單室模型的最佳給藥方案

楊 光, 劉愛紅, 王 爽

(沈陽師范大學 數學與系統科學學院, 沈陽 110034)

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單室模型的最佳給藥方案

楊 光, 劉愛紅, 王 爽

(沈陽師范大學 數學與系統科學學院, 沈陽 110034)

藥物劑量和給藥間隔時間的確定是臨床給藥方案設計中的關鍵問題。給藥劑量過小無藥效;劑量過大容易引起藥物中毒。藥物動力學用房室模擬人體,把給藥后藥物能迅速在周身各部位達到動態平衡的整個機體視為一個房室。針對單室模型的最佳給藥方案問題,首先利用常微分方程建立“靜注+靜滴”的聯合給藥數學模型,在上次滴注與下次滴注初始劑量相同且等于首劑量的條件下確定重復給藥體內藥量的表達式;然后構建用積分來表示藥量在人體內積蓄程度的目標函數,采用最優化方法,確定給藥時間間隔、首次劑量、滴注時間和每天滴注次數等參數,進而得到使體內的毒素積蓄最小、安全有效的最佳給藥方案。最后仿真結果表明,該方法可行有效。

靜脈滴注; 靜脈注射; 靜注+靜滴; 血藥濃度; 最佳給藥方案

0 引 言

藥物進入體內,隨著時間進行吸收、分布、轉化和排泄等變化,而且這種動態變化過程很難被準確地描述。藥物動力學利用數學模型和公式,對上述動態過程進行了定量研究,通常用房室模擬人體,按動力學的特點將機體內部分為若干房室,例如,將體內某些接受或消除藥物速率相似的部位歸入一個房室。用數學方法模擬藥物在體內的代謝過程建立藥物動力學模型,能相對準確地描述藥物在體內的經時過程,對于新藥研發、臨床合理用藥等都具有非常重要的意義。

在臨床給藥方案設計中,藥物適宜劑量和給藥間隔時間的確定是研究者一直關注的問題。若給藥劑量過小,則無藥效;劑量過大,則容易引起藥物中毒。對于多劑量給藥,給藥間隔過長,則不能維持有效的血藥濃度;若給藥時間過短,則用藥過頻造成不便。到目前為止,國內外雖然有很多文獻研究藥物動力學模型,但是大多都是研究靜脈注射、靜脈滴注和口服給藥方式,而單獨使用靜注或靜滴給藥方式各有其優缺點,本文利用常微分方程建立“靜注+靜滴”的聯合給藥模型,應用最優化理論和方法,確定使體內的毒素積蓄最小、藥效最適的給藥時間間隔和劑量。旨在為優選給藥方案、指導新藥設計和改進藥物劑型提供理論依據。

1 靜脈滴注的單室模型

考慮靜脈滴注和靜脈注射聯合用藥情形,先靜脈注射首劑量,然后再恒速靜脈滴注。對于靜脈滴注的單室模型:

其中:x為體內藥量;x0為脈沖給藥方式的首劑量;k0為藥物進入體內的恒定速度;k為藥物在體內的消除速率常數;T為滴注時間;m為一天滴注的次數;j為天數。

本文給出如下假設:

[H1]上次滴注完畢與下次滴注間隔時間為τ,(τ+T)m=24 h,一個療程為n天,每次藥量為p,k0T=p;

[H2]藥量在人體內積蓄程度用體內藥量在給藥時間內的積分來表示;

[H3] 上次滴注與下次滴注初始劑量相同,且等于首劑量為x0,即

定理 對于靜脈滴注的單室模型(1),且滿足假設[H1]～[H3],則有

2) 在一個療程,第j天第i次給藥后體內藥量的表達式為:

