Βιολογική ημιζωή

Βιολογική ημιζωή, ή βιολογικός χρόνος ημιζωής, ή ημιζωή αποβολής, ή φαρμακολογική ημιζωή) (Biological half-life ή elimination half-life ή pharmacological half-life) είναι ο χρόνος που απαιτείται για να μειωθεί η συγκέντρωση μιας βιολογικής ουσίας (όπως ένα φάρμακο) από τη μέγιστη συγκέντρωση Cmax) στο μισό της Cmax στο πλάσμα του αίματος. Συμβολίζεται με τη συντομογραφία .

Αυτό χρησιμοποιείται για τη μέτρηση της απομάκρυνσης ουσιών όπως μεταβολίτες, φάρμακα και μόρια σηματοδότησης από το σώμα. Συνήθως, ο βιολογικός χρόνος ημιζωής αναφέρεται στην φυσική αποτοξίνωση (καθαρισμό) του σώματος μέσω μεταβολισμού του ήπατος και μέσω της απέκκρισης της μετρούμενης ουσίας μέσω των νεφρών και των εντέρων. Αυτή η έννοια χρησιμοποιείται όταν ο ρυθμός απομάκρυνσης είναι περίπου εκθετικός.

Σε ιατρικό πλαίσιο, ο χρόνος ημιζωής περιγράφει ρητά τον χρόνο που χρειάζεται η συγκέντρωση μιας ουσίας στο πλάσμα του αίματος για να υποδιπλασιαστεί (ημιζωή πλάσματος) τη σταθερή της κατάσταση όταν κυκλοφορεί στο πλήρες αίμα ενός οργανισμού. Αυτή η μέτρηση είναι χρήσιμη στην ιατρική, τη φαρμακολογία και τη φαρμακοκινητική, επειδή βοηθά στον προσδιορισμό της ποσότητας ενός φαρμάκου που πρέπει να λαμβάνεται και της συχνότητας λήψης του, εάν χρειάζεται συνεχώς μια συγκεκριμένη μέση ποσότητα. Αντίθετα, η σταθερότητα μιας ουσίας στο πλάσμα περιγράφεται ως σταθερότητα πλάσματος. Αυτό είναι απαραίτητο για να διασφαλιστεί η ακριβής ανάλυση των φαρμάκων στο πλάσμα και για την ανακάλυψη φαρμάκων.

Η σχέση μεταξύ του βιολογικού χρόνου ημιζωής και του χρόνου ημιζωής στο πλάσμα μιας ουσίας μπορεί να είναι πολύπλοκη ανάλογα με την εν λόγω ουσία, λόγω παραγόντων όπως η συσσώρευση στους ιστούς, η δέσμευση με πρωτεΐνες, οι ενεργοί μεταβολίτες και οι αλληλεπιδράσεις των υποδοχέων.

Παραδείγματα

Νερό
Ο βιολογικός χρόνος ημιζωής του νερού σε έναν άνθρωπο είναι περίπου 7 έως 14 ημέρες. Μπορεί να μεταβληθεί από τη συμπεριφορά. Η κατανάλωση μεγάλων ποσοτήτων οινοπνεύματος θα μειώσει τον βιολογικό χρόνο ημιζωής του νερού στο σώμα. Αυτό έχει χρησιμοποιηθεί για την απολύμανση ασθενών που έχουν μολυνθεί εσωτερικά με τριτιωμένο νερό. Η βάση αυτής της μεθόδου απολύμανσης είναι η αύξηση του ρυθμού με τον οποίο το νερό στο σώμα αντικαθίσταται με νέο νερό.

 Οινόπνευμα 
Η απομάκρυνση της αιθανόλης  μέσω οξείδωσης από την αλκοολική αφυδρογονάση στο ήπαρ από το ανθρώπινο σώμα είναι περιορισμένη. Ως εκ τούτου, η απομάκρυνση μιας μεγάλης συγκέντρωσης οινοπνεύματος από το αίμα μπορεί να ακολουθεί κινητική μηδενικής τάξης. Επίσης, τα βήματα περιορισμού του ρυθμού για μια ουσία μπορεί να είναι κοινά με άλλες ουσίες. Για παράδειγμα, η συγκέντρωση οινοπνεύματος στο αίμα μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την τροποποίηση της βιοχημείας της μεθανόλης και της αιθυλενογλυκόλης. Με αυτόν τον τρόπο, η οξείδωση της μεθανόλης σε τοξική φορμαλδεΰδη και μυρμηκικό οξύ στο ανθρώπινο σώμα μπορεί να προληφθεί χορηγώντας μια κατάλληλη ποσότητα αιθανόλης σε ένα άτομο που έχει καταπιεί μεθανόλη. Η μεθανόλη είναι πολύ τοξική και προκαλεί τύφλωση και θάνατο. Ένα άτομο που έχει καταπιεί αιθυλενογλυκόλη μπορεί να αντιμετωπιστεί με τον ίδιο τρόπο. Ο χρόνος ημιζωής είναι επίσης σχετικός με τον υποκειμενικό μεταβολικό ρυθμό του εν λόγω ατόμου.

