《Antimicrobial Agents and Chemotherapy》：Critical threshold target attainment rates for tazobactam combined with piperacillin among patients admitted to the ICU with hospital-acquired pneumonia
ABSTRACT
优化医院获得性肺炎（HAP）中的抗生素暴露至关重要；然而，给药决策常常忽略β-内酰胺酶抑制剂他唑巴坦（TAZ）的目标水平，并且肾功能不全和肾脏替代治疗对他唑巴坦药代动力学（PK）的影响仍然描述不足。我们利用来自35名HAP ICU患者（包括接受连续性肾脏替代治疗（CRRT）的患者）的162份血浆样本，开发了他唑巴坦的群体PK模型。他唑巴坦浓度使用经过验证的LC-MS/MS方法进行定量。使用Monolix拟合单室模型，其清除率建模为肌酐清除率、CRRT流出液流速和间歇性血液透析的函数。蒙特卡洛模拟评估了在间歇、延长和持续输注（CI）方案下，未结合他唑巴坦浓度在24至48小时间隔内100%的时间超过1、2或4 mg/L的概率（PTA），并按肾功能和CRRT进行分层。他唑巴坦的清除率由肾功能和CRRT流速驱动。所有方案在1-2 mg/L的阈值下均达到≥90%的PTA。在4 mg/L时，对于肌酐清除率≥150 mL/min的患者，所有方案的PTA均降至90%以下，其中低剂量CI方案表现最差。高剂量CI方案在此较高阈值下改善了PTA，但可能增加哌拉西林过度暴露的风险。对于较低的阈值，标准剂量通常能达到足以抑制酶性β-内酰胺酶的他唑巴坦暴露，但对于更激进的目标（例如，高表达的超广谱β-内酰胺酶（ESBL））则不然，特别是在肾功能正常或增强的患者中，这些患者可能需要治疗药物监测（TDM）或替代疗法。
INTRODUCTION
呼吸机相关性肺炎（VAP）患者死亡风险增加。评估广谱β-内酰胺治疗医院获得性肺炎（HAP）和VAP的当代临床试验报告称，在此背景下，超过一半的病原体是革兰阴性肠杆菌。肠杆菌携带的β-内酰胺酶（包括超广谱β-内酰胺酶（ESBLs））可降低一线抗生素治疗（如哌拉西林-他唑巴坦（TZP））与美罗培南相比的有效性。在最近试验中从医院获得性肺炎患者基线收集的肠杆菌分离株中，有30%至45%是产ESBL的。他唑巴坦先前已在体外和体内证明了对β-内酰胺酶酶的浓度和时间依赖性抑制作用。一项体外研究发现，他唑巴坦对ESBL（CTX-M）β-内酰胺酶表现出fT>threshold抑制效应，这增强了与哌拉西林（PIP）联合的杀菌效果。在表达不同水平CTX-M的同基因大肠杆菌菌株中，当未结合他唑巴坦浓度在至少85%的给药间隔内超过2 mg/L的阈值时，与高表达分离株相比实现了2-log杀灭。同样，在中空纤维实验中，当%T>4 mg/L为38%–50%时，他唑巴坦在与PIP联合使用时恢复了对表达TEM-3 β-内酰胺酶的同基因大肠杆菌菌株的杀菌作用。他唑巴坦在评估表达TEM-1 β-内酰胺酶的大肠杆菌的动物模型中也显示出fT>threshold暴露-反应效应。因此，优化他唑巴坦与哌拉西林联合的暴露可能改善由肠杆菌引起的HAP和VAP患者经验性治疗期间的细菌杀灭效果。
虽然医院获得性肺炎的传统说明书剂量基于与氨基糖苷类联合的30分钟间歇输注（II）给药，但当代TZP剂量方案通常作为单药治疗并以延长输注（EI）方案（持续3或4小时）给药。鉴于BLING III试验的结果，持续输注（CI）作为一种优化方法也受到更多关注。与II给药相比，在脓毒症、感染性休克和病情更严重的患者中，β-内酰胺抗生素的延长和持续给药与临床治愈率提高和死亡率降低相关。先前的研究侧重于在EI和CI背景下优化哌拉西林药代动力学（PK）/药效学（PD），但评估β-内酰胺和β-内酰胺酶抑制剂联合目标达成的研究很少。一项研究评估了不同肾功能患者中PIP与TAZ的比率，发现不同肾脏状况下的中位比率从4.8到11.3不等。他们将联合最佳暴露定义为PIP的游离稳态浓度与折点MIC比率≥4，同时TAZ的游离稳态浓度与临界阈值浓度比率≥1，尽管他们的研究中没有结果数据。另一项研究在43名接受CI TZP作为单药治疗的肺炎患者队列中应用了相同的PIP和TAZ联合最佳暴露定义：他们发现联合最佳的PIP和TAZ目标达成减少了微生物学失败（OR, 0.03; 95% CI, 0.003–0.27），而次优暴露在其多变量模型中增加了微生物学失败。鉴于危重患者感染部位PK/PD达成的变异性，以及当TAZ维持在阈值浓度以上时微生物学结果改善的信号，评估高达4 mg/L阈值的100% fT>threshold可能有助于指导临床剂量优化工作。
