3药物的代谢研究.pptx

第三章 药物的代谢研究第一节 药物代谢方式及代谢后的活性变化 一药物代谢方式一药物代谢方式药物进入机体后主要以两种方式消除：一种是药物不经任何代谢而直接以原型随粪便和尿液排出体外；另一种是部分药物在体内经代谢后，再以原型和代谢物的形式随粪便和尿液排出体外。将药物的代谢和排泄统称为消除（elimination）。药物的代谢(metabolism)，也称为生物转化(biotransformation)，是药物从体内消除的主要方式之一。药物在体内的生物转化主要有两个步骤：第一步称为相代谢反应，药物在这相反应中被氧化、还原或水解；催化相反应的酶主要为肝微粒体中的细胞色素P450酶(P450)，因此肝脏是药物生物转化的主要部位。第二步称为相代谢反应，药物在这一相反应中与一些内源性的物质（如葡萄糖醛酸、甘氨酸、硫酸等结合或经甲基化、乙酰化后排出体外，催化相反应的酶有许多，其中主要的有葡萄糖醛酸转移酶、谷胱甘肽-S-转移酶、磺基转移酶和乙酰基转移酶等。（一）氧化反应1微粒体酶催化的氧化反应非那西丁（1）O-脱烃基（2）N-脱烃基哌替啶（3）羟化保泰松（4）N-氧化苯海拉明（5）S-氧化氯丙嗪（6）脱氨氧化 苯丙胺 2非微粒体酶催化的氧化反应吡哆醇（二）还原反应 1微粒体酶催化的还原氯霉素 2非微粒体酶催化的还原水合氯醛（三）水解反应酯的水解酯的水解酰胺的水解酰胺的水解酰肼的水解酰肼的水解水解反应涉及到的酯酶种类：酯酶包括胆碱酯酶、拟胆碱酯酶、芳香酯酶、肝微粒体酯酶和其它未分类的肝脏中的同类酶 涉及到异源化合物代谢其它酯酶：芳香基硫酸酯酶、环氧化物羟化酶、半胱氨酸肽链内切酶和丝氨酸肽链内切酶等酶酯的水解+普鲁卡因一些前体药物的水解匹氨西林：是一种前体药物，在有机体内经酶解生成氨比西林。经口给药时，匹氨西林比氨比西林更易吸收，从而在相同的给药剂量下能保证更高的血药浓度 头孢呋肟酯：是母体药物的羧基和一个复杂的基团即醋氧乙基的酯化产物；酯化提高了母体分子的亲脂性从而也提高了药物在肠中的吸收利替培南醋氧甲酯：青霉烯类（合成丙氨酸）药物的一种代表性前体药物，它抗菌谱广并且和未酯化药物相比可以口服给药。在有机体中，它经酶解作用脱去乙酰基生成母体药物利替培南乙琥红霉素盐：它的硬脂酸盐或月桂酰硫酸盐亲脂性更强，因而比母体药物更易吸收；其乳糖醛酸盐或葡庚糖酸盐是能够在胃肠外给药的水溶性的乙琥红霉素前体药物。除了具有比母体药物更好的吸收外，这些前体药物更能耐受胃液的酸性氯霉素：对氯霉素的伯醇基团进行酯化得到一个亲脂性更强的产物，而且该产物没有母体化合物的苦味。这些前体药物经过酶促裂解在体内转化成具有活性的氯霉素。这些药物的吸收更慢，从而更能保证药物在治疗血浆浓度上维持更长的时间通过用二羧酸酯化氯霉素并把酸转化成盐可以提高氯霉素的水溶性。这种前体药物的一个例子是氯霉素半琥珠酸酯的普罗比妥钠盐，它可以由静脉内给药，在体内专一性酯酶的作用下发生水解酰胺的水解+大多数酰胺由肝酰胺酶水解。从理论上讲，酰胺也可以被血浆大多数酰胺由肝酰胺酶水解。从理论上讲，酰胺也可以被血浆酯酶水解，不过这种反应进行得较慢酯酶水解，不过这种反应进行得较慢。普鲁卡因胺吲哚美辛异烟肼的酰肼基团的水解（四）（四）结合反应结合反应 表3-1 药物的主要结合反应特点1葡萄糖醛酸结合反应萘普生 葡萄糖醛酸结合物 2乙酰化反应 普鲁卡因胺 乙酰化代谢物 3硫酸化反应对乙酰氨基酚 硫酸结合物 4甲基化反应去甲肾上腺素 甲基化代谢物 二药物经生物转化后的活性变化 1代谢物活性或毒性降低多数药物经代谢转化后活性降低或失活，其代谢物的药理作用减弱或消失，如去甲肾上腺素和氯霉素在体内代谢后失活；维拉帕米的N-去甲基代谢物的活性仅为母药的20%；特非那定在体内代谢后毒性降低。