Планирование исследований и анализ зависимостей "доза-эффект" токсичных и лекарственных веществ тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 14.03.04, доктор медицинских наук Попова, Елена Борисовна

Оглавление диссертации доктор медицинских наук Попова, Елена Борисовна

Список сокращений, принятых в диссертации.

Глава 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.

1.1. Основные определения, понятия и термины проблемы «доза-эффект».

1.2. Исторические, математические и медико-биологические аспекты оценки зависимости «доза-эффект».

1.2.2. Экономный метод определения средне-эффективной дозы и угла наклона прямой «доза-эффект».

1.2.3. Метод определения средне-эффективной дозы при помощи» арксинусного преобразования Фишера.

1.2.4. Экспресс-методы определения средне-эффективной дозы и ее ошибки.

1.3. Способы оценки совместного действия нескольких агентов на биологические объекты.

1.4. Применение оценок «доза-эффект» в клинических исследованиях.

Глава 2. ОБЪЕМ, МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ И КЛИНИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ.

2.1. Объем и характеристика проведенных исследований.

2.2. Планирование исследований и статистическая обработка результатов.

Глава 3. ПЛАНИРОВАНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ И ПОСТРОЕНИЕ ЗАВИСИМОСТИ «ДОЗА-ЭФФЕКТ». ПРИ ПОМОЩИ ЯДЕРНОЙ ОЦЕНКИ1 РЕГРЕССИИ.

3.1. Исходные данные и планирование исследований для оценки зависимости «доза-эффект».

3.2. Математический алгоритм*построения зависимости «доза-эффект» при помощи ядерной оценки регрессии.

3.3. Исследование влияния ошибок введенных доз на вид зависимости «дозаэффект» и результаты оценок конечных показателей.

3.4. Обоснование алгоритма определения средне-эффективной дозы (ЕД5о) при минимально возможном числе испытаний.

3.5. Сравнения эффективных доз, эффектов и зависимостей «дозаэффект».

Глава 4. ПЛАНИРОВАНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ И АНАЛИЗ ЗАВИСИМОСТЕЙ «ДОЗА-ЭФФЕКТ» ПРИ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ ДВУХ И БОЛЕЕ ВЕЩЕСТВ ПРИ ПОМОЩИ ЯДЕРНОЙ ОЦЕНКИ РЕГРЕССИИ.

4.1. Обоснование алгоритма применения ядерной оценки регрессии для построения зависимости «доза-эффект» двух и более веществ.

4.2. Построение и анализ общей функции изоэффективности ацетилхолина и атропина по эффекту хромодакриореи у белых крыс на основе ядерной оценки регрессии.

Глава 5. ЗАВИСИМОСТЬ «ДОЗА-ЭФФЕКТ» В КЛИНИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЯХ ЛЕКАРСТВЕННЬЕ& СРЕДСТВ.

5.1. Теоретические обоснования оценки зависимости «доза-эффект» в клинических испытаниях лекарственных средств.

5.2. Планирование исследований и?анализ зависимостей «доза-эффект» энтеросорбентов у лиц с хронической алкогольною интоксикацией.

5.3. Планирование4 исследований и> анализ, зависимостей «доза-эффект» ал-локсима в комплексном лечении* отравлений фосфорорганическими инсектицидами.

5.4. Оценка клинической эффективности совместного применения метопро-лола и триметазидина в комплексной антиангинальной терапии больных стабильной стенокардией.

Рекомендованный список диссертаций по специальности «Токсикология», 14.03.04 шифр ВАК

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Планирование исследований и анализ зависимостей "доза-эффект" токсичных и лекарственных веществ»

Проблема исследования степени проявления регистрируемого эффекта при воздействии заданной дозы токсичного вещества, лекарственного препарата, проникающей радиации или любого иного агента (фактора), определяемая как зависимость «доза-эффект» (или функция эффективности), является основополагающей в токсикологии, фармакологии, радиобиологии, биохимии, микробиологии и в других областях медицины и биологии. Она уже в течение многих десятилетий удостоена пристального внимания, как в плане теоретического понимания ее сущности, так и поисков практических способов адекватного решения путем разработки приемлемых методов построения зависимости «доза-эффект» по результатам выполненных исследований на основе имеющихся реальных возможностей математической статистики и компьютерной техники (Правдин Н.С., 1934; Лазарев Н.В., 1938; Карасик В.М., 1944; Сперанский C.B., 1986; Авалиани C.JI. и соавт., 1987; Прозоровский В.Б., Фрумин Г.Т., 1991, 1993; Куценко С.А., 2004; Штабский Б.М., 2004; Мухина М.Б., 2007; Бабенко О.В. и соавт, 2007; Зобов В.В. и соват., 2008; Albert А., 1958; Schatz A. et al., 1964 а, б; Watanabe P.G. et al., 1977; О'Flaherty E.J., 1986; Iwai T. et al., 1997; Calabrese E.J., Baldwin L.A., 2000, 2002; Schoemaker Rik. C. et al., 1998; Lupinacci Paul J., Raghavaro Damaraju, 2000; Hauschke Deiter, Kieser Meinhard, 2001; Bretz Frank, Hothorn Ludwig A., 2003; Oughton Deborah, 2006; Hoffmann S., Härtung T, 2006).

