皮肤药代动力学(药物代谢动力学)

药代动力学(pharmacokinetics,又称药物代谢动力学,简称药动学)是一门研究药物进入体内后,机体对药物的处置过程的科学,研究内容包括:用动力学原理,研究药物在体内的吸收、分布、代谢和排泄的过程,并用数学模型和公式定量地表述随着时间的推移药物在血液、组织、细胞内的浓度变化,以及其变化速度、因素、产物及转归。

药物的吸收、分布和排泄过程总称为运转过程,药物在该过程发生量的变化;药物的代谢过程即生物转化,药物在此过程发生质的变化。

新药研究和临床治疗学都根据药代动力学研究结果来决定和制订药物的给药途径、制剂、剂型,以及治疗的剂量、方案和疗程。药代动力学行为决定着药效动力学的药理浓度、出现和维持时间、量一效关系、毒性和安全等要素,因而两者密不可分。

皮肤病治疗药物涉及所有的给药途径,凡系统给药的体内过程都遵循上述规律。本节重点讨论以皮肤为靶位的局部用药的药代动力学问题,即:以皮肤器官代替机体,研究皮肤对药物如何处置。相比而言,虽然系统给药与局部给药都包含吸收、分布、代谢、转归四个步骤,但研究内容、方法和规律却大不相同。皮肤最表层的角质层厚度10~20 μm,其下的表皮厚度50-100 μm、真皮厚度1 000-2 000 μm和皮下组织厚度1 000~2 000 μm。与经皮吸收有关的屏障功能,是由其中最薄的、无生命的角质层来承担的。

角质层由角质细胞和细胞间脂质组成。角质细胞是角质形成细胞在角化过程中的终末分化的残余物,细胞器和胞质均已消退,细胞内剩余的蛋白成分重新构建成不溶解的束状角蛋白,外围有交叉连接的稳定蛋白和共价连接的脂质形成的细胞被膜。角质细胞厚0.5 μm,直径约40 μm,相邻细胞交错重叠,增加了相互的黏合作用,而细胞间脂质则构成了表皮中惟一连续的区域。角质层并非均一结构,大约有15层,上层为分离层,3~5层,处于脱屑状态;下层为致密层,较厚,紧密且规则,与下方的活性表皮结构相近,含水量相对高。不同层次分别处于角质形成细胞和细胞间脂质成熟的不同阶段。在角质层致密层和终末分化的角质形成细胞之间存在一个快速转变的过渡层区,在这里,角质形成细胞的组成发生了巨变,核酸发生水解和分解,蛋白和磷脂的化学基团减少,结合的水分子锐减,这些变化持续延伸,直至细胞进入角质层。

角质层下是复层的表皮,由10-20层处于角化过程中的表皮细胞构成;此外还有黑素细胞、朗格汉斯细胞、梅克尔细胞、神经纤维等;在病理状态下,T细胞和中性粒细胞等能浸润到表皮中来。表皮中没有血管系统,角质形成细胞是通过细胞间液的被动扩散作用获得所需的营养。离子、细胞因子等通过细胞间液进行代谢,液体最终回流人淋巴系统。在表皮中,桥粒以及一些黏附结构对大分子物质的细胞间扩散是一种障碍,但是小分子扩散则相对自由。

真皮中的血管网主要分成表层血管丛和深层血管丛,毛细血管床广泛分布,向真皮、皮肤附属器输送营养及有关物质,并在真皮乳头部与表皮接触。皮肤血循环参与了皮肤的代谢、营养摄取和药物的体内分布。淋巴系统亦属皮肤循环的一部分,平衡着真皮中组织液的压力,也是细胞外清除蛋白的通路。到达皮肤血管系统的化合物将扩散到系统大循环中。

汗腺、毛囊、皮脂腺等皮肤附属器穿透表皮和角质层,起着体温调节和护肤功能,并使角质层出现了不连贯的位点。尽管附属器占有面积尚不到皮肤表面的0.1%,但仍然是经皮吸收不可忽略的途径之一。

此外,不同部位的皮肤特性也各不相同,例如头皮部位毛囊数量众多而掌部稀少;掌跖部角质层较厚而面部皮肤相对薄嫩;皮肤表面实际上并不平滑而呈细微皱纹状。因此,皮肤结构及各部位的区别对皮肤的经皮吸收会有影响,局部用药并不能很均匀地覆盖其上。

