孫靈靈，楊　帆，李亞男，白景英，王　丹（河南科技大學動物科技學院，河南洛陽471003）

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基于模型預測動物可食組織中獸藥殘留研究進展

孫靈靈，楊帆＊，李亞男，白景英，王丹
（河南科技大學動物科技學院，河南洛陽471003）

摘 要：動物可食組織中殘留的獸藥會對消費者的健康造成直接或潛在的危害，因而受到消費者及獸藥監(jiān)管部門的關注。應用模型預測獸藥殘留不但能夠節(jié)省實驗動物，而且還能夠得到準確的預測結(jié)果。論文介紹了5種常見的獸藥殘留預測模型，即房室模型、組織-血漿濃度相關性模型、群體藥動學模型、生理藥動學模型和蒙特卡洛模擬，比較了各自的優(yōu)缺點，分析了應用這些模型預測獸藥殘留過程中存在的問題。

關鍵詞：獸藥；殘留；預測；模型；食品安全

當前，動物源食品的安全問題越來越受到政府和消費者的關注，獸藥殘留是影響動物源食品安全的一個重要方面［1］。在獸醫(yī)臨床中，最常使用的獸藥包括抗微生物藥、抗寄生蟲藥和消毒防腐藥，這些藥物在動物疾病的預防和治療方面起到了重要作用，一旦不規(guī)范使用時，很容易殘留在動物源食品中，對食用者的健康造成直接或潛在的危害。在畜牧業(yè)養(yǎng)殖中，用于促進生長、維持同步發(fā)情等非預防及治療用途的抗微生物藥及生殖激素類藥物的品種和數(shù)量也在不斷增加，這些都加劇了獸藥殘留發(fā)生的風險。消費者長期攝入殘留在動物源食品中的這些獸藥，不但會發(fā)生過敏反應等直接傷害，有些藥物或代謝物還具有激素樣作用，會導致兒童早熟，引起繁殖和發(fā)育紊亂；此外，長期攝入低殘留量的抗微生物藥，還會引發(fā)細菌耐藥性問題，導致人類感染性疾病治療困難。目前，世界各國的監(jiān)管機構(gòu)均加強了對動物源食品中獸藥殘留的監(jiān)控力度，研究者也力圖通過模型化的方法預測動物源可食組織中的獸藥殘留。本文對常見的獸藥殘留預測模型進行詳細介紹，并比較了不同模型各自的優(yōu)缺點，分析了應用這些模型預測獸藥殘留過程中存在的問題。

1　常見殘留預測模型

1.1房室模型

房室模型（compartmental model，CM）屬于獸醫(yī)藥物代謝動力學范疇。房室是具有動力學“均一”特性的抽象隔室，凡在同一個房室內(nèi)的各部分藥物均處于動態(tài)平衡。也即按照藥物在動物體內(nèi)濃度-時間的轉(zhuǎn)運規(guī)律，把動力學上一些可以區(qū)分的不同速度過程加以組合規(guī)定為房室。最常見的CM有單室模型、雙室模型和三室模型，按照給藥途徑不同又可分為血管內(nèi)給藥和有吸收兩種不同類型。大多數(shù)藥物制劑不管屬于哪種房室模型，其消除相均符合線性消除規(guī)律，這是應用CM預測獸藥殘留的基礎。

應用CM預測獸藥殘留即屬于線性回歸分析過程。在該過程中，需要首先對消除相的濃度-時間數(shù)據(jù)進行對數(shù)化處理，之后將對數(shù)化的濃度對時間做線性回歸，找出代表藥物消除的速率常數(shù)，最后以此結(jié)合已測得的已知時間點樣品中藥物的濃度推算出可食組織中藥物濃度低于最高殘留限量（MRL）的時間，即獲得了該藥的休藥期。

在CM分析過程中，采樣通常以血漿或血清為主，以此計算得到的休藥期與利用可食組織計算得到的休藥期可能存在較大偏差。另外，在進行線性回歸分析前，必須對濃度-時間數(shù)據(jù)進行檢驗［2］，如方差齊性檢驗、對數(shù)線性檢驗和誤差正態(tài)性檢驗。一般劑型的藥物通常都能夠符合如上三個檢驗，但對于某些緩控釋制劑來說，其消除過程往往是非線性的，此時如果還利用該法預測獸藥殘留的話，其結(jié)果往往會出現(xiàn)較大偏差。

1.2組織-血漿濃度相關性模型

利用組織-血漿濃度相關性（tissue-plasma correlation，TPC）模型預測獸藥殘留的步驟為：首先進行某給藥途徑下獸藥的殘留消除試驗，獲得給藥后不同時間點各可食組織及血漿中的藥物濃度，然后將組織中藥物濃度和血漿中藥物濃度進行回歸分析，找出兩

