第一节 药物代谢方式及代谢后的活性变化
一．药物代谢方式
药物进入机体后主要以两种方式消除：一种是药物不经任何代谢而直接以原型随粪便和尿液排出体外；另一种是部分药物在体内经代谢后，再以原型和代谢物的形式随粪便和尿液排出体外。将药物的代谢和排泄统称为消除（elimination）。药物的代谢(metabolism)，也称为生物转化(biotransformation)，是药物从体内消除的主要方式之一。
药物在体内的生物转化主要有两个步骤：第一步称为Ⅰ相代谢反应，药物在这相反应中被氧化、还原或水解；催化Ⅰ相反应的酶主要为肝微粒体中的细胞色素P450酶(P450)，因此肝脏是药物生物转化的主要部位。第二步称为Ⅱ相代谢反应，药物在这一相反应中与一些内源性的物质（如葡萄糖醛酸、甘氨酸、硫酸等结合或经甲基化、乙酰化后排出体外，催化Ⅱ相反应的酶有许多，其中主要的有葡萄糖醛酸转移酶、谷胱甘肽-S-转移酶、磺基转移酶和乙酰基转移酶等。在上述的代谢反应中由P450酶所催化的Ⅰ相反应是药物在体内代谢转化的关键性步骤，因为这一步反应常常是药物从体内消除的限速步骤，它可以影响到药物的许多重要的药动学特性，如药物的半衰期、清除率和生物利用度等。
药物的代谢反应大致可以分为氧化、还原、水解和结合四大类型，前三者属Ⅰ相代谢反应，结合反应属Ⅱ相代谢反应。
（一）氧化反应
氧化是最为常见的药物代谢反应，可由肝微粒体酶或非微粒体酶催化。 1．微粒体酶催化的氧化反应 （1）O-脱烃基
H
NH3C
O
OCH3
HO
HN
CH3
CO
非那西丁
- 51 -
NO2
NO2
(CH3)2CHOOC
H3C
NH
COO(CH2)2OCH3CH3
(CH3)2CHOOC
H3C
NH
COO(CH2)2OHCH3
尼莫地平
OCH3OHOCNHH3CNCH2CH2OCNH
H3C
NCH2CH2
恩卡尼
（2）N-脱烃基
OON
OCH3NHOCH3
CH3
哌替啶
CH3
OOHNH
CH3
OOHNH2
普萘洛尔
CH3H
N
OCH3
CH3H
N
O
NCH3CH3
NHCH3
利多卡因
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（3）羟化
HO3CHO
3C
ONNO
NNOH
保泰松
NN
ONHOH
2
O
NH2
卡马西平
CH3CH3
CH3COOHCH3
COOH
H3CH3C
OH
布洛芬
（4）N-氧化
OONCH3ONCH3
CH3CH3
苯海拉明 （5）S-氧化
OSSNClNClNCH3NCH3
CH3CH3
氯丙嗪 （6）脱氨氧化
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CH3CH3O
NH2
苯丙胺
HOHOCOOHNH2H3COHO
OCOOH
左旋多巴
2．非微粒体酶催化的氧化反应
HOH2CCH2OHOHNCH3
CHOHOH2C
N
OHCH3
吡哆醇
（二）还原反应
1．微粒体酶催化的还原
OHOHO2NHNOCHCl2
H2N
HNOHOHOCHCl2
氯霉素
2．非微粒体酶催化的还原
ClClClOHOHHClClClHOHH
水合氯醛
（三）水解反应
ONH
C2H5NC2H5
H2N
COOH
H2N
普鲁卡因胺
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COOHOOCOOHCH3OH
乙酰水杨酸 （四）结合反应
药物的结合反应常常使其转化为无活性的代谢物，且极性增加，以便药物排出体外，因此一般认为药物的结合反应是药物的重要的解毒途径之一。药物的结合反应包括葡萄糖醛酸结合（glucuronidation）、硫酸化（sulfation）、乙酰化（acetylation）、甲基化（methylation）、谷胱甘肽结合（glutathione conjugation）、氨基酸结合(aminoacid conjugation)及缩合反应(condensation)等。其中以葡萄糖醛酸结合、硫酸化、乙酰化、甲基化反应较为常见，其代谢特点见表3-1。
表3-1 药物的主要结合反应特点
药 物
萘普生、吗啡、奥沙西泮、可待因、丙戊酸、普萘洛尔、劳拉西泮
对乙酰氨基酚、雌激素类、异丙肾上腺素
磺胺、异烟肼、氨苯砜、氯硝西泮
去甲肾上腺素、组胺、儿茶酚胺类
反应类型 葡萄糖醛 酸结合
硫酸化
乙酰化
甲基化
内源性反应物 活化的葡萄 糖醛酸
活化的硫酸
活化的醋酸
活化的甲基
催化酶 葡萄糖醛 酸转移酶
硫酸转 移酶 N-乙酰 转移酶
甲基转 移酶
结合基团 羟基、羧基、氨基、巯基
羟基
伯氨基
羟基
1．葡萄糖醛酸结合反应
CH3COOH
H3C
O葡萄糖醛酸转移酶H3CCH3HOOHOHOOCOOH
OO
萘普生 葡萄糖醛酸结合物 2．乙酰化反应
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ONH
C2H5NN-乙酰基转移酶C2H5
H3C
ONH
ONH
C2H5NC2H5
H2N
普鲁卡因胺 乙酰化代谢物
3．硫酸化反应
OH3C
NH
OH
硫酸转移酶H3C
ONH
O
OSOHO
对乙酰氨基酚 硫酸结合物
4．甲基化反应
OHHONH2甲基转移酶H3COHOOHNH2
HO
去甲肾上腺素 甲基化代谢物
二．药物经生物转化后的活性变化
一般来说，药物在体内经过代谢转化后，极性增加，这有利于药物的排泄。但药物经生物转化后，其代谢物药理活性变化较为复杂，概括起来大致有下列几种变化。
1．代谢物活性或毒性降低
多数药物经代谢转化后活性降低或失活，其代谢物的药理作用减弱或消失，如去甲肾上腺素和氯霉素在体内代谢后失活；维拉帕米的N-去甲基代谢物的活性仅为母药的20%；特非那定在体内代谢后毒性降低。
2．形成活性代谢物
许多药物在体内可以形成活性代谢物，其活性与母药相比大致有以下几种情况：其一，代谢物活性小于母药，如维拉帕咪的代谢物去甲维拉帕咪的活性小于母药；其二，代谢物的活性与母药相当，如普鲁卡因胺在体内被代谢为乙酰普鲁卡因胺，两者均具有抗心率失常活性，且活性相当，只是两者的药动学行为发生了改变；其三，代谢物活性大于母药，如氯雷他定的代谢物去羧乙氧基氯雷他定的抗组胺活性大于氯雷他定，因此通过活性代谢物来寻找更为安全有效的药物是
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目前新药开发研究的一条重要线索。
3．形成毒性代谢物
有些药物在体内经代谢转化后可形成毒性代谢物。如对乙酰氨基酚在体内可以形成具有肝毒性的中间代谢产物；磺胺噻唑的乙酰化产物溶解度降低，导致在肾小管析出结晶，引起肾损害。
4．前药(prodrug)的代谢激活
有些药物本身没有药理活性，需在体内经代谢激活，才能发挥作用，称这种药物为前体药物(prodrug)。前体药物一般是通过第Ⅰ相代谢反应被激活，再通过第Ⅰ和第Ⅱ相代谢反应失活和消除。如环磷酰胺氧化为4-酮环磷酰胺；甲基多巴经脱羧和羟化变为α-甲基去甲肾上腺素；硫唑嘌呤经硫醚水解变为6-巯基嘌梳呤。前药的制备是药物结构转化规律的一种成功的应用，它可以提高药物作用的选择性，降低药物的不良反应发生率，并可克服某些制剂的缺点。如抗帕金森氏病药左旋多巴和抗高血压药甲基多巴，可迅速进入中枢神经系统的神经原，在那里分别代谢为多巴胺和α-甲基去甲肾上腺素，发挥治疗作用，一方面提高了药物作用的选择性，另一方面降低了两者的外周不良反应发生率。
第二节 药物代谢部位和代谢酶
一．药物在肝脏的代谢及其代谢酶
