Drug Distribution and Plasma Protein Binding

Определение

Распределение — этап фармакокинетики, на котором препарат, уже попавший в системный кровоток (после всасывания или при внутривенном введении), переходит из плазмы в интерстициальную жидкость, ткани и клетки. От него зависят три практических вопроса: какая доля дозы доходит до органа-мишени, как быстро падает концентрация в крови после введения и насколько долго препарат задерживается в организме.

Два главных количественных понятия раздела:

• Кажущийся объём распределения (Vd) — условный объём жидкости, в котором должна была бы равномерно распределиться вся доза, чтобы дать измеренную концентрацию в плазме. Это математический коэффициент пропорциональности, а не анатомическое пространство: у амиодарона он превышает объём всего тела в десятки раз.
• Свободная фракция (fu) — доля препарата в плазме, не связанная с белками. Только свободный препарат проходит через стенку капилляра, достигает рецептора, подвергается метаболизму и клубочковой фильтрации.

Этап распределения не существует отдельно от соседних: он определяет скорость падения концентрации (через Vd входит в период полувыведения), накладывается на всасывание при расчёте нагрузочной дозы и создаёт почву для лекарственных взаимодействий на уровне белков плазмы.

От чего зависит распределение

Препарат уходит из сосуда в ткань не «вообще», а по законам диффузии и транспорта. Определяют его пять групп факторов.

1. Свойства молекулы. Липофильные неионизированные молекулы свободно проходят через мембраны клеток и накапливаются в жировой ткани и внутри клеток. Гидрофильные и ионизированные остаются во внеклеточной жидкости. Крупные молекулы (гепарин, моноклональные антитела) не покидают сосудистое русло или делают это очень медленно.
2. Связывание с белками плазмы. Связанный комплекс слишком велик для поры капилляра и не уходит в ткани: белки плазмы работают как депо внутри сосуда.
3. Регионарный кровоток. Хорошо перфузируемые органы (мозг, сердце, почки, печень) получают препарат первыми; мышцы, жир и кости — позже. Это основа феномена перераспределения (см. ниже).
4. Тканевое сродство. Препарат может связываться с компонентами тканей: тетрациклины — с кальцием кости и зубов, йодсодержащие вещества — с щитовидной железой, дигоксин — с белками скелетной мышцы.
5. Барьеры и транспортёры. Гематоэнцефалический и плацентарный барьеры, транспортные белки-насосы (P-гликопротеин и другие) пропускают одни препараты и возвращают в кровь другие.

Распределение обратимо: пока свободная концентрация в плазме выше, чем в ткани, препарат идёт в ткань; когда плазменная концентрация падает ниже тканевой, потоки меняются на обратные. Поэтому ткани, накопившие препарат, поддерживают его концентрацию в крови уже после прекращения введения.

Объём распределения

Определение и формулы

Базовая формула для внутривенной болюсной дозы:

Vd = D / C₀

где D — введённая доза, C₀ — экстраполированная к моменту введения концентрация в плазме. Для препаратов, вводимых не в сосуд, в формулу добавляют биодоступность: Vd = F × D / C₀.

Vd связан с двумя другими параметрами:

T½ = 0,693 × Vd / Cl и, соответственно, Vd = Cl × T½ / 0,693

Из этого следует важный практический вывод: период полувыведения определяется не только клиренсом, но и объёмом распределения. Чем больше Vd при том же клиренсе, тем меньшая доля препарата в каждый момент находится в плазме и доступна для выведения, и тем дольше препарат остаётся в организме. Поэтому ожирение, возраст и пол могут менять T½ вообще без изменения клиренса — только за счёт изменения Vd.

Vd выражают в литрах или л/кг массы тела. В клинической практике удобнее л/кг: сравнивать пациентов разной массы можно только так.

