打破种属间壁垒:整合多物种药代动力学模型改善人体药代动力学预测

时间:2026年5月25日
来源:CPT: Pharmacometrics & Systems Pharmacology

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准确预测人体药代动力学(PK)对于药物发现中的化合物筛选及确定人体有效剂量至关重要。除清除率(CL)和稳态分布容积(Vss)等关键药代动力学参数外,最大浓度(Cmax)和谷浓度(Ctrough)等暴露量指标的预测对于评价药物疗效和毒性同样不可或缺。然而,用于预

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准确预测人体药代动力学(PK)对于药物发现中的化合物筛选及确定人体有效剂量至关重要。除清除率(CL)和稳态分布容积(Vss)等关键药代动力学参数外,最大浓度(Cmax)和谷浓度(Ctrough)等暴露量指标的预测对于评价药物疗效和毒性同样不可或缺。然而,用于预测进一步决定药代动力学曲线形态的参数(如吸收速率常数(ka)、中央和外周分布容积(Vc、Vp)以及隔室间清除率(Q))的方法仍有待深入探索。因此,本研究旨在改进上述参数的预测,在已发表的药代动力学预测框架基础上进行优化升级。该更新框架采用多物种药代动力学模型,通过引入异速增长(allometric scaling)实现形态决定参数的联合预测,同时保留生物利用度(F)和CL的成熟机制预测方法。研究人员以40种具有已知人体药代动力学特征的小分子化合物为对象,对所构建多物种模型的性能进行了测试,并与文献中 alongside 该数据发表的基准框架进行了对比验证。新预测方法在预测药代动力学曲线及其形态方面的几何平均折叠误差(GMFE)均较基准方法有所降低,这主要归因于Q和24小时浓度(C24h)预测准确性的提高。总体改善主要源于那些在应用基准方法时出现跨物种药代动力学模型结构不一致的化合物。与此同时,该方法对其余化合物的预测性能保持可比水平,使得整合多物种药代动力学模型框架成为人体药代动力学预测的一种有前景的方法,尤其适用于个体物种模型整合存在困难或准确预测谷浓度为优先考量的情况。
该研究发表于《CPT: Pharmacometrics》期刊,聚焦于药物发现早期阶段人体药代动力学(pharmacokinetics, PK)预测的优化问题,特别是针对药时曲线整体形态预测这一尚未被充分探索的领域。

研究背景与现存问题方面,人体药代动力学预测的准确性直接影响人体有效剂量(human efficacious dose, HED)的估算及早期临床试验的设计。尽管清除率(clearance, CL)、生物利用度(bioavailability, F)和稳态分布容积(volume of distribution at steady state, Vss)等关键参数已有成熟预测方法,但决定药时曲线精细形态的参数——包括吸收速率常数(absorption rate constant, ka)、中央和外周分布容积(central and peripheral volume of distribution, Vc、Vp)以及隔室间清除率(intercompartmental clearance, Q)——的预测方法仍显不足。现有预测框架通常采用"先分后合"的两步法:先对各物种分别建立药代动力学模型,再结合为人体预测。该方法存在多重局限:其一,各物种参数估计的不确定性未被充分考虑,可能因采样稀疏、浓度变异性大或生物分析灵敏度不足等因素引入偏倚;其二,不同物种可能采用不同房室模型结构,导致模型整合困难或参数偏倚;其三,个别物种的模型过度简化或过度参数化问题会传递到最终人体预测。此外,既往虽有多物种同时建模的研究,但缺乏针对多种化合物人体剂量预测的系统评估。

研究人员开展的研究内容及结论方面,本研究将整合多物种药代动力学模型嵌入已发表的标准化预测框架,首次对40种新化学实体(new chemical entities, NCEs)进行了系统性评估。该框架保留机制预测方法用于CL和F的预测,同时利用多物种联合建模改善形态相关参数(Q、Vc、Vp、ka)的估计。研究证实,该方法在保持对大多数化合物预测性能可比的基础上,显著改善了因跨物种模型结构不一致而导致预测困难的化合物的药时曲线形态预测,尤其提高了24小时及以后时间点的浓度预测准确性。

研究意义在于:整合多物种模型有效结合了两类方法的优势——机制预测方法对CL和F的准确预测,以及同步物种建模对分布和吸收参数不确定性的降低。该方法为药物开发中关键时点浓度(如Ctrough)的精准预测提供了有力工具,有助于支持更科学的决策制定。

