哌拉西林他唑巴坦在重症患者的肺组织渗透性

黄琳惠，黄奕江，敬攀，冀延春

（1.海南省人民医院呼吸内科，海南海口570311；2.浙江省宁波市康宁医院心身科，浙江宁波315201；3.浙江大学遗传学研究所，浙江杭州310058）

新进展研究·论著

哌拉西林他唑巴坦在重症患者的肺组织渗透性

黄琳惠1，黄奕江1，敬攀2，冀延春3

（1.海南省人民医院呼吸内科，海南海口570311；2.浙江省宁波市康宁医院心身科，浙江宁波315201；3.浙江大学遗传学研究所，浙江杭州310058）

目的研究重症患者哌拉西林和他唑巴坦的肺通透性，并分析影响药物渗透性的相关因素。方法对重症患者使用标准剂量哌拉西林他唑巴坦后血浆和肺组织内的药代动力学（PK）进行研究。建立群体药动学模型分析血浆和肺内哌拉西林、他唑巴坦的浓度，主要分析哌拉西林达到药效学评估指标的比例，以及肺通透性对哌拉西林和他唑巴坦肺组织渗透性的影响。结果哌拉西林和他唑巴坦的平均肺组织渗透率分别为49.3%和121.2%。肺内哌拉西林和他唑巴坦的浓度不足，与肺通透性呈负相关。结论目前哌拉西林他唑巴坦用于治疗敏感菌感染的重症患者时可能疗效不足。

哌拉西林；他唑巴坦；群体药代动力学；重症；肺炎

重症患者中肺部感染的发病率高，重症监护室（intensive care unit，ICU）中约有16%的患者伴随肺部感染。使用有针对性地抗菌治疗可改善患者的预后，但部分重症患者的药物代谢动力学（pharma cokinetic，PK）可能受疾病导致的生理因素影响，导致很高比例的患者使用固定抗菌方案时药物暴露未达最佳[1-3]。

哌拉西林-他唑巴坦是由超广谱β-内酰胺类抗生素（β-lactams）（哌拉西林）和β内酰胺酶抑制剂（β-lactamadeinhibitors）（他唑巴坦）组成的复方制剂。重症患者肺部感染针对性用药或经验用药时普遍选择哌拉西林他唑巴坦。对哌拉西林抗菌浓度影响最大的药效学参数是通过给药间隔，使哌拉西林的药物浓度高于最低抑菌浓度（minimum inhibitory concentration，MIC）的时间。当游离哌拉西林的药物浓度大于MIC的维持时间超过给药间隔时间的50%（50%fT靶组织游离药物浓度（free drug concentration of target tissve）＞MIC）可发挥近最大抗菌效果，但是对重症患者而言需达到100% fT＞MIC。近期曾开展使用中空纤维感染模型研究哌拉西林他唑巴坦抗绿脓假单胞菌感染，研究证明最低血浆浓度与MIC的比值在3～10间可防止出现细菌耐药[4]。因此，通过对哌拉西林他唑巴坦的研究要使其既能有效达到药效学参数，又可防止出现细菌耐药，不仅能提高临床疗效，也能增加该药的临床使用寿命。

有效的抗菌活性需要适当的药物浓度[5]。健康志愿者中的数据显示，哌拉西林他唑巴坦在肺泡上皮细胞衬液（epithelial lining fluid，ELF）内的药时曲线下面积[area under(the plasma concentration time) curve，AUC]约为25%，血浆AUC约为50%。但是目前缺乏重症患者ELF渗透性的相关研究资料。

本研究主要定量研究重症患者哌拉西林和他唑巴坦的肺通透性，并分析影响药物渗透性的相关因素。同时通过群体药代动力学研究重症患者血浆和ELF药物浓度。使用蒙特卡罗模拟血浆和ELF哌拉西林药物暴露的药代动力学，得出理想的药效学参数。

