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药物非临床研究优选体外代谢模型——微粒体

2025-01-08

多数情况下,微粒体（Microsomes）是指在细胞匀浆和差速离心过程中获得的由破碎的内质网自我融合形成的近似球形的膜囊泡状结构，直径大约100 nm左右,是异质性的集合体，它包含内质网膜和核糖体两种基本成分，其内主要含有细胞色素P450(Cytochrome P450,简称CYP450）)氧化酶，与氧化代谢有关，是药物代谢过程中的关键酶。在体外实验中,也具有蛋白质合成、蛋白质糖基化和脂类合成等内质网的基本功能。

Keywords：Microsomes, CytochromeP450, CYP450, Pharmacokinetics(PK）, Drug Metabolism

图片1 微粒体来源于网络

一、药物代谢的关键器官

药物代谢是指药物在体内发生的化学变化，导致药物结构发生改变，也被称为药物在体内的生物转化。药物代谢主要发生在肝脏（Liver）、肾脏(Kidney)、肺（Lung）、胃(Stomach)、肠(Intestine)道和皮肤(Skin)等部位，而肝脏是药物代谢的主要部门，肾脏则是仅次于肝脏的代谢器官。

药物在肝内药物代谢酶的作用下经过不同程度的结构变化，一般可分为两个阶段，包含Ⅰ相代谢（Phase Ⅰ Metabolism）和Ⅱ相代谢（Phase Ⅱ Metabolism）反应。其中，第一阶段为氧化、还原及水解反应，产生一系列肝细胞毒性产物，主要包括亲电子基和氧自由基，也称作Ⅰ相反应（Phase I Reaction）；第二阶段为结合反应，即药物解毒过程，也称作Ⅱ相反应（（Phase Ⅱ Reaction））。大部分药物完成代谢后药理作用减弱或消失，少数药物才能发挥治疗作用。作为药物代谢的主要器官，肝脏代谢约占总代谢量的70%-80%。

除肝脏外，肾脏也是药物代谢的重要器官之一，约占总代谢量的10%-20%。肾脏可以通过滤过和分泌的方式将药物及其代谢产物排出体外。但是，由于肾脏对药物的排泄能力有限，因此一些药物可能会在体内积累并产生毒性作用。因此，除主要的肝脏、肾脏外，人体内肠道中的酶系统及肺部等其他部位也可以影响药物的吸收和分布。

图片2 加单氧酶的反应来源于网络

二、药物代谢器官的关键酶

由上可知药物在体内代谢主要依赖于肝脏、肾脏、胃肠道及其他器官中多种酶系统的正常运作，因此，充分地了解不同器官中富含的酶系有利于更好地研究药物的代谢过程。

参与药物代谢反应的酶系通常分为两类：微粒体（Microsomes）酶系和非微粒体酶系。微粒体酶系主要存在于肝细胞或其他细胞的内质网的亲脂性膜上。肝微粒体中最重要的一族氧化酶是肝微粒体混合功能氧化酶系统或称单加氧酶(CYP450)，是药物在体内代谢的主要途径，该类酶系氧化反应类型极为广泛，大多数药物是通过这类酶系进行生物转化的。在催化药物氧化反应过程中，需要细胞色素P450(CytochromeP450)、辅酶II、分子氧及Mg2+、黄素蛋白、非血红素铁蛋白等参与才能完成。非微粒体酶系又称II型酶，主要包含尿苷二磷酸葡萄糖醛酸转移酶（UDP glucuronosyltransferase, UGT）及硫酸转移酶(Sulfotransferase，SULT)等酶系，其中UGT存在于肝脏内质网腔侧面，因此微粒体中也含有UGT酶系。

除了维持水和电解质平衡的生理功能以及排泄内源性和外源性物质外，肾脏也是一相和二相代谢生物转化的重要器官。肾中的一相代谢酶主要有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一相代谢处于次要地位。肾中的药物代谢酶主要是二相代谢酶，如葡萄糖醛酸转移酶（UGT）、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，因此二相代谢在药物的肾代谢中占据主要的地位。

