第一節(jié)　臨床前研究對Ⅰ期臨床試驗(yàn)設(shè)計(jì)的作用

新藥Ⅰ期臨床研究是藥物臨床試驗(yàn)的起始和關(guān)鍵階段，臨床前研究數(shù)據(jù)對于Ⅰ期臨床試驗(yàn)設(shè)計(jì)能夠發(fā)揮極其重要的作用。本章節(jié)闡述非臨床資料與臨床方案設(shè)計(jì)的關(guān)聯(lián)性，重點(diǎn)介紹如何全面、科學(xué)地分析臨床前研究資料（包括動(dòng)物實(shí)驗(yàn)和體外實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)），以支持有效、安全的Ⅰ期臨床試驗(yàn)研究設(shè)計(jì)。

新藥研發(fā)是一個(gè)漫長而艱辛的過程。按照藥物研發(fā)的時(shí)間順序，這一過程包括藥物發(fā)現(xiàn)、臨床前研究和臨床研究。其中，新藥Ⅰ期臨床試驗(yàn)是藥物臨床研究的起始和關(guān)鍵階段。近10年來，雖然基因組學(xué)、轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)等新技術(shù)和理念為藥物研發(fā)注入新動(dòng)力，然而新藥上市率緩慢增長而研發(fā)成本持續(xù)增加的情況沒有發(fā)生本質(zhì)性的改變，在這種投入和產(chǎn)出比繼續(xù)失衡的嚴(yán)峻形勢下，人們對新藥早期臨床試驗(yàn)（Ⅰ和Ⅱa期）投入前所未有的關(guān)注和重視。目前，新藥早期臨床試驗(yàn)研究正在從傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ街饾u向基于機(jī)制的數(shù)據(jù)密集型研發(fā)模式轉(zhuǎn)變?，F(xiàn)階段面臨的具有普遍意義的臨床藥理學(xué)問題包括：①如何提高人體首次試驗(yàn)中各種生物活性劑量預(yù)測的準(zhǔn)確性；②如何降低人體首次試驗(yàn)的安全性風(fēng)險(xiǎn)；③如何提高從健康人到患者體內(nèi)暴露和效應(yīng)預(yù)測的準(zhǔn)確性等。

在此過程中，臨床前研究數(shù)據(jù)對于Ⅰ期臨床試驗(yàn)設(shè)計(jì)能夠發(fā)揮極其重要的作用。本章節(jié)將介紹臨床前研究資料與Ⅰ期臨床設(shè)計(jì)的關(guān)聯(lián)性，闡述如何利用候選藥物的理化性質(zhì)、體外研究和模型動(dòng)物的研究結(jié)果，實(shí)現(xiàn)從體外到體內(nèi)、從動(dòng)物到人類的外推，從而為新藥Ⅰ期臨床試驗(yàn)提供支持。為了避免歧義，如果沒有特殊說明，本節(jié)中的Ⅰ期臨床試驗(yàn)特指創(chuàng)新藥的首次人體試驗(yàn)。

（一）臨床前研究資料關(guān)注要點(diǎn)

新藥的臨床前研究涉及藥學(xué)、藥效學(xué)、安全性和藥動(dòng)學(xué)研究等眾多內(nèi)容。對于如何開展臨床前研究，我國藥品監(jiān)督管理部門在2005年左右即頒布了一系列指導(dǎo)原則，并在2014年根據(jù)新藥研發(fā)的最新進(jìn)展予以修訂和重新頒布，本文在此不再贅述。根據(jù)我國藥品審評資料要求，臨床前研究數(shù)據(jù)和其他藥物申報(bào)資料通常被歸納為下列4類：綜述資料、藥學(xué)研究資料、藥理毒理研究資料和臨床試驗(yàn)資料（表2-1）。這些資料從各個(gè)方面初步闡明藥物的藥學(xué)性質(zhì)、藥理毒理特征等重要信息。其中，與藥物的作用機(jī)制/靶點(diǎn)、劑量-（藥理和毒理）效應(yīng)關(guān)系有關(guān)的臨床前研究數(shù)據(jù)對于人體Ⅰ期試驗(yàn)設(shè)計(jì)具有特別重要的意義，下文將逐一進(jìn)行闡述。

1.非臨床藥動(dòng)學(xué)研究

非臨床藥動(dòng)學(xué)研究是通過體外和體內(nèi)研究方法，闡明藥物在不同種屬動(dòng)物中的吸收、分布、代謝和排泄特征，為后續(xù)的人體臨床試驗(yàn)提供借鑒和參考。通常，非臨床藥動(dòng)學(xué)的主要內(nèi)容包括在嚙齒類、犬類和/或靈長類動(dòng)物中開展的體內(nèi)藥物吸收、分布、代謝和排泄研究，以及在體外系統(tǒng)中開展的酶和轉(zhuǎn)運(yùn)體研究（備注：體外系統(tǒng)包括動(dòng)物源性和人源性肝細(xì)胞、肝微粒體、肝細(xì)胞胞質(zhì)、S9、rhCYP和rhUGT重組酶、Caco-2和MDCK細(xì)胞等）。

通過上述體內(nèi)和體外研究，可以獲得藥物在不同種屬動(dòng)物或體外系統(tǒng)中的吸收、分布、代謝和排泄等關(guān)鍵數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)包括與藥物吸收有關(guān)的膜滲透系數(shù)（P _eff）；與分布有關(guān)的全血/血漿濃度比（B/P）、組織分配系數(shù)（K _p）、血漿中的游離藥物分?jǐn)?shù)（fu_P）等；與代謝和轉(zhuǎn)運(yùn)有關(guān)的酶和轉(zhuǎn)運(yùn)體的動(dòng)力學(xué)參數(shù)，包括米氏常數(shù)（K _m）、酶和轉(zhuǎn)運(yùn)體的最大反應(yīng)速率（V _max、J _max）、固有清除率（Cl_int）等，以及在不同種屬動(dòng)物中獲取的藥動(dòng)學(xué)與藥物分布、代謝、排泄數(shù)據(jù)等?；谏鲜鲶w外和體內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采取各種估算方法，即可以預(yù)測人體的主要藥動(dòng)學(xué)參數(shù)和不同劑量下的系統(tǒng)暴露等。

