《Scientific Reports》：Parent-metabolite PBPK model of methotrexate to inform pediatric extrapolation, transporter-mediated drug–drug interactions, and renal impairment
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甲氨蝶呤（methotrexate, MTX）广泛用于慢性炎症性疾病治疗以及成人和儿科患者化疗。其药代动力学复杂，因为MTX是多种转运体的底物。尤其在高剂量化疗使用时，其与严重毒性相关，包括可逆性肾损害和血液学毒性。生理药代动力学（physiologicall
甲氨蝶呤（methotrexate, MTX）广泛用于慢性炎症性疾病治疗以及成人和儿科患者化疗。其药代动力学复杂，因为MTX是多种转运体的底物。尤其在高剂量化疗使用时，其与严重毒性相关，包括可逆性肾损害和血液学毒性。生理药代动力学（physiologically based pharmacokinetic, PBPK）建模提供了一种机制性方法以预测药物药代动力学并指导给药，尤其在临床数据有限的儿科应用中。研究人员在PK-Sim?（版本12.1）中开发了MTX和7-羟基甲氨蝶呤（7-hydroxymethotrexate, 7-OH-MTX）的全身母体-代谢物PBPK模型，用于成人和儿童的静脉和口服给药。模型开发使用了42条MTX和16条代谢物血浆浓度-时间曲线，显示出强预测性能，53/58的血浆浓度-时间曲线下面积（area under the plasma concentration-time curve, AUC）和38/39的最大血浆浓度（maximum plasma concentration, Cmax）值在观察数据的2倍范围内。纳入转运体个体发育（ontogeny）的儿科外推产生了充分预测。五种加害药物（perpetrator drugs）的药物-药物相互作用（drug–drug interaction, DDI）模拟满足既定接受标准，肾损害模拟显示高剂量情形下暴露显著增加。该模型将公开提供，以支持跨临床情形的剂量优化。
研究背景：MTX（methotrexate，甲氨蝶呤）是类风湿关节炎（rheumatoid arthritis, RA）、克罗恩病（Crohn’s disease）、银屑病等慢性炎症性疾病以及肿瘤治疗的基石药物；高剂量甲氨蝶呤（high-dose methotrexate, HDMTX）是急性淋巴细胞白血病（acute lymphoblastic leukemia, ALL）等多药方案的重要组成。MTX可经口服（p.o.）、静脉（i.v.）、皮下、肌内或鞘内给药，但主要途径为i.v.和p.o.，剂量从慢性炎症性疾病每周5–30 mg至单周期化疗最高33,000 mg/m
2。高剂量下治疗窗窄，精确控制全身暴露至关重要。MTX抑制二氢叶酸还原酶（dihydrofolate reductase, DHFR），干扰叶酸代谢并抑制细胞增殖和免疫；超过80%的MTX以原形经肾排泄，肾功能是暴露和毒性风险的关键决定因素。HDMTX需密切监测肾功能，并进行治疗药物监测（therapeutic drug monitoring, TDM），常在给药后24–48 h进行，48 h目标血浆浓度约1 μmol/L。亚叶酸救援主要补充还原叶酸池，为正常细胞提供药效保护，而非显著改变MTX血浆药代动力学。MTX个体间变异来源于肾功能、参与分布和消除的摄取及外排转运体、转运体基因多态性、合用硫嘌呤以及醛氧化酶（aldehyde oxidase, AO）活性差异；AO将约3–33%的MTX转化为7-OH-MTX（7-hydroxymethotrexate，7-羟基甲氨蝶呤），后者影响总体暴露、疗效和毒性。儿科患者肾功能发育和转运体成熟进一步带来年龄相关变异。因此，需要能够联合描述MTX与7-OH-MTX、覆盖不同给药途径和临床情形的综合母体-代谢物PBPK模型。研究人员的目标包括：开发并验证成人口服和静脉给药的MTX与7-OH-MTX母体-代谢物PBPK模型；纳入个体发育功能进行儿科外推；模拟环孢素A（cyclosporine A, CsA）、布洛芬（ibuprofen, IBU）、萘普生（naproxen, NAP）、丙磺舒（probenecid, PB）和利福平（rifampicin, RFP）介导的转运体相关DDI；量化肾功能损害对高剂量肿瘤方案和低剂量风湿病方案MTX暴露的影响。
