趙皎潔 付雷 王彬 張蕾 胡明豪 陸宇
結(jié)核病是由結(jié)核分枝桿菌(Mycobacteriumtuberculosis,MTB)引起的一種長期以來威脅人類健康的傳染性疾病。據(jù)WHO[1]估算,2018年我國結(jié)核病新發(fā)患者約87萬例,僅次于印度,高居全球第2位,其中耐多藥/利福平耐藥結(jié)核病患者6.6萬例。由于抗結(jié)核藥物的不合理使用造成的治療效果不佳、耐藥菌株的大量出現(xiàn)都對(duì)人類造成極大的生命威脅。在這樣的形勢下,我們迫切需要新的、更有效的藥物來縮短和簡化結(jié)核病尤其是耐藥結(jié)核病長期而復(fù)雜的治療過程,并且進(jìn)一步提高療效。
藥代動(dòng)力學(xué)/藥效學(xué)(pharmacokinetics/pharmacodynamics,PK/PD)是將藥物濃度與時(shí)間、抗菌作用結(jié)合起來,闡明抗菌藥物在特定劑量/濃度和特定給藥方案下抑菌或殺菌效果的時(shí)間過程,對(duì)有效劑量的選擇和給藥方案的制定有著十分重要的作用。近年來,抗結(jié)核藥物PK/PD研究受到高度重視,并取得了重大成就,已被廣泛應(yīng)用于新藥研發(fā)的全過程,為各期臨床試驗(yàn)給藥方案的制定、藥物群體量效關(guān)系的探索、特殊患者群體和特定患者個(gè)體給藥方案的調(diào)整等提供支持性數(shù)據(jù),在藥品審評(píng)、審批和監(jiān)管決策等方面將發(fā)揮重要作用。
結(jié)核分枝桿菌中空纖維模型(hollow-fiber pharmacodynamic model of tuberculosis,HFM-TB)是一種可以模擬在體內(nèi)的藥代動(dòng)力學(xué)和藥效學(xué)過程的體外PK/PD模型。該模型可以承受更高的結(jié)核分枝桿菌負(fù)荷,模擬極端的給藥劑量,是一個(gè)可以動(dòng)態(tài)觀察藥物對(duì)細(xì)菌作用的方法。但國內(nèi)對(duì)該模型的研究較少[2]。2019 年筆者在國內(nèi)首次建立HFM-TB,并對(duì)異煙肼的PK/PD參數(shù)及目標(biāo)靶值進(jìn)行研究,對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證。
結(jié)核分枝桿菌標(biāo)準(zhǔn)菌株H37Rv(ATCC27294)為北京市結(jié)核病胸部腫瘤研究所藥物研究室保存的菌株。
異煙肼[Sigma公司(美國);批號(hào):MKBW9046V;質(zhì)量:5 g;純度:≥99%]。
C3008中空纖維培養(yǎng)筒(美國Fibercell 公司)、Infinite 200多功能酶標(biāo)儀(瑞士Tecan公司)、IMH750-S SS恒溫培養(yǎng)箱(美國Thermo Fisher Scientific公司)、Masterflex蠕動(dòng)泵(美國Cole-Parmer公司)、雙向泵(美國Fibercell公司)、Micro 21R高速冷凍離心機(jī)(美國Thermo Fisher Scientific公司)、安捷倫高效液相色譜(美國安捷倫科技有限公司)、Agilent Eclipse Plus C18色譜柱(填料粒徑:3.5 μm;色譜柱內(nèi)徑:2.1 mm;色譜柱長度: 50 mm;美國安捷倫科技有限公司)。肉桂醛(北京伊諾凱科技有限公司;批號(hào):KCDJ915)、7H9液體培養(yǎng)基干粉(美國BD公司;批號(hào):6075662)、7H10培養(yǎng)基干粉(美國BD公司;批號(hào):262710)、Middlebrook OADC增菌液(美國BD公司;批號(hào):212351)、吐溫80(北京索萊寶科技有限公司;批號(hào):301C052)、丙三醇(國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;批號(hào):20180223)。
