4.8　上皮细胞渗透性（被动渗透过程）

上皮细胞膜渗透性 P _ep 可以进一步分解为跨细胞转运的渗透 P _trans 和经细胞旁路渗透 P _para 两种被动渗透（载体介导的转运将在后面的章节中讨论）：

4.8.1　被动跨细胞转运的渗透：pH分配理论

细胞膜是脂质双层，主要由磷脂和胆固醇组成，见图6.4。脂质双层的亲脂性部分成为亲水性分子的渗透屏障。对于可解离型药物，P _trans 表达为各组分渗透性之和：

其中，P _trans，0 是未解离型药物的固有渗透性，P _trans，+ 是电荷为+1的组分的固有渗透性，以此类推。每种组分所占的比例f取决于邻近的上皮细胞膜表面的pH值（微环境的pH在5.5～6.5）和药物的p K _a （s），见章节6.1。通常情况下，不带电荷的组分比带电荷的组分更易透膜。因此，根据pH分配理论 ^①② 。

① 该关系与辛醇-水分配系数（P _oct ）和辛醇-水分布系数（D _oct ）相似，Doct=f ₀ P _oct ，见7.2节）。

② 最近有报道，离子化的药物分子也可以被动地渗透脂质双分子层（然而，比中性分子慢得多）。

典型的pH-渗透性曲线如图4.7所示。对数图的斜率是1。在此斜率区域，pH或p K _a （对数坐标轴）的一个单位差异对应于正常坐标轴上渗透率的10倍变化。因此，可解离型药物在体外渗透实验中采用非生理pH时，使用渗透性值进行生物药剂学建模前，应校正pH值的影响 ^① 。当UWL的影响可以忽略不计时，渗透性的水平线与P _trans，0 是一致。斜线和水平线的交叉点就是药物的p K _a 。但对于UWL限速渗透性的药物，这时水平线低于P _trans，0 ，并且交叉点（p K _a 变迁）不再是药物的p K _a 。

① 体外渗透试验通常使用pH值7.4，但这比微环境中pH值约高1个pH单位。

4.8.2　被动跨细胞转运的固有渗透性

4.8.2.1　溶解度-扩散模型

游离型药物的固有渗透性P _trans，0 可以进一步由药物和脂质双分子层的相互作用推导得出。根据药物分子的性质和膜的组成，计算渗透性的最简单方法是将脂双层作为均匀的有机溶剂膜，并应用Fick’s定律进行计算，见图4.8。细胞膜上的被动渗透是一个扩散过程，透膜的驱动力是膜两侧的浓度梯度差（即Fick’s定律）。如果忽略脂水表面的界面阻力，扩散流量 J 可以表示为：

其中，D _mono，m 是药物在细胞膜上的扩散系数，h _m 是膜的厚度，C _m，0 和C _m，h 分别为在膜上位置0和位置h时的药物浓度。C _m，0 和C _m，h 可以用水和有机溶剂的分配系数K _org 表示，和水相中供给侧和接收侧的浓度表示（分别为C _w，0 和C _w，h ）。考虑到漏槽效应，C _w，h 将接近0。方程4.32表明渗透性由以下三者决定：分配系数K _org （静态参数）、扩散系数D _m （动力学参数）和膜的厚度h _m ^② 。

② 这与Nernst-Brunner方程“固有溶出速率由扩散系数、非搅拌水层UWL的厚度和固体表面的溶解度决定”类似。

溶解度-扩散模型可以外推到不均匀的膜模型。渗透系数是渗透阻力的倒数，总的渗透阻力是各个阻力的串联（同Ohm’s定律）。

其中，D _m （x）是位置x的局部扩散系数，K _org （x）是水和位置x之间的局部分配系数。根据方程4.33，最低的渗透率区域（屏障区域）限制总的渗透率。因此，方程4.33可以简化成方程4.32。K _org 是溶质从水（不是从极性基团的表面）到屏障区域的分配系数。目前认为，细胞膜中的扩散系数低于非极性溶剂如十六烷的扩散系数。疏水部分的有序区域（图6.4中的高密度尾部区域）将表现得像是一个柔性聚合物，导致该区域的扩散系数降低。