1 资料与方法

1.1 药代动力学研究

本实验是一项潜在的非盲单臂药代动力学研究。哌拉西林他唑巴坦以4 g/0.5 g的剂量，每8 h给药1次，每次静滴不少于30 min。当肌酐清除率＜20 ml/min或者接受肾脏替代治疗时，予相同剂量，每12 h给药1次。所有患者签署知情同意书，并记录患者的人口统计学数据（包括年龄、性别、种族、身高及体重）、疾病严重程度急性生理评分、年龄评分及慢性健康评分Ⅱ（acute physiology and chronic health evaluationⅡ，APACHE II）和序贯器官衰竭估计（sequential organ failure assessment，SOFA）评分，记录肾功能、肾替代治疗的情况和临床预后。

首次给药0.50、1.50、2.50、3.75、5.00及6.00 h后采集血浆样本，达到稳态给药0.25、0.75、2.00、3.50及4.50 h后采集。所有血样1 400 g离心12 min，置入-80℃冰箱冷冻保存待检。

间接支气管灌洗（non-directed bronchial lavage，NBL）可用于获取肺内样本。达稳态的给药间隔内每名患者采集2个肺内样本。给药0.75和2.00 h或0.75和3.50h后采集样本。当患者有以下情况时不采样：吸入氧浓度需＞80%；呼气末正压通气需＞12cmH2O；需要气管内吸痰；严重的支气管痉挛；未控制或持续的颅内压增高；严重的弥散性血管内凝血。NBL样本使用48 μm过滤器过滤，2 000 g离心10 min，置于-80℃冰箱冷冻保存待检。

1.2 哌拉西林、他唑巴坦、尿素和蛋白检验

血浆和灌洗液的哌拉西林、他唑巴坦浓度使用液相二级质谱（LC/MS/MS）测定，哌拉西林、他唑巴坦血浆浓度线性范围分别是0.02～10.00和0.02～5.00 mg/L，灌洗液浓度线性范围为0.02～10.00 mg/L。咖啡因为内标，流动相0.1 mg/L。哌拉西林的变异系数＜17.4%，他唑巴坦＜15.5%。血浆和灌洗液检测限为0.02 mg/L。

使用比色法检测尿素浓度。尿素浓度线性范围为0～100 mg/dl。检测前以1∶5的比例稀释血浆。使用尿素稀释法测定NBL样本，用于表示ELF药物浓度。假定血浆和ELF内的尿素浓度相同，因此，通过比较血浆和灌洗液浓度可以估计灌洗液进入肺的稀释系数。ELF内的哌拉西林和他唑巴坦浓度公式如下[6]：

肺通透性可通过血浆和ELF的蛋白浓度比值进行估计。使用双缩脲试剂比色测定血浆的肽链，总蛋白检测限为0.5 g/dl，定量限为0.76 g/dl。检测的变异系数≤3%。使用尿蛋白定量测试（urinary protein，UPro）检验ELF，定量检测限为6.75 mg/dl，变异系数≤7.8%。ELF蛋白浓度使用以上公式进行校正。

所有数据使用非参数自适应网格（nonparametric adaptive grid，NPAG）程序Pmetrics 1.1.3进行群体药代动力学学分析。哌拉西林和他唑巴坦的三室结构数学模型[7]较适用于相关分析：

注：X1、X2、X3分别是中央室、外周和ELF哌拉西林浓度（mg）。R（1）代表哌拉西林的输注量，Cl（L/h）代表清除率，Vc表示中央室的容积（L）。Kcp、Kpc、KcELF和KELFc分别代表中央室、外周室、中央室和ELF间的清除速率常数。

各室间的清除率和外周室容积根据以下公式估计：

Q表示清除率（L/h），VC、Vp表示中央室和外周室的容积，K12、k21表示清除速率常数。

2 结果

2.1 药代动力学研究

研究纳入2012年6月-2013年7月收治的18例重症患者。平均56岁，其中，呼吸重症患者10例，脑血管疾病重症患者4例，肾疾病重症患者4例。平均急性生理与慢性健康评分（acute physiology and chronic health evaluation-Ⅱ，APACHEⅡ）得分15分。其中1例脑血管疾病患者感染新型的冠状病毒，考虑到生物研究安全性所以被排除。患者平均用药剂量为8.8（范围2～16）。其中4例患者接受肾脏替代治疗。5例患者哌拉西林给药时间超过5 min，12例患者给药时间超过30 min。总共有128个血样和31个ELF样本用于药代动力学分析。其中3个哌拉西林血浆样本、3个哌拉西林ELF样本和14个他唑巴坦血浆样本低于定量限。

