《生物药剂学》课件.ppt
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1、生 物 药 剂 学(Biopharmaceutics),孙 进沈阳药科大学生物药剂教研室新科研楼327室Tel:23842651,The goal of research in the Department of Pharmacy is to understand the regulatory mechanisms of drug absorption,distribution,metabolism and excretion in order to pharmacokinetically determine optimal drug therapies.To achieve this,fol
2、lowing research projects are currently in progress.1)Functional and Molecular Characterization of Drug Transporters and Its Application to Drug Delivery2)Pharmacokinetics in Normal and Disease States3)Mechanisms of Drug Interaction4)Clinical Aspects of Pharmacokinetics and Pharmacodynamics,Departmen
3、t of Pharmacy Kyoto University Hospital,Future Prospect It is of major social concerns to determine optimal drug therapies and to ensure their safety and efficacy.To meet the social and clinical needs,we will be focusing on following pharmacokinetic aspects.1)Molecular analysis of genetic polymorphi
4、sm of drug transporter genes2)Molecular mechanisms affecting pharmacokinetics 3)Isolation of unidentified drug transporters,主 要 内 容,生 物 药 剂 学 概 述 药 物 吸 收(口服药物、非口服药物)药 物 分 布 药 物 代 谢 药 物 排 泄 药 物 相 互 作 用 生 物 利 用 度 与 生 物 等 效 性,一、生 物 药 剂 学 概 述,学科出现的背景:对于含有相同量同样化学结构的药品,并不一定有相同的疗效,不同厂家的同一制剂,甚至同一厂家生产的不同批号的同
5、一药品也可能产生不同的疗效对于相同的药品,不同的人服用了却产生不同的疗效,学科出现的标志:生物药剂学(biopharmaceutics)一词最早见于1961年Wagner的综述(Wagner JG.Biopharmacutics.Absorption aspects.J Pharm Sci,1961,50:359.)该文章总结了影响药物制剂疗效的 因素,并提出了生物药剂学这一名词,研究药物及其剂型在体内的吸收(absorption),分布(distribution),代谢(metabolism),排泄(excretion)过程,阐明药物的剂型因素、机体的生物因素和药物疗效之间相互关系的科学。,
6、生物药剂学定义(biopharmaceutics,biopharmacy),生物药剂学的研究目的:正确评价药剂质量设计合理的剂型、处方及生产工艺为临床合理用药提供科学依据,使药物发挥最佳的治疗作用,药物的物理化学性质药物的某些化学性质,如同一药物的不同盐、酯、络合物或前体药物,即药物的化学形式和药物的化学稳定性药物的某些物理性质,如粒子大小、晶型、晶癖、溶解度、溶出速率等,药物的剂型因素,药物制剂的剂型处方、工艺的因素药物的剂型及所用途径制剂处方中所用辅料的性质与用量处方中药物的配伍及相互作用制剂的工艺过程、操作条件与储存条件等,种属差异,如鼠、兔、狗和人的差异种族差异,如不同的人种,白种人、
