Marina Statelova, René Holm, Nikoletta Fotaki, Christos Reppas, Maria Vertzoni

希腊，雅典国立和卡波迪斯特大学药学系

比利时，强生公司，杨森药物研究与开发药品开发部

丹麦，南丹麦大学，物理化学与和药学系

英国，巴斯大学药学系

陈涛，凡默谷技术部

在药物早期研究阶段，探索比格犬PBPK模型对于评价儿科人群口服给药后体内药物暴露的作用。采用GastroPlus搭建了PBPK模型，用于比格犬数据到婴幼儿和儿童的外推，并对比了比格犬的模拟结果和成人的模拟结果。研究结果表明，空腹和标准餐餐后状态下的比格犬数据对预测扑热息痛和布洛芬这两个模型药物在儿科人群暴露是有帮助的。

虽然近年来儿科药物开发和制剂产品评估取得了较大进步，但适合年龄的预测药物或制剂在儿科人群表现的工具和方法还是尚未确定。由于伦理和受试者招募等情况的限制，儿科药品的开发通常在成人药品临床试验阶段才开始研究的，儿科药品的开发和食物影响的评估主要通过成人制剂的研究和应用于成人的相关研究方案所获得的研究结果以进行外推和指导。但由于生理学差异、临床方案设计差异和饮食差异等，使得健康成年志愿者和婴幼儿/儿童服用相同药物后受食物的影响并不相同。在解决这个临床研究问题之前，成人服用儿科制剂以研究年龄相关的饮食可能引起食物影响，以及在临床前种属(如比格犬)中进行相关研究，可以降低儿科制剂临床研究的风险以及相关成本。

由于犬和人类胃肠道具有相似之处，且相对较容易饲养，因此常在比格犬中开展临床前的生物利用度/食物影响研究，即使两者在生理上存在一定的差异，种属间外推结果的准确性可能难以判断。生理药代动力学(PBPK)建模，可以较好地考虑种属生理差异，以及将相关生物药剂学信息从犬外推至人类。本研究的目的是探索比格犬模型对评估儿科人群口服给药后的体内药物暴露的应用：第一个目标是设计两个儿科药品在不同膳食和给药条件下的对比性生物利用度试验；第二个目标是探索合适的方法以进行PBPK建模，并评估比格犬的研究条件能否外推至儿科人群；第三个目标则是比较基于比格犬的数据和基于成人的研究对考察儿科人群药物暴露的外推能力。

比格犬的PK试验：6只健康雄性比格犬分别静注或口服168 mg扑热息痛；其中口服给药研究中，分别考察了空腹以及餐后状态下的给药PK特征。

PBPK建模：使用GastroPlus v9.7 (Simulations Plus, Lancaster, CA)建立和确认了扑热息痛的PBPK模型，具体流程见下图1：

图1 比格犬生物利用度数据外推至儿科人群的建模流程

第一步：基于比格犬的静脉PK数据建立药物的处置模型

扑热息痛的药物相关以及PK相关参数列举在下表1中。使用PKPlus模块分别计算一房室、二房室模型的参数，并使用更小的AIC和BIC、更大的R²选择相应的处置模型。血浆游离药物分数以及全血/血浆药物浓度比来自软件的预测值，模型的预测表现通过对比比格犬观测值进行评估(基于AFE, AAFE和R²的数值)。