2形成活性代谢物许多药物在体内可以形成活性代谢物，其活性与母药相比大致有以下几种情况：其一，代谢物活性小于母药，如维拉帕咪的代谢物去甲维拉帕咪的活性小于母药；其二，代谢物的活性与母药相当，如普鲁卡因胺在体内被代谢为乙酰普鲁卡因胺，两者均具有抗心率失常活性，且活性相当，只是两者的药动学行为发生了改变；其三，代谢物活性大于母药，如氯雷他定的代谢物去羧乙氧基氯雷他定的抗组胺活性大于氯雷他定，因此通过活性代谢物来寻找更为安全有效的药物是目前新药开发研究的一条重要线索。3形成毒性代谢物有些药物在体内经代谢转化后可形成毒性代谢物。如对乙酰氨基酚在体内可以形成具有肝毒性的中间代谢产物；磺胺噻唑的乙酰化产物溶解度降低，导致在肾小管析出结晶，引起肾损害。4前药(prodrug)的代谢激活有些药物本身没有药理活性，需在体内经代谢激活，才能发挥作用，称这种药物为前体药物(prodrug)。前体药物一般是通过第相代谢反应被激活，再通过第和第相代谢反应失活和消除。如环磷酰胺氧化为4-酮环磷酰胺；甲基多巴经脱羧和羟化变为-甲基去甲肾上腺素；硫唑嘌呤经硫醚水解变为6-巯基嘌梳呤。前药的制备是药物结构转化规律的一种成功的应用，它可以提高药物作用的选择性，降低药物的不良反应发生率，并可克服某些制剂的缺点。如抗帕金森氏病药左旋多巴和抗高血压药甲基多巴，可迅速进入中枢神经系统的神经原，在那里分别代谢为多巴胺和-甲基去甲肾上腺素，发挥治疗作用，一方面提高了药物作用的选择性，另一方面降低了两者的外周不良反应发生率。第二节 药物代谢部位和代谢酶一药物在肝脏的代谢及其代谢酶肝脏是药物的主要代谢器官，药物在体内首先在相代谢酶的作用下被氧化、还原或水解，然后在相代谢酶的作用下与葡萄糖醛酸、甘氨酸、硫酸等内源性的物质结合或经甲基化、乙酰化后，随尿液和粪便排出体外。肝脏中参与药物代谢的主要的相和相代谢酶 如下表：微粒体多功能氧化酶系统（MMFO）的成分包括：细胞色素P450NADPH-细胞色素P450 还原酶 脂质 细胞色素P-450(CYPs)细胞色素P450酶系是一类48-60kDa的蛋白，含有一个非共价结合的血红素，由于其结构中铁卟啉环中的铁可以进行Fe2+与Fe3+之间的可逆性转变，因而具有电子转移功能其催化氧化反应的总反应式是:除了羟基化反应，P450还催化许多药物的N-O-和S-脱烷化作用。CYPsNADPH+H+O2+R-H NADP+H2O+R-OH 目前其成员已发现600多种，分为132个家族。其成员氨基酸序列同源性40%的属于同一家族，60%的属于同一亚家族命名:CYP1A21:家族 A:亚家族 2:单酶P450酶的生物学特性1P450酶是一个多功能的酶系，可以催化60种以上的代谢反应，它可作为单加氧酶、脱氢酶、还原酶、过氧化酶、酯酶等而催化代谢反应2P450酶对底物的结构特异性不强，可代谢各种类型化学结构的底物，每一种P450酶都有广泛的底物，既能代谢大分子底物，也能代谢小分子的底物3P450酶存在有明显的种属、性别和年龄的差异，不同种属、性别和年龄的个体，其P450酶的量、种类、活性均有不同5P450酶具有多态性，即同一种属的不同个体间某一P450酶的活性存在较大的差异，可将个体按代谢速度的快慢分为快代谢型RM或强代谢型EMs及慢代谢型SM或弱代谢型PMs。6P450酶具有可诱导和可抑制性，一方面很多化学异物（其中包括药物）可对P450酶产生诱导作用，使某些P450 酶的量和活性明显增加。例：苯巴比妥可以诱导肝P450酶，从而加速其自身的代谢，使其镇静、催眠作用减弱。另一方面，许多外源性的化学异物包括许多药物可以选择性地抑制某些P450酶，使其活性明显降低，因而可以抑制其对其它化学异物的代谢。