Applications pp.87-107 DOI: 10.1016/B978-0-12-805426-0.00009-3
9. ГОСТ 33044-2014. Межгосударственный стандарт Принципы надлежащей лабораторной практики.
10. ICH Q2A Harmonized tripartite guideline. Validation of analytical procedures: text and methodology. (CPMP/ICH/381/95). https://www.ema.europa.eu/documents/scientific-guideline/ich-q-2-r1-validation-analytical-procedures-text-methodology-step-5_en.pdf.
11. ICH. Q2B. Harmonized tripartite guideline. Validation of analytical procedure: methodology. IFPMA. https://www.fda.gov/downloads/drugs/guidances/ucm073384.pdf.
12. Guidance for Industry: Bioanalytical method for validation. - Rockville. MD. U.S. Department of Health and Human Services. FDA. Center for Drug Evaluation and Research. Center for veterinary medicine. 2001. https://www.fda.gov/downloads/drugs/guidances/ucm070107.pdf.
13. Guideline on bioanalytical method validation. EMEA/CHMP/EWP192217/2009. London. Committee for medicinal products for human use (CHMP). 2011. https://www.ema.europa.eu/documents/scientific-guideline/ guideline-bioanalytical-method-validation_en.pdf.
14. ГОСТ 7.32-2017. Отчет о научно-исследовательской работе. Структура и правила оформления.
15. Селезнева А.И., Глембоцкий С.В., Поляков С.В., Макарова М.Н., Макаров В.Г., Чурин А.А. Аналитический обзор нормативной базы для обеспечения надлежащего качества доклинических исследований в России. Разработка и регистрация лекарственных средств. 2017; 2 (19): 252-9.
16. Шуйкова К.В., Емелина Е.И., Гендлин Г.Е., Сторожаков Г.И. Кардиотоксичность современных химиотерапевтических препаратов. Атмосфера. Новости кардиологии, 2012; 3: 9-19.
laboratory animals for science
