综述：体外转运蛋白检测在药物相互作用机制研究及临床药物相互作用预测中的应用

《Drug Metabolism and Pharmacokinetics》：Applications of In Vitro Transporter Assays for Mechanistic Characterization and Prediction of Clinical Drug-Drug Interactions

药物转运体在ADME中起关键作用，其介导的药物-药物相互作用（DDIs）研究涉及多种体外模型（如膜囊泡、过表达细胞系）和新兴策略（PBPK建模、定量蛋白组学），以提升DDIs预测的准确性及临床转化效率。

　　

Krisztina HerediSzabo|Sumito Ito|Xiaomin Liang|Yeojin Park|Masud Parvez|Phil Sandoval|Hong Shen|Kelly M. Staiger|Kazuhiro Tetsuka|Mark S. Warren|Ling Zou|Yurong Lai

Charles River Laboratories Hungary Kft., Szadadságpuszta hrsz 028/1, Veszprém H-8200, Hungary

摘要

药物转运蛋白在调控治疗性药物的吸收、分布、代谢和排泄（ADME）过程中起着至关重要的作用。转运蛋白的调节常常会导致具有临床意义的药物相互作用（DDIs）。本文全面概述了体外转运蛋白检测系统及其在机制表征和预测转运蛋白介导的DDIs中的应用。当前的全球监管指南，包括ICH M12，强调了需要评估的关键转运蛋白，并强调了为支持风险评估而提供机制洞察的必要性。文中描述了多种体外平台，包括膜囊泡、过表达转运蛋白的细胞系、极化单层细胞、原代人肝细胞和肾细胞、诱导多能干细胞（iPSC）衍生的系统、类器官以及器官芯片模型，并讨论了它们的优势、局限性及其转化相关性。这些系统能够确定动力学参数、评估定向运输以及整合转运蛋白与酶的相互作用。本文还探讨了从体外到体内的外推（IVIVE）过程中遇到的挑战，如底物依赖性抑制、非特异性结合以及检测条件的差异，并介绍了新兴策略，如基于生物标志物的建模、定量蛋白质组学和基于生理学的药代动力学（PBPK）建模。总体而言，本文为在药物发现和开发中有效应用转运蛋白检测提供了指导，以改进DDIs的预测、支持监管决策并推动精准医疗的发展。

引言

在药物发现的早期阶段，药物化学家通常被指导设计在肝脏来源的系统中（如肝细胞或微粒体）具有代谢稳定性的分子，目的是选择具有良好药代动力学特性的化合物。后来人们发现，在体外表现出代谢稳定性的化合物在体内的药代动力学特征往往难以预测，这促使人们更加关注药物转运蛋白在吸收、清除和组织分布中的作用。目前已鉴定出450多种人类药物转运蛋白，主要分为两大类：ATP结合盒（ABC）转运蛋白和溶质载体（SLC）[1]、[2]、[3]。转运蛋白是跨越细胞膜的关键蛋白质，它们作为“守门员”，促进各种内源性代谢物和外源物质的进出细胞。通过控制药物进入细胞和器官系统，这些转运蛋白在决定药物的吸收、分布、代谢和排泄（ADME）方面起着关键作用，不仅影响全身暴露量，还影响器官对治疗剂的暴露。尽管这些转运蛋白在体内普遍表达，但某些转运蛋白在药理学上重要的屏障处（如肠上皮、肝细胞、肾近端小管和血脑屏障（BBB）处高度富集。它们的功能活性受年龄、性别、种族、基因多态性、疾病状态和药物相关调节的影响，所有这些因素都会导致药物暴露和反应的差异[4]、[5]。因此，人们经常研究转运蛋白的相互作用，以了解它们对全身药代动力学、不对称组织分布和试验药物器官特异性毒性的影响。例如，有机阴离子转运肽（OATP）1B在肝脏中的摄取能够将高浓度的他汀类药物输送到肝脏内，从而增强其疗效，同时限制其在肝脏外的分布，以降低肌病风险[6]；一种小分子别构激活剂对葡萄糖激酶的肝脏摄取可以靶向肝脏而不刺激胰岛素分泌，旨在降低低血糖风险[6]。转运蛋白本身也可以作为治疗靶点。例如，钠-葡萄糖共转运蛋白2（SGLT2）抑制剂（如达格列净和恩格列净）通过直接靶向转运蛋白来治疗2型糖尿病[7]。其他经临床验证的转运蛋白靶点包括顶侧钠依赖性胆汁酸转运蛋白（SLC10A2），该蛋白是胆汁酸重吸收抑制剂的靶点[8]，以及有机阴离子转运蛋白4（SLC22A11），它与尿酸处理的药理调节有关[9]。这些案例突显了转运蛋白的双重重要性——既是ADME的决定因素，也是直接的药理靶点[10]。相反，转运蛋白的功能障碍也可能导致临床毒性。例如，fedratinib对硫胺素转运蛋白2（THTR2）的抑制可导致硫胺素缺乏和韦尼克脑病[11]。因此，了解药物转运蛋白对药物的药理学、药代动力学和毒性的影响尤为重要。