人肝微粒体中参与药物代谢的P450酶相对比较简单，主要有CYP1A、CYP2A、CYP2C、CYP2D、CYP2E和CYP3A几大类CYP1A2，CYP2A6，CYP2C9，CYP2C19，CYP2D6，CYP2E1，CYP3A4参与了近90%药物的代谢二、药物的肝外代谢及其代谢酶二、药物的肝外代谢及其代谢酶 肝脏是药物主要的代谢器官，但是如相反应的主要酶系P450及黄素单加氧酶、过氧化物酶、环氧化物水合酶等；相代谢反应的葡萄糖醛酸转移酶、硫酸转移酶、乙酰化酶、甲基化酶、氨基酸结合酶等在肝外组织和器官中被发现，有些药物在肝内及肝外均有代谢。肝外代谢部位：血浆、皮肤、脑、肺、肾脏、肾上腺、胃肠道等这些组织中的代谢酶参与了许多内源性物质（如激素、脂肪酸、生物胺等）及外源性物质（如药物、食品添加剂、致癌物等）的代谢，并在多种生理及病理过程中起着重要的作用。口腔口腔胃胃肠肠直肠直肠血液循环血液循环肝脏肝脏首过消除首过消除消化道消化道（一）药物肝外代谢酶的种类和分布及生物学意义：多年来的研究发现，这些酶广泛存在于多种肝外组织，如血浆、皮肤、脑、肺、肾脏、肾上腺、胃肠道等。这些组织中的代谢酶参与了许多内源性物质（如激素、脂肪酸、生物胺等）及外源性物质（如药物、食品添加剂、致癌物等），并在多种生理及病理过程中起着重要的作用。许多肝外组织如肠道含有中相和相代谢酶并直接参与了药物的代谢。肝外药酶种类很多，但其中主要为P450酶、转移酶、结合酶和脱氢酶四大类。目前，在药物肝外代谢研究中，主要研究相代谢酶中的P450酶，包括CYP1A1、CYP1B1、CYP2和CYP3A等。CYP1A1可以催化多环碳氢化合物的氧化代谢，参与机体对多种前致癌物和致突变物的活化过程。CYP1A1水平是反映化学致癌作用的有效指征。CYP1B1参与了许多甾体激素如雌二醇、雄激素酮、睾丸激素等的代谢，对甾体激素的功能有着重要影响。CYP2A6或CYP2A7和CYP2E1在食管粘膜的表达可以活化亚硝胺，这几种酶的表达在食管癌发生的部位尤为明显，可能与食管癌的发生有关。CYP2E1代谢底物可达70多种，大部分为前致癌物和前毒物，小部分为临床药物，如茶碱和氯羟苯噁唑等。肠道CYP3A对药物在肠道的首关消除中起重要作用，在药物肝外代谢研究中，主要研究的相代谢酶是其中的结合酶和转移酶，如葡萄糖醛酸转移酶（UGTs）、硫酸转移酶（STs）、谷胱甘肽-S-转移酶(GSTs)和N-乙酰化酶(NAT)。UGTs位于内质网和核膜上，催化药物、类固醇等的葡萄糖醛酸化。肠内葡萄糖醛酸化在首关消除及口服药物生物利用度的个体差异中均起着重要的作用。GSTs对亲电复合物，如致癌和细胞毒性药物的解毒有重要作用。胃肠道中酸性GSTs的含量是明显高于肝脏，这表明胃肠道在药物解毒方面起了很重要的作用。NAT可使许多含伯胺基或磺酰胺基的生理活性物或药物在体内乙酰化。脱氢酶参与机体正常生理功能的维持和某些药物及外源性物质的生物转化。（二）、药物肝外代谢的主要部位1 药物的肠代谢（1）肠道中重要的药物代谢酶 肠道中药物代谢酶主要分布于上皮细胞，其中绒毛尖端活性最强，然后朝着腺窝方向逐渐降低，十二指肠和空肠的代谢活性高于回肠和结肠。1）CYP3A：除肝脏外，肠道中的CYP3A含量及活性最高。CYP3A是肠道中重要的P450酶，其底物范围广，临床上约有60%的药物可由CYP3A代谢。肠道的CYP3A在药物的首关消除中发挥了重要的作用，许多临床常用的药物可以在肠道中代谢，它是造成许多药物口服生物利用度偏低的重要原因之一。2）葡萄糖醛酸转移酶：该酶催化许多化合物在肠壁内与葡萄糖醛酸结合，其活性在十二指肠最高，在结肠最低。如吗啡及黄芩甙元等可在肠道内与之形成葡萄糖醛酸结合物。3）硫酸转移酶：该酶主要催化含醇、酚及芳香胺等药物如异丙肾上腺素等形成硫酸结合物。4）乙酰转移酶：该酶催化某些药物的氨基与醋酸结合，如对氨基水杨酸及异烟肼是其典型底物。5）儿茶酚氧位甲基转移酶：该酶可使儿茶酚胺类物质儿茶酚氧位甲基化，从而使该类化合物失活。