SCI TRANSL MED | 空间代谢组学探究利福平或利福喷丁在兔结核病模型中的药代动力学

2022-06-29 07:49:40, 多层组学定制服务上海欧易生物医学科技有限公司

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前言

肺结核是一种常见的呼吸道慢性传染疾病，主要是由结核分枝杆菌（Mtb）感染造成的，由于其可以通过呼吸传播，传播性较高，已经成为威胁公共健康的传染疾病之一。患者一旦患病，由于病情传播的特殊性，在治疗过程中需要谨慎对待，尤其是针对病情较重的患者，如其不能得到及时治疗，极有可能造成死亡。

Science Translational Medicine上发表了题为“Pharmacokinetics of rifapentine and rifampin in a rabbit model of tuberculosis and correlation with clinical trial data”（IF:17.956）的研究成果，本研究开发了一种结核病的兔子模型，在单剂量或多剂量的利福平或利福喷丁产生人类等效的血浆暴露后，在给药后的不同时间点处死兔子，然后利用空间代谢组学、LC-MS/MS和PET-CT等技术测量病灶药物的药代动力学和组织药物分布。

研究背景

目前，临床上治疗肺结核的主要方式为药物治疗，常见的药物有利福平、利福喷丁等。药物选择关系治疗效果及安全性，因此作者构建兔子肺结核模型，使用多种方式评估利福平和利福喷丁在感染部位的药代动力学（PK），并将这些结果与临床试验的结果联系起来。

研究思路

研究结果

1.利福平和利福喷丁在兔体内的药物溶解度和半衰期

利福喷丁注射剂量为30mg / kg，30分钟后测量的血浆中利福喷丁峰浓度（C_max）为33 μg/ml，给药后15小时下降至0.87 μg/ml。AUC_0–15为170 μg·h/ml，半衰期（T）为4小时。相比之下，成年结核病患者利福喷定剂量为10、15和20 mg/kg，C_max值分别为15、21和28 μg/ml，AUC_0–24分别为279、387和537μg·h/ml；利福喷丁在人类患者中的T_1/2约为16小时。静脉内单次施用30mg/kg后健康兔肺组织中利福喷丁的浓度在给药后2小时为13μg/g；AUC_0–15为82μg·h/ml，组织T_1/2为6.7小时，利福喷丁在给药15小时后检测不到。

静脉注射单次10 mg/kg剂量的利福平后，血浆C_max为17 μg/ml和AUC_0–6为45μg·h/ml。根据这些数据的PK建模，预计10 mg/kg每天一次的利福平和60 mg/kg每天一次的利福喷丁分成几个较小的剂量，每3或4小时给药一次，可获得与利福平（10 mg/kg）和利福喷丁（10 mg/kg）的临床剂量相似的每日AUCs，以及在兔肺组织中的可量化浓度。

2.优化肺空洞性结核的兔模型

作者使用了两种方法在兔子中产生结核病变，一种是气溶胶感染的兔子用于单剂量实验，另一种是利用支气管镜感染肺结核。对气溶胶和支气管镜感染的兔子的患病肺组织进行大体检查和组织病理学，确定这两种感染途径均为类似人的结核病病理学特征（图1）。

图1 | 肺空洞性结核兔模型中的疾病病变

3.利福平和利福喷丁在兔子肺病变中的渗透性

通过LC-MS/MS对血浆和组织PK的测量表明，单次用药后，利福平和利福喷丁都能很好地渗透到未受影响的肺组织、细胞病变和空洞病变周围的组织中。利福平从肺组织中清除的速度似乎比从血浆中的慢，而利福喷丁从组织病变中的清除速率与从血浆中的相似。利福平和利福喷丁在坏死病变中心和空腔积液中的浓度都低于健康肺组织或细胞病变中的浓度，特别是在用药后的第一个小时。用药2小时后，空腔积液中的利福平浓度是细胞病变的一半。单次用药后3小时和6小时，利福喷丁在空腔病例中的浓度分别是细胞病变和空腔壁的4-4.2倍和5.4-5.7倍，图2（A至C）显示了单剂量利福平或利福喷丁后的组织-血浆药物浓度比。

多次用药后，所有病变类型的利福平在用药后2小时的浓度都高于单次用药的浓度（P < 0.01）。到用药后12小时，所有病变类型的利福平浓度与用药后2小时的浓度相比都有所下降（P < 0.02），只有空腔病例的用药后12小时浓度明显高于用药后2小时的浓度（P < 0.05）。对于利福喷丁，在多次用药后，用药后2小时的浓度没有明显高于单次用药后2至3小时的浓度。在用药后2至12小时内，腔内酪蛋白中的利福喷丁增加（P > 0.05），而其他肺组织病变中的利福喷丁减少（P < 0.02）。在最后一次服用利福平或利福喷丁的多剂量后2小时，利福平的细胞病变与血浆比率、腔壁与血浆比率和腔内病例与血浆比率，与利福喷丁相比，分别高出2倍、2.2倍和6.4倍（P = 0.0002、0.0001和0.03）。同样，对于利福平来说，用药12小时后的组织-血浆比率高于利福喷丁。值得注意的是，利福平的腔体-血浆比是利福喷丁的22倍（P < 0.0005至0.03）（图2E）。

