综述：胎盘药代动力学研究策略进展：从体外实验到计算机模拟

《Frontiers in Pharmacology》：Strategy advancements in placental pharmacokinetics: from in vitro experiments to in silico prediction

本文系统综述了胎盘药代动力学研究的最新策略，重点探讨了细胞单层模型、离体胎盘灌注、器官芯片及基于生理的药代动力学模型等方法的优势、局限性与整合应用。文章强调多模型数据融合是提升胎儿药物暴露风险评估可靠性的关键，为妊娠期安全用药提供了重要的方法论支持。

　　

胎盘药代动力学研究策略进展：从体外实验到计算机模拟

背景

胎盘屏障是调节药物在母体和胎儿循环之间转运的关键界面，也是评估胎儿药物暴露风险的重要组成部分。由于孕妇常被排除在临床试验之外，关于胎盘药物转运的药代动力学数据仍然有限。目前，体外实验和计算机模拟策略是理解药物跨胎盘转运的主要且有效的手段。

方法

本综述系统回顾了各种体外实验方法，包括细胞单层模型、离体胎盘灌注和器官芯片平台，以及基于模型的计算模拟。评估了这些方法的优势、局限性及未来潜在应用。

结果

共识别出7项使用细胞模型的研究、28项采用离体灌注的研究、6项利用胎盘芯片技术的研究以及39项专注于计算机模拟的研究，分别涉及8、34、5和42种药物。抗病毒药、抗生素和阿片类药物是最常研究的药物类型。总体而言，以体外数据作为基线参数和约束条件的计算机模拟显示出更高的预测准确性。整合多模型数据被证明是提高胎盘药代动力学研究精度的可靠策略。

亮点

本综述系统考察了最先进的体外建模方法，包括细胞单层模型、离体胎盘灌注实验、器官芯片平台和模型引导的计算机模拟，并批判性地评价了它们在量化跨胎盘药物转运方面的各自优势和局限性。

基于生理的药代动力学模型模拟药物的吸收、分布、代谢和排泄，是预测妊娠期胎儿药物暴露的有力工具。

整合多模型方法的实施显著增强了母胎药代动力学评估的可靠性，为妊娠期指南更新和临床决策提供了有力证据。

引言

许多孕妇因健康问题需要服用一种或多种药物。妊娠期药物使用呈上升趋势。尽管药物在临床实践中具有治疗意义，但其对母体和胎儿的安全性仍不清楚。母体用药可能影响胎儿，导致发育异常或长期健康问题。因此，胎儿药物暴露和安全性评估已逐渐成为临床药理学的重要课题。

母体用药对胎儿的影响复杂而敏感，需要多方面的评估。合体滋养层及其两个极性质膜——面向母体的微绒毛膜和面向胎儿的基底膜——是人体胎盘中的主要屏障，控制着小溶质的跨胎盘转运。药物的物理化学性质和不同时间点的胎盘功能等关键因素影响着药物在妊娠期跨胎盘屏障的能力。由于胎盘结构的复杂性，评估跨胎盘药物转运是一个长期存在的难题。理解和量化药物通过胎盘的转运可以为评估胎儿药物暴露提供信息。然而，孕妇常常被排除在临床和上市后研究之外，这导致关于妊娠期药物使用的药代动力学数据缺乏，特别是与胎盘药物转运相关的数据。因此，考虑到现有研究证据与真实世界妊娠期用药需求之间的不匹配，胎盘药物转运的药代动力学研究仍然是一项具有挑战性和长期性的工作。

近年来，随着计算机和生物工程技术的进步，胎盘药代动力学研究方法取得了长足发展。除了先前建立的体外方法（如细胞单层模型、离体胎盘灌注实验）外，还出现了一些新的尝试（例如，器官芯片、PBPK模型、计算机模型）。尽管已经尝试了多种方法，包括将PBPK模型与体外和离体数据相结合，但对这些方法的系统评估和协同整合尚未得到充分探索。本综述系统讨论了各种胎盘药物转运方法的演变、应用场景和在药物研究背景下的局限性，并尝试探索这些研究方法的未来方向，旨在为胎盘药代动力学的方法学进步和妊娠期用药风险评估做出贡献。