Alamar blue法。異煙肼用蒸餾水溶解制成初溶液(儲(chǔ)備液),滅菌后,使其終濃度為10 μg/ml,并進(jìn)行2倍稀釋11次。選取結(jié)核分枝桿菌H37Rv標(biāo)準(zhǔn)株將其培養(yǎng)2~3周的培養(yǎng)物制成菌懸液,接種到含0.05%吐溫80、10% OADC(氯化鈉、牛血清白蛋白、葡萄糖、過氧化氫酶、油酸混和物)營養(yǎng)添加劑的7H9培養(yǎng)基中,37 ℃靜止培養(yǎng)1~2周,生長至濁度為McFarland 1[相當(dāng)于108菌落形成單位(CFU)/m1]時(shí)稀釋接種到含藥的7H9液體培養(yǎng)基(含10% OADC)中,菌液的終濃度為106CFU/ml。實(shí)驗(yàn)設(shè)無藥對(duì)照,置37 ℃培養(yǎng)7 d后每孔加入20 μl Alamar blue、12.5 μl 20%吐溫80。將添加好指示劑的96孔板37 ℃培養(yǎng)過夜。觀察顏色,并用多功能酶標(biāo)儀測定96孔板Alamar blue熒光值,計(jì)算MIC(MIC值定義為熒光值的抑制≥90%的最低藥物濃度)[3]。
圖1 HFM-TB示意圖
圖2 中空纖維培養(yǎng)筒橫截面示意圖
該模型由中央室、新鮮培養(yǎng)基儲(chǔ)液瓶及廢液瓶3個(gè)部分組成。其中中央室由中央儲(chǔ)液瓶、中空纖維培養(yǎng)筒和連接中央貯液瓶和中空纖維反應(yīng)器的軟管通路構(gòu)成 (圖1)。在人體中存在于血液中的藥物穿過毛細(xì)血管壁到達(dá)病灶,與結(jié)核分枝桿菌接觸并發(fā)揮作用,該系統(tǒng)正是模擬了這個(gè)過程。中空纖維是一種裝在塑料外殼里的毛細(xì)半透性管,可以模擬肺部毛細(xì)血管 (圖2)。中空纖維腔外的腔隙稱為中空纖維培養(yǎng)筒外腔,結(jié)核分枝桿菌即培養(yǎng)于此腔隙。結(jié)核分枝桿菌由于體積太大無法通過中空纖維上的孔隙因而無法進(jìn)入中空纖維內(nèi)腔。采用蠕動(dòng)泵將新鮮的培養(yǎng)基從儲(chǔ)液瓶中泵入中央室,將廢液以相同的流率泵出至廢液瓶,保持中央室內(nèi)培養(yǎng)基總體積不變,使藥物不斷稀釋,藥物濃度隨著時(shí)間的延長而逐漸降低,以模擬藥物在體內(nèi)代謝的過程。培養(yǎng)基在中央室內(nèi)循環(huán),營養(yǎng)物質(zhì)(小分子)從中空纖維內(nèi)腔擴(kuò)散到外腔。藥物通過注射泵泵入中央室進(jìn)行給藥,并通過中空纖維上的孔隙彌散進(jìn)入和排出外腔。在實(shí)驗(yàn)過程中中央室均置于37 ℃孵箱中,以模擬結(jié)核分枝桿菌在體內(nèi)生長時(shí)的環(huán)境溫度。
將中央室的容積設(shè)置為250 ml,采用慢乙?;腿巳寒悷熾碌难獫{半衰期(t1/2),約為2.2~4.4 h[4]。通過改變培養(yǎng)基進(jìn)出HFM-TB的流率來控制異煙肼在體內(nèi)的消除速率。為了模擬4.1 h的半衰期,使用流率公式(流率=中央室容積×ln2/t1/2)進(jìn)行計(jì)算后,將蠕動(dòng)泵泵入新鮮培養(yǎng)基的流率設(shè)置為42.3 ml/h。
