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P-糖蛋白与药物的体内过程

本文ID:LW3962

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【摘要】 ATP结合盒转运载体蛋白作为影响药物体内过程的重要因素已被广泛研究，P-糖蛋白（P-gp）是其中最主要的一种转运子。P-gp的结构、特点及组织分布决定了其在药物的吸收、分布、代谢、排泄方面的重要作用。了解P-gp的这些作用有助于增加临床用药的合理性。经过近三十年的发展，虽然研究P-gp的方法已经较为成熟；但是，目前对转运子的研究仍有许多争议存在，还有很多问题需要解决。本文主要阐述P-gp的特性及其对药物体内过程的影响。【关键词】 ATP结合盒转运载体蛋白；P-糖蛋白；药物体内过程近年来，ATP结合盒转运载体蛋白对药物体内过程的影响已被广泛研究。P-糖蛋白（P-glycoprotein，P-gp）是其中最大的一个亚系。研究发现，P-gp在许多组织有分布，是一种ATP依赖性膜转运体，作为药物转运子，其作用类似于排出泵，可将药物从细胞内外排而使胞内药物浓度降低，从而降低药效［1］。因此，P-gp与底物及调节子之间的相互作用能影响药物的吸收、分布、代谢、排泄。目前主要用细胞内模型（caco-2细胞系）和动物模型（mdr基因敲除小鼠）研究 P-gp对其底物的药代动力学影响，常用的调节子有环孢素A（CsA）和维拉帕米。 1 认识ATP结合盒转运载体蛋白家族 ATP结合盒转运载体蛋白（ATP-binding cassette transporter，ABC）是细胞膜糖蛋白，这些蛋白包括调控性膜通道等，包含有一个ATP结合蛋白盒及一个转运膜区。哺乳类动物，活性ABC至少由四个这样的区域构成（两个转运膜区和两个ATP结合盒）。这些区域或呈现在一个多肽链里（完整转运子），或在两个分离的蛋白中（半转运子）；后者是功能性ABC特殊的转运子二聚体［2］。已有49种人类ABC基因被命名［3］。基于种系分析，这些转运子已被分为7个亚科（ABCA～ABCG）。三种主要的多药耐药性ABC是MDR1、MRP1和ABCG2［2］。 ABC的主要功能是小分子物质及多肽分子跨膜转运［3］。转运膜区会通过改变形态允许某些分子通过。ATP结合盒结合或水解胞浆中的ATP，以此确保转运底物所需的足够能量。ATP结合盒及转运膜区的这些特殊反应能够使转运子与底物像齿轮一样吻合并通过水解ATP来转运底物［4］。相同的转运子可存在于多种组织和细胞中。尽管底物的种类多种多样，但ABC家族显现出许多结构相似性。从原核生物系统到哺乳动物系统，ABC趋向于通过增加分子功能单位的数量来增加结构的复杂性［5］。 2 P-gp的结构、生化特性及可能的转运机制 2.1 P-gp的结构 P-gp是由1280个氨基酸组成的跨膜蛋白，分子量为170kD，由两个相似的部分构成。其中每一个部分包含六个转运膜区和一个ATP结合利用区。两部分被一个线性的易变区域隔开，如果线性区域缺失，虽然细胞表面的蛋白表达与原蛋白相似，但丧失了转运及药物刺激ATP酶活性的功能。如用一个有足够柔韧性二级结构的多肽链替换这个缺失的结构，分子的功能就会恢复。这些数据表明P-gp两个半球的相互作用是分子功能的关键［6］。 2.2 生物化学特性研究表明1mol P-gp可水解1mol的ATP。已证实人和仓鼠提纯的P-gp的两个ATP部位均能水解ATP，但机制并不完全一致［7］。人类P-gp的突变将影响底物的特异性。 2.3 P-gp的转运机制 P-gp在某些组织（肝、肾、小肠、大肠的上皮、脑毛细血管内皮细胞、卵巢和睾丸）表现屏障功能。不同的研究模型已被用于解释P-gp的转运机制。Roepe描述的改变分配模型中，P-gp的过度表达可导致膜电位的改变和/或细胞内pH的改变，最终改变药物的分配和细胞内药物浓度。flip-pase模型中，P-gp扮演类似于膜脂质移位酶的角色，它将底物从脂质双层分子的内面转移至外面。Vaccum cleaner model模型中，P-gp直接与底物在脂质双层分子中相互作用，并通过ATP及ATP酶把它们转运到细胞外。P-gp似乎既从脂质双层分子的外层也从脂质双层分子的内层泵出底物。P-gp在底物到达细胞浆之前即将细胞膜脂质层的底物转运到细胞外，进而消除其作用。但至今没有一个模型被进一步验证和核实，P-gp在药物转运方面的确切机制仍有争议［8，9］。 3 P-gp对药物代谢动力学的影响 P-gp在大肠及小肠的黏膜、血脑屏障、睾丸毛细血管上皮细胞、肝细胞、肾上腺及肾近端小管均有分布，因此它对药物的体内过程有显著影响［10］。从多药耐药（mdr）基因敲除小鼠获得的研究数据支持P-gp在药物吸收、分布、代谢及消除方面的作用［11，12］。 3.1 P-gp与药物吸收生理条件下P-gp在胃、小肠及结肠的腔上皮细胞有表达［10］。从细胞内模型及动物模型的研究中指出，调节P-gp可以影响P-gp底物的生物利用度、血浆峰浓度、表观清除率、药－时曲线下面积等药动学参数。