覆蓋人體肺表面的上皮細(xì)胞間隙液（ELF）通常被認(rèn)為是抗生素治療細(xì)菌感染的目標(biāo)部位（Kiem和Schentag，2008年）。抗感染藥物通常通過口服或注射等系統(tǒng)途徑給藥，因此需要穿過人體肺上皮細(xì)胞才能到達(dá)ELF中的作用部位。抗感染藥物在ELF中的出現(xiàn)速率和程度取決于多種藥代動(dòng)力學(xué)因素，如它們的上皮細(xì)胞滲透性、是否存在主動(dòng)外排轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白以及它們?cè)谘獫{和ELF中的未結(jié)合部分（Kiem和Schentag，2008年；Rodvold等人，2011a年）。

對(duì)于某些抗感染藥物（如大環(huán)內(nèi)酯類、酮內(nèi)酯類和氟喹諾酮類），臨床研究表明其在大氣道中的濃度高于血漿中的濃度（Kiem和Schentag，2008年）。這些藥物被認(rèn)為是人類ATP結(jié)合盒（ABC）外排轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的底物，例如多藥耐藥蛋白1（MDR1，也稱為P-糖蛋白）和乳腺癌耐藥蛋白（BCRP）（Merino等人，2006年；Togami等人，2012年）。這些轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白能夠?qū)⒌孜飶募?xì)胞膜中排出，對(duì)腸道、大腦、肝臟和腎臟等組織中的局部藥物暴露有重要影響（Giacomini等人，2010年）。因此，有人提出，表達(dá)在肺上皮細(xì)胞頂端側(cè)的活性ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白可能導(dǎo)致這些藥物在ELF中的濃度高于血漿中的濃度。在嚙齒動(dòng)物中也觀察到了類似的現(xiàn)象，即大環(huán)內(nèi)酯類、酮內(nèi)酯類和氟喹諾酮類藥物在ELF中的濃度高于血漿中的濃度（Gontijo等人，2014年；Togami等人，2011年；Togami等人，2009年）。表1總結(jié)了這些抗生素在人和嚙齒動(dòng)物中ELF與血漿濃度的比值。除了活性外排機(jī)制的潛在貢獻(xiàn)外，最近一項(xiàng)關(guān)于新型氟喹諾酮類的臨床研究還發(fā)現(xiàn)，藥物與ELF成分的強(qiáng)結(jié)合也可能導(dǎo)致其在大氣道中的濃度隨時(shí)間增加（Ohya等人，2019年）。

除了與ELF成分的結(jié)合和與肺部外排轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的相互作用外，被動(dòng)滲透性也是影響抗感染藥物跨肺上皮細(xì)胞轉(zhuǎn)運(yùn)的重要因素。在藥物開發(fā)過程中，通常使用豬腎上皮細(xì)胞LLC-PK1或犬腎上皮細(xì)胞MDCK等細(xì)胞系來測(cè)量化學(xué)物質(zhì)的上皮細(xì)胞滲透性（Irvine等人，1999年；Sherer等人，2012年）。如果關(guān)注腸道滲透性，人類Caco-2細(xì)胞通常是常用的體外模型（Angelis和Turco，2011年）。分子在生物膜中的被動(dòng)擴(kuò)散被認(rèn)為可以在不同組織和物種間進(jìn)行類比（Di等人，2020年）。因此，體外測(cè)得的表觀滲透性（P_app）可以用來預(yù)測(cè)器官間的膜清除率（Korzekwa等人，2022年）。細(xì)胞膜中的磷脂組成差異可能會(huì)影響被動(dòng)跨細(xì)胞轉(zhuǎn)運(yùn)的程度，因?yàn)樗幬锟梢酝ㄟ^磷脂與細(xì)胞膜結(jié)合（Sugano等人，2010年；Treyer等人，2018年）。因此，我們旨在研究抗感染藥物在肺上皮細(xì)胞中的滲透性是否存在差異，因?yàn)樵谠缙谒幬镩_發(fā)過程中通常不使用特定于器官的模型來進(jìn)行滲透性篩選。在體外評(píng)估肺部分布時(shí)，人類氣管支氣管上皮細(xì)胞系Calu-3被廣泛用于研究肺部滲透性，該細(xì)胞系被認(rèn)為能形成緊密的細(xì)胞屏障（Haghi等人，2010年；Kreft等人，2015年；Mathia等人，2002年；Sibinovska等人，2020年）。然而，人類上呼吸道的表面積（氣管、支氣管和細(xì)支氣管）僅約為1至2平方米，遠(yuǎn)小于人類肺泡上皮的表面積（約140平方米）。因此，肺泡上皮為藥物分布過程提供了大約140倍的更大表面積，包括吸收或分泌方向的轉(zhuǎn)運(yùn)（Eixarch等人，2010年）。為了體外模擬人類肺泡上皮，研究人員建立了永生化hAELVi細(xì)胞系，該細(xì)胞系的表型與原代I型肺泡上皮細(xì)胞相似，包括形成緊密的屏障（Kuehn等人，2016年）。到目前為止，關(guān)于hAELVi細(xì)胞中的藥物分布過程（如滲透性）的研究還很有限。因此，比較這些肺泡細(xì)胞與常用于肺部滲透性測(cè)定的支氣管Calu-3細(xì)胞的滲透性數(shù)據(jù)，有助于揭示潛在的肺區(qū)域特異性差異。

