基于压强的速度法计算《生物药剂学与药物动力学》中一级消除速率常数k的实验教学设计

吴 璐 赖 艳 杨华生*

（江西中医药大学药学院 江西·南昌 330004）

《生物药剂学与药物动力学》是药剂学的主要分支学科之一，包括“生物药剂学”与“药物代谢动力学”两部分，两者之间有区别又存在密切联系。“生物药剂学”是从“定性”的角度研究药物的体内过程（ADME），包括吸收（Absorption）、分布（Distribution）、代谢（Mmetabolism）、排泄（Excretion）过程，而“药物动力学”是应用药动学原理及数学处理方法“定量”研究药物的ADME过程的动态变化规律[1-3]。因此，生物药剂学与药物动力学两者研究的对象均为药物在体内的ADME过程，只是研究的角度存在一定差别。

《生物药剂学与药物动力学》理论性较强，且有的内容比较抽象，仅靠教师以口授、板书和幻灯片的方式进行讲解，不仅无法充分调动学生的积极性，也无法让学生深入理解知识的内涵[4]。一级消除速率过程以及描述该过程的常数k，是《生物药剂学与药物动力学》中一个核心且非常重要的概念。什么是一级消除过程？一级消除过程的本质特点是什么？在教学中发现，通过书本的讲述，学生很难透彻理解。因此，本文基于初中物理学中压强知识，构建了一级消除速率过程的模拟系统，建立了基于压强的速度法计算《生物药剂学与药物动力学》中一级速率常数k的方法，帮助学生透彻理解《生物药剂学与药物动力学》中抽象概念的本质含义，为《生物药剂学与药物动力学》的理论、实验教学提供参考。

1 实验材料

一级消除速率过程模拟系统（自制）；100mL量筒；计时器；纯净水。

2 实验方法

2.1 原理

肾脏是药物排泄的重要途径之一，大部分药物主要通过肾脏排泄，尿液中原型药物的产生不是恒速的，其与体内剩余的药量X及肾排泄的速率常数ke的乘积呈正比；同时，体内药量X是按时间呈指数形式下降的。因此，尿中的药物出现的速度可表示为dXu/dt=keX=keX0e-kt，式中Xu为t时刻尿中的累计量，dXu/dt为排泄速率，ke为肾排泄速率常数，k为一级总消除速率常数。

基于以上分析，我们构建了一级消除速率过程模拟系统，见图1。其为一简单容器，底部是带有活塞的出水口，打开活塞，在“压强”的作用下水开始下滴；随着时间的延长，水“压”逐渐降低，流速也逐渐下降。根据初中物理知识，流速与水压呈正比，而量筒B中水的多少，与活塞开的大小，以及一级消除速率过程模拟系统中的水量呈正比。因此，我们构建的一级消除速率过程模拟系统与药物在体内的消除，在原理上存在一致性。具体操作方法为：将一定量的水装入一级消除速率过程模拟系统（装入的水量可多可少，不影响k的大小），调节活塞（活塞是影响k的重要因素），使水滴下；同时用量筒收集并测量不同时间段内流出水的体积，时间间隔设计为：0-20、20-40、40-60、60-80、80-100、100-120、120-140、140-160、160-180 min。

图1：一级消除速率过程模拟系统示意图

2.2 数据分析

根据以上分析，构建水在量筒B中出现的速率方程为：dVu/dt=keV=keV0e-kt式中Vu为t时刻“量筒B”中的累计量，dVu/dt为水流出速率，ke为与活塞大小相关的速率常数，k为总速率常数（此模型ke、k 相等）。式 dVu/dt=keV=keV0e-kt，两边取对数，则有lg(dVu/dt)=(-kt/2.303)+lg(keV0)。由于dVu/dt是瞬时速率，没办法求得，因此，用一定时间段内的平均速率Vu/t代替时间中点tc时刻的瞬时速率，即lg(Vu/t)=(-ktc/2.303)+lg(keX0)。可见，lg(Vu/t)与tc呈直线关系，其斜率为-k/2.303，即斜率=-k/2.303，则k=-2.303*斜率。

3 结果

不同时间段收集的水的体积见表1，lg(dVu/dt)对tc的回归关系见图2。5次试验的R2值分别为0.9958、0.9920、0.9972、0.9896、0.9831。结果表明，采用一级消除速率过程模拟系统，可以模拟药物在体内一级消除过程；同时发现，消除速率k只与活塞开的大小有关，而与液面的初始高度无关。

表1：重复性试验结果（n=5）

图2：lg(Vu/t)与tc的相关性回归分析

4 讨论

利用体外方法模拟体内药物的一级消除过程，已有文献报道[5]。但一般需要加入某些物质替代药物，且需建立物质的含量测定方法，操作比较复杂，费时，成本较高。本项目设备简单，成本低，且能模拟药物在体内的一级消除过程。

一般认为，知识掌握程度包括记忆、理解、创造、创新等层次。只是机械记住某些知识点，而不知道为什么，属于“记忆”层次，而在记忆的基础上，进一步理解其原理，并将其进行迁移，属于知识掌握的“理解”层次，在“理解”的基础上，才可能进行创造与创新，因此“理解”是掌握知识的重要环节。一级动力学消除过程及速率常数k，概念比较抽象，仅仅凭“记忆”并不能掌握其内涵。本文建立的基于压强的速度法计算一级消除速率k的模拟系统，操作简单，直观，便于学生“理解”何为一级动力学过程，且存在在此基础上进行创新、创造的可能。