由于患者需要较高的吸入氧浓度（FiO2），所以3例NBL样本（2例来自同一患者）未采集。1例患者氧饱和度从95%降至88%，需要暂时提高FiO2。其余NBL采样4 h后未见呼吸和心血管参数的改变。

2.2 群体药代动力学分析

血浆哌拉西林和他唑巴坦预测值和测量值的线性关系为：哌拉西林C测量=0.884*C预测+2.01；r2=0.901；他巴唑坦C测量=0.880*C预测+0.165，r2=0.839。ELF哌拉西林和他唑巴坦预测值和测量值的线性关系为：哌拉西林C测量=0.790*C预测-1.65；r2=0.812；他唑巴坦C测量=0.827*C预测+1. 21；r2=0.878。血浆哌拉西林和他唑巴坦的标准差分别为-0.00999、0.0214。平均加权偏差分别为25.5和1.22。ELF哌拉西林和他唑巴坦的标准差分别为-0. 057及0.169。平均加权偏差分别为0.124和7.23。群体分析的参数见表2。中央室、外周室和中央室、ELF间隔哌拉西林的清除率分别为153.87和2.64 L/h。中央室、外周室和中央室、ELF间隔他唑巴坦的清除率分别144.15和6.45 L/h。哌拉西林和他唑巴坦外周室分布容积分别为7.65和6.78 L。

2.3 血浆哌拉西林/他唑巴坦浓度和肺通透性

图1 哌拉西林（左）和他唑巴坦（右）的浓度-时间曲线

通过输注4 g哌拉西林和0.5 g他唑巴坦的5个模拟浓度，每8 h输注30 min，经过模拟浓度-时间曲线，得出血浆和ELF第5、25、75和95百分位数药物浓度（见图1）。肺泡上皮细胞衬液内的药时曲线下面积（area under the concenfration-time curve in epithelial lining fluid）/AUC血浆渗透率为49.3%（范围2.0%～515.9%），他唑巴坦为121.2%（范围11.0%～391.3%）。

模拟每个患者的血浆和ELF药物暴露（使用Bayesian参数估计），并评估从血浆至ELF的药物渗透性和两药之间的内在关系。结果显示，ELF哌拉西林AUCELF和血浆哌拉西林AUC血浆无相关性（r= 0.369，P=0.159）。同样，ELF他唑巴坦AUCELF和血浆他唑巴坦AUC血浆无相关性（r=0.306，P=0.248）。血浆他唑巴坦药物暴露量与血浆哌拉西林药物暴露量间呈正相关（r=0.864，P＜0.001）（见图2）。同样，ELF内两药的暴露量也有相关性（r=0.604，P=0.013）（见图3）。

图2 血浆中的哌拉西林他唑巴坦暴露值比较

平均肺通透性根据ELF总蛋白与血浆总蛋白浓度的比值估计，结果显示为0.1226（中位数=0.0795，SD=0.1155）。哌拉西林渗透性比值（AUCELF/AUC血浆）和肺通透性间呈负相关（r=-0.593，P=0.016）。（见图3）。相反，他唑巴坦渗透性比值（AUCELF/AUC血浆）与肺通透性间无相关性（r=0.064，P=0.815）（见图3）。

2.4 达标的可能性分析

图3 哌拉西林和他唑巴坦血浆/ELF比值与肺通透性的关系

蒙特卡罗模拟用于估计实现既定药效学目标的可能性。哌拉西林的可能性分析结果见图4。使用哌拉西林4 g，每日3次，30 min输注完治疗微生物感染，MIC为1 mg/L。结果显示，有96%、77%及64%的患者分别达到药效学目标：50%fT＞MIC、100%fT＞MIC和最小浓度（minimum concentration，Cmin）/最小抑菌浓度（minimal inhibitory concentration，MIC）＞3.4。治疗另一种MIC 16 mg/L的微生物（如目前铜绿色假单胞菌的CLSI、EUCAST药敏标准[8-9]），结果显示54%、20%及6%的患者分别达到药效学目标：50%fT＞MIC、100%fT＞MIC和Cmin/MIC＞3.4。