文献回顾流程

在PubMed上从建库至2025年2月进行了系统的文献检索。两名团队成员独立筛选标题和摘要，任何有争议的发现通过与第三位研究人员讨论解决。研究入选标准是使用细胞单层模型、离体胎盘灌注、器官芯片平台或计算机模拟研究药物跨人类胎盘的转运，并报告相关方法学结果。排除与人类胎盘无关、不涉及药物跨胎盘转运、缺乏原始数据或方法学细节不足的研究。

胎盘药物转运的细胞实验模型

目前的胎盘转运模型包括原代滋养层细胞、滋养层细胞系（BeWo b30、JEG-3、JAR和HTR-8/SVneo）、干细胞衍生系统以及肠Caco-2细胞。根据FDA/ICH指南，BeWo b30和原代滋养层细胞仍然是金标准。

滋养层细胞系

BeWo细胞系是胎盘转运研究的重要体外模型。这些细胞来源于人绒毛膜癌，在cAMP诱导下适当分化后可形成功能性的合体化单层，表现出胎盘屏障的关键特征。合体化的BeWo细胞被用作胎盘屏障的体外模型来研究药物转运动力学，并通过跨上皮电阻测量（≥80 Ω·cm²）验证屏障完整性。

在STB中表达的转运蛋白，包括ABC家族成员（如P-gp、BCRP、MRP）和SLC家族成员（如OCT、OAT），通过外排（例如，P-gp/BCRP/MRP介导的外排至母体循环）和摄取（例如，OCT/OAT介导的物质摄入）机制双向调节胎盘物质交换。BeWo b30细胞是BeWo细胞系的一个亚克隆，表达重要的胎盘转运蛋白，尤其是BCRP和P-gp，并且其化合物通透性模式与离体结果有很好的相关性。研究人员已成功利用该模型初步阐明了包括抗病毒药、阿片类和氟喹诺酮类在内的临床相关化合物的跨胎盘转运。

然而，该模型有明显的局限性。首先，比较转录组学研究显示，所有体外胎盘模型都存在大量差异表达基因。迄今为止，尚无胎盘细胞系能够准确模拟人类胎盘组织。尽管类固醇生成酶如3β-羟基类固醇脱氢酶1型和11β-羟基类固醇脱氢酶2型在体内胎盘高表达且功能活跃，但它们在滋养层细胞系中的表达水平与体内胎盘不同。同样，细胞色素P450酶（包括CYP2C8、CYP2C9、CYP2J2）表达水平很低。其次，胎盘细胞转运蛋白的表达或定位可能随胎盘发育的时间而变化；因此，细胞模型不能完全复制不同妊娠阶段发生的转运蛋白表达的动态变化。未来的研究应聚焦三个关键方向以增强BeWo基胎盘模型的特征：开发整合BeWo细胞与人脐静脉内皮细胞并在生理剪切应力下的微流控共培养系统；应用CRISPR编辑引入疾病特异性突变；通过BeWo-成纤维细胞共培养建立3D类器官模型。这些先进模型需要标准化验证，包括cAMP诱导的合体化、TEER监测和转运蛋白功能测定，以确保监管接受度并提高胎盘药物转运研究的预测准确性。

Caco-2细胞

Caco-2细胞模型广泛用于研究药物通透性。源于人结肠癌细胞，Caco-2细胞分化为极化单层，类似于小肠上皮细胞，并模拟人肠道的屏障功能。在过去的20年中，Caco-2单层模型已成为临床前药物开发的关键工具，特别是用于通透性筛选。Caco-2单层允许研究所有主要的吸收途径，如被动跨细胞和细胞旁扩散以及载体介导的主动和易化转运。

Caco-2细胞形成用于肠道屏障模拟的连续单层屏障，类似地，研究人员已将此特性良好的系统作为胎盘屏障研究的功能替代品，利用其可重复的紧密连接形成和转运特性。Mian等人在Transwell小室中使用汇合的Caco-2单层系统，实验前通过TEER测量确认屏障完整性。这个既定模型作为有效的胎盘屏障替代物，用于表征对乙酰氨基酚的转运并确定跨胎盘屏障的表观通透系数。这种实验方法已被类似地应用于评估各种治疗剂的跨胎盘通透性，包括硝苯地平和万古霉素。