该酶可被Mg2+、Mn2+等金属阳离子激活，但能被巯基抑制剂所抑制。6）酯酶：该酶在肠粘膜中分布广泛，且具有底物特异性及种属差异，属于羧酸酯酶，能水解含酯键的药物如阿司匹林，匹氨西林等。7）羟化酶：该酶存在于人和动物的十二指肠绒毛上皮中，这种酶可使一些前体致癌物转化为活性的致癌物。此外，肠道中还含有乙醇脱氢酶、单胺氧化酶、环氧化物水合酶等其它酶。表3-4药物的肠代谢（2）肠道代谢的特点 药物可经胃肠道吸收而进入体内，它是药物进入体内的一条重要途径，但研究发现许多药物及化学异物通过肠道时即被代谢，使进入体循环的实际药量减少，从而导致药物的生物利用度降低，这种肠道的首关效应已引起相当重视。1)肠中代谢酶催化结合反应的能力远超过催化分解反应的能力，因此药物在肠中主要形成结合产物。在结合反应中主要是形成硫酸结合物和葡萄糖醛酸结合物，肠粘膜药物代谢多具有解毒性质。2)药物的肠代谢（包括相代谢和相代谢）常常导致首关效应，使药物的生物利用度降低。3)肠粘膜药物代谢酶具有饱和性和可诱导性。许多众所周知的肝药酶诱导剂也可诱导肠粘膜中相应酶的活性，有意思的是3-甲基胆蒽和其它P450酶诱导剂对肠粘膜药酶的诱导作用明显强于P450酶强效诱导剂苯巴比妥，这提示P450酶诱导剂可能存在一定的组织器官选择性。2药物的肾代谢(1)肾中重要的药物代谢酶 肾脏中的药物代谢酶主要分布于肾皮质和肾髓质中（见表3-5），由表3-5可以看出肾脏中药物的代谢酶大多集中在肾皮质层。肾中的相代谢酶主要有P450酶、脱氢酶及各种单加氧酶等，但其含量或活性均明显低于肝脏药酶，所以药物在肾脏中的I相代谢处于次要地位。肾中的药物代谢酶主要是相代谢酶，如葡萄糖醛酸转移酶，硫酸转移酶、谷胱甘肽-S-转移酶、N-乙酰化酶和氨基酸结合酶等，因此相代谢在药物的肾代谢中占据主要的地位，如去甲丙米嗪、吗啡、齐多夫定等均可在肾脏中形成相代谢物。表3-5 药物代谢酶在肾脏中的分布（2）肾脏代谢的特点 肾脏是机体重要的排泄器官，药物进入机体后，以原形或代谢物经肾排泄。药物在肾中的代谢研究促进了药物靶向性组织分布系统的发展，药物靶向性的组织分布避免了药物的一些副作用。例如，肾脏中高浓度的裂合酶促使S-6-嘌呤-L-半胱氨酸转化成6-MP而发挥抗肿瘤和免疫抑制作用，这样就使其在靶组织肾脏中高浓度蓄积，避免了药物的系统毒性。另一个例子是在肾近曲小管广泛分布的高浓度的-谷酰转肽酶将前体-谷酰多巴转化为肾特异性产物多巴胺。此外，药物在肾中代谢后，可以使其排泄和重吸收发生改变。除了甲基化代谢物外，大多数结合反应会产生极性更强的代谢物而被迅速排出体外。由于肾脏是药物的主要消除器官，肾功能的改变将会直接影响到药物经肾脏的代谢和排泄，因此对于肾功能障碍的病人，在用药时应格外谨慎，应制订相应的给药方案。3 药物的肺代谢（1）肺中重要的药物代谢酶 肺中也含有许多药物代谢酶，许多肝脏中的药物代谢酶在肺脏中也有表达，如P450酶、水解酶、结合酶、单胺氧化酶、黄素单加氧酶等。其中肺P450酶在对异物的生物转化及吸入的化学致癌物的失活和肺毒素的解毒方面发挥了重要的作用。在肺中表达的P450酶包括CYP1A，CYP2A，CYP2B，CYP2E，CYP2F，和CYP4B。P450酶在肺泡晶状体、杯状细胞、纤毛上皮细胞和血管上皮细胞仅有较低含量，但在无纤毛细支气管上皮细胞（clara细胞）和型肺细胞中，P450酶的分布可能是很高的，但是这种细胞在肺中很少，所以肺中P450酶的功能相对较弱。而黄素单加氧酶的一个亚型FMO2在肺中高度表达，但在肝脏中却没有表达，但其生物学意义目前尚不十分清楚。此外，除了上述的I相代谢酶外，肺中也存在一些相代谢酶如UGTs和STs。人类肺微粒体中还有一种依赖花生四烯酸的过氧化物酶-前列腺素H合成酶(PHS),它可以使有些致癌的芳胺类化合物通过过氧化作用而被活化，此酶只在肺中存在。