图2 | 兔结核病模型治疗后组织血浆药物浓度比

4.将兔子腔肠结核模型中的药物PK与临床试验数据联和分析

来自利福平和利福喷丁单次和多次给药实验的所有血浆、组织和腔内PK值都被纳入PK模型。对于利福平来说，所有病变类型（细胞病变、组织周围病变、空腔干酪和腔壁）的渗透系数（组织中药物与血浆的比率）接近1.0（表1）。对于利福喷丁来说，细胞病变、病变周围组织和腔壁的渗透系数也接近1.0，而对于腔内病例，渗透系数为0.25（表1）。在未受影响的肺组织中，利福平和利福喷丁的组织-血浆比约为0.7-0.8。

作者利用之前开发的用于接受利福喷丁剂量为10-20 mg/kg的结核病患者临床试验的PK-药效学（PK/PD）暴露-反应模型，在这些模型中用病变部位PK代替结核病患者血浆PK（假设病变部位药物浓度为大肺腔患者血浆浓度的25%）。从目标函数值的大幅下降可以看出这样提高了模型适合数据的可能性，导致作用部位暴露与痰液培养转换之间存在高度相关性。估计的作用AUC₅₀为207 μg·h/ml。

表1 | 利福平和利福喷丁渗透到兔结核病变和健康肺组织中

5.通过空间代谢组学和PET-CT成像显示利福平和利福喷丁的空间分布

空间代谢组学的结果与LC-MS/MS的结果一致（图3、4）。在单次使用利福平或利福喷丁后，与细胞病变相比，空腔内的药物浓度较低（图3）。在多次用药，2小时后的时间点上，利福平高度定位在空腔病变的细胞区，对酪膜的渗透有限（图4A）。到了用药后12小时的时间点，利福平已经成功地穿透了整个病灶（图4A）。单次或多次用药后，利福喷丁的组织分布相似，在腔壁和细胞病变区观察到的药物浓度最高（图3、4B）。H&E染色被用来验证病变活检的组织病理学，并证实了大体检查结果（图3、4）。

为了研究无创正电子发射断层扫描（PET）-CT成像是否能提供与空间代谢组学和LC-MS/MS类似的药物分布数据，作者使用PET-CT和¹¹C标记的利福平对感染Mtb的兔子的空洞病变进行成像（图5A）。在静脉注射¹¹C-利福平后55分钟，进行动态PET-CT成像（图5B）。¹¹C-利福平迅速而广泛地分布（图5C、D），¹¹C-利福平PET信号均匀地分布在未受影响的肺组织和受感染的肺实质中。与受感染的肺实质相比，空洞性病变中的利福平浓度较低（P < 0.001，图5E）。

图3 | 空间代谢组学分析和单剂量利福平或利福喷丁后兔肺的肉眼病变

图4 | 多剂量利福平或利福喷丁后兔肺空间代谢组学分析和大体病理学

图5 | Mtb感染兔的多发性腔隙病变的¹¹C-利福平PET-CT成像

研究结论

作者开发了一种快速、可预测的兔肺空洞性结核病动物模型。使用这个兔子模型，对利福平和利福喷丁抗生素的病灶PK和PK/PD进行了数学建模。确定了利福平和利福喷丁在渗透到空腔酪膜方面存在差异，空腔酪膜是一种蛋白质和脂质含量丰富、血管不发达的空腔病变区域，其Mtb细菌负荷很高。

作者将这些发现纳入现有的2期临床试验的PK/PD模型中，发现作用部位的PK改善了模型的拟合，并可能有助于解释为什么有大空腔的结核病人似乎没有从利福喷丁中获益，而利福喷丁的剂量对有小空腔或没有空腔的结核病人来说是非常有效的。该模型可以作为一种工具，通过预测药物在Mtb的疾病病灶中的分布以及抗结核药物发挥的杀菌作用，帮助优化结核病药物治疗方案。

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本研究开发了一种结核病的兔子模型，在单剂量或多剂量的利福平或利福喷丁产生人类等效的血浆暴露后，在给药后的不同时间点处死兔子，然后利用空间代谢组学、LC-MS/MS和PET-CT等技术测量病灶药物的药代动力学和组织药物分布，很好地解释了利福喷丁的临床表现并不优于利福平是由于利福喷丁对肺空洞性病变的渗透不良造成的。