CN104267125B - 一种生理药动学模型预测草鱼组织中药物残留的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种生理药动学模型预测草鱼组织中药物残留的方法，通过步骤：A、搜集鱼类的生理解剖参数；B、获得诺氟沙星在草鱼体内药物特异性参数；C、利用acslXtreme软件建立五室模型；D、模型的评价。本发明建立了5室生理药动学模型，成功拟合诺氟沙星在草鱼肌肉、肝脏和肾脏中的残留消除曲线，与实测值吻合。本发明有大幅度节约成本和操作方便等优点，适用于草鱼常用药物残留预测。

Description

一种生理药动学模型预测草鱼组织中药物残留的方法

技术领域

本发明属于水产品药物残留分析领域，具体涉及一种生理药动学模型预测草鱼组织中药物残留的方法。

背景技术

近些年来，水产用药越来越广泛，由于药物残留引发的食品中毒和影响水产品出口的事件越来越多，因此水产品中药物残留已经是社会关注的一个热点。传统的药物残留检测方法首先是鉴定水产动物体内的主要代谢产物，确定残留标示物和靶组织，然后经过残留消除试验进行检测，然后确定最大残留限量和休药期。这种方法耗费的时间非常长，耗费大量的人力和物力。在水产养殖中动物种类繁多，品种、生理、疾病和外部环境的改变对药物残留具有比较大的影响，因此此种方法已不能满足要求。

生理药动学模型是基于动物生理解剖学、生物化学和药物代谢动力学等研究，利用房室模块和每个房室的质量平衡方程描述化合物体内处置的数学模型。由于生理药动学模型能够实现不同品种、生理特性、给药方式等情况下外推，因而此模型能够弥补残留分析方法的不足，更好的应用于药物残留分析中，具有很高的应用前景。

发明内容

为了节约试验成本，使资源更好的优化配置，本发明的目的是提供一种生理药动学模型预测草鱼组织中药物残留的方法，本发明是将生理药动学模型确定为5室，包括肠道、肝、肾、肌肉、血液和其他组织，基于acslXtreme软件，最终获得了该方法，该方法简便可行，大大降低了科研成本。

为了达到上述目的，本发明采取以下技术措施：

一种生理药动学模型预测草鱼组织中药物残留的方法，包括以下步骤：

①生理药动学模型分为五室：肠道、肌肉、肝脏、肾脏和其他组织。根据已有的书籍和发表文章进行搜集草鱼生理解剖参数：V_g、V_l、V_k、V_m、V_b和V_c分别为草鱼肠道、肝、肾、肌肉、血液和其他组织的容积占鱼体体积的百分比；Q_t为心输出量；Q_g、Q_l、Q_k、Q_m和Q_c分别为肠道、肝、肾、肌肉、其他组织的血流量占心输出量百分比。

②待测药物在草鱼体内药物特异性参数的获得：

草鱼采用单次口灌给药，高效液相检测获得待测药物在草鱼肝、肾、肌肉和血液中药物浓度，采用药动学软件3p97计算肝脏、肾脏和肌肉的血浆分配系数P_l，P_k，P_m，肾清除率Cl_k，经acslXtreme软件运行之后自行匹配肠道和其他组织血浆分配系数P_g和P_c。

③利用acslXtreme软件建立五室模型，分别为：肠道，肝，肾，肌肉和其他组织，将上述获得的各参数带入基于acslXtreme软件建立的房室，输出预测结果。

④模型的评价

采用灵敏性分析、不确定分析和预测值与实测值的比较对模型进行评价，不确定分析采用蒙特卡洛分析。

如上所述的方法，步骤①中，V_g、V_l、V_k、V_m、V_b和V_c分别为8.52％、1.16％、0.80％、46.50％、4.11％和31.11％；Q_t为5.15L/h/kg；Q_g、Q_l、Q_k、Q_m和Q_c分别为15.39％、18.14％、10.23％、39.77％和31.86％；

如上所述的方法，步骤②中，单次口灌给药的剂量为10mg/kgb.w.；P_l，P_k，P_m分别为：5.45，6.31，0.41；经软件运行之后，P_g和P_c分别为：0.3，4.1；肾清除率Cl_k0.12。

