药代动力学（Pharmacokinetics，PK）研究药物进入机体后的吸收（Absorption）、分布（Distribution）、代谢（Metabolism）和排泄（Excretion）过程，以及这些过程随时间变化的规律，简称 ADME。非临床药代动力学（又称临床前药代动力学）是指在开展人体试验之前，通过动物、细胞、组织及体外模型等开展药物体内过程及相关特征的研究。
临床前药代动力学研究的主要内容包括：
通过系统的非临床药代动力学研究，研究者可以在新药研发早期获得化合物的体内行为及暴露特征等信息，从而为先导化合物结构优化、剂型选择、给药剂量确定以及后续安全性评价方案的设计提供依据。
非临床药代动力学研究应优先选择遗传背景清楚、药物体内处置过程与人具有一定相似性的实验动物。幼年、高龄、妊娠期或疾病模型动物可用于研究不同年龄、生理或病理状态下的药代动力学特征；无特殊研究要求时，一般选择成年、健康动物。
对于仅限特定性别使用的药物，或性别差异可能影响药代动力学特征的药物，可选择相应性别的动物，或分别采用雌、雄两种性别的动物开展试验。对于经胃肠道给药的药物，一般应在给药前禁食约 12 h，并根据试验目的和动物种属统一给药后的禁食时间，以减少食物摄入及禁食时间差异对药代动力学数据造成的影响。经口给药研究一般不宜选用兔等食草动物。
非临床药代动力学研究常用的实验动物包括小鼠、大鼠、兔、豚鼠、犬、小型猪和猴。动物种属的选择应综合考虑药物的作用靶点、体内吸收与分布特征、代谢和排泄途径、种属差异以及研究目的和动物伦理等因素。
| 研究阶段 | 常用动物 | 主要用途 |
| 早期筛选 | 小鼠、大鼠 | 高通量药代筛选、体内外相关性初步评价 |
| 常规PK研究 | 大鼠、犬 | 单次及多次给药药代动力学研究 |
| 特殊模型 | 兔、豚鼠 | 局部给药、眼科及皮肤给药研究 |
| 非啮齿类 | 比格犬、小型猪、猴 | 毒代动力学、人体预测及种属外推 |
非临床药代动力学研究通常根据临床拟定的给药途径，按照一定剂量向实验动物给予受试物，并在不同时间点采集血液、尿液、胆汁、粪便、组织、乳汁、唾液、脑脊液、房水等生物样品，测定其中的药物浓度及其随时间的变化，从而评价受试物在动物体内的吸收、分布、代谢和排泄特征。
根据研究对象和实验条件的不同，非临床药代动力学相关研究可分为体内研究（in vivo）、体外研究（in vitro）和离体研究（ex vivo）三类。
通过静脉、口服等不同给药途径给予实验动物受试物，并在不同时间点采集血液等生物样品，绘制血药浓度-时间曲线，计算 AUC、Cmax、Tmax、t1/2 等关键药代动力学参数，从而评价药物在动物体内的暴露水平及药代动力学特征。
利用肝微粒体、肝细胞、S9 组分、Caco-2 细胞及 P-gp 等转运体模型，评价药物的代谢稳定性、膜渗透性、转运特征及代谢酶表型等，为预测药物在体内的吸收、代谢和转运行为提供依据。
利用离体组织、器官或生物样品开展相关研究，例如离体组织灌流、组织分布以及特定生物样品中的药物行为研究等，用于补充和验证体内及体外研究结果，为进一步评价药物的组织分布、局部暴露及药代动力学特征提供支持。
为了提高药代动力学筛选通量，可以对动物体内试验方案进行适当简化，减少需要分析的生物样品数量。目前，高通量药代筛选主要采用以下两种方案：盒式给药方案（cassette dosing）和样品混合方案（sample pooling）。
盒式给药方案由 Berman J 等于 1997 年提出。该方案将多个候选化合物混合后，同时给予同一组动物，并采用 LC-MS/MS 同时检测各化合物的血药浓度，从而提高药代动力学筛选效率。
将盒式给药方案应用于药代动力学筛选，可以减少需要分析的生物样品数量和实验动物用量，并能够在同一只动物中比较多个候选化合物的药代动力学特征，因此适用于早期候选化合物的快速筛选。
但盒式给药方案也存在一定的局限性:
样品混合方案常用的主要有以下两种方式：
将不同化合物分别给予不同动物，在给药后相同的时间点采集各动物的血样，并将不同化合物在相同时间点采集的血样分别等体积混合，通过同时检测混合样品中各化合物的血药浓度进行药代动力学筛选。