（2）肺代谢的特点 肺是化学异物(包括药物)通过呼吸进入体内的主要门户，它既可与空气中的环境化学异物接触，又可与体循环中的化学物质相接触。而肺中各种细胞对各种药物或化学异物的处置是不同的，它可以使之失活，也可以使之活化。药物的肺代谢可受到细胞摄取量、细胞内还原型GSH的水平，以及修复过程等因素的影 响，但主要取决于该类细胞对药物及化学异物的处置能力或失活的能力。由于肺中所含的药物代谢酶的含量和活性较低，因此药物在肺中的代谢是有限的，目前已知只有为数不多的药物如茶碱可以在肺中代谢。虽然肺不是药物的主要代谢场所，但是由于肺代谢在某些疾病如癌症的形成过程中发挥了一定的作用，这就使得肺代谢具有特殊重要的意义。1）肺与肝脏不同，是一种复杂的极不均匀的组织，肺是由40种以上不同类型的细胞所组成，在许多类型的细胞中，其代谢酶的活性和含量存在显著的差异。2）肺的另一个特点就是血流丰富且灌流速率高、表面积大，有利于药物或化学异物随血流和呼吸气体而扩散，这些解剖和生理学上的特性对药物在肺脏中分布和代谢都有一定的影响。4 药物的脑代谢（1）脑中重要的代谢酶 脑中也存在一些重要的相和相代谢酶，其中的相代谢酶主要有P450酶、黄素单加氧酶（FMO）、MAO和酮还原酶；相代谢酶主要有葡萄糖醛酸转移酶、硫酸转移酶和甲基转移酶。在脑中表达的P450酶主要有CYP 2B1/2B2、CYP1A1、CYP1A2和CYP2E1，脑中不同部位都存在少量P450酶，其中含量最高的部位是脑干和小脑，最低的部位是纹状体和海马。黄素单加氧酶的几种亚型如FMO1、FMO2、FMO4在脑中都有表达。P450酶系主要代谢脑中各种异物，而FMO可将各种精神兴奋性药物代谢为其N-氧化物和S-氧化物，如脑中FMO能迅速地将丙咪嗪代谢为其N-氧化物。脑中其它的相代谢酶还有MAO和酮还原酶，前者负责儿茶酚胺的脱胺，后者对类固醇进行特异性还原。（2）脑代谢的特点1）通常药物的代谢常常导致水溶性代谢物的形成，以便药物从肾脏排出。然而在脑中，由于血脑屏障的存在，水溶性代谢物的形成将导致代谢物在脑中的消除半衰期的延长。2）脑中P450酶的同工酶可被苯巴比妥、乙醇和3-甲基胆蒽诱导。有趣的是尼古丁选择性诱导脑中的P450酶和某些单加氧酶的活性，但对肝脏中的P450酶毫无影响。3）脑中微粒体P450酶和线粒体P450酶都参与异物的代谢，且脑中线粒体P450酶的含量明显高于微粒体中P450酶含量。4）虽然在脑中存在有相代谢和相代谢酶，但由于其含量和活性较低，且因血脑屏障的存在，使得许多药物无法进入到脑中，因此脑在体内药物的代谢中的作用是有限的，脑中的药物代谢酶更多的是参与一些内源性物质如神经递质的代谢，只有为数不多的可以进入到脑中的药物有可能在脑中被代谢。5其它组织中的药物代谢除了上述的组织和器官外血浆、胎盘、皮肤、眼和脾脏中也存在一些药物代谢酶，因此药物在这些组织和器官也可进行代谢，但目前对于药物在这些组织和器官中的代谢了解甚少。在药动学研究中如出现药物的机体总清除率大于正常的肝血流量（正常的肝血流量为12.5 L/min）的情况，则应考虑该药物可能存在肝外代谢组织。第三节 影响药物代谢的因素药物在体内的代谢转化一般是在酶的催化下进行的，体内参与药物代谢的酶主要是肝脏的P450酶，P450酶的一个重要的特性就是可以被诱导或抑制，同时P450酶存在明显的种族、年龄和性别的差异，且具有明显的多态性，这些因素都会影响到肝药酶的含量和活性，必然会对药物的代谢转化产生影响，从而使药物的效应和药动学行为产生相应的变化。一代谢相互作用参与药物代谢的P450酶的一个重要的特性就是可以被诱导或抑制。许多临床常用的药物可以对P450酶产生诱导或抑制作用，因此当两种或两种以上的药物合用时就会出现药物间的代谢相互作用。