蒙特卡洛模拟优化左氧氟沙星治疗6种细菌感染的给药方案

马攀，刘芳，冯伟，赵全凤，戴青，熊丽蓉，陈勇川（陆军军医大学第一附属医院药学部，重庆 400038）

左氧氟沙星属于氟喹诺酮类抗菌药物，对包括金黄色葡萄球菌、肺炎链球菌等多种革兰氏阳性菌以及大肠埃希菌、肺炎克雷伯菌、铜绿假单胞菌和流感嗜血杆菌等革兰氏阴性菌均有抑制作用，在临床上应用广泛。近年来，细菌对喹诺酮类药物的耐药性逐渐增长，或因给药剂量不足导致体内药物浓度较低，细菌在“亚抑菌浓度”下存活，为耐药突变体创造了有利的环境，增加了耐药的风险，从而导致抗感染治疗的失败。

左氧氟沙星是浓度依赖性抗菌药物，其药效学与药时曲线下面积（area under the drug concentration-time curve，

AUC

）密切相关，药物的

AUC

与其最低抑菌浓度（minimal inhibition concentration，

MIC

）的比值（

AUC

/

MIC

）和药物的峰浓度（maximum plasma concentration，

C

）与

MIC

的比值（

C

/

MIC

）是决定这类药物能否达到最佳杀菌效果的关键药效学参数。抗菌药物的临床疗效与其药动学（pharmacokinetics，PK）/药效学（pharmacodynamics，PD）参数密切相关，临床可根据PK/PD参数的靶值来制订最佳给药方案，在尽可能达到最佳的治疗效果的同时降低细菌耐药性的发生。但目前，临床上抗感染方案的设计多依赖于临床医师的主观判断，缺乏统计学上的客观评价。近年来，蒙特卡洛模拟（Monte Carlo simulation，MCS）在化学及多种自然科学中应用广泛，在抗菌药物的临床研究中，可用其模拟PK/PD模型，优化抗菌药物的给药方案。MCS是一种基于“随机数”的计算方法，充分考虑了不同患者对同一药物处置过程的差异，又考虑了同种致病菌的不同菌株对药物敏感性的差异，通过计算机进行多达上万次模拟，提高预测结果的准确性，在提高抗菌药物的临床疗效方面具有巨大的优势。本研究对左氧氟沙星常用给药方案治疗临床6种常见致病菌的疗效进行研究，结合其药动学参数、药效学靶值以及

MIC

数据，通过MCS考察不同剂量左氧氟沙星对致病菌的最佳临床疗效靶值的达标情况，针对不同菌种推荐合适的左氧氟沙星给药剂量，为左氧氟沙星治疗常见病原菌感染的剂量选择提供科学的客观依据，并减少因剂量不足导致抗感染治疗失败所诱发的细菌耐药。

1 材料

1.1 菌株来源

受试菌共6种合计339株，均来自某大型三甲综合医院临床科室送检标本（包括痰、分泌物、尿液等）中的分离菌株，包括革兰氏阳性菌金黄色葡萄球菌（

Staphylococcus aureus

，SA）48株、肺炎链球菌（

Streptococcus pneumoniae

，SP）52株；革兰氏阴性菌大肠埃希菌（

Escherichia coli

，EC）76株、肺炎克雷伯菌（

Klebsiella pneumoniae

，KP）60株、流感嗜血杆菌（

Haemophilus influenzae

，Hi）51株、铜绿假单胞菌（

Pseudomonas aeruginosa

，PA）52株。具体信息见表1。

表1 菌株信息(＝339)
Tab 1 Strain information (＝339)

注（Note）：包括创伤口、导管、导管血、胆汁、前列腺液、耳分泌物、咽拭子、体表、灌洗液、脑脊液、眼分泌物（ including wound，catheter，catheter blood，bile，prostate fluid，ear secretion，pharyngeal swab，body surface，lavage fluid，cerebrospinal fluid and eye secretion）。

项目 数量 占比/%菌株标本来源组织 10 2.95腹水 10 2.95静脉血 13 3.83伤口分泌物 15 4.43其他* 25 7.38尿液 29 8.55脓液 28 8.26痰液 209 61.65菌株种类SA 48 14.16 SP 52 15.34 EC 76 22.42 KP 60 17.70 Hi 51 15.04 PA 52 15.34

