多成分药物肠吸收代谢数学算法的设计与分析

【摘要】[作者简介] 董玲，副研究员，硕士生导师，主要从事新剂型给药系统研究，Tel：（010）64286245，E-mail： 药物的渗透性评价是生物药剂学分类系统（biopharmaceutics classification ...

[摘要] 生物药剂学分类系统（biopharmaceutics classification system，BCS）中的渗透性评价主要指向肠吸收问题，相对于单一成分药物，在中药生物药剂学分类系统（biopharmaceutics classification system of Chinese materia medica，CMMBCS）构建中，多成分环境下的某单一成分吸收代谢受到多成分体系的影响而更为复杂，亟需适当的数学模型进行描述。作者团队在借鉴已有单成分肠吸收代谢数学算法的基础上，设计了多成分药物肠吸收代谢数学算法，提出参数P影响（多成分环境下某一单成分的吸收代谢相对于其单成分环境下的吸收代谢相对变化率）来反映多成分体系对其中某一单成分的吸收代谢影响，突出了多成分环境下药物肠吸收代谢的特点，为中药生物药剂学分类系统的构建奠定基础。

[关键词] 中药生物药剂学分类系统;多成分药物;数学算法;肠吸收代谢;渗透系数

[收稿日期] 2014-07-18

[基金项目] 国家自然科学基金项目（81473362）

[通信作者] *王耘，教授，博士生导师，主要从事系统生物学与组合药物设计研究，Tel：（010）84738609，E-mail：

[作者简介] 董玲，副研究员，硕士生导师，主要从事新剂型给药系统研究，Tel：（010）64286245，E-mail：

药物的渗透性评价是生物药剂学分类系统（biopharmaceutics classification system，BCS）的分类依据之一。但BCS主要针对单一化学成分药物，其应用存在局限性，并且，在单一成分药物的毒副作用和抗药性问题[1]的现实下，亟需将研究扩展到多成分药物领域。中药生物药剂学分类系统（biopharmaceutics classification system of Chinese materia medica， CMMBCS）正是应对多成分药物研究的解决方案，针对渗透性评价提出符合多成分特点的设计。作为多成分药物代表的中药，在口服给药的情况下，肠道为大多数药物吸收代谢的主要部位[2]，渗透性研究则主要指向肠吸收问题，同时因多成分影响，吸收并发代谢问题更为凸显。所以本研究定位于根据多成分药物特点设计对应的肠吸收代谢综合数学算法，更便于多成分属性的中药进行渗透性研究。

关于药物肠道吸收代谢数学算法，前辈学者已经提出诸多理论，并建立了多种模型，初步揭示了药物肠吸收代谢过程，解释了肠吸收代谢过程中药物成分量的变化，提出了很多标志性参数。但是这些理论和模型主要建立在单成分药物实验的基础上，对于中药这一多成分体系而言，其肠吸收代谢相对于单成分化药要复杂的多，要考虑的具体影响因素也难以一一阐明[3]。目前多成分药物肠吸收代谢研究正处于初步发展阶段，并未见有关多成分肠吸收代谢算法系统的理论和分析。本研究针对多成分之间相互影响肠吸收代谢而开展其计算方法探索性研究以供交流探讨。

1 多成分药物吸收代谢特点

1.1 相对于单成分药物而言，多成分药物的吸收有3个特点 第一，肠吸收过程中，多成分间存在吸收抑制或促进作用。多成分药物在口服用药时，可能存在共用转运蛋白的竞争。转运蛋白被诱导或抑制从而引起吸收增加或者减少等现象。例如癸酸钠可促进小檗碱在小肠中从黏膜侧向浆膜侧的转运，显著提高小檗碱的小肠吸收[4]。

第二，肠吸收过程中，一些成分会发生肠壁代谢（gut wall metabolism），如果同时存在作用于肠壁细胞代谢酶的成分，就会出现基于代谢酶诱导、抑制等因素引起的多成分吸收变化。此外，一些影响肠道菌群活性的成分可间接激活菌群代谢酶，使其他成分在吸收前快速代谢而不被吸收。

第三，肠吸收过程中，有些成分会对肠道环境产生影响，从而影响其他成分的肠吸收。例如一些成分会引起肠道pH的改变[5]，抑制外排蛋白的功能[6]等。

总之，相对于单成分药物不受其他成分影响，吸收过程只与本身性质以及体内吸收环境有关的吸收特征，多成分药物吸收具有鲜明的特点。因为在多成分环境下，某一成分的存在具有直接或间接影响其他成分吸收的可能性。例如小檗碱、掌叶防己碱、药根碱和黄连碱的肠吸收可被环孢素和维拉帕米所增强[7]。