该方法的主要优点是：
但由于生物样品在分析前需要进行混合，因此对分析方法的灵敏度提出了更高的要求。此外，该方法所需的动物实验工作量通常高于盒式给药方案。
将不同化合物分别给予不同动物，在预设的相同时间点采集血样，并将同一只动物在不同时间点采集的血样按等体积混合，通过测定混合样品中的药物浓度进行药代动力学筛选。
该方法的主要优点是：
但由于该方法无法获得完整的药物浓度-时间曲线，因此不能准确计算 Tmax、Cmax 等重要药代动力学参数。因此，该方法更适用于早期药物发现阶段，可用于快速筛选具有较好口服暴露水平或潜在口服生物利用度的候选化合物。
由于几乎不存在与人体在吸收、分布、代谢和排泄（ADME）过程上完全相似的动物种属，因此，仅依据动物研究结果难以准确预测药物在人体内的全部药代动力学特征。但是，在明确适用条件和合理假设的基础上，可以对药物的人体药代动力学行为进行一定程度的预测。
例如，某些药物经胃肠道吸收的基本机制在不同哺乳动物种属间可能具有一定相似性，这是因为胃肠道上皮的基本生理特征较为相似，且药物吸收过程主要取决于药物与生物膜之间的相互作用。然而，pH 依赖性溶解度、胃肠道转运、首过效应等影响药物吸收和暴露的因素在不同种属间存在差异，因此仍可能导致明显的种属差异。
对于主要通过肾脏清除的药物，可以基于人体与动物肾小球滤过率的比例，对药物在人体内的肾清除进行一定程度的预测。同样，对于主要通过肝脏消除且清除率受肝血流量限制的药物，可根据肝血流量等生理参数对人体肝清除率进行预测。
相比之下，血浆蛋白结合率和药物代谢转化等参数的种属差异通常较为显著，因此其人体预测性相对较低。在结合非临床药效学和毒理学研究结果预测药物在人体内的有效性和安全性时，血药浓度、AUC 等体内暴露指标可作为连接药物暴露与药效、安全性的重要参数。
将动物药代动力学结果外推至人体，是临床前研究向临床转化的核心环节。常用方法包括：
异速增长模型（Allometric scaling）
基于不同动物种属的体重与清除率、分布容积等药代动力学参数之间的幂函数关系，对人体药代动力学参数进行预测。
体外-体内外推（in vitro–in vivo extrapolation，IVIVE）
利用肝微粒体、肝细胞等体外模型获得的内在清除率，并结合人体生理学参数，预测药物在人体内的肝清除率。
生理药代动力学模型（PBPK）
整合人体及动物的生理、生化和药物理化性质等参数，建立药物在体内吸收、分布、代谢和排泄过程的数学模型，用于模拟和预测药物在人体内的药代动力学行为。
动物药代动力学研究是创新药物研发的重要组成部分，其研究结果可为后续药效学、毒理学及临床研究提供重要依据。因此，研究设计、样品采集与测定以及数据处理等环节均应遵循科学、合理的研究原则。下面从实验动物的选择、给药剂量及给药方式的选择、样品采集、样品测定和结果处理等方面进行介绍。
正式的非临床药代动力学研究通常选择至少两种哺乳动物开展研究，其中一种为啮齿类动物（如大鼠），另一种为非啮齿类动物（如犬或猴）。所选动物应来源清晰、健康状况良好，且体重、年龄等符合试验要求。
动物种属选择时还应重点考虑以下因素：
药代动力学研究通常在有效剂量至安全剂量范围内至少设置 3 个剂量水平，其中高剂量可参考毒理学研究剂量或最大耐受剂量，中、低剂量则根据动物有效剂量范围合理设置，避免剂量过于集中。
多剂量水平的设置主要用于考察药物在所测试剂量范围内是否呈现线性药代动力学特征，以及剂量与体内暴露量之间的关系，从而为解释药效学和毒理学研究结果以及后续剂量设计提供依据。对于药物组织分布和排泄特征的研究，通常可根据研究目的选择一个具有代表性的有效剂量进行试验。
由于药物经不同途径给药后，其吸收、分布、代谢和排泄过程可能存在差异，为更准确地预测药物在人体内的药代动力学行为，动物药代动力学研究的给药途径和给药方式应尽可能与临床拟用方案保持一致。常见给药途径包括：
静脉给药（IV）
药物直接进入体循环，可用于获得系统暴露和清除等药代动力学参数；与其他非静脉给药途径进行比较时，可用于计算绝对生物利用度。
口服给药（PO）