В современных проектах токсикологических исследований и разработки новых лекарственных средств установление зависимости между дозой и эффектом имеет определяющее значение. Основу решения этой проблемы составляет способ планирования исследований, построения и анализа зависимости «доза-эффект» (функции эффективности), поскольку именно зависимость «доза-эффект» содержит информацию о проявлениях индивидуальной чувствительности к исследуемому агенту, и служит отражением общих механизмов его токсического и фармакологического взаимодействия с живым организмом или его отдельными субстанциями.

По функции эффективности вычисляется средне-эффективная доза (ЕД50). Особое значение этот показатель приобрел по причине его использования для решения экспертных вопросов преимущественно в области токсикологии, экспериментальной фармакологии и радиобиологии. Именно поэтому средне-эффективная доза как статистическая величина должна в полной мере отвечать максимально жестким метрологическим критериям корректности, надежности, адекватности и состоятельности с сохранением допустимости ее определения при минимально возможном объеме экспериментальных исследований, особенно в плане использования лабораторных животных и иных объектов.

До настоящего времени для- построения зависимости «доза-эффект» и расчета ЕД5о как официальная (поскольку включена в ныне действующую Фармакопею СССР, 1987) применяется методология пробит-анализа преимущественно в модификациях Литчфилда-Вилкоксона (Беленький M.JL, 1963) и Финни (Finney D.J., 1979, 1985; Debanne S.M., Haller H.S., 1985), ко-тораяшо своей-сути предназначена исключительно для оценки линейных до-зовых моделей и выдвигает ряд граничных условий в виде создания для каждой испытанной дозы установленной-численности (не менее 6 наблюдений) по возможности однородных групп тест-объектов, что существенно сужает возможности анализа, широкого спектра проявлений нелинейных зависимостей «доза-эффект», в частности целого направления, получившего в токсикологии название «парадоксальной токсичности».

В- существующих пробит-методах проблема количественной оценки, влияния погрешностей исходных данных на проявление зависимости «доза-эффект» вообще не рассматривается, что приводит к метрологической неопределенности и полному отсутствию контроля качества искомых конечных показателей.

Отдельную проблему в оценке зависимости «доза-эффект» составляет разработка способов построения общей функции эффективности при одновременном воздействии двух и более исследуемых агентов. Разработка проблемы исследования одновременного действия нескольких разных агентов на биологические объекты считается наиболее актуальной и трудной уже только по той простой причине, что в процессе жизнедеятельности биологические объекты постоянно находятся под воздействием физических, химических или биологических факторов. Практически вся лекарственная терапия основана на принципах одновременного действия (взаимодействия) нескольких лекарственных препаратов для достижения лечебного эффекта.

Попытки поиска вариантов методических решений этой проблемы предпринимались многими авторами (Кустов В.В., Тиунов JI.A., 1960; Трах-тенберг И.М., Иванова З.К., 1975; Ротенберг Ю.С. и соавт., 1980; Маненко А.К.б 1982; Казимов М.А., Рощин A.B., 1986, 1987; Штабский Б.М., Федо-ренко В.М., 1986, 1987; Шибанов С.Эц 1986; Маненко А.К., Иванова О.П., 1988; Гуськова Т.А., Сюбаев Р.Д., 2003; Катульский Ю.Н., 2004; Белицкий Г.А., 2007; Евсеева Т.И. и соавт., 2008; Дурнев А.Д., 2008; Покровский В.М., Компаниец О.Г., 2008; Сюбаев Р.Д., 2008; Fu Chong Yau, Dräne Wanzer J., 1996; Haas Charles et al., 1996 и другие; Tallarida Ronald J., 2006; Schachter Asher D., Ramoni Marco F., 2007; Pauluhn Jürgen, 2008; Wallace StephanieJ., 2008 и другие).