根据溶解度-扩散模型，膜渗透系数与药物在水和屏障区域之间的分配系数相关。如果能够找到类似于限速屏障的合适有机溶剂，则膜渗透系数可以通过水和有机溶剂的分配系数、扩散系数和屏障的厚度来计算。对于主要由磷脂组成的脂双层来说，建议使用简单的烷烃或烯烃来反映亲水药物的限速渗透屏障。虽然正辛醇是定量构效关系QSAR中最常用的有机溶剂，但它并不很合适。溶解-扩散理论主要用于小分子研究（MW＜100），但该理论对类药化合物的适用性未知。

4.8.2.2　flip-flop机制的膜渗透

flip-flop机制也作为膜渗透机制被研究。flip-flop机制的概念见图4.9。flip-flop机制用于描述两性大分子或者拟肽分子（如多柔比星）的跨膜运动。这种机制的跨膜运动用两步进行描述：①分子嵌入膜双层结构的小片中；②转移穿过脂质区域（flip-flop）。对于脂肪酸，第一步的嵌入比第二步的flip-flop要快，并且随着链长度的增加，转移穿过脂质区域的速率将减慢。

4.8.2.3　游离型药物的固有渗透性P _trans，0 和logP _oct 之间的关系

正辛醇-水的分配系数通常用作K _org 的替代参数。P _{trans， 0} 和P _oct 在-2＜logP _oct ＜4和0.000 000 1＜P _trans，0 ＜0.1cm/s显示广泛且线性的关系 ^①② 。用下面的方程粗略估算Caco-2实验的 P _trans，0 。

① 注意阶不是10 ^-6 。最高值0.1cm/s（100 000×10 ^-6 cm/s）可能看起来很奇怪，实验观察到的最高表观渗透率P _app 通常为50×10 ^-6 cm/s。然而，P _app 的上限是由于在标准体外环境下UWL的厚度设置引起的。一旦校正了UWL的影响，P _trans，0 可达到0.1cm/s。

② 这并不意味着辛醇和脂质双层对药物渗透具有完全相同的选择性，该关系的标准偏差为一个log单位。

该方程是用实验P _oct 值推导的。P _trans，0 是根据Caco-2表观渗透数据计算得到，见章节7.9.5。logP _oct 和logP _trans，0 之间的关系见图4.10和4.11。图4.11是基于对P-gp底物的被动渗透性的分析得到的，P-gp底物具有较高的分子量，见章节4.9.5。相似的，图4.12显示了被动血-脑屏障BBB的渗透性和logP _oct 之间的关系。有趣的是，无论是什么细胞类型（即Caco-2，MDCK和小鼠的BBB），logP _oct 和logP _trans，0 之间的关系是相似的。中等到高亲脂性且分子量大于500的药物分子（log D _{oct，pH 6.5} ＞1.5），将低于中心相关线，且向下偏离。之前的Caco-2的研究中也观测到了类似的偏离，但未排除P-gp的影响。然而，即使剔除P-gp的影响，仍然能观测到这种向下偏离。这一发现表明，小分子和大分子（MW＞500）的被动扩散机制是不同的。对于小分子，跨膜渗透可以简单地通过分配-扩散机制描述，而flip-flop机制更适用于大分子药物（MW＞500）。方程4.34可以用于MW＜500和logD _{oct，pH 6.5} =2～5的药物，但不适用于MW＞500和logD _oct，pH6.5 ＞5的药物。当考虑分子量的影响时，可以获得以下的经验方程（图4.13）：