表1 扑热息痛比格犬PBPK模型的输入参数

第二步：搭建和优化口服吸收模型(ACAT)以匹配不同给药条件下的临床前PK研究结果

使用ACAT模型描述药物在胃肠道内的吸收过程；平均沉淀时间、粒子密度、颗粒粒径使用软件的默认数值；扩散系数则使用ADMET Predictor模块预测得到；药物的体内溶出过程使用Johnson模型进行模拟。来自文献报道的溶解度vs. pH曲线用于拟合pKa和溶解因子；pH 1-7.4范围内最低的溶解度作为Reference Solubility；使用生理介质(FaSSGF, FaSSIF, FeSSIF-V2)的溶解度估算胆酸盐增溶因子；使用文献报道的人体有效渗透性(P_eff)数值，并基于GastroPlus内建的公式转为比格犬的Peff；默认的Opt LogD SA/v6.1模型用于计算吸收放大因子(ASF)以反映局部渗透与吸收。使用ACAT的”beagle-fasted physiology”选项表征比格犬的空腹状态，而” beagle-fed physiology”选项则用于模拟比格犬的餐后状态。一些生理参数则根据比格犬的PK观测值进行了调整，包括：i) 基于一级胃排空过程并调整胃排空时间(GTT)，以描述药物在空腹状态下的表现；ii) 基于零级胃排空过程并调整GTT，以反映药物在餐后状态下的表现。

第三步：使用PBPK建模外推至儿科人群

儿科模型是基于此前已搭建和发表的PBPK模型，相应的建模参数可见原文的Supporting Information，并进一步将不同给药方式的比格犬模型外推至目标儿科人群。为了考虑年龄相关的膳食热量并从比格犬的研究外推到不同年龄段的儿科人群，根据以下公式进行热量的转换。最后使用婴幼儿口服扑热息痛的临床数据评估儿科人群口服给药后的模拟效果。

公式1

其中，GTT_pediatrics是计算的GTT输入至儿科人群模型中；Meal caloric content _pediatrics是推荐的不同年龄段的餐后食物热量；Drug GTT _{Beagle, meal}是最终优化后的比格犬口服模型中的相应药物的胃排空时间；Meal caloric content _Beagle是比格犬餐后模型中的食物热量(标准餐为200卡路里，婴儿配方奶为100卡路里)。

表2列举了不同模拟场景以及对应模型参数的调整值，具体的模拟场景、给药方案等信息可参考原文的描述。

表2 扑热息痛在比格犬和婴幼儿餐后模型中GTT的调整数值

模拟预测表现的评估：AUC, C_max和T_max的预测与观测值的误差(FD _pred/obs)被用于评估药物的暴露差异；采用AFE, AAFE的数值评估个体或平均血药浓度-时间曲线的预测表现。如果AFE＜1则表示有低估趋势、AFE＞1则存在高估趋势；而AAFE接近1则表示预测的准确度高。如果FD _pred/obs在2倍误差范围内、AAFE小于2表明模型的预测准确性总体可被接受；而FD _pred/obs和AFE落在0.66到1.5范围内、AAFE小于1.5则认为模型成功建立。

参数敏感性分析：采用单因素分析探索不同建模参数的影响程度，如药物相关参数(溶解度、粒径、沉淀时间等)、生理相关参数(如胃肠液pH，GTT，小肠的转运时间等)、以及临床研究的不确定等。

3.1 比格犬的处置模型

使用二房室可以最好地描述比格犬静脉给药168 mg后的PK行为，采用所获得的清除率等参数进行PBPK建模，所模拟的结果如下图2所示，预测和观测平均PK曲线的AFE为1.060，AAFE为1.104，R²为0.996。

3.2 比格犬的吸收模型

先采用ACAT默认的空腹模型描述比格犬的口服吸收过程，并结合观测的PK特征进行部分参数的调整。对于胃pH预处理降低(服用HCl/KCl)以及不做预处理的给药方案，采用一级胃排空以及GTT设为0.5 h，均可以很好地模拟观测PK结果，模型的AAFE分别为1.349和1.195，预测结果如下图3。

对于两种餐后状态(标准餐和婴儿配方奶)，使用了ACAT的”beagle-fed physiology”模型进行预测，使用零级胃排空并设置GTT为1.5 h，可以较好地反映观测结果，见下图4。

图4 比格犬餐后口服给药168 mg扑热息痛后的观测与模拟的血药浓度-时间曲线(A. 标准餐，B. 婴儿配方奶；黑色点和线为观测均值及其误差线，灰色线为观测的个体PK曲线，紫色线为预测的平均PK曲线)

