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세미나 및 칼럼

<켐온 칼럼> Pharmacokinetics and toxicokinetics에 대한 이해-(2)

6. 유효성시험과 독성시험의 용량-반응곡선과 PK-TK와의 관계   

○ 일반적으로 PK 시험에서는 Cmax, Tmax, AUC, 반감기 즉 T1/2, bioavailability 등이 지표인데 TK에서는 시간에 따른 용량 분석을 위해 혈장 또는 혈액의 부족에 기인하여 T1/2 제외된다. PK 및 TK의 이들 지표는 결국 약물 또는 시험물질의 ADME(absorption, distribution, metabolism, and elimination)와 관련된 다양한 요소들에 의해 영향을 받는다.    

○ Pk와 TK를 <그림>으로 다시설명하면 다음과 같이 설명이 가능하다. 대부분의 경우에 시험군과 대조군 등을 포함하여 4군으로 유효성 및 독성시험을 수행되지만 실제로 <그림> A)와 같이 threshold, 비례적인 용량-반응 곡선부분 그리고 steady-state 등이 포함된 용량-반응곡선을 얻기에는 적은 시험군이다. <그림 B)는 효능군 용량 3번 군에 대한 PK와 독성군 3번에 대한 TK의 양상을 나타낸 것이다. 최대안전용량은 혈장 내에서 효능군 5번군과 독성용량 1번군에 의해 결정되어 혈장에서의 최대내성용량(maximum tolerated dose, MTD)이다. 실제 TK 및 PK 실험을 통해 MTD를 정확하게 구하는 것은 쉽지 않다. <그림> A) 독성 2 용량-반응 곡선처럼 효능과 독성의 용량곡선이 겹쳐 있을 경우가 있다. 이러한 경우 독성의 용량-반응곡선에서 독성의 종류와 가역성 등을 고려하여 PK에서 유효용량을 TK에서 저용량 설정하는 것이 바람직하다.

 

 

                            <그림> 효능 및 독성의 반응곡선과 PK-TK와의 관계

 

7. Pharmacokinetics와 Toxicokinetics의 지표에 영향을 주는 요소  

1) 투여경로

오늘날에는 바이오의약품(biologics)의 개발로 다양한 투여경로가 있지만 합성의약품의 독성시험인 경우에 대부분은 경구(ingestion), 흡입(inhalation), 피부(skin) 그리고 정맥(intravanous injection)을 통해 이루어진다. 아래 <그림>에서처럼 경구로 투여된 약물은 소장-간문맥-간을 통해 전신혈관계로 유입이 이루어지는데 전신혈관계로 유입되기 전, 대장으로 배출, 또는 소장 및 간에서의 대사 등으로 인하여 투여용량의 100%가 전신혈관계로 유입되지 못한다. 반면에 정맥투여를 통해서는 시험물질 100%가 전신혈관계로 주입된다. 생체이용률(bioavailability)이란 정맥투여를 통한 전신혈관계 용량에 대한 경구투여 후 흡수된 전신혈관계 용량의 비율이다. 예를 들어 정맥투여는 전신혈관계에로의 직접 투여이므로 생체이용률은 100%이며 경구투여는 다양한 요인으로 투여의 50%가 전신혈관계에 도달한다면 시험물질 경구투여의 생체이용률은 50%가 된다. 독물동태학적 측면에서 경구투여에 의한 시험물질의 생체이용률이 높다는 것은 흡수가 잘되고 간에서의 대사율이 낮다는 것을 의미하고 한다.

 

 

                        <그림> 정맥 및 경구 투여를 통한 생체이용률에 대한 이해:  

○ 경구투여독성시험에서 시험물질에 의한 독성은 ① 소장에서 혈관으로의 흡수 저해와 ② 시험물질에 의한 조직병리학적 손상 등의 2가지측면에서 이해할 수 있다. 특히 소장에서 시험물질의 흡수 저해 요인은 시험물질이 소장에서 흡수를 저해하는 독성학적 요인으로는 ㉮ 융모세포의 손상, ㉯ 시험물질의 이온성과 pH 환경,㉰ 장내공생미생물에 의한 흡수 저해, ㉱ 식이섭취 전후의 혈중농도 차이 등 4가지 측면에서 추정할 수 있다



<그림> 소장 점막을 구성하는 융모(villi)의 구조와 세포탈락: 개구부에서 밀린 상피세포가 정상 부분으로 이동하여 세포탈락(cell extrusion)이 이루어진다. 화학물질의 독성에 의해 독성에 의해 세포탈락 현상이 촉진될 수 있다. 화학물질에 의한 이러한 세포 또는 융모의 탈락 및 교체는 화학물질에 의한 소장의 대표적인 독성이라고 할 수 있다. 상피세포(epitherial cell), 융모(villi), 소융모(microvilli) 배상새포(goblet cell), 개구부(crypt), Cell extrusion(세포 탈락), Juction(연접)   

2) 약물의 친지질성

○ 흡수와 이동은 세포막을 통해 이루어지며 세포막은 지질이중층, 따라서 약물의 친지질성은 막의 투과성이 높아 체내 흡수 및 분포 등의 TK의 지표에 큰 영향을 준다. 약물의 친지질성 정도는 이온화 강도(degree of ionization)가 낮을수록 그리고 oil-water partition-coefficient(오일-물 분배계수)가 높을수록 높다. 그러나 <그림>에서처럼 고친지질성(highly electrophilic)은 체내에서 지방세포 등에 침착되어 이동의 제한이 있을 수 있다. 특히 지방세포에의 축적이 지속되면 대사 저항성이 높아 체내에 오랫동안 지속된다. 