 Κοινά συνταγογραφούμενα φάρμακα 

ΟυσίαΒιολογική ημιζωήΑδενοσίνηΛιγότερο από 10 δευτερόλεπτα (εκτίμηση)Νορεπινεφρίνη2 λεπτά Οξαλιπλατίνη14 λεπτά Ζαλεπλόνη1 ώραZaleplon . Accessed 15 April 2021.Μορφίνη1,5–4,5 ώρεςMorphine . Accessed 15 April 2021.Φλουραζεπάμη2,3 ώρεςFlurazepam . Accessed 15 April 2021.
Ενεργός μεταβολίτης (Ν-δεσαλκυλφλουραζεπάμη): 47–100 ώρεςΜεθοτρεξάτη3–10 ώρες (χαμηλότερες δόσεις),
8–15 ώρες (μεγαλύτερες δόσεις)Μεθαδόνη15–72 ώρες
σε σπάνιες περιπτώσεις έως 8 ημέρεςΔιαζεπάμη20–50 ώρεςDiazepam . Accessed 15 April 2021.
Ενεργός μεταβολίτης (νορδαζεπάμη): 30–200 ώρεςΦαινυτοΐνη20–60 ώρεςΒουπρενοφίνη28–35 ώρεςBuprenorphine . Accessed 15 April 2021.Κλοναζεπάμη30–40 ώρεςΔονεπεζίλη3 ημέρες (70 ώρες)Φλουοξετίνη4–6 ημέρες (κάτω από συνεχή χορήγηση)Fluoxetine . Accessed 15 April 2021.
Ενεργός λιπόφιλος μεταβολίτης (νορφλουοξετίνη): 4–16 ημέρες Αμιωδαρόνη14–107 ημέρεςΒανδετανίμπη19 ημέρεςΝτουταστερίδη21–35 ημέρες (υπό συνεχή χορήγηση)Μπεντακιλίνη165 ημέρες

 Μέταλλα 
Ο βιολογικός χρόνος ημιζωής του καισίου στους ανθρώπους είναι μεταξύ ενός και τεσσάρων μηνών. Αυτός ο χρόνος μπορεί να μειωθεί χορηγώντας στο άτομο πρωσικό μπλε. Το πρωσικό μπλε στο πεπτικό σύστημα λειτουργεί ως στερεός εναλλάκτης ιόντων που απορροφά το καίσιο ενώ απελευθερώνει ιόντα καλίου.

Για ορισμένες ουσίες, είναι σημαντικό να θεωρούμε το ανθρώπινο ή ζωικό σώμα ως αποτελούμενο από πολλά μέρη, καθένα με τη δική του συγγένεια για την ουσία και κάθε μέρος με διαφορετικό βιολογικό χρόνο ημιζωής (φυσιολογικά βασισμένη φαρμακοκινητική μοντελοποίηση). Οι προσπάθειες απομάκρυνσης μιας ουσίας από ολόκληρο τον οργανισμό μπορεί να έχουν ως αποτέλεσμα την αύξηση του φορτίου που υπάρχει σε ένα μέρος του οργανισμού. Για παράδειγμα, εάν σε ένα άτομο που έχει μολυνθεί με μόλυβδο χορηγηθεί EDTA σε μια θεραπεία χήλωσης, τότε ενώ ο ρυθμός με τον οποίο ο μόλυβδος χάνεται από το σώμα θα αυξηθεί, ο μόλυβδος μέσα στο σώμα τείνει να μετατοπίζεται στον εγκέφαλο όπου μπορεί να προκαλέσει τη μεγαλύτερη βλάβη.
Το πολώνιο στον οργανισμό έχει βιολογικό χρόνο ημιζωής περίπου 30 έως 50 ημέρες.
Το καίσιο στο σώμα έχει βιολογικό χρόνο ημιζωής περίπου ένα έως τέσσερις μήνες.
Ο υδράργυρος (ως μεθυλυδράργυρος) στο σώμα έχει χρόνο ημιζωής περίπου 65 ημέρες.
Ο μόλυβδος στο αίμα έχει χρόνο ημιζωής 28–36 ημέρες. Griffin et al. 1975 as cited in ATSDR 2005Rabinowitz et al. 1976 as cited in ATSDR 2005
Ο μόλυβδος στα οστά έχει βιολογικό χρόνο ημιζωής περίπου δέκα έτη.
Το κάδμιο στα οστά έχει βιολογικό χρόνο ημιζωής περίπου 30 έτη.
Το πλουτώνιο στα οστά έχει βιολογικό χρόνο ημιζωής περίπου 100 έτη.
Το πλουτώνιο στο ήπαρ έχει βιολογικό χρόνο ημιζωής περίπου 40 έτη.