2.非臨床藥效學(xué)研究

非臨床藥效學(xué)研究是新藥臨床前研究的核心內(nèi)容，是支撐新藥開發(fā)的基礎(chǔ)和信心來源。全新或作用機(jī)制不明的試驗(yàn)藥物在療效探索和確證性臨床試驗(yàn)中往往具有較高的失敗風(fēng)險(xiǎn)。目前，超過一半的到達(dá)Ⅲ期試驗(yàn)階段的藥物因缺乏療效而失敗。然而，大量新藥研發(fā)案例表明，很多在臨床前試驗(yàn)中顯示的藥效在臨床評估過程中是不可復(fù)制的?，F(xiàn)階段，轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)推動(dòng)生物標(biāo)志物在新藥研究中的應(yīng)用，使得基于疾病靶標(biāo)、生物標(biāo)志物的臨床試驗(yàn)設(shè)計(jì)成為可能。比較理想的創(chuàng)新藥的藥效學(xué)研究策略是首先在臨床前階段通過體外和動(dòng)物實(shí)驗(yàn)確定藥物對靶標(biāo)的作用，然后確定在安全劑量范圍內(nèi)靶標(biāo)作用可引起的生物學(xué)效應(yīng)，最后確定靶標(biāo)作用在患者中的療效信號，并全面評估真實(shí)環(huán)境中的臨床潛力。

根據(jù)藥物的作用機(jī)制，非臨床藥效學(xué)的研究內(nèi)容和方法有很大不同。例如，某試驗(yàn)藥物是一種針對表皮生長因子受體（EGFR）突變的選擇性EGFR抑制劑。其藥效學(xué)研究不僅應(yīng)包括一般的抗腫瘤活性研究，如不同劑量的試驗(yàn)藥物對于動(dòng)物模型中目標(biāo)腫瘤的抑制效應(yīng)，還應(yīng)包括EGFR野生、EGFR突變細(xì)胞株以及非EGFR突變細(xì)胞株的體外研究，以評價(jià)藥物對EGFR突變細(xì)胞株的選擇性抑制活性（IC₅₀）。此外，由于藥物或活性代謝物的濃度數(shù)據(jù)是產(chǎn)生、決定或闡明藥效的基礎(chǔ)，還應(yīng)在有效劑量下開展模型動(dòng)物的藥動(dòng)學(xué)研究。上述研究數(shù)據(jù)對于藥物在人體起效劑量的預(yù)測、劑量遞增的設(shè)計(jì)等均具有重要意義。

需要特別說明的是，在運(yùn)用臨床前藥效學(xué)數(shù)據(jù)支持Ⅰ期臨床試驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)，首先需要確認(rèn)試驗(yàn)藥物在動(dòng)物和人類中的作用機(jī)制是否相同、相似或者存在差異。如果模型動(dòng)物與人體具有相同的作用靶點(diǎn)（如DPP-4抑制劑）、可能相同或相近的疾病發(fā)生機(jī)制，此時(shí)可以考慮通過合理的方法將動(dòng)物藥效學(xué)數(shù)據(jù)外推至人體；反之，如果模型動(dòng)物的發(fā)病機(jī)制與人類不同、不確定或者相近，但在藥理靶點(diǎn)的表達(dá)或親和力方面存在一定差異，此時(shí)則無法或難以利用動(dòng)物藥效學(xué)數(shù)據(jù)支持人體試驗(yàn)設(shè)計(jì)。

3.非臨床毒理學(xué)研究

非臨床毒理學(xué)研究旨在描述試驗(yàn)藥物在不同種屬動(dòng)物中的毒性反應(yīng)的性質(zhì)、程度，以及與給藥劑量的相關(guān)性等。非臨床毒理學(xué)的研究內(nèi)容很多，包括一般毒理學(xué)試驗(yàn)，急性毒性試驗(yàn)，長期毒性試驗(yàn)，遺傳毒性、生殖毒性、致癌性試驗(yàn)，以及過敏性（局部、全身和光敏毒性）、溶血性和局部（血管、皮膚、黏膜、肌肉等）刺激性等特殊安全性試驗(yàn)。此外，為了獲取毒性劑量下藥物在體內(nèi)的暴露情況，建議在急性和長期毒性試驗(yàn)中伴隨開展毒物代謝動(dòng)力學(xué)研究，這是評價(jià)藥物對靶器官效應(yīng)（毒性）的重要依據(jù)。

為了保證臨床試驗(yàn)中志愿者的安全，需要完成上述非臨床毒理學(xué)研究后才可以開展臨床試驗(yàn)。然而，鑒于新藥研發(fā)的高風(fēng)險(xiǎn)和高投入，可以選擇用不同給藥期限的長期毒性試驗(yàn)來支持不同階段的臨床試驗(yàn)。通常，嚙齒和非嚙齒動(dòng)物連續(xù)給藥至少2個(gè)給藥循環(huán)或4周的重復(fù)給藥毒理學(xué)試驗(yàn)結(jié)果可以支持為期4周的Ⅰ期臨床試驗(yàn)。更長給藥期限或給藥頻率的長期毒性試驗(yàn)可以在Ⅰ/Ⅱ期臨床試驗(yàn)實(shí)施期間同步進(jìn)行。然而，原則上支持試驗(yàn)藥物進(jìn)行Ⅰ/Ⅱ期臨床試驗(yàn)的長期毒性試驗(yàn)的給藥期限不應(yīng)短于臨床試驗(yàn)周期，給藥間隔不能長于臨床試驗(yàn)中的最短給藥間隔。上述臨床前安全性研究數(shù)據(jù)是在探索不同給藥方案時(shí)需要特別注意的一個(gè)安全性問題。

（二）從體外、動(dòng)物研究數(shù)據(jù)外推至人體Ⅰ期臨床試驗(yàn)