證明 第1天第1次給藥,即j=1,m=1

解得

解得

又由假設[H1]～[H3]可得結論1)。

第1天第2次給藥,即j=1,m=2

解得

解得

同理可證結論2)。

2 靜脈滴注最佳給藥方案

本文討論的是靜脈注射和靜脈滴注聯合給藥方式,首先靜脈注射一定劑量的藥物,使血藥濃度迅速達到一定值,然后以一定的速度靜脈滴注,滴注的速度應該合理調節,應以滿足臨床病情所需、療效快并減少藥物和輸液不良反應為宜。一般藥物靜滴速度為30～60滴/min。在滴注期間, 血藥濃度逐漸升高;滴注停止后, 血藥濃度逐漸降低,且滿足假設H3,而后重復給藥。病人體內的血藥濃度在一定的范圍水平內才能達到預期的療效,由于血藥濃度與藥量只差分布容積V,變化規律相同,因此也可用體內藥量代替血藥濃度進行研究,記中毒臨界值和藥效臨界值分別為hmax、hmin。利用最優化理論方法確定首劑量為x0,滴注時間T,一天滴注的次數m,上次滴注完畢與下次滴注間隔時間τ,使得藥物在人體內積蓄程度最少,對人體的傷害最小,從而得到安全有效的給藥方案。解如下最優化模型即可解出上述參數。

3 仿 真

假設某種藥物采取靜脈注射與靜脈滴注聯合給藥方式,一個療程為7 d,且k0=181.4 mg/h,k=0.069 3 h-1,hmin=300 mg,hmax=1 100 mg,運用MATLAB軟件求解最優化問題(2),得如下結果:

m*=4,T*=0.828 4,τ*=5.171

圖1 體內藥量x隨時間t的變化曲線

對于該種藥物,最佳的給藥策略為先靜脈注射300 mg的藥物,然后以181.4 mg/h的速度恒速滴注,每天滴注4次,每次滴注0.828 4 h,2次滴注間隔5.171 6 。在此給藥策略下,一個療程內體內藥量的變化如圖1所示,體內藥量被控制在藥效臨界值與中毒臨界值之間,不僅達到藥效,且藥量積蓄最小,對人體的傷害最低。

4 結 論

靜脈注射和靜脈滴注是臨床常用的2種給藥方式,但單獨使用各有其缺點,本文利用常微分方程描述“靜注+靜滴”的聯合給藥方式,利用最優化模型確定首劑量、滴注時間、每天滴注次數等參數,得到毒素最小、安全有效的給藥方案。為臨床用藥決策提供理論基礎。

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Optimal dosing strategy for one-compartment model

YANGGuang,LIUAihong,WANGShuang

(School of Mathematics and Systems Science, Shenyang Normal University, Shenyang 110034, China)

Determinations of dose and dosing interval are key issues in clinical dosing strategy design. Too few doses can not make drugs effective; excessive doses can easily cause drug toxicity. In pharmacokinetic, compartment is used to simulate human body, and the whole organism, among which drugs can quickly reach dynamic balance after once dosing, is seen as a compartment. For the issue of the optimal dosing strategy under one-compartment model, firstly, differential equations are used to establish a unite dosing mathematical model of “intravenous injection+intravenous drip”, and for repeated dosing, the expression of dose in vivo is determined under the condition that the initial dose in vivo of each drip is equal; then integral is employed to build an objection function which represents the accumulation degree of dose in vivo, and optimization method is utilized to determine parameters such as dosing interval, first dose, drip time, the number of drip each day, then the optimal dosing strategy, which is safe, efficient and accumulates the least toxins in vivo, is obtained; finally, simulation results show the feasibility and effectiveness of this method.

intravenous drip; intravenous injection; intravenous injection+intravenous drip; plasma concentration; optimal dosing strategy

2015-05-25。

遼寧省科技廳自然科學基金資助項目(2014020120); 遼寧省教育廳科學研究一般項目(L2013420)。

楊 光(1964-),女,遼寧撫順人,沈陽師范大學教授,博士,碩士研究生導師 。

1673-5862(2015)03-0337-04

O29

A

10.3969/ j.issn.1673-5862.2015.03.005