將結(jié)核分枝桿菌標(biāo)準(zhǔn)株H37Rv接種到含0.05%吐溫80、10% OADC營養(yǎng)液的7H9培養(yǎng)基中,37 ℃靜止培養(yǎng)14 d至對(duì)數(shù)生長期。將菌液接種到不含藥7H10培養(yǎng)基上進(jìn)行菌落計(jì)數(shù),在添加了0.2 mg/L異煙肼的7H10培養(yǎng)基上測定自發(fā)突變頻率。然后取部分菌液進(jìn)行稀釋,向6個(gè)系統(tǒng)中每個(gè)中空纖維培養(yǎng)筒內(nèi)接種15 ml終濃度為1×106CFU/ml的菌液。
接種后24 h開始給藥,實(shí)驗(yàn)?zāi)M了0、25、50、150、300和1200 mg/d的異煙肼劑量的血清濃度時(shí)間分布(表1)。
表1 異煙肼給藥劑量與模擬Cmax表
選擇這些劑量是為了能夠測試劑量范圍更充足,考慮到急性攝入1500 mg的異煙肼對(duì)患者是不安全的,所以本次實(shí)驗(yàn)設(shè)定了1200 mg作為最高劑量。給藥每日1次,共給藥7次。
在異煙肼給藥后的48 h內(nèi)對(duì)每個(gè)HFM-TB的中央隔室采樣14次,測定7H9液體培養(yǎng)基中異煙肼濃度,以驗(yàn)證系統(tǒng)可以達(dá)到預(yù)期的血藥濃度時(shí)間分布。在次日給藥前采集中空纖維培養(yǎng)筒外腔的結(jié)核分枝桿菌培養(yǎng)液1 ml,以離心半徑8.6 cm,8000 r/min 離心10 min,棄800 μl上清,再加入800 μl 生理鹽水,以減少異煙肼殘留。將處理好的菌液接種在不含藥7H10培養(yǎng)基上進(jìn)行菌落計(jì)數(shù),接種在含0.2 mg/L 異煙肼的7H10培養(yǎng)基上測定耐藥發(fā)生情況。
1. 樣品前處理方法:取400 μl樣品,加入800 μl濃度為50 μg/ml的丙硫異煙胺-乙腈溶液,渦旋振蕩3 min,充分混勻后,以離心半徑8.6 cm,14 000 r/min離心10 min。取1 ml上清經(jīng)氮吹濃縮后加入60 μl 0.5%肉桂醛甲醇溶液,超聲溶解。于60 ℃水浴鍋中衍生化反應(yīng)30 min。以離心半徑8.6 cm,14 000 r/min 離心10 min,取上清置于高效液相色譜進(jìn)樣瓶中。
2.高效液相色譜檢測方法: 設(shè)置進(jìn)樣體積6 μl,流動(dòng)相流率0.22 ml/min,流動(dòng)相比例B(乙腈)∶C(10 mmol乙酸銨-水溶液,pH=5)=25∶75;檢測波長:335 nm;色譜柱:Agilent Eclipse Plus C18色譜柱(填料粒徑:3.5 μm;色譜柱內(nèi)徑:2.1 mm;色譜柱長度:50 mm)。
使用PKSolver[5]以及GraphPad軟件進(jìn)行PK/PD 參數(shù)的計(jì)算,以及圖像繪制。
將取得的7H9培養(yǎng)基樣本中的異煙肼濃度進(jìn)行測定,根據(jù)獲得的結(jié)果繪制HFM-TB中異煙肼給藥后達(dá)到的藥物濃度-時(shí)間曲線圖,如圖3所示。實(shí)驗(yàn)中HFM-TB內(nèi)異煙肼測定濃度與預(yù)測濃度的擬合直線公式為y=0.99x-0.07,斜率為0.99,r2>0.99。因此系統(tǒng)中達(dá)到的異煙肼濃度與預(yù)測值相同(圖4)。
圖3 HFM-TB中異煙肼藥物濃度-時(shí)間曲線
圖4 異煙肼藥物濃度預(yù)測值與實(shí)測值準(zhǔn)確度關(guān)系
異煙肼對(duì)H37Rv的MIC為0.038 mg/L。本實(shí)驗(yàn)所用菌株對(duì)0.2 mg/L異煙肼耐藥的自發(fā)突變頻率為2.2×10-5。
圖6 第2天異煙肼劑量與殺菌作用關(guān)系圖