總體研究思路是在進(jìn)行首次人體試驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)，我們需要整合和綜合分析臨床前的各種研究數(shù)據(jù)。圖2-1總結(jié)了從體外、動(dòng)物研究外推至人體Ⅰ期臨床試驗(yàn)時(shí)需要關(guān)注的重要信息：①藥動(dòng)學(xué)（pharmacokinetics，PK）研究，包括不同種屬動(dòng)物體內(nèi)的吸收（absorption，A）、分布（distribution，D）、代謝（metabolism，M）和排泄（excretion，E）特征；體外系統(tǒng)代謝穩(wěn)定性數(shù)據(jù)。②藥效學(xué)（pharmacodynamics，PD）研究，包括作用機(jī)制；模型動(dòng)物中的藥效學(xué)數(shù)據(jù)；產(chǎn)生藥效的劑量-暴露數(shù)據(jù)；與藥效相關(guān)的特異性生物標(biāo)志物。③毒理學(xué)研究，包括毒性反應(yīng)的性質(zhì)、靶器官，以及毒性反應(yīng)與藥物劑量和暴露之間的關(guān)系。

上述體外研究、動(dòng)物體內(nèi)研究數(shù)據(jù)是預(yù)測藥物在人體暴露和效應(yīng)（療效/安全性）的前提基礎(chǔ)。在創(chuàng)新藥的臨床評價(jià)過程中，通過轉(zhuǎn)化PK/PD模型可以有效整合這些數(shù)據(jù)，從而指導(dǎo)首次人體試驗(yàn)設(shè)計(jì)。需要說明的是，在進(jìn)行外推時(shí)，應(yīng)該特別關(guān)注體外和體內(nèi)，以及動(dòng)物和人類的種屬差異，如靶點(diǎn)表達(dá)量、藥物對靶點(diǎn)的親和力及血漿蛋白結(jié)合率等方面可能存在的不同。另外，由于創(chuàng)新藥的獨(dú)特性及跨物種、跨環(huán)境外推所必須作出的許多不同假設(shè)，很難建立適用于所有藥物的標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一方法。

1.人體PK預(yù)測

在開展首次人體試驗(yàn)之前，采用離體器官、細(xì)胞或代謝酶系統(tǒng)獲得的體外數(shù)據(jù)及動(dòng)物藥動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)，通過體外模型和計(jì)算機(jī)模擬等方法可以推算出人體PK參數(shù)，如清除率（Cl）、表觀分布容積（V _d）、消除相半衰期（t_1/2）、口服生物利用度（F）及藥物暴露（AUC和C _max）等。人體PK預(yù)測是一個(gè)比較復(fù)雜的過程，開展人體PK預(yù)測通常需要下列關(guān)鍵數(shù)據(jù)：①動(dòng)物源性和人源性材料中的體外ADME數(shù)據(jù)，尤其是與藥物消除機(jī)制有關(guān)的研究數(shù)據(jù)；②至少2～3個(gè)嚙齒和非嚙齒動(dòng)物的體內(nèi)PK結(jié)果等。由臨床前體外和體內(nèi)PK參數(shù)推算人體PK參數(shù)是計(jì)算人體各種活性劑量的重要基礎(chǔ)，有多種推算方法可供選擇?？筛鶕?jù)試驗(yàn)藥物的PK特點(diǎn)，從中選擇1種或多種方法進(jìn)行推算。目前，常用的PK推算方法有異速增長模型推算法（allometric scaling，AS）、體外-體內(nèi)外推法（in vitro-in vivo extrapolation，IVIVE）和生理藥動(dòng)學(xué)（physiologically based pharmacokinetic，PBPK）。

（1）AS：

AS是目前應(yīng)用最廣泛的一種預(yù)測人體PK參數(shù)的方法。其理論基礎(chǔ)是哺乳動(dòng)物具有相似的生理解剖結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)代謝速率，其體內(nèi)的許多生理參數(shù)都與體重（body weight，BW）相關(guān)。這種關(guān)系往往不是直接成正比，可以用下列冪函數(shù)來表示，即Y=a×BW b。其中，Y代表預(yù)測的目標(biāo)參數(shù)如Cl和V _d，a代表截距，BW代表體重，b代表方程系數(shù)。在實(shí)際應(yīng)用中，即以不同動(dòng)物種屬的體重或體表面積的對數(shù)值為橫坐標(biāo)，以其PK參數(shù)的對數(shù)值為縱坐標(biāo)，用線性回歸法推算人體相應(yīng)的PK參數(shù)如Cl和V _d。為了保證估算的準(zhǔn)確性，建議采用3種以上動(dòng)物的PK參數(shù)進(jìn)行估算。

AS是一種基于經(jīng)驗(yàn)的研究方法，無法反映不同動(dòng)物在代謝方面可能存在的種屬差異。根據(jù)既往研究經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為AS比較適用于推算以腎小球?yàn)V過為主要消除機(jī)制的藥物的清除率；對于肝代謝是主要消除機(jī)制的藥物，可采用基于體外肝微粒體、離體肝細(xì)胞或重組酶的IVIVE。當(dāng)藥物的體內(nèi)PK機(jī)制比較復(fù)雜時(shí)（如藥物的消除包括膽汁分泌和腎排泄等非肝臟途徑時(shí)），建議采用更加全面、基于機(jī)制的PBPK進(jìn)行PK參數(shù)的外推和估算。

（2）IVIVE：

這種方法基于體外數(shù)據(jù)預(yù)測體內(nèi)PK參數(shù)，這是一個(gè)從簡單體系外推至復(fù)雜體系的過程，因此其預(yù)測必然伴隨著各種假設(shè)。以人體肝清除率（Cl_H）的預(yù)測為例，其應(yīng)用的基礎(chǔ)假設(shè)是試驗(yàn)藥物的主要消除機(jī)制是肝臟代謝，忽略膽汁分泌和腎排泄等非肝臟消除機(jī)制。IVIVE采用肝臟清除的充分?jǐn)嚢枘Ｐ蛠碚瞎逃星宄?、血漿蛋白結(jié)合率和血流量，在加入藥物的條件下培養(yǎng)肝微粒體、人源性肝細(xì)胞或者人體表達(dá)的酶，然后在低于飽和度的情況下清空藥物和生成的代謝物，以計(jì)算V _max和K _m或者V _max/K _m值，獲得體外肝臟固有的代謝清除率Cl_H，int，再乘以縮放因子估算最終的Cl_H。