我们最近开发了危重HAP患者中PIP和他唑巴坦（本文报道）的群体PK模型。在本研究中，我们应用我们的TAZ模型来评估II、EI和CI给药策略的目标达成情况，以评估肺炎患者在一系列剂量和肾脏状况下他唑巴坦暴露是否充足。
MATERIALS AND METHODS
Patients
2018年6月至2023年5月期间，入住西北纪念医院内科ICU的危重HAP患者被纳入研究，并根据基于肾功能和适应症的机构方案接受PTZ给药。本研究从参与肺炎治疗成功临床反应（SCRIPT, U19AI135964）和RX-SCRIPT研究的患者中机会性地捕获了临床护理剩余的残留血液样本，这些研究重点关注接受和不接受连续性肾脏替代治疗（CRRT）的β-内酰胺治疗患者（分别为R21AI174159和R01AI158530）。残留血液样本的采集时间从电子病历中记录。需要并发体外膜肺氧合（ECMO）的患者被排除在外。所有患者或其合法授权代表在加入SCRIPT和RX-SCRIPT前均提供了书面知情同意书。研究方案得到了西北大学机构审查委员会的批准（STU002048680）。血浆样本根据方案进行处理，并在-80°C下储存用于批量PK分析。
Bioanalysis of drug concentrations
总他唑巴坦使用Agilent 1260 Infinity II液相色谱系统与Agilent Ultivo三重四极杆质谱仪（LC-MS）联用进行定量。分析分离使用Agilent Infinity Lab Poroshell 120 EC-C18色谱柱实现。流动相A为水中含0.1%甲酸，流动相B为100%LC/MS级乙腈。他唑巴坦的 transitions（m/z）为定量299 → 137.9，定性299 → 67.9；他唑巴坦-15N3（m/z: 302 → 137.9 和 70.8）作为内标。该测定在0.5至80 mg/L范围内呈线性；ALQ样品被稀释至线性范围内。准确度（日间：97.1%–104%；日内：89.3%–119%）和精密度（日间变异系数[CV%]：2.17%–15.2%；日内CV%：1.01%–6.4%）符合FDA生物分析方法验证的要求。低于定量下限（LLOQ）0.5 mg/L的他唑巴坦浓度被视为低于定量限（BLQ），并在Monolix中使用区间删失进行建模，似然在区间[0, LLOQ]上估计。血浆中的哌拉西林如Zurawska等人所述进行分析。
Population PK modeling
群体PK建模使用Monolix 2024R1进行。系统使用一系列微分方程描述。评估了基础的单室和两室模型，具有从中央室的一级消除。鉴于血液采样（通常在早上进行）相对于血液透析（HD）时间（通常在下午晚些时候进行）的机会性性质，他唑巴坦的HD清除率固定为文献值。模型拟合度的改进在Sycomore 2024R1中评估。哌拉西林群体PK模型由Zurawska等人描述。
Covariate, regressor, and error models
由于PK采样时间跨度长且具有机会性，并未严格与受试者的特定场合对齐，我们选择使用Monolix中可用的回归量方法来建模时变协变量。计划评估的回归量包括对Vd的总体重、对CL的CrCL以及对CRRT中清除率的流出液流速。计划评估的协变量包括年龄、体表面积（BSA）和性别。先验评估了多种清除途径、非CRRT、CRRT和HD清除率。在基础模型中，总清除率由以下分段方程描述：
CLtotal= CLnonCRRT+ CLCRRT+ CLHD(1)
CLnonCRRT= CLrenal+ CLnonrenal(2)
其中CLrenal按CrCL缩放，CLnonrenal是随机截距。
协变量模型考虑连续变量（例如，年龄、体重、体表面积）使用幂模型，例如：
CLindividual(i)= CLpopulation× (Covariatei/ Reference)beta_covariate× eηCL,i(3)
其中ηCL,i是清除率的随机效应估计值。
使用指示变量评估分类变量（例如，性别）的相对变化，例如：
Vindividual(i)= Vpopulation× (1 - Covariatei× beta_covariate) × eηV,i(4)
其中ηV,i是容积的随机效应估计值。