Caco-2细胞作为胎盘转运研究的体外模型的效用受到几个固有的生物学和方法学限制的制约。例如，Caco-2细胞与胎盘上皮细胞之间存在生物学差异，可能导致药物通透性的高估或低估。Caco-2细胞表达在STB中发现的关键外排转运蛋白，包括P-糖蛋白、BCRP和某些MRP，但它们对OCT和OAT等摄取转运蛋白的表达有限。因此，Caco-2细胞适用于研究外排介导的转运，但在模拟胎盘摄取过程方面存在局限性。为了弥合模型与人类胎盘之间的生理学差距，研究人员采用基因工程策略上调关键蛋白表达，并应用生物相似黏液模拟天然黏液屏障。尽管如此，在获得更生理相关的系统受限时，此类模型可提供有价值的初步数据。

原代滋养层细胞

从足月人类胎盘中分离的原代细胞滋养层可在体外自发融合并分化为STB样细胞，用于研究STB的功能和经过多种修饰的胎盘。这些细胞保持了天然的转运蛋白表达谱（例如BCRP和P-gp）和代谢活性，是研究人类胎盘功能最生理相关的体外细胞模型，但不幸的是，CTBs很少用于胎盘屏障相关研究。此外，滋养层干细胞来源于人绒毛CTBs和人类囊胚。这些长期干细胞培养物可能产生CTBs、EVTBs和STB样细胞，其转录组与相应的原代滋养层细胞相似，已成为体外模拟胎盘细胞滋养层的有力工具。鉴于我们研究的主要焦点集中在胎盘屏障功能上，对此方面的全面讨论超出了本研究范围。

胎盘转运的器官实验模型

离体胎盘灌注实验由Maurice Panigel教授于1967年首次提出，并不断改进以解决血管再形成和胎盘耐缺氧等挑战。随着近年研究的扩展，新的胎盘药物转运研究方法已经出现。器官芯片技术整合了微流控和细胞培养，在芯片上复制人体器官微环境，并精确模拟血流、氧气交换和营养输送。

离体胎盘灌注实验

离体胎盘灌注实验是研究外源性物质转运和激素效应的关键离体模型。该模型通过创建模拟人体内生理过程的特定外部条件和灌注系统，来模拟母体与胎儿之间的物质交换。该模型允许研究人员研究外源性物质转运机制、胎儿暴露及相关疾病。此外，该模型还可用于研究与先兆子痫、胎儿生长受限、糖尿病和微生物感染等病症密切相关的生化及生理失衡因素（如炎症和氧化应激）的影响。

离体胎盘灌注实验包括母体和胎儿储液器、胎盘以及模拟具有受控压力和流速的血流的灌注泵。在确认分娩后胎盘完整性完好后，选择胎儿侧小叶上分支最少的明确定义的动脉-静脉对进行插管。该系统仅能保持通畅2-6小时，因此只能进行短期评估，并且回路设计（开放、半封闭或闭环）决定了其生理相关性，范围从首过转运模拟到稳态药代动力学评估。转运过程通过菲克第一定律进行数学描述。我们的综述聚焦于28项近期研究（2015-2025年），这些研究采用离体人类胎盘灌注来研究各种治疗药物的跨胎盘动力学，包括抗病毒药、精神药物和生物制剂。这10年的时间范围是为了考虑方法学进步同时确保数据可比性而选择的。值得注意的是，研究人员明显偏爱双闭环灌注系统，其运行时间显著长于开放回路配置（平均3.6小时 vs. 1.9小时）。这种操作差异证实了双闭环系统更适合稳态药代动力学研究。小分子药物在研究的药物中占主导地位（30/34, 88%），尽管生物制剂/抗体具有临床相关性，但暴露了其关键证据缺口。

此外，离体胎盘灌注模型已成为评估纳米载体跨胎盘行为的关键工具，近期研究表明靶向脂质纳米颗粒在很大程度上局限于母体循环，表现出极少的胎儿转运，这表明其在防止药物意外通过胎盘屏障方面具有效用。补充这些发现的是，对16项灌注研究的综述进一步阐明，纳米颗粒的转运效率关键受物理化学决定因素的控制，特别是亚100纳米尺寸和表面修饰（如PEG化），它们共同调节胎盘摄取动力学。这些见解表明，合理的纳米载体设计是阻断意外胎儿药物暴露的一种有前景的策略。