7、黄种人、黑色人种等性别差异,如动物的雌雄与人的性别差异年龄差异,如新生儿、婴儿、青壮年和老年人等生理功能的差异不同的遗传背景,如人的基因多态性(polymorphism)导致其表达蛋白在功能和活性上具有较大的个体差异不同的生理与病理条件,如健康与患病体质的差别以及妊辰、产后的特殊情况,机体的生物因素,定 义,吸收-药物从用药部位向体循环转运的过程。分布-指进入体循环的药物随血液向组织和脏器转运。代谢-指一种化学结构的物质转变成另一种化学结构的物质。这个过程在酶的参与下进行,又称生物转化。排泄-指药物或代谢物排出体外。,其它生物药剂学术语,转运(transport)(吸收、分布、排泄)消除(el
8、imination)(代谢、排泄)处置(disposition)(分布、代谢、排泄),不同剂型给药后药物的体内过程,生 物 药 剂 学 研 究 内 容,固体制剂的溶出速率与生物利用度研究。研究改进药物溶出速率与提高生物利用 度的方法。研究生物药剂学的研究方法。根据机体的生理功能设计控释制剂。研究微粒给药系统在血液循环中的命运,为靶向给药系统设计奠定基础。研究新的给药途径与给药方法。,生物药剂学为药物制剂学的研究工作基础之一,在处方筛选、工艺设计及保证制剂质量提供依据。药理学主要研究药物对机体某些部位的作用机制与方式,而生物药剂学是研究已证明有效的药物及剂型给药后在体内的动态过程。药物动力学是研
9、究药物体内过程的量变规律,为生物药剂学提供理论基础与研究手段。,生物药剂学与相关学科的关系,二、药 物 的 吸 收,口 服 药 物 的 吸 收 非 口 服 药 物 的 吸 收 注 射 给 药 吸 入 给 药 皮 肤 给 药 直 肠 与 阴 道 给 药 鼻 粘 膜 给 药 口 腔 粘 膜 给 药 眼 部 给 药,(一)膜 转 运(membrane transport),药物吸收必须通过生物膜(或细胞膜)称膜转运。膜转运是药物在体内转运(吸收、分布和排泄)的基础。生物膜组成:磷脂质、蛋白质和少量糖。,生 物 膜 结 构,1935年提出:细胞膜结构类脂质双分子层(非极性基向内,极性基向外),是 对称
10、的。上面镶嵌和衬垫各种具有生理活性的蛋白。膜上分布许多通道或“孔”,称 膜孔。小分子水溶性物质,可通过简单扩散穿越这些种充满水的小通道被吸收,而大分子不能通过。,1972年提出生物膜液晶镶嵌模型,该模型仍为脂质双分子层。特点:、膜结构的不对称性。、膜的流动性。膜结构的不对称性和流动性与物质转 运、细胞融合、细胞识别、细胞表 面受体功能调节等有密切关系。,图2、生物膜液晶流动镶嵌模式,(二)跨膜转运机制,被 动 扩 散 促 进 扩 散 主 动 转 运 胞 饮 作 用 离 子 对 转 运,、被动扩散(passive diffusion),被动扩散物质服从浓度梯度由高向低转运的过程。在被动扩散过程中
11、,生物膜处于被动状态对转运没有积极作用。被动扩散属于一级速率动力学过程,符合Ficks 扩散定律。大多数药物的跨膜转运是采用这种方式。,Ficks 扩散定律,J=DA(C1,P-C2,P)/L,J=DAP(C1-C2)/L,J:The rate of transport rateD:Diffusion coefficientA:The area of surfaceL:Membrane thicknessC1:Drug concentration of the outer cellC2:Drug concentration of the inner cellC1,P:Drug concentr
12、ation in the outer membraneC2,P:Drug concentration in the inner membrane cellP:Lipophilicity of drugP:Permeability of drug,J=PAC,P=DP/L,C1,P=P C1 C2,P=PC2,Extracellular fluid,Cytoplasm,给药部位药物浓度与血中药物浓度差为扩散的动力。而药物的浓度受给药剂量的影响。剂量(D)越大,吸收越大。,被动扩散特点,顺浓度梯度(高低)不需载体 膜对通过的物质无特殊选择性,不受 共存的类似物的影响,既无饱和现象和竞争抑制现象,一
13、般也无部位特异性扩散过程与细胞代谢无关。故不消耗能量,不受细胞代谢抑制剂的影响,也不会因温度影响代谢水平而发生改变,被动扩散途径,1、溶解扩散 2、限制扩散(微孔扩散),溶 解 扩 散,由于生物膜为类脂双分子层,非解离型的脂溶性药物可以溶于液态脂质膜中,因此更容易穿过细胞膜。对于弱酸或弱碱性药物,解离程度受pH限制。脂溶性大易吸收,但太强时,渗入类脂层后与脂质强烈结合和受膜表面不流动水层的影响,也不易跨膜转运。,限 制 扩 散,通过微孔途径转运,细胞膜上有许多含水的蛋白质的细孔,孔径0.41 nm,孔径带负电荷,只有水溶性的小分子物质(最好不带负电)和水可由此扩散通过。,易化扩散(促进 扩散)