本发明所述方法，优选诺氟沙星的残留预测，其他药物，如喹烯酮、氟甲喹、甲苯咪唑、吡喹酮、阿苯达唑、地克珠利、多西环素、盐酸氯苯胍、硫酸新霉素、敌百虫、磺胺二甲嘧啶、磺胺间甲氧嘧啶、磺胺甲噁唑、磺胺嘧啶、甲砜霉素等药物，也可利用本发明所述方法进行预测。

与现有技术相比，本发明具备以下优点：

1.本发明采用上述技术方案，采用鱼类生理解剖参数和诺氟沙星在草鱼体内药物特异性参数，建立5室生理药动学模型，通过模型的评价成功预测诺氟沙星在草鱼体内的残留。

2.与传统药物残留检测方法相比，本方法减少了药物的用量，降低对水环境的污染；大大减少了试验动物的数量。

3.本方法可以加入或减少影响鱼类药物残留的影响因素。

4.水产动物种类繁多，本方法可以实现同种药物剂量不同鱼种之间的检测，也可以实现同种药物不同剂量、不同给药方式之间的检测。

附图说明

图1为实施例1中草鱼肌肉中诺氟沙星的预测浓度及实测浓度。

其中■为实测浓度，-为预测浓度。

图2为实施例1中草鱼肝脏中诺氟沙星的预测浓度及实测浓度。

其中■为实测浓度，-为预测浓度。

图3为实施例1中草鱼肾脏中诺氟沙星的预测浓度及实测浓度。

其中■为实测浓度，-为预测浓度。

图4为实施例1中组织/血浆分配系数对肌肉中药物浓度的不确定分析示意图。

图5为实施例1中肌肉中诺氟沙星预测浓度与实测浓度残差图。

图6为实施例1诺氟沙星在草鱼体内5室生理药动学模型血流图。

其中：V_g、V_l、V_k、V_m、V_b和V_c分别为肠道、肝、肾、肌肉、血液和其他组织占鱼体容积的百分比；C_g、C_l、C_k、C_m、C_b和C_c分别为肠道、肝、肾、肌肉、血液和其他组织中药物浓度；Q_g、Q_l、Q_k、Q_m和Q_c分别为肠道、肝、肾、肌肉、其他组织的血流速率占心输出量的百分比；Q_t心输出量；Cl_k表示肾清除率。

具体实施方式

本发明实施例所述方案，如未特别说明，均为本领域的常规方案。

实施例1：

一种生理药动学模型预测草鱼组织中药物残留的方法，包括以下步骤：

本实施例以诺氟沙星为例，来预测诺氟沙星在草鱼组织中的药物残留情况，诺氟沙星为小分子物质，对于水产品药物残留我们关注的是可食性组织和重要器官的药物浓度，因此建立的模型时不包括包含特殊生理屏障的器官，因此可以假定它们在组织中的分布的速度和程度主要取决于流经组织器官的血流量，即服从血流限速型分布；诺氟沙星从胃肠道吸收进入血液循环为一级速率过程；诺氟沙星在肝脏代谢，从肾脏消除，而且服从一级动力学过程。本发明所述的生理药动学模型的房室为5室，包括肠道、肌肉、肝脏、肾脏和其他组织，采用血液循环链接(图6)。

①根据已有的书籍和发表文章进行搜集草鱼生理解剖参数，获得各个组织与鱼体体积百分比、心输出量和各个器官血流量与心输出量的百分比。V_g、V_l、V_k、V_m、V_b和V_c分别为草鱼肠道、肝、肾、肌肉、血液和其他组织的容积占鱼体体积的百分比，分别为8.52％、1.16％、0.80％、46.50％、4.11％和31.11％；Q_t为心输出量5.15L/h/kg。Q_g、Q_l、Q_k、Q_m和Q_c分别为肠道、肝、肾、肌肉、其他组织的血流量占心输出量百分比，分别为15.39％、18.14％、10.23％、39.77％和31.86％。以上数据，均来自于体重300±20g/条的草鱼，当需预测的草鱼规格与300g/条不同时，利用本数据可进行预测，也可根据需要进行调整。

②诺氟沙星在草鱼体内药物特异性参数的获得：

根据临床给药剂量，草鱼采用单次口灌给药(10mg/kgb.w.)，高效液相检测获得诺氟沙星在草鱼肝、肾、肌肉和血液中药物浓度，采用药动学软件3p97计算获得了肝脏、肾脏、肌肉、肠道和其他组织的血浆分配系数，P_l，P_k，P_m分别为：5.45，6.31，0.41，肾清除率Cl_k0.12；经acslXtreme软件运行之后，肠道和其他组织匹配血浆分配系数P_g和P_c分别为：0.3，4.1。