尽管是非侵入性的，离体胎盘灌注实验受限于人类胎盘组织的有限可用性以及维持严格生理条件（37°C，胎儿动脉压30-60 mmHg，95% O₂/5% CO₂（母体侧），95% N₂/5% CO₂（胎儿侧），氧耗、葡萄糖、乳酸和HCG指标）的需要。此外，胎盘复杂的血管网络使得在离体条件下准确复制血流和物质交换具有挑战性，导致成功率低并限制了其应用。不幸的是，足月胎盘提取物可能无法反映妊娠期间胎盘的演变。

未来的改进应通过实施多插管设计（例如，22个母体插管）来复制生理氧梯度，并通过直接测量确认以维持目标中位氧张力（约50 mmHg）并减少绒毛间隙的缺氧异质性。同时，保持内皮完整性需要实时监测滋养层空泡化（这是一种与胎儿回路渗漏密切相关的组织病理学标志物），并结合通过低压灌注（<60 mmHg）和补充白蛋白的培养基来减少机械应力。关键的是，减轻氧化应激需要方案修改，例如灌注前低温（4°C）和HO-1诱导剂（如血红素）以激活抗氧化途径，脉冲式再氧合以最小化ROS爆发，以及补充抗生素以预防细菌诱导的炎症。此外，应加速胎盘灌注技术的标准化，以确保跨研究中心的数据一致性，促进跨研究验证，并推动更广泛的应用。可以预见，随着持续优化，胎盘灌注实验将在胎盘药代动力学研究中具有重要应用。

器官芯片

器官芯片是一种体外仿生微流控装置，以实际器官尺寸的10^–6至10^–4倍大小复制人体器官的结构和功能。它提供了一个紧密模拟体内细胞环境的模型，使细胞和组织能够生长并完成其生命周期。该设备利用微芯片技术创建微流控细胞培养室，活细胞根据器官生理学组织其中。通过复制多细胞结构、组织界面和血管灌注，它模拟体内器官功能和细胞环境。

基本的器官芯片使用标准软光刻技术制造，将10:1混合的聚二甲基硅氧烷基底和固化剂浇注在SU-8母模上，形成具有精确定义通道的双层或多腔微流控结构。然后将多孔聚酯轨迹蚀刻膜或聚碳酸酯膜夹在微通道之间作为生物屏障，随后通过等离子体键合进行组装并选择性涂覆细胞外基质成分，形成仿生胎盘屏障。

一项全面的文献检索显示，迄今为止，仅在受控的微生理条件下，使用胎盘芯片技术对五种药理活性物质的胎盘药物转运进行了评估和报告，涉及阿片类药物、降糖药、他汀类药物和其他药物。显然，胎盘芯片研究通常使用配对滋养层细胞（BeWo/STB）和内皮细胞（HUVECs/HPVECs）的核心共培养模型来复制母胎屏障。对于他汀类药物（如瑞舒伐他汀）特异性研究，此基础可扩展至复杂的多室系统（3层-7层），包括胎膜细胞（AECs, AMCs, CTCs）和蜕膜细胞（DCs）以模拟组织相互作用。屏障完整性通常通过三方方案验证：免疫染色、FITC-葡聚糖通透性测定和形态学分析，而部分研究辅以TEER测量。在功能上，较简单的双室设计足以进行被动扩散研究，而≥4室配置对于药物代谢研究变得至关重要，允许对他汀类药物衍生代谢物和炎症级联进行重要分析。

三维胎盘芯片模型的发展因微流控设备、商业芯片和3D生物打印技术的可用性而加速。例如，首次将HUVECs和胎盘BeWo细胞以1:3比例共培养在3D Petri Dish?模具上形成球体（微组织），其模拟体内反应比2D系统更接近，主要体现在三个方面：自发自组织成具有HUVECs外周包裹BeWo核心的血管化组织架构，模拟胎盘绒毛；增强的细胞间连接形成（E-钙黏蛋白/ZO-1）和细胞骨架重组产生生理相关的TEER值；通过升高的β-hCG分泌和药物代谢能力证明的卓越功能成熟度，能更准确地预测体内药理反应。Cao等人开发了一种包含葡萄糖转运和hCG分泌的仿生胎盘屏障模型。另一项研究开发了妊娠中期（14周-28周）胎盘模型，为胎盘药物转运提供了宝贵见解。这些方法学进步，当成功应用于跨胎盘药物研究时，有望显著提高未来研究中关于胎儿药物暴露的证据质量。