如圖5所示,在異煙肼給藥前每個(gè)HFM-TB中的初始菌量為(6.06±0.07) lg CFU/ml。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中,對(duì)照組的菌量始終處于上升的階段。在給藥第3天后各劑量組總菌量幾乎不再降低,隨著治療時(shí)間的延長而菌量出現(xiàn)回升的現(xiàn)象。當(dāng)異煙肼的早期殺菌作用停止時(shí),25~1200 mg/d組的剩余菌量分別為5.63、4.57、4.03、3.76、3.60 lg CFU/ml,并沒有降至“0”。
圖5 不同給藥劑量下結(jié)核分枝桿菌菌量隨時(shí)間變化曲線圖
由于給藥3 d后早期殺菌作用幾乎停滯,故采用各組異煙肼給藥劑量和治療前2天的結(jié)核分枝桿菌總菌量進(jìn)行計(jì)算。利用抑制效應(yīng)的Sigmoid Emax模型對(duì)異煙肼的給藥劑量與早期殺菌作用效果關(guān)系進(jìn)行模擬,本研究采用的是Hill模型:E=Econ-{Emax×(C)H/[(C)H+(C50)H]},其中E為某時(shí)間點(diǎn)結(jié)核分枝桿菌菌量,Econ為對(duì)照組菌量,C為異煙肼暴露濃度,C50為50%最大殺菌效應(yīng)時(shí)的異煙肼暴露量,H為Hill常數(shù)。結(jié)果如圖6所示。
早期殺菌效應(yīng)曲線下降最明顯的部分發(fā)生在25~150 mg/d的劑量范圍內(nèi),而在150~1200 mg/d的劑量范圍內(nèi)殺菌作用基本停止,隨著劑量提高殺菌效果并沒有明顯提高。
圖7 第7天總菌量和0.2 mg/ml異煙肼耐藥菌量與給藥劑量作用關(guān)系圖
由于在實(shí)驗(yàn)后期,菌量出現(xiàn)回升,所以對(duì)HFM-TB內(nèi)的結(jié)核分枝桿菌耐藥性進(jìn)行評(píng)估,以分析導(dǎo)致菌量增加可能的原因。經(jīng)過7 d的給藥,HFM-TB內(nèi)對(duì)照組的結(jié)核分枝桿菌耐藥率為1.92×10-5,與第0天相比沒有太大差異。而與對(duì)照組相比,所有異煙肼處理的HFM-TB的耐藥率均有較大升高,50~1200 mg/d劑量組結(jié)核分枝桿菌耐藥菌群在所有菌群中所占比例≥39%,尤其在異煙肼劑量為150、300 mg/d時(shí)分別為4.6×10-1和4.9×10-1(圖7)??偩康纳仙赡苁悄退幘旱木吭鲩L導(dǎo)致的。
A:游離藥物峰濃度與MIC的比值(Cmax/MIC);B:游離藥物的血漿藥物濃度-時(shí)間(0~24 h)曲線下面積(AUC0~24)與MIC的比值(AUC0~24/MIC);C:游離的藥物濃度高于MIC的時(shí)間占給藥間期的百分比(% TMIC)圖8 給藥第2天各PK/PD參數(shù)與殺菌作用關(guān)系圖
同上根據(jù)Hill模型,對(duì)3個(gè)PK/PD參數(shù)與異煙肼殺菌作用效果的關(guān)系進(jìn)行模擬。從圖8可以看出,在給藥第2天3條曲線中游離藥物的血漿藥物濃度-時(shí)間(0~24 h)(AUC0~24)/MIC與殺菌作用關(guān)系擬合效果最好,r2值最高為0.995。擬合曲線公式為lg CFU/ml=6.62-[3.02×(AUC0~24/MIC)1.213/[(AUC0~24/MIC)1.213+52.231.213]。其中Emax為3.02 CFU/ml,半最大效應(yīng)濃度(EC50)為AUC0~24/MIC=52.23。除此之外,其赤池信息量準(zhǔn)則(Akaike information criterion,AIC)值也最低(為-15.18)。所以認(rèn)為AUC0~24/MIC是與異煙肼殺菌作用效果擬合最好的PK/PD參數(shù)。