关键技术与数据来源：研究人员采用Open Systems Pharmacology Suite version 12.1中的PK-Sim?建立全身PBPK模型，以Monte-Carlo和Levenberg–Marquardt算法优化参数，用GetData Graph Digitizer 2.26数字化文献曲线，并以R 4.3.2和RStudio 2023.12.0+369计算和可视化；采用拟合优度（goodness-of-fit, GOF）、平均相对偏差（mean relative deviation, MRD）、几何平均倍数误差（geometric mean fold error, GMFE）及两阶段矩独立δ法进行全局敏感性分析。临床数据来自43项研究、557例患者（成人515例、儿童42例）的58条浓度-时间曲线，其中12条为训练数据、46条为测试数据；儿科评价数据包括40名1–17岁恶性疾病患儿；肾损伤模拟选取Namour et al.低剂量口服研究和Stoller et al.高剂量静脉研究；DDI模拟涉及CsA、IBU、NAP、PB和RFP五种加害药物。
结果：
Model building：研究人员通过文献检索MTX和7-OH-MTX理化性质，依据PK-Sim?表达数据库并与Proteinatlas比较设定酶和转运体表达，为各研究人群建立数字孪生。最终模型在肠道纳入MRP3（multidrug resistance protein 3，多药耐药蛋白3）基底外侧外排、RFC1（reduced folate-coupled transporter 1，还原叶酸偶联转运体1）摄取和BCRP（breast cancer resistance protein，乳腺癌耐药蛋白）顶端外排；肝脏纳入OATP1B1（organic anion transporting polypeptide 1B1，有机阴离子转运多肽1B1）摄取和BCRP外排，并由AO代谢生成7-OH-MTX；肾脏以GFR（glomerular filtration rate，肾小球滤过率）滤过联合OAT3（organic anion transporter 3，有机阴离子转运体3）和BCRP介导的小管处理描述清除。模型以DHFR可逆结合代表多聚谷氨酸化“trapping”及靶点介导分布和滞留。K
M、K
d有文献值时采用文献值，转运体和代谢酶k
cat及DHFR k
off由临床浓度-时间数据拟合；7-OH-MTX缺乏K
M数据，故MRP3相关K
M假定与MTX相当并拟合k
cat，代谢物消除以非特异肾清除描述，DHFR结合K
d假定类似MTX并优化代谢物脂溶性。由此得出可机制性刻画MTX跨途径、跨剂量处置的母体-代谢物模型。
Model evaluation：通过训练与测试数据、GOF图及MRD、GMFE进行定量评价。空腹研究AUC
last（至末次可测浓度的血浆浓度-时间曲线下面积）和C
max（最大血浆浓度）平均GMFE分别为1.47和1.32，餐后研究分别为1.21和1.21，表明模型在不损失性能的情况下捕捉食物效应。全体数据中53/58个AUC
last预测和38/39个C
max预测位于观察值2倍范围内，29/58个AUC
last和22/39个C
max位于1.25倍范围内；总体MRD为2.03，平均GMFE为AUC
last 1.43、C
max 1.28。训练集MRD为2.02，平均GMFE为AUC
last 1.50、C
max 1.24；测试集MRD为2.02（含儿科为2.04），平均GMFE为AUC
last 1.40、C
max 1.29。敏感性分析显示MTX暴露主要受肾小球滤过和血浆未结合分数控制，口服后还受OAT3和MRP3转运影响；7-OH-MTX暴露主要受AO生成和BCRP外排控制。由此得出模型具有充分的描述和预测性能。
