Биофармацевтический анализ процесов метаболизма лекарственных средств

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего образования

«Казанский национальный исследовательский

технологический университет»

БИОФАРМАЦЕВТИЧЕСКИЙ 

АНАЛИЗ ПРОЦЕССОВ МЕТАБОЛИЗМА 

ЛЕКАРСТВЕННЫХ СРЕДСТВ

Монография

Казань

Издательство КНИТУ

2019

УДК 615:577.1
ББК 52.81

Б63

Печатается по решению редакционно-издательского совета 

Казанского национального исследовательского технологического университета

Рецензенты:

д-р хим. наук, проф. Г. К. Будников
д-р фарм. наук, проф. С. Н. Егорова

Б63

Авторы: С. Ю. Гармонов, Л. К. Нугбиеньо, Т. А. Киселева, 
Ч. З. Нгуен, В. Ф. Сопин
Биофармацевтический анализ процессов метаболизма лекарственных 
средств : монография / С. Ю. Гармонов [и др.]; Минобрнауки России, 
Казан. нац. исслед. технол. ун-т. – Казань : Изд-во КНИТУ, 2019. –
148 с.

ISBN 978-5-7882-2720-7

Рассмотрены современное состояние и перспективы развития методов био
фармацевтического анализа для исследования генетически детерминированных 
процессов метаболизма лекараственных средств в организме человека. Обсуждена роль аналитических методов в определении активности ферментных систем, контролирующих процессы биотрансформации ксенобиотиков и эндогенных соединений в организме. Показана возможность использования химических 
и физико-химических методов анализа для прямых и косвенных аналитических 
определений метаболических и экзогенных маркеров биотрансформации. Рассмотрена роль аналитических технологий в персонализированной медицине для 
диагностики, оценки риска возникновения различных заболеваний и выявления 
индивидуальной химической чувствительности.

Предназначена для аспирантов и магистров, обучающихся по направлениям 

подготовки 33.06.01 «Фармация» и 18.04.01 «Химическая технология».

Подготовлена на кафедре аналитическая химия, сертификация и менедж
мент качества.

ISBN 978-5-7882-2720-7
© С. Ю. Гармонов, Л. К. Нугбиеньо, Т. А. Киселева, 

Ч. З. Нгуен, В. Ф. Сопин, 2019

© Казанский национальный исследовательский 

технологический университет, 2019

УДК 615:577.1
ББК 52.81

ПРЕДИСЛОВИЕ

Количество лекарственных средств (ЛС), использующихся в 

настоящее время, измеряется десятками и даже сотнями тысяч. В связи со столь значительным расширением и динамизмом лекарственной 
терапии проблема безопасного и эффективного применения лекарств 
все более привлекает внимание мирового сообщества. 

С одной стороны, безопасность ЛС определяется качеством 

препаратов, появляющихся на фармацевтическом рынке. В то же время не менее важной стороной их эффективного и безопасного применения являются процессы их метаболизма в организме человека. Помимо восстановления нормального течения и ритма функций организма, с лекарственными веществами происходит ряд качественных и количественных изменений. При этом биологическая активность лекарств может снижаться или полностью исчезать, а в некоторых случаях, наоборот, увеличиваться, приводя к нежелательным токсическим 
эффектам. В связи с этим пристальный интерес химиков, медиков, 
фармацевтов к проблеме безопасности лекарств вызван тем, что это 
направление, находящееся на стыке ряда естественных дисциплин, 
позволит создать научные основы наиболее рационального, эффективного и безвредного для организма человека применения лекарственных веществ.

В настоящее время концепция персонализации применения ЛС 

распространяется на препараты, которые когда-то считались универсальными средствами лечения конкретных болезней. Но сейчас становится ясно, что реакция пациентов с одной и той же болезнью на одно 
и то же лекарство различается в зависимости от особенностей фармакокинетики, метаболизма ЛВ или его метаболитов, которые в своем 
большинстве находятся под биохимическим контролем генов предрасположенности человека. Гены предрасположенности кодируют 
ферменты, белки и рецепторы, которые участвуют в осуществлении 
процессов метаболизма ЛВ. При этом возможны значительные колебания в эффективности и безопасности препарата, применяемого для 
лечения определенного заболевания у разных пациентов. 

Персонализированная медицина представляет собой совокуп
ность подходов профилактики, диагностики и лечения заболеваний на 
основе оценки индивидуальных особенностей пациента. Среди них –
фармакогенетические
особенности 
метаболизма 
лекарственных 

средств, которые приводят к различиям их фармакокинетических па

раметров и требуют оптимизации дозирования препаратов в зависимости от гено- и фенотипов конкретного пациента. Реализация такого 
подхода играет важную роль в обеспечении эффективности, безопасности и индивидуальной переносимости организмом человека лекарственных веществ. 