3.3 外推至儿童人群

基于已报道的扑热息痛PBPK模型初步建立了儿科人群的PBPK模型，然后根据上文中公式1计算儿童人群的GTT，以将比格犬的餐后PBPK模型外推至儿科人群。使用比格犬空腹的GTT可以很好地模拟4个月以及10个月儿科人群空腹给药后的PK结果；基于标准餐的比格犬PBPK模型较好外推至4个月儿科人群，但10个月儿科人群在吸收相稍有低估；基于配方奶的比格犬PBPK模型，预测两个人群的吸收过程稍有延迟。图5为外推结果的评价结果：

图5  4个月(实心点)和10个月(空心点)在空腹(圆圈)、标准餐(正方形)、配方奶(三角形)条件下的预测与观测PK误差分析结果(A. ACU_0-8, C_max, T_max的误差值，B. AFE，C. AAFE；图中紫色实线表示预测和观测值相同，灰色段虚线表示0.66-1.5倍误差范围-PBPK模型预测成功，灰色点虚线表示0.5-2倍误差范围-模拟准确性可被接受)

3.4 参数敏感性分析

模拟结果发现延长GTT会降低药物的吸收速率，使得C_max降低、T_max延长(见下图6)；增加肝脏首过代谢，将导致Cmax和总暴露量降低(见原文的Supporting Information)；此外渗透性降低也将影响人体PBPK模型的预测结果，但比格犬PBPK模型中对渗透性的敏感性降低(见参考文献原文的Supporting Information)。

图6 比格犬不同餐食状态下胃排空时间(GTT)对扑热息痛PK特征的敏感性分析(A. 空腹状态，GTT考察范围为0.1到1 h；B. 标准餐状态，GTT考察范围为0.75到3 h；C. 婴儿配方奶状态，GTT考察范围为0.75到3 h。灰色线为预测血药浓度-时间曲线，从深到浅的颜色表示GTT从小到大的范围；黑色圆点及误差线为PK试验的观测平均血药浓度及标准差)

3.5 比格犬和成人的PK数据外推儿科人群暴露的对比分析

当前研究发现，比格犬和成人空腹PBPK模型均可以较好地外推并预测扑热息痛在空腹儿童人群的PK行为，见下图7。值得注意的是，空腹状态下基于成人数据进行外推稍有吸收延迟的现象。在配方奶的餐食状态下，基于成人数据可以较合理地预测婴儿的体内平均暴露，但比格犬数据则稍有预测偏差。此外，对比结果也提示成人标准餐的数据不能较好地外推相同餐食的儿童PK特征。

图7 基于成人(紫色曲线)和比格犬(蓝色虚线)数据经PBPK建模外推预测扑热息痛在儿科人群PK曲线的结果对比(A-B. 空腹状态，C-D. 标准餐食状态，E-F. 婴儿配方奶餐食；左侧A, C, E为4个月的婴幼儿，右侧B, D, F为10个月的幼儿；黑色圆点及误差线为观测平均值，灰色线为个体的观测值)

在当前的研究中，胃排空时间GTT的数值应理解为制剂的GTT，不是常规的胃排空这一生理参数。表征的是药物制剂在服用后，在胃内溶解与转运过程的时长。

总得来说，当前不同给药条件下的模拟结果和体内观测均值都基本相匹配(婴儿配方奶餐食下，基于比格犬的模型外推至儿童后，对儿童PK的T_max有一些高估现象，也即预测的达峰过程有一定延迟)，并落在观测值的变异范围内。

该案例应用的软件是GastroPlus (version 9.7)，涉及模块有Base, PBPK, Metabolism & Transporter, PKPlus, ADMET Predictor。

Usefulness of the Beagle Model in the Evaluation of Paracetamol and Ibuprofen Exposure after Oral Administration to Pediatric Populations: An Exploratory Study. 

Marina Statelova, Rene Holm, Nikoletta Fotaki, et al., Mol. Pharmaceutics. 2023, 20, 2836-2852.  IF = 4.9