根据哌拉西林敏感菌的频数分布，可以估计重症患者呼吸机相关性肺炎的总有效率（见图4）。经验性使用哌拉西林（如MIC未知），80%的VAP患者可达血浆50%fT＞MIC，77%患者可达ELF 50%fT＞MIC。相反，如果用哌拉西林治疗敏感菌（如MIC≤16 mg/L）导致VAP，86%患者可达血浆50%fT＞MIC，82%的患者可达ELF 50%fT＞MIC。从防止出现耐药菌株的角度，经验用药后，38%的VAP重症患者血浆Cmin/MIC＞3.4，41%的患者ELF Cmin/MIC＞3.4。若哌拉西林用于敏感菌导致的感染，则42%的患者血浆Cmin/MIC＞3.4，45%的患者ELF Cmin/MIC＞3.4。

图4 蒙特卡罗模拟结果

3 讨论

哌拉西林和他唑巴坦的浓度-时间曲线可看出重症患者的药代动力学差异有统计学意义。与血浆比较，药代动力学差异在肺组织内更明显。中央室清除率和容积与已发表的文献数值一致[3，10]。见图1。

哌拉西林和他唑巴坦的血浆、ELF药物暴露呈正相关，但差异无统计学意义，可能与纳入实验的患者数较少有关。实验中使用ELF与血浆内所有蛋白的比值作为肺通透性的测量指标，但是实验中发现哌拉西林渗透性比值（AUCELF/AUC血浆）和肺通透性间呈显著负相关（见图3）。随着肺通透性增加，哌拉西林渗透进入肺的比例减少。他唑巴坦渗透性比值（AUCELF/AUC血浆）与肺通透性间无相关性。有许多方式可用于解释哌拉西林渗透性和肺通透性间的关系。方法学角度，本实验是一个小样本量的实验，所以显示极端的药代动力学差异性。通过稀释的方式（血浆、肺内样本的尿素浓度比较）配置不同浓度的肺内样本，可能导致肺内药物浓度与血浆药物浓度的巨大差异。此外，一种生物学角度的解释是由于肺通透性增加，形成较大的ELF容积，肺内哌拉西林被稀释。另一种是因为β-内酰胺类抗生素在其他器官（如肾脏）是有机阴离子转运体的底物[11]，重症患者由于肺损伤表现为对蛋白的通透性增加，但肺组织的主动运输被抑制。也有可能是因为肺组织对蛋白的通透性增加首先影响哌拉西林和他唑巴坦在肺组织的扩散，因此，肺组织蛋白通透性低，哌拉西林进入肺组织的扩散速度更快。当肺组织蛋白通透性提高，则哌拉西林的扩散与前相反。进一步明确肺组织哌拉西林渗透性与肺通透性的负相关性，需要类似的临床队列研究。

本实验采用NBL，是一种对重症患者也安全有效的采样及定量测定ELF药物浓度的方式。NBL相较支气管镜和支气管肺泡灌洗创伤更小，可在给药间隔时间内采集更多样本。仅有一例患者行NBL出现轻微的不良反应。

既往实验证实，哌拉西林谷浓度与MIC的比值＞3.4可以防止出现耐药性（Cmin/MIC＞3.4）[12]。根据达标的可能性分析（见图4）发现予以哌拉西林4 g，每日3次，静脉滴注30 min，50%fT＞MIC达标约80%，50%ELF T＞MIC达标约77%。当MIC已知且MIC≤16 mg/L时，血浆和ELF达标的可能性各增加至86%和82%。因此，14%～18%的敏感菌导致的感染并未达到最佳药物暴露。以上分析说明：首先，哌拉西林4 g每日3次，静滴30 min不能充分有效地治疗大部分重症患者，并防止耐药性发生，尤其是治疗非敏感菌导致的肺炎。其次，血浆和ELF达标（fT＞MIC、Cmin/MIC）的可能性相似，血浆哌拉西林浓度并不能准确预测ELF内药物浓度。结果，一些患者的血浆哌拉西林药物暴露量足够，但可能ELF内药物浓度不足，反之亦然。ELF内药物暴露相较血浆更能预测抗菌药物的疗效[13]。实验中未从17例患者中分离出致病菌，难以研究哌拉西林血浆、ELF药代动力学、药效学（fT＞MIC、Cmin/MIC）与临床预后间的联系。需要进一步临床研究验证血浆或ELF药物暴露量，哪个更能预测临床预后。