用于评价药物经胃肠道给药后的吸收程度和吸收速度，并可结合静脉给药数据评价绝对生物利用度。
皮下、肌肉、腹腔、吸入、透皮及局部给药等
根据药物剂型、作用部位及临床治疗需求选择相应的给药途径，以评价不同给药途径下的药代动力学特征。
采样时间点及采样方案的设计对药代动力学研究结果具有重要影响。若采样时间点过少或设置不合理，可能无法准确反映药物在体内的浓度变化过程，从而导致对药代动力学特征的判断产生偏差。
给药前应采集血样作为空白样品。为获得较完整的血药浓度-时间曲线，采样时间点的设计应覆盖药物的吸收相、达峰阶段和消除相。
一般情况下，吸收相至少设置 2～3 个采样时间点；对于吸收速度较快的血管外给药药物，应尽量避免将第一个采样点设置在或接近峰浓度（Cmax）处。在 Cmax 附近应设置足够的采样点，以较准确地捕捉达峰过程；消除相通常设置 4～6 个采样时间点。整个采样时间应根据药物的半衰期及预期消除过程合理确定，通常持续至少 3～5 个半衰期，或持续至血药浓度降至 Cmax 的约 1/10～1/20。
为优化采样时间点，可在正式试验前选择少量动物开展预试验，根据预试验获得的药代动力学数据，对原定采样方案进行评估和必要的调整。
可参考血药浓度-时间曲线的变化趋势，根据研究目的选择具有代表性的时间点，覆盖吸收、达峰及消除等阶段，采集心、肝、脾、肺、肾、胃肠道、生殖腺、脑、体脂和骨骼肌等组织样本，测定其中的药物浓度。
组织采集时应注意取样部位、取样方法和样品处理的一致性，尽可能在每只动物的相同解剖部位取样，以减少组织不同部位间药物分布差异造成的偏差。对于肝脏等较大的脏器，可在预试验阶段进行多部位取样，以评价药物在不同部位的分布均一性，并确定正式试验的取样方案。
组织取样后，应及时进行处理，去除表面脂肪、黏膜等非目标组织，准确称重后，根据分析方法要求进行剪碎、匀浆等处理。
将动物放入代谢笼内，选定一个有效剂量给药后，按一定的时间间隔分段收集尿或粪的全部样品。粪样晾干后称重(不同动物粪便干湿不同)，按一定比例制成匀浆，记录总体积，取部分样品进行药物含量测定。
应采集给药前尿及粪样，并参考预试验的结果，设计给药后收集样品的时间点，包括药物从尿或粪中开始排泄、排泄高峰及排泄基本结束的全过程。
胆汁排泄研究通常采用胆管插管方法。以大鼠为例，在适当麻醉条件下进行胆管插管引流，待动物恢复至适宜状态后给予受试物，并按照预设的时间间隔分段收集胆汁，测定其中的药物及相关代谢物含量，以评价药物的胆汁排泄特征及肠肝循环情况。
| 样品类型 | 采样要点 | 研究目的 |
| 血浆/血清/全血 | 给药前及给药后多个预设时间点采集血样；根据检测和样品处理要求选择适当的抗凝剂，如肝素或 EDTA | 绘制血药浓度-时间曲线，计算药代动力学（PK）参数 |
| 组织 | 末次给药后不同时间点处死动物，取心、肝、脾、肺、肾、脑、肌肉、脂肪等肾、脑、肌肉、脂肪等组织样本 | 评价组织分布、靶器官暴露及组织蓄积特征 |
| 尿液/粪便 | 采用代谢笼收集，记录尿液体积和粪便重量，并按预设时间段分段采集 | 评价药物及代谢物的排泄率、排泄途径及物质平衡 |
| 胆汁 | 通过胆管插管收集，并按预设时间间隔分段采集 | 评价药物及代谢物的肝胆排泄及肠肝循环 |
| 脑脊液 | 根据研究目的采用适当的脑脊液采集方法 | 评价药物向中枢神经系统的渗透及暴露水平 |
药代动力学研究中常见的生物样品包括血液、尿液、胆汁、粪便、组织、乳汁、唾液、脑脊液和房水等。生物样品的分析方法主要包括色谱法、放射性核素标记法、免疫学方法和微生物学方法等。应根据受试物的理化性质、体内暴露水平及研究目的，选择具有良好选择性、特异性和足够灵敏度的分析方法。
色谱分析方法包括高效液相色谱法（HPLC）、气相色谱法（GC）以及色谱-质谱联用技术，如液相色谱-质谱（LC-MS）、液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS）、气相色谱-质谱（GC-MS）和气相色谱-串联质谱（GC-MS/MS）等。