有些药物如苯巴比妥、卡马西平、苯妥英钠、利福平、地噻米松及乙醇等可使肝药酶的活性增加，称之为肝药酶诱导剂，它们可以加速其它药物的代谢而使药效减弱。如苯巴比妥与口服抗凝药合用时，可使抗凝药的代谢加速而失效；而利福平与口服避孕药合用时，可使避孕药的代谢加速而导致意外怀孕。有些药物如氯霉素、别嘌呤醇、异烟肼、酮康唑、西咪替丁和保泰松等可以抑制P450酶，使其活性降低，使其它药物的代谢减慢而药效增强。如氯霉素与抗凝药双香豆素合用时，可使双香豆素的代谢受阻而引起出血；酮康唑可以抑制特非那丁的代谢，使特非那丁的血药浓度大幅提高而导致致命性的室性心律失常，故药物间的代谢抑制一般被认为是一种潜在危险，应尽量加以避免。药物间的代谢相互作用常常由参与其代谢的肝药酶被诱导或抑制所致，因而可采用肝微粒体技术在体外研究药物间是否存在潜在的代谢相互作用。例如采用肝微粒体技术研究西尼地平与几种临床常用药物间的代谢相互作用，结果表明环孢素、红霉素和辛伐他丁在体外表现出对西尼地平代谢的抑制作用（见图3-2），由于三者均是CYP3A的抑制剂或底物，这提示西尼地平与CYP3A的抑制剂或底物合用时可能会出现代谢上的相互作用，使西尼地平的代谢速率降低，西尼地平二氢吡啶环脱氢代谢物生成减少，而原型药物的水平显著提高。这可能会影响临床疗效的正常发挥，因此从提高临床用药的安全性和合理性的角度来讲，这种代谢上的相互作用值得引起临床重视。图3-2 人肝微粒体中几种临床常用药物对西尼地平代谢的影响 二 种属差异性不同种属的P450同工酶的组成是不同的，因此同一种药物在不同种属的动物和人体内的代谢途径和代谢产物可能是不同的。这是由于P450在不同种属中的基因表达上的差异所造成的，P450在不同种属的动物和人体内的表达有质和量的差异，因此不同种属的动物和人体内的CYP450酶的底物和产物的特异性及P450酶的活性可以不同。这是造成药物等外源性物质在不同种属中代谢差异的主要原因，因此我们不能简单地用动物P450酶来代替人的P450酶进行研究。三 年龄和性别差异1年龄的影响药物代谢的年龄差异主要在儿童和老年人中表现，这是因为机体的许多生理机能（如肝、肾功能等）与年龄有关。儿童正处于机体的生长发育期，其肝脏尚未发育完全，因此肝药酶的含量和活性较低，使药物在体内的代谢消除受到影响，以致出现毒副作用。如新生儿肝脏缺乏葡萄糖醛酸转移酶服用氯霉素可导致灰婴综合。老年人的心、肝、肾、中枢神经系统等器官的功能明显衰退，老年人的肝脏和肾脏实质减少，肝、肾血流量下降，尤其是肝中的药物代谢酶的数量和活性均有不同程度的降低，对药物的代谢和排泄能力明显降低，可使血药浓度过高或作用持续时间过于持久而出现不良反应甚至毒性。图3-4 老年和青年人静脉滴注120 mg庆大霉素后的平均血药浓度-时间曲线图3-5 老年人和青年人静脉滴注120 mg庆大霉素后的平均累积尿排泄率 表3-6 老年人和青年人静脉滴注120 mg庆大霉素后的药动学参数*P0.05;*P0.0012 性别的影响 药物代谢存在一定的性别差异，但这一差异没有年龄差异那么显著，且其在人体内的代谢性别差异没有动物那么明显。如大鼠体内参与药物代谢的P450酶存在明显的性别差异，如CYP2A2、CYP2C11、CYP2C13和CYP3A2为雄性大鼠所特有，而CYP2C12为雌性大鼠所特有，因此有些药物在大鼠体内的代谢方式和代谢产物表现出明显的性别差异。图3-6 雌雄大鼠灌服25 mg/kg盐酸雷诺嗪后的血药浓度-时间曲线（*P0.05）表3-7.盐酸雷诺嗪在雄性和雌性大鼠中主要药代动力学参数比较*P0.05,*P0.01 四 遗传变异性遗传变异是造成药物的体内过程出现个体差异的主要原因之一。