基于1岁年龄分界和肾功能多维标志物的儿童ALL甲氨蝶呤群体药动学研究及给药方案优化

　　本文推荐一项针对儿童急性淋巴细胞白血病（ALL）的甲氨蝶呤（MTX）群体药动学（PPK）研究。该研究创新性地引入1岁年龄分界点，并联合估算肾小球滤过率（eGFR）与血尿素氮（BUN）等多维肾功能标志物，构建了高精度PPK模型。通过蒙特卡洛模拟，为肾功能不全患儿的负荷剂量调整提供了关键依据，显著提升稳态浓度达标率并降低延迟排泄风险。

　　

研究背景与意义

急性淋巴细胞白血病（ALL）是儿童时期最常见的白血病亚型，占儿童白血病病例的75–80%。甲氨蝶呤（MTX）作为经典抗代谢类抗肿瘤药物，通过竞争性抑制二氢叶酸还原酶活性，干扰嘌呤和嘧啶核苷酸的从头合成，从而抑制肿瘤细胞增殖。在ALL临床治疗中，大剂量甲氨蝶呤（HD-MTX）已成为提高患儿长期生存率和预后的关键策略。

MTX在细胞内发生多谷氨酰化，显著延长其细胞内滞留时间，这一过程既增强抗肿瘤活性，也增加细胞毒性。代谢途径分析表明，肝脏是MTX代谢的主要器官，主要代谢产物7-羟基甲氨蝶呤的细胞毒性甚至高于MTX本身。排泄机制方面，MTX及其代谢物主要经肾脏清除，多数以原形从尿液排出。但由于MTX及其代谢物在酸性尿液中溶解度低，可能导致肾小管内结晶，引发肾毒性并损害药物排泄。因此临床实践中，HD-MTX给药期间必须严格遵守水化、碱化尿液和亚叶酸钙解救等支持措施，以降低肾毒性和其他全身毒性风险。

群体药动学（PPK）建模为识别影响MTX药动学的协变量提供了可靠方法，能够预测患者药物暴露水平，降低不良反应风险。然而，现有MTX的PPK研究仍存在明显局限：一方面，尽管肾脏是MTX排泄的核心途径，但多数研究对肾功能与清除率关联的探索不足，未能系统评估不同肾功能标志物的预测价值；另一方面，针对婴幼儿群体的研究存在缺陷，特别是忽视婴幼儿与较大儿童生理特征的显著差异，导致对低龄患者药动学特征描绘准确性不足，限制了个体化给药方案的制定。

研究材料与方法

本研究回顾性分析2021年5月至2024年11月期间诊断为ALL的≤18岁儿科患者数据。纳入标准包括：经病理学确诊为ALL、接受HD-MTX治疗、治疗期间至少进行一次血浆浓度监测。最终共纳入214例儿科患者和1672个血浆浓度数据点，其中建模组171例患者1342个浓度数据，外部验证组43例患者330个浓度数据。

治疗方案方面，2021年10月前采用CCLG-ALL-2018方案，之后采用CCCG-ALL-2020方案。根据风险分层将患者分为低危（LR）和中高危（I/HR）组。LR组MTX给药方案为3 g/m²，I/HR组为5 g/m²。所有患者均采用负荷剂量策略进行24小时静脉输注：总剂量的10%在0.5小时内给药，剩余90%连续输注23.5小时。常规血浆浓度监测在输注开始后20–24小时、44–48小时和68–72小时进行，直至MTX浓度降至≤0.2 μmol/L。

通过电子病历系统收集患者人口统计学数据和实验室检测结果，包括年龄、性别、身高（HT）、体重（WT）、体表面积（BSA）、血清肌酐（Scr）、BUN、丙氨酸氨基转移酶（ALT）、天冬氨酸氨基转移酶（AST）、白蛋白（ALB）、总胆红素（TBIL）和碱性磷酸酶（ALP）。使用床旁Schwartz方程计算eGFR。

MTX血浆浓度采用酶倍增免疫测定技术（EMIT）测定，校准范围为0.3–2600 μmol/L，定量下限（LLOQ）为0.17 μmol/L，低于该阈值的值被排除分析。