他唑巴坦可加强β-内酰胺类抗生素对产β内酰胺酶的细菌的杀菌作用，如对肠杆菌科、金黄色葡萄球菌、流感嗜血杆菌和卡他莫拉菌[14]。复合制剂哌拉西林他唑巴坦（8∶1）已得到体外研究的验证。但是，反映β内酰胺酶抑制剂疗效的药效学指标尚不明确。β内酰胺酶抑制剂大于临界值的时间占给药间隔的比例（T＞临界值）和β内酰胺酶抑制剂浓度-时间曲线下面积都被作为相关的药效学指标[15]。他唑巴坦在大部分重症患者中可进入肺脏，但是差异较大。因此，有部分患者肺内他唑巴坦的浓度不足，不能有效抑制β内酰胺酶，最终尽管哌拉西林的药物暴露量充足，可会导致哌拉西林水解并影响临床预后。一项脑膜炎体内实验模型证实增加他唑巴坦的剂量（同时维持哌拉西林的剂量）可能可以抑制β内酰胺酶。血浆他唑巴坦的暴露量不能反映ELF内的药物暴露量，所以难以识别他唑巴坦肺渗透性较差的患者，需要肺组织直接取样进行验证。

综上所述，本实验主要是发现并验证重症患者血浆和肺组织内哌拉西林他唑巴坦的浓度的数学模型。此外，研究意外发现肺通透性增加，反而哌拉西林的肺渗透性降低。同时证实使用血浆药物暴露量反应肺内药物浓度并不可靠。仍需进一步临床研究说明血浆和肺组织药物暴露量间的关系，并发现肺组织药物暴露量对临床预后的影响。另一方面，需要更多临床前和临床研究验证肺炎患者肺渗透性的机制。为优化肺内药物浓度，可以配制新的哌拉西林他唑巴坦复合制剂，单一的配制方案并不适用于每个患者。如果ELF暴露量可以预测临床预后，并有较高的准确性，同时反映肺组织药物渗透性的变量无法确定，那么可以直接测量肺内的药物浓度，并针对个体调整用药方案。

[1]吕扬,闫昭,王东浩,等.哌拉西林/他唑巴坦延长输注时间的优化给药方案与传统给药方式用于治疗医院获得性肺炎的研究[J].中华危重病急救医学,2013,25(8)：479-483.

[2]UDY A A,ROBERTS J A,LIPMAN J.Clinical implications of antibiotic pharmacokinetic principles in the critically ill[J].Intensive Care Medicine,2013,39(12)：2070-2082.

[3]李明艳,杨志杰,赖军华,等.重症患者延长输注碳青霉烯类药和哌拉西林/他唑巴坦给药方案的实施效果[J].药物流行病学杂志, 2016(2)：119-122.

[4]FELTON TW,GOODWIN J,O’CONNOR,et al.Impact of bolus dosing versus continuous infusion of piperacillin and tazobactam on the development of antimicrobial resistance in pseudomonas aeruginosa[J].Antimicrobial Agents&Chemotherapy,2013,57(12)：5811-5819.

[5]张红,李旺泉,郑国民.医院获得性细菌性肺炎和呼吸机相关细菌性肺炎中常见病原体及耐药情况的研究进展[J].医学综述,2012, 18(17)：2810-2812.

[6]YAMAZAKI K,OGURA S,ISHIZAKA A,et al.Bronchoscopic microsampling method for measuring drug concentration in epithelial lining fluid[J].American Journal Respiratory&Critical Care Medicine,2003,168(11)：1304-1307.