肝脏是药物的主要代谢器官，它富含药物Ⅰ相代谢和Ⅱ相代谢所需的各种酶，因此大多数药物进入体内后主要在肝脏进行生物转化。药物在体内首先在Ⅰ相代谢酶的作用下被氧化、还原或水解，然后在Ⅱ相代谢酶的作用下与葡萄糖醛酸、甘氨酸、硫酸等内源性的物质结合或经甲基化、乙酰化后，随尿液和粪便排出体外。表3-2列出了肝脏中参与药物代谢的几种重要的Ⅰ相和Ⅱ相代谢酶。
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表 3-2 肝脏中参与药物代谢的主要的Ⅰ相和Ⅱ相代谢酶
Ⅰ相代谢酶 细胞色素P450酶 环氧化物水合酶
水解酶
黄素单加氧酶 （FMO）
醇脱氢酶 醛脱氢酶
Ⅱ相代谢酶 葡萄糖醛酸转移酶 谷胱甘肽转移酶 硫酸转移酶 乙酰转移酶（NAT） 甲基转移酶 (MT)
在肝脏中参与药物代谢的Ⅰ相和Ⅱ相代谢酶中以P450酶最为重要，它是一种以铁卟啉为辅基的蛋白质，具有以下几方面的生物学特性：
1．P450酶是一个多功能的酶系，可以催化60种以上的代谢反应，它可作为单加氧酶、脱氢酶、还原酶、过氧化酶、酯酶等而催化代谢反应，因此P450酶可以催化一种底物同时产生几种不同的代谢物；
2．P450酶对底物的结构特异性不强，可代谢各种类型化学结构的底物，每一种P450酶都有广泛的底物，既能代谢大分子底物，也能代谢小分子的底物；
3．P450酶存在有明显的种属、性别和年龄的差异。其中以种属差异表现最为明显，不同种属的P450同工酶的组成不同，因此药物在不同种属的动物和人体内的代谢途径和代谢产物可能是不同的。这是由于P450在不同种属中的基因表达上的差异所造成的，P450酶在不同种属的动物和人体内的表达有质和量的差异，因此不同种属的动物和人体内的P450酶的底物和产物的特异性及P450酶的活性可以不同。这是造成代谢种属差异的主要原因，因此我们不能用动物P450酶来代替人的P450酶进行研究。P450酶的性别差异在大鼠体内表现最为明显，现已发现雌雄大鼠体内的P450同工酶的组成有明显的质和量的差异，某些药物在雌雄大鼠体内的主要代谢途径和代谢产物可能是不同的，因而造成其在雌雄大鼠体内的毒性也存在明显的差异，这值得引起临床前药动学和毒理学研究的重视。P450酶在年龄上的差异主要表现为酶的量和活性方面；
4．P450酶具有多型性，它是一个超级大家族，每种哺乳动物至少有30种以上的P450酶，由此可见P450酶系是由多种类型的P450酶所组成的一个庞大家族；
5．P450酶具有多态性（polymorphisms），即同一种属的不同个体间某一P450酶的活性存在较大的差异，可将个体按代谢速度的快慢分为快代谢型RM（rapid
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metabolizer）或强代谢型EMs(extensive metabolizers)及慢代谢型SM(slow metabolizer)或弱代谢型PMs(poor metabolizers)。现已发现在人肝P450酶中CYP1A1-3、CYP2C8-9、CYP2C19、CYP2D6、CYP2E1和CYP3A3-4均表现出明显的多态性，其中以CYP2D6和CYP2C19的多态性最为典型，如由CYP2C19参与的S-美芬妥因的羟化代谢就表现出典型的多态性，即不同个体对S-美芬妥因的羟化代谢速度存在非常显著的差异，按代谢速度可以将人群分为两种类型即EMs和PMs,前者的血药浓度明显低于后者，PMs的AUC值显著升高，消除半衰期明显延长。P450酶的多态性主要是由于其基因缺陷所致，这种基因缺陷可能是由于遗传变异所造成的。P450酶的多态性不仅表现在同一种属的不同个体间，同时不同种族间的代谢缺陷发生率也存在显著的差异，如CYP2D6在不同种族中的弱代谢者的发生率就存在明显的种族差异，黄种人对异喹胍的代谢缺陷发（即弱代谢者）生率为1%左右，黑人的代谢缺陷发生率为0～2%，而白种人的代谢缺陷发生率高达5～10%。
6．P450酶具有可诱导和可抑制性，一方面很多化学异物（其中包括药物）可对P450酶产生诱导作用，使某些P450酶的量和活性明显增加。很久以前人们就发现了这一现象，其中最典型的例子就是苯巴比妥可以诱导肝P450酶，从而加速其自身的代谢，使其镇静、催眠作用减弱。另一方面，许多外源性的化学异物包括许多药物可以选择性地抑制某些P450酶，使其活性明显降低，因而可以抑制其对其它化学异物的代谢。
参与药物代谢的动物肝微粒体P450酶较为复杂，而人肝微粒体中参与药物代谢的P450酶相对比较简单，主要有CYP1A、CYP2C、CYP2D、CYP2E和CYP3A五大类，其含量和特性见图3-1和表3-3。
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A2D630%2C9/10/1911%2A62B6<1%<1%1A24%1A1<1%3A452%2E12%
图3-1 人肝微粒体内参与药物代谢的主要的P450酶的含量
表 3-3. 参与药物代谢的主要的人肝P450酶的特性
P450酶 CYP1A1 CYP1A2
特征反应 7-ethoxyresorufin
O-脱乙基
非那西丁 O-脱乙基
底 物 7-乙氧基香豆素、苯并芘扑热息痛 咖啡因 芳香胺 丙米嗪 华法令雌二醇 乙酰苯胺 非那西丁 茶碱 卡马西平 紫杉醇 双氯芬酸 苯妥英 炎痛喜康 替诺昔康S-华法令 甲苯磺丁尿 安定 普萘洛尔 苯妥英钠 丙米嗪 兰索拉唑奥美拉唑 S-美芬妥因甲苯巴比妥
抑制剂 α-萘黄酮 Furafylline α-萘黄酮
诱导剂 β-萘黄酮 吸烟 奥美拉唑
CYP2C8
CYP2C9
CYP2C19
紫杉醇 6-羟化 双氯酚酸 4-羟化
槲皮黄素
Sulfaphenazole
苯巴比妥 利福平 苯巴比妥 利福平
S-美芬妥因 4-羟化
丁呋洛尔 1-羟化
Tranylcy-promine 苯巴比妥
利福平
CYP2D6
阿米替林 卡托普利
氟卡尼 氯氮平 可待因 氟西汀 氟桂利嗪 慢心律 昂丹司琼 美托洛尔 心律平 普萘洛尔 扑热息痛 咖啡因 乙醇 安氟醚 氨苯砜 对硝基酚 异氟烷 茶碱
扑热息痛 奥芬太尼安定 息斯敏 环磷酰胺
奎尼丁 育亨宾
巴比妥类
CYP2E1
对硝基苯酚
羟化
Diethyldithio- 乙醇
异烟肼 cabamate
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CYP3A4
睾酮 6β-羟化
卡马西平 洋地黄毒甙环孢素 替尼泊甙 异环磷酰胺 茶碱 氯雷他定 利多卡因 丙米嗪 兰索拉唑 氟他胺 足叶乙甙 咪唑安定 洛沙坦 洛伐他汀 硝苯地平 奥美拉唑 他莫昔芬特非那丁 维拉帕米
三乙酰竹 桃霉素 酮康唑
苯巴比妥 卡马西平 苯妥英 利福平 地塞米松
（引自柳晓泉等，药学进展 2000；24：334-336）
二．药物的肝外代谢及其代谢酶
众所周知肝脏是药物主要的代谢器官。但随着分子生物学如蛋白质分离纯化技术、免疫抗体标记及cDNA技术的发展和应用，越来越多的药物代谢酶在肝外组织和器官中被发现，如Ⅰ相反应的主要酶系P450及黄素单加氧酶、过氧化物酶、环氧化物水合酶等；Ⅱ相代谢反应的葡萄糖醛酸转移酶、硫酸转移酶、乙酰化酶、甲基化酶、氨基酸结合酶等。随着药物代谢研究的不断深入，人们逐渐发现有些药物的代谢在肝内及肝外均有代谢,如氨基比林、红霉素、环磷酰胺和阿糖胞苷等；而有些药物的部分代谢过程仅在肝外的特定组织进行，如维生素D3的1位羟化仅于肾脏中进行。这表明许多肝外组织也参与了药物的代谢，但肝外组织又因其各自的组织解剖及生理功能的不同，而具有不同的代谢特点。
（一）．药物肝外代谢酶的种类和分布及生物学意义：