吸收

经皮吸收(percutaneous absorption)是个总术语,描述化合物穿透皮肤的过程,但没有表明化合物的转归。该过程可分为三步:第一步即为穿透(透入、穿入,penetration),指化合物进入特定的皮肤层(如角质层)或结构中,透过角质层是经皮吸收决定性的一步,但不是吸收入体内;第二步为渗透(通透、透过,permeation),指化合物从一层弥散(扩散,diffusion)到另一层,药物经此可能被皮肤有关细胞、组织和成分吸附或结合,是作用于靶位产生药效的部位;第三步称再吸收(resorption),它与吸收(absorption)不同,后者仅表示化合物被摄取的过程,而再吸收才表示药物通过真皮浅层及深层血管——淋巴系统进入循环系统,这在局部外用药治疗中是非期望的一步,因为这一步与局部治疗作用基本无关,而可能与系统不良反应有关。应用经皮释药系统给药时则另当别论,因为该给药方式是借道皮肤,利用皮肤的通透、再吸收功能达到系统治疗目的。吸附(adsorption)则表示化合物与结构(如角蛋白纤丝)的可逆的、非共价的相互作用,是一种状态而非过程;而牢固性(substantivity)指的是不可逆的结合。角质层的形态结构和物理特性构成了物质渗透的分子基础。目前公认的吸收途径有三条,分别是经细胞间隙、经细胞和经附属器。这些途径可同时存在,并不相互排斥。对于低分子量、无电荷的分子来说,主要的渗透途径是通过细胞间脂质,后者是通过角质层的惟一连续通道。因此,对大多数物质(特别是与角质层长期接触的物质),细胞间脂质的渗透途径占主导的地位。

分布

药物经皮穿透在角质层遇到的阻力最大,局部浓度也最高。渗透至表皮上部浓度开始呈非线性陡降。在真皮中下层浓度下降转平或稍上升。

体外透皮试验4小时以后,真皮中下层浓度上升较快,所以体外试验取样时间点不宜在4小时以外,因为离体皮肤不具备药物再吸收的微血管系统。

文献中所建立的溶解一扩散体外模型中,以脂质双层膜为主。非离子物质结合于脂质双层膜一侧的极性基团上,之后扩散通过膜中央的羟基基团区域,随后到达双层膜的另一侧,这一扩散遵循Fick第一和第二定律。

Fick第一定律的公式为:

$$J=-D\frac{\bigtriangleup C}{\triangle \delta }$$

公式中的负号表示物质从较高浓度的区域流向较低浓度的区域;D(cm2/S)代表扩散系数;△C代表浓度梯度;△δ(cm)代表扩散途径的单位长度;J(mol/cm·s)则代表物质每单位长度的扩散通量。这一公式适用于稳态扩散,表述为扩散通量与浓度梯度成正比。决定扩散通量的主要因素为浓度梯度、扩散途径的长度以及扩散系数。

Fick's第二定律则用于预测非稳态扩散,定量的处理非稳态扩散过程需要一个偏微分的方程表示:

$$\frac{\partial c}{\partial t}=D\frac{\partial ^{2}c}{\partial x^{2}}$$

t(s)代表时间,X(cm)代表扩散路径的长度,$\partial$是偏微分符号,$\partial c/\partial t$代表求c对t的偏微分,$\partial ^{2}c/\partial \chi ^{2}$代表求c对$\chi$的二次偏微分。

这个关系式的物理意义表示非稳态情况下的复合变化率正比于浓度梯度的变化率,而不是浓度梯度本身。

化合物的经皮吸收主要由自身的物理化学特性决定,尽管所用的基质在决定扩散通量方面也很重要。一般来说,包括含促渗剂在内的基质对通量的影响不会超出10-20倍的范围;但不同化学基团的化合物对通量的差别的影响则可以很大,因而了解化合物渗透进入角质层的原理更为重要。在化合物结构特性和经皮吸收的关系的研究中,可用模型预测经皮吸收,其结果是主要的理论来源。

扩散化合物的结构特性诸如疏水性、分子量等均决定了其渗透特点。皮肤及人工脂质膜系统对带电离子的渗透性极小,但人工脂质膜对阴离子的选择性较高,阴离子的通量较具有相似分子量及疏水性的阳离子高1 000倍。这可能与人工脂质膜模型(包括脂质体)存在缺陷有关,但是,这些缺陷并没有显著增加一些易渗物质如水、甘油、尿素和短链醇的渗透性。体外脂质双层膜与人体角质层对穿透性较差的物质的穿透存在一些差异,可能是由于皮肤角质层较脂质膜模型多了“小孔”(毛囊和皮脂腺等皮肤附属器)这个途径,小于1 kD的物质可以较自由地通过这些“小孔”,因而角质层对低分子量带电分子的渗透性会高于脂质膜。但这一途径的分布量相对较少,对于不添加促渗剂的外用药物来说,很可能不能将这一途径开发用于经皮吸收,如需要将药物或化合物输送到毛囊和皮脂腺时则另当别论。这些“小孔”在环境或者职业风险评估中并不是重要的考虑因素,除非所接触的物质毒性较大。