與AS相比，IVIVE用于預(yù)測人體PK參數(shù)存在明顯的優(yōu)勢，即使用的細(xì)胞或組織可以直接來自人體，因此在一定程度上避免種屬差異對預(yù)測的影響，并可以明確不同機(jī)制對藥物體內(nèi)處置的貢獻(xiàn)。然而這種方法也存在一些缺點(diǎn)，包括體外和體內(nèi)的固有差異；不同實(shí)驗(yàn)方法、不同實(shí)驗(yàn)室獲得的體外數(shù)據(jù)存在很大的變異性等。例如，有文獻(xiàn)報(bào)道稱，CYP2C9、CYP2D6、CYP2E1和CYP3A4在不同實(shí)驗(yàn)室的酶活性測定數(shù)據(jù)具有非常明顯的差異，有些酶的活性差異甚至高達(dá)5倍以上。

（3）PBPK：

PBPK模型是建立在機(jī)體的生理、生化、解剖和藥物的熱力學(xué)性質(zhì)基礎(chǔ)上的一種整體模型，是一種“自下而上”（bottom-up）的研究方法。PBPK預(yù)測人體清除率的基本原理與IVIVE有一定的相似之處，也是基于各種體外研究數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)從體外到體內(nèi)、從動(dòng)物到人體的外推。不同之處在于PBPK采用的是一個(gè)整體模型，將每個(gè)組織、器官或體液作為一個(gè)房室看待，房室間借助血液循環(huán)連接。每個(gè)模型房室的構(gòu)建需要2個(gè)方面的數(shù)據(jù)：①機(jī)體的系統(tǒng)參數(shù)，如器官大小、血流速度等生理學(xué)、解剖學(xué)參數(shù)，酶和轉(zhuǎn)運(yùn)體活性等生化參數(shù)，以及健康和特定人群的人口統(tǒng)計(jì)學(xué)數(shù)據(jù)；②藥物參數(shù)，如脂溶性、電離性等熱力學(xué)性質(zhì)參數(shù)，以及膜通透性、血漿蛋白結(jié)合率、組織親和力等藥物與機(jī)體相互作用的參數(shù)等。在此基礎(chǔ)上通過Monte Carlo模擬預(yù)測藥物的人體PK參數(shù)和動(dòng)態(tài)的血藥濃度-時(shí)間曲線。

與AS和IVIVE這兩種方法相比，PBPK的突出特點(diǎn)是能夠?qū)⒛繕?biāo)人群的變異性與PK數(shù)據(jù)進(jìn)行有效整合。近年來，PBPK模型廣泛應(yīng)用于藥物發(fā)現(xiàn)和開發(fā)的各個(gè)階段，特別是在利用非臨床數(shù)據(jù)進(jìn)行不同種族、特殊人群劑量預(yù)測方面表現(xiàn)出巨大的應(yīng)用價(jià)值。然而，由于人體系統(tǒng)的復(fù)雜性和多樣性，PBPK模型也存在許多局限和不足。例如，轉(zhuǎn)運(yùn)體和CYP450酶在各種屬、各組織器官的表達(dá)尚未清晰；缺少人血腦屏障、各腦室的詳細(xì)生理參數(shù)等。此外，PBPK模型的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，以往研究人員需要采用MATLAB、NOMMEN等軟件編寫程序代碼以實(shí)現(xiàn)機(jī)制性模型的構(gòu)建。目前，商業(yè)化的PBPK軟件如GastroPlus（Simulations Plus Inc.）、Simcyp Simulator（Simcyp Ltd.）等在很大程度上簡化了建模過程，促進(jìn)了PBPK在新藥研發(fā)中的應(yīng)用和推廣。

（4）清除率、表觀分布容積和生物利用度等PK參數(shù)：

上文介紹了AS、IVIVE和PBPK等PK參數(shù)預(yù)測方法，下面將闡述如何利用這些方法實(shí)現(xiàn)對清除率、表觀分布容積和生物利用度這3個(gè)主要PK參數(shù)的預(yù)測。

1）清除率（Cl）的預(yù)測：

目前，有多種方法可以用于預(yù)測人體清除率，最為常用的是上文介紹的3種方法，即AS、IVIVE和PBPK。AS是一種基于經(jīng)驗(yàn)的研究方法，近年出現(xiàn)一些新的AS校正方法，如指數(shù)法則（rule of exponents，ROE）、游離分?jǐn)?shù)校正截距法（fu corrected interceptmethod，F(xiàn)CIM）和肝血流量校正法（hepatic blood flow，HBF）等。這些方法在AS原理的基礎(chǔ)上引入腦重量（brain weight，BrW）、最大生命值（maximum life-span potential，MLP）等生理常數(shù)，在不同的設(shè)定條件下使用提高估算結(jié)果的準(zhǔn)確性。下面以ROE為例進(jìn)行說明。對于 Cl=a×BW b，當(dāng)0.55＜b≤0.71時(shí)，可直接采用上述公式；當(dāng)0.71＜b≤1時(shí)，應(yīng)引入 MLP，公式校正為 MLP×Cl=a×BW b；當(dāng) 1＜b≤1.3時(shí)，則公式用 BrW 校正為 BrW×Cl=a×BW b。 如果b=0.55或者b＞1.3，則提示AS不適用于該藥物。需要指出的是，當(dāng)肝代謝是藥物的主要代謝機(jī)制或者多種代謝機(jī)制并存時(shí)，試驗(yàn)藥物在動(dòng)物和人體內(nèi)的消除途徑或主要代謝酶可能不同或存在較大差異，此時(shí)AS估算的準(zhǔn)確性往往難以盡如人意。