③利用acslXtreme软件建立五室模型，分别为：肠道，肝，肾，肌肉和其他组织，将上述获得的各参数带入基于acslXtreme软件建立的房室，本实施例，预测的是体重300±20g/条草鱼连续3d口灌诺氟沙星(10mg/kgb.w.)之后的残留消除情况。将上述获得的各参数带入acslXtreme1.4软件建立的房室中，在口服模块中设置给药剂量和给药天数，输出结果如图1-图3曲线所示。

软件中，每个房室的质量平衡方程如下：

肠道: $V_g\×\frac{{\mathrm{dc}}_g}{\mathrm{dt}}=\mathrm{amount}+Q_g\×(C_b-\frac{C_g}{P_g})$

肝脏： $V_l\×\frac{{\mathrm{dc}}_l}{\mathrm{dt}}=Q_g\×\left(\frac{C_g}{P_g}\right)+Q_l\×C_b-(Q_g+Q_l)\×\left(\frac{C_l}{P_l}\right)$

肾脏： $V_k\×\frac{{\mathrm{dc}}_k}{\mathrm{dt}}=Q_k\×(C_b-\frac{C_k}{P_k})-{\mathrm{Cl}}_k\×C_k$

肌肉： $V_m\×\frac{{\mathrm{dc}}_m}{\mathrm{dt}}=Q_m\×(C_b-\frac{C_m}{P_m})$

其他组织： $V_c\×\frac{{\mathrm{dc}}_c}{\mathrm{dt}}=Q_c\×(C_b-\frac{C_c}{P_c})$

血液:

$V_b\×\frac{{\mathrm{dc}}_b}{\mathrm{dt}}=Q_l\×\left(\frac{C_l}{P_l}\right)+Q_k\×\left(\frac{C_k}{P_k}\right)+Q_m\×\left(\frac{C_m}{P_m}\right)+Q_c\×\left(\frac{C_c}{P_c}\right)-Q_t\×C_b$

amount表示通过口服进入肠道的药量；V_g、V_l、V_k、V_m、V_b和V_c分别为肠道、肝、肾、肌肉、血液和其他组织占鱼体体积的百分比；C_g、C_l、C_k、C_m、C_b和C_c分别为肠道、肝、肾、肌肉、血液和其他组织中药物浓度；Q_g、Q_l、Q_k、Q_m和Q_c分别为肠道、肝、肾、肌肉、其他组织的血流速率占心输出量的百分比；Q_t心输出量；P_l、P_k、P_m、P_g和P_c分别表示肝脏、肾脏、肌肉、肠道和其他组织的血浆分配系数；Cl_k表示肾清除率。

5模型的评价

采用灵敏性分析、不确定分析和预测值与实测值的比较对模型进行评价。

灵敏性分析：

目的是评价各个参数对模型预测结果的影响。基本原理为：改变模型参数的值(△x)，代入模型计算出模型预测结果的改变量(f(x±△x))；以预测结果的改变量除以模型参数值的改变量，得到灵敏系数；计算出的灵敏系数经过转换得到标准化的灵敏系数(Normalizedsensitivitycoefficient，NSC)，NSC可被用于判断参数的灵敏性。

$\mathrm{SC}=F^{\′}\left(x\right)=\frac{f(x+\mathrm{\Δx})-f\left(x\right)}{\mathrm{\Δx}}---\left(1\right)$

$\mathrm{NSC}=\frac{\mathrm{SC}*x}{f\left(x\right)}---\left(2\right)$

公式(1)所示，x：灵敏性分析的目标参数，△x：该参数的改变量，f(x)：模型的输出结果，f(x±△x)：模型预测结果的改变量。NSC的计算如公式(2)所示，x代表灵敏性分析的目标参数，f(x)代表模型的预测结果。灵敏性分析的具体运算通过专业模拟软件acslXtreme的优化模块(OptStatModule)来完成。