[7]NEELY MN,GUILDER VAN MG,YAMADA W M,et al.Accurate detection of outliers and subpopulations with Pmetrics,a nonparametric and parametric pharmacometric modeling and simulation package for R[J].Therapeutic Drug Monitoring,2012,34(4)：467-476.

[8]European Committee on Antimicrobial Susceptibility Testing EUCAST MIC Distribution.Piperacillin-tazobactam/Pseudomonas aerug-inosa.2013.http：//mic.eucast.org/Eucast2/regshow.jsp?id=6919#histogram_data

[9]张纯萍,沈青春,胡海燕,等.猪肺炎支原体体外抗菌药物敏感性试验研究[J].中国兽药杂志,2013,47(4)：10-12.

[10]ROBERTS J A,KIRKPATRICK C M J,ROBERTS M S,et al. First-doseandsteady-statepopulationpharmacokineticsand pharmacodynamics of piperacillin by continuous or intermittent dosing in critically ill patients with sepsis[J].Int J Antimicrob Agents,2010(35)：156-163.

[11]BURCKHARDT G,BURCKHARDT B C.In vitro and in vivo evidence of the importance of organic anion transporters(OATs) in drug therapy[J].Handb Exp.Pharmacol,2011,201：29-104.

[12]王斯文,陈向东,汪辉,等.β-内酰胺酶抑制剂高通量筛选模型的建立[J].中国抗生素杂志,2013,38(2)：102-105.

[13]VANSCOY B,MENDES R E,MCCAULEY J,et al.Pharmacological basis of β-lactamase inhibitor therapeutics：tazobactam in combination with ceftolozane[J].Antimicrob Agents Chemother,2013,57(12)：5924-5930.

[14]CRAIG W A,ANDES D R.In vivo activities of ceftolozane,a new cephalosporin,with and without tazobactam against pseudomonasaeruginosaandenterobacteriaceae,includingstrains with extended-spectrum β-lactamases,in the thighs of neutropenic mice[J].Antimicrobial agents and chemotherapy,2013, 57(4)：1577-1582.

[15]NEELY MN,GUILDER VAN MG,YAMADA WM,et al.Accurate detection of outliers and subpopulations with pmetrics,a nonparametricandparametricpharmacometricmodelingand simulation package for R[J].Ther Drug Monit,2012(34)：467-476.

Pulmonary penetration in critically ill patients with piperacillin and tazobactam

Lin-hui Huang1,Yi-jiang Huang1,Pan Jing2,Yan-chun Ji3
(1.Department of Respiratory Medicine,Hainan People's Hospital,Haikou,Hainan 570311, China;2.Department of Psychosomatic Medicine,Kangning Hospital in Ningbo,Ningbo, Zhejiang 315201,China;3.Genetics research institute,Zhejiang University, Hangzhou,Zhejiang 310058,China)

ObjectiveTo quantify the pulmonary penetration of piperacillin and tazobactam in critically ill patients and to investigate factors that may influence the penetration of drug into the lung.MethodsThe plasma and intrapulmonary pharmacokinetics(PK)of piperacillin-tazobactam in critically ill patients administered standard piperacillin-tazobactam regimens were studied.A population PK model was developed to describe plasma and intrapulmonary piperacillin and tazobactam concentrations.The probability of piperacillin exposures reaching pharmacodynamic end points and the impact of pulmonary permeability on piperacillin and tazobactam pulmonary penetration were explored.ResultsThe median piperacillin and tazobactam pulmonary penetration ratios were 49.3 and 121.2%,respectively.Pulmonary piperacillin and tazobactam concentrations were unpredictable and negatively correlated with pulmonary permeability.ConclusionsCurrent piperacillin-tazobactam regimens may be insufficient to treat pneumonia caused bypiperacillin-tazobactam-susceptible organisms in some critically ill patients.

piperacillin;tazobactam;population pharmacokinetics;severe case;pneumonia

R969.1

A

10.3969/j.issn.1005-8982.2017.08.013

1005-8982（2017）08-0059-07

2016-08-23