抗結(jié)核藥物PK/PD研究貫穿于抗結(jié)核藥物研發(fā)的各個(gè)階段,PK/PD參數(shù)的確定已經(jīng)成為新型抗結(jié)核藥物開發(fā)過程中的重要組成部分[6]。臨床前PK/PD模型是評(píng)價(jià)單獨(dú)使用不同劑量的抗結(jié)核藥物或與其他抗結(jié)核藥物聯(lián)合使用的療效的有力工具。主要的PK/PD參數(shù)有Cmax/MIC、AUC0~24/MIC、%TMIC,在新藥開發(fā)的臨床階段PK/PD研究的數(shù)據(jù)可用于蒙特卡羅模擬,以預(yù)測抗結(jié)核藥物的最佳劑量,防止耐藥性出現(xiàn),并建立敏感性斷點(diǎn)[7]。為最佳的給藥方案提供參考,并可以更好地預(yù)測藥物開發(fā)項(xiàng)目成功與否[8-9]。
PK/PD研究分為非臨床階段和臨床階段兩部分,而非臨床研究又包括體外PK/PD研究和實(shí)驗(yàn)動(dòng)物體內(nèi)PK/PD研究。體外PK/PD模型主要包括擴(kuò)散模型和稀釋模型,中空纖維系統(tǒng)模型是一種常用的擴(kuò)散模型。體外PK/PD研究可以借助一些體外裝置來模擬藥物在體內(nèi)的藥代動(dòng)力學(xué)和藥效學(xué)過程,中空纖維系統(tǒng)就是其中一種模型。由于具有多種優(yōu)點(diǎn),與動(dòng)物模型相比,體外模型更適合于測試和鑒定藥物的時(shí)間或濃度依賴性。除此之外,與其他臨床前模型相比,HFM-TB模型的獨(dú)特之處是可以發(fā)現(xiàn)耐藥性的出現(xiàn),研究中得到的與耐藥性抑制相關(guān)的濃度可用于設(shè)計(jì)更有效的劑量方案[10]。HFM-TB作為藥物開發(fā)工具被歐洲藥品管理局認(rèn)可,得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以用于臨床申報(bào)[11]。
體外中空纖維模型PK/PD研究中需要依據(jù)不同給藥劑量在體內(nèi)的血漿濃度進(jìn)行PK參數(shù)的模擬,根據(jù)藥物半衰期計(jì)算并設(shè)置新鮮培養(yǎng)基及廢液的流出速度。于給藥后48 h內(nèi)進(jìn)行PK樣品的取樣,可根據(jù)藥物的代謝特點(diǎn)進(jìn)行取樣時(shí)間的設(shè)置,在給藥前期由于藥物濃度變化較快,應(yīng)該增大取樣密度。由于藥物是存在于7H9液體培養(yǎng)基中,所以在PK樣品取樣結(jié)束后應(yīng)盡快進(jìn)行藥物濃度測定,以防止藥物結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定而發(fā)生降解。目前的研究是以假設(shè)血漿濃度與藥物作用位點(diǎn)濃度相似為前提,然而在大多數(shù)情況下體內(nèi)效應(yīng)位點(diǎn)濃度很難確定,這可能是本模型的局限性之一。
異煙肼在抗結(jié)核藥物中具有最強(qiáng)的EBA[12],是抗結(jié)核治療中最常用的抗結(jié)核藥物,對(duì)其相關(guān)研究也較多。故本實(shí)驗(yàn)采用異煙肼作為實(shí)驗(yàn)藥物對(duì)構(gòu)建的HFM-TB 模型進(jìn)行驗(yàn)證。臨床上患者行抗結(jié)核治療的前2~5 d內(nèi),聯(lián)合治療方案中的EBA主要來源于異煙肼對(duì)對(duì)數(shù)生長期結(jié)核分枝桿菌的殺菌作用[13-14]。在本研究中,異煙肼導(dǎo)致的結(jié)核分枝桿菌菌量的降低與在人體中EBA停止的時(shí)間點(diǎn)是相似的。但是即便在給藥第3天異煙肼EBA結(jié)束后,系統(tǒng)內(nèi)仍然存在未被殺滅的結(jié)核分枝桿菌。