肝外药酶种类繁多、分布广泛、含量少、影响因素多，研究起来较为复杂，但有着重要的意义。对于药物肝外代谢酶的研究始于20世纪70年代，多年来的研究发现，这些酶广泛存在于多种肝外组织，如血浆、皮肤、脑、肺、肾脏、肾上腺、胃肠道等。这些组织中的代谢酶参与了许多内源性物质（如激素、脂肪酸、生物胺等）及外源性物质（如药物、食品添加剂、致癌物等），并在多种生理及病理过程中起着重要的作用。许多肝外组织如肠道含有中Ⅰ相和Ⅱ相代谢酶并直接参与了药物的代谢，因此，药物的肝外代谢越来越被重视。肝外药酶种类很多，但其中主要为P450酶、转移酶、结合酶和脱氢酶四大类。
目前，在药物肝外代谢研究中，主要研究Ⅰ相代谢酶中的P450酶，包括CYP1A1、CYP1B1、CYP2和CYP3A等。CYP1A1可以催化多环碳氢化合物的氧化代谢，
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参与机体对多种前致癌物和致突变物的活化过程。CYP1A1水平是反映化学致癌作用的有效指征。CYP1B1参与了许多甾体激素如雌二醇、雄激素酮、睾丸激素等的代谢，对甾体激素的功能有着重要影响。CYP2A6或CYP2A7和CYP2E1在食管粘膜的表达可以活化亚硝胺，这几种酶的表达在食管癌发生的部位尤为明显，可能与食管癌的发生有关。CYP2E1代谢底物可达70多种，大部分为前致癌物和前毒物，小部分为临床药物，如茶碱和氯羟苯噁唑等。肠道CYP3A对药物在肠道的首关消除中起重要作用，此外，在药物间的相互作用、药物作用的个体差异等方面也有不容忽视的作用。
在药物肝外代谢研究中，主要研究的Ⅱ相代谢酶是其中的结合酶和转移酶，如葡萄糖醛酸转移酶（UGTs）、硫酸转移酶（STs）、谷胱甘肽-S-转移酶(GSTs)和N-乙酰化酶(NAT)。UGTs位于内质网和核膜上，催化药物、类固醇等的葡萄糖醛酸化。肠内葡萄糖醛酸化在首关消除及口服药物生物利用度的个体差异中均起着重要的作用。GSTs对亲电复合物，如致癌和细胞毒性药物的解毒有重要作用。胃肠道中酸性GSTs的含量是明显高于肝脏，这表明胃肠道在药物解毒方面起了很重要的作用。NAT可使许多含伯胺基或磺酰胺基的生理活性物或药物在体内乙酰化。脱氢酶参与机体正常生理功能的维持和某些药物及外源性物质的生物转化。此外，在肝移植或肝功能受损的情况下药物的肝代谢受阻，药物的肝外代谢作用会增强，以弥补肝代谢的不足。因此，肝外代谢在药物代谢中发挥了不容忽视的作用。
（二）、药物肝外代谢的主要部位 1． 药物的肠代谢
（1）肠道中重要的药物代谢酶 肠道中药物代谢酶主要分布于上皮细胞，其中绒毛尖端活性最强，然后朝着腺窝方向逐渐降低，十二指肠和空肠的代谢活性高于回肠和结肠。肠道中药物代谢酶主要有以下几种：
1）CYP3A：除肝脏外，肠道中的CYP3A含量及活性最高。CYP3A是肠道中重要的P450酶，其底物范围广，临床上约有60%的药物可由CYP3A代谢。肠道的CYP3A在药物的首关消除中发挥了重要的作用，许多临床常用的药物可以在肠道中代谢（见表3-4），它是造成许多药物口服生物利用度偏低的重要原因之一。
2）葡萄糖醛酸转移酶：该酶催化许多化合物在肠壁内与葡萄糖醛酸结合，
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其活性在十二指肠最高，在结肠最低。如吗啡及黄芩甙元等可在肠道内与之形成葡萄糖醛酸结合物。
3）硫酸转移酶：该酶主要催化含醇、酚及芳香胺等药物如异丙肾上腺素等形成硫酸结合物。
4）乙酰转移酶：该酶催化某些药物的氨基与醋酸结合，如对氨基水杨酸及异烟肼是其典型底物。
5）儿茶酚氧位甲基转移酶：该酶可使儿茶酚胺类物质儿茶酚氧位甲基化，从而使该类化合物失活。该酶可被Mg2+、Mn2+等金属阳离子激活，但能被巯基抑制剂所抑制。
6）酯酶：该酶在肠粘膜中分布广泛，且具有底物特异性及种属差异，属于羧酸酯酶，能水解含酯键的药物如阿司匹林，匹氨西林等。
7）羟化酶：该酶存在于人和动物的十二指肠绒毛上皮中，这种酶可使一些前体致癌物转化为活性的致癌物。
此外，肠道中还含有乙醇脱氢酶、单胺氧化酶、环氧化物水合酶等其它酶。
表3-4药物的肠代谢
底物
乙酰羟基洋地黄毒甙，普鲁卡因 阿司匹林，氯贝丁酯，匹氨西林
乙醇
氨基水杨酸，5-氨基水杨酸，异烟肼，磺胺类药
去甲丙米嗪 炔雌醇 氟西泮，非那西丁 异丙肾上腺素，扑热息痛
吗啡，睾丸素 奥索地平，环孢霉素
代谢酶 脱羟酶 酯酶 醇脱氢酶 乙酰化酶 N-硫酸转移酶 P450，硫酸转移酶
P450酶 硫酸转移酶 葡萄糖醛酸转移酶
CYP3A4
（2）肠道代谢的特点
药物可经胃肠道吸收而进入体内，它是药物进入体内的一条重要途径，但研究发现许多药物及化学异物通过肠道时即被代谢，使进入体循环的实际药量减少，从而导致药物的生物利用度降低，这种肠道的首关效应已引起相当重视。概括起来药物的肠代谢具有以下几个特点：
1) 肠中代谢酶催化结合反应的能力远超过催化分解反应的能力，因此药物
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在肠中主要形成结合产物。在结合反应中主要是形成硫酸结合物和葡萄糖醛酸结合物，肠粘膜药物代谢多具有解毒性质。
2) 药物的肠代谢（包括Ⅰ相代谢和Ⅱ相代谢）常常导致首关效应，使药物的生物利用度降低。
3) 肠粘膜药物代谢酶具有饱和性和可诱导性。许多众所周知的肝药酶诱导剂也可诱导肠粘膜中相应酶的活性，有意思的是3-甲基胆蒽和其它P450酶诱导剂对肠粘膜药酶的诱导作用明显强于P450酶强效诱导剂苯巴比妥，这提示P450酶诱导剂可能存在一定的组织器官选择性。
2．药物的肾代谢
(1)肾中重要的药物代谢酶
肾脏中的药物代谢酶主要分布于肾皮质和肾髓质中（见表3-5），由表3-5可以看出肾脏中药物的代谢酶大多集中在肾皮质层。肾中的Ⅰ相代谢酶主要有P450酶、脱氢酶及各种单加氧酶等，但其含量或活性均明显低于肝脏药酶，所以药物在肾脏中的I相代谢处于次要地位。肾中的药物代谢酶主要是Ⅱ相代谢酶，如葡萄糖醛酸转移酶、
表3-5 药物代谢酶在肾脏中的分布
代谢酶
肾皮质
肾髓质
细胞色素P450酶 乙醇脱氢酶 类固醇21-羟化酶 单胺氧化酶 羧酸酯酶
葡萄糖醛酸转移酶 硫酸转移酶 谷胱甘肽S-转移酶 N-乙酰转移酶 氨基酸结合酶
“ “
√ √ √ √ √ √ √ √ √ √
√ √ √ √ — √ — √ √ —
√”-药酶在此部位有分布
—”-药酶在此部位无分布
硫酸转移酶、谷胱甘肽-S-转移酶、N-乙酰化酶和氨基酸结合酶等，因此Ⅱ相代谢在药物的肾代谢中占据主要的地位，如去甲丙米嗪、吗啡、齐多夫定等均可在肾脏中形成Ⅱ相代谢物。 （2）肾脏代谢的特点
- -
肾脏是机体重要的排泄器官，药物进入机体后，以原形或代谢物经肾排泄。药物在肾中的代谢研究促进了药物靶向性组织分布系统的发展，药物靶向性的组织分布避免了药物的一些副作用。例如，肾脏中高浓度的β裂合酶促使S-6-嘌呤-L-半胱氨酸转化成6-MP而发挥抗肿瘤和免疫抑制作用，这样就使其在靶组织—肾脏中高浓度蓄积，避免了药物的系统毒性。另一个例子是在肾近曲小管广泛分布的高浓度的γ-谷酰转肽酶将前体γ-谷酰多巴转化为肾特异性产物多巴胺。
此外，药物在肾中代谢后，可以使其排泄和重吸收发生改变。除了甲基化代谢物外，大多数结合反应会产生极性更强的代谢物而被迅速排出体外。由于肾脏是药物的主要消除器官，肾功能的改变将会直接影响到药物经肾脏的代谢和排泄，因此对于肾功能障碍的病人，在用药时应格外谨慎，应制订相应的给药方案。
3． 药物的肺代谢
（1）肺中重要的药物代谢酶