Для решения задач персонализированной медицины используют 

следующие технологии и подходы: 

– биофармацевтический анализ;
– установление генетического полиморфизма ферментов, мета
билизирующих ЛС, молекулярно-генетическими методами, а также с 
помощью цитогенетических и молекулярно-цитогенетических технологий;

– мониторинг применения ЛС на основе достижений фармако
геномики, фармакогенетики и фармакопротеомики. 

Методы биофармацевтического анализа, направленные на де
тектирование генетически детерминированных процессов биотрансформации, регистрируют биохимический фенотип. При этом их значение в диагностике наследственных заболеваний, оценке риска токсичности и канцерогенеза неуклонно возрастает. Причиной этого является необходимость дополнения молекулярно-генетических методов 
в большинстве случаев методами биофармацевтического анализа, поскольку первые описывают генотип, а во втором случае определяется 
фенотип. В свою очередь, особенности течения заболевания и токсические эффекты ЛС в конечном счете являются следствием фенотипа 
организма. Следует отметить, что реализация действия гена представляет сложный процесс, поэтому факт не обнаружения мутации молекулярно-генетическим методом не всегда является полной гарантией 
нормального фенотипа.

В монографии рассмотрены методы оценки активности фер
ментных систем метаболизма организма человека, которые направлены на детектирование генетических особенностей на уровне регистрации продуктов их экспрессии с помощью методов биофармацевтического анализа, регистрацию специфических компонентов биохимических процессов (эндогенные и лекарственные соединения, а также их 
метаболиты), возникающих в результате генетической детерминации.
При этом обсуждаются биофармацевтические маркеры – лекарственные вещества для установления биохимических фенотипов метаболизма. 

Таким образом, для создания основы применения персонализи
рованной медицины в рамках традиционной медицины надо развивать 
новые технологии, в том числе биофармацевтического анализа, вести 
просветительную работу среди работников здравоохранения и информировать общественность о ее возможностях. Неотъемлемой частью 
лекарственной терапии будущего станет глубокое понимание принципов и способов использования генетических основ поведения лекарств 
в организме. 

Книга подготовлена коллективом авторов, занимающихся про
блемами, навеянными потребностями персонализированной медицины. Область их профессиональных интересов находится в области 
фармацетической и аналитической химии, медицинской диагностики 
и разработки ЛС. 

Настоящая монография написана коллективом авторов: доктром 

хим. наук, профессором Гармоновым С. Ю. (ФГБОУ ВО «КНИТУ»),
канд. хим. наук Нугбиеньо Лоуренсом Кабла Адану Бамиделе (Служба здравоохранения, Аккра, Гана), канд. мед. наук, доцентом Киселевой Т. А. (ФГБОУ ВО «Казанский государственный медицинский 
университет»), канд. хим. наук, доцентом Нгуен Чунг Зунг (Государственный технический университет имени Ле Куи Дона, Ханой, Вьетнам), доктором хим. наук, профессором Сопиным В. Ф. (ФГБОУ ВО 
«КНИТУ»).

ВВЕДЕНИЕ

Биофармацевтический анализ играет большую роль в обеспече
нии безопасности и эффективности применения ЛС – важной части 
персонализированной медицины. При использовании методов биофармацевтического анализа возможно установление индивидуальных 
особенностей фармакокинетики и метаболизма ЛС для конкретных 
пациентов, а также оптимизация режимов их дозирования при проведении фармакотерапии различных заболеваний.

Биофармацевтический анализ – один из видов фармацевтиче
ского анализа. Он включает извлечение, концентрирование, определение лекарственных веществ (ЛВ) и их метаболитов в биологическом 
материале (биологических жидкостях – моче, слюне, крови, плазме 
или сыворотке крови, спинномозговой жидкости, в тканях внутренних 
органов), а также исследование особенностей генетически детерминированных процессов метаболизма ЛВ в организме человека. Биофармацевтический анализ представляет собой своеобразный инструмент 
для проведения биофармацевтических исследований ЛС и индивидуального лечения конкретных пациентов. При этом разработка методов 
анализа ЛВ в биологических объектах играет важную роль в оценке 
биоэквивалентности и в целом в обеспечении безопасности, эффективности и персонализации применения ЛС.