对于需要同时测定生物样品中多种化合物的情况，LC-MS/MS 和 GC-MS/MS 等色谱-质谱联用方法通常具有较高的选择性、灵敏度和分析效率，适用于复杂生物基质中的多组分定量分析。
对于前药或存在具有药效学或毒理学活性的代谢物的药物，在建立生物分析方法时，应根据研究目的考虑同时测定原型药物及相关代谢物，以评价药物的体内转化和排泄情况，并为质量平衡及药物体内转归的分析提供依据。在这方面，放射性核素标记法与色谱-质谱联用技术具有一定优势。
采用放射性核素标记法测定血药浓度时，可与色谱分析方法结合使用，以提高对原型药物及其代谢物的识别和定量能力。对于某些难以采用上述方法进行检测的药物，也可根据研究目的选择免疫学或其他生物学测定方法，但应充分评价并证明其准确性、特异性和可靠性。
放射免疫法和酶联免疫法具有较高的灵敏度和一定的特异性，但原型药物、代谢物或内源性物质之间可能存在交叉反应，因此需要通过方法学验证等方式证明其选择性和特异性满足研究要求。
生物学测定方法（如微生物法）有时能够较好地反映药物的生物活性，但通常特异性相对较低。因此，在条件允许的情况下，应尽可能采用特异性较高的分析方法，如色谱法或色谱-质谱联用方法，并可通过平行检测对结果进行验证。
生物样品分析的关键在于分析方法的验证。方法学验证是药代动力学研究的重要基础，因为药代动力学参数均依赖于生物样品分析结果，只有采用经过充分验证且可靠的分析方法，才能获得准确、可靠的药代动力学数据。
分析方法验证通常包括选择性（或特异性）、准确度、精密度、灵敏度、稳定性等指标。完成方法学验证并建立标准曲线后，在正式样品分析过程中还应实施持续的质量控制，包括制备随行标准曲线和质控样品，并按照预定的质量控制要求对质控样品进行测定，以监测分析过程的稳定性和可靠性，确保获得准确、可信的生物分析数据。
动物药代动力学研究涉及的内容较多，产生的数据量较大。试验结束后，应对各项研究数据进行系统汇总、处理和分析，主要包括以下内容：
记录各受试动物在不同时间点的血药浓度，并分别绘制个体血药浓度-时间曲线；计算各剂量组动物在不同时间点血药浓度的均值和标准差，并绘制各剂量组的平均血药浓度-时间曲线。
对于多次给药研究，还应提供各受试动物及各剂量组在达到稳态后的谷浓度数据，以及达到稳态后末次给药的血药浓度-时间数据和曲线，以评价药物的稳态暴露及蓄积情况。
根据各受试动物的血药浓度-时间数据，采用适当的药代动力学分析方法和计算程序，获得受试物的主要药代动力学参数，如 Cmax（峰浓度）、Tmax（达峰时间）、t1/2（消除半衰期）、Vd（分布容积）、AUC（血药浓度-时间曲线下面积）和 CL（清除率）等。
其中，Cmax 和 Tmax 通常采用实测值；AUC 可根据数据特点采用梯形法等适当方法计算。对于药物在体内的平均滞留特征，还可计算统计矩参数，如 MRT（平均滞留时间）等。对于需要外推至无限时间的研究，可根据研究目的计算 AUC₀-∞，以进一步评价药物的总体暴露水平。
记录各组织或脏器在不同时间点的药物浓度数据，并根据研究目的选择具有代表性的时间点，覆盖药物分布和消除等主要阶段。可分别绘制不同剂量组及不同组织或脏器的药物浓度-时间曲线，并采用柱形图等形式汇总和比较各组织或脏器中的药物浓度，分析药物在不同组织和脏器中的分布特征及变化规律。
记录各时间段收集的尿液、粪便和胆汁等排泄物中的药物及相关代谢物浓度，以及相应样品的体积或重量，计算各时间段的药物排出量、累积排出量和总排出量，并计算经不同排泄途径排出的药物占总给药量的比例，以评价药物的主要排泄途径及排泄程度。
采用平衡透析法、超滤法等适当方法测定药物的血浆蛋白结合率，评价药物与血浆蛋白的结合程度。
汇总药物代谢产物鉴定、代谢途径分析、CYP450 酶表型及代谢稳定性等研究数据，分析药物在体内的主要代谢途径及相关代谢酶，并识别具有潜在药理学或毒理学活性的代谢物。
应对各项试验数据进行有效整合，并根据研究目的选择科学、合理的数据处理和统计分析方法。采用计算机程序进行数据处理和药代动力学分析时，应注明所使用程序的名称、版本及来源，并确认其适用性和可靠性。