Как читать значение Vd

Vd сравнивают с реальными жидкостными пространствами организма (для взрослого массой 70 кг):

Пространство	Объём	Л/кг
Плазма	3–4 л	около 0,05
Внеклеточная жидкость (плазма + интерстиций)	12–15 л	около 0,2–0,25
Вся вода организма	40–42 л	около 0,6–0,67

Отсюда следует интерпретация:

• Vd около 0,05–0,15 л/кг — препарат удерживается в сосуде: высокая связь с белками, крупная молекула. Гепарин (0,04 л/кг), варфарин (0,14 л/кг), фенилбутазон (0,1 л/кг).
• Vd около 0,2–0,3 л/кг — препарат распределяется во внеклеточной жидкости и не входит в клетки: гидрофильные β-лактамы и аминогликозиды. Амоксициллин (0,21 л/кг), валсартан (0,23 л/кг), индометацин (0,29 л/кг), гентамицин (0,2–0,3 л/кг).
• Vd около 0,5–0,9 л/кг — равномерное распределение во всей воде организма: этанол (0,54 л/кг), ацикловир (0,69 л/кг), ламотриджин (0,87 л/кг); ванкомицин — 0,4–0,7 л/кг.
• Vd больше 1 л/кг — препарат активно покидает плазму и накапливается в тканях: целекоксиб (6 л/кг), итраконазол (14 л/кг), дигоксин (5–7 л/кг, около 500 л), амиодарон (17–60 л/кг и более), лоратадин (около 120 л/кг), хлорохин (десятки–сотни л/кг).

Разброс значений для одного препарата в разных источниках нормален: Vd зависит от популяции, способа расчёта и состояния больного. Эти цифры — ориентиры порядка величины, а не константы для расчётов у конкретного пациента.

Большой Vd не означает, что препарат «лучше проникает в орган». Это означает, что в плазме в данный момент осталась малая часть дозы. При большом Vd:

• концентрации в плазме после дозы низкие, поэтому для быстрого эффекта нужна нагрузочная доза;
• препарат медленно покидает организм, T½ длинный — отсюда кумуляция и длительное сохранение эффекта и токсичности после отмены (амиодарон, хлорохин);
• гемодиализ и форсированный диурез неэффективны при отравлении, потому что в крови находится ничтожная часть вещества.

Какой объём брать в расчёт

В специальной литературе различают несколько объёмов: Vc (центральной камеры, при введении «в момент ноль»), Vss (равновесный, при стационарных условиях) и Varea (на терминальной фазе после распределения). После разового внутривенного введения самым устойчивым показателем, отражающим распределение на всех этапах после установления равновесия, считают Varea; Vss приложим только к одному моменту времени и занижает реальную степень распределения. Практический смысл различия сводится к тому, что в первые минуты после болюса «объём» препарата — не константа, а растущая величина: он расширяется от Vc к Vss по мере распределения. Поэтому расчёт нагрузочной дозы по справочному Vd — это приближение.

Нагрузочная доза

Для препаратов с большим Vd первые порции дозы быстро уходят из крови в ткани, и концентрация долго остаётся ниже терапевтической, если вводить только поддерживающие дозы. Чтобы сразу создать нужную концентрацию, рассчитывают нагрузочную дозу:

Нагрузочная доза = Vd × C_цель (для не внутривенных путей — делят на F)

Арифметика расчёта: при Vd = 0,5 л/кг, массе 70 кг и целевой концентрации 10 мг/л нагрузочная доза = 0,5 × 70 × 10 = 350 мг.

Два практических ограничения:

• Нагрузочная доза рассчитывается по целевой концентрации, а не «чем больше, тем лучше». Если брать Vss для внутривенной нагрузки, пик концентрации будет выше нужного и возможны нежелательные реакции; если брать только Vc — концентрация в момент максимального эффекта не дойдёт до цели. Наиболее точно использовать объём на момент пика эффекта — на практике это означает вводить нагрузочную дозу не болюсом, а за разумное время.
• Нагрузочная доза зависит только от Vd, но не от клиренса. При почечной или печёночной недостаточности снижают поддерживающие дозы, нагрузочную обычно оставляют полной: объём распределения при этом не уменьшается, а нередко растёт (отёки, перегрузка жидкостью).

Нагрузочные дозы нужны там, где важно быстро достичь эффекта и где Vd велик либо вырос: антиаритмики (амиодарон, дигоксин при насыщении), антибиотики у тяжёлых больных (колистин, ванкомицин, аминогликозиды с высоким Vd на фоне инфузионной терапии), противоэпилептические при эпилептическом статусе.

