急性肾损伤模型中头孢吡肟海马体与大脑皮层浓度升高与癫痫发作的关联

《Antimicrobial Agents and Chemotherapy》：Elevated hippocampal and cortical cefepime concentrations correlate with seizures in an acute kidney injury rat model

本研究利用急性肾损伤大鼠模型，揭示了抗生素头孢吡肟在特定脑区的蓄积是其引发神经毒性的关键机制。研究发现，发生癫痫的动物其大脑皮层和海马体中的头孢吡肟浓度显著更高，并明确了血浆暴露阈值（AUC0–24）与脑组织毒性浓度的相关性。这为临床上预防和治疗肾功能不全患者使用头孢吡肟引发的神经毒性提供了重要的药代动力学依据和新的研究模型。

　　

引言

头孢吡肟（Cefepime）是一种广谱头孢菌素类抗生素，广泛用于治疗肺炎、尿路感染和皮肤感染等疾病。然而，它也与较高的神经毒性发生率相关，尤其是在肾功能受损的患者中，由于药物暴露量增加，风险显著升高。β-内酰胺类药物具有神经毒性的类别效应，而头孢吡肟的致惊厥活性尤为突出，研究表明其促惊厥活性约是青霉素的1.6倍，几乎是亚胺培南的两倍。尽管已知肾脏功能不全是主要风险因素，但引发神经毒性的精确血药浓度阈值仍不明确。美国食品药品监督管理局（FDA）曾就肾功能不全且未进行适当剂量调整的患者使用头孢吡肟的癫痫风险发出警告。头孢吡肟主要通过肾脏以原形排泄，肾功能受损时其半衰期显著延长，可能导致血脑屏障（BBB）通透性改变，使更多药物进入中枢神经系统（CNS）。然而，关于头孢吡肟在脑组织中的蓄积及其与毒性的关系，此前知之甚少。因此，本研究旨在利用经过验证的急性肾损伤大鼠模型，定义与神经毒性相关的头孢吡肟药代动力学暴露特征。

材料与方法

这项药代动力学-毒性动力学研究在美国伊利诺伊州中西部大学进行，并获得了动物护理和使用委员会的批准。研究使用雄性斯普拉格-杜勒大鼠，通过腹腔注射叶酸诱导急性肾损伤（AKI）。实验设计包括预先进行的剂量探索研究，以确定最大耐受剂量（MTD）。最终，大鼠在诱导AKI后，通过颈静脉导管静脉注射头孢吡肟（1250或1593 mg/kg/天）。癫痫发作活动采用改良的Racine量表进行评估。每天采集3-4次血浆样本，并在安乐死时收集脑组织（大脑皮层和海马体）。使用液相色谱-串联质谱法（LC-MS/MS）测定头孢吡肟浓度。利用Monolix 2024R1软件进行药代动力学/药效学（PK/PD）建模，采用随机近似期望最大化算法进行参数估计。统计分析使用GraphPad Prism和Stata软件完成，比较不同癫痫发作阶段组间的中位数浓度和PK暴露量，并建立逻辑回归模型分析暴露量与癫痫概率的关系。

结果

脑内头孢吡肟的蓄积

表现出癫痫活动（发作阶段>1）的大鼠，其大脑皮层和海马体中的头孢吡肟浓度均显著高于无惊厥症状的大鼠。癫痫组大脑皮层的中位头孢吡肟浓度为64.2 μg/g，而非癫痫组为14.1 μg/g，差异具有统计学意义（P = 0.0014）。同样，海马体浓度分别为66.2 μg/g和15.0 μg/g（P < 0.0001）。这一结果直观地展示了癫痫发作严重度与脑内药物浓度的正相关关系。

头孢吡肟药代动力学模型与估计暴露量

研究共收集了129份血浆样本、18份皮层和18份海马体组织样本用于模型构建。最终模型是一个三房室药代动力学模型，包含中央室（血浆）、大脑皮层和海马体。模型参数估计显示，从中央室到皮层和海马体的速率常数（k₁₂, k₁₃）较低，而从脑组织返回中央室的速率常数（k₂₁, k₃₁）较高。值得注意的是，消除速率常数与海马体分布容积的随机效应之间存在显著正相关。