1.2 相对于单成分药物，多成分药物的代谢具有多种酶和多种成分的交叉作用 多成分药物中某些成分可同时被多种酶代谢，而针对于某一种酶，又有多成分竞争的现象。所以，具体某一成分可发生多种酶在肠吸收过程中并发多种代谢的情况。同时，具体某一种酶可催化多种成分的代谢反应，而出现多成分间代谢竞争，例如黄酮木脂素、水飞蓟素、贯叶金丝桃素、双芹菜苷元等都可抑制CYP3A4的活性[8-9]。此外，某些成分除了酶底物角色外，还具有药酶的抑制或诱导等作用，从而影响到其他成分的代谢。尤其不能忽视的一点是，多成分药物服用后在肠内吸收的过程中，经历的肠道酶代谢、肠道菌群代谢、肠壁细胞代谢的过程也很复杂，各种作用交叉缠绕在一起。

2 多成分药物肠吸收代谢数学模型提出的基础

2.1 药物肠吸收数学算法 1974年的文献中[10]，采用单向灌流肠吸收模型，推导出了首个肠吸收方程。

dCdx=-2πrPeffCQ

C为灌流的药物浓度（单位μmol・L-1）;x为灌流液在肠内具体的位置（单位cm）;r为空肠内径（单位cm）;Peff为有效渗透系数（单位cm・s-1）;Q为灌注速度流量（单位cm3・s-1）。

基于此方程，目前常用动物实验中的关于肠吸收特征参数的公式主要有：

①离体翻转肠囊法肠渗透性表观吸收系数Papp（单位cm・s-1）。

Papp=ΔQΔt2πrL・C0

ΔQΔt为一定时间内肠囊内药物成分质量的变化率（单位nmol・s-1）;L为灌流肠道长度（单位cm）;C0为孵育药液成分初始浓度（单位μmol・L-1）。

②在体单向肠灌流法肠有效渗透系数Peff[11]（单位cm・s-1）。

Peff，rat=-Q・lnCoutCin2πrL

Cin和Cout分别为流进肠的药物浓度和流出肠的药物浓度（单位μmol・L-1）。

大鼠单向肠灌流法常采用大鼠肠不吸收标记物灌流法和肠灌流重量法对水分吸收及肠吸收算法进行校正，可以相对准确的评价实际肠道吸收情况[12-14]。

③肠吸收速率常数Ka，rat，gra。

Ka，rat，gra=1-CoutCinQV

V为体积：πr2L。

2.2 药物肠代谢数学算法 药物肠代谢相比于肝代谢研究较少，肠道代谢模型通常分为体内和体外模型。在1982年文献中首次对肠代谢体内和体外模型的算法及关系进行了研究和讨论[15]。

①对于体内模型

Eg=1-AUCpoAUCpv[16]

Eg为药物肠提取率（%）;AUCpo，AUCpv分别为药物在t时间段内通过口服给药和门静脉灌流的药物随时间减少状态下的药时曲线下面积。

②对于体外模型

Eg=ClintfuQ+Clintfu

Clint=VmaxKm

Q为肠黏膜血流速（单位mL・min-1・kg-1b.w）;fu为未与血液结合的药物成分比例;Vmax为单位质量肠的最大代谢速率（单位nmol・min-1・g-1i.w）;Clint为内在清除率（单位mL・min-1・kg-1b.w）;Km为米氏常数（单位μmol・L-1）。

药物肠代谢由于测定的难度较大，对于这部分的算法还有待于进一步研究。

3 多成分药物肠吸收代谢数学算法

目前对中药的肠吸收代谢研究主要针对其中已知的有效成分。影响药物肠吸收代谢的主要因素为药物流经肠道的流速、药物的浓度、流经时间等[17]。成分浓度梯度变化受到胃排空速率、肠道内流体速率、药物肠吸收速率及药物随肠道扩散程度等多种因素影响。在这些点上，无论是在多成分环境下，还是在单成分环境下，并无本质上的区别。

在多成分环境下，可以借鉴现有的数学模型对某一成分的肠吸收代谢过程进行定量评估。无论是单成分还是多成分药物，经过肠道的吸收代谢后，药物成分浓度都会发生改变，且浓度的改变同样可以反映药物成分肠吸收代谢的情况和程度。因此，目前在单成分肠吸收代谢研究中应用较多的实验方法和技术，也可以借鉴应用到多成分药物的研究中。但是，多成分药物有着完全不同于单成分药物的肠吸收代谢特点，多成分药物中的每种成分都处在多成分环境中，成分间存在着复杂的相互作用，每种成分的吸收代谢都受到其他成分直接或间接的影响。现有的算法中，并没有体现出由多成分环境引起的变化，若仅通过某些单体成分的吸收代谢数学特征来阐明多成分药物的吸收代谢情况，就忽略了其他成分产生的影响，则不能客观真实地反映多成分药物在体内的吸收代谢特点。因此，现有的数学模型在多成分肠吸收代谢的应用中存在明显的局限性。