肺中也含有许多药物代谢酶，许多肝脏中的药物代谢酶在肺脏中也有表达，如P450酶、水解酶、结合酶、单胺氧化酶、黄素单加氧酶等。其中肺P450酶在对异物的生物转化及吸入的化学致癌物的失活和肺毒素的解毒方面发挥了重要的作用。在肺中表达的P450酶包括CYP1A，CYP2A，CYP2B，CYP2E，CYP2F，和CYP4B。P450酶在肺泡晶状体、杯状细胞、纤毛上皮细胞和血管上皮细胞仅有较低含量，但在无纤毛细支气管上皮细胞（clara细胞）和Ⅱ型肺细胞中，P450酶的分布可能是很高的，但是这种细胞在肺中很少，所以肺中P450酶的功能相对较弱。而黄素单加氧酶的一个亚型FMO2在肺中高度表达，但在肝脏中却没有表达，但其生物学意义目前尚不十分清楚。此外，除了上述的I相代谢酶外，肺中也存在一些Ⅱ相代谢酶如UGTs和STs。人类肺微粒体中还有一种依赖花生四烯酸的过氧化物酶---前列腺素H合成酶(PHS),它可以使有些致癌的芳胺类化合物通过过氧化作用而被活化，此酶只在肺中存在。 （2）肺代谢的特点
肺是化学异物(包括药物)通过呼吸进入体内的主要门户，它既可与空气中的环境化学异物接触，又可与体循环中的化学物质相接触。而肺中各种细胞对各种药物或化学异物的处置是不同的，它可以使之失活，也可以使之活化。药物的肺代谢可受到细胞摄取量、细胞内还原型GSH的水平，以及修复过程等因素的影
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响，但主要取决于该类细胞对药物及化学异物的处置能力或失活的能力。由于肺中所含的药物代谢酶的含量和活性较低，因此药物在肺中的代谢是有限的，目前已知只有为数不多的药物如茶碱可以在肺中代谢。
虽然肺不是药物的主要代谢场所，但是由于肺代谢在某些疾病如癌症的形成过程中发挥了一定的作用，这就使得肺代谢具有特殊重要的意义。
1）肺与肝脏不同，是一种复杂的极不均匀的组织，肺是由40种以上不同类型的细胞所组成，在许多类型的细胞中，其代谢酶的活性和含量存在显著的差异。
2）肺的另一个特点就是血流丰富且灌流速率高、表面积大，有利于药物或化学异物随血流和呼吸气体而扩散，这些解剖和生理学上的特性对药物在肺脏中分布和代谢都有一定的影响。
4 药物的脑代谢 （1）脑中重要的代谢酶
脑中也存在一些重要的Ⅰ相和Ⅱ相代谢酶，其中的Ⅰ相代谢酶主要有P450酶、黄素单加氧酶（FMO）、MAO和酮还原酶；Ⅱ相代谢酶主要有葡萄糖醛酸转移酶、硫酸转移酶和甲基转移酶。在脑中表达的P450酶主要有CYP 2B1/2B2、CYP1A1、CYP1A2和CYP2E1，脑中不同部位都存在少量P450酶，其中含量最高的部位是脑干和小脑，最低的部位是纹状体和海马。黄素单加氧酶的几种亚型如FMO1、FMO2、FMO4在脑中都有表达。细胞免疫化学定位研究揭示P450酶系和FMO主要分布在神经元细胞体，特别是在大的网状结构神经元和较低的人延髓颅神经核。P450酶系主要代谢脑中各种异物，而FMO可将各种精神兴奋性药物代谢为其N-氧化物和S-氧化物，如脑中FMO能迅速地将丙咪嗪代谢为其N-氧化物。脑中其它的Ⅰ相代谢酶还有MAO和酮还原酶，前者负责儿茶酚胺的脱胺，后者对类固醇进行特异性还原。
（2）脑代谢的特点
脑是人体中最敏感、最复杂的组织，脑的复杂性延伸到其解剖和细胞特征的不同。环境毒物在神经变性疾病的发病机制中的作用，激发了人们研究脑对化学异物代谢能力的兴趣。另外，精神兴奋性药物在靶组织的代谢能导致作用部位的局部药理作用，也引起人们对药物脑代谢的关注。
1）通常药物的代谢常常导致水溶性代谢物的形成，以便药物从肾脏排出。
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然而在脑中，由于血脑屏障的存在，水溶性代谢物的形成将导致代谢物在脑中的消除半衰期的延长。
2）脑中P450酶的同工酶可被苯巴比妥、乙醇和3-甲基胆蒽诱导。有趣的是尼古丁选择性诱导脑中的P450酶和某些单加氧酶的活性，但对肝脏中的P450酶毫无影响。
3）脑中微粒体P450酶和线粒体P450酶都参与异物的代谢，且脑中线粒体P450酶的含量明显高于微粒体中P450酶含量。
4）虽然在脑中存在有Ⅰ相代谢和Ⅱ相代谢酶，但由于其含量和活性较低，且因血脑屏障的存在，使得许多药物无法进入到脑中，因此脑在体内药物的代谢中的作用是有限的，脑中的药物代谢酶更多的是参与一些内源性物质如神经递质的代谢，只有为数不多的可以进入到脑中的药物有可能在脑中被代谢。
5．其它组织中的药物代谢
除了上述的组织和器官外血浆、胎盘、皮肤、眼和脾脏中也存在一些药物代谢酶，因此药物在这些组织和器官也可进行代谢，但目前对于药物在这些组织和器官中的代谢了解甚少。
虽然肝脏是药物的主要代谢场所，但在某些情况下药物在肝外组织中的代谢发挥了不容忽视的作用，如由于肝脏疾病导致肝功能不足的情况下药物的肝外代谢可以补偿肝代谢不足。在药动学研究中如出现药物的机体总清除率大于正常的肝血流量（正常的肝血流量为1～2.5 L/min）的情况，则应考虑该药物可能存在肝外代谢组织。随着药物代谢研究的进一步深入、分子生物学和免疫化学等新技术的应用，我们可以更进一步地了解参与药物代谢的主要的肝外代谢酶及其组织分布。这将有助于我们更清楚地了解药物的肝外代谢在药物代谢中发挥的作用和所处的地位及其意义，使我们对药物的代谢有一个更为全面的认识，有助于进一步了解肝外药物代谢酶在体内各组织和器官的具体分布及生物学意义。
第三节 影响药物代谢的因素
药物在体内的代谢转化一般是在酶的催化下进行的，体内参与药物代谢的酶主要是肝脏的P450酶，P450酶的一个重要的特性就是可以被诱导或抑制，同时P450酶存在明显的种族、年龄和性别的差异，且具有明显的多态性，这些因素
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都会影响到肝药酶的含量和活性，必然会对药物的代谢转化产生影响，从而使药物的效应和药动学行为产生相应的变化。由此可见P450酶的活性可以受到诸多因素的影响，因此存在较大的个体差异，但在所有的这些影响因素中，遗传因素是造成个体差异的主要原因。这是造成药物在体内的药动学和药效学过程存在较大的个体差异的主要原因之一。影响药物代谢的因素大致可有下列的几种。
一．代谢相互作用
参与药物代谢的P450酶的一个重要的特性就是可以被诱导或抑制。许多临床常用的药物可以对P450酶产生诱导或抑制作用，因此当两种或两种以上的药物合用时就会出现药物间的代谢相互作用。有些药物如苯巴比妥、卡马西平、苯妥英钠、利福平、地噻米松及乙醇等可使肝药酶的活性增加，称之为肝药酶诱导剂，它们可以加速其它药物的代谢而使药效减弱。如苯巴比妥与口服抗凝药合用时，可使抗凝药的代谢加速而失效；而利福平与口服避孕药合用时，可使避孕药的代谢加速而导致意外怀孕。有些药物如氯霉素、别嘌呤醇、异烟肼、酮康唑、西咪替丁和保泰松等可以抑制P450酶，使其活性降低，使其它药物的代谢减慢而药效增强。如氯霉素与抗凝药双香豆素合用时，可使双香豆素的代谢受阻而引起出血；酮康唑可以抑制特非那丁的代谢，使特非那丁的血药浓度大幅提高而导致致命性的室性心律失常，故药物间的代谢抑制一般被认为是一种潜在危险，应尽量加以避免。因此了解联合用药时药物间的潜在代谢相互作用具有十分重要的临床意义，可以提高临床用药的安全性和有效性。药物间的代谢相互作用常常由参与其代谢的肝药酶被诱导或抑制所致，因而可采用肝微粒体技术在体外研究药物间是否存在潜在的代谢相互作用。例如采用肝微粒体技术研究西尼地平与几种临床常用药物间的代谢相互作用，结果表明环孢素、红霉素和辛伐他丁在体外表现出对西尼地平代谢的抑制作用（见图3-2），由于三者均是CYP3A的抑制剂或底物，这提示西尼地平与CYP3A的抑制剂或底物合用时可能会出现代谢上的相互作用，使西尼地平的代谢速率降低，西尼地平二氢吡啶环脱氢代谢物生成减少，而原型药物的水平显著提高。这可能会影响临床疗效的正常发挥，因此从提高临床用药的安全性和合理性的角度来讲，这种代谢上的相互作用值得引起临床重视。