因此设计有效的P-gp调节子，可抑制药物（底物）排泄至肠腔，从而增加药物的吸收［13，14］。体外试验（Caco-2细胞模型）结果表明，CsA口服给药时，胃肠道部位的P-gp可导致其吸收不完全。CsA作为P-gp的抑制剂，与其他药物合用时，可引起这些药物的药代动力学改变。Scheulen等证实应用CsA后，阿霉素的AUC增加了40%［14］。CsA与头孢吡肟合用，头孢吡肟的平均滞后时间（MRT）由原来的34.9min 延长至48.6min，血浆AUC由4775μg/(ml·min)增加到6960μg/(ml·min)，脑内AUC由64.3μg/(ml·min)增加到110.2μg/(ml·min)［15］。因此，P-gp可能成为口服给药吸收的屏障。 3.2 P-gp与药物分布药物在含P-gp较多的组织（如血－脑屏障、肾、肝等）分布时将受P-gp的影响［10］。mdr基因敲除小鼠和基因完整的小鼠组织内药物浓度测定结果显示，mdr基因敲除小鼠的小肠、肝及脑中地高辛、CsA及地塞米松的浓度高于mdr基因完整小鼠。在应用低剂量的利福平（1.5mg/kg）后，mdr基因敲除小鼠的肝细胞和血浆利福平浓度是mdr基因完整小鼠的11.3倍及3.3～70倍［16］。血脑屏障在物质进入脑内的过程中起着十分重要的作用，存在于脑毛细血管内皮细胞上的P-gp参与了这一作用［17］。mdr基因敲除小鼠模型研究地高辛与CsA脑内的吸收和分布情况时发现：经尾静脉注射CsA（1mg/kg）4、8和24h 后，脑内CsA的浓度分别是正常小鼠的17.0、26.3和55.2倍；血浆浓度分别是正常小鼠的1.4、1.7和1.9倍。静脉注射地高辛（1mg/kg）4h后的脑内浓度是正常小鼠的35倍，血浆、小肠和肝脏浓度增加1倍［18］。mdr1a基因敲除小鼠静脉注射司帕沙星4h后脑内浓度增加了3倍，而血浆浓度无改变［19］。此外，这些小鼠较mdr基因完整的小鼠对杀虫剂、依维菌素的神经毒作用更为明显［18］。因此，抑制P-gp能够影响其底物的组织分布，进而改变它们的毒性特别是在中枢神经系统毒性方面。 3.3 P-gp与药物代谢研究发现，细胞色素P450亚科3A4（CYP3A4）和 P-gp 有着相似的组织分布及相似的底物。P-gp表达于小肠、结肠及肝胆小管的腔上皮细胞；CYP3A4则主要存在于小肠及肝脏［20］。此外，P-gp 的调节子也常是 CYP3A4 的调节子［12，21，22］。两个系统共同防止细胞内异生物及毒物的积聚。致癌物质能够共同诱导 CYP3A4 和 P-gp 的表达，这是对细胞内新陈代谢增加的一种弥补反应。体外试验已发现利福平能够同时诱发 P-gp 表达和 CYP3A4激活。因此，上调CYP3A4的药物或许也能上调 P-gp 的表达［22］。以往的观点，个体间药物代谢的不同主要归因于细胞色素P450 表达的不同，但是，由于P-gp与细胞色素P450有着相似的底物及调节子，P-gp在个体间的药物代谢的不同也将起到关键的作用。 3.4 P-gp与药物消除由于P-gp呈现在肝脏胆小管和肾近曲小管的刷状缘中，推测其在药物经胆汁和/或肾脏排除中可能扮演重要角色。当与异搏定或CsA合用时，长春碱和秋水仙碱的胆清除将会减少。胆红素是P-gp的底物，且胆汁淤积能显著增加P-gp的表达，抑制P-gp的功能可导致高胆红素血症［21］。
在小鼠肾模型中，P-gp介导的肾近曲小管地高辛的分泌会被异搏定和奎尼丁抑制［23，24］。地高辛与奎尼丁合用时，地高辛的机体总清除率从(318.0±19.3)ml/h 降至(167.1±11.0)ml/h，肠清除率从(28.8±1.7)ml/h 降至(11.1±1.6)ml/h［25］。临床上异搏定和奎尼丁导致地高辛血浓度和毒性的增加，也许正是通过抑制P-gp而发生的。综上所述，P-gp在内源、外源性底物的吸收、分布、代谢、排泄方面起着重要的作用；而P-gp对于药物体内过程、疾病治疗及临床疗效影响的确切机制是特殊的，也是复杂的。 4 小结与展望 1976年Juliano和 Ling第一次证实P-gp在多药耐药性肿瘤细胞中过度表达［26］，现在人们已在多个领域对P-gp进行了研究，并在药物代谢、抗肿瘤、寄生虫及真菌治疗中的多药耐药性研究方面取得了一些进展；这些研究或许能够为将来彻底消除癌症治疗中的耐药性问题，解决好寄生虫与真菌的治疗问题奠定一些理论基础。但是，我们也应当看到目前还有许多问题亟待解决与证实。如P-gp对HIV感染者药物治疗的影响，对器官移植病人术后抗免疫排斥反应用药的影响以及P-gp与非口服、静脉途径吸收（经皮吸收）药物的作用机制等还不十分明确。因此，P-gp对药物体内过程影响的确切机制仍有待今后进一步研究完善。【参考文献】 1 Gottesman MM， Pastan I. Biochemistry of multidrug resistance mediated by the multi drug transporter. Ann Rev Bio chem，1993， 62： 385-427. 