<그림> 유기성 외인성물질의 물리화학적 특성에 따라 체내 이동과 독성학적 경로의 흐름도: 지질층으로 된 세포막을 통과를 위하여 화학물질의 가장 중요한 물리화학적 특성은 친지질성이다. 화학물질의 지질 친밀도를 고친지질성(highly lipophilic), 친지질성(lipophilic), 극성(polar)과 친수성(hydrophilic)으로 분류하였을 때 지질성이 높을수록 체내 잔류 시간이 길다. 고친지질성 물질은 쉽게 체내에 유입되어 생화학적 전환 이전에 지방 및 지방세포에 축적된다. 독물동태학적 측면에서 가장 중요한 것은 화학물질의 기초반응자로의 전환 유무이며, 이는 모든 유기성 화학물질의 잠재적 독성이 기초반응자 생성으로 시작하기 때문이다. 초기반응자의 생성은 (1)과 (2) 지시번호와 같이 각각 (1) 자연분해 기전과 (2) 생화학적 전환 기전의 제1상반응 등의 2가지 기전에 기인하는데 전자를 직접작용-독성물질 그리고 후자를 간접작용-독성물질이라고 한다. 대부분의 초기반응자는 친전자성의 화학적 특성이며 외인성물질의 초기반응자를 유일하게 제거하는 내인성물질인 glutathione의 포합반응을 통해 친수성으로 전환되어 체외로 배출된다. 붉은 화살은 독성유발 기전.  

3) 초회통과영향(first-pass effect)

<그림>는 특정 물질에 대한 와 소화기를 통한 흡수 경로를 나타낸 것이다. 시험물질의 동일 용량으로 노출일 경우에 흡입 폐를 통해 전신혈관계로 유입되는 용량이 경구를 통한 용량보다 훨씬 많다. 즉, 폐에서보다 경구를 통시험물질이 생화학적 전환되는 비율이 훨씬 높기 때문이다. 이는 폐보다 소장 및 간에서 생화학적 전환을 담당하는 핵심효소인 cytochrome P450뿐만 아니라 관련 효소들이 많기 때문인데 초회통과대사에 의한 초회통과영향(first-pass effect)에 기인한다. 

 

 

<그림> 간 및 소장에 의한 초회통과대사 및 초회통과영향: 전신혈관계로 유입되기 전에 소장이나 간에서 생화학적 전환되는 과정을 화학물질의 초회통과대사(first-pass metabolism)이라고 하며 이러한 과정에 의한 전신혈관계로 유입되는 용량 및 표적기관에 도달하는 용량에 미치는 영향을 초회통과영향(first-pass effect)이라고 한다. 반면에 폐를 통한 화학물질의 전신혈관계 유입은 생화학적 전환이 없이 이루어진다. 이와 같은 표적기관에 독성을 유발하기에 충분한 농도는 노출량과 생화학적 전환에 달려 있다. 