PPK分析采用非线性混合效应模型方法，使用NONMEM软件（7.4版）和PsN（Perl-speaks-NONMEM，4.6.0版）。R软件（3.4.0版）用于可视化输出。采用带η-ε交互作用的一阶条件估计法（FOCE-I）计算药动学（PK）参数。选择具有一级吸收和消除的二室模型（ADVAN3 TRANS4）作为基础模型。指数模型用于描述个体间变异，比例模型用于表征残差变异。

协变量模型中考察的协变量分为连续变量和分类变量。连续变量包括年龄、WT、BSA、Scr、eGFR、AST、ALT和BUN。分类变量为性别和甲氨蝶呤化疗周期数（MTXNUM）。采用逐步法考察协变量对PK参数的影响。前向纳入过程中，检验水平α=0.05，若添加协变量后目标函数值（OFV）降低超过3.84，则将该协变量加入模型。后向消除过程中，检验水平设为更严格的α=0.001，若OFV变化超过10.83则保留该因素。

模型建立与验证

采用具有一级吸收和消除的二室模型充分描述了ALL儿科患者中MTX的PK特征。协变量分析确定eGFR对清除率（CL）的影响最显著。将eGFR纳入模型后，OFV大幅降低170.45，且拟合优度（GOF）图明显改善，凸显其在该模型开发中的关键作用。

年龄也被确定为影响CL的统计学显著协变量。使用1岁年龄分界点的群体PK模型对年龄与CL的关系进行建模，使OFV进一步降低55.825，表明年龄是影响MTX清除的重要协变量。

此外，WT、BUN和BSA分别对CL和表观分布容积（V）有显著影响，因此保留在最终模型中。尽管BUN和eGFR都是肾功能预测指标，但散点图和相关性分析（相关系数ρ=?0.1192，方差膨胀因子（VIF）=1.007457）显示它们之间无显著共线性，相关性较弱。

最终模型表示为：

如果年龄>1岁，CL（L/h）=4.46×(WT/19)^0.723×(eGFR/119.8)^0.302×(0.906)^BUN-4.3

如果年龄≤1岁，CL（L/h）=4.46×(WT/19)^0.723×(eGFR/119.8)^0.302×(0.906)^BUN-4.3×0.613

V_c（L）=15.9×(BSA/0.77)^1.55

Q（L/h）=4.07

V_p（L）=1.37

模型验证方面，GOF图表明模型充分描述了观测数据。观测浓度（DV）与群体预测浓度（PRED）以及DV与个体预测浓度（IPRED）均未显示明显结构偏差，数据点均匀分布在参考线y=x周围。条件权重残差（CWRES）在y=±2范围内对称分布，无显著趋势变化。Bootstrap分析得到的参数估计值与最终模型偏差小于16%，成功率为93.6%，表明模型稳定性强。

预测校正视觉预测检验（pc-VPC）图显示，观测数据的第5、50和95百分位数基本落在预测百分位数的95%置信区间（CI）内，证明模型充分描述了原始数据的特征。

外部验证结果显示，中位预测误差（MPE）和中位绝对预测误差（MAPE）分别为?3.99%和22.4%，而F₂₀%和F₃₀%分别达到46.36%和64.55%，表明模型预测误差在可接受范围内。外部验证的pc-VPC显示模拟数据与观测数据具有相似的分布特征，一致性水平高。

模型应用与模拟分析

通过蒙特卡洛模拟评估不同负荷剂量（0%、5%、10%、15%、20%）在0.5小时和1小时内输注对不同肾功能水平（eGFR：160、100和80 mL/min/1.73m²）患者稳态药物浓度的影响。模拟以5岁儿童为模型对象，基线特征为体重19 kg，BSA 0.77 m²。基于BSA确定剂量：IR组为3 g/m²，I/HR组为5 g/m²。

分析重点为负荷剂量方案对稳态浓度目标达成概率（PTA）和延迟排泄发生率的影响。根据当前治疗方案，LR患者目标稳态浓度为26–60 μmol/L，I/HR患者为52–100 μmol/L，并要求44小时血浆浓度保持在1 μmol/L以下。每次模拟为各治疗亚组生成1000个虚拟个体。