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2520浓度/ug/ml西尼地平代谢物151050对环照孢辛素A伐他洛丁伐甲他苯丁磺丁格脲列齐特红霉格素列喹格酮列美卡脲托普二利甲双法胍莫替丁相互作用药物西尼地平
图3-2 人肝微粒体中几种临床常用药物对西尼地平代谢的影响 （引自孟 群等，中国药科大学学报 2004；35：524-527）
此外还有许多化学异物（如毒物、环境污染物、食物及食品添加剂等）也可以对肝药酶产生诱导或抑制作用，从而影响到药物的代谢。
二． 种属差异性
不同种属的P450同工酶的组成是不同的，因此同一种药物在不同种属的动物和人体内的代谢途径和代谢产物可能是不同的。这是由于P450在不同种属中的基因表达上的差异所造成的，P450在不同种属的动物和人体内的表达有质和量的差异，因此不同种属的动物和人体内的CYP450酶的底物和产物的特异性及P450酶的活性可以不同。这是造成药物等外源性物质在不同种属中代谢差异的主要原因，因此我们不能简单地用动物P450酶来代替人的P450酶进行研究。由于药物在不同种属的动物和人体内的代谢途径和代谢产物可能存在一定的差异，这必然会导致其在不同种属的动物和人体内的药效和毒性也存在一定的差异，因为许多药物的毒性来自于其在体内形成的毒性代谢产物，因此药物的毒性也常常会表现出明显的种属差异，这种毒性的种属差异常常是源于其代谢的种属差异。 例如Clivorine的代谢就表现出明显的种属差异，它是一种吡咯里西啶生物碱，具有明显的肝脏毒性，且其毒性表现出非常明显的种属差异，其在大鼠体内的毒
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性远大于其在豚鼠体内的毒性。在对其代谢种属差异性研究中发现，其在大鼠和豚鼠体内的代谢也存在明显的种属差异性，其在大鼠和豚鼠肝微粒体内的代谢见图3-3。Clivorine在豚鼠肝微粒体内的主要代谢方式为水解，其主要代谢物为无肝毒性的clivopic acid；Clivorine在大鼠肝微粒体内的主要代谢方式是氧化形成相应的吡咯代谢物。而 Clivorine的肝毒性是其在体内形成的具有肝毒性的吡咯代谢物（boud pyrroles）所致，因此Clivorine毒性的种属差异是由于其代谢的种属差异所导致的。这种代谢的种属差异导致毒性差异的现象值得引起重视。因此在进行药物的临床前药效和安全性评价时应尽可能选择代谢与人体相似的动物进行，这样可以为药物的临床研究和使用提供更为可靠的参考依据。
图 3-3 Clicorine在大鼠(R)和豚鼠(GP)肝微粒体体中的主要代谢途径 （引自Ge lin, et al. Chem Res Toxicol 2002;15:1421-1428） 三． 年龄和性别差异 1．年龄的影响
药物代谢的年龄差异主要在儿童和老年人中表现，这是因为机体的许多生理机能（如肝、肾功能等）与年龄有关。儿童正处于机体的生长发育期，其肝脏尚未发育完全，因此肝药酶的含量和活性较低，使药物在体内的代谢消除受到影响，以致出现毒副作用。如新生儿肝脏缺乏葡萄糖醛酸转移酶服用氯霉素可导致灰婴
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综合。老年人的心、肝、肾、中枢神经系统等器官的功能明显衰退，老年人的肝脏和肾脏实质减少，肝、肾血流量下降，尤其是肝中的药物代谢酶的数量和活性均有不同程度的降低，对药物的代谢和排泄能力明显降低，可使血药浓度过高或作用持续时间过于持久而出现不良反应甚至毒性。
庆大霉素在老年人和青年人中的药动学就存在显著的差异，老年人和青年人分别静脉滴注120 mg庆大霉素后，从其药-时曲线（图3-4）和尿排泄曲线（图
血药浓度/mg·L老年人 （n=10）青年人 （n=8）-1时间/h
图3-4 老年和青年人静脉滴注120 mg庆大霉素后的平均血药浓度-时间曲线 (引自张 菁等，中国临床药理杂志，1998；14：82-85)
3-5）及其主要的药动学参数（见表3- 6 ）可以看出庆大霉素在老年人和青年人中的药动学过程存在非常显著的差异，与青年人相比，老年人的t1/2明显延长，Clrenal明显降低，AUC值显著升高，因此应针对老年人的药动学特点制订相应的老年人给药方案，以确保老年人用药的安全有效。
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图3-5 老年人和青年人静脉滴注120 mg庆大霉素后的平均累积尿排泄率
(引自张 菁等，中国临床药理杂志，1998；14：82-85)
表3-6 老年人和青年人静脉滴注120 mg庆大霉素后的药动学参数
药动学参数
－
老年人 青年人
mean±SD mean±SD
Cmax（mg·L1） 11.52±2.18 11.36±3.20 T1/2α(h) 0.24±0.13 0.32±0.20 T1/2β(h) 3.52±0.73 2.39±0.14** Vd(L) 19.±2.38 19.54±4.93 CLtotal(L·h1) 4.05±0.90 5.65±1.28**
－
CLrenal(L·h1) 2.66±0.82 4.75±0.96**
－
AUC(mg·h·L1) 31.00±6.97 22.10±4.30**
－
UER(%) .71±8.81 84.06±5.82** *P<0.05; **P<0.001(引自张 菁等，中国临床药理杂志，1998；14：82-85)
2． 性别的影响
药物代谢存在一定的性别差异，但这一差异没有年龄差异那么显著，且其在人体内的代谢性别差异没有动物那么明显。如大鼠体内参与药物代谢的P450酶存在明显的性别差异，如CYP2A2、CYP2C11、CYP2C13和CYP3A2为雄性大鼠所特有，而CYP2C12为雌性大鼠所特有，因此有些药物在大鼠体内的代谢方式和代谢产物表现出明显的性别差异。如盐酸雷诺嗪在大鼠体内的药动学就表现出明显的性别差异，雌雄大鼠灌服25 mg/kg盐酸雷诺嗪后，其血药浓度-时间曲线见图3-6，药动学参数见表3-7。
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9.008.007.00浓度/ug/ml6.005.004.003.002.001.000.000100200300400时间/min500600700800****雌雄
图3-6 雌雄大鼠灌服25 mg/kg盐酸雷诺嗪后的血药浓度-时间曲线（*P<0.05）
表3-7. 盐酸雷诺嗪在雄性和雌性大鼠中主要药代动力学参数比较
剂量 (mg/kg)
雌 雄 性别
t1/2 Cmax MRT Cl AUCt (min) (μg/ml) (min) (ml/min) (μg.min/ml) 140.7±22.4* 5.57±2.49 247.0±12.9* 3.39±0.88* 1786.0±538.6** 119.9±8.2 4.73±1.96 209.5±43.3 6.80±3.2 840.2±374.3
25.0
*P<0.05,**P<0.01
由上述图表可以看出盐酸雷诺嗪在雌雄大鼠体内的血药浓度和主要的药动学参数存在显著性的差异，盐酸雷诺嗪雌性大鼠体内的消除比雄性大鼠慢，这表明盐酸雷诺嗪在大鼠体内的消除存在显著的性别差异。这一现象应引起重视，在选择大鼠进行药动学、药效学和毒理学研究时应考虑其是否存在性别差异，及其对药动学、药效学和毒理学的影响。