胎盘芯片技术相较于传统滋养层单层模型具有显著优势，它重建了胎盘屏障的多层结构和血流动力学环境。然而，该模型有几个局限性。首先，当前的微阵列难以复制复杂的整体生理环境，这妨碍了它们模拟系统性疾病的能力。其次，当前的胎盘芯片模型对人类胎盘绒毛结构的代表性较差。另一个限制是，随着3D共培养模型复杂性的增加，进行高分辨率筛选和准确定位组织变得更加困难。因此，未来的胎盘芯片发展必须同时提高生理保真度和微尺度空间分辨率，同时纳入妊娠期变化。关键的进步必须针对以下方面：优化多谱系共培养（滋养层/内皮/基质细胞相互作用）以维持组织相关的细胞多样性；通过纳米图案化表面功能化实现亚10微米空间分辨率；开发整合脱细胞ECM和精密生物打印绒毛结构的分层生物材料；具有反馈控制的气体/内分泌因子输送的可编程微环境平台，实现妊娠期之间的相变建模。在器官芯片技术取得显著进步之后，后续研究工作应优先实施这些系统进行纵向暴露研究和多药相互作用分析，这些分析专门用于描述在胎儿发育关键时期持续给药所致的致畸后果。

胎盘转运的计算机模拟

由于胎盘结构和功能的种间差异，动物研究仍然难以解释。离体人类胎盘小叶灌注是研究药物人类胎盘转运的参考方法，因为它被认为模拟了功能性胎盘组织。然而，它受到胎盘组织有限和实验成功率低的挑战。最近，计算机技术作为验证实验性胎盘转运数据的补充工具得到进一步发展，为在药物设计早期阶段高通量筛选潜在胎儿毒性提供了一种有前景的替代方案。PBPK模型是有前景的计算机模拟工具，可提供对药代动力学的宝贵见解，特别是那些难以在体内评估的药物。其他几种方法也被用于研究胎盘药代动力学。

基于生理的药代动力学

PBPK模型使用数学模拟来描述药物的吸收、分布、代谢和排泄，通过整合解剖学、生理学和药物特异性数据与临床前和临床信息来模拟药代动力学。当应用于特殊人群，如孕妇和新生儿时，PBPK模型纳入器官发育和个体差异。PBPK模型开发的关键组成部分如图所示。开发母胎PBPK模型的一般工作流程如图所示。首先，建立非妊娠PBPK模型，并通过与观察到的体内数据进行比较来验证。一旦非妊娠PBPK模型准确捕捉了药代动力学，所有药物特异性参数被固定。然后纳入妊娠特异性变化（例如，血容量增加、代谢变化、心输出量增加、低血压降低、肾血流量增加以及随孕周的变化）以将模型扩展到妊娠特异性版本，这涉及向27室模型添加妊娠特异性隔室。母胎PBPK模型通过胎盘通透性限制模型连接，该模型细分为母体血液、胎盘组织和胎儿血液隔室。跨胎盘清除率和其他关键参数使用各种方法进行评估，并纳入最终的M-F PBPK模型形成中。此外，根据研究目的，研究人员可选择性地将胎盘药物代谢/外排转运蛋白纳入模型。

M-F PBPK模型于2015年开发，自2020年以来迅速发展。一些研究组在应用PBPK模型预测胎儿药物暴露方面进行了广泛工作，并显示出非常令人鼓舞的结果。在表4中，我们总结了已开发的M-F PBPK模型，涵盖来自39项研究的42种药理活性物质，包括抗病毒药、抗菌药、阿片类药物、抗精神病药、激素、镇痛药、抗高血压药和抗肿瘤药。抗病毒药物在所有M-F PBPK研究中占主导地位（39%），如图5所示，这表明抗病毒药物在治疗HIV/AIDS和乙型肝炎中的使用是一个全球关注的问题。在我们的文献检索过程中，我们发现了一些有趣的研究领域，包括专注于预测母体药物浓度和胎儿环境毒素暴露的PBPK模型。然而，这些主题不是本研究的重点，因此未进一步讨论。