模拟结果表明，增加负荷剂量（5–20%）显著提高了LR和I/HR组稳态浓度的PTA，但改善程度因肾功能和输注持续时间而异。当eGFR为160 mL/min时，负荷剂量10%或更高可在0.5小时输注时使LR组PTA达到90%以上。然而在I/HR组中，当负荷剂量超过10%时PTA略有下降。在eGFR水平为100和80 mL/min时，负荷剂量从0%增加到20%导致LR组在0.5小时输注后稳态浓度PTA分别增加30.8%和31%。类似地，在I/HR组中，相同输注时间下稳态浓度PTA分别上升31%和35.6%。这些发现表明肾功能受损患者可能需要更高负荷剂量才能达到目标浓度。

相同负荷剂量下，0.5小时输注比1小时输注产生更高PTA，但可能增加延迟排泄风险，特别是在肾功能不全患者中。当eGFR为80 mL/min且负荷剂量从0%增加到20%时，LR组延迟排泄发生率分别降低4.4%（0.5小时输注）和5.3%（1小时输注）。在I/HR组中，即使使用20%负荷剂量，延迟排泄发生率仍高达99%，证实仅调整负荷剂量对该亚组无效。此类患者需要多维干预策略，除优化负荷剂量和输注时间外，还应基于肾功能个体化调整总剂量，加强水化和尿液碱化以加速药物排泄，同时采用治疗药物监测（TDM）密切跟踪44小时和68小时血浆浓度，并动态优化亚叶酸钙解救剂量，从而在最大化疗效的同时最小化毒性风险。

基于本研究结果，针对不同肾功能状态患者的HD-MTX负荷剂量和输注时间提出以下优化建议：对于eGFR≥160 mL/min的患者，建议在0.5小时内完成10–15%负荷剂量的输注，以提高稳态浓度达标率。对于100 mL/min≤eGFR<160 mL/min的LR和I/HR患者，以及80 mL/min≤eGFR<100 mL/min的LR患者，为平衡疗效和安全性并降低延迟清除风险，建议采用1小时输注方案，将负荷剂量控制在20%，并结合实时TDM指导后续给药。需要特别注意的是，对于80 mL/min≤eGFR<100 mL/min的I/HR患者，应首先根据其肾功能状态个体化调整总剂量，然后需要进一步研究优化负荷剂量和输注时间，以确保治疗的安全性和准确性。

讨论与创新点

近年来ALL治疗取得显著进展，MTX剂量优化和支持治疗的改善提高了疗效。本研究聚焦过去五年新诊断的ALL儿科患者，开发了MTX治疗ALL的PPK模型。模型拟合和验证表明WT、BSA、eGFR、BUN和AGE是影响MTX PK参数的关键因素。具体而言，体重增加与CL升高相关，而V与BSA呈正相关，这些发现与既往研究一致。与已发表文献相比，本研究模型估计的V与报告值一致，证实了模型在表征MTX分布方面的可靠性。

协变量分析表明eGFR是影响MTX CL的关键因素，与MTX主要经肾脏排泄的PK特征一致。本研究创新性地将BUN和eGFR同时纳入清除模型。其中BUN可间接反映MTX及其代谢物（如7-羟基甲氨蝶呤）的蓄积风险。BUN升高表明肾脏排泄负荷增加，可能伴随MTX晶体在肾小管内沉积，从而加剧肾损伤。研究发现BUN和48–72小时MTX血清浓度≥2 μmol/L具有协同效应，联合监测可提高对急性肾损伤的预测效能。此外，BUN在评估长期肾损伤（如慢性肾脏病进展）方面更具优势，因其与尿素转运蛋白（如UT-A1和UT-B1）表达变化相关，这些转运蛋白异常会影响MTX的肾小管重吸收和尿液浓缩功能。通过捕捉肾脏排泄功能的多维信息，BUN对eGFR形成了补充。引入BUN和eGFR后，OFV分别显著降低170和17.57，且GOF图显示预测值与观测值的一致性提高，表明eGFR和BUN可能从不同角度反映肾功能状态，它们的协同效应能够更全面准确地评估肾功能对药物清除的影响。