 Περιφερικός χρόνος ημιζωής 
Ορισμένες ουσίες μπορεί να έχουν διαφορετικούς χρόνους ημιζωής σε διαφορετικά μέρη του σώματος. Για παράδειγμα, η ωκυτοκίνη έχει χρόνο ημιζωής συνήθως περίπου τρία λεπτά στο αίμα όταν χορηγείται ενδοφλεβίως. Τα περιφερικά χορηγούμενα (π.χ. ενδοφλέβια) πεπτίδια όπως η ωκυτοκίνη διαπερνούν τον αιματοεγκεφαλικό φραγμό πολύ δύσκολα, αν και πολύ μικρές ποσότητες (< 1%) φαίνεται να εισέρχονται στο κεντρικό νευρικό σύστημα στους ανθρώπους όταν χορηγούνται μέσω αυτής της οδού. Σε αντίθεση με την περιφερική χορήγηση, όταν χορηγείται ενδορρινικά μέσω ρινικού ψεκασμού, η ωκυτοκίνη διαπερνά αξιόπιστα τον αιματοεγκεφαλικό φραγμό και εμφανίζει ψυχοδραστικές επιδράσεις στους ανθρώπους. Επιπλέον, σε αντίθεση με την περίπτωση της περιφερικής χορήγησης, η ενδορρινική ωκυτοκίνη έχει κεντρική διάρκεια δράσης τουλάχιστον 2,25 ωρών και έως 4 ώρες. Σε πιθανή σχέση με αυτό το γεγονός, οι ενδογενείς συγκεντρώσεις ωκυτοκίνης στον εγκέφαλο έχουν βρεθεί ότι είναι έως και 1000 φορές υψηλότερες από τα περιφερειακά επίπεδα.

 Εξισώσεις ρυθμού 
Απομάκρυνση πρώτης τάξης
+ Χρονολόγιο μιας εκθετικής διαδικασίας αποσύνθεσης  Χρόνος (t)  Ποσοστό της αρχικής τιμής  Ποσοστό ολοκλήρωσης t  50%  50% t × 2  25%  75% t × 3  12,5%  87,5% t × 3,322  10,00%  90,00% t × 4  6,25%  93,75% t × 4,322  5,00%  95,00% t × 5  3,125%  96,875% t × 6  1,5625%  98,4375% t × 7  0,78125%  99,21875% t × 10  ~0,09766%  ~99,90234%

Οι χρόνοι υποδιπλασιασμού ισχύουν για διεργασίες όπου ο ρυθμός αποβολής είναι εκθετικός. Εάν  είναι η συγκέντρωση μιας ουσίας τη χρονική στιγμή , η χρονική της εξάρτηση δίνεται από

όπου k είναι η σταθερά ταχύτητας αντίδρασης. Ένας τέτοιος ρυθμός αποσύνθεσης προκύπτει από μια αντίδραση πρώτης τάξης όπου ο ρυθμός αποβολής είναι ανάλογος με την ποσότητα της ουσίας:

Ο χρόνος ημιζωής για αυτή τη διαδικασία είναι 

Εναλλακτικά, ο χρόνος ημιζωής δίνεται από

όπου λz είναι η κλίση της τελικής φάσης της καμπύλης χρόνου-συγκέντρωσης για την ουσία σε ημιλογαριθμική κλίμακα.

Ο χρόνος ημιζωής καθορίζεται από την κάθαρση (CL) και τον όγκο κατανομής (VD) και η σχέση περιγράφεται από την ακόλουθη εξίσωση:

Στην κλινική πράξη, αυτό σημαίνει ότι χρειάζεται 4 έως 5 φορές ο χρόνος ημιζωής για να φτάσει η συγκέντρωση ενός φαρμάκου στον ορό σε σταθερή κατάσταση μετά την έναρξη, τη διακοπή ή την αλλαγή της κανονικής δοσολογίας. Έτσι, για παράδειγμα, η διγοξίνη έχει χρόνο ημιζωής (ή t) 24-36 ώρες. Αυτό σημαίνει ότι μια αλλαγή στη δόση θα χρειαστεί το μεγαλύτερο μέρος μιας εβδομάδας για να επιδράσει πλήρως. Για το λόγο αυτό, τα φάρμακα με μεγάλο χρόνο ημιζωής αποβολής (π.χ., αμιωδαρόνη, t περίπου 58 ημερών) ξεκινούν συνήθως με δόση φόρτωσης για να επιτύχουν το επιθυμητό κλινικό τους αποτέλεσμα πιο γρήγορα.

 Διφασικός χρόνος ημιζωής 
Πολλά φάρμακα ακολουθούν μια διφασική καμπύλη αποβολής — πρώτα μια απότομη κλίση και στη συνέχεια μια μικρή κλίση:
ΑΠΟΤΟΜΗ (αρχικό) μέρος της καμπύλης —> αρχική κατανομή του φαρμάκου στο σώμα.
ΡΗΧΟ μέρος της καμπύλης —> τελική απέκκριση του φαρμάκου, η οποία εξαρτάται από την απελευθέρωση του φαρμάκου από τα διαμερίσματα των ιστών στο αίμα.

Ο μεγαλύτερος χρόνος ημιζωής ονομάζεται τελικός χρόνος ημιζωής (terminal half-life) και ο χρόνος ημιζωής του μεγαλύτερου συστατικού ονομάζεται επικρατών χρόνος ημιζωής (dominant half-life). 

Παραπομπές

Κατηγορία:Φαρμακοκινητική
Κατηγορία:Μαθηματικά στην ιατρική