因为大多数药物在体内通过各种酶的代谢转化而消除，而体内许多参与药物代谢的酶如P450酶、N-乙酰转移酶、甲基转移酶、硫酸转移酶、葡萄糖醛酸转移酶、乙醇脱氢酶和乙醛脱氢酶等均存在遗传变异，造成这些药物代谢酶具有遗传多态性，出现不同的遗传表型即强代谢型（或快代谢型）和弱代谢型（或慢代谢型），使这些酶的含量或活性在不同的个体间表现出明显的差异，因而对药物的代谢转化产生影响，由它们所介导的代谢就会表现出非常显著的个体差异。五病理状态肝脏是药物的主要代谢器官，因此当肝功能严重不足时，必然会对主要经肝脏代谢转化的药物的代谢产生非常显著的影响。经肝脏代谢激活的药物，如可的松、强的松等的代谢激活作用被减弱，其疗效也被减弱；而主要经肝脏代谢失活的药物如甲苯磺丁脲、氯霉素等的代谢减弱，作用则被加强。第四节 药物代谢研究常用的方法药物代谢的体内研究和体外研究是相辅相成的，有时运用体外模型预测体内参数不理想时，就必须借助于体内筛选，体内代谢研究是体外研究的良好的衔接点。此外，药动学的体内代谢研究可以对体外研究的结果加以验证并帮助寻找更富预见性体外代谢模型。而体外研究可以通过高通量筛选对大量的候选化合物进行初筛，对候选化合物的药动学特性作出初步的评价，缩小体内筛选的范围。一药物体内代谢研究法优点：1）候选化合物在体内的处置过程极为复杂，可以受到诸多因素的影响，体外模型有时无法准确分析；2）通过口服或注射给药后的体内药动学研究获得一些非常重要的药动学参数如生物利用度、半衰期、清除率、分布容积等。缺点：1）这种方法需要花费大量的时间和人力，且无法进行大规模的筛选，因而不能满足新药筛选的需求；2）这种方法需要消耗大量的样品和实验动物，因而研究费用高昂。研究过程：药物的体内代谢研究主要是在整体水平上进行的，给予一定剂量的药物后，于不同的时间段分别收集胆汁、尿液和粪便，然后采用HPLC、LC-MS和LC-MS/MS等方法从胆汁、尿液和粪便寻找药物的代谢产物（包括相和相代谢物），并对代谢产物进行初步的分析和鉴定，最终确定药物在体内的代谢途径。图3-9 盐酸关附甲素在人和大鼠体内代谢途径二药物体外谢研究优点：1)体外代谢研究可以排除体内诸多的干扰因素，直接观察到代谢酶对底物的选择性代谢，为体内代谢研究提供重要的线索和依据；2)对于体内代谢转化率低，且缺乏灵敏检测手段的药物来说，体外代谢不失为一种很好的研究手段；3)体外代谢研究具有快速简便的特点，适合于大批量化合物的药动学筛选；4)不需要消耗大量的样品和实验动物，因而研究费用相对较低缺点：可能与体内代谢情况不完全一致，因此体外代谢无法代替体内代谢研究常用的体外肝代谢模型：1.肝微粒体体外温孵法这一方法主要用于药物的代谢产物的结构鉴定和代谢途径的研究、通过测定药物体外代谢酶促反应动力学参数Vmax和Km来预测药物的体内代谢清除率、对药酶的抑制作用、药物代谢的种属和性别差异、药物的代谢相互作用等方面的研究。图3-10 肝微粒体制备流程图2.重组P450酶体外温孵法基因重组P450酶体外温孵法与肝微粒体体外温孵法的主要区别在于酶的制备和纯度。基因重组P450酶是利用基因工程及细胞工程将调控P450酶表达的基因整合到大肠杆菌或昆虫细胞，经细胞培养，表达高水平的P450酶，然后经过分离纯化得到纯度较高的单一的P450同工酶。这一方法主要用于鉴别参与药物代谢的主要的P450同工酶、药物代谢多态性和药物的代谢相互作用研究。2肝细胞体外温孵法肝细胞体外温孵法与肝微粒体法相似，即以制备的肝细胞辅以氧化还原型辅酶，在模拟生理环境条件下进行代谢反应的体系，在反应过程中定时地从反应体系中取样，监测细胞的活性、药物及其代谢物的浓度，运用LC-MS和LC-MS/MS对代谢产物进行初步的结构鉴定。该法适于研究蛋白及mRNA水平药物代谢酶的诱导和酶活性，在药物代谢酶的诱导研究中占据主导地位，被广泛用于药物间的相互作用研究。图3-11半原位酶法分离肝细胞流程图4.