多数药物在人体内的代谢没有表现出明显的性别差异，但有些药物的体内过程确实存在性别的差异，如利多卡因在女性体内的半衰期比男性长；阿司匹林和利福平在女性体内的血药浓度高于男性；普萘洛尔、利眠宁和地西泮在女性体内的清除率低。因为女性在月经周期、怀孕和哺乳期能够通过改变药物的吸收、分布和清除而对有些药物的体内过程产生影响，使药物的药动学行为表现出明显的性别差异。
四． 遗传变异性
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遗传变异是造成药物的体内过程出现个体差异的主要原因之一。因为大多数药物在体内通过各种酶的代谢转化而消除，而体内许多参与药物代谢的酶如P450酶、N-乙酰转移酶、甲基转移酶、硫酸转移酶、葡萄糖醛酸转移酶、乙醇脱氢酶和乙醛脱氢酶等均存在遗传变异，造成这些药物代谢酶具有遗传多态性，出现不同的遗传表型即强代谢型（或快代谢型）和弱代谢型（或慢代谢型），使这些酶的含量或活性在不同的个体间表现出明显的差异，因而对药物的代谢转化产生影响，由它们所介导的代谢就会表现出非常显著的个体差异。对于弱代谢者而言，药物在体内的代谢能力减弱，因而药物从体内的消除减慢，药物的消除半衰期明显延长，同时血药浓度和AUC显著升高，其结果是药理效应的增强，甚至引起毒副作用，此外由于原型药物的显著升高，反复多次用药时易引起药物的蓄积而产生蓄积性毒性。对于强代谢者而言则正好与此相反。因此药物代谢酶的遗传变异日益受到人们的关注。
例如奥美拉唑（OPZ）进入体内后在肝药酶的作用下被代谢为5-羟基奥美拉唑（5-OH-OPZ）和奥美拉唑砜(OPZ-SF)，参与其代谢的主要的P450酶为CYP2C19，由于其具有典型的多态性，导致奥美拉唑在人群中的药动学存在非常显著的个体差异（见图3-7和表3-8）。这主要是由于参与其羟化代谢的
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图3- 7 16名健康志愿者口服20 mg奥美拉唑后血浆中奥美拉唑及其代谢物的
药-时曲线（引自搂雅卿等，中国临床药理学杂志 1994；10：14-21）
表3-8 奥美拉唑及其代谢物在强代谢型（EMs）和弱代谢型(PMs)健康志愿者中的药动学参数（x±s，n=8）
药动学参数
S-美芬妥英羟化代谢表型 EMs PMs
＜0.001 ＜0.005 ＜0.05 P
奥美拉唑
－
Ke(h1) 0.±0.34 0.25±0.10 T1/2(h) 0.85±0.22 3.30±1.78 CL(mg·μmol1·h1) 0.010±0.009 0.002±0.001
－
－
Ka(h1) 4.72±6.88
－
2.70±3.81 NS T1/2Ka(h) 0.51±0.40 1.33±1.44 NS Cmax(μmol) 1.80±1.76 2.03±1.28 NS AUC(μmol·h1) 3.70±3.90 13.0±6.0
－
＜0.005
＜0.001 ＜0.01 ＜0.05 ＜0.005 ＜0.056
＜0.001 ＜0.05
Tp(h) 1.69±0.98 3.60±2.43 NS 5-羟基奥美拉唑
－
－
－
Ke(h1) 0.78±0.17 0.31±0.20 T1/2(h) 0.92±0.19 2.57±1.15 Tp(h) 2.14±0.87 4.23±1.99 Cmax(μmol) 0.60±0.31 0.15±0.04 AUC(μmol·h1) 1.±0. 1.17±0.66
－
CL(mg·μmol1·h1) 0.013±0.005 0.024±0.017 NS 奥美拉唑砜
－
－
－
Ke(h1) 0.55±0.40 0.08±0.08 CL(mg·μmol1·h1) 0.028±0.030 0.002±0.001
T1/2(h) 1.95±1.46 15.5±21.8 NS Tp(h) 2.80±0.53 12.8±16.3 NS Cmax(μmol) 0.27±0.15 0.71±0.20 AUC(μmol·h1) 1.90±1.30 24.1±29.6
－
＜0.005 ＜0.05
（引自搂雅卿等，中国临床药理学杂志 1994；10：14-21）
CYP2C19发生遗传变异，表现出明显的遗传多态性，使人群中不同个体CYP2C19的羟化代谢能力存在较大的差异，按代谢能力的大小可将人群分为强代谢者
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（EMs）和弱代谢者(PMs)。从上述的图表中可以看出，奥美拉唑在弱代谢者中的消除半衰期明显延长，其 AUC值显著升高，与此同时生成的5-羟基奥美拉唑的量明显低于强代谢者，但奥美拉唑砜的量却明显高于强代谢者，这说明弱代谢者奥美拉唑羟化代谢酶的活性或数量低下。另一个有趣的现象是奥美拉唑羟化代谢能力与S-美芬妥英羟化代谢具有密切的相关性（见图3-8），即S-美芬
S-美芬妥英 S/R比值
S-美芬妥英 S/R比值
图3-8 S-美芬妥英S/R比值与奥美拉唑强代谢者和弱代谢者AUC(A)及清除率
(B)的关系（引自搂雅卿等，中国临床药理学杂志 1994；10：14-21）
妥英弱代谢者奥美拉唑羟化代谢能力亦表现低下，AUC增大，清除率降低。因此目前常常把S-美芬妥英作为CYP2C19的探针化合物来研究CYP2C19的遗传多态性。
五．病理状态
肝脏是药物的主要代谢器官，因此当肝功能严重不足时，必然会对主要经肝脏代谢转化的药物的代谢产生非常显著的影响。经肝脏代谢激活的药物，如可的松、强的松等的代谢激活作用被减弱，其疗效也被减弱；而主要经肝脏代谢失活的药物如甲苯磺丁脲、氯霉素等的代谢减弱，作用则被加强。某些疾病如心脏病
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可使肝血流量减少而使肝血流性清除的药物如普萘洛尔、利多卡因等的代谢速率减慢。
第四节 药物代谢研究常用的方法
药物代谢的体内研究和体外研究是相辅相成的，有时运用体外模型预测体内参数不理想时，就必须借助于体内筛选，体内代谢研究是体外研究的良好的衔接点。此外，药动学的体内代谢研究可以对体外研究的结果加以验证并帮助寻找更富预见性体外代谢模型。而体外研究可以通过高通量筛选对大量的候选化合物进行初筛，对候选化合物的药动学特性作出初步的评价，缩小体内筛选的范围。 一．药物体内代谢研究法
尽管目前已经建立了许多研究候选化合物体外代谢模型，但体内的代谢研究选仍占据重要的地位。因为候选化合物在体内的处置过程极为复杂，可以受到诸多因素的影响。如很多原因都可能造成候选化合物口服生物利用度低，这其中包括候选化合物难以通过肠粘膜而被吸收、存在肝脏或肠道的首关消除、存在P-gp参与外排机制或可通过胆汁迅速排泄，因此很难用一个体外筛选模型来分析其生物利用度低的原因。此外，可以通过口服或注射给药后的体内药动学研究获得一些非常重要的药动学参数如生物利用度、半衰期、清除率、分布容积等。但体内药物代谢研究也存在许多缺点，首先，这种方法需要花费大量的时间和人力，且无法进行大规模的筛选，因而不能满足新药筛选的需求；其次，这种方法需要消耗大量的样品和实验动物，因而研究费用高昂。
药物的体内代谢研究主要是在整体水平上进行的，给予一定剂量的药物后，于不同的时间段分别收集胆汁、尿液和粪便，然后采用HPLC、LC-MS和LC-MS/MS等方法从胆汁、尿液和粪便寻找药物的代谢产物（包括Ⅰ相和Ⅱ相代谢物），并对代谢产物进行初步的分析和鉴定，最终确定药物在体内的代谢途径。如大鼠和人静注I类抗心律失常新药盐酸关附甲素后，采用LC-MS法从其胆汁和尿液中分离出三个Ⅰ相代谢物，分别为关附壬素（GFI）、关附甲素氧化物(GFA oxide)和关附醇胺（AA）；四个Ⅱ相代谢物，分别为关附甲素和关附壬素葡萄糖醛酸结合