2 Sarkadi B，Ozvegy-Laczka C，Nemet K， et al. ABCG2-a transporter for all seasons. FEBS Lett，2004， 567(1)： 116-120. 3 Lockhart AC， Tirona RG，Kim RB. Pharmacogenetics of ATP-binding cassette transporters in cancer and chemotherapy. Mol Cancer Ther， 2003，2(7)： 685-698. 4 Varadi A，Tusnady GE，Sarkadi B. ABC proteins： From Bacteria to Man. J Bio Chem， 2003， 22：37-46. 5 SV Ambudkar， MM Gottesman， CK Sarfaty，et al. P-glycoprotein： from genomics to mechanism. Oncogene， 2003， 22： 7468-7485. 6 Hrycyna CA， Ramachandra M， Gottesman MM， et al. Mechanism of Action of Human P-glycoprotein ATPase Activity. J Bio Chem， 1988， 273： 16631-16634. 7 Urbatsch IL， SamKaran B， Weber J， et al. P-glycoprotein Is Stably Inhibited by Vanadate-induced Trapping of Nucleotide at a Single Catalytic Site. J Bio chem， 1995， 270： 19383-19390. 8 Ambudlcar SV， Carderelli CO， Pashinsky I， et al. Relation Between the Turnover Number for Vinblastine Transport and for Vinblastine-stimulated ATP Hydrolysis by Human P-glycoprotein. J Bio Chem， 1997， 272： 21160-21165. 9 Agnes Lo， Pharm D. P-glycoprotein and Drug Therapy in Organ transplantation. J Clin Pharmacol， 1999， 39： 995-1005. 10 Fogo AT， Shen DW， Mickley LA， et al. Intrinsic drug resistance in human kidney cancer is associated with expression of a human multi drug-resistance gene. J Clin Oncol， 1987， 5： 1922-1927. 11 Johnson DR， Finch RA， Lin ZP， et al. The pharmacological phenotype of combined multi drug-resistance mdr1a/mdr1b-and mrp1-deficient mice. Cancer Res， 2001， 61： 1469-1476. 12 MV Relling. Are the major effects of P-glycoprotein modulators due to altered pharmacokinetics of anticancer drugs? Therapeutic Drug Monitoring， 1996， 18： 350-356. 13 Sikic BI， Fisher GA， Lum BL， et al. Modulation and prevention of multi drug resistance by inhibitors of P-glycoprotein. Cancer Chemother Pharmacol， 1997， 40 (Suppl)： S13-S19. 14 Rushing DA， Raber SR， Rodvold KA， et al. The effects of cyclosporine on the pharmacokinetics of doxorubicin in patients with small cell lung cancer. Cancer， 1994， 74： 834-841. 