간문맥을 통한 약물투여의 최적화방법에 관한 연구

Abstract

약물개발과정에서 정맥투여 (IV), 경구투여 (P.O) 와 함께 많이 이용되는 Intra-portal dosing (IPT) 는 경구투여 시 위장관에서 흡수가 좋지 않거나, 또는 간에서의 과도한 대사에 의해 생체이용률 (Oral bioavailability)이 낮은 약물의 원인을 판별하는데 있어서 중요한 투여경로로 이용되고 있다. 하지만 현재에는 Intra-portal dosing 을 하기 위한 적절한 실험 가이드라인이 없을 뿐만 아니라, 약물투여에 있어서도 농도와 용량을 결정하는데 많은 어려움이 있는 실정이다. 따라서 본 연구는 간에서 약물대사효소의 포화의 가능성을 염두에 두고 약물개발과정에서 Intra-portal dosing 의 실험적 방법을 최적화하는데 있다. 모델 약물로는 선택적 ß1 - adrenergic receptor antagonist인 metoprolol을 선택하였다. Metoprolol은 경구투여 시, 생체이용률이 낮으며 위장관에서 흡수는 좋지만 간에서 초회통과효과(first pass effect)가 크다고 알려져 있다. Metoprolol의 기본적인 약물동태를 알아보기 위해서 정맥투여(5mg/kg), 경구투여(10mg/kg), 그리고 간문맥에 bolus(10mg/kg)로 약물을 약 250g의 rat에 투여하였다. 그리고 간에서 약물대사의 포화 유무를 알아보기 위해서 10mg/kg의 용량으로 30분, 60분, 90분의 여러 시간으로 인퓨젼 펌프를 이용하여 간문맥에 약물을 인퓨젼하였다. 또한 간문맥에 bolus로 약물을 투여 시, 용량에 의한 차이를 알아보기 위해서 1mg/kg 용량으로 Intra-portal bolus로 약물을 투여하였다. 그리고 rat liver microsomes을 이용하여 약물대사속도를 측정하고 metoprolol의 Km과 Vmax 값을 각각 측정하였다. Metoprolol의 경구투여 시 생체이용률은 21%로 낮은 편이었으며, 간문맥을 통한 고용량의 bolus를 통한 투여 시에는 214%로 100%를 훨씬 넘는 값을 보인 것으로 보아 간에서 약물대사효소가 포화되었을 것 이라고 추측할 수 있다. 그리고 30분, 60분, 90분으로 간문맥에 약물을 인퓨젼 하였을 때, 각각의 생체이용률은 99%, 72%, 75%이고 인퓨젼 시간을 길게 할 수로 생체이용률이 감소되는 경향을 보였다. 그리고 저용량으로 간문맥에 bolus로 약물을 투여했을 때의 생체이용률도 고용량으로 bolus 약물투여시의 생체이용률 (214%)에 비해서 훨씬 낮은 값을 (74%) 보였다. In vitro study에서 rat liver microsomes을 이용한 실험결과 metoprolol의 Km과 Vmax 값은 각각 52µM, 6.2nmol/min/mg protein 이었다. 이상의 결과를 종합하면, 약물개발과정에서 간에서의 초회통과효과를 알아보기 위한 Intra-portal dosing 실험을 설계 할 때에는 간에서 약물대사효소의 포화의 발생 가능성을 염두에 두어야 하며, 그로 인해서 약물의 Km을 고려한 저용량의 bolus 투여나, 다양한 인퓨젼 시간을 설정하여 약물을 투여해야만 정확한 실험 결과를 도출 할 수 있을 것이다. 그리고 Intra-portal dosing에 있어서 실험의 편의와 난이도를 고려한다면 인퓨젼을 이용한 약물 투여보다는 저용량으로 bolus를 통한 약물투여가 더 효율적이고 경쟁력있는 투여방법이라고 판단되어 진다.

In drug discovery, intra-portal dosing is a useful route of drug administration in order to delineate whether inadequate oral bioavailability(BA) of drug is due to poor absorption versus extensive liver first pass effect. However, currently there is no guideline on how to conduct the experiments properly and to decide concentration and dose. Therefore, the aim of this study is to design a protocol for intra-portal dosing experiments, especially considering potential saturation of drug metabolizing enzymes in the liver. Model compound is metoprolol, which is a selective ß1 - adrenergic receptor antagonist. The pharmacokinetic (PK) of metoprolol after intravenous (IV) (5mg/kg), oral (10mg/kg) and intra-portal bolus (IPT) (10mg/kg) administration were evaluated in rats. To confirm the effect of saturation of enzyme in the liver, metoprolol was injected at various infusion durations(30min, 60min, 90min) using an infusion pump in rats. (10mg/kg) Also, the low dose intra-portal bolus (1mg/kg) was administrated to confirm dose-dependent effect. In vitro, the Vmax and Km were determined when metoprolol was metabolized in rat liver microsomes. Metoprolol exhibited low BA (21%) after oral administration. When high dose (10mg/kg) was given into the portal vein. As a result, the BA increased to more than 100%, some of which may have been due to saturation of drug metabolizing enzyme. When the infusion was given intra-portal at 30min, 60min 90min, the BA was 99%, 72%,75%, respectively. When low dose of metoprolol was given by intra-portal bolus (1mg/kg), the BA was significantly lower than when the high dose was given. From In vitro results, Km and Vmax were 52µM, 6.2 nmol/min/mg protein. In conclusion, when we design a protocol for intra-portal dosing experiments. in drug discovery, we have to consider potential saturation of drug metabolizing enzymes in the liver. Therefore, injecting low dose bolus by considering Km of drugs or establishing appropriate infusion duration is important to obtain more accurate PK results. Considering experimental convenience and difficulty at intra-portal dosing route, the low dose intra-portal bolus is more efficient method than the high dose intra-portal infusion.