代谢

药物代谢即生物转化,其目的是使药物分子极性加大、脂溶性降低,以利体内进一步处理和可由泌尿系统排泄。药物经第一相氧化、还原或水解反应后产生的代谢物,其药理活性可能减弱、消失,也可能被激活而增强,代谢产物性质多不稳定,易与核苷酸和蛋白质共价结合,其产物也是造成细胞坏死、超敏反应、骨髓抑制、胎儿死亡及致癌等严重毒性反应的原因之一;第二相是结合反应,由第一阶段形成的代谢产物进一步代谢,代谢物与葡萄糖醛酸、硫或谷胱甘肽等内源性极性化合物结合,药理活性总是降低,使底物更具亲水性,生成一些易排泄物质,能够经肾脏排泄。

1953年Norden发现豚鼠皮肤外涂苯并芘后在表皮毛囊、皮脂腺中可出现荧光产物,提示皮肤中有代谢发生。皮肤作为肝外代谢器官之一,其中的药物代谢酶对异源性物质及局部外用药物也有类似的代谢过程与结局。这些酶类同时参与控制这些物质的稳态浓度,调节其生物利用度。细胞色素P450酶是皮肤中最重要的酶,其有许多同工酶,CYP1家族参与外源性代谢,CYP2和CYP3家族参与外源性物质和类固醇的代谢,它们在皮肤中通常有少量表达,可诱导其活性的物质也多种多样。在细胞色素P450依赖性单氧化酶参与的代谢下,氧分子中的一个氧原子结合于底物,使底物羟基化,并生成—个水分子。转移酶参与了第二相反应,它在皮肤中的活性可以达到在肝脏中的10%。

皮肤科使用的不少药物,如抗组胺药、抗真菌药、维A酸、环孢素、皮质激素、氨苯砜、氯喹等都是细胞色素P450酶的底物、诱导剂或抑制剂。在研究和开发皮肤病外用药物及研究其药理一毒理特性中,细胞色素P450酶是重要的靶。但它在皮肤组织中的含量和活性比起其他组织通常是较低的,有时仅在选择性药物诱导下才能测到。近年来,采用转基因技术,将所研究的酶的遗传信息进行异源表达,用于鉴定和研究肝外包括皮肤中的药物代谢酶。此外,由于微血管系统向上深入真皮乳头层,距表皮仅50-100μm,皮肤局部代谢空间非常小,在体内检测皮肤代谢时,很难将其与系统代谢完全区分开,这是研究皮肤内药物代谢的瓶颈。体外对比研究显示,由于体外试验所采用的皮肤的代谢活力总是降低的,因而体外研究结果通常是过低估计皮肤代谢的水平。

皮肤内尚有各种水解酶、脂酶等,但缺脱氢酶,因此,正常表皮只能加长必需脂肪酸的链。

转归

尽管皮肤脂质的相容性和亲和力能增加药物在表、真皮中的浓度和储留,以及囊性结构的制剂可减少药物向真皮微血管转移,但理论上进入再吸收的部分总是存在的,药物从真皮微血管经再吸收“离开”皮肤进入循环系统的行为不是排泄而是转归。

一些化合物可在角质层形成“储库”,如果化合物从该“储库”中缓慢释放,那么化合物从透入角质层到达真皮微血管网的时间就不是4小时,而可持续长达1周。

与经皮释药制剂的作用目的和方式不同,皮肤局部用药不是、也不可能针对系统器官,应当把进入循环系统的局部用药放在非治疗作用的、可能引起安全问题的考虑范围内。

药物在真皮下层进入丰富的真皮血管网的同时,亦有可能继续向下扩散进入皮下脂肪,甚至进入深层软组织和肌肉中。在体内,皮肤的血流供应通过竞争性分配可影响药物的系统和局部的去向,而在体外试验,药物则毫无例外地在无血管的封闭系统中向下渗透扩散,这就是两种试验的过程、结果和结论主要差异之一。与此相关的药效学意义要谨慎分析,例如,以局部给药的方式去针对皮肤以外的软组织(如炎症、外伤、疼痛)、脂肪(如减肥)、关节(如关节炎症)的情况实际上只有非常有限的依据,而且只有血液供应能直接(而不是通过大循环)到达,以及药物在靶点内能达到药理浓度才能认可。事实上,无论是动物实验或临床试验,局部用药除了对皮肤和可能对部分邻近软组织受惠外,其他的“药效”或“疗效”是难以通过药效模型的可靠性判断,以及临床药理的诊断标准和疗效标准的关卡的。