虽然方程4.34和方程4.35只是对游离型药物的固有渗透性P _trans，0 的粗略估计，但是这两个方程在药物发现和开发阶段非常有用，特别是对于亲脂性的药物（logD _{oct，pH 6.5} ＞2）。由于体外试验存在人为误差，见章节7.9.8，对于高亲脂性的药物（logD _{oct，pH 6.5} ＞1.5）存在P _app 被低估的固有风险。而实验得到的logD _{oct，pH 6.5} 相对可靠，上限可以高达4。此外，大多数情况下（除了MW＞500的药物），当logD _{oct，pH 6.5} ＞2时，P _eff 主要受非搅拌水层UWL的影响，因此，准确估计P _ep 不是必需的。如P _trans，0 ＞0.1cm/s时，不应使用方程4.34和方程4.35，因为这些方程未在此范围内进行验证。P _trans，0 有理论上限，该值受药物在细胞质的扩散过程控制。

举例

pH 6.5时，酮洛芬的P _trans 可以由logP _oct =3.2和p K _a =4计算得到 ^① ，

① 在转运体文献中经常引用以下误解：p K _a 为8.5（碱性）或p K _a 4.5（酸性）的可解离药物在中性pH时，有99%是离子化的，不能通过被动扩散透过细胞膜的脂质双层。这时后面通常加上“因此，大部分离子化的药物是通过转运体进行吸收的”。这个误解可能来自忽略了P _trans，0 至少可以高达100 000×10 ^-6 cm/s。

4.8.3　经细胞旁路途径渗透

小分子可透过上皮细胞之间的紧密连接。这种紧密连接由细胞黏附分子维持并带有负电荷。阳离子小分子（对于人来说MW＜200或＜400）更倾向于经细胞旁路途径进行渗透，而大的和（或）带负电荷的分子则不能。经细胞旁路途径的药物渗透模型已用负电荷管道成功搭建。

其中， fz 是用药物的p K _a （s）计算得到的每种带电荷组分的分数（ z 指的是电荷数目）， R _ratio 是经细胞旁路渗透的表观孔半径与渗透物的分子半径的比值（ R _ratio =MW ^1/3 /R _MW ），经细胞旁路表观孔半径是基于分子量MW（R _MW ，人=8.46）的选择性来计算。 A ″是经细胞旁路途径群体的总常数（ A ″=3.9×10 ^-4 ，P _Para 单位是cm/s）。Z _para 对应经细胞旁路途径的表观电势（肠的电势从-18到80mV）。由于细胞膜带有负电荷，经细胞旁路途径具有阳离子选择性。RK是一个分子筛选函数（Renkin函数）。随着扩散分子半径的增加，RK会降低。虽然细胞旁路途径模型方程是一个近似方程，但它成功地模拟了经细胞旁路途径的贡献，见8.4.4章节。除了分子量MW和电荷数目 z ，底物的亲脂性同样会影响经细胞旁路途径渗透。特定情况下，药物分子形状也同样会影响表观渗透性 P _app ，例如PEGs。

经细胞旁路途径的有效范围具有种属差异。化合物在狗中的经细胞旁路途径，比大鼠和人的更易渗漏，见章节13.5.1。Caco-2细胞往往比人体小肠具有更紧密的紧密连接。因此，当我们研究种属差异和体外-体内相关性IVIVC时，应考虑经细胞旁路途径的影响。

图4.14显示了使用方程4.36～4.39计算经细胞旁路渗透P _para 而预测吸收百分数Fa%。与被动跨细胞转运渗透相比，经细胞旁路通常被认为是次要途径。但许多亲水的碱性药物（p K _a ＞6.5）会经细胞旁路途径渗透，例如，阿替洛尔（MW=266）、二甲双胍（MW=129）和雷尼替丁（MW=314）。经细胞旁路渗透P _para 可以从分子量MW和p K _a 估算，且具有合理的准确性，因此计算P _para 的收益/投入比高。

4.8.4　logD _oct ，分子量MW和吸收百分数Fa%之间的关系

用方程4.35～4.38计算logD _oct （pH 6.5）、MW和Fa%之间的关系，见图4.15。在图8.8中，理论计算与实验观测结果非常一致。