IVIVE預(yù)測人體肝清除率是基于肝臟的2個(gè)特性：一個(gè)是清除率的相加性；另一個(gè)是應(yīng)用充分?jǐn)嚢枘Ｐ停╳ell-stirred model）等體外模型能夠整合體外固有清除率、血漿蛋白結(jié)合率和血流量等肝臟的生理參數(shù)。人體肝清除率的表達(dá)公式見式（2-1）。

其中，Cl_b，H是肝清除率，Q _H是肝血流量，fu_B是全血中的游離藥物分?jǐn)?shù)，Cl_H，int是肝固有清除率。充分?jǐn)嚢枘Ｐ褪且粋€(gè)穩(wěn)態(tài)模型，該模型有下列假設(shè)：藥物代謝酶在肝內(nèi)為均勻分布，藥物在肝臟的分布取決于肝灌流，不存在擴(kuò)散屏障，且只有游離藥物可以跨膜并占據(jù)酶代謝活性位點(diǎn)；假設(shè)藥物在肝臟中瞬間達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，藥物通過肝臟時(shí)濃度下降的唯一原因在于消除。此時(shí)，通過體外數(shù)據(jù)預(yù)測人體清除率的基本步驟如下：①采用體外系統(tǒng)（肝微粒體、肝細(xì)胞和/或重組酶）獲得藥物的體外代謝動(dòng)力學(xué)參數(shù)（V _m、K _m），當(dāng)藥物濃度遠(yuǎn)低于K _m時(shí)，V _m/K _m值即為每個(gè)孵育單位的肝固有清除率；②乘以所選的體外系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換因子，例如，每克肝中的微粒體蛋白量（MPPGL）、每克肝中的肝細(xì)胞數(shù)目（HPGL）等，即獲得整個(gè)肝臟生理代謝的固有清除率（Cl_H，int）；③采用合適的肝臟模型（考慮血漿蛋白結(jié)合、全血/血漿比和肝血流速度等因素）估算肝清除率（Cl_b，H）；④加上預(yù)測的腎清除率（可采用AS估算），即可獲得總清除率的預(yù)測值。對于多數(shù)在肝臟代謝而不經(jīng)膽汁分泌的藥物，IVIVE預(yù)測是比較準(zhǔn)確的。然而當(dāng)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白以及膜滲透性成為肝臟消除速率的限速步驟時(shí)，體內(nèi)的肝臟代謝過程不能在體外系統(tǒng)完全實(shí)現(xiàn)，此時(shí)藥物的體內(nèi)代謝過程更加復(fù)雜，預(yù)測時(shí)需要考慮的因素更多。

PBPK預(yù)測人體清除率的基本原理與IVIVE有相同之處，也是基于各種體外研究數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)從體外到體內(nèi)、從動(dòng)物到人體的外推。不同之處在于PBPK是一個(gè)整體模型，能夠整合目標(biāo)人群的人口統(tǒng)計(jì)學(xué)（性別、年齡、體重和基因信息）、生理系統(tǒng)參數(shù)（器官大小、血流速度、酶和轉(zhuǎn)運(yùn)體活性）和藥物參數(shù)（脂溶性、電離性、血漿蛋白結(jié)合率）、體外系統(tǒng)（肝微粒體、肝細(xì)胞、重組酶等）、代謝動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上通過Monte Carlo模擬預(yù)測藥物的人體清除率。

2）表觀分布容積（V _d）的預(yù)測：

表觀分布容積反映藥物分布的程度，由藥物在血漿和組織中的結(jié)合情況（親和力）決定。通常認(rèn)為只有游離的藥物可以擴(kuò)散通過膜，因此藥物在組織中的分布受到血漿蛋白結(jié)合率的影響。表觀分布容積的構(gòu)成可以用式（2-2）表示：

其中，V是表觀分布容積，V _p是血液體積，V _TW是外周組織體積，fu是血液中的游離藥物分?jǐn)?shù)，fu_T是組織中的游離藥物分?jǐn)?shù)。藥物與各組織器官的親和力有很大不同，這取決于藥物的理化性質(zhì)和結(jié)構(gòu)以及器官組分類型。通過測定藥物與血漿、組織勻漿和細(xì)胞膜的結(jié)合率、log P等一系列體外參數(shù)，可以預(yù)測藥物在體內(nèi)的分布容積。文獻(xiàn)報(bào)道的分布容積預(yù)測方法很多。其中，盡管AS忽略人體各個(gè)器官對于藥物分布的影響，但其在預(yù)測人體分布容積上仍是一個(gè)比較有效的方法，這可能與體積和體重存在良好的相關(guān)性有關(guān)。此外，文獻(xiàn)報(bào)道的表觀分布容積的其他預(yù)測方法還包括?ie-Tozer法、PBPK估計(jì)法等。近年來，PBPK在表觀分布容積預(yù)測方面引起很大關(guān)注。其理論依據(jù)是各個(gè)器官的組分類型和比例在不同的哺乳動(dòng)物中沒有明顯不同，因而假定動(dòng)物的組織/血液分配比（K _p）數(shù)據(jù)經(jīng)過血漿蛋白結(jié)合校正后可適用于人類，在此基礎(chǔ)上基于計(jì)算機(jī)進(jìn)行預(yù)測。

3）生物利用度的預(yù)測：

生物利用度（bioavailability，F）反映藥物通過不同的給藥途徑吸收進(jìn)入體內(nèi)的速度和程度。藥物吸收特別是胃腸吸收是涉及藥物的理化性質(zhì)、制劑、胃腸轉(zhuǎn)運(yùn)和肝臟代謝等多種因素等的一個(gè)復(fù)雜過程。藥物口服進(jìn)入胃腸道后，首先經(jīng)過溶解、崩解等過程釋放藥物，然后經(jīng)過腸壁再通過門靜脈到達(dá)肝臟，最后吸收進(jìn)入體循環(huán)系統(tǒng)。這是一個(gè)動(dòng)態(tài)的連續(xù)過程，受到包括飲食在內(nèi)的很多生理因素的影響。整體生物利用度可以分解為在每個(gè)部位損失后殘余部分的累積，即F=F _a×F _g×F _H。其中，F _a代表從制劑中釋放的藥物，F _g代表經(jīng)過腸道代謝后剩余的藥物，F _H代表經(jīng)過肝臟首關(guān)代謝后剩余的藥物。