尽管PBPK是一种生理药代动力学模拟，它仍然依赖于数学和机制建模。PBPK模型开发的目标是准确反映体内生理条件。研究已将胎儿肝脏作为一个独立的代谢器官纳入考虑，考虑了胎儿药物未结合分数的缩放，并调整了参数，如胎儿肝脏和肾脏体积以及细胞色素P450酶水平，以模拟胎儿药物代谢和清除。这些努力旨在提高胎儿药物浓度预测的精度。此外，鉴于胎盘的动态发展以及获取早期妊娠样本的挑战，未来的研究应优先考虑妊娠早中期的药物安全性研究，以更好地指导母体用药。进一步探索这些方法对未来的研究至关重要，因为它将为临床决策提供有价值的证据。

计算方法

不同于机制方法，新的数学技术如人工智能和机器学习方法（从回归分析到深度学习和神经网络）最近被用于研究胎盘药代动力学。一项研究使用机器学习根据生物标志物和电子健康数据对高风险孕妇进行分层，为母体疫苗接种和胎盘抗体转运提供个性化免疫的见解。另一项研究使用子宫灌注模型和分子对接探索了有毒物质的胎盘转运。此外，开发了一种使用蒙特卡洛方法优化的定量结构-性质关系模型，用于胎盘药物通透性的高通量筛选。类似地，研究人员使用了特征值分析（一种结合机器学习的手性敏感QSPR方法）来预测胎盘药物转运，专注于手性和立体化学。这些努力凸显了计算方法在增进我们对胎盘药代动力学的理解和增强妊娠期药物安全性方面日益增长的作用。尽管这些技术在预测胎盘药物转运方面的应用尚处于起步阶段，但它们正逐渐成为强大的药代动力学工具。显然，这类新的数学技术具有巨大潜力，可以填补代表性不足人群和临床场景中的知识空白，未来的研究计划应包含这些技术。

讨论

胎盘药代动力学研究药物从母体循环通过胎盘转运至胎儿循环过程中的吸收、分布、代谢和排泄。作为一个选择性屏障和主动转运界面，胎盘在决定胎儿药物暴露方面起着关键作用。理解胎盘药代动力学对于优化妊娠期用药、确保母体疗效同时最小化胎儿风险至关重要。为应对母胎药物转运的复杂性，已开发出一系列实验和计算模型来研究胎盘转运机制并预测胎儿暴露。离体胎盘灌注、器官芯片平台和计算机模拟的最新进展为提高胎儿药物暴露预测的准确性提供了有前景的途径。

胎盘药代动力学模型：特点与应用

当前胎盘药代动力学方法包括细胞模型、器官模型和计算机引导模型，各有其独特特点。单层细胞模型方便快捷，但过度简化了胎盘动力学。离体和器官芯片系统提供了更高的生理相关性，但面临实际限制。计算机模型（如PBPK）允许定量预测但依赖实验数据，凸显了整合方法的必要性。对当前研究的回顾表明，单层细胞模型用于评估胎盘药物通透性和转运蛋白介导的转运，离体和器官芯片系统量化胎儿药物暴露和药代动力学，而PBPK模型支持妊娠期临床给药并预测胎儿药物暴露。

基于对每种方法的比较评估，实际研究中的模型选择应受研究目标、所需生理相关性和可用资源指导。简化的体外系统（如细胞单层或共培养）因其可重复性和效率适用于高通量筛选或初步机制研究。需要生理相关转运动力学的研究受益于离体胎盘灌注或器官芯片模型，这些模型保留了传统体外系统中缺乏的组织结构和流动条件。计算方法，包括PBPK建模，可以通过提供不同场景和物种的定量预测来补充实验数据。仔细地将模型选择与研究目标和实验限制对齐，可增强可靠性和转化价值。

多模型整合：增强预测能力和转化相关性

多模型整合在提高预测准确性和个体风险评估方面具有显著潜力。例如，多项研究表明，将离体