动力学分光光度法结合化学计量学同时测定三种头孢菌素并研究其在家兔体内的药代动力学过程外文翻译资料

 2022-10-23 11:10

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动力学分光光度法结合化学计量学同时测定三种头孢菌素并研究其在家兔体内的药代动力学过程

NI YongNian1,2*, Chen JinFeng2＆KOKOT Serge3

1.中国食品科学与技术国家重点实验室；南昌大学，南昌330047，

2.中国南昌大学化学系，南昌330031，

3.澳大利亚昆士兰科技大学理学院化学系，布里斯班4001

2010年7月25号收到；2010年8月2号审核通过；2010年10月12号在网上发表

摘要

本文主要是应用动力学光度法与化学计量学的结合同时测定三种头孢类抗生素，即头孢拉定、头孢克肟、头孢克洛。该方法是基于在碱性介质中，他们被高锰酸钾氧化产生绿色锰酸盐的动力学速率不同。该方法已经成功地应用于兔血浆中通过静脉注射的三种头孢类抗生素的药代动力学研究。结果显示，兔血浆中头孢拉定、头孢克洛和头孢克肟的含量迅速减少，显示出明显的剂量依赖性，头孢克肟的半衰期（160分钟）比头孢拉定（60分钟）和头孢克洛（60分钟）的半衰期长。

关键词

药代动力学、头孢菌素、头孢克洛、头孢克肟、头孢拉定、动力学光度法，化学计量学

  1. 引言

头孢菌素是一种beta;-内酰胺类抗生素，这类抗生素能抑制细菌细胞壁的合成，常被用于由革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌引起的感染的治疗。头孢菌素的基本结构和抗菌作用机理与青霉素极其相似。对头孢菌素类抗生素的大批量半合成生产起到关键作用的中间体是7-氨基头孢烷酸（7-ACA），它是由通过发酵产生的头孢菌素C水解而成。众所周知，这项工作所研究的头孢菌素是由3取代beta;-内酰胺类双环系统（7-ACA）构成，其侧链取代基在3号位（R2）和7号位(R1)有所不同。在抗菌活性和稳定性以及化学反应方面，C-3和C-7位的取代基最重要(见表一)，尤其是beta;-内酰胺环，与抗菌活性和细菌耐药性有关。

表一：三种头孢菌素的结构通式以及他们的氧化机理

通式

名字

代际

R1

R2

头孢拉定

第一代

头孢克洛

第二代

头孢克肟

第三代

头孢菌素类抗生素分为四代：第一代、第二代、第三代以及最新的第四代化合物。这种分类的依据是他们对革兰氏阴性菌的活性影响程度。与第一，第二代头孢菌素类抗生素相比，第三代由于对beta;-内酰胺酶稳定，因此抗菌谱更广。头孢拉定，头孢克洛和头孢克肟分别是具有高抗菌活性的第一、二、三代半合成头孢菌素。

在空腹状态下，头孢拉定口服后迅速吸收。给成年正常志愿者单剂量500mg，一个小时内，平均血药浓度将达到约16.5g/ml.另外，经过六小时的体内处置，有超过90%的药物以原药的形式从尿液中排出,头孢克洛经口服主要在胃肠道吸收。血药浓度在30-60分钟内达到峰值。口服后，半衰期为0.5-0.7小时。头孢克肟口服后，悬浮剂比片剂的吸收效果要好，半衰期通常为3-4个小时，肾功能受到损害时，其半衰期可能会延长。将近65%的头孢克肟在体循环中和血浆蛋白结合在一起。头孢克肟主要通过肾脏排泄，24小时内，尿液中仍然有20%的口服剂量（50%的吸收剂量）。

在药物制剂和生物流体方面，已经有许多方法用于测定头孢拉定、头孢克洛和头孢克肟，包括分光光度法[6]，荧光分光光度法[7]，液相色谱法[8]和伏安法[9]。然而，大多数方法需要对样品进行费力的预处理和费事的分析程序，因此，在药代动力学研究中，开发出一种可替代的用于大样本数的分析方法是极为必要的。

动力学分光光度法在化学和药物分析方面通常很有用[10]。把这些理论应用在一些已经报道的方法上可以产生重大的优势。概括如下：（一）简单，由于一些实验的消除如过滤和提取前的吸光度测量；（二）不需要详细的动力学模型来处理动力学数据，由于这些技术需要准确的化学系统动力学模型来获得反应顺序和速率常数；（三）避免样品颜色和浑浊度的干扰，减少或消除分析物或可能协同作用的影响，减少反应所需的时间。