者間的數(shù)學關系式，之后利用血漿中藥物濃度預測組織中藥物濃度。

江海洋等［3］建立了牛皮下注射愛普菌素后組織中藥物殘留預測的模型，其研究中，研究者共選用了11種不同的函數(shù)模型來分析組織和血漿中愛普菌素濃度間的關系，發(fā)現(xiàn)能夠表征肌肉、肝臟、腎臟和脂肪中藥物濃度與血漿中藥物濃度間關系的函數(shù)模型分別為冪曲線函數(shù)、對數(shù)函數(shù)、對數(shù)函數(shù)和冪曲線函數(shù)，且以上4種組織濃度與血漿濃度間的相關系數(shù)分別為0.920、0.936、0.906和0.919。Yang B等［4］建立了肥育豬連續(xù)飼喂喹乙醇30d后藥物的殘留標示物3-甲基喹噁啉-2-羧酸在豬組織和血漿中濃度相關性模型，組織和血漿中藥物濃度回歸方程的相關性系數(shù)在0.92以上，說明可以利用血漿中的代謝物濃度預測組織中的代謝物殘留。Chiesa O A等［5］則開展了牛體內(nèi)磺胺地索辛的類似研究，證實可應用TPC模型預測小公牛連續(xù)靜脈注射磺胺地索辛后組織中的藥物殘留。

以上研究證實不同藥物在不同動物組織和血漿中的濃度回歸方程均具有較高的相關系數(shù)，說明應用該法能夠預測獸藥在可食組織中的殘留。但該法僅反映了血漿和組織中藥物濃度間的純數(shù)學關系，不涉及藥物吸收、分布、代謝和排泄（ADME）過程中的機理，利用該模型獲得的組織和血漿中藥物濃度間的數(shù)學關系式僅適用于特定的給藥方案和特定的動物群體，無法進行不同給藥方案間、同種屬動物不同種群間或不同種屬動物間的外推，限制了該方法的應用范圍。

1.3群體藥動學模型

開展群體藥動學（population pharmacokinetics，PPK）模型研究的最初目的是為了進行個體化給藥。PPK模型定量地考察了動物群體中藥物濃度的決定因素，包括群體典型值、固定效應參數(shù)、個體間變異和個體自身變異。利用該模型可以研究動物給予標準劑量方案時，藥動學參數(shù)的個體差異，使臨床給藥方案更加方便、合理、有效，從而提高療效、減少不良反應。將PPK模型用于獸藥殘留預測的初衷是源于以下事實：獸藥殘留休藥期是某一特定制劑在特定的給藥方案下在某一動物群體中的休藥期，而非針對某個動物個體。針對同一制劑的同一給藥方案，不同動物體內(nèi)的藥物處置過程是有個體差異的，有時該差異還較大，因此同一制劑在同種動物不同個體間的休藥期也可能存在明顯差別。而傳統(tǒng)的組織殘留消除研究，是在自然生產(chǎn)的條件下給動物暴露化合物后，在一系列時間隨機宰殺動物、采集組織樣品、測定組織中殘留標示物（原型或代謝物）的濃度。每個動物在每個時間點只有一個樣本，所用動物數(shù)量有限，以致數(shù)據(jù)的個體差異大、零亂，影響殘留預測的準確性［3］。因此，有學者提出應用PPK模型來預測獸藥殘留。PPK模型預測得到的休藥期是基于整個動物群體的，而且預測過程中考慮了動物年齡、性別、體重和肝腎功能，以及給藥途徑等因素對藥物處置過程的影響，預測結(jié)果會更準確。

Wu H等［6］建立了不同給藥途徑（靜脈注射、皮下注射、肌內(nèi)注射和灌胃給藥）下氟尼辛在健康肉牛體內(nèi)的PPK模型，利用所建模型成功預測了不同給藥途徑下氟尼辛在健康肉牛體內(nèi)的殘留休藥期。研究結(jié)果表明，用該法預測得到的休藥期要長于應用線性回歸分析法計算得到的結(jié)果。Wu H等［7］還利用該模型預測了疾病狀態(tài)下氟尼辛在肉牛肝臟中的殘留濃度。