14、facilitated diffusion,由于人们不能用溶解扩散和限制扩散解释一些速度很快的转运,从而推测有载体参与的促进作用,并称其为促进扩散。目前对载体的理化特性尚未十分明确。现已证明,单糖类,氨基酸,季铵盐,糖等的转运为促进扩散。,易化扩散特点,对转运物质有专属性要求,有载体参与,可被结构类似物竞争性抑制有饱和现象不耗能顺浓度梯度,主动转运(active transport),生物体内一 些必要的物质如、a、葡萄糖、氨基酸等,通过生物膜转时,借助载体或 酶促系统,可以从膜的低浓度一侧向高浓度一 侧转运,称主动转运。,主动转运特点,(1)逆浓度梯度转运。(2)与细胞内代谢有关,故需消耗能
15、量,可被代谢抑制剂阻断,温度下降使代谢受抑制可使转运减少。(3)需要载体参与,对转运物质有结构特异性要求,结构类似物可产生竞争抑制。(4)有饱和现象。()有吸收部位特异性。,主动转运方式,(1)原发性主动转运:即转运过程与细胞的能量代谢直接关联,这种转运方式中,载体本身为非对称性。它将酶反应与离子转运相结合。单向转运离子,常见的例子有小肠上皮细胞侧底膜上的Na/K泵,胃酸分泌的H/K泵以及转运Ca的Ca泵等。,图3、Na/K泵的运行机制。a,Na/KATP酶处于构象1;b,Na/KATP酶处于构象2;c,构象2 的Na/KATP酶解磷酸化返回到构象1,(2)继发性主动转运:即转运物质与原发性主
16、动转运中的转运离子相偶合,间接利用细胞代谢的能量而进行转运。继发性主动转运在细胞中单糖类和氨基酸等重要营养物质的吸收方面和常见,也是膜转运的最普遍方式。Na/K泵特异性抑制剂和ATP代谢抑制剂可以阻断主动转运。,图4、继发性主动转运的两种模式。a,同向转运(葡萄糖的转运)b,逆向转运(Ca的转运),胞饮作用(pinocytosis),由于生物膜具有一定的流动性,因此细胞膜可以变形而将某些物质摄入细胞内或从细胞内释放到细胞外这个过程称为膜动转运。其中向内摄入为入胞作用,向外释放为出胞作用,二者通称胞饮。摄取固体颗粒时称为吞噬。,某些高分子物质,如蛋白质,多肽类,脂溶性维生素和重金属等,可按胞饮方
17、式吸收。胞饮作用对蛋白质和多肽的吸收非常重要。并且有一定的部位特异性,小肠下部较明显。,胞饮的过程,细胞外液中的质粒吸附在细胞表面的某 特异部位细胞膜下陷膜闭合成小囊胞进而离断、微粒进入细胞内,离子对转运,某些高度解离的药物如季铵盐,磺酸和吗啡衍生物可在生理条件下,其吸收机制不能由其它机制来解释,这些阳离子化合物与胃肠道中内源性阴离子化合物粘蛋白形成电中性的离子对复合物。故以被动方式转运方式进入细胞膜吸收。,图5、膜转运的几种机制。1:被动扩散;1a,细胞间隙旁路;1b,经细胞通路.2:载体参与的经细胞通路;2a,易化扩散;2b,吞噬作用;2c,主动转运;2d,外排系统(如 P-糖蛋白,P-g
18、lycoprotein).,口服药物的吸收,吸收部位很多,胃肠道、口腔、直肠、阴道、肌肉、皮下、肺,但以小肠吸收最重要,因为小肠的生理结构适宜于药物的吸收,同时,在各种给药途径中,口服给药占绝大多数,因此我们重点讨论消化道吸收。,胃肠道的结构,胃肠道由胃,小肠和大肠三部分组成。胃的表面积较小但一些弱酸性药物可在胃中吸收。液体剂型能与胃壁更好地接触。有利于药物在胃中吸收。液体剂型能与胃壁更好地接触。有利于药物通过胃粘膜上皮细胞。故吸收较好药物在胃中吸收机制主要是被动扩散。,小肠的结构,小肠分为十二指肠、空肠和回肠,长度6-7 m直径4 cm。小肠表面有环状皱壁、绒毛和微绒毛。故吸收面积极大约为2
19、00平方米。其中绒毛最多的是十二指肠,向下逐渐减少,根据FICK定律,被动扩散的速度与表面积成正比.因此小肠(特别是十二指肠)是药物,食物等吸收的主要的部位.小肠中药物的吸收以被动扩散为主.同时其它吸收机理也有存在.如小肠也某些药物主动转运的特异部位.,大肠的结构,大肠包括盲肠,结肠和直肠.大肠无绒毛结构,表面积小,因此对药物的吸收不起主要作用,大部分运行至结肠的药物是缓释制剂,肠溶制剂或溶解度很小的残余部分。但直肠下端接近肛门部分,血管相当丰富,是直肠给药(如栓剂)的良好的吸收部位。大肠中药物的吸收也以被动扩散为主,兼有饱饮和吞噬作用。,影响药物吸收的生理因素,、胃肠液成分与性质、胃排空、药
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