在最初的3 d內(nèi),敏感菌群被迅速殺滅導(dǎo)致細(xì)菌總數(shù)的降低。隨著給藥時(shí)間的延長,藥物誘導(dǎo)產(chǎn)生的耐藥菌群不斷增殖,所以在給藥第4天之后,各劑量組的菌量先后產(chǎn)生了不同程度的回升。除此之外,從圖5看出,在給藥7 d后,50~1200 mg/d劑量組結(jié)核分枝桿菌耐藥率明顯上升,耐藥菌群在所有菌群中占比≥39%。因此,我們推斷,異煙肼殺菌作用的停止在很大程度上是由耐藥性的出現(xiàn)引起的,而這也與其他幾種體外藥敏試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的結(jié)果一致[15-16]。體外測定細(xì)菌對(duì)藥物的自發(fā)突變頻率,一般采用靜態(tài)系統(tǒng)。然而Srivastava等[17]的研究證明,由于適應(yīng)性進(jìn)化的一般原則,與暴露于靜態(tài)系統(tǒng)中相比,動(dòng)態(tài)系統(tǒng)更有可能引發(fā)耐藥性的產(chǎn)生。這也解釋了本研究采用的HFM-TB在較短時(shí)間引起明顯耐藥的原因。有研究表明,抗結(jié)核藥物、氧化應(yīng)激和其他環(huán)境應(yīng)激導(dǎo)致的不穩(wěn)定的表型突變可能比穩(wěn)定的基因型突變更常見[18-19],治療早期在外排泵的作用下,結(jié)核分枝桿菌對(duì)異煙肼表現(xiàn)出了耐受性或表型抗性,為其復(fù)制贏得了時(shí)間,直到特定基因發(fā)生突變[20]。所以本研究后續(xù)還應(yīng)對(duì)耐藥菌株進(jìn)行基因測序,以確定耐藥頻率較高的根本原因。
EBA的臨床研究表明,劑量-效應(yīng)曲線斜率最大的部分位于0~150 mg/d之間[21],這與我們?cè)贖FM-TB中觀察到的結(jié)果是相同的(圖4)。但當(dāng)劑量>150 mg/d時(shí),隨著給藥劑量的增加,早期殺菌效果并沒有大幅度提高。本研究中,在7 d給藥治療的早期階段與異煙肼對(duì)結(jié)核分枝桿菌的殺菌作用最相關(guān)的PK/PD參數(shù)是AUC0~24/MIC。這與Jayaram等[22]使用結(jié)核分枝桿菌小鼠氣溶膠感染模型的研究結(jié)果相似。對(duì)于結(jié)核病患者,異煙肼的AUC與EBA有很強(qiáng)的相關(guān)性[23],這也從另一個(gè)方面驗(yàn)證了本實(shí)驗(yàn)?zāi)P偷臉?gòu)建成功。本次實(shí)驗(yàn)給藥前2 d的Emax為3.02 CFU/ml,EC50為AUC0~24/MIC=52.23。而之前研究的參數(shù)估計(jì)為61.6[24],與本研究稍有差異,這種差異可能是由于測試菌對(duì)異煙肼(結(jié)核分枝桿菌減毒株H37Ra與結(jié)核分枝桿菌標(biāo)準(zhǔn)菌株H37Rv)敏感性的差異,或進(jìn)行參數(shù)計(jì)算時(shí)采用的數(shù)據(jù)時(shí)間點(diǎn)不一致造成的。
本研究是在引進(jìn)HFM-TB裝置的條件下,進(jìn)行了異煙肼抗結(jié)核分枝桿菌標(biāo)準(zhǔn)菌株H37Rv的體外PK/PD研究,確定了PK/PD靶值,通過與國外實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比,驗(yàn)證了HFM-TB的構(gòu)建成功。本研究首次在國內(nèi)建立該模型,可以為后續(xù)國內(nèi)抗結(jié)核新藥早期的PK/PD研究奠定基礎(chǔ)并提供方法學(xué)參考。