1.4生理藥動學模型

生理藥動學（physiologically based pharmacokinetics，PBPK）模型是一種模擬機體循環(huán)系統(tǒng)的血液流向，將各器官或組織相互聯(lián)結(jié)起來而建立的整體模型［8-9］，該模型中包含了各組織的體積（V）和血流速率常數(shù)（Q）、藥物在各組織中的組織-血漿分配系數(shù)（P）、藥物的肝臟和腎臟清除率（Clhe和Clre）等參數(shù)，能夠從機理上預測藥物在動物體內(nèi)的ADME過程。根據(jù)藥物在動物體內(nèi)的分布特點，可將PBPK模型分成血流限速型和膜限速型兩種，前者中，各組織的血流灌注速度是藥物分布的限速因素；后者中，藥物的跨膜轉(zhuǎn)運則是藥物分布的限速步驟。血流限速型PBPK模型最為常見，大多數(shù)藥物均符合血流限速分布特點，在目前已有的獸藥PBPK模型中，僅有泰拉霉素（tulathromycin；易溶于水，分子質(zhì)量高達806.23）在山羊體內(nèi)的分布符合膜限速特點［10］。

Brocklebank J R等首次應用PBPK模型預測了鮭魚多次混飼土霉素后藥物的殘留休藥期，在9℃和15℃水溫下分別為60d和49d；隨后，Craigmill A L建立了土霉素在綿羊體內(nèi)的PBPK模型，預測了綿羊單次肌內(nèi)注射土霉素后藥物在注射部位、肝臟、腎臟、肌肉和脂肪中的殘留情況。該模型不但包括了動物機體主要的可食組織，還引入了一個兩房室的藥物吸收模塊來模擬藥物的吸收，并以Clre來模擬藥物的清除。Burr J L等［11］將PBPK模型的應用領域拓展到了獸藥殘留休藥期的預測，其先后建立了3個PBPK模型用于研究磺胺二甲嘧啶在豬體內(nèi)的殘留和磺胺二甲嘧啶與氟尼辛葡甲胺的相互作用［12］、預測磺胺二甲嘧啶在豬體內(nèi)的殘留休藥期［13］。在所建的3個模

型中，V和Q等參數(shù)均來源于文獻報道，而P值則由試驗獲得。Cortright K A等［14］建立了咪達唑侖在肉雞體內(nèi)的PBPK模型，預測了肉雞單次靜脈注射咪達唑侖后藥物在肝臟、腎臟、肌肉和脂肪中的分布情況，并將肉雞PBPK模型外推到火雞、雉雞和鵪鶉，成功預測了咪達唑侖在3種野禽體內(nèi)的分布情況。Yuan L G等［15］建立了沃尼妙林在大鼠體內(nèi)的PBPK模型，并將該模型外推到豬，預測了沃尼妙林在大鼠和豬各組織中的分布情況，并預測了沃尼妙林在豬體內(nèi)的殘留休藥期。本文作者所在課題組在此方面也開展了很多有意義的工作，先后建立了多個PBPK模型，預測了多西環(huán)素［16］、氟苯尼考［17-18］、泰拉霉素［19］和氟甲喹［8］在不同動物體內(nèi)的殘留。

1.5蒙特卡洛模擬

蒙特卡洛模擬（Monte Carlo simulation，MCS）是一種基于給定變異范圍的隨機數(shù)生成方法［20］。如前所述，獸藥殘留休藥期是針對于整個動物群體的，如果試圖通過增加實驗動物數(shù)量來提高休藥期預測結(jié)果準確性的話，不但會增加試驗成本，而且還會引入不同實驗動物對同一藥物處置間的個體差異，因此有學者提出了應用MCS來預測獸藥殘留休藥期的方法。具體過程如下：首先通過實驗獲得代表藥物處置速率各參數(shù)的可能性概率分布函數(shù)，然后進行MCS，使各參數(shù)按照已知的可能性概率分布函數(shù)隨機取值，每取一個數(shù)值即相當于進行了一次模擬，利用計算機程序進行成百上千次模擬后，即相當于獲得了成百上千只虛擬動物。將這些隨機取值的參數(shù)加入到PPK模型或PBPK模型中，即可預測得到成百上千只動物體內(nèi)組織濃度的預測值。模擬次數(shù)越多，預測結(jié)果越準確。目前MCS法多和PPK模型［6-7］或PBPK模型［13，16，21］結(jié)合使用來預測獸藥殘留。