基于多成分药物吸收代谢不同于单成分化药的特点分析，以及对已有肠吸收代谢算法的借鉴和拓展，作者团队在多成分药物肠吸收代谢数学算法模型方面提出新的方法。

3.1 多成分环境肠吸收代谢模型的建立 本问题建立的原型见图1。

图中4个系数Pblood，Plumen，Pmeta和Preflux分别代表了药物血吸收能力、肠吸收能力、肠壁细胞代谢能力和肠壁细胞外排能力。

从化学成分的流向而言，包括了三室，分别为肠道室、血液室和肠壁细胞室，见图2，按照药代动力学原理，可以建立三室模型。

图1 药物肠吸收过程原型

Fig.1 The archetype of intestinal absorption of drug

图2 药物在肠道流经的三室模型示意图

Fig.2 The schematic of three-compartment model of drug flowing through the gut

3.2 多成分环境下肠吸收影响系数（P影响）概念的提出 多成分环境对单成分肠吸收既可能是促进吸收的，也可能是阻碍吸收的，因而有必要引进2个系数，分别为Pother促吸系数和Pother阻吸系数。但对于一套特定的多成分环境而言，对单成分肠吸收的影响在实验之前是不确定的，因此，2个系数从理论上必然是同一个系数，只是表现在数值上的差异。因此，可以将2个系数统称为一个系数，记为P影响。P影响是一个新的概念，建立计算公式的前提是概念明确，且与研究目的相关。为此，本研究定义P影响为多成分环境下某一单成分吸收（Pm肠）相对于其单成分环境（Ps肠）下的吸收相对变化率。因而可以表示为：

P影响=Pm肠-Ps肠Ps肠=Pm肠Ps肠-1

根据肠吸收系数的混合池模型[18]：

Cin，s-Cout，sCout，s=Ps肠2πrLQ

Cin，m-Cout，mCout，m=Pm肠2πrLQ

Cin，（out）为成分出入口浓度（单位nmol・L-1）。

由上述2个公式相除，得：

P影响=Pm肠-Ps肠Ps肠=Pm肠Ps肠-1=Cin，m-Cout，mCout，mCin，s-Cout，sCout，s-1

若P影响>0，则为Pother促吸系数=P影响;若P影响<0，则为Pother阻吸系数=P影响。

多成分环境下肠吸收系数Pm肠，单成分环境下肠吸收系数Ps肠以及影响系数P影响之间的关系为：Pm肠=Ps肠P影响+1。

3.3 多成分环境下肠代谢系数的计算 肠吸收代谢模型见图2，由肠壁细胞向肠道外排的过程对化学成分的含量而言，最终相当于没有进入肠壁细胞，也没有进入血液，因而在测定上比较困难，至少难以在同一套实验体系内完成。因此，建议将这一过程统一考虑为成分在肠道内的流动过程。

基于上述分析，对于本实验体系而言，化学成分的入口只有1个，即肠灌流液的输入，出口涉及3个，一是肠道出口，二是血管出口，三是被肠壁细胞的代谢。根据质量守恒原理，在足够长的单位时间内，1个入口和3个出口的化学成分总量应该相等。因此，可以得到：

T代谢总量=1 000[（Cin，肠-Cout，肠）Q肠-Q血Cout，血]

Q肠为肠灌流流量（单位mL・min-1）;Q血代表血灌流流量（单位mL・min-1）;Cin，（out）为成分出入口浓度（单位nmol・L-1）;T代谢总量表示由肠壁细胞代谢的成分总量;1 000是考虑灌流流量与浓度单位一致性时产生的，当变量取不同单位时，此数值需要进行相应调整。

代谢系数可以理解为在所有成分中被代谢掉的比例。因此，可以得到：

Pmeta=T代谢总量T流入总量=（Cin，肠-Cout，肠）Q肠-Q血Cout，血Cin，肠Q肠

3.4 多成分环境下肠吸收、血吸收和代谢的影响系数 基于双灌流实验法，可以按照与上一部分相同的形式定义多成分环境的影响系数。

①多成分环境对肠吸收的影响：

P肠，影响=Pm肠-Ps肠Ps肠

若P肠，影响>0，则为Pother肠，促吸系数=P肠，影响;若P肠，影响<0，则为Pother肠，阻吸系数=P肠，影响。

②多成分环境对血吸收的影响：

P血，影响=Pm血-Ps血Ps血

若P血，影响>0，则为Pother血，促吸系数=P血，影响;若P血，影响<0，则为Pother血，阻吸系数=P血，影响。

③多成分环境对肠壁细胞代谢的影响：

Pmeta，影响=Pmmeta-PsmetaPsmeta

若Pmeta，影响>0，则为Pothermeta，促吸系数=Pmeta，影响;