Pediatric model evaluation：研究人员利用PK-Sim?儿科生理框架将成人模型外推至儿童，考虑年龄相关解剖和生理差异；纳入肠道MRP3及肾BCRP、OAT3个体发育，并将MTX未结合分数由成人50%调整至61.06%以反映儿童白蛋白表达变化；对Sl?rdal et al.报告中代谢物异常升高的个体拟合其AO活性。儿科评价数据包括40名1–17岁恶性疾病患儿，MTX剂量16.45–30,240 mg；总体平均GMFE为AUC
last 1.52、C
max 1.47。由此得出模型在儿科数据中具有满意预测性能；原文同时指出该数据集以较大儿童为主。
Kidney impairment：研究人员按FDA（United States Food and Drug Administration，美国食品药品监督管理局）肾功能分类改变GFR进行模拟。模型预测24 h尿排泄分数在低剂量p.o. 15 mg研究中为45%，低剂量i.v. bolus 15 mg为70%，HDMTX i.v. 350 mg及8067 mg研究超过80%。对低剂量口服7.5 mg单次餐后方案和高剂量i.v. 50 mg/kg、6 h单次方案模拟72 h：低剂量正常肾功能（I）24 h约9.81×10
?3 μmol/L，严重肾功能损害（IV）约1.52×10
?2 μmol/L，约增加1.5倍；高剂量I约1.03 μmol/L，IV达84.2 μmol/L，约增加80倍；AUC
last随GFR下降逐步增加，高剂量方案暴露增加更陡。由此得出肾功能下降对高剂量MTX暴露影响远大于低剂量口服。
DDI model evaluation：研究人员模拟五类临床相关DDI。对CsA、PB、RFP，以AO、BCRP、MRP3、OATP1B1、OAT3的竞争性抑制表示直接转运体/酶介导相互作用；对IBU、NAP，以GFR降低和血浆蛋白结合改变表示间接相互作用。PB合用因抑制肾小管处理使MTX暴露明显增加；RFP产生较中等增加，符合OATP1B1相关效应；CsA影响多通路，模型准确再现母体MTX总体相互作用幅度，并捕捉AO抑制所致代谢物生成明显降低，但代谢物水平未满足Guest et al.标准。NSAID场景将GFR分数降低以匹配NAP约40%、IBU约18%的肾MTX清除下降，并将未结合分数由50%调至NAP 44%、IBU 42%，二者均满足Guest et al.标准。五个DDI场景总体平均GMFE（AUC
last）为1.69，其中转运体介导DDI为1.82、NSAID为1.46；IBU使MTX AUC增加35.8%（AUC比1.36），RFP增加26.7%（AUC比1.27），总体影响相对温和。由此得出模型可捕捉已评价DDI的方向和幅度。
讨论总结：该模型覆盖2.5 mg–30,240 mg剂量范围，并在多种给药途径和剂量水平下描述MTX与7-OH-MTX，支持其作为低剂量和高剂量MTX应用的一致机制框架。MTX机制建模的主要难点是转运体数量多且K
M、k
cat、K
i等动力学参数不完整或来源异质；研究人员优先纳入AO、BCRP、DHFR、MRP3、OAT3、OATP1B1和RFC1等具优势表达模式的过程，以平衡生理相似性和参数可识别性，并未进一步纳入共享定位、方向及相近K
M的多个转运体。转运体多态性证据在不同转运体、人群和临床终点间不一致，且缺乏PBPK参数化所需数据，故未显式分层。7-OH-MTX转运体亲和力和动力学信息有限，模型采用简化假设；CsA场景下代谢物水平未满足标准，说明简化代谢物通路对复杂DDI仍有局限。儿科外推纳入BCRP、MRP3、OAT3个体发育和未结合分数年龄缩放；现有儿科数据以较大儿童为主，可能降低个体发育影响的可观察程度。肾损伤模拟与HDMTX时强化和延长亚叶酸救援的临床逻辑一致；尿排泄差异与低剂量时多聚谷氨酸化“trapping”更突出、高剂量时MTX“flooding”促进快速尿排泄有关。模型局限包括依赖聚合文献曲线而非大样本个体数据、模型复杂性降低且仅聚焦代表性转运体、未显式进行药物遗传分层、未反映鞘内、皮下和肌内给药，并且不能量化未解释个体间变异；后续需个体水平浓度-时间数据和群体估计方法，并可结合最大后验估计等模型引导精准给药支持TDM。研究结论翻译：所提出的母体-代谢物PBPK模型为成人和儿童MTX与7-OH-MTX提供了机制性描述，并支持肾功能损害和临床相关DDI评价；补充材料提供完整描述，模型公开可用。