2　各預測模型的優(yōu)缺點分析

以上幾種預測模型各有優(yōu)缺點。CM操作簡單，目前應用最廣泛，但其僅適用于具有線性消除特征的藥物，如果藥物的濃度-時間數(shù)據(jù)無法滿足檢驗要求時，則無法利用該法預測獸藥殘留，且該法對注射部位的獸藥殘留預測效果差，預測結(jié)果也未考慮ADME過程中的機理及動物個體間的變異，結(jié)果不能進行外推。TPC模型雖然操作最簡便，但其預測結(jié)果僅能反應組織濃度和血漿濃度間的純數(shù)學關系式，未考慮藥物處置機理及動物個體間的變異，也不能外推。TPC模型僅適用于特定藥物在特定給藥方案下在特定動物群體中的殘留預測。PPK模型考慮了藥物處置過程中的動物個體間差異，也能夠量化動物種屬、年齡、性別、肝腎功能等因素對預測結(jié)果的影響，但模型中往往只包含消除器官，無法預測主要可食組織（肌肉和脂肪）中的獸藥殘留，而且試驗中要使用大量動物，建模過程也極其復雜，同時預測結(jié)果也無法進行外推。PPK模型最常用于制定個體化給藥方案，用于預測獸藥殘留時，通常僅能預測肝臟或腎臟中的藥物濃度。MCS雖然考慮了藥物處置過程中的動物個體間差異，但它單獨使用時無法預測殘留。與前述四種方法相比，PBPK模型具有無法比擬的優(yōu)勢，尤其是當其與MCS合用后，既考慮了藥物處置過程中的機理，又考慮了動物個體間的差異，能夠預測不同生理或病理條件下的獸藥殘留，且預測結(jié)果可以外推。但PBPK模型中包含了大量的解剖學和生理學參數(shù)，目前這些參數(shù)僅在豬［15］、雞［18］和綿羊［9］體內(nèi)有所報道，這限制了PBPK模型的應用范圍。

3　存在的問題

基于模型預測動物可食組織中的獸藥殘留能夠減少實驗動物用量、增加獸藥殘留休藥期計算結(jié)果的準確性，但目前獸藥殘留模型預測尚處在發(fā)展的初級階段，還存在以下幾方面問題：①模型復雜，一般人較難掌握。以上提及的CM、PPK模型及PBPK模型均非常復雜，涉及到大量的數(shù)學和計算機知識，需要專業(yè)的建模軟件，且還需要研究者掌握一定的計算機程序語言知識，這些均限制了這些模型的使用范圍；②對模型預測結(jié)果的驗證尚無統(tǒng)一標準。目前，研究者提出了很多驗證模型預測結(jié)果的方法，如眼觀比較法、預測濃度和實測濃度的殘差分析法、預測休藥期的實際驗證法等，這些方法尚未得到廣大研究者的一致認可，且有些方法的驗證結(jié)果間彼此矛盾，因此降低了模型預測結(jié)果自身的可信度；③獸醫(yī)臨床中，供食用的動物品種繁多，給藥途徑多樣，任何模型均較難面面俱到，因此實難建立普適的模型來預測各種藥物在不同動物體內(nèi)的殘留。

4　小結(jié)

獸藥殘留是一個極其復雜的過程，受動物種屬、給藥途徑、動物健康狀況、溫度和飼養(yǎng)條件等多方面因素的影響。因此，準確預測動物可食組織中的獸藥殘留必將是一個極其艱難的過程，這也不是僅靠獸醫(yī)工作者能夠單獨完成的工作，還需要數(shù)學、計算科學及軟件科學等領域的研究人員共同參與解決。我們希望在不久的將來獸藥殘留的模型預測能夠得到長足的發(fā)展，能夠更好地為動物源食品安全保駕護航。

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Progress on Prediction of Veterinary Drug Residues in Edible Tissues Based on Modeling

SUN Ling-ling，YANG Fan，LI Ya-nan，BAI Jing-ying，WANG Dan
（College of Animal Science and Technology，Henan University of Science and Technology，Luoyang，Henan，471003，China）

Abstract：The residues of veterinary drugs can directly or potentially damage human health，and the focus of public and regulatory authorities'concern.Some overseas researchers have proposed use of modeling to predict veterinary drug residues in edible tissues.Theses applications not only save animals but also provide more accurate predicted results.In this study，five prediction models，including compartmental one，tissue-plasma correlation one，population pharmacokinetics one，physiologically based pharmacokinetics model，and Monte Carlo simulation，were introduced，the advantages and disadvantages were compared among these models，and some problems in predicting residues based on modeling were analyzed.

Key words：veterinary drug；residue；prediction；modeling；food safety

通訊作者

作者簡介：孫靈靈（1990-），女，河南洛陽人，主要從事動物藥學研究。＊

基金項目：國家自然科學 （31402253）；河南科技大學SRTP項目（2014267）

收稿日期：2014-10-14

中圖分類號：S859.84

文獻標識碼：A

文章編號：1007-5038（2015）05-0099-04