1.2 药品来源

左氧氟沙星片（第一三共制药，规格：0.5 g/片，批号：BW02661），左氧氟沙星对照品（批号：130455-201607，含量 以 CHFNO计 为97.3%，中国食品药品检定研究院）。

2 方法

2.1 左氧氟沙星的含量测定

精密称取适量左氧氟沙星片（以左氧氟沙星计约0.1 g），置100 mL量瓶中，加0.1 mol·L盐酸溶液溶解并稀释至刻度，摇匀，滤过，再精密量取续滤液5 mL，置50 mL量瓶中，用0.1 mol·L盐酸溶液稀释至刻度，摇匀，作为供试品溶液。参照2015年版《中国药典》左氧氟沙星项下的方法采用Waters2690高效液相色谱仪测定药品含量。

2.2 左氧氟沙星对细菌的MIC测定

根据含量测定结果，按照美国临床与实验室标准化协会（Clinical and Laboratory Standards Institute，CLSI）M100 30th配制抗菌药物储备液，并参照CLSI推荐的琼脂二倍稀释法测定左氧氟沙星的

MIC

，

MIC

、

MIC

分别表示抑制50%和90%的细菌所需的最低药物浓度。试验操作过程均严格按照《全国临床检验操作规程》（第4版）进行，每批试验均设立质控菌株以确保整个试验的准确性，药敏折点标准依据CLSI抗微生物药物敏感性试验的执行标准进行判读。

2.3 左氧氟沙星的PK参数

左氧氟沙星片说明书列出的单次口服左氧氟沙星250 mg、500 mg及750 mg的PK参数见表2。而有研究显示单次口服左氧氟沙星50～1000 mg，平均

C

约为0.6～9.4 mg·h·L，

AUC

约为4.7～108 mg·h·L，

AUC

均呈线性增加且左氧氟沙星在多剂量给药方案中的药动学与单剂量给药方案相似，可以预测其药动学变化情况。

表2 左氧氟沙星片不同给药剂量的PK参数
Tab 2 PK parameters of different doses of levofloxacin

?

2.4 MCS

根据PK/PD模型对不同剂量给药方案分别进行MCS，当

MIC

为某一特定值时，可获得靶指数的达标概率（probability of target attainment，PTA）；当

MIC

为菌株群体的分布值时，可计算PK/PD指数对目标的累积反应分数（cumulative fraction of response，CFR），PTA最高或CFR＞90%者可能为最优选择。本研究应用Oracle Crystal Ball（v11.1）软件对左氧氟沙星在不同给药剂量下对目标菌群进行MCS，通过比较PTA或CFR的大小，得到其针对不同菌种的最佳给药方案。左氧氟沙星属于喹诺酮类药物，是浓度依赖性抗菌药物，以

AUIC

表示其临床抗菌有效性的主要参考指标，即

AUIC

＝

AUC

/

MIC

。根据参考文献，设定左氧氟沙星对革兰氏阳性菌的最佳临床疗效靶值为

AUIC

（

AUC

/

MIC

）≥30，对革兰氏阴性菌的最佳临床疗效靶值为

AUIC

≥125。设定10 000次模拟左氧氟沙星在不同剂量给药方案下的

AUIC

靶值。在模拟过程中，假定PK参数

AUC

遵循正态分布，PD参数

MIC

遵循自定义离散分布。根据各自的概率分布，将不同剂量的

AUC

和

MIC

值分别进行模拟，得到3种剂量下的

AUIC

群体数据。以

AUIC

≥30作为考察革兰氏阳性菌的靶值，以

AUIC

≥125作为考察革兰氏阴性菌的靶值。具体流程见图1。

图1 蒙特卡洛模拟流程图Fig 1 Flow chart of Monte Carlo simulation

3 结果

3.1 左氧氟沙星含量测定结果

按照2015年版《中国药典》，左氧氟沙星的含量以左氧氟沙星计应为标示量的90.0%～110.0%，对左氧氟沙星片进行含量测定，含量为99.10%，符合药典规定。

3.2 MIC结果

本研究中左氧氟沙星对肺炎链球菌和流感嗜血杆菌的敏感率最高，对大肠埃希菌及铜绿假单胞菌的敏感率较低。对各种常见临床病原菌的

MIC

结果详见表3。

表3 口服左氧氟沙星对临床分离菌株的分布情况
Tab 3 distribution of levofloxacin oral preparations to clinically isolated strains

?