Главным объектом биофармацевтического анализа являются 

биологические жидкости организма человека, которые имеют очень 
сложный состав. Это многокомпонентные смеси, включающие очень 
большое число неорганических и, особенно, органических соединений 
различной химической природы: микроэлементы, аминокислоты, полипептиды, белки, ферменты и др. Их концентрация колеблется от
10 мг/мл до нескольких нанограммов. Так, в моче идентифицировано 
несколько сотен органических соединений, плазма крови содержит 
более 200 различных белков. При этом биологический объект – весьма 
динамичная система. Ее состояние и химический состав зависят от 
особенностей организма, воздействия факторов внешней среды (состава пищи, физической и психической нагрузки и т. д.). Все это еще в 
большей степени усложняет выполнение биофармацевтического анализа, так как на фоне такого большого количества сложных по химическому строению органических веществ нужно определять малые 
концентрации ЛВ. Попадающие в биологические жидкости лекарственные препараты в процессе биотрансформации образуют метабо

литы, количество которых может исчисляться несколькими десятками. 
Извлечение этих веществ из сложных смесей, их концентрирование и 
установление химического состава – трудная задача.

Биофармацевтический анализ также предусмотривает исследо
вания генетически детерминированных процессов метаболизма ЛВ в 
организме человека (см. таблицу) [1]. 

Генетический контроль над ферментными системами

Ферментная система
Лекарственные 

вещества

Процесс 

метаболизма

Низкая активность 
N-ацетилтрансферазы

Амины, амиды, 
индолы, гидразины, 
гидразиды

Ацетилирование

Низкая активность 
Пероксиды
Распад 

Низкая активность 
глюкуронилтрансферазы

Антибиотики, 
барбитураты, опиаты, 
сульфаниламиды

Образование 
глюкуронидов

Низкая активность 
арилэстеразы

Сложные эфиры
Гидролиз эфиров

Низкая активность 
монооксигеназной 
системы печени

Разнообразные 
лекарственные 
средства

Микросомальное 
окисление

Биофармацевтический анализ позволяет получать информацию 

о действии лекарственных средств в организме в зависимости от физико-химических свойств и степени дисперсности компонентов лекарственного препарата, а также от вспомогательных веществ лекарственной формы и технологических процессов ее изготовления. Количественная оценка процессов биотрансформации и знание ее механизма позволяет персонализировать дозы лекарственных препаратов, 
оценивать риск возможных нежелательных побочных эффектов, а 
также проводить правильное комбинирование лекарств. Основным 
подходом при изучении механизмов биотрансформации ЛС в организме человека является установление структуры метаболитов, расчет 
и оценка фармакокинетических параметров. 

Биофармацевтический анализ широко применяется в персонали
зированной медицине для диагностики генетически детерминированных особенностей пациентов с помощью тест-маркеров и последующего назначения индивидуальной терапии, соответствующей молекулярному профилю больных [2]. В связи с этим персонализированная 
медицина имеет перспективы улучшения качества медицинской помощи и, в некоторых случаях, сокращения расходов на здравоохранение в целом [3]. Знание молекулярных основ заболеваний позволяет 
идентифицировать биомишени, отвечающие за биотрансформацию 
соединений, и усовершенствовать назначение лекарственных препаратов, что фундаментально изменяет фармацевтическую практику [4]. 
В настоящее время разработка индивидуальных подходов к лекарственной терапии представляет собой важную часть персонализированной медицины, которая применяется все чаще во многих областях 
клинической практики, поскольку обнаруживаются гены, связанные с 
определенными заболеваниями. В настоящее время в некоторых областях медицины систематически применяется прогнозирование рисков 
для пациентов непосредственно в процессе лечения, в то время как в 
других областях требуется гораздо больше исследований для выяснения 
молекулярных основ заболеваний для индивидуального лечения [5].

Как известно, эффективность методов медицинского лечения 

большинства заболеваний человека подтверждается доказательной 
медициной. Стратегия лечения, в том числе применение ЛС, также 
определяется этими принципами и клиническими стандартами лечения заболеваний, разработанных на ее основе. Персонализированные 
подходы к терапии позволяют частично решать и проблему развития 
нежелательных побочных лекарственных реакций. При этом безопасность лекарственной терапии зависит от индивидуальных особенностей организма, поэтому применение ЛС требует персонализированного подхода к каждому человеку. Таким образом, персонализированная медицина позволяет повысить безопасность применения ЛС и сократить расходы на коррекцию нежелательных реакций. При этом помимо развития молекулярно-генетических подходов, в персонализированной медицине осуществляются исследования биомаркеров в 
биологических жидкостях (как правило, определенных белков), которые позволяют прогнозировать развитие тех или иных заболеваний. 
Также в качестве современных инструментов персонализированной 
медицины появились такие направления, как изучение деятельности 
генов на основе исследования матричных РНК и метаболических про

цессов ЛВ [6]. Генетические особенности процессов метаболизма, 
возраст, пол, наличие заболеваний и другие средовые факторы существенно влияют на фармакодинамику и фармакокинетику, а также на 
терапевтический эффект применяемых ЛС. В связи с этим их исследование является предпосылкой для персонализации терапии [7].