在此基础上，应对所获得的数据进行系统、全面的分析与评价，综合阐述药物在动物体内的药代动力学特征，包括药物的吸收、分布和消除过程；经尿液、粪便和胆汁等途径的排泄情况；与血浆蛋白的结合程度；药物在体内的蓄积程度及主要蓄积组织或器官；以及药物在体内的生物转化、消除过程和物质平衡情况。
同时，应结合药物的药代动力学特征，分析其与制剂选择、药效及安全性之间的关系，为药物的综合评价、后续临床研究及给药方案设计提供有价值的信息。
非临床药代动力学研究贯穿药物发现、药理与毒理研究、药剂学研究以及临床试验等多个研发阶段，在新药研发与评价过程中发挥着重要作用。
在药物发现早期，药代动力学数据可用于指导先导化合物的优化。通过高通量 ADME 筛选，可快速识别并淘汰吸收较差、代谢过快或代谢稳定性较差的化合物，优先保留具有良好成药性（drug-likeness）的候选分子。
非临床药代动力学研究可为药效学和毒理学研究提供暴露量-效应关系（Exposure-Response）数据。通过比较不同剂量下的 AUC、Cmax 等药代动力学参数与药效或毒性指标之间的关系，可以评价药物暴露与药效、毒性之间的关联，为安全窗和治疗指数的评估以及临床剂量选择提供依据。
药代动力学参数是制剂处方筛选和剂型优化的重要依据。通过比较不同制剂的 Cmax、Tmax 和 AUC，可以评价制剂的释放特性和生物利用度，并为缓控释制剂、纳米制剂、固体分散体等制剂的开发提供依据。
非临床药代动力学研究是药剂学研究的重要依据和工具之一。在进行剂型选择时，也需要充分考虑药代动力学特征。例如，对于口服吸收较差或首过效应明显的药物，可能不适合开发为口服制剂。
通过药代动力学比较研究，如生物利用度或生物等效性研究，可以评价制剂处方和生产工艺的合理性。例如，可通过局部吸收研究考察皮肤给药制剂中促渗透剂用量的合理性；通过动物体内药代动力学比较研究，与常释制剂或已上市缓释制剂进行比较，可初步评价缓释制剂处方和工艺的可行性。
另一方面，剂型特征、制剂所使用的辅料以及制备工艺等因素也会影响药物的药代动力学行为。因此，可以通过药剂学手段调控药物的释放、吸收等过程，改善其药代动力学性质，使其更符合临床用药需求。
非临床药代动力学研究在新药研发与评价中发挥着重要的桥梁作用。药代动力学与药物化学、药剂学、药效学、毒理学及临床研究密切相关，通过整合不同研究阶段的数据，可以建立药物从体内暴露到药效和毒性反应之间的联系，从而形成完整的新药研发与评价体系。
（1） 与药效学研究的联系
在药效学研究中，非临床药代动力学研究可提供药物体内暴露量或浓度与药效之间的关系；解释不同种属间药效反应差异的药代动力学原因；评价药物体内分布与药效之间的关系；并为不同给药途径导致的药效差异提供药代动力学方面的解释。
（2）与毒理学研究的联系
在毒理学研究中，非临床药代动力学研究可提供药物体内暴露量与毒性反应之间的关系，这也是毒代动力学（toxicokinetics，TK）研究的重要内容。
此外，组织分布研究可以提示潜在的毒性靶器官。例如，如果发现药物在骨髓中存在明显蓄积，则应关注骨髓是否可能成为潜在毒性靶器官，并在后续毒理学研究中相应增加对造血功能和血液学指标的考察。
代谢物研究还可以为毒性作用机制的分析提供依据。例如，对乙酰氨基酚在过量情况下可产生肝毒性。其少量经 CYP450 酶代谢生成具有反应活性的 N-乙酰对苯醌亚胺（NAPQI），正常情况下 NAPQI 可与谷胱甘肽结合并被解毒；当药物过量时，谷胱甘肽储备耗竭，过量的 NAPQI 可与肝细胞内蛋白质等大分子发生共价结合，从而引发氧化应激和肝细胞损伤。因此，药物代谢研究有助于揭示潜在的毒性代谢途径及作用机制。
（3）与临床研究的桥接
非临床药代动力学研究获得的药代动力学参数，如半衰期、AUC、Cmax 等，以及药物的代谢信息，包括代谢途径、代谢产物和相关代谢酶等，可为临床给药方案的设计和优化提供重要依据。
通过综合分析非临床药代动力学、药效学和毒理学数据，可以预测药物在人体中的暴露水平及潜在的药效和安全性，为临床试验的起始剂量、给药间隔及剂量递增方案的设计提供支持。
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