协变量和回归量依次评估，纳入需要目标函数值变化3.84，向后消除需要6.64。回归量被视为时变协变量（例如，CrCL、CRRT、HD）并整合到基础模型中。最终模型选择基于校正贝叶斯信息准则的最小化、模型诊断（包括条件数和简约原则）。时间-浓度视觉预测检查（VPC）在R中使用观察和模拟（n = 500次重复）的他唑巴坦浓度-时间曲线生成（使用六个等大小的分箱）。BLQ（即删失）的观察浓度被排除在百分位数计算之外。最终模型参数的不确定性使用非参数（n = 1,000）Bootstrap重采样进行量化。
Simulations
最终的协变量调整群体模型被转换为Simulx 2024R1。进行蒙特卡洛模拟以评估在给予500 mg负荷剂量（LD）后48小时，肾脏调整的CI给药方案下的PK/PD目标达成情况。肾功能根据Cockcroft-Gault方程进行分类，剂量调整在Cockcroft-Gault计算的CrCL临界值25、50、75和150 mL/min处进行。对于接受CRRT的患者，模拟了25和35 L/kg/h的流出液速率，假设测量的总体重为70 kg。我们还在敏感性分析中评估了基于较大体重（例如，91和126 kg）的流出液流速。模拟使用公布的70%蛋白结合校正来评估游离（即未结合）他唑巴坦浓度。评估了在治疗开始后24至48小时之间，游离他唑巴坦血浆浓度超过1、2和4 mg/L阈值100%间隔时间的概率，作为肺炎患者的保守PK/PD目标。对于每个剂量方案和肾脏状况（如表S2所示），使用最终模型群体参数及其不确定性模拟了1,000名患者。CI方案根据肾脏状况评估为低剂量（375–1,125 mg/天静脉注射超过24小时）或高剂量（750–1,500 mg/天）。EI方案（375–500 mg静脉注射每8-12小时超过4小时）和II方案（375–500 mg静脉注射每6小时超过30分钟）旨在近似跨肾脏状态的HAP给药。模拟结果使用R的ggplot2包（版本4.4.2）进行可视化。
RESULTS
共获得来自35名肺炎患者的162份血浆样本（平均年龄62岁，51%女性，平均体重79.6公斤）。这些患者的完整人口统计学数据在Zurawska等人的手稿中描述。在162份样本中，有4份为BLQ。共有16名患者在PIP治疗期间需要RRT，其中15名需要CRRT，1名需要HD。在需要CRRT的患者中，最高平均±标准差流出液流速为2.75 ± 1.1 L/h（32 ± 7.8 mL/kg/h）。在不需要RRT的患者中，平均±标准差肌酐清除率为78 ± 68 mL/min（范围：9至229 mL/min）。
Base model development and model selection
基础模型开发和协变量评估由Zurawska等人深入描述，并在表S1中总结。最终，选择了单室PK模型结构，对于未接受CRRT的患者，总他唑巴坦CL等于肾脏CL和非肾脏清除率之和，在接受肾脏替代治疗时等于CRRT或HD CL。PIP和他唑巴坦的清除率被独立建模。尝试将他唑巴坦的处置和清除率建模为PIP参数的标量导致个体间变异性估计不精确（数据未显示）。
Covariate model
他唑巴坦的清除率被建模为肾功能（通过肌酐清除率CrCL测量）、透析状态（间歇性血液透析HD）和具有不同流出液流速的CRRT的函数。最终的协变量调整群体PK模型方程为：
CLnonCRRT_ind= (CLCrCL_pop× (CrCL / 120 mL/min) + CLNR_pop) × (1 - CRRT) × (1 - HD) (5)
CLCRRT_ind= CLCRRT_pop× (FLOW / 2 L/hr) × CRRT (6)
CLHD_ind= CLHD_pop× HD (7)
在这些方程中，HD和CRRT是指示变量（开启或关闭），FLOW是CRRT流出液流速，单位为mL/h。他唑巴坦的HD期内清除率取自文献并固定为5.68 L/h。
Final population PK model parameters
最终PK模型参数估计值如表1所示。他唑巴坦Vd、CLR和CLNR的群体典型估计值分别为32.8 L、4.9 L/h和0.91 L/h。对于接受CRRT的患者，基于2 L/h流出液流速，他唑巴坦CL的群体典型估计值为4 L/h。个体间变异性（IIV）估计值合理（RSE：24%–58%），Vd、CLR和CLCRRT的CV%分别为19%、127%和26%。收缩率从低（23% CLrenal）到中等（46% CLCRRT）不等，Vd的收缩率较高（54%）。群体和贝叶斯后验预测的他唑巴坦模型的拟合优度图如图1所示。该模型在pc-VPC分析中产生了可接受的预测性能（图2）。
Simulations