在已发表的MTX PPK模型中，年龄通常作为连续变量纳入。但婴幼儿与儿童在生长过程中肝肾功能存在显著差异，对药物代谢产生 distinct 影响。本研究创新性地在模型中引入1岁年龄作为分界点。1岁以下婴幼儿肝肾功能发育不完全，药物清除率较低，而1岁以上儿童逐渐接近成人水平器官功能，清除率显著提高。研究证实12个月以上婴幼儿MTX清除率呈显著上升趋势，其药物清除效率接近较大儿童。这种以1岁为界的分段函数比传统连续变量方法进一步改善了GOF图，进一步证实了年龄对MTX CL的影响。

本研究使用蒙特卡洛模拟主要分析负荷剂量和输注时间对HD-MTX疗效和安全性的影响，为临床个体化治疗提供重要证据。选择44小时1 μmol/L作为模拟阈值主要基于临床方案共识和循证指南。《中国大剂量甲氨蝶呤临床应用循证指南》明确指出C_48h≤1 μmol/L被普遍认为是正常清除的标准，该阈值下不良事件风险显著降低。临床数据也证实C_48h>1 μmol/L与多系统毒性发生率增加相关，其中浓度>5 μmol/L表明早期延迟排泄，>10 μmol/L直接与高毒性风险相关。选择44小时作为监测时间点既符合本机构常规监测方案，也接近公认的48小时标准，能够更早预测清除趋势以便及时干预调整。该阈值和时间点的选择为评估负荷剂量策略对药物暴露和治疗安全性的影响提供了临床相关基础。

研究发现负荷剂量的获益与患者肾功能状态密切相关。对于肾功能正常患者，增加负荷剂量可显著提高稳态浓度PTA。然而对于肾功能降低患者，较高负荷剂量在提高PTA的同时也增加药物蓄积风险。输注时间也表现出双重调节效应。虽然短期输注可改善稳态浓度PTA，但可能增加延迟排泄风险，特别是肾功能不良患者。延长输注时间是平衡疗效和安全性的关键。

研究局限与展望

本研究存在若干局限性。首先，作为回顾性研究，采样时间点可能存在一定偏差。其次，数据来自单中心，主要包含本机构治疗的汉族儿童，这种同质性可能限制研究结果对其他种族群体或不同临床中心患者群体的外部普适性。为解决此问题，未来需要纳入种族多样化人群的多中心研究来验证所提出模型的更广泛适用性。第三，本研究外部验证队列仅43例患者，规模相对较小，可能在一定程度上限制研究结果的普适性。由于本研究为回顾性设计且符合纳入条件的外部病例数量有限，未对外部验证队列样本量进行正式效能分析。后续研究应纳入更大规模、更多样化的外部验证人群，以进一步增强模型的稳健性和适用性。最后，本研究的一个显著局限是缺乏药物遗传学数据，导致无法将SLCO1B1、ABCC2和MTHFR等关键变异体纳入协变量分析。这些变异体是MTX转运和代谢途径的已知调节因子。鉴于它们在介导MTX药动学个体间变异方面的明确作用，进一步前瞻性研究应整合药物遗传学分析，以完善个体差异表征并提高个体化给药策略的精确性。

结论

本研究建立并验证了适用于本机构ALL儿科患者的MTX PPK模型。该模型创新性地纳入1岁年龄分界点和eGFR与BUN双肾功能标志物，同时将体重作为关键协变量评估其对MTX清除的影响。基于最终模型的模拟，我们为ALL儿童个体化MTX给药提供了理论依据，特别为肾功能不全儿童的剂量调整提供了重要指导。值得注意的是，本研究仍存在一定局限性，如回顾性设计和缺乏遗传学数据。后续研究应优先进行多中心验证和药物基因组学整合，以进一步优化模型并加强其临床实用性。

伦理批准

研究均基于1964年赫尔辛基宣言及其后续修正的伦理原则、国际人用药品注册技术协调会（ICH）良好临床实践指南以及适用法律和法规进行。研究方案经安徽省儿童医院伦理委员会批准（批准号：EYLL-2025-025）。所有数据在分析前均经过脱敏处理以确保患者保密性。

参与同意

获取患者记录的授权已获得安徽省儿童医院伦理委员会批准。由于这是使用匿名数据的回顾性研究，伦理委员会放弃了个体知情同意要求。

利益披露

作者报告本工作中无利益冲突。