若Pmeta，影响<0，则为Pothermeta，阻吸系数=Pmeta，影响。

4 小结与讨论

对于多成分属性的中药口服进入肠道后，药物成分的化学结构、溶解性、渗透性、以及胃肠道生理环境、药物相互作用等这些影响药物吸收代谢的因素就显得更为复杂[19]，这也是目前多成分药物肠吸收及代谢机制研究难度较大的原因，如何定量描述多成分肠吸收代谢情况是亟待解决的问题[20]。虽然已有的肠吸收代谢算法以及实验模型，大部分仍然可以应用于多成分药物中某单一成分的肠吸收代谢研究，但多成分药物有其自身特点，不能将这些理论直接使用在整个多成分体系上，这样不符合实际。

作者团队针对现有单成分吸收代谢算法的不足，在借鉴系统和整体思想[21]的基础上，针对每一研究目标成分，将多成分体系分成研究对象（单一成分）和影响因素（其他多成分整体）两部分，综合评价影响因素对该成分的影响，将多成分环境的影响量化。基于此，本研究设计了多成分药物肠吸收算法及系数P影响，更加准确的评价多成分药物肠吸收代谢情况。

多成分环境下，影响系数（P影响）反映了多成分药物环境对其中某一单成分药物吸收代谢的影响作用及影响强度。通过P影响可以明确在某一特定多成分环境下，各成分对药物肠吸收代谢的贡献作用及程度，复杂体系中药物成分之间的吸收代谢作用联系;定量描述肠道对药物吸收代谢作用的影响;在多成分药物和单成分药物肠吸收代谢之间架起相互联系的桥梁，将药物肠吸收代谢基本方程应用到多成分环境中的同时，突出了多成分药物的特点;简化了多成分药物肠吸收代谢问题。因此P影响可以作为探究多成分药物肠吸收代谢过程的一个重要参数，并有待于进一步研究。

在实际研究中，对于成分明确的多成分药物，例如用于治疗哮喘病的Advair和治疗艾滋病的Combivir[22]，通过控制一定的条件，可以相对容易的测定P影响。但是对于中药多成分复杂体系而言，测定未知成分仍旧相当有难度，故P影响的测定值应该将具有标准品的已知中药成分作为研究目标，将其他成分包括未知成分的总体列入环境影响考察。

P影响的意义和作用在于开创了将具体成分置于总体多成分环境中考察其实际吸收特征的方法，通过单一成分环境的参数与多成分参数的比较而评价影响因素的大小。P影响反映出肠吸收代谢情况的变化，可以作为设定给药途径、选择剂型及调整处方组成的重要依据[23]，可以从控制药物溶出的部位、速度以及药物在吸收部位的停留时间等角度，提高制剂的生物利用度，有利于新药设计和剂型的改进[24]。P影响作为体内生物效应研究的重要参数，可以验证中药开展生物药剂学分类系统中用体外渗透性比较研究代替体内生物等效性研究[25]的可行性，为中药开展生物药剂学分类系统研究提供论证依据。

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Design and analyze mathematical algorithms of intestinal

absorption and metabolism of multicomponent drug

DONG Ling， XIANG Jia-mei， WANG Yun*， WU Rui-guang， TANG Ming-min， SUN Mo-han

（Beijing University of Chinese Medicine， Beijing 100102， China）

[Abstract] Evaluation of the permeability mainly focuses on intestinal absorption in biopharmaceutics xlassification aystem （BCS）. It is more complicated that the absorption and metabolism under multicomponent environment in biopharmaceutics classification system of Chinese materia medica （CMMBCS） compared with single component environment， which needs suitable mathematical models to be described. Therefore， with full consideration of existing single component mathematical algorithm combining with the characteristics of intestinal absorption and metabolism， we explored and designed a new mathematical algorithm of intestinal absorption and metabolism of multicomponent drug. Then we put forward a new coefficient，Pinfluence， the relative change rate of the single component′s intestinal absorption and metabolism under multicomponent environment compared with single component environment， which described the influences of intestinal absorption and metabolism of the component under multicomponent environment. Moreover，Pinfluence highlights the distinctive characteristics of multicomponent drug′s intestinal absorption and metabolism， and lays the foundation for the construction of CMMBCS.

[Key words] biopharmaceutics classification system of Chinese materia medica; multicomponent drug; mathematical algorithms; intestinal absorption and metabolism; permeability coefficient

doi：10.4268/cjcmm20142302