在人類肺上皮細(xì)胞中，MDR1和BCRP都被發(fā)現(xiàn)表達(dá)在面向肺腔的膜頂端側(cè)，從而將其底物主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)到ELF中。然而，不同肺上皮細(xì)胞模型中的表達(dá)水平存在差異（Gumbleton等人，2011年；Nickel等人，2016年；Simon等人，2025a年）。Calu-3細(xì)胞在頂端側(cè)表現(xiàn)出功能性的MDR1，而關(guān)于BCRP的表達(dá)和功能外排作用的數(shù)據(jù)則存在矛盾，兩項(xiàng)最新研究表明Calu-3細(xì)胞中不存在BCRP蛋白和外排作用（Rotoli等人，2020年；Simon等人，2025b年）。與Calu-3細(xì)胞相反，hAELVi細(xì)胞中既不存在MDR1也不存在BCRP的外排作用（Simon等人，2025b年；Visigalli等人，2022年）。

本研究的目的是從機(jī)制上評(píng)估20種已上市抗感染藥物在系統(tǒng)給藥后進(jìn)入ELF的分布過程。首先，測(cè)量了這些藥物在人血漿和模擬ELF（sELF）中的未結(jié)合部分。然后，我們將抗感染藥物在支氣管Calu-3細(xì)胞和肺泡hAELVi細(xì)胞中的滲透性與腎LLC-PK1 WT細(xì)胞和腸Caco-2細(xì)胞（這些細(xì)胞常用于藥物開發(fā)中的滲透性分析）進(jìn)行了比較，以探索潛在的器官特異性差異。根據(jù)測(cè)得的滲透系數(shù)，計(jì)算了抗感染藥物的外排比率，以探討它們?cè)诜紊掀ぜ?xì)胞和Caco-2細(xì)胞中是否受到主動(dòng)外排作用的影響（已知這兩種細(xì)胞表達(dá)功能性MDR1和BCRP（Anderle等人，1998年；Xia等人，2005年））。由于少數(shù)化合物在Calu-3和Caco-2細(xì)胞中表現(xiàn)出外排作用，因此我們?cè)谌薓DR1和BCRP過表達(dá)細(xì)胞中進(jìn)行了雙向轉(zhuǎn)運(yùn)研究，以闡明單一ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的貢獻(xiàn)。由于嚙齒動(dòng)物是評(píng)估抗生素體內(nèi)分布的典型臨床前模型（Byrne等人，2020年），并且為了研究ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白是否會(huì)導(dǎo)致嚙齒動(dòng)物中ELF與血漿濃度的比值增加（>1，見表1），因此還在小鼠MDR1a和BCRp1過表達(dá)細(xì)胞中測(cè)試了這些藥物。

總體而言，本研究表明，抗感染藥物在肺上皮細(xì)胞中的滲透性低于LLC-PK1 WT細(xì)胞和Caco-2細(xì)胞，這反映了MDR1在肺區(qū)域中的特異性特征，并暗示了大環(huán)內(nèi)酯類和氟喹諾酮類與人類和嚙齒動(dòng)物ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白相互作用的潛在物種差異。

本研究使用的化合物包括20種來自不同抗感染類別的已上市藥物，這些藥物在理化性質(zhì)上具有多樣性，詳見表3。抗感染藥物的pKa值總結(jié)見補(bǔ)充材料（表S6）。

為了發(fā)揮其治療效果，抗感染藥物需要穿過人體肺上皮細(xì)胞到達(dá)ELF（Kiem和Schentag，2008年）。臨床研究表明，某些類別的抗感染藥物（如大環(huán)內(nèi)酯類和氟喹諾酮類）在ELF與血漿中的比值通常大于1，這表明在肺上皮細(xì)胞的頂端部位可能存在主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制，導(dǎo)致ELF中的藥物濃度高于血漿中的濃度。

這項(xiàng)體外研究探討了影響抗感染藥物在系統(tǒng)給藥后進(jìn)入ELF的速率和程度的藥代動(dòng)力學(xué)參數(shù)，包括與血漿和sELF的結(jié)合、滲透性以及主動(dòng)外排作用。觀察到抗感染藥物在血漿和sELF中的未結(jié)合部分存在輕微差異，這證實(shí)了先前的研究結(jié)果，并強(qiáng)調(diào)ELF中的未結(jié)合部分很可能低于100%。大多數(shù)抗感染藥物的滲透性較低。

西娜·西蒙（Sina Simon）：撰寫——審稿與編輯、初稿撰寫、可視化、方法學(xué)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、概念構(gòu)建。瑪麗-安妮·韋斯特伍德（Marie-Anne Westwood）：實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。塔努薩·尚穆加林加姆（Thanusa Shanmugalingam）：實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。卡琳娜·坎特里爾（Carina Cantrill）：撰寫——審稿與編輯、監(jiān)督、方法學(xué)設(shè)計(jì)、概念構(gòu)建。克勞斯-邁克爾·萊爾（Claus-Michael Lehr）：撰寫——審稿與編輯、監(jiān)督、方法學(xué)設(shè)計(jì)、概念構(gòu)建。

作者聲明以下可能構(gòu)成潛在利益沖突的財(cái)務(wù)利益和個(gè)人關(guān)系：S. Simon、C. Cantrill和T. Shanmugalingam受雇于瑞士的F. Hoffmann-La Roche有限公司。C. Cantrill和T. Shanmugalingam持有羅氏公司的股票。C-M. Lehr在完成本研究時(shí)是F. Hoffmann-La Roche有限公司的顧問。