15 Chang YL， Chou MH， Lin MF， et al. Effect of cyclosporine a P-glycoprotein inhibitor on the pharmacokinetics of cefepime in rat blood and brain： a micro dialysis study. Life Sci， 2001， 69 (2)：191. 16 Schuetz EG， Schinkel AH， Relling MV， et al. P-glycoprotein： a major determinant of rifampicin-inducible expression of cytochrome P4503A in mice and humans. Proc Natl Acad Sci USA， 1996， 93： 4001-4005. 17 Atsushi Sakata. In vivo evidence for ATP-dependent and p-glycoprotein mediated transport of cyclosporin at the blood-brain barrier. Biochemical pharmacology， 1994， 48(10)： 1989-1992. 18 Schinkel AH， Wagenaar E. Absence of the mdr a P-glycoprotein in mice affects tissue distribution and pharmacokinetics of dexamethasone， digoxin and cyclosporin A. J Clin Invest， 1995， 96(4)： 1698-1705. 19 De Lange EC， Marchand S， Van Den Berg D， et al. In vitro and in vivo investigations on fluoroquinolones effects of the P-glycoprotein efflux transporter on brain distribution of sparfloxacin.Eur J Pharm Sci， 2000， 12(2)： 85. 20 Wacher VJ， Wu CY， Benet LZ. Overlapping substrate specificity and tissue distribution of cytochrome P4503A and P-glycoprotein： implications for drug delivery and activity in cancer chemotherapy. Mol Carcinog， 1995， 13： 129-134. 21 Slaughter RL， Edwards DJ. Recent advances： the cytochrome P- 450 enzymes. Ann Pharmacother， 1995， 29： 619-624. 22 Schuetz EG， Beck WT， Schuetz JD. Modulators and substrates of P-glycoprotein and cytochrome P4503A coordinately up-regulate these proteins in human colon carcinoma cells. Mol Pharmacol， 1996， 49： 311-318. 23 Lum BL， Gosland MP. MDR expression in normal tissues： pharmacological implications for the clinical use of P-glycoprotein inhibitors. Hematol Oncol Clin North Am， 1995， 9： 319-336. 24 Hori R， Okamura N， Aiba T， et al. Role of P-glycoprotein in renal tubular secretion of digoxin in the isolated perfused rat kidney. J Pharmacol Exp Ther，1993，266：1620-1625. 25 Su S， Huang J. Inhibition of the intestinal digoxin absorption and exsorption by quinidine.Drug Metab Dispos， 1996， 24(2)： 142. 26 KW Scotto. Transcriptional regulation of ABC drug transporters. O

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