Связывание с белками плазмы

Белки-переносчики

Препараты в крови находятся в двух формах: свободной и связанной с белками, причём между ними устанавливается быстрое динамическое равновесие. Основные белки:

• Альбумин (самый многочисленный белок плазмы) — связывает преимущественно кислые и нейтральные липофильные препараты: НПВП, варфарин, фенитоин, вальпроаты, пенициллины, цефалоспорины, сульфаниламиды, барбитураты, фибраты, билирубин.
• α₁-кислый гликопротеин (орозомукоид) — связывает основные препараты: лидокаин, хинидин, пропафенон, бупивакаин, пропранолол, хлорпромазин. Его концентрация в плазме невелика, а на каждую молекулу приходится один центр связывания, поэтому связывание с ним насыщаемо и легче вытесняется. Это белок острой фазы: при инфаркте миокарда, онкологических заболеваниях, воспалении, травме, ожогах и после операции его уровень растёт, а свободная фракция основных препаратов уменьшается.
• Липопротеины и глобулины — связывают стероиды и жирорастворимые вещества (циклоспорин).
• Эритроциты — переносят часть хинидина, хлорпромазина, циклоспорина; при определении концентрации в плазме и в цельной крови результаты различаются.

Степень связывания

По доле связанного препарата различают:

• высокую степень связи (выше 90%): варфарин (99%), диклофенак (99%), диазепам (98%), амиодарон (97%); цефтриаксон связывается на 83–96% (с насыщением), оксациллин — на 80–90%;
• низкую или отсутствие связи (0–10%): гентамицин, амикацин, изониазид, лизиноприл, соталол.

Практическое значение имеет не столько общая доля, сколько то, что происходит со свободной фракцией при изменении белков или появлении конкурента. У препарата с связью 99% свободная фракция — 1%; уменьшение связи до 98% удваивает свободную фракцию — до 2%. У препарата со связью 50% аналогичное изменение даст прирост на единицы процентов. Поэтому внимания требуют именно сильно связанные препараты.

Что меняет связывание в клинике:

• гипоальбуминемия (цирроз, нефротический синдром, сепсис, ожоги, голодание, тяжёлые хронические болезни, пожилой возраст) — свободная фракция кислых препаратов растёт, нередко в 2–3 раза;
• повышение α₁-кислого гликопротеина при воспалении, опухоли, травме — свободная фракция основных препаратов падает, а общая концентрация в анализе при этом может выглядеть «в норме» или высокой;
• уремия — накапливаются вещества, вытесняющие препараты из связи с альбумином; у больных с почечной недостаточностью свободная фракция фенитоина выше, чем у здоровых при том же общем уровне;
• гипербилирубинемия и высокий уровень свободных жирных кислот (новорождённые, критическое состояние) — конкуренция за места на альбумине;
• беременность — снижение концентрации альбумина.

Важное следствие для терапевтического лекарственного мониторинга: у препаратов с высокой связью и узким диапазоном (фенитоин, вальпроаты) референсный интервал рассчитан на общую концентрацию при нормальном альбумине. При гипоальбуминемии «нормальная» общая концентрация может скрывать токсическую свободную. В таких ситуациях либо определяют свободную фракцию, либо пересчитывают общую концентрацию по уровню альбумина, либо ориентируются на клинику.

Конкуренция за белки плазмы: когда значима, а когда нет

Классическое утверждение — «препарат А вытесняет препарат Б из связи с альбумином, свободная фракция растёт, и возникает передозировка». В реальности оно верно лишь в ограниченном числе ситуаций.

Почему чаще это не имеет значения. Если препарат вытеснен, прибавка свободной фракции перераспределяется в ткани и одновременно подвергается выведению. Из-за этого общая концентрация падает, свободная концентрация на новом равновесии возвращается почти к исходной, а эффект усиливается кратковременно. Вытеснение — как правило, транзиторное событие, а не устойчивое изменение.

Когда вытеснение клинически значимо. Необходимы одновременно три условия:

1. препарат связан с белками более чем на 90%;
2. его Vd мал (современный количественный анализ указывает границу около 1,3 л/кг: при больших Vd даже существенные изменения связывания не требуют коррекции дозы), то есть свободный препарат не «уходит» в ткани, и прирост остаётся в плазме;
3. терапевтический диапазон узкий.