应用

经皮吸收试验一般用于测定皮内药物浓度(包括来自皮肤给药或系统给药)以及测定外用药物的生物利用度和生物等效性。皮内浓度数据的意义与系统给药的血药浓度或组织浓度数据一样,在皮肤病药物的研究和应用中不可或缺。

透皮实验分为体外和体内方式。

体外研究:体外经皮试验常用扩散池法。涂于皮肤表面的药量与扩散的量关系不大,而动物的种类,皮肤的选择,皮肤完整性和厚度,实验环境的温度、湿度,扩散液体和药物成分等实验条件的微小改变,对实验结果影响很大。体外试验有很大局限性,其代谢活力与活体皮肤有显著差异,药物经皮运转过程与活体不符,缺乏药物经皮动力学的微血管流通的要素,离体皮肤内及接受液中的透皮药量对皮内浓度的定量没有意义,动物皮肤与人皮肤透皮率相差也大。但对研究同一结构、特定药效,为定量比较不同制剂、处方或剂型的透皮行为而用动物皮肤进行体外透皮试验,在皮肤屏障功能方面与人的相对差异的影响就较小了。因此,体外方法适用于定性及制剂透皮率的相对比较。基于屏障在角质层的原理,体外经皮吸收试验可为体内研究作预测。遗憾的是,它的应用和作用通常被夸大了。

体内研究:在体内经皮吸收的研究中,最需要的是直接测定化合物在活体皮肤中的浓度。但因药物经皮吸收的量很少,通常需要使用微量测定方法;又因从涂药表面到真皮毛细血管网的距离和空间很小,如何取样是个问题;更实际的问题是如何无创性连续取样,以及方法学本身符合伦理学要求,这些都是前提条件。没有时间一浓度数据,皮肤药物动力学研究就成空话,并使皮肤药效学、毒理学和治疗学研究缺乏定量、动态依据。至于在循环系统或排泄物中测定经皮吸收药物或其代谢产物的意义,这对局部用药来说已越出了以皮肤为靶器官的研究范围,进入系统安全性评价领域了。为了避免人体试验,体内经皮吸收试验常在实验动物皮肤上进行。但大多数动物的皮肤屏障性能较人低,所得资料与人类的相关性有距离。文献报道使用过的动物包括家兔、豚鼠、小鼠、大鼠、田鼠、恒河猴等,实际上最接近人皮肤的动物是刚断奶的乳猪(minipig)。

通常的取样方法是切下皮肤、制备匀浆。近年来利用微渗析技术在动物及在人体皮内开展微创、连续取样来定量研究药物经皮吸收,即将微渗析探针植入真皮中,模拟小血管壁发生物质的被动扩散。这一方法可检测真皮细胞间隙中化合物的浓度,用于测定体内内源性和外源性小分子或亲水性化合物,缺点是回收率较低。

影响因素

经皮吸收过程亦可通过各种措施加以调节:例如,为了穿透角质层,选用最适赋形剂成分,可使药物在基质中达到最大的溶解,并促使药物易于从基质中释出,但药物中的挥发性成分可明显影响其透皮量。用促透剂及物理方法可增加药物穿透,促渗剂的原理是可逆性地减弱皮肤屏障,从而促进经皮吸收;当小的直流电施于皮肤时,小的带电离子进入毛囊的量增加,而中性分子则相反;超声导致细胞间脂质的结构发生改变,从而降低了屏障作用,甚至大分子量的分子也可以进入皮肤;以亲脂性成分促使药物与皮肤组织结合以增加药物皮内浓度及减少再吸收等。

尽管有很多因素影响到药物在皮肤组织中的生物利用度和浓度,但个体间存在的差异仍相对较小,较之口服吸收更是微乎其微。角质层的完整程度、不同部位皮肤可产生差异。老年人皮肤的屏障功能会稍微增强,而早产儿(<38周)则屏障作用很弱。总体来说,不管环境条件、性别和种族背景怎样,皮肤屏障的特点基本是保持不变的。

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