В результате метаболизма происходит изменение фармакологи
ческой активности ЛС по следующим направлениям: 

– фармакологически активное вещество превращается в неак
тивное;

– фармакологически активное вещество превращается в другое 

активное вещество, т. е. образует активные метаболиты;

– фармакологически неактивные вещества, так называемые про
лекарства, превращаются в активные. 

Реакции метаболизма ЛС делятся на две фазы – I и II. Реакции 

фазы I – несинтетические реакции. При этом из лекарственных 
средств образуются гидрофильные соединения вследствие присоединения или освобождения активных функциональных групп. Основные 
реакции фазы I – реакции окисления, из них наиболее распространена 
реакция гидроксилирования. Катализаторами этих реакций служат оксидазы, субстратная специфичность которых весьма низка. Следовательно, оксидазы участвуют в окислении лекарственных веществ различной химической структуры. Менее распространены реакции восстановления и гидролиза. Реакции II фазы метаболизма представляют 
собой конъюгацию ЛВ или их метаболитов с эндогенными веществами с образованием водорастворимых полярных конъюгатов, легко выводимых почками или с желчью. Наиболее распространенные реакции 
II фазы включают реакции ацетилирования, сульфатирования, глюкуронирования, метилирования и водной конъюгации. Ксенобиотики в 
результате реакций II фазы утрачивают биологическую активность, 
однако возможно образование и активных метаболитов [8]. Метаболизм ЛС может осуществляться путем реакции фазы I или II, одновременно обеих (одна часть ЛС – в первой, другая – во второй) или 
последовательно каждой из них [9].

Реакция ацетилирования под действием N-ацетилтрансферазы 

гепатоцитов – один из важных путей биотрансформации ЛС. Скорость 
процесса ацетилирования является генетически детерминированной, 
причем полиморфизм генов фермента N-ацетилтрансферазы приводит 
к метаболическому полиморфизму по бимодальному распределению 
(медленный и быстрый фенотипы ацетилирования). Определение фе

нотипа ацетилирования служит в качестве фенотипического маркера 
оценкой предрасположенности человека к заболеваниям, а также для 
прогнозирования побочных эффектов ЛС [7].

Решение задач персонализированной медицины требует приме
нения технологий и подходов биофармацевтического анализа [10] и 
молекулярно-генетических методов, которые применяются в фармакогенетике [11], фармакогеномике [12] и фармакопротеомике [13].

Методы биофармацевтического анализа позволяют детектиро
вать генетически детерминированные процессы биотрансформации и 
регистрировать биохимический фенотип [14]. Следует отметить, что 
биологические жидкости организма человека в качестве основного 
объекта биофармацевтического анализа являются сложными многокомпонентными матрицами [15–17], что усложняет выполнение биофармацевтического анализа на практике.

Известно, что экспрессия генов, отвечающих за синтез фермен
тов метаболизма, влияет на фармакокинетику и фармакодинамику лекарственных веществ [18–20]. Процессы метаболизма ЛС в организме 
человека могут вызывать побочные эффекты для пациентов с высокой 
активностью ферментов стадии функционализации и низкой активностью ферментов стадии сопряжения по сравнению с пациентами с 
противоположной активностью ферментов [21]. 

Молекулярно-генетические методы позволяют выявлять вариа
ции первичной структуры исследуемого участка ДНК путем идентификации последовательности азотистых оснований. При этом молекулярно-генетические анализы включают пробоподготовку образцов 
ДНК или РНК, рестрикцию ДНК на фрагменты и их последующую 
идентификацию различными физико-химическими методами [22]. 
Определение фенотипа метаболизма различается на уровне от продуктов гена до конечных метаболитов. Соответственно существенным 
фактором является дополнение молекулярно-генетических методов 
биофармацевтическими анализами, поскольку первые описывают генотип, а вторые определяют фенотип [23, 24]. Следует отметить, что 
именно следствием фенотипа организма являются особенности течения заболевания и токсические действия ЛС. 

Методы биофармацевтического анализа должны обладать высо
кой чувствительностью, достаточной избирательностью, включать 
простую пробоподготовку, давать возможность работы с малыми объемами проб, отличаться универсальностью, производительностью и 
возможностью автоматизации [25]. Современные физико-химические