相對于分布和消除的預(yù)測，生物利用度的預(yù)測并不成熟，到目前為止尚未形成科學(xué)且統(tǒng)一的方法，人們?nèi)栽诜e極探索生物利用度預(yù)測的最佳方法。首先，AS不適用于預(yù)測藥物的生物利用度，這是由于吸收與體積大小的相關(guān)性要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于分布和消除。此外，大量研究表明動(dòng)物與人類的生物利用度沒有相關(guān)性，因此基于動(dòng)物數(shù)據(jù)也是難以準(zhǔn)確預(yù)測人體F值。目前，在藥物吸收預(yù)測方面比較受關(guān)注的是PBPK。Simcyp和GastroPlus等商業(yè)化PBPK軟件均推出吸收預(yù)測模型，下面以Simcyp的ADAM模型加以闡述和說明。ADAM模型將整個(gè)胃腸道根據(jù)解剖結(jié)構(gòu)分為9個(gè)房室，即依次為胃、十二指腸、空腸Ⅰ、空腸Ⅱ、回腸Ⅰ、回腸Ⅱ、回腸Ⅲ、回腸Ⅳ和結(jié)腸。從公式F=F _a×F _g×F _H可知，F的預(yù)測必須成功解決制劑溶出、胃腸代謝和肝臟代謝這3個(gè)方面的問題。F _a的預(yù)測主要與制劑因素有關(guān)，這些因素包括藥物在胃腸溶液中的溶解度、成鹽形式、顆粒分布等。常見方法是將藥物制劑置于模擬胃腸液（pH、溶液成分等與真實(shí)胃腸液相似）中，獲取藥物的體外溶出數(shù)據(jù)，模擬體內(nèi)溶出行為。F _g（腸道代謝）的預(yù)測需要整合胃腸道的主要生理、生化常數(shù)，如胃排空時(shí)間、腸壁血流速度、表面積、腸道代謝酶和轉(zhuǎn)運(yùn)體含量等。這樣的模型無疑能夠更真實(shí)地模擬胃腸環(huán)境。在ADAM模型中，當(dāng)藥物通過每個(gè)部分時(shí)，一部分被吸收，另一部分被代謝或降解，剩下的則進(jìn)入下一段，如此等等。隨著時(shí)間推移，將各個(gè)部分的吸收累加即為腸道的吸收（F _g）。最后是通過肝臟首關(guān)效應(yīng)進(jìn)行剩余的部分F _H的預(yù)測，可以采用1-E _H（E _H是肝臟抽提比，即1-肝清除率/肝血流量）來估算。

在口服藥物的生物利用度預(yù)測中，目前最大的瓶頸問題是腸道代謝。經(jīng)過多年的研究，人們對于肝臟代謝已經(jīng)有了比較深的認(rèn)識和了解。然而，對于腸道代謝尚存在很多挑戰(zhàn)，這些挑戰(zhàn)包括不同種屬動(dòng)物在腸道代謝酶表達(dá)的差異、人體腸道藥物代謝酶含量數(shù)據(jù)的缺乏、代謝酶-轉(zhuǎn)運(yùn)體交互作用等。因此，就PBPK腸道吸收模型而言，各人群機(jī)體的系統(tǒng)生理、解剖和生物學(xué)參數(shù)的獲取是需要解決的關(guān)鍵問題。

2.人體PD預(yù)測

PD預(yù)測可以借鑒上文所述的PK預(yù)測策略，兩者有相同也有不同。相同之處在于，PD預(yù)測同樣需要考慮體外-體內(nèi)差異、不同動(dòng)物之間及動(dòng)物-人類之間的差異。但是就復(fù)雜性而言，體內(nèi)PD預(yù)測所面臨的挑戰(zhàn)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過PK預(yù)測。根據(jù)受體占據(jù)理論，藥物作用的強(qiáng)度與占據(jù)受體的數(shù)量成比例。當(dāng)所有受體均被藥物占據(jù)時(shí)，即產(chǎn)生最大的藥效。因此，藥物效應(yīng)包括2個(gè)主要部分，即藥物與主要靶點(diǎn)的相互作用，以及靶點(diǎn)占據(jù)和觀測的反應(yīng)之間的級聯(lián)反應(yīng)。前者通?？梢酝ㄟ^體外實(shí)驗(yàn)獲得，采用動(dòng)物源性和人源性受體、細(xì)胞或組織開展的體外藥理學(xué)試驗(yàn)是判斷種屬差異的一個(gè)好選擇。然而，體外系統(tǒng)無法評估靶點(diǎn)激活后產(chǎn)生的生物學(xué)效應(yīng)，這些研究只能在模型動(dòng)物中開展。目前，許多機(jī)制性動(dòng)物PD模型可以用于人體PD預(yù)測。表2-2列出腫瘤、糖尿病等治療領(lǐng)域藥物的幾種動(dòng)物PD模型、生物學(xué)終點(diǎn)指標(biāo)。另外，轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)的快速發(fā)展使得生物標(biāo)志物研究蓬勃發(fā)展。在新藥早期臨床評價(jià)中，如果能夠使用特異性的生物標(biāo)志物，無疑對于藥效評價(jià)是極其有益的。