本研究开发了一种用于同时测定兔血浆中三种头孢类抗生素（头孢拉定，头孢克洛，头孢克肟）的分光光度动力学法和使用化学计量学、应用于药物代谢动力学研究的方法，如主成分回归法(PCR),偏最小二乘法（PLS）,径向基函数人工神经网络（RBF-ANN）。这种方法是基于在碱性介质中，三种抗菌药物使得高锰酸钾减少产生绿色锰酸的反应速率不同。

  1. 理论背景

2.1方法

假设有一分析物, Mj (j = 1, 2, ..., s),它被一种常见的吸附剂R氧化（在本次实验中R指的是高锰酸钾），产生一种常见的吸收产物P(指锰酸钾盐)，i用来表示不同的非吸收产物，Qj (见表一)，其反应步骤可表示为：

在这里，kj 是Mj反应速率常数，nj和mj是化学计量系数。

如果待测组分Mj的浓度远远小于吸附剂R（这里为高锰酸钾），（让 ，其中a是比例系数），这个反应可以被视为一级动力学反应。因此,R,P，随时间t变化的浓度分别表示如下：

其中 和分别代表反应中和 随时间t变化的浓度，和分别代表和的初始浓度。

化合物 随时间变化的吸光度用 表示，波长用lambda;表示：

其中，，它是任意时间t下某一待测组分Mj的比例系数。

女果s种待测组分参加反应且所有的待测组分吸光度具有加合性,那么任一时间t下所有待测组分的吸光度At能表示为：

如果配制u个标准样品,那么在在给定的波长下,任一时间t时吸光度数据可表示为:

头抱拉定,头抱克洛和头抱克肪被紫红色的高锰酸钾氧化,生成绿色的锰酸钾,在608nm监测锰酸钾吸光度的变化。反应物光谱重叠且吸光度具有加和性。根据光谱测量信号A与待测物

浓度的内在关系,就能在动力学机理未知的情况下建立多元校正模型从而同时测定三种待测物质的含量。

    1. 化学计量学方法

化学计量学是提前化学实验中产生的数据信息，使得化学家能够确定一个不需要事先分离步骤的复杂系统。化学计量法，包括PLS(偏最小二乘法),PCR（主成分回归法）,已经越来越多的被应用于动力学活性的测定中。

      1. 偏最小二乘法（PLS）和主成分回归法（PCR）

主成分回归和偏最小二乘等都是基于因子分析的常用多元校正方法,均可解析相似多组分体

系而不需要复杂的前处理。主成分回归和偏最小二乘法在很多方面都很相似，他们之间的关联在很多文献中都有提及。在偏最小二乘法中，数据分解使用光谱和浓度数据，而主成分回归只使用光谱数据。最小二乘潜在的可变因素比主成分回归少，但这并不影响预测能力。从历史上来看，PCR出现在PLS之前，然而，自从PLS一出现，它就成为大多数用户的首选。

      1. 径向基函数网络(RBF-ANN)

人工神经网络是模拟人脑结构而构筑起来的具有自适应、自组织、自学习能力的人工智能模型。现以用于化学模型识别、测量信号处理、实验条件优化、实验过程控制等研究领域。由于人工神经网络是由大量神经元组成的一个非线性动态系统,尤共适合处理具有不确定关系的化学量测数据。人工神经网络在不预知速率常数及非严格遵循校正模型的情况下,对线性及非线性的动力学模型有着很强的解析能力.

  1. 实验部分

3.1 试剂

所用试剂均为分析纯,水为二次蒸馏水。头抱拉定,头抱克洛和头抱克肪的标准溶液（100mg/L）,按常规方法配置，测定时按需要进行稀释：0.01mol/L高锰酸钾溶液，溶液实际浓度通过滴定法来确定：3mol/L的氢氧化钠溶液按常规方法配置。

3.2仪器

Agilent 8453紫外可见分光光度计（有搅拌功能并带有恒温槽）;ZC-10型水浴恒温槽(宁彼天恒仪器厂)该仪器是用来维持温度在70摄氏度;样品溶液进行超声处理五分钟，使用超声波浴（sk1200h，荣誉的超声波，上海仪器有限公司）；体积小于1ml的溶液使用微量移液器，所有获得的数据用装有MATLAB6.5系统的电脑进行处理。

Agilent1100型高效液相色谱色谱仪（配有在线真空脱气装置、四元泵、自动进样器、二极管阵列检测器）,Chenstation化学工作站,ZORBAX Eclipse XDB-C18 色谱柱（4.6times;250mm），Agilent Zorbax 高压保护柱（C18,12.5mmtimes;4.6mm）,以上均为美国Agilent 公司产品。柱温为室温(20摄氏度)，进样量20mu;L，流速为1ml/min，流动相由乙醇-乙腈-0.025mol/L

KH2PO4(5：8：87/V:V:V)的缓冲溶液组成，检测波长为265nm，头孢克肟，头孢克洛和头孢拉定的保留时间分别为5.10,8.57和10.18min.