离体肝灌流法离体肝灌流法与肝微粒体法、肝细胞体外温孵法比较，一方面保留着完整细胞的天然屏障和营养液的供给，因而能在一段时间内保持肝脏的正常生理活性和生化功能；另一方面，具有离体系统的优点，能够排除其他器官组织的干扰，可控制受试物质的浓度，定量的观察受试物质对肝脏的作用。适合于定量研究药物体外代谢行为和特点。大鼠麻醉后，暴露下腔静脉和门静脉，结扎下腔静脉与右肾之间的血管，将流出导管插入下腔静脉，固定后立即注入1%肝素1-2ml，使血液自然流出并保持通畅，注入导管插入门静脉，固定后立即开动蠕动泵注入葡聚糖Krebs-Henseleit灌流液pH7.4，打开胸腔后，在靠横膈一侧结扎下腔静脉上端（由门静脉注入的灌流液经肝脏后只由腹腔部分的下腔静脉流出），使其肝脏形成体外循环（如图3-12所示），然后将肝脏完整无损的分离并移到灌流装置（如图3-13所示）的脏器室中，用含有低分子量葡聚糖并以氧和二氧化碳饱和的Krebs-Henseleit溶液代替血液，恒温恒速的灌注肝脏，使之在一定时间内维持其正常生理、生化功能。直接观察药物在一过式通过肝脏或反复循环的通过肝脏后，药物本身的代谢变化或它对肝脏的影响。图3-12 肝脏体外循环示意图图3-13 肝灌流装置工作原理示意图5肝切片法肝切片不仅完整的保留所有肝脏药酶及各种细胞器的活性，而且保留了细胞与细胞间的联系及一定的细胞间质。因此对某些药物代谢研究来说，使用肝切片技术比使用游离肝细胞孵育或培养更能反应药物在体内生理情况下的真实代谢过程。该法主要用于药物的体外代谢研究，包括相和相代谢，特别适合于比较不同组织器官的代谢差异和代谢的种属差异。用乙醚麻醉动物后取出整个肝脏，浸在pH7.4的冰Krebs-Henseleit缓冲溶液中洗净，将肝脏的各个叶分开，用不锈钢钻孔器将其制备成肝条，然后将肝条放入切片机的卡座，切成厚度约250300m的肝切片，切片直接浸在冰Krebs-Henseleit缓冲液中备用，其工作原理如图3-14所示。将切好的肝切片放入盛有约35ml孵育液（含有25mmol/LHepes的Krebs-Henseleit液）的闪烁杯中，每杯12片。加入待分析药品作为底物，浓度可在mol/Lmmol/L范围。盖上橡胶盖子，通氧置恒温振荡水浴箱内孵育。根据实验设计要求在不同时间点取孵育液测定代谢产物及其生成速率。图3-14 Krumdieck 组织切片机工作原理示意图第五节 药物代谢研究在新药研发中的作用药物筛选和评价体系由药效学、毒理学和药动学共同构成的一个三位一体的完整的新药筛选和评价体系，这其中药物代谢研究起着重要的桥梁作用。通过体内外代谢研究，可以确定药物在体内的主要代谢方式、代谢途径及主要的代谢产物，在此基础上对原型药物及其代谢物的活性和毒性进行进一步的分析和比较，阐明药效或毒性产生的物质基础，为药效学和毒理学评价提供重要的线索。一药物的代谢研究与创新药物的开发和筛选许多体外研究认为很有前途的化合物均因在体内活性很低甚至无体内活性或体内具有较大的毒性而夭折。缺乏体内活性可能是由于其药动学性质不理想，如首过效应较强，生物利用度太低，代谢较快，半衰期太短，或不易通过生物膜而进入靶器官；而体内的毒性则可能是由于其在体内形成的毒性代谢物所致。二药物代谢与药物的毒性评价种属依赖性的毒性差异可以从药动学的方面加以解释，因为药物的代谢就存在种属差异，同一种药物在不同种属的动物体内的代谢方式和途径可以不同，所形成的代谢物也不尽相同，而许多药物的毒性是由其毒性代谢物所产生的，因此选择何种动物进行毒性研究就显得十分重要。三药物代谢研究与药物的代谢相互作用药物间的相互抑制通常被视为是一种潜在的危险或至少是所不期望的，这种由药物间的相互作用所产生的毒副作用是药物的潜在的毒性，这种毒性有时是十分危险的，应尽量加以避免。如特非那丁与酮康唑合用时，酮康唑可以显著地抑制特非那丁的代谢，造成特非那丁的血药浓度显著升高，可以导致致命的室性心率失常。