稳定同位素标记代谢组学分析

稳定同位素标记药物在临床药代动力学研究中的应用 临床药代动力学(Clinical Phamacokinetics)研究提示了众多药物体内命运的奥秘，丰富了人类临床合理用药的知识。无疑对避免药物不良反应的发生、提高药物治疗水平起着重要的指导作用。临床药代动力学研究的关键是能否获得准确的、能反映客观规律的生物样本中药物及其代谢物的浓度（含量），它与所采用检测方法的灵敏度(Sensitivity)、精密度(Precision)、选择性(Selecivity)和专属性(Specficity)等密切相关。体内药物分析有高效液相色谱法(HPLC)、[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp]气相色谱[/url]法(GC)、免疫分析法(IA)、放射同位素示踪法(RIT)、[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp]气相色谱[/url]-质谱联机法(GC-MS)、液相色谱-质谱联机法([url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Yp][color=#3333ff]LC-MS[/color][/url])等。这些方法都有较高的灵敏度和专属性，特别是GC-MS和[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Yp][color=#3333ff]LC-MS[/color][/url]，具有GC、LC分离，MS检测的独特优势，检测限可达pg/ml水平。由于这两种方法的可利用性，近二十年来，稳定同位素标记(Stable isotope-labelling，SIL)示踪技术有临床药代动力学研究领域中得到了较大发展，本文综述了稳定同位素标记物应用于临床药代动力学研究的原理和方法。1 稳定同位素及其标记物的有关知识1.1 同位素化学简介同位素为相同化学元素的原子，由于在原子核中存在不同的中子数而具有不同的质量，有轻、重同位素之分。根据物理特性，又将同位素分为放射性和稳定性两种形式。放射性同位素(radioactive isotope)如：3H、14C经历着自身的衰变过程，并放射出辐射能，是不稳定的，具有物理半衰期。尽管放射性同位素仍应用于生物样本分析中(放免分析)，但由于它的辐射作用能对人体产生潜在的不良作用，其应用受到严格的限制，常用于放射治疗医学和影像医学中。稳定性同位素(stable isotope)无放射性，物理性质稳定，以一定比例存在于自然界，对人体无害，可采取化学合成的方法将其标记到药物分中去，在生物样本中的标记药物和未标记药物的浓度可运用GC-MS或[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Yp][color=#3333ff]LC-MS[/color][/url]方法同时被检测。常用的稳定同位素有2H、13C、15N和18O四种(见Tab)。表中天然丰度(natural abundance)表示稳定同位素存在于自然中的百分比值。以碳元素为例，稳定同位素有12C和13C两种形式，分别占总额含量的98.893%和1.107%(共100%)。在各药物分子中，碳原子均以上两种同位素的比例自然存在。每一种有机物都是由不同同位素核素(Nulide)组成的混合分子。如维拉帕米的分子式为C27H38N2O4，分子量为454，而以各稳定同位素存在的平均分了量为454.27。在药物分子中，1个天然13C原子的存在，分子量就为455，因此，应用MS检测药物时，在质荷比(m/e)为455处会出现同位素族峰，其强度与分子中含该元素的原子数目及其重同位素的天然丰度密切相关。对某一有机化合物CWHXNYOZ而言，由重同位素天然存在引起的M+1(分子量+1)和M+2峰的相对强度可下式计算：(M+1)峰相对强度(%)=(1.1×W)+(0.015×X)+(0.037×Y)+(0.09×Z)(M+2)峰相对强度(%)=(1.1×W)2×(0.2×Z)/200如果将药物同重同位素13C、15N或2H(deuteriun，记作d量标记，则在M+1处会出现很强的标记药物峰，用GC-MS法能同时检测标记药物就是依赖它们之间存在的干扰，(即：M+1质荷比处检测标记药物的同位素峰共同贡献)。这种测试干扰可通过同位素分布计算方法来消除。避免同位素族峰干扰的最好方法是标记三个以上的原子(如标记三个氢原子，记作d3)，使标记药物的质量差≥3，此时，同位素峰干扰会很小，或不存在。另一个应予考虑的是用何种重同位素标记和标记位置问题，主要取决于药物的结构特征和体内代谢性质。标记物和未标记物的药代动力学及蛋白结合率等性质必须基本相同，不能存在同位素效应(见1.3部分)，所标记的部位不能放在该药代谢失活的重要位置或药物作用功能基上。因此，运用该技术之前必须对所研究药物的体内代谢特征及在MS上电离碎片式等知识有所认识和了解。1.2 使用安全性自1927年Ason等人首次发现同位素以来，药理、毒理学研究者对其毒性、致畸及致突变反应进行了探讨。小鼠体内13C含量增加到总碳含量的15%-20%，未观察到致畸反应。用于饲养小鼠的水及空气中的氧90%以18()取代，观察三代也未出现毒性和致畸反应。仅在体内有高含量的2H时(占体重的15%)会对哺乳动物产生显著性毒性。人体主要由氢、碳、氮、氧元素组成，以70kg人体重量计，大约含重同位素270g，人体内所含的及每天摄取的稳定重同位素的量远大于用标记药物试验的投药量(见Tab)，给予常剂量的稳定同位素标记药物进行人体实验是很安全的。Tab.Stalbe isotopes commonly utilized in pharmacokinetic studies　 Natural Body Normal Drug study Isotopes Abundance Content Daily Intake Intake* 　 (%) (mg/kg) (mg/kg) (mg/kg) 2H 0.015 15 6.93 0.049 13C 1.107 1980 99.90 0.106 15N 0.366 111 0.15 0.122 18O 0.204 1300 133.40 0.147 * Calculations based on a molecule with average molecular weight of 350 containing six atoms of deuterium or two atoms of other isotoped.Total dose is 100mg per 70kg human subjects