在本研究中，当|NSC|<0.1时，被认为该参数对模型影响较小，当|NSC|>0.1时，认为该参数灵敏，对模型影响较大。

通过灵敏性分析发现，以肝脏房室为例，肝脏-血浆分配系数、肾清除率以及一些生理参数对肝脏中的药物浓度影响较大。与肝脏中诺氟沙星的浓度变化成正相关的参数有肝脏/血浆分配系数和肌肉容积，即肝脏中药物浓度随三个参数值的增大而增大。与肝脏中诺氟沙星的浓度变化成负相关的参数有肾清除率、肝脏血流量、肾脏血流量、肌肉血流量，即肝脏中药物浓度随这些参数值的增大而减小。诺氟沙星在其它组织房室中的灵敏参数与肝脏中的结果一致。

不确定分析：

模型预测结果的不确定性通过蒙特卡洛分析来评估。基本思路是，在设定的范围内随机抽取某个数值作为参数的初值，然后带入模型运算求得一个预测结果，如此反复多次运行之后就能生成一个预测结果的集合，这个集合与参数的分布相对应，反应了由参数变异引起的预测结果的变异。蒙特卡洛分析考察的对象为灵敏性参数，本研究评估了灵敏参数组织/血浆分配系数的变异性对模型预测结果的影响。

图4表示组织/血浆分配系数在指定的范围内随机取值，代入模型运算1000次后得到的诺氟沙星在肌肉组织中残留水平的可能分布范围及频数。经过比较，大部分实测数值都落在其范围内，表明模型具有一定的预测群体动物中诺氟沙星残留的能力。

在本次研究中，对预测值和实测值进行了残差分析。如果残差值均偏向于x轴上侧，表明该模型低估了诺氟沙星在组织中的浓度；如果残差值均偏向于x轴下侧，表明该模型高估了诺氟沙星在组织中的浓度；如果残差值均匀的分布于x轴两侧，表明该模型很好的预测了诺氟沙星在组织中的浓度。水产动物的残留中，我们关心是肌肉中的残留，肌肉的残留准确度要高。图5表明，肌肉残差值均匀的分布于x轴两侧，表明模型很好的预测了诺氟沙星在组织中的浓度。

实施例2：

对照实验：

根据临床给药剂量，与实施例1相同规格的草鱼采用3d连续口灌给药，给药剂量为10mg/kgb.w.，然后在灌药后1、2、3、7、14、21、30d采集草鱼肌肉、肝脏和肾脏，采用高效液相色谱法测定诺氟沙星的浓度，获得诺氟沙星在草鱼组织中的残留数据，结果如图1-图3所示。

表1草鱼组织中诺氟沙星的预测浓度值和实测值(_μg/kg)

-:在检测限以下

Claims (1)

1.一种生理药动学模型预测草鱼组织中药物残留的方法，包括以下步骤：

①生理药动学模型分为五室：肠道、肌肉、肝脏、肾脏和其他组织，V_g、V_l、V_k、V_m、V_b和V_c分别为草鱼肠道、肝、肾、肌肉、血液和其他组织的容积占鱼体体积的百分比；Q_t为心输出量；Q_g、Q_l、Q_k、Q_m和Q_c分别为肠道、肝、肾、肌肉、其他组织的血流量占心输出量百分比；

②待测药物在草鱼体内药物特异性参数的获得：

草鱼采用单次口灌给药，高效液相检测获得待测药物在草鱼肝、肾、肌肉和血液中药物浓度，采用药动学软件3p97计算肝脏、肾脏和肌肉的血浆分配系数P_l，P_k，P_m，肾清除率Cl_k，经acslXtreme软件运行之后自行匹配肠道和其他组织匹配血浆分配系数P_g和P_c；

③利用acslXtreme软件建立五室模型，分别为：肠道，肝，肾，肌肉和其他组织，将上述获得的各参数带入基于acslXtreme软件建立的房室，输出预测结果；

④模型的评价

采用灵敏性分析、不确定分析和预测值与实测值的比较对模型进行评价，不确定分析采用蒙特卡洛分析；

所述的药物为诺氟沙星；

步骤①中，V_g、V_l、V_k、V_m、V_b和V_c分别为8.52％、1.16％、0.80％、46.50％、4.11％和31.11％；Q_t为5.15L/h/kg；Q_g、Q_l、Q_k、Q_m和Q_c分别为15.39％、18.14％、10.23％、39.77％和31.86％；步骤②中，单次口灌给药的剂量为10mg/kgb.w.；P_l，P_k，P_m分别为：5.45，6.31，0.41；经acslXtreme软件运行之后，P_g和P_c分别为：0.3，4.1；肾清除率Cl_k0.12。