根據(jù)前文所述，我們可以看出雖然藥物的作用機(jī)制和治療領(lǐng)域不同，但PK預(yù)測的目標(biāo)總是圍繞清除率、分布容積等參數(shù)。然而藥物的PD特征會隨著藥理靶點(diǎn)不同而隨之變化。通常體內(nèi)PD特征評價(jià)涉及2個(gè)方面的內(nèi)容，一是藥物的特異性參數(shù)，二是機(jī)體的系統(tǒng)參數(shù)。后者描述的是機(jī)體的生理、病理狀態(tài)，涉及藥物與其藥理靶點(diǎn)的相互作用。所以PD預(yù)測需要特別考慮目標(biāo)靶點(diǎn)在不同動(dòng)物之間及動(dòng)物-人類之間的差異，以及疾病機(jī)制在不同種屬之間的區(qū)別。例如，對于抑郁癥等疾病，經(jīng)典的小鼠強(qiáng)迫游泳抑郁模型中動(dòng)物的情緒反應(yīng)和人類抑郁之間可能有本質(zhì)不同。因此，歸納、比較和總結(jié)試驗(yàn)藥物在不用種屬動(dòng)物中的濃度-效應(yīng)（不良反應(yīng)或藥效）關(guān)系并分析差異的內(nèi)在原因，對于PD預(yù)測無疑具有重要意義。

PD和PK是兩個(gè)密切相關(guān)的動(dòng)力學(xué)過程。我們知道，在很多情況下作用部位的藥物濃度是無法直接測定的。因此，當(dāng)藥物在體內(nèi)的吸收、分布、代謝和排泄過程已經(jīng)清楚的基礎(chǔ)上，可以通過PK/PD的研究方法，結(jié)合血中的藥物濃度與靶部位的藥物濃度從而預(yù)測藥物效應(yīng)。根據(jù)藥物效應(yīng)的方式，PD在體內(nèi)的時(shí)間動(dòng)力學(xué)變化可分為直接和間接過程，這些過程可以采用一些經(jīng)驗(yàn)和機(jī)制性PK/PD數(shù)學(xué)模型來進(jìn)行描述。對于直接效應(yīng)模型，濃度與效應(yīng)以可逆模式被聯(lián)系起來，效應(yīng)與濃度直接相關(guān)，在觀測到C _max的同時(shí)可觀測到最大效應(yīng)（E _max），兩者之間沒有延遲，表現(xiàn)為濃度-時(shí)間曲線與效應(yīng)-時(shí)間曲線的趨勢一致。典型的直接效應(yīng)模型是Sigmoid E _max模型（Hill方程）。 Sigmoid

E _max是根據(jù)受體占據(jù)理論描述濃度-效應(yīng)的米氏方程，方程見式（2-3）。

其中，E _max是藥物所能產(chǎn)生的最大效應(yīng)；EC₅₀是產(chǎn)生50%的最大效應(yīng)時(shí)的藥物濃度；γ是Hill方程系數(shù)，是影響曲線斜率、陡峭程度的參數(shù)；C是藥物濃度。有也可沒有藥理意義，也可以是非整數(shù)。雖然Sigmoid E _max模型是一個(gè)基于經(jīng)驗(yàn)的模型，但它引入最大效應(yīng)這一重要概念。模型中的E _max和EC₅₀值可以從體外藥物受體相互作用實(shí)驗(yàn)預(yù)測獲得。除Sigmoid E _max模型外，描述藥效學(xué)的直接模型還有線性模型、對數(shù)線性模型等。

事實(shí)上，在許多情況下藥物效應(yīng)與血中的藥物濃度之間并不存在直接的關(guān)系，血藥濃度達(dá)到峰值時(shí)，其產(chǎn)生的藥效經(jīng)常會出現(xiàn)延遲。造成延遲的原因比較復(fù)雜，有2個(gè)基本解釋：一個(gè)說法是藥物效應(yīng)是藥物作用的直接結(jié)果，但作用部位不在血漿隔室或其附近血液灌流充分的器官，而是在一個(gè)藥物濃度變化滯后于血藥濃度變化的組織或器官之中。此時(shí)反映藥物到達(dá)預(yù)期藥理作用部位需要一定時(shí)間。另一個(gè)說法是藥物并不產(chǎn)生直接的藥理效應(yīng)，而是通過改變一些參與機(jī)體生理效應(yīng)調(diào)節(jié)的內(nèi)源性活性物質(zhì)的合成（或分泌）和降解過程而發(fā)揮作用。Sheiner等提出的生物相概念較好地解釋了這一現(xiàn)象，其核心思想是將經(jīng)典的房室模型進(jìn)行擴(kuò)展，提出一個(gè)假設(shè)的“效應(yīng)”室。生物相模型中的這個(gè)虛擬的效應(yīng)室可能是一個(gè)特定的組織或器官，如眼、皮膚、消化道、肺臟、中樞神經(jīng)系統(tǒng)、淋巴系統(tǒng)或腫瘤組織等，也可能是藥物的某種活性代謝產(chǎn)物、結(jié)合或游離態(tài)的藥物等。效應(yīng)室中的濃度往往是難以測定的，其方程描述見式（2-4）。

其中，C _p代表血中的藥物濃度；k_1e代表藥物從中央室消除的一級速率常數(shù)；k _e0代表藥物從效應(yīng)室消除的消除速率常數(shù)，其大小主要與血藥濃度和藥效學(xué)之間的滯后程度有關(guān)；C _e代表效應(yīng)室的藥物濃度。如前文所述，在很多情況下藥物是通過改變一些參與機(jī)體生理效應(yīng)調(diào)節(jié)的內(nèi)源性活性物質(zhì)的合成（或分泌）和降解過程而發(fā)揮作用的。此時(shí)，可以采用間接效應(yīng)模型（indirect responsemodel，IDR）來描述這一過程。經(jīng)典的方程見式（2-5）。

其中，R是藥物效應(yīng)，k _syn是零級合成速率常數(shù)，k _deg是一級降解速率常數(shù)。根據(jù)藥物的作用機(jī)制，IDR模型有4種形式，即抑制生成、抑制降解、激活生成、激活降解。此外，還有很多PD模型可以描述不同機(jī)制的藥物間接效應(yīng)，如靶點(diǎn)介導(dǎo)藥物處置模型（TMDD）、晝夜節(jié)律模型（circadian model）、轉(zhuǎn)導(dǎo)模型（transduction model）等。