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物及关附甲素和关附壬素硫酸结合物。盐酸关附甲素在人和大鼠体内代谢途径如图3-9所示。
图3-9 盐酸关附甲素在人和大鼠体内代谢途径
二．药物体外谢研究
与体内代谢研究相比，体外代谢研究有很多优点。其一，体外代谢研究可以排除体内诸多的干扰因素，直接观察到代谢酶对底物的选择性代谢，为体内代谢研究提供重要的线索和依据；其二，对于体内代谢转化率低，且缺乏灵敏检测手段的药物来说，体外代谢不失为一种很好的研究手段；其三，体外代谢研究具有快速简便的特点，适合于大批量化合物的药动学筛选；其四，不需要消耗大量的样品和实验动物，因而研究费用相对较低。但体外代谢研究也存在某些不足之处，如可能与体内代谢情况不完全一致，因此体外代谢无法代替体内代谢研究，两者相辅相成。肝脏是药物主要的和重要的代谢器官，是药物生物转化的主要场所，富含参与药物代谢的一个庞大的依赖细胞色素P450的混合功能氧化酶系统，大多数药物的Ⅰ相和Ⅱ相代谢反应都是在肝药酶系统的参与下发生的，因此药物的体外代谢模型主要是以肝脏为基础的，并以其特有的优势和特点在药物代谢的研究中得到广泛的应用。下面着重介绍几种目前常用的体外肝代谢模型。
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（一）．肝微粒体及重组P450酶体外温孵法 1.肝微粒体体外温孵法
肝微粒体体外温孵法是采用制备的肝微粒体（一般采用差速离心法制备,见图3-10）辅以NADPH再生系统，在体外模拟生理环境条件进行代谢反应，经过一定时间的反应后，采用HPLC、HPLC-MS和HPLC-MS/MS测定温孵液中原型药物和其代谢产物，并对代谢产物进行初步的分析和鉴定。目前这一方法主要用于药物的代谢产物的结构鉴定和代谢途径的研究、通过测定药物体外代谢酶促反应动力学参数Vmax和Km来预测药物的体内代谢清除率、对药酶的抑制作用、药物代谢的种属和性别差异、药物的代谢相互作用等方面的研究。
取肝组织
0.1M磷酸盐缓冲液（pH7.4）反复冲洗
按1:4（W/V）加上述缓冲液制成匀浆
9000×g高速离心20分钟 下层（弃去） 上清液（转移）
100000×g超速离心1小时
上清液（弃去） 下层肝微粒体（转移）
悬浮于30%甘油－磷酸盐缓冲液
－70℃冰箱备用 与药物温孵培养
图3-10 肝微粒备流程图
肝微粒体体外温孵法与其它的体外肝代谢方法相比，具有酶制备技术简单、代谢过程快、结果重现性好、易于大批量操作、便于收集和积累代谢样品供代谢物结构确证研究；但该法所得的结果与体内代谢的一致性方面存在不足，因而其实验结果一般仅用于预测体内代谢情况，尚需体内代谢研究的进一步证实。
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2. 重组P450酶体外温孵法
基因重组P450酶体外温孵法与肝微粒体体外温孵法的主要区别在于酶的制备和纯度。基因重组P450酶是利用基因工程及细胞工程将P450酶表达的基因整合到大肠杆菌或昆虫细胞，经细胞培养，表达高水平的P450酶，然后经过分离纯化得到纯度较高的单一的P450同工酶。这一方法主要用于鉴别参与药物代谢的主要的P450同工酶、药物代谢多态性和药物的代谢相互作用研究。
其最大的特点是可以运用纯度较高的单一的P450同工酶进行药物的体外代谢研究，通过比较基因重组的人和实验动物肝脏P450酶对药物的代谢情况，了解药物代谢的种属差异性。
2．肝细胞体外温孵法
肝细胞体外温孵法与肝微粒体法相似，即以制备的肝细胞辅以氧化还原型辅酶，在模拟生理环境条件下进行代谢反应的体系，在反应过程中定时地从反应体系中取样，监测细胞的活性、药物及其代谢物的浓度，运用LC-MS和LC-MS/MS对代谢产物进行初步的结构鉴定。该法适于研究蛋白及mRNA水平药物代谢酶的诱导和酶活性，在药物代谢酶的诱导研究中占据主导地位，被广泛用于药物间的相互作用研究。
肝细胞体外温孵法的关键是肝细胞的制备，目前主要以胶原酶灌注技术制备肝细胞，其制备过程如图3-11所示。
麻醉大鼠，暴露分离肝门静脉
插管固定
灌注无钙，镁的Hanks液（含EDTA 1mM）,速度为30ml/min,T=39℃
待肝脏呈肉色，除保留肝门静脉，离断肝脏血管，韧带，及系膜
移入无菌平皿
灌注Ⅳ型胶原酶Hanks 液，速度15ml/min，T＝39℃
去除肝包膜及血管，钝性撕裂肝组织
培养基溶解，多层纱布过滤
50g 3分钟反复离心洗涤三次
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培养基制备单个肝细胞悬液
悬浮培养 单层培养
图3-11半原位酶法分离肝细胞流程图
肝细胞被分离后，可进行悬浮培养，也可用培养液适当稀释纯化的肝细胞悬液，使每ml培养液中约含0.5~1×106个肝细胞左右，pH7.4，培养液可选用DMEM，也可选用其他配方。培养液中需有适量的葡萄糖和充分的缓冲系统。向培养液中加入适量的小牛血清或清蛋白对细胞有一定的保护作用，还宜加入适量的激素和抗生素。所有的温孵需要在持续旋转瓶中，37℃，通入O2和CO2条件下进行。
肝细胞体外温孵法与肝微粒体法相比，在代谢物生成、体外代谢清除率等方面有许多相似之处，但针对具体药物，两者在代谢物种类、主要代谢物的生成和所反映的药物代谢特性上存在着程度不同的量或质的差异。该法的主要不足是肝细胞制备技术复杂，且体外肝细胞活性仅能维持4h，不利于储存和反复使用。
3. 离体肝灌流法
离体肝灌流法与肝微粒体法、肝细胞体外温孵法比较，一方面保留着完整细胞的天然屏障和营养液的供给，因而能在一段时间内保持肝脏的正常生理活性和生化功能；另一方面，具有离体系统的优点，能够排除其他器官组织的干扰，可控制受试物质的浓度，定量的观察受试物质对肝脏的作用。适合于定量研究药物体外代谢行为和特点。
大鼠麻醉后，暴露下腔静脉和门静脉，结扎下腔静脉与右肾之间的血管，将流出导管插入下腔静脉，固定后立即注入1%肝素1-2ml，使血液自然流出并保持通畅，注入导管插入门静脉，固定后立即开动蠕动泵注入葡聚糖Krebs-Henseleit灌流液pH7.4，打开胸腔后，在靠横膈一侧结扎下腔静脉上端（由门静脉注入的灌流液经肝脏后只由腹腔部分的下腔静脉流出），使其肝脏
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出口套管下腔静脉胆管门静脉入口套管
图3-12 肝脏体外循环示意图
形成体外循环（如图3-12所示），然后将肝脏完整无损的分离并移到灌流装置（如图3-13所示）的脏器室中，用含有低分子量葡聚糖并以氧和二氧化碳饱和的Krebs-Henseleit溶液代替血液，恒温恒速的灌注肝脏，使之在一定时间内维持其正常生理、生化功能。直接观察药物在一过式通过肝脏或反复循环的通过肝脏后，药物本身的代谢变化或它对肝脏的影响。目前肝灌流主要有两种形式：循环型和一过型。循环型在体系上更接近体内循环，灌流液需要量也少。而一过型可以提供大量的灌流液样品，能直接评价外来物经肝脏后的损失以及稳态下代谢产物的生成，易于建立剂量－反应关系。
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氧气室过滤器肝室95% O25% CO2热交换器胆管套管++++加湿器流速控制点+37℃水加样和取样口主贮液器蠕动泵磁搅拌器
图3-13 肝灌流装置工作原理示意图
