Ein-, Zwei- und Mehrkompartimentmodelle

Kompartimentmodelle stellen den Körper als ein oder mehrere gut durchmischte kinetische Kompartimente dar, durch die sich ein Medikament mittels Reaktionen erster Ordnung bewegt. Die Anzahl der benötigten Kompartimente spiegelt das Verhalten der Konzentrations-Zeit-Daten wider: Ein einzelner exponentieller Abfall deutet auf ein Kompartiment hin, während eine Kurve mit ausgeprägten Verteilungs- und Eliminationsphasen zwei oder mehr erfordert.

Definition

Ein Kompartimentmodell ist eine mathematische Darstellung der Arzneimitteldisposition, bei der der Körper in ein oder mehrere kinetische Kompartimente unterteilt wird, von denen jedes als kinetisch homogen behandelt wird und die durch Transfer- und Eliminationsratenkonstanten erster Ordnung verbunden sind, die zusammen den zeitlichen Verlauf der Arzneimittelkonzentration beschreiben.

Scope

Dieses Thema behandelt die Struktur und Interpretation von Ein-, Zwei- und Mehrkompartimentmodellen, was die Kompartimente und Geschwindigkeitskonstanten darstellen, wie die Anzahl der Kompartimente gewählt wird und wie diese Modelle mit den von ihnen gelieferten Parametern zusammenhängen. Es handelt sich um einen methodischen und pädagogischen Eintrag; er bietet keine Dosierungs- oder Behandlungsanleitung.

Core questions

• Was stellt ein kinetisches Kompartiment dar und wann wird mehr als eines benötigt?
• Wie unterscheiden sich Ein-, Zwei- und Mehrkompartimentmodelle in ihren Konzentrations-Zeit-Profilen?
• Wie wird die geeignete Anzahl von Kompartimenten aus Daten ausgewählt?
• Welche Beziehung besteht zwischen einem Kompartimentmodell und Parametern wie Clearance und Volumen?

Key concepts

• Kinetisches Kompartiment (als homogen angenommen)
• Transferratenkonstanten erster Ordnung
• Einkompartimentmodell (monoexponentieller Abfall)
• Zweikompartimentmodell (Verteilungs- und Eliminationsphasen)
• Mehrkompartiment- und polyexponentielle Modelle
• Zentrale und periphere Kompartimente
• Modellauswahl und Sparsamkeit

Key theories

Offene Kompartimentmodellierung

Die Arzneimitteldisposition wird durch lineare Systeme von Differentialgleichungen erster Ordnung zwischen einer kleinen Anzahl von Kompartimenten mit Elimination aus dem System (ein offenes Modell) beschrieben, was zu polyexponentiellen Konzentrations-Zeit-Kurven führt, deren Parameter durch Anpassung geschätzt werden.

Mechanisms

In einem Kompartimentmodell wird jedes Kompartiment als ein Volumen behandelt, in dem das Medikament sofort und gleichmäßig gemischt wird; das Medikament bewegt sich zwischen den Kompartimenten und verlässt das System durch Prozesse erster Ordnung, die durch Geschwindigkeitskonstanten gekennzeichnet sind. Im Einkompartimentmodell verhält sich der gesamte Körper wie ein einziger Raum, sodass die Konzentration nach einer intravenösen Dosis als einzelne Exponentialfunktion abnimmt. Viele Medikamente verteilen sich stattdessen langsamer in periphere Gewebe, wodurch eine frühe schnelle (Verteilungs-)Phase gefolgt von einer langsameren (Eliminations-)Phase entsteht; dieses zweiphasige Verhalten wird durch ein Zweikompartimentmodell mit einem zentralen Kompartiment (Blut und schnell äquilibrierende Gewebe) und einem peripheren Kompartiment erfasst. Medikamente mit komplexerer Verteilung können drei oder mehr Kompartimente erfordern, was zu polyexponentiellen Konzentrations-Zeit-Kurven führt. Die Anzahl der Kompartimente wird durch Untersuchung der Form der Daten und der statistischen Angemessenheit der Anpassung gewählt, wobei das einfachste Modell bevorzugt wird, das mit den Beobachtungen übereinstimmt. Die angepassten Geschwindigkeitskonstanten und Koeffizienten werden dann in interpretierbare Parameter wie Clearance, Verteilungsvolumina und Halbwertszeiten übersetzt.

Clinical relevance

Kompartimentmodelle sind der Rahmen, durch den Rohdaten der Konzentrations-Zeit-Kurven in Parameter umgewandelt werden, die zur Beschreibung und zum Vergleich der Arzneimitteldisposition verwendet werden, und die Erkennung, ob ein Medikament eine ein- oder mehrphasige Kinetik aufweist, ist Teil der Interpretation pharmakokinetischer Studien. Der Eintrag stellt den Modellierungsrahmen zu Referenz- und Bildungszwecken dar und ist keine Grundlage für Dosierungs- oder individuelle Behandlungsentscheidungen.

Evidence & guidelines

Die Kompartimentmodellierung ist eine etablierte Methodik, die historisch von Wagner verfolgt, in seinen modellbasierten Arbeiten entwickelt, in Standardwerken (Gibaldi und Perrier; Rowland und Tozer) kodifiziert und in Übersichtsartikeln wie denen von Derendorf und Meibohm erweitert wurde, um die Kinetik mit dem Effekt zu verknüpfen. Dies sind Referenz- und Bildungsquellen und keine klinischen Praxisleitlinien.

History

Die Kompartimentanalyse gelangte aus der Tracerkinetik und Systemtheorie in die Pharmakokinetik und wurde Mitte des 20. Jahrhunderts zur Standardmethode zur Beschreibung der Arzneimitteldisposition entwickelt. Wagners Geschichte des Fachgebiets dokumentiert diese Entwicklung, und seine sowie andere methodische Arbeiten etablierten die offenen Ein-, Zwei- und Mehrkompartimentmodelle, die das grundlegende Vokabular der pharmakokinetischen Modellierung bilden und später durch physiologisch basierte und populationsbasierte Ansätze ergänzt wurden.

Debates

Wie viele Kompartimente sollte ein Modell haben?

Das Hinzufügen von Kompartimenten verbessert die Anpassung, birgt jedoch das Risiko einer Überparametrisierung und eines Verlusts der Interpretierbarkeit; die Wahl gleicht die Güte der Anpassung mit der Sparsamkeit ab, und dieselben Daten können manchmal durch unterschiedliche Strukturen adäquat beschrieben werden.

Key figures

• John G. Wagner
• Milo Gibaldi
• Donald Perrier
• Malcolm Rowland
• Hartmut Derendorf

Seminal works

• wagner-1981
• wagner-1969-twocomp
• gibaldi-perrier-1982

Frequently asked questions

Was bedeutet es, dass ein Medikament einem Zweikompartimentmodell entspricht?

Es bedeutet, dass die Konzentrations-Zeit-Kurve zwei unterschiedliche Phasen zeigt – einen frühen schnellen Abfall, der die Verteilung in die Gewebe widerspiegelt, und einen späteren langsameren Abfall, der die Elimination widerspiegelt –, die ein Modell mit einem zentralen und einem peripheren Kompartiment beschreiben kann.

Sind Kompartimente reale anatomische Räume?

Nein; Kompartimente sind kinetische Abstraktionen, die gewählt werden, um das beobachtete Konzentrations-Zeit-Verhalten zu reproduzieren. Sie können lose Gruppen von Geweben mit ähnlicher Verteilungskinetik entsprechen, sind aber keine wörtlichen Organe oder anatomischen Volumina.