此外，肠道作为人体最大的消化器官之一，不仅负责吸收营养物质，还扮演着重要的药物代谢的角色。在肠道内，许多药物经过一系列的代谢反应，被转化为更容易排泄和清除的代谢产物。在这个过程中，药物代谢通常由两个途径进行：一是通过肠道上皮细胞内的代谢酶，二是通过肠道内微生物的参与。其中，前者主要依赖CYP450酶、UGT酶和脱脂酶等酶系，后者则是通过微生物参与代谢。

然而，随着医学的不断发展，除常规口服类药物外，吸入型药物具有吸收快、起效快及避免首过代谢的特点，近年来备受关注。但吸入性制剂药物通过肺部给药，避免了肝脏首过效应，直接作用于肺部组织，通常认为应当考察其在肺部的代谢情况。因此，了解肺部的主要药物代谢酶对于吸入型制剂而言至关重要。肺中含有许多药物代谢酶，包括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。

综上所述，药物的体内代谢通常经由多种器官、多种酶系协同完成，因此，作为药物申报的非临床早研阶段，选择合适的体外模型对于了解的药物的代谢途径或代谢酶系具有重要意义！

三、药物的体外代谢模型——微粒体

相较于体内代谢研究，体外代谢研究可以减少体内因素的干扰，直接观察药物与酶的相互作用过程，已成为药物早研阶段的首要选择。药物体外代谢研究的主要模型一般包括微粒体（Microsomes）、S9（S9 Fraction）、胞质液(Cytosol)、组织匀浆(Homogenate)原代细胞（Primary Cells）等。由于肝脏是药物的主要代谢场所，肝细胞及其亚细胞结构如肝微粒体、肝S9、肝组织匀浆及肝胞质液成为了药物代谢研究的主要模型。

但微粒体作为细胞匀浆和差速离心过程中获得的由破碎的内质网自我融合形成的近似球形的膜囊泡状结构，广泛存在于肝脏、肾脏、肠道、肺等多个器官中，且主要为I相细胞色素CYP450酶和II相酶系如UGT、SULT等，囊括了多种类型药物的不同代谢途径，因此，选择合适组织的微粒体是研究不同药物体外代谢的首选模型！此外，根据《药物非临床药代动力学研究技术指导原则》中指出，”试验动物选择常有小鼠、大鼠、兔、豚鼠、犬、小型猪和猴等，且对于创新性药物应选用两种或两种以上的动物，其中一种为啮齿类动物；另一种为非啮齿类动物。而除了动物种属，非临床ADME研究也应主要采用人源化材料（如：人肝微粒体）”等。因此，合适的多种属微粒体选择也是不同药物研究的关键考察点！

鉴于此，IPHASE作为体外研究生物试剂引领者，成功开发了包含人、猴、犬、大鼠、小鼠等多种属在内的多组织来源的微粒体产品，为种属差异研究、代谢稳定性研究、P450抑制研究、代谢酶表型研究等多类型试验提供丰富的产品选择，并对产品进行严格的质量控制，以便为客户节省时间、提高效率，是体外非临床研究的不二选择！

组织	种属	规格
肝	人、猴、犬、大鼠、小鼠、金黄地鼠、猫、小型猪、牛、鸡、豚鼠、鱼、羊	0.5mL,20mg/mL
肠（PMSF）	人、猴、犬、大鼠、小鼠、金黄地鼠、小型猪	0.15mL,10mg/mL 0.5mL,10mg/mL
肠（PMSF-free）	人、猴、犬、大鼠、小鼠、金黄地鼠、小型猪	0.15mL,10mg/mL 0.5mL,10mg/mL
肾	人、猴、犬、大鼠、小鼠、小型猪	0.5mL,10mg/mL
肺	人、猴、犬、大鼠、小鼠、小型猪	0.5mL,10mg/mL