离体肝灌流法具有器官水平的优势，兼备体外实验和整体动物实验的优点，能够解决其它体外肝代谢模型和整体动物实验中不能得到满意解决的难点。该方法在药理学和毒理学研究中已得到广泛的应用。但其对实验设备和技术有一定的要求，一定程度上了其应用。
4．肝切片法
肝切片不仅完整的保留所有肝脏药酶及各种细胞器的活性，而且保留了细胞与细胞间的联系及一定的细胞间质。因此对某些药物代谢研究来说，使用肝切片技术比使用游离肝细胞孵育或培养更能反应药物在体内生理情况下的真实代谢过程。该法主要用于药物的体外代谢研究，包括Ⅰ相和Ⅱ相代谢，特别适合于比
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较不同组织器官的代谢差异和代谢的种属差异。
肝切片的制备比较简单。用乙醚麻醉动物后取出整个肝脏，浸在pH7.4的冰Krebs-Henseleit缓冲溶液中洗净，将肝脏的各个叶分开，用不锈钢钻孔器将其制备成肝条，然后将肝条放入切片机的卡座，切成厚度约250～300µm的肝切片，切片直接浸在冰Krebs-Henseleit缓冲液中备用，其工作原理如图3-14所示。将切好的肝切片放入盛有约3～5ml孵育液（含有25mmol/LHepes的Krebs-Henseleit液）的闪烁杯中，每杯1～2片。加入待分析药品作为底物，浓度可在µmol/l~mmol/l范围。盖上橡胶盖子，通氧置恒温振荡水浴箱内孵育。根据实验设计要求在不同时间点取孵育液测定代谢产物及其生成速率。
图3-14 Krumdieck 组织切片机工作原理示意图
该法不破坏器官的组织结构和细胞结构，具有Ⅰ相和Ⅱ相多相代谢途径，因此所得的结果与体内法较接近，且可以在较长的时间内保持代谢活性（可达8-24h）。其不足之处是需要一些特殊的设备（如切片机），使其使用受到一定的。
第四节 药物代谢研究在新药研发中的作用
随着组合化学等高新技术的出现,大大地加快了候选化合物的出现速度,每年都有成千上万的新化合物需进行筛选。而传统的筛选方法需要消耗大量的样品和实验动物，但筛选的样品数量却十分有限。其突出的问题是效率低、成本高、
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规模小，极大地制约了创新药物发展的速度。因此迫切需要建立一套全新的药物筛选和评价体系，以提高创新药物开发的效率和成功率，缩短研究周期，降低开发的费用。目前这一筛选和评价体系已经初步形成，它是由药效学、毒理学和药动学共同构成的一个三位一体的完整的新药筛选和评价体系，这其中药物代谢研究起着重要的桥梁作用。通过体内外代谢研究，可以确定药物在体内的主要代谢方式、代谢途径及主要的代谢产物，在此基础上对原型药物及其代谢物的活性和毒性进行进一步的分析和比较，阐明药效或毒性产生的物质基础，为药效学和毒理学评价提供重要的线索。同时由于近年来建立了许多体外代谢模型，使我们有可能在体外进行大规模、高效率和低成本的代谢筛选，这极大地加快了新药筛选和开发的速度，提高了创新药物开发的效率和成功率，缩短研究周期，降低开发的成本。目前这一筛选评价体系已被广泛地用于创新药物的开发筛选。
一．药物的代谢研究与创新药物的开发和筛选
许多体外研究认为很有前途的化合物均因在体内活性很低甚至无体内活性或体内具有较大的毒性而夭折。缺乏体内活性可能是由于其药动学性质不理想，如首过效应较强，生物利用度太低，代谢较快，半衰期太短，或不易通过生物膜而进入靶器官；而体内的毒性则可能是由于其在体内形成的毒性代谢物所致。据文献报道进入临床试验后约有40%的候选化合物是由于药动学方面的原因而被淘汰的。因此，一个候选化合物不仅要有较高的体外活性，还应具有理想的药动学性质，即较高的生物利用度和理想的半衰期。因此药物的代谢研究已成为新药筛选的一个重要环节，在新药开发研究的早期即在进行体外药效筛选的同时，在体外运用肝P450等技术进行药物的代谢研究，以便及时提供反馈信息，选择具有较佳的药动学和药理学性质的候选化合物进行进一步的研究。一般来说化合物的脂溶性越高，其膜通透性越好，但同时其首过效应较强，生物利用度较低，代谢清除率较高，半衰期较短。药物的半衰期是一个重要的药动学参数，药物在体内的滞留时间的长短主要取决于其半衰期。我们可以通过改变其化学结构来降低其代谢清除率达到延长半衰期和提高生物利用度的目的。
药物的代谢研究可使我们预知候选化合物在体内的可能的代谢物及其潜在的毒性;另一方面可使我们预知在体外有效的药物是否在体内同样有效,因为许
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多在体外有效的药物在体内疗效很差或无效,这主要是由于这些化合物在体内的吸收和代谢转运等方面的原因所造成的。因此这一工作可为新药在体内的代谢研究和毒性的评价提供重要的线索。同时根据其在体内的代谢物的活性和毒性,合成更为安全有效的候选化合物以进行进一步的研究。
许多药物在体内可以形成活性代谢物，其中有些已被开发成为新药而用于临床，如扑热息痛是非那西丁在体内的活性代谢物，与非那西丁相比扑热息痛的镇痛作用更好，且无高铁血红蛋白血症和溶血性贫血等副作用。因此活性代谢物可为我们寻找更为安全有效的药物提供重要的线索。
二．药物代谢与药物的毒性评价
药物的毒性可能是由其母药产生的，也可能是由其毒性代谢物产生的。一个药物在获准上市前必须对其毒性进行全面的评价。但由于伦理道德方面的原因，无法在人身上进行有关的毒性试验，一般是在实验动物身上进行毒性试验和研究。随着新药开发研究的不断深入，人们又面临着一个新的问题，药物在动物体内的毒性能否反映其在人体内的毒性，因为药物的毒性研究的结果表明，药物所产生的毒性有种属依赖性，也即一个药物在不同种属间的毒性是不同的，这种差异有量的差异和质的差异。这种种属依赖性的毒性差异可以从药动学的方面加以解释，因为药物的代谢就存在种属差异，同一种药物在不同种属的动物体内的代谢方式和途径可以不同，所形成的代谢物也不尽相同，而许多药物的毒性是由其毒性代谢物所产生的，因此选择何种动物进行毒性研究就显得十分重要。了解药物代谢的种属差异及其机理将有助于我们解释和预测某一药物在体内的毒性或潜在的毒性，并帮助我们确定选择何种动物进行毒性研究。在新药开发研究的早期进行体外代谢研究可以使我们了解药物在实验动物和人之间的代谢方式和途径及差异，为毒性研究提供重要的信息，通过比较人和实验动物的代谢差异，为毒性研究的实验动物选择提供依据，即尽可能选择与人代谢相近的实验动物进行毒性研究。如ciamexon在小鼠体内可形成细胞毒代谢物，而在大鼠和人体内则无此代谢物，故不宜用小鼠进行毒性研究。因此如毒性试验的动物选择不当，就可能会对药物的毒性作出错误的评价。
三．药物代谢研究与药物的代谢相互作用
药物间的相互抑制通常被视为是一种潜在的危险或至少是所不期望的，这
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种由药物间的相互作用所产生的毒副作用是药物的潜在的毒性，这种毒性有时是十分危险的，应尽量加以避免。如特非那丁与酮康唑合用时，酮康唑可以显著地抑制特非那丁的代谢，造成特非那丁的血药浓度显著升高，可以导致致命的室性心率失常。对于那些安全范围窄的药物如抗凝药、抗忧郁药和心脑血管药物在联合用药时应格外小心。由于联合用药已成为临床上的一种重要的治疗手段，因此药物间的相互作用研究已成为新药研究的一个重要内容，在新药的开发研究阶段就应了解何种肝药酶参与了药物代谢及其本身对肝药酶的影响，对于那些治疗指数小又常与其他药物合用的药物这一点尤为重要。这一方面的工作可以为新药的临床研究和临床的合理用药提供理论依据。
(柳晓泉)
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