3.3 MCS左氧氟沙星不同给药方案下的CFR、PTA结果

CFR结果详见表4，当以左氧氟沙星24 h给药250 mg为最佳给药方案时，对于革兰氏阳性菌达到靶值

AUIC

≥30，金黄色葡萄球菌的CFR为93.99%，而肺炎链球菌的CFR仅为70.86%。对于革兰氏阴性菌

AUIC

≥125，左氧氟沙星对4种菌的CFR均未达到90%的目标。

表4 左氧氟沙星在不同给药剂量下对临床菌株的CFR (%)
Tab 4 CFR of strain infections treated with different doses of levofloxacin (%)

剂量/mg AUIC＝30 AUIC＝125 SA SP EC KP PA Hi 250 93.99 70.86 50.21 77.60 3.58 88.48 500 96.05 99.84 68.81 85.04 23.80 92.18 750 99.91 99.97 85.90 95.13 72.26 98.27

当以左氧氟沙星24 h给药500 mg为最佳给药方案时，对于革兰氏阳性菌，金黄色葡萄球菌和肺炎链球菌的CFR均大于90%。对于革兰氏阴性菌，仅有流感嗜血杆菌的CFR大于90%，其余菌种的CFR均未达标。

当以左氧氟沙星24 h给药750 mg为最佳给药方案时，对于革兰氏阳性菌达到靶值

AUIC

≥30，金黄色葡萄球菌和肺炎链球菌的CFR几乎接近100%。对于革兰氏阴性菌

AUIC

≥125，流感嗜血杆菌和肺炎克雷伯菌的CFR大于90%，大肠埃希菌的CFR接近90%，而铜绿假单胞菌为72.26%。PTA结果如图2所示，当PTA高于90%时预期可取得良好的抗菌效果和临床疗效。对于临床上较敏感的细菌，如阳性菌的

MIC

≤0.5 μg·mL，阴性菌的

MIC

≤0.125 μg·mL时，每日给药250 mg即可使PK/PD靶值对应的PTA≥90%；当阳性菌的

MIC

≤1 μg·mL，阴性菌的

MIC

≤0.25 μg·mL时，每日给药500 mg所达到PK/PD靶值对应的PTA≥90%；当阳性菌的

MIC

≤2 μg·mL，阴性菌的

MIC

≤0.5 μg·mL时，每日给药750 mg才能使PK/PD靶值对应的PTA≥90%。

图2 不同给药剂量左氧氟沙星对临床菌株的达标概率（PTA）分布Fig 2 PTA of different doses of levofloxacin for clinically isolated strains

4 讨论

左氧氟沙星因其抗菌谱广、抗菌活性强已成为临床中最常用的抗感染药物之一，是肺炎、鼻窦炎、支气管炎、尿路感染以及肾盂肾炎的临床治疗用药或经验用药。近年来革兰氏阴性菌对氟喹诺酮类药物的耐药性逐渐增加，耐药形势日益严峻，而目前市场上大多数仿制药的左氧氟沙星口服制剂推荐剂量为每次200～300 mg，一日服用2～3次，从本研究结果看，给药剂量为200～300 mg时，左氧氟沙星对大多数细菌的PK/PD靶值均未能达标，且左氧氟沙星属于浓度依赖性抗菌药物，若单次给药剂量不足，不仅达不到良好的治疗效果反而可能产生耐药。本研究结果表明，在250 mg或500 mg剂量下，左氧氟沙星很难对革兰氏阴性菌引起的感染产生良好的治疗效果，尤其是250 mg对常见临床病原菌感染有效的可能性更小。左氟沙星原研药的说明书早已将其用法用量改为每24 h给药一次，250 mg或500 mg或750 mg，因左氧氟沙星主要以原形经尿排出，尿排泄率高达80%，在尿液中药物浓度较高，因此仅在尿路感染时推荐给药剂量为250 mg，在医院内肺炎、急性细菌性鼻窦炎以及急性肾盂肾炎等感染推荐的治疗剂量均已达到750 mg。