关键技术方法方面,研究采用Phoenix WinNonlin软件(版本8.5.2)进行建模。40种NCEs来自Boehringer Ingelheim公司管线,样本队列涵盖生物药剂学分类系统(Biopharmaceutics Classification System, BCS)I-IV类化合物,分子量250-750 g/mol,血浆蛋白结合率28.4%-99.1%,每化合物至少包含三种临床前物种(通常一种啮齿类和两种非啮齿类)的静脉和口服给药数据。多物种模型采用异速增长原则(Vc和Vp固定指数=1,Q固定指数=0.75)获取跨物种单一参数估计;ka除小型猪外假设跨物种一致;CL和F因种属代谢差异仍按原方法分别预测。模型选择依据Akaike信息准则(AIC)、参数合理性、相对标准误(relative standard error, RSE)及图示检验。预测性能评估采用折叠误差(fold error, FE)、绝对平均折叠误差(absolute average fold error, AAFE)、几何平均折叠误差(GMFE)、中位折叠误差(median fold error, MFE)、2/3/5倍误差范围内预测百分比、偏倚(bias)及决定系数(R²)等指标;曲线形态评估引入经平均浓度(Caverage)归一化的"形态GMFE"(shape GMFE)。

研究结果部分:

模型构建与整体预测性能方面,全部40种NCE的多物种模型均成功收敛,共识别出2个一室、34个二室和4个三室模型(原方法分别为5、34、1个)。大多数参数RSE<50%,仅17个参数RSE>50%,其中10个不参与人体预测。与基准方法相比,多物种方法在24小时曲线GMFE和形态GMFE上呈现中等程度降低。36种化合物的24小时曲线预测质量与原方法相当,但10%的化合物(#10、#21、#25、#33)显示出曲线形态的实质性改善,伴随C24h预测准确性显著提高。

参数层面预测改善方面,Q/F预测取得显著进步:AAFE从9.22降至3.27,GMFE从3.75降至2.56,MFE从2.65降至2.31,2/3/5倍误差范围内预测比例分别从33.3%、51.5%、66.7%提升至47.2%、58.3%、88.9%。C24h的GMFE从3.08降至2.36。ka预测性能相当(GMFE 2.78 vs 2.82)。Vc/Vp联合估计替代原方法中Vss与Vc的差值计算。Cmax、Vss、MRTtot的预测质量总体保持可比。

关键改善案例分析以化合物#21(BI 705564,Bruuton酪氨酸激酶抑制剂)为例:原方法中犬采用一室模型(因二室模型参数不确定性>300%),而猴和大鼠采用二室模型,导致整合时被迫对犬使用高不确定性二室模型;多物种模型能识别犬和猴早期分布相与大鼠的差异,更合理地赋予大鼠数据权重,使Q/F预测误差从4.5倍降至1.8倍,24小时曲线GMFE从2.27降至1.98,形态GMFE从2.73大幅改善至1.28,终末半衰期预测从2.23小时修正为10.4小时(与临床报道的10.1-16.9小时相符)。

讨论部分总结:

研究比较与定位方面,本研究首次系统评估了整合多物种模型在多种NCE人体完整药时曲线预测中的应用。与Dedrick和Wajima等传统全异速增长方法相比,本框架通过保留机制预测方法处理CL和F,对不遵循异速增长原则的消除过程仍能保持准确预测。

主要发现与适用范围方面,多物种模型通过整合跨物种数据、降低参数不确定性,改善了药时曲线形态预测,尤其是Q/F预测的大幅提升和周边分布模式的更准确识别。该方法对晚期浓度时点(C24h、C48h)的预测改善尤为突出,而Cmax预测受Q/F影响较小,因此对以Ctrough为关键疗效/毒性指标的情形特别有价值。四种主要受益化合物(#10、#21、#25、#33)的改善源于:模型结构的正确识别(#10)、Q/F预测改善(#21、#25)或周边分布特征的充分表征(#33)。36种其他化合物的预测质量与原方法相当,少数化合物(#4、#7)略有下降但仍处于预期变异范围内。

模型扩展性与局限性方面,研究纳入了靶点介导药物处置(target-mediated drug disposition, TMDD)和非线性CL等特殊动力学特征的化合物(#15、#39、#40),结果提示该方法可拓展至线性一级动力学以外的情形。然而,ka预测未能改善,这主要归因于临床前制剂与人体临床试验制剂差异所致,而非模型本身缺陷。研究未纳入血浆蛋白未结合分数(fraction unbound, fu)校正——虽然fu校正可能对特定化合物有益,但本研究显示无fu校正时仍可获得满意结果。溶酶体捕获、主动转运等过程也未被机制性纳入。

研究结论翻译如下:

"In conclusion, the integrated multi-species model has demonstrated to be a valuable tool for human PK predictions of NCEs revealing comparable performance to the best available literature benchmark for most compounds and largely improving PK profile-shape predictions for compounds associated with structural modeling challenges and parameter imprecision related to distributional parameters. This approach proved particularly useful when accurate prediction of late concentration time points is a priority or in the case that integration of individual species model-based predictions encounters structural or parameter-related limitations."

整合多物种模型已被证明是新化学实体人体药代动力学预测的宝贵工具,对大多数化合物展现出与现有最佳文献基准可比的性能,并对存在结构建模挑战及分布参数不精确的化合物显著改善了药时曲线形态预测。当晚期浓度时点的准确预测为优先考量,或个体物种模型基础预测的整合遇到结构或参数相关限制时,该方法尤为有用。

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