Классические примеры — варфарин и фенитоин. Но и для них доказанный риск связан не только с самим вытеснением: у варфарина фенилбутазон не только вытесняет препарат из связи с альбумином, но и подавляет метаболизм активного S-изомера через CYP2C9. Именно сочетание вытеснения с торможением элиминации даёт устойчивое повышение свободной концентрации и кровотечения. Поэтому при оценке взаимодействия всегда нужно задавать второй вопрос: не мешает ли вытесняющий препарат ещё и выведению вытесняемого.

Роль типа клиренса. Если препарат выводится с низкой печёночной экстракцией (клиренс «ограничен связыванием»), элиминируется только свободная фракция, и изменение связывания меняет общий клиренс — такие препараты чувствительны к белковым взаимодействиям. Если экстракция высокая (клиренс «ограничен кровотоком», например лидокаин, пропранолол), орган извлекает и свободный, и связанный препарат, общий клиренс почти не зависит от связывания, а значит, определяется печёночным кровотоком.

Самый опасный и подтверждённый пример вытеснения — у новорождённых. Сульфаниламиды, салицилаты, ряд других препаратов (в том числе цефтриаксон) вытесняют из связи с альбумином неконъюгированный билирубин. Его свободная фракция проникает через незрелый гематоэнцефалический барьер и повреждает ядра мозга — развивается билирубиновая энцефалопатия (ядерная желтуха). Именно поэтому у новорождённых с желтухой такие препараты не применяют.

Барьеры и транспорт

Гематоэнцефалический барьер

Капилляры мозга построены иначе, чем в других органах: эндотелиоциты соединены плотными контактами, окружены базальной мембраной и отростками астроцитов. Кроме того, на мембране эндотелиоцитов работают эффлюксные транспортёры — P-гликопротеин (ABCB1) и BCRP (ABCG2), которые активно возвращают вещества в кровь. Следствия:

• свободно проходят липофильные неионизированные молекулы с малой молекулярной массой (снотворные, транквилизаторы, нейролептики, хлорамфеникол, ряд фторхинолонов);
• гидрофильные и ионизированные препараты проходят плохо (β-лактамы, аминогликозиды, ванкомицин), а субстраты P-гликопротеина вытесняются обратно даже при достаточной липофильности;
• воспаление оболочек (менингит) нарушает плотные контакты и подавляет эффлюкс — проницаемость барьера для β-лактамов и ванкомицина возрастает; это одна из причин, по которой при менингите применяют высокие дозы β-лактамов, а после стихания воспаления проникновение снижается;
• P-гликопротеин находится не только в мозге, но и в энтероцитах, гепатоцитах, канальцах почек и плаценте: он ограничивает всасывание и поступление препарата в ткани и ускоряет выведение. Ингибиторы P-гликопротеина (например, амиодарон, верапамил, кларитромицин) повышают концентрации его субстратов (дигоксин, дабигатран).

Плацентарный барьер

Плацента — не абсолютный барьер. Липофильные неионизированные вещества с молекулярной массой менее 600 Да проходят через неё пассивной диффузией, и концентрации у плода быстро приближаются к материнским. В плаценте также есть эффлюксные транспортёры (P-гликопротеин, BCRP), защищающие плод; воспаление и инфекция могут их подавлять. Конкретные риски для плода и ребёнка при грудном вскармливании разобраны в Фармакотерапия при беременности и лактации и Antibiotic Therapy in Pregnancy.

Депонирование и перераспределение

Тканевые депо

При высоком сродстве препарата к тканям в них образуется обратимый резервуар, который удлиняет действие:

• жировая ткань — липофильные препараты (тиопентал, диазепам, пропофол, амиодарон); из жирового депо препарат выходит медленно, что объясняет остаточную сонливость и «вторичный сон» после наркоза;
• костная ткань и зубы — тетрациклины образуют хелатные комплексы с кальцием; поэтому их избегают у детей до 8 лет (окрашивание эмали, нарушение роста кости) и в беременность;
• щитовидная железа — соединения йода;
• синовиальная жидкость — диклофенак: через 12 часов после приёма в плазме препарата почти нет, а в суставе он сохраняется, и клинический эффект длится дольше, чем можно было бы ожидать по плазменному T½;
• внутри клеток — макролиды и фторхинолоны накапливаются в альвеолярных макрофагах и нейтрофилах в концентрациях, в 10–50 раз превышающих сывороточные; это и определяет их активность против внутриклеточных возбудителей.

