药物动力学单室血管教学实验设计研究
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摘要：采用抽滤瓶和T型管设计了药物动力学单室模型血管外给药模拟实验的教学仪器，并通过实验数据对所设计的装置进行验证。结果表明所用仪器组装方便，价廉易得，重复性好。由实验数据计算得出的药动学参数与理论值相符合，学生通过实验能够更直观地理解单室模型血管外给药的原理，掌握药动学数据的处理方法及有关参数的计算，取得了良好的教学效果。
关键词：药物动力学；单室模型；血管外给药；模拟实验
药物动力学(简称药动学)是药学院校本科生的必修课之一，主要研究药物在体内的量变规律，为新药筛选、剂型设计、制剂评价及临床合理用药等提供重要的科学依据[1-3]。本课程和高等数学、生理学、药理学等学科在内容上交叉渗透、相互补充，课程内容深奥难懂，因此实验教学显得尤为重要[4]。该课程的实验教学是学生巩固课堂所学理论知识，增加学习兴趣，培养创新意识和提高新药研发能力的必要手段[5-6]。其实验教学的目的是使学生掌握药动学的基本理论，培养实验操作能力和发现问题、解决问题的能力，提高学生的综合素质，为此各高校也在不断探讨该课程的教学改革，适时增加和调整实验教学内容[7-10]。单室模型是药动学隔室模型中最基本的一种模型，即认为药物进入体循环后，迅速分布到全身的组织和器官，并且在血液、体液及组织液之间迅速达到平衡[11]。血管外给药(如口服给药)是常见的给药方式，与血管内给药(如静注和静滴)不同的是它存在一个吸收过程，因此药动学参数的计算更加复杂。为使学生更好地理解隔室模型这一抽象概念，掌握单室模型血管外给药参数的计算方法，本文在前期静脉注射模拟实验的基础上[12]，设计了单室模型血管外给药的模拟实验，可以直观地向学生展示药物在体内的变化过程，通过实验使学生能够掌握有关药动学参数的计算方法。
1仪器与试药
仪器包括：JB-2磁力搅拌器、HL-4蠕动泵、T6紫外可见分光光度计、250mL抽滤瓶、T型管、一次性塑料滴管。药品包括：酚红、1%Na2CO3溶液、0.2mol/LNaOH溶液。
2实验装置
单室模型血管外给药模拟实验的装置如图1所示。图1中，A为抽滤瓶，用于模拟单室模型，里面的水代表血液。B为T型玻璃管，与抽滤瓶的侧口连接，用于模拟排泄途径，T型管的一端为肾排泄途径，另一端为非肾排泄途径。C是一次性塑料滴管，滴管大头朝下倒置，底部用直径0.3mm的针灸针扎一个小孔，将酚红溶液作为模拟药物装入滴管，再将滴管浸入水中并固定于瓶口，保持其开口部分露出水面。通过蠕动泵D将蒸馏水以恒定速度加入抽滤瓶中，通过转子搅拌使液体均匀混合。酚红溶液从滴管的小孔不断进入抽滤瓶，模拟药物从给药部位吸收进入血液循环。随着水的加入，抽滤瓶中的酚红溶液经T型管口流出，表示药物被从体内排泄出去。定时从抽滤瓶中取样，测定酚红浓度，计算血药浓度的有关参数。按设定时间间隔从T型管口的一端收集流出液，测定酚红浓度，计算尿药浓度的有关参数。
3实验方法
3.1标准曲线制备
[13]精密称取酚红100mg，置于1000mL量瓶中，加1%Na2CO3溶液至刻度，配成100μg/mL的储备液。分别吸取0.2mL，1.5mL，2.5mL，5.0mL，7.5mL，12.5mL的储备液于50mL量瓶中，加水至刻度，摇匀，配成系列标准溶液。精密吸取0.5mL系列标准溶液，加0.2mol/LNaOH溶液5mL，混匀，于紫外分光光度计555nm处测定酚红的吸收度(空白液为0.2mol/LNaOH溶液)。以浓度C对吸收度A进行线性回归，得标准曲线方程为：A=0.0178C+0.0004(R2=0.9999)。
3.2实验操作
按图1组装好仪器，置于磁力搅拌器上，开启蠕动泵，以大约7mL/min的流速将蒸馏水泵入抽滤瓶，转子搅拌，至进入抽滤瓶的水量与从T型管排出的水量相等，达到动态平衡。然后用注射器从滴管口加入3mg/mL酚红溶液3mL，将滴管迅速放置到抽滤瓶内，同时开始计时(此时为0min)。分别在1min，3min，5min，7min，10min，20min，40min，60min，80min，100min，120min，140min，160min，180min从抽滤瓶中吸取溶液0.5mL用于血药浓度测定。自0时起，每间隔20min收集T型管模拟肾排泄一端的流出液，记录体积后，吸取0.5mL用于尿药浓度测定。在0.5mL血药或尿药待测样品中，加入0.2mol/LNaOH溶液5mL，混匀，于紫外分光光度计555nm处测定酚红的吸收度，将结果代入酚红溶液的标准曲线方程，计算相应的药物浓度。
4实验结果