○ 경구투여에 의한 first-pass effect의 예시: 경구투여에 의한 시험물질은 식도, 위, 소장, 간문맥(hepatic portal vein), 간(liver), 하대정맥(caudal vena cava), 전신혈관계(systemic circulation), 표적기관(target organ)으로 흘러 들어간다. 초회통과대사란 경구로 투여된 시험물질이 전신혈관계로 유입되기 전에 소장과 간에서 제1상반응을 통해 원물질의 대사이다. 소장과 간에서 제1상반응이 높으면 높을수록 초회통과대사율이 높다. <그림>의 A)는 소장과 간에서 대사 또는 생화학적 전환으로 감소가 이루어져 전신혈관계로 약 15% 정도만이 유입되는 시험물질의 예시를 나타낸 것이다. 독성 및 약리학적 측면에서 보면 경구투여된 시험물질의 용량 중 15% 만이 표적기관에 도착한다는 것을 의미한다. 이와 같은 시험물질이 초회통과대사로 전신혈관계로 유입되는 용량의 감소가 되었는데 이러한 감소를 초회통과영향(first-pass effect)이라고 한다. 초회통과영향은 시험물질의 투여경로를 달리하여 시간별 혈액농도 분석을 통해 명확하게 이해할 수 있다. <그림>의 B)는 건강한 성인 여성에게 에탄올을 경구 및 정맥으로 투여한 후 에탄올의 혈장농도를 시간별로 나타내는 혈중농도,시간반응곡선하면적(Area Under the Concentration-time curve, AUC)이다. 투여 후 혈장최고농도를 나타내는 Cmax에 경구투여 경우에 1.8 mg/100 ml인 반면에 정맥투여 경우에는 3 mg/100 ml로 약 1.7배 정도 에탄올 혈장농도가 높다는 것을 확인할 수 있다. 생체이용률(bioavailability)은 <경구투여에 이한 전신혈관계 용량/정맥투여에 의한 전신혈관계 용량>와 같은 비(ratio)로 산출된다. 정맥투여는 대사가 이루어지는 소장 및 간을 경유를 하지 않고 직접 전신혈관계로 유입됨으로 생체이용률이 100%이다. 반면에 경구투여에 의한 전신혈관계로의 유입용량은 소장 및 간에서 대사에 의해 최초 투여량보다 적은 용량이다. 따라서 경구의 생체이용률은 소장과 간에서 대사 정도를 나타내는 초회통과대사에 의해 크게 좌우된다. 이와 같은 초회통과대사에 대한 독성학적 의미는 동일 용량의 시험물질에 노출되더라도 투여경로에 따라 표적기관에 도달하는 용량의 차이가 존재하기 때문에 독성발현 및 독성 강도에서도 차이를 유발하는 중요한 요인이라는 점이다. 예를 들어 정맥으로 투여한다면 초회통대사가 이루어지지 않고 고용량이 표적기관에 도달하여 저용량에는 나타나지 않는 독성이 유발된다. 초회통과대사에 가장 큰 영향을 주는 요인은 소장 및 간에서의 생화학적 전환의 제1상반응에서 핵심적인 효소인 cytochrome P450 활성에 의한 대사 정도이다(Matthew, 2013). CYP에 의해 소장이나 간에서 대사가 많이 이루어지면 대사체로 전환되어 전신혈관계에서 원물질의 용량이 감소하게 된다. 만약 소장 및 간에서 CYP에 의해 초기반응자가 생성된다면 소장 및 간이 시험물질의 독성표적기관이 된다. 소장과 간에서 초회통과영향이 거의 없다면 전신혈신혈관계를 통한 표적기관으로의 용량 이동이 많이 이루어진다. 시험물질에 의한 독성표적기관이 된다는 것은 표적세포에 존재하는 수용체와 결합 및 영향, 기관-특이적 CYP 존재에 의한 초기반응자 생성, 자연분해에 의한 초기반응자 생성에 적절한 pH 및 표적단백질 존재 등이 표적기관독성 및 표적기관용량에 미치는 중요한 요소들이다.

  

 

<그림> 초회통과대사 경로와 에탄올의 초회통과영향: A) 소장과 간에서 대사 또는 생화학적 전환으로 감소가 되어 전신혈관계로 약 15% 정도만이 유입되는 시험물질의 예시를 나타낸 것이다. B)는 건강한 성인 여성에게 에탄올을 경구 및 정맥으로 투여한 후 에탄올의 혈장농도를 시간별로 나타내는 혈중농도-시간별반응곡선하면적(Area Under the Concentration-time curve, AUC)이다. 투여 후 혈장최고농도를 나타내는 Cmax가 경구투여의 경우에는 1.8 mg/100 ml인 반면에 정맥투여의 경우에는 3 mg/100 ml로 약 1.7배 정도 에탄올 혈장농도가 높다는 것이 확인되었다(Oneta, 2002).

 

4) 배출 양상에 따른 시험물질의 특성

○ 약물 또는 시험물질의 배출은 영차반응(zero-oder) 및 1차반응(first-order) 배출로 나타낼 수 있다. <그림>에서처럼 단위 시간당 일정한 용량(fixed amount)의 배출로 직선상 양상이다. 일차반응배출은 단위시간당 일정한 비율(fixed proportion)이다. <그림>의 공식에서 영차반응 배출은 0이며 일차반응배출은 1이다. 영차반응의 배출은 운반단백질 등이 시험물질에 의해 포화되었을 경우이다. 또한 배출이 빠르면 그 만큼 독성의 표적기관이 없어 분포를 하지 않는다는 것을 의미하며 완만하고 느린 배출은 독성 발현을 증폭시킬 수 있다.

    

                                <그림> 배출의 영차반응과 일차반응 

5) 식이에 의한 영향 

○ <그림>은 공복상태(fasting)과 식이섭취(fed) 상태에서 경구를 통한 에탄올 투여 후 kinetics의 지표를 비교한 것으로 공복상태에서 Cmax가 높고 Tmax에 빠르게 도달하는 것을 확인할 수 있다. 특히 약물도 식이전과 후를 구분하여 복용하는 경우가 있는데 식사전 복용은 생체이용률이 높기 때문에 위산과다분비 등과 같은 부작용이 없어야 한다.

 

<그림> 식이섭취 전(fasting)과 후(fed)의 에탄올에 대한 동태학 지표 차이 


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