新一代生理药代动力学模型：基于体外至体内定量外推预测顺铂诱导人肾毒性的突破性研究

《Toxicology》：A next generation physiologically-based kinetic model for quantitative in vitro to in vivo extrapolation of cisplatin-induced nephrotoxicity in humans

本研究针对动物实验难以准确预测人肾毒性的问题，开发了包含有机阳离子转运体2(OCT2)介导主动分泌的新一代生理药代动力学(PBK)模型。通过定量体外至体内外推(QIVIVE)技术，首次实现仅利用体外细胞毒性数据和计算机模拟参数成功预测顺铂的人体肾毒性剂量(BMDL30为23.1-65 mg/m2)，为药物安全性评估提供了创新方法。

　　

肾脏作为人体重要的排泄器官，特别容易受到化学物质诱导的毒性损伤，其中近端小管更是肾毒性的主要靶标。这与其在异生素清除中的核心作用密切相关——近端小管上皮细胞极化膜上的转运蛋白能够主动摄取化学物质，导致毒性物质在细胞内异常积累。然而，传统的动物毒性测试在预测人肾毒性方面存在明显不足，部分原因是实验室动物与人类在生理结构、转运蛋白和生物转化酶活性方面存在显著差异。更值得关注的是，使用动物进行人类药物和化学品安全评估还面临伦理担忧以及时间和资金限制。因此，开发能够替代动物实验的新替代方法(NAM)迫在眉睫。

顺铂作为一种广泛使用的化疗药物，其临床应用受到剂量限制性肾毒性的严重制约。这种肾毒性主要归因于顺铂通过有机阳离子转运体2(OCT2)在近端小管细胞中的主动摄取和积累。尽管已有一些生理药代动力学(PBK)模型描述顺铂的药代动力学特征，但这些模型通常假设肾脏清除仅由肾小球滤过介导，忽略了OCT2介导的主动分泌过程，因此难以准确预测顺铂在肾脏组织中的积累及其引发的肾毒性。

为了解决这一关键问题，研究人员开展了一项创新性研究，旨在开发并评估两种形式的人类PBK模型——一种包含标准单室肾脏结构，另一种则包含多室肾脏结构，后者特别整合了OCT2介导的主动分泌过程。这些新开发的新一代PBK模型完全基于体外和计算机模拟获得的药代动力学参数构建，代表了NAM在肾毒性评估领域的重要进展。

研究团队通过系统收集文献中的人类肾脏细胞系体外细胞毒性数据，利用PBK模型辅助的反向剂量测定法进行定量体外至体内外推(QIVIVE)，预测顺铂在人体中引发肾毒性的静脉给药剂量。特别值得关注的是，研究人员还采用了三种不同的剂量指标进行外推：将名义浓度等同于肾脏血液最大浓度、将细胞最大浓度(C_max,cell)等同于近端小管最大浓度、以及将细胞浓度-时间曲线下面积(AUC_cell)等同于近端小管浓度-时间曲线下面积。

在技术方法方面，研究主要基于生理药代动力学模型构建、体外细胞毒性数据整合、定量体外至体内外推技术以及基准剂量分析。模型参数完全来源于体外实验和计算机模拟数据，包括组织容积、血流速率、分配系数等生理参数，以及OCT2介导转运的米氏常数(K_m)和最大速率(V_max)等动力学参数。

模型评估

通过比较模型预测与文献报道的人体实测血浆浓度数据，研究发现包含复杂肾脏结构的PBK模型能够更准确地预测顺铂的时间-浓度曲线。在24小时观察期内，复杂肾脏模型预测的血浆浓度基本落在实验数据的2倍偏差范围内，而简单肾脏模型预测的清除速率明显慢于实验观察值。敏感性分析进一步表明，血浆中未结合分数和血浆比率(BPR)是影响模型预测的最敏感参数。这些结果证实了包含近端小管室和OCT2介导主动转运的复杂肾脏结构对于准确预测顺铂药代动力学特征的必要性。

体外细胞毒性研究

研究收集了多种人类肾脏细胞系的顺铂细胞毒性浓度-反应关系数据，发现名义半数效应浓度(EC₅₀)存在显著变异(6至700 μM)。这种变异性不能完全由细胞类型或检测方法解释，但较长的暴露时间似乎与较高的体外细胞毒性效力相关。为了更准确地进行QIVIVE，研究人员采用三室模型将名义浓度转换为细胞最大浓度和细胞浓度-时间曲线下面积，为后续的体内剂量预测提供了更可靠的剂量指标。

体内肾毒性剂量预测

通过PBK模型辅助的QIVIVE，研究成功预测了顺铂在人体中引发肾毒性的剂量-反应关系。基准剂量分析显示，基于不同外推方法得到的BMDL₃₀值存在一定差异：将名义浓度等同于肾脏血液最大浓度时，BMDL₃₀为27.6-90 mg/m²；将细胞最大浓度等同于近端小管最大浓度时，BMDL₃₀为3.42-10.3 mg/m²；而将细胞浓度-时间曲线下面积等同于近端小管浓度-时间曲线下面积时，BMDL³⁰为23.1-65 mg/m²。值得注意的是，基于浓度-时间曲线下面积的外推方法预测的剂量水平与临床观察到的50 mg/m²剂量下30%肾毒性发生率最为接近，表明对于顺铂这类累积性毒物，累积暴露量可能是更合适的毒性指标。

研究的讨论部分深入分析了不同剂量指标在QIVIVE中的适用性。对于顺铂这类反应性化合物，基于浓度-时间曲线下面积的剂量指标可能比基于最大浓度的指标更能准确反映其累积毒性特征。同时，研究也指出当前体外细胞毒性数据报告存在标准化不足的问题，名义浓度作为剂量指标存在局限性，而细胞浓度可能提供更可靠的毒性评估基础。

这项研究的创新意义在于首次成功开发了包含OCT2介导主动分泌的PBK模型，并证实其在预测顺铂人体肾毒性方面的实用价值。这种基于生理的建模方法不仅提高了药代动力学预测的准确性，还为其他肾脏转运蛋白底物的安全性评估提供了可推广的研究框架。特别是在农药等化学品风险评估领域，这种方法有望为难以通过体内研究获得点位的化学物质提供可靠的毒性预测工具。

未来研究可进一步扩展模型的应用范围，考虑遗传多态性、性别、年龄等个体差异因素，发展人群特异性PBK模型。此外，建立更完善的体外分布模型，准确量化细胞浓度，将有助于提高QIVIVE的预测精度。这项研究为替代动物实验的肾毒性评估新策略奠定了重要基础，推动了毒理学风险评估方法学的创新发展。