4.1血药浓度数据及药动学参数
从模拟体循环的抽滤瓶中定时取样，测定不同时间血药浓度的结果见图2。图2血药浓度～时间曲线图(n=3)应用残数法[10]计算消除速率常数k、吸收速率常数ka等药动学参数。步骤如下：第一，曲线末段4个点(即120min，140min，160min，180min对应点)的lnC～t数据作线性回归，求得消除相尾段直线的回归方程为lnC=-0.016t+2.934(R2=0.9949)。根据方程斜率得到消除速率常数k=0.016min-1，消除半衰期t1/2=43.31min。第二，将曲线前段即吸收相的4个点的时间(1min，3min，5min，7min)代入上述消除相尾段直线的回归方程，求得该时间点在尾段直线外推线上的血药浓度值。用外推线上的血药浓度值减去同一时间点的实测血药浓度值，得到残数浓度值，即C残数=C外推—C实测。第三，根据lnC残数～t数据作线性回归，得到残数线的回归方程为lnC残数=-0.238t+3.000(R2=0.9933)。由方程斜率得到吸收速率常数ka=0.238min-1，吸收半衰期t1/2(a)=2.91min。
4.2尿药浓度数据及药动学参数
从模拟肾排泄的T型管一端定时收集药液，测定不同间隔时间Δt的尿药浓度，乘以对应时间收集尿液的体积，得到肾排泄药物量ΔXu，则ΔXu/Δt为集尿时间间隔内的平均肾排泄速率。集尿期中点的时间tc=(ti+ti+1)/2(i为取样时间点)，根据(ΔXu/Δt)～tc数据作图，得到不同时间的尿排泄速率曲线图，见图3。对图3中消除相末段4个点(即110min，130min，150min，170min对应点)的ln(ΔXu/Δt)～tc数据作线性回归，得直线方程ln(ΔXu/Δt)=-0.017tc+5.031(R2=0.9907)。根据方程斜率得到消除速率常数k=0.017min-1，消除半衰期t1/2=40.76min。由4.1和4.2结果可见，分别从血药浓度数据和尿药浓度数据计算得到的消除速率常数k和消除半衰期t1/2非常接近，说明本实验使用的单室模型血管外给药的模拟装置设计合理，结果可靠，达到了良好的模拟效果。此外，本装置无须特殊定制，使用的仪器如抽滤瓶、T型管、塑料滴管等均为常用仪器，种类繁多，价廉易得，便于实验课教学使用。
5讨论
第一，血管外给药有一个吸收过程，即药物从给药部位释放，透过生物膜进入血循环。本实验设计之初使用透析袋装载药物溶液，模拟药物透膜吸收，但透析袋的孔径太小，药物透膜速度很慢，实验需要时间过长，不适合在实验课教学中使用。此后改为使用密封塑料袋装载药物溶液，在袋上扎一小孔，可以加速药物释放，但将塑料袋放入抽滤瓶后容易受到挤压，导致药物溶液流出，影响实验结果。最终本实验使用塑料滴管装载药物溶液，在滴管底部用细针(如针灸针)扎孔，既可以缩短实验时间，又能保证放置过程中药物溶液不被挤出，实验结果准确，实验过程具有可重复性。需要注意的是针孔要尽可能小，否则药物释放太快，来不及测定吸收相浓度；不要将滴管固定在靠近抽滤瓶侧口的位置，以免因搅拌不均匀影响药物浓度测定。第二，抽滤瓶的侧口处连接T型管，模拟药物的肾排泄和非肾排泄。调整T型管两端的高度，可以调节溶液流出的速度，模拟不同的排泄状态。当T型管两端高度相等时，溶液从两端的流出速度相同，可以模拟肾排泄速度和非肾排泄速度相等的情况；当T型管的一端稍高于另一端时，则溶液从一端流出速度较快，可以模拟肾排泄，而另一端流出速度较慢，可以模拟非肾排泄；当T型管一端显著高于另一端时，则只有一侧管有液体流出，另一侧管无液体流出，可以模拟只有肾排泄，没有非肾排泄的情况(如本实验即为这种情况)。第三，血药浓度测定的取样时间需要合理设计。在达峰前的吸收相，取样频率应较为密集，取样间隔应较短，以避免错过峰浓度，并能够获得足够数据便于用残数法计算吸收速率常数ka；在药物达到峰浓度后的消除相，取样间隔可以适当延长。应保证有足够长的实验时间，让大部分药物都能消除，保证利用药时曲线末段数据求得的消除速率常数k的准确性。第四，残数法又称削去法或剩余法。当血药浓度—时间曲线由多项指数式表示时，均可采用残数法求出各指数项的参数，这在单室模型血管外给药和双室模型中应用普遍。有文献记载还可用其他方法进行计算，如基于正弦余弦算法、利用MatLab软件编程等求算口服给药的药动学参数[14-15]。在实验课教学中，教师可以对学习能力强的学生加以引导，使他们在掌握课本知识的基础上，查阅文献，探寻新的药动学参数计算方法，培养学生的创新能力，为以后从事相关的临床药学实践工作和科研工作奠定坚实的基础。
作者：赵凯悦 张哲铭 何朝星 王晓晖 杜青 单位：河北医科大学药学院