抗感染治疗成功的关键是抗菌药物的浓度达到治愈感染所需的

MIC

，本研究发现无论是对革兰氏阳性菌还是阴性菌，若细菌较敏感，即使

MIC

小于0.125 μg·mL，3种给药剂量的PTA都能高于90%。但临床感染情况复杂，耐药问题严峻，治疗不够敏感的细菌可能出现PTA断崖式下降，无法保证良好的抗感染效果。本研究通过MCS建立了左氧氟沙星的PK/PD模型，分别得到了能够反映最佳临床疗效的参考指标CFR和PTA。一般而言，抗菌药物给药剂量对某一细菌CFR值高于90%时，提示该剂量对该细菌具有最大杀菌效果，为最佳剂量；对某一细菌在某一

MIC

值下PTA高于90%时，提示该给药剂量对不高于该

MIC

值的细菌具有最大杀菌效果。有研究结果显示，对于敏感的金黄色葡萄球菌感染，可采用左氧氟沙星250 mg剂量，此时的CFR已超过90%。对于肺炎链球菌和流感嗜血杆菌，可采用左氧氟沙星500 mg剂量，对于肺炎克雷伯菌应采用750 mg剂量的左氧氟沙星才能使CFR≥90%，与本研究结果一致。但对于大肠埃希菌和铜绿假单胞菌，即使采用750 mg的剂量，CFR仍然未能达到90%，说明这两种细菌更容易对左氧氟沙星产生耐药，尤其是铜绿假单胞菌的CFR仅为72.26%，已有文献报道临床上多重耐药铜绿假单胞菌检出率持续升高，警醒医院应重视防控工作。超广谱

β

-内酰胺酶（ESBLs）为大肠埃希菌最常见的耐药原因，考虑到临床细菌耐药等复杂情况，尤其是近年发现的产ESBLs大肠埃希菌对左氧氟沙星的耐药呈上升趋势，且质粒介导的喹诺酮类耐药（plasmid-mediated quinolone resistance，PMQR）机制致耐药菌株逐年增加，课题组初步研究发现产ESBLs和/或携带

qnr

基因的大肠埃希菌可能导致细菌对左氧氟沙星耐药从而达不到PK/PD临床靶值，该研究结果也部分解释了使用750 mg剂量的左氧氟沙星对大肠埃希菌仍未达到临床最佳疗效靶值的原因。铜绿假单胞菌具有易定植、易变异和多重耐药的特点，2014年中华医学会呼吸病学分会感染学组在《铜绿假单胞菌下呼吸道感染诊治专家共识》中提出，对铜绿假单胞菌感染尤其是多重耐药铜绿假单胞菌，联合用药治疗临床感染的效果优于单药，最常用的联合治疗方案为抗铜绿假单胞菌

β

-内酰胺类加氨基糖苷类或氟喹诺酮类。本研究结果亦提示临床在使用左氧氟沙星治疗铜绿假单胞菌、大肠埃希菌这两类临床菌株时可能疗效欠佳，在真实的细菌耐药情况下，建议参考药敏检验报告，谨慎选择左氧氟沙星的给药剂量或者联合用药，甚至考虑换用其他更有效的抗菌药物。为了准确评估

AUC

/

MIC

，应该使用游离药物浓度，但因左氧氟沙星属于低血浆蛋白结合率药物，故本研究并未进行游离血药浓度的换算。另外，本研究MCS的PK/PD达标靶值是基于血中药物浓度所得，不能反映感染部位，而不同的感染部位左氧氟沙星的浓度可能不同，如左氧氟沙星主要经尿路排泄，尿中浓度较高，在肺泡巨噬细胞中的药物浓度也高于血药浓度，针对这些部位的感染，在较低的PK/PD靶值条件下也可获得较好的治疗效果，而本研究并未针对不同感染部位对左氧氟沙星的达标情况进行MCS分析。

应用MCS方法制订合理的给药方案，该方法结合药动学和药效学数据，既考虑了不同患者对同一种抗菌药物处置过程的差异，又考虑了同种病原菌的不同菌株对同种药物敏感性之间的差异。通过MCS在计算机水平上建立了左氧氟沙星的PK/PD模型，分别得到能够反映临床治疗有效的参考指标CFR和PTA，为抗感染治疗中早期经验性抗菌药物给药方案的制订提供一定的科学依据。