暴露量估算显示，首次给药后，血浆中位AUC_0–24为28，314 mg·h/L，C_max为3，480 mg/L。大脑皮层的估计中位AUC_0–24为565 mg·h/L，C_max为36.0 mg/L。海马体的相应值分别为694.8 mg·h/L和41.9 mg/L。重要的是，在癫痫阶段>1的大鼠中，皮层和海马体的AUC_0–24与C_max均显著更高。

暴露-反应关系与毒性阈值

逻辑模型将癫痫阶段>1及癫痫概率与PK模型衍生的暴露量相关联。计算得出血浆、皮层和海马体AUC的50%毒性浓度（TC₅₀）分别为30，658.6， 760.8和838.2 mg·h/L。皮层和海马体Cmax的TC₅₀分别为45.0 mg/L和48.2 mg/L。基于血浆AUC截断值的Kaplan-Meier分析进一步证实了高暴露量与更早出现癫痫发作的相关性。

模型验证

观察浓度与贝叶斯预测浓度之间的决定系数在血浆、皮层和海马体中分别为0.78， 0.99和0.985，表明模型拟合良好。残差分析图显示数据均匀分布在零附近，无系统性偏差，验证了模型的可靠性。

讨论

本研究在诱导肾损伤的大鼠中建立了头孢吡肟暴露与癫痫发作阶段之间的重要暴露-反应关系。研究发现，对于经历神经毒性结果的动物，其皮层和海马体的估计AUC_0–24和Cmax_0–24暴露量显著更高。在癫痫阶段>1的动物中，观察到头孢吡肟血浆AUC_0–24约为30，000 mg·h/L，皮层和海马体中相关的Cmax约为40 mg/L。这些血浆AUC值比临床（即人类）暴露量高17倍。这些发现有力地支持了在肾功能不全背景下，头孢吡肟脑暴露与惊厥性神经毒性之间的紧密联系。

与以往通常通过化学或电学方法降低癫痫阈值来诱导神经毒性的临床前模型不同，本研究首次报告了通过系统性地静脉给药头孢吡肟产生神经毒性，更贴近临床实际情况。头孢吡肟的中枢神经系统效应机制尚不完全清楚，主流观点认为其通过穿过血脑屏障，竞争性结合γ-氨基丁酸能受体，抑制抑制性神经传递。本研究发现头孢吡肟在海马体（癫痫发生的关键脑区）中大量蓄积，为理解其致癫痫性提供了新视角。

肾脏损害是头孢吡肟神经毒性的已知风险因素。本研究使用叶酸诱导急性肾损伤，该模型使头孢吡肟的血浆消除半衰期延长了8-10倍，与人类肾功能障碍患者的情况相似。研究表明，在没有肾损伤的情况下，大鼠不会出现神经毒性，这再次印证了肾功能在毒性发生中的核心地位。

研究中观察到的消除速率常数与海马体分布容积之间的显著正相关颇具启发性，提示药物消除更快的个体往往海马体分布容积也更大。这可能有其生理基础，因为先前研究已证实肾功能与海马体完整性之间存在有意义的联系，急慢性肾损伤都与海马体损伤和认知功能下降有关。

需要指出的是，本研究报告的是脑组织和血浆中的总药物浓度。然而，具有药理活性的是未结合（游离）部分。头孢吡肝的蛋白结合率约为20%，在急性肾损伤伴随炎症和低白蛋白血症的情况下，其游离分数会增加。在血脑屏障受损的情况下，更高的游离头孢吡肟水平可能更容易渗透脑组织，从而增加癫痫风险。

本研究存在一些局限性。首先，最终模型中从中央室到皮层的转移速率常数被固定以降低相对标准误，精确估计需要在密集采样条件下进行，而这在需要牺牲动物获取脑组织样本的研究中难以实现。其次，研究仅对健康动物进行了单次每日给药，尚不清楚每日多次给药是否会产生浓度依赖性的脑组织转运变化。再者，研究未涉及脂质代谢这一潜在机制，而大脑是富含脂质的器官。此外，使用改良Racine量表进行癫痫评分时未采用盲法，可能引入评估偏倚。最后，未进行脑组织病理学检查以验证神经毒性。

总结来说，在急性肾损伤大鼠中，海马体和大脑皮层中头孢吡肟浓度的升高与神经毒性相关。该大鼠模型具有良好的应用前景，可用于进一步探索头孢吡肟诱导神经毒性的机制原因。