Перераспределение

Короткое действие однократной внутривенной дозы тиопентала и пропофола объясняется не выведением, а перераспределением. После болюса препарат сначала попадает в хорошо перфузируемые органы — прежде всего мозг, и наступает быстрый наркоз. Затем он перемещается в менее перфузируемые мышцы и жир, плазменная и мозговая концентрации падают, и больной просыпается — при том что терминальный период полувыведения тиопентала составляет около 12 часов. Препарат не удалён из организма, а перенесён в другие компартменты.

Практические следствия:

• после повторных доз или длительной инфузии депо насыщаются, перераспределение перестаёт «спасать», и пробуждение затягивается; для пропофола при длительных инфузиях значительно возрастают контекстно-зависимый период полувыведения и длительность пробуждения;
• у пожилых и ожирённых при той же болюсной дозе пик в мозге выше, а выход из депо дольше, поэтому дозу снижают.

Распределение в особых группах

Новорождённые и дети

• Объём внеклеточной жидкости у недоношенных составляет около 50% массы тела, у доношенных новорождённых — 45%, к году — около 25%, у взрослых — 14–20%. Гидрофильные препараты (β-лактамы, аминогликозиды) распределяются в большем объёме, их концентрации в плазме при пересчёте на кг массы ниже, поэтому дозы на килограмм у младенцев выше, чем у взрослых.
• Содержание жира у недоношенных — около 3%, у доношенных — около 12%; Vd липофильных препаратов отличается от взрослых.
• Общий белок и альбумин снижены, присутствует фетальный альбумин с меньшей связывающей способностью, в плазме повышены свободные жирные кислоты и билирубин. Свободная фракция высокосвязанных препаратов выше (для тиопентала — около 28% у новорождённых против 15% у взрослых).
• Гематоэнцефалический барьер более проницаем, транспортёры созревают постепенно, поэтому у новорождённых выше риск ЦНС-токсичности (например, морфина).

Эти особенности — основа возрастного дозирования, разобранного в Фармакотерапия у детей и Neonatal Pharmacology and Dosing of Antibiotics.

Пожилые

• С возрастом уменьшаются общая вода организма и мышечная масса, растёт доля жира, снижается концентрация альбумина.
• Vd гидрофильных препаратов (дигоксин, аминогликозиды) уменьшается — выше пик концентраций, риск передозировки при стандартной дозе.
• Vd липофильных препаратов (диазепам, фенитоин) растёт, T½ удлиняется, возникает кумуляция.
• Начальные дозы у пожилых принято снижать на 30–50%, затем титровать по эффекту. Подробнее — Фармакотерапия у пожилых.

Гипоальбуминемия

При альбумине ниже 30 г/л свободная фракция высокосвязанных препаратов (варфарин, фенитоин, вальпроаты, НПВП, цефтриаксон, оксациллин) возрастает. Универсального правила «снизить дозу на 25–50%» применять не следует:

• коррекция нужна препаратам со связью около 85–90% и выше, малым Vd и узким терапевтическим диапазоном;
• для препаратов с большим Vd и для препаратов, выведение которых ограничено кровотоком, при гипоальбуминемии коррекции, как правило, не требуется;
• ориентироваться нужно на клинический эффект, свободную концентрацию и ТЛМ.

Отёки, асцит, критическое состояние

Отёки, асцит, гидроторакс, капиллярная утечка при сепсисе и массивная инфузионная терапия увеличивают внеклеточный объём. Vd гидрофильных препаратов (аминогликозиды, β-лактамы, ванкомицин, колистин) растёт, их плазменные концентрации падают — это один из основных механизмов недостаточных доз антибиотиков у тяжёлых больных. При этом у них одновременно снижается альбумин (растёт свободная фракция кислых препаратов) и повышается α₁-кислый гликопротеин (падает свободная фракция основных). Практическая мера — полная нагрузочная доза гидрофильных антибиотиков без «экономии» на почечной недостаточности (снижается поддерживающая доза, но не нагрузочная) и контроль концентраций там, где он доступен. См. Pharmacokinetics and Pharmacodynamics of Antibiotics и Antimicrobial Therapy of Sepsis and Catheter-Related Bloodstream Infections.