药物可以是转运蛋白的底物、抑制剂或诱导剂。当与其他药物联合使用时，这些相互作用可能导致具有临床意义的药物相互作用（DDIs），从而改变药物暴露量、治疗失败或出现意外毒性。转运蛋白重要性的临床证据来自基因多态性研究、意外的DDI结果以及转化失败情况，即血浆暴露量无法代表组织浓度[12]、[13]、[14]。转运蛋白在DDIs中起着双重作用：它们的抑制或诱导可以改变药物的药代动力学，而药物也可以调节转运蛋白的活性，从而影响共用药的分布。转运蛋白介导的DDIs的重要性在药物开发中得到了广泛认可，这一点在“国际转运蛋白联盟”（ITC）的 white papers 中得到了强调[15]、[16]。ITC 2024年发布的论文《膜转运蛋白在药物开发中的作用及作为精准医学的决定因素》强调了它们对药物分布、疗效和安全性的影响[5]。理解这些相互作用对于现代药物发现和临床开发中的风险评估策略至关重要。

然而，尽管取得了进展，但从体外到体内的转运蛋白相互作用外推（IVIVE）仍落后于代谢酶的外推。挑战包括底物特异性的重叠、组织水平数据不足以及对转运蛋白和酶之间相互作用的理解不完全。定量蛋白质组学和基于生理学的药代动力学（PBPK）建模的最新进展改善了从体外到体内的转化，但预测准确性仍不一致[17]。本文讨论了体外转运蛋白检测在表征转运蛋白功能和预测临床DDIs中的作用。通过整合这些见解，本文将详细回顾目前用于表征转运蛋白底物和抑制剂的体外系统、检测格式和动力学方法。本文旨在帮助药物开发者了解如何有效利用转运蛋白检测来分析和预测药物-转运蛋白相互作用，并降低转运蛋白介导的DDIs的风险。同时，还探讨了监管环境，包括全球指南、决策框架以及说明转运蛋白介导的DDIs预测成功和挑战的案例。最后，本文还强调了新兴方向，如内源性生物标志物的整合、PBPK建模、定量蛋白质组学和微生理系统的应用，以实现更复杂的转运蛋白相互作用预测。

章节片段

关于转运蛋白介导的DDIs的监管指导

美国食品药品监督管理局（US FDA）、欧洲药品管理局（EMA）和日本卫生劳动福利省/药品医疗器械局（MHLW/PMDA）等监管机构发布了评估转运蛋白介导的DDIs的详细指南和决策树。最近，国际协调委员会（ICH）发布了M12指南《药物相互作用研究》，其中提供了全面的建议

用于研究转运蛋白相互作用的体外检测

在过去几十年中，开发了许多体外系统来早期表征转运蛋白介导的DDIs。这些检测平台利用膜囊泡、过表达转运蛋白的细胞系、用于双向运输的极化细胞单层以及原代细胞（图2和表2）。这些检测方法可以早期筛选底物和抑制剂，并帮助确定动力学参数，如K_m、V_max、IC₅₀和K_i

将体外数据转化为体内数据：技术考虑和挑战

在过去二十年里，将体外数据转化为临床预测转运蛋白介导的DDIs方面取得了显著进展。监管机构（US FDA、EMA和PMDA）和ICH提供了指导，以促进转运蛋白介导的体外研究的设计、实施和解释的一致性，并推荐了用于确定是否应在临床环境中评估转运蛋白介导的DDIs的比率和临界值

基于生理学的药代动力学建模在人类预测中的应用

基于生理学的药代动力学（PBPK）建模在将体外转运蛋白参数（如IC₅₀和转运蛋白介导的清除率）转化为定量临床预测方面发挥着关键作用。这种方法在监管提交中越来越被接受，并被广泛用于健康人群和特殊人群中转运蛋白介导的药物分布的表征[5]、[95]、[96]。

然而，将体外转运蛋白介导的清除率转化为体内清除率仍存在挑战

挑战与未来机遇

尽管取得了显著进展，但使用体外转运蛋白检测来预测临床DDIs仍存在重大障碍，限制了其广泛应用。克服这些挑战对于提高转运蛋白研究的准确性和促进更安全、更有效的药物开发至关重要。实验室之间的不统一是一个关键问题。实验条件、细胞模型、孵育方法和数据解释的差异往往导致动力学数据不一致

CRediT作者贡献声明

Yurong Lai：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，概念构思

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。