3.3实验步骤

用微量进样器准确移取一定量的头抱拉定,头抱克洛和头孢克肟（总体积：x ml）的标准溶液于1cm比色皿中,然后依次加入0.47ml 3.0 mol/L的氢氧化钠溶液和一定量（1.68-x）ml,的二次蒸馏水,使比色皿中溶液总体积为2.15ml,,插入微型搅拌器进行搅拌,迅速开启秒表t=0s ,将比色皿置于恒温70摄氏度的比色皿中保温90s后,迅速加入0.35ml 0.01mol/L高锰酸钾溶液使总体积为2.50ml,并开始计时,仪器自动扣除空白。扫描波长范围为470-750nm,波长间隔为1nm，反应时间为360s，时间间隔Delta;t为2s。采集扣除试剂空白后的量测数据,用MATLAB6.5程序对所记录的数据进行处理。

  1. 结果与讨论

4.1 吸收光谱及动力学曲线

图1是头袍拉定,头袍克洛和头袍克的紫外吸收图,从图1可以看出在200-450nm范围内,

三者的吸收光谱严重重叠,且有吸收较弱。这就意味着常规的分光光度法很难同时解析它们。当一种待测物与紫色的高锰酸钾反应后,生成绿色的锰酸钾的光谱吸收大大增强,因此间接的分光光度法即动力学分光光度法成为一种较好的选择。

反应的原理建立于在碱性溶液中,待测物于紫色狗高锰酸钾反应生成绿色的锰酸钾（见表1.Part B）.反应时间360s,检测波长是产物锰酸钾的最大吸收波长608nm。同时可以看出高锰酸钾和锰酸钾光谱有重叠,因此很难用常规的分光光度法而不需分离来同时测定它们。此时,动力学分光光度法成为一种较好的选择。在最大吸收波长处,头孢拉定,头饱克洛和头孢克肟的动力学速率常数根据假一级动力学模型用单纯形搜索法进行模拟得到，0.0094,0.0065和0.0121s-1,可以看三者的动力学的速率常数不相同但差别不大,这就意味着用常规的动力学方法，如：对数外推法和比例方程法,很难同时解析这两种化合物,因此,本文用化学计量学方法，如PCR,PLS,RBF-ANN来处理实验所得的动力学数据,从而达到同时测定头袍拉定,头袍克洛和头孢克肟的目的。实骑过程中用加头抱拉定，头孢克洛和头孢克肟和未加头孢拉定，头孢克洛和头孢克肟的吸光度差值来优化条件。

图1：A-三种头孢菌素（头孢拉定，头孢克洛，头孢克肟4.8mg/L）的紫外吸收光谱图；B-三种头孢菌素（头孢拉定，头孢克洛，头孢克肟4.8mg/L）在最大吸收波长608nm的动力学图。T=70℃，CNaOH=0.56mol/L,CKMnO4=14.0times;10-4mol/L.

4.2实验条件选择

实验中考查了2.0-11.6times;10-4mol/L的高锰酸钾对头孢拉定、头孢克洛、头孢克肟体系吸光度的影响，结果表明当高锰酸钾的浓度为8.4times;10-4mol/L，在608nm处的吸光度差值几乎不再增大。兼顾灵敏度的情况下，本文选择高锰酸钾浓度为11.6times;10-4mol/L。

实验中考察了0.08-0.64mol/L的氢氧化钠对头孢拉定、头孢克洛、头孢克肟体系吸光度的影响，结果表明当氢氧化钠浓度为0.48mol/L时，在608nm处的吸光度差值几乎不再增大。兼顾灵敏度的情况下，本文选择氢氧化钠浓度为0.56mol/L.

实验中考察了在30-75摄氏度范围内温度对体系吸光度的影响，发现当温度增加到65摄氏度时，在608nm处的吸光度差值几乎不再增大。在兼顾灵敏度的情况下，本文选择70℃作为最佳反应温度。

4.3单组份的线性范围和工作曲线

在最佳实验条件下,分别记录一系列不同依度的头抱拉定,头袍克洛和头孢克肟在最大吸收

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