模拟显示，在给予负荷剂量并治疗24小时后，所有给药方案在治疗第2天对未接受CRRT的患者，在1 mg/L阈值下100% fT>threshold的目标达成率均达到≥90%（图3）。类似地，除肌酐清除率为150 mL/min的患者接受1,125 mg/天的CI他唑巴坦方案外，所有方案在2 mg/L阈值下100% fT>threshold的目标达成率均达到≥90%，该方案达标概率降至88%。相比之下，在100% fT>threshold为4 mg/L的目标下，所有模拟的CI方案在CrCL ≥ 75 mL/min时的达标率均低于90%，并且所有方案对于CrCL = 150 mL/min的患者均未能达到目标。低剂量CI方案在4 mg/L阈值目标下未能跨所有肾脏状况达到≥90%的目标达成率，而高剂量CI方案通常表现更好（图3）。根据Zurawska等人进行的PIP低剂量和高剂量CI模拟，在肌酐清除率高达75 mL/min的患者中，使用低剂量CI方案最能实现PIP浓度在16至96 mg/L之间与他唑巴坦在2 mg/L阈值下100% fT>threshold的联合达成。然而，当优化4 mg/L阈值下的100% fT>threshold时，在肌酐清除率高达50 mL/min的患者中，高剂量CI方案优于低剂量方案，但代价是超过PIP上限目标96 mg/L的概率增加。在未接受CRRT的患者中，II和EI剂量方案对他唑巴坦目标100% fT>threshold在4 mg/L阈值下的达标率≥90%，直至CrCL为150 mL/min，这表明对于肾功能保留（即CrCL ≥ 75 mL/min）的患者，基于EI的剂量方案结合治疗药物监测可能具有作用。
在接受CRRT的患者中，除体重126 kg、流出液速率为35 mL/kg/h的患者接受低剂量CI外，所有给药方案在治疗第2天对1 mg/L阈值下100% fT>threshold的目标达成率均达到≥90%（图4）。在2 mg/L目标下，低剂量CI方案对于体重≥70 kg、流出液速率为35 mL/kg/h的患者不足。在4 mg/L目标下，高剂量CI方案仅在体重70 kg、流出液速率为25 mL/kg/h的患者中足够。EI和II方案在1和2 mg/L目标下表现良好。在流出液速率为35 mL/kg/h时，观察到EI方案（≥91 kg）和II方案（126 kg）未能达到4 mg/L的目标，这表明对于较大体重且接受较高流出流速的患者需要治疗药物监测（TDM）。
DISCUSSION
最终的他唑巴坦群体PK模型表明，在不需要CRRT的危重患者中，清除率受肾脏和非肾脏清除途径的影响，而在需要CRRT的患者中，则受CRRT流出液流速的影响。我们对他唑巴坦肾脏清除率的群体PK模型估计值与先前在具有不同程度肾功能不全的ICU患者中的研究基本相似。一项研究发现，按120 mL/min CrCL计算的总他唑巴坦CL为5.27 L/h（经过非线性缩放后），这与我们的群体估计值4.9 L/h相似，并落在我们模型Bootstrap的95% CI内。值得注意的是，将其样本平均CrCL 78 mL/min缩放后，平均总他唑巴坦CL将为4.6 L/h。为我们队列中平均CrCL求解得到的总他唑巴坦清除率为4.38 L/h。另一项研究估计危重患者的总他唑巴坦CL约为4 L/h，患者群体包括不同程度肾功能损害和需要CRRT的患者，这与我们的发现相似。然而，另一项研究估计肾功能正常的住院成年患者的总他唑巴坦CL大约高出三倍。在需要CRRT的患者中，我们的模型估计基于2 L/h流出液流速（即50%体外清除率）标准化的总清除率为4 L/h，这与先前的估计相似。由于他唑巴坦群体PK参数的确定依赖于样本，由给定群体PK模型生成的模拟应仅应用于人口统计学相似的患者。
另一项研究也评估了他唑巴坦的PK/PD达成，主要侧重于维持游离他唑巴坦浓度在85%给药间隔内高于2 mg/L的单一目标。该目标基于体外研究，证明对产生高水平CTX-M超广谱β-内酰胺酶的大肠杆菌可实现2-log细菌计数减少。我们研究了一系列阈值，因为关于最佳他唑巴坦PK/PD目标存在不确定性。我们评估了100% fT>threshold，以反映对通常由耐药革兰阴性病原体引起的肺炎经验性治疗的保守方法，并且实验室得出的阈值可能并不总是适用于患者。
我们评估的给药方案与另一项研究不同，该研究模拟了传统的30分钟输注，每6、8或12小时给药一次，以及持续4或6小时的延长输注和高达2 g/天的持续输注。他们的模拟不包括针对接受CRRT或具有极高肾脏清除率的患者的剂量调整。相比之下，我们的研究评估了广泛肾脏状态下的给药方案，包括CrCL高达150 mL/min和CRRT。
