关于动物实验给药剂量的疑点解答

最近常常有同学问：对于一个新的化合物，我们已经在体外细胞或者离体器官上看到较好的药效，下一步就要进行动物体内试验，然而此时可以依据的往往仅有从细胞上的IC50数值，它可以外推到动物试验的给药剂量吗？另外在设置给药浓度时，我们看到大多数文献都是以2倍系数递增，这又是什么原理，是否可以适用于所有动物试验呢？本期小编就把这些常见疑点总结了一下，统一为大家解答！

疑点1：体外细胞试验数据真的可以估算出动物的给药剂量？

案例：如果知道一个小分子化合物在体外试验 (MTT) 对SGC7901细胞的IC50是20 µg/mL，现在需要做动物试验，把SGC7901细胞接种到裸鼠身上，等到它们长出肿瘤块之后进行灌胃给药，那么应该如何确定这个动物试验的给药剂量呢？

分析：关于这个问题，目前还没有明确的指导原则和公式进行参考。有人建议可以根据动物的体重、药物的生物利用度来进行换算。如，裸鼠的体重为25 g，药物的口服生物利用度为20%，细胞试验IC50为20 µg/mL，血液占体重的比例为8%，则可以计算出该药物在体内的EC50（有效中浓度）为0.2 mg，即给药剂量为8 mg/kg。EC50的计算公式如下：

         

答案：但是笔者觉得这种外推方法的参考价值不大，因为体内的环境比较复杂，影响因素比较多。比如血浆蛋白结合率、靶器官（肿瘤）中的药物浓度等对药效的发挥起到关键的作用，不能忽略。因此这种换算方式并不值得借鉴。

那么问题来了，若细胞试验数值不能直接换算到动物，对于一个新的化合物，且无参考数据的情况下，该如何确定给药剂量呢？关于具体的试验方法大家可以参考往期发表的一篇文章，如何确定动物试验的给药剂量？本期我们不再赘述！下面我们主要探讨一下剂量设置时的倍数关系。

疑点2：为何文献多用4:2:1来设计给药梯度？

案例：通过查阅大量文献，不难发现大多数文章中所报道的药效学试验一般都是三个剂量，即低、中、高浓度梯度（4:2:1），即按2倍递增，如下图为：检测药物MONCPT对异种移植瘤生长的影响，设置了5 mg/kg，10 mg/kg，20 mg/kg这3组浓度，究竟为何如此设置呢？这种设置方式适用所有动物试验吗？

图1. MONCPT对人膀胱癌5637移植瘤的治疗效果

分析1：首先理解浓度梯度设置的必要性

动物药效试验时，必须设置浓度梯度，目的是为了考察药物的量效关系，为药物的安全性和临床用药提供参考和指导。

量效关系：是指在一定范围内，药物的效应与血液中药物的浓度成正相关，定量地分析与阐明两者间的变化规律，有助于了解药物作用的性质，得知药物的起效浓度 (EC_min 及最大效应浓度 (EC_max)，如下图为量反应的量效曲线所示：

图2. 量反应的经典量效关系曲线

分析2：药效剂量的设置常选倍数2的原因

我们通过参考经典药物的量效曲线（如上图）发现，在一定范围内药物浓度与药效一般成正比关系，若按2倍递增，多数药物能够做出量效曲线来，即低剂量在S曲线的下面拐点EC_min处，中剂量在EC₅₀处，高剂量在EC_max处。

但是有些时候并非这样！如有些药物的治疗窗很窄（即最低有效剂量与最低中毒剂量接近），此时就应注意适当减小系数，因为在药效学试验中，剂量应控制在一个治疗区域，即治疗窗。

何为治疗窗？

药物浓度太低不产生治疗效应（即＞最低有效浓度MEC），浓度太高则产生难以耐受的毒性（即＜最低中毒浓度MTC），在这两个浓度之间限定一个合理治疗区域，常称为"治疗窗"（或称为治疗范围），它对评价一个新药的安全性和有效性有非常重要的作用。如下图为治疗窗示意图：

图3. 药物的治疗窗示意图

（非静脉给药，Cmax：达峰浓度；tmax：达峰时间）

治疗窗比较窄：如已上市的茶碱类药物、华法林、环孢霉素A、甲苯磺丁脲、地高辛等，其治疗窗比较窄，我们应该适当缩小倍数，保证药效试验剂量在治疗窗范围内。

治疗窗比较宽：对于某些药物，治疗窗比较大，也可增大系数，如按3.3倍或者5倍剂量递增。另外对于释放少的给药方式，如透皮给药，此时系数会大一点。

通过上述描述，我们可以看到，只要拿到药物的治疗窗数据，就可以初步确定浓度范围，进行给药剂量的设置。那治疗窗数据如何获取呢？主要包括2个点：

• 最低中毒剂量MTD：指给药后，产生强烈作用或者有害作用时的最小剂量。如一个未知药物的大鼠PK试验，低剂量可以从0.01 mg/kg开始，按照10倍的关系递增，依次设置给药剂量为0.1 mg/kg，1 mg/kg，10 mg/kg，每组2只大鼠。在试验过程中注意观察大鼠的行为动态，如果高剂量组 (10 mg/kg) 出现萎靡不振、抽搐或其他异常行为，说明该剂量对大鼠有明显的毒副作用，体内药物浓度可能已超过最小中毒浓度，在正式试验时应将该剂量组舍弃。

• 最低有效剂量MED：指绝大多数受试对象发挥生理功效的最低剂量。同样地，药效学试验也可以参考这个例子进行预试验。需要注意的是控制在最低毒性范围之内。

总结一下本期内容：

1. 由于动物体内环境复杂，因此不建议用体外细胞试验数据估算动物的给药剂量；

2. 进行药效试验时必须设置浓度梯度，这样可以作出量效关系，为指导临床用药作参考，药效试验时，尽量地把量效关系作出来；

3. 给药梯度一般会按2倍系数递增，但也有特殊情况，需要结合药物治疗窗来最终确定，治疗窗窄的，需要缩小系数；

4. 在实际的试验时，我们很少一下子就找到了有效剂量或合适的剂量，因此应该多设定几个剂量组。建议先设置3-5个给药剂量组，每组2-3只动物，每个剂量组之间的剂量可以按照5倍或者10倍递增（基本上可以涵盖大多数药物的治疗窗）。通过预试验得到一些初步的结果，然后再据此进行调整。一般2~4次可达到预期剂量；如出现中毒现象，则应减少剂量再次试验。