基于體外、動(dòng)物PD數(shù)據(jù)進(jìn)行體內(nèi)PD預(yù)測時(shí)，需要考慮體外-體內(nèi)、動(dòng)物-人類種屬等可能存在的差異。需要考慮的因素主要包括血漿蛋白結(jié)合率、藥理靶點(diǎn)親和力和表達(dá)情況、組織分布和活性代謝產(chǎn)物等。對于血漿蛋白結(jié)合率高的小分子藥物，在不同動(dòng)物種屬血漿中的游離藥物分?jǐn)?shù)通常差別很大，此時(shí)必須進(jìn)行游離藥物分?jǐn)?shù)校正。另外，對于小分子和生物制品藥物，都應(yīng)該考慮藥物與藥理靶點(diǎn)之間相互作用的種屬差異。在藥物發(fā)現(xiàn)和先導(dǎo)化合物優(yōu)化過程中，如果能夠確認(rèn)體外和體內(nèi)效應(yīng)強(qiáng)度參數(shù)之間的關(guān)系，無疑可以增加此時(shí)數(shù)據(jù)外推的可信性，否則應(yīng)校正可能存在的差異。由于藥物的藥理效應(yīng)受到藥物從體循環(huán)系統(tǒng)輸送至作用靶點(diǎn)這一分布過程的影響，因此，如果可能的話，在描述藥物輸送至靶點(diǎn)的時(shí)間過程時(shí)，最好能夠測定靶組織中的藥物濃度。此外，了解藥物在體內(nèi)的代謝情況也是非常重要的，因?yàn)榛钚源x產(chǎn)物可能對藥效有貢獻(xiàn)，從而使得濃度-效應(yīng)關(guān)系更加復(fù)雜。

3.人體安全性預(yù)測

藥物在人體的安全性評價(jià)是新藥Ⅰ期臨床試驗(yàn)的主要目的之一。創(chuàng)新藥早期臨床評價(jià)存在許多潛在風(fēng)險(xiǎn)，包括對試驗(yàn)藥物了解不足、試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案不合理和試驗(yàn)實(shí)施質(zhì)量不高等，因此試驗(yàn)開始前必須對風(fēng)險(xiǎn)要素進(jìn)行評估，并制定風(fēng)險(xiǎn)控制計(jì)劃。與PK和PD預(yù)測相比，從動(dòng)物到人體的安全性外推具有更大的不確定性和挑戰(zhàn)。本節(jié)將從作用機(jī)制、靶標(biāo)性質(zhì)和動(dòng)物模型的相關(guān)性3個(gè)方面來說明在進(jìn)行人類安全性外推時(shí)，體外和非臨床動(dòng)物研究數(shù)據(jù)的關(guān)注要點(diǎn)。

（1）作用機(jī)制：

主要或次要機(jī)制是否采用動(dòng)物源性或人源性細(xì)胞、器官材料，候選藥物的作用機(jī)制對于人類是否具有可轉(zhuǎn)化性；受體在動(dòng)物組織中的分布、一般藥理學(xué)和毒理學(xué)研究等體外研究數(shù)據(jù)是否能夠證明作用機(jī)制對于人類靶器官的選擇性。

（2）靶標(biāo)性質(zhì)：

靶標(biāo)的結(jié)構(gòu)、組織分布（包括在人類免疫系統(tǒng)細(xì)胞內(nèi)/上的表達(dá)）、細(xì)胞特異性、疾病特異性；靶標(biāo)和伴隨靶標(biāo)作用的性質(zhì)及強(qiáng)度（程度、幅度、持續(xù)時(shí)間和可逆性）等，靶標(biāo)在動(dòng)物、健康人和患者中的潛在差異；靶標(biāo)在相關(guān)動(dòng)物種屬和人類中的基因多態(tài)性差異，以及對藥理學(xué)作用的影響。

（3）動(dòng)物模型的相關(guān)性：

模型動(dòng)物毒理學(xué)試驗(yàn)中的靶器官毒性反應(yīng)、性質(zhì)等，判斷動(dòng)物和人類在毒性反應(yīng)中的相關(guān)性，評估人類發(fā)生藥物相關(guān)嚴(yán)重毒性的風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)既往研究案例，中樞神經(jīng)系統(tǒng)的毒性反應(yīng)在臨床前后的一致性較差，在動(dòng)物中發(fā)現(xiàn)的共濟(jì)失調(diào)和癲癇等毒性反應(yīng)較少在人類臨床試驗(yàn)中重現(xiàn)。除過敏外，免疫系統(tǒng)的不良反應(yīng)在人類試驗(yàn)中也較少出現(xiàn)。相關(guān)性較好的器官是心血管、血液和胃腸道系統(tǒng)，后兩者的安全性外推常用于抗腫瘤藥、抗感染藥。

對于Ⅰ期臨床試驗(yàn)設(shè)計(jì)而言，除上文重點(diǎn)闡述的非臨床藥動(dòng)學(xué)、藥效學(xué)和毒理學(xué)研究數(shù)據(jù)外，其他資料如藥物研發(fā)立題依據(jù)、藥物的理化性質(zhì)（log P、MW）、同類藥物的臨床前/臨床研究文獻(xiàn)等也同樣具有重要的價(jià)值和意義。此外，雖然新藥的非臨床研究涉及的研究內(nèi)容很多，但各個(gè)研究之間不是彼此孤立的，而是密切聯(lián)系、相互支撐的。例如，在藥效學(xué)和毒理學(xué)評價(jià)中伴隨進(jìn)行藥動(dòng)學(xué)研究，獲得藥物和/或活性代謝物的濃度數(shù)據(jù)及其相關(guān)藥動(dòng)學(xué)參數(shù)，可提供藥物對靶器官效應(yīng)（藥效或毒性）的依據(jù)，是產(chǎn)生、決定或闡明藥效或毒性大小的物質(zhì)基礎(chǔ)。綜合分析臨床前研究的體外和體內(nèi)數(shù)據(jù)，結(jié)合藥效學(xué)和毒理學(xué)資料，可以為Ⅰ期臨床試驗(yàn)設(shè)計(jì)提供有力支持。

（王洪允）

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