Ожирение

Vd возрастает у всех препаратов, но по-разному: у гидрофильных аминогликозидов — примерно на 3% на каждую единицу ИМТ, у выраженно липофильных — примерно на 9%. Клиренс при этом тоже растёт. Поэтому:

• гидрофильные препараты (аминогликозиды, ванкомицин, колистин) в жир почти не проникают; дозирование по фактической массе приводит к передозировке, расчёт ведут по скорректированной массе: ABW = IBW + 0,4 × (TBW − IBW), где IBW — идеальная, TBW — фактическая масса;
• липофильные (фторхинолоны, макролиды, тигециклин) обычно дозируют по фактической массе или ориентируются на конкретные рекомендации к препарату.

Алгоритм оценки распределения при назначении препарата

1. 1

   Определите тип препарата: гидрофильный (Vd около 0,2–0,3 л/кг) или липофильный (Vd больше 1 л/кг); выясните, высокосвязанный ли он (больше 90%).

2. 2

   Оцените, нужна ли быстрая концентрация: если да и Vd большой — рассчитайте нагрузочную дозу = Vd × C_цель; для не внутривенных путей поделите на F.

3. 3

   Проверьте состояние жидкостных пространств: отёки, асцит, сепсис, массивная инфузия повышают Vd гидрофильных препаратов, обезвоживание — снижает.

4. 4

   Определите альбумин и воспалительную активность: гипоальбуминемия — для кислых высокосвязанных препаратов, повышение α1-гликопротеина — для основных.

5. 5

   Если препарат высокосвязанный, с малым Vd и узким диапазоном (варфарин, фенитоин, вальпроаты) — не доверяйте общей концентрации при гипоальбуминемии и уремии, оценивайте свободную фракцию или клинику.

6. 6

   Для препаратов, действующих в ЦНС, плаценте или внутриклеточно, оцените барьер: воспаление оболочек, субстрат P-гликопротеина, ингибиторы транспортёра.

7. 7

   Скорректируйте расчёт по группе пациента: новорождённый, пожилой, ожирение (скорректированная масса для гидрофильных).

8. 8

   При комбинации препаратов проверьте вторую часть вопроса: тормозит ли «вытесняющий» препарат ещё и выведение вытесняемого.

Типичные ошибки

1. Принимать Vd за анатомический объём. Vd больше объёма тела означает депонирование в тканях, а не ошибку расчёта.
2. Рассчитывать нагрузочную дозу по клиренсу. Нагрузочная доза определяется Vd, а клиренс влияет на поддерживающие дозы.
3. «Экономить» нагрузочную дозу при почечной недостаточности. Почечная недостаточность снижает поддерживающую дозу гидрофильных препаратов, но не нагрузочную; объём распределения при перегрузке жидкостью растёт.
4. Считать любое вытеснение из белков опасным. Значимо оно для препаратов с высокой связью, малым Vd и узким диапазоном, чаще всего в сочетании с торможением выведения.
5. Ориентироваться на общую концентрацию фенитоина или вальпроатов при гипоальбуминемии. Свободная фракция может быть токсичной при «нормальном» общем уровне.
6. Дозировать гидрофильные антибиотики по фактической массе при ожирении. Расчёт по скорректированной массе.
7. Не учитывать менингит при выборе дозы β-лактамов. Проницаемость барьера при воспалении выше, но нужны высокие дозы и поддержание концентрации на весь курс.
8. Недооценивать расширение внеклеточного объёма у тяжёлых больных. Подходящая доза «для среднего пациента» у больного с сепсисом и капиллярной утечкой даёт недостаточные концентрации.
9. Назначать вытесняющие билирубин препараты новорождённым с желтухой. Риск билирубиновой энцефалопатии.
10. Ожидать быстрого эффекта гемодиализа при отравлении препаратом с большим Vd. В крови находится малая часть вещества.