В разное время проводились множество исследований влияния* на организм двух и более факторов физической (Бабаян М.А., Денисов Э:И., 1991; Бабенко А.П., Черняков Г.М., 1992), химической (Воронин В.А. и соавт., 1976; Шибанов С.Э., 1984; Казимов М.А., 1985; Давыдова В.И. и соавт., 1988; Герасименко Т.И. и соавт., 2000; Зенкина В.И., 2002; Ракитский В.Н. Синицкая Т.А., 2008; Шовкун Л.А., 2008; Aufderheide Michaela, 2008) или биологической (Дуева Л.А. и соавт., 1990; Моклячук Л.И., 2003; Эпштейн О.И. и соавт., 2003; Эпштейн О.И., 2008) природы, так и их различных сочетаний (Болонова Л.Н. и соавт., 1990; Колбасин П.Н., 1992; Кунцевич А.Д. и соавт., 1993; Сухова Т.И., Соболев А.И., 1994; Рукавишников B.C., Соседова Л.М., 2006; Забродский П.Ф, и соавт., 2008).

Особо важное значение проблеме- взаимодействиям веществ придается в токсикологии при разработке антидотов и изучении механизмов;токсичности (Русанов АЖ., 1949; Бельгова МН., 1953; Прозоровский ВШ., 1958; Лукьян-чук В.Д., Луйк А.И., 1981; Говорков A.B. и соавт., 1987; Литвинов Н.Н. и соавт., 1990; Плис М.Б. и соавт., 1991; Каган Ю.С. и соавт., 1993; Карпенко В.Н. и соавт., 1993;.Леоненко 0;Б., 1996; Лукашев A.A. и соавт., 2000; Леме-шевская Е.П. и соавт., 2001).

Для-количественной оценки результатов воздействия нескольких агентов предложены разные методы, например; двумерной корреляции. (Брускин 3.3., 1978), вычислений коэффициентов! комбинированного действия, (Киселев; А.В^, 1984), оценки: аддитивности (Сватков? В.И:, Мудрый? И.В., 1988; Goldoni Matteo, Johansson Carolina, 2007) и суммационной токсичности (Штабский Б.М., Федоренко В.И., 1990); дисперсионного анализа (Толмачев? Д.А., 1995), множественного регрессионного анализа (Нагорный П.А., 1971, 1973; Спыну Е.И. и соавт., 1976; Qiu Zheguo, 2002 и другие; Suha Krushna К., Paul Sudhir R, 2005; .Li Lang, 2007 и другие) и другие. При помощи этих методов допускается решение ряда частных задач, но ни один из них не может претендовать на универсальность,, и более того, зачастую, они не отвечают современным требованиям математической статистики и биометрии.

Построение функций эффективности, на основании которых можно было бы находить оптимальные эффективные и безопасные дозы, лекарственных препаратов должно стать, основой всей, системы клинических исслег дований новых лекарственных средств. Но с большим сожалением, приходится констатировать тот очевидный факт, что до настоящего времени в клинических исследованиях попытки установить зависимость «доза-эффект» ограничиваются только испытаниями двух или в очень редких случаях трех отдельных доз-лекарственного препарата. Ни для: одного лекарственного препарата до настоящего времени так и не построена зависимость «доза-эффект» в допустимом для применения диапазоне доз. Соответственно,, неизвестны математически и метрологически доказанные оптимальные: клинически эффективные дозы, а количественный показатель общей погрешности проведения клинического исследования до настоящего времени не вошел в практику.

Таким образом, следует объективно признать, что на современном этапе развития токсикологии и клинической фармакологии проблема построения и анализа зависимости «доза-эффект» не имеет адекватного и практически приемлемого решения, что существенно сказывается на достоверности и качестве разносторонних оценок токсичных и лекарственных веществ.

Главная проблема состоит в необходимости решения задачи непосредственного (без формирования приблизительно однородных групп) преобразования реально получаемых в токсикологических и клинических исследованиях исходных данных, выраженных в альтернативной форме учета признака (0 или'1), в вероятности эффектов, которые сформировались при воздействии испытанных доз.

Анализ современных методов математической статистики и прикладной теории вероятностей позволил предположить о возможности применения для решения проблемы нового метода ядерной оценки» регрессии, адаптированного для возможности построения функций эффективности в работах М.С. Тихова (1993), C.B. Криштопенко, М.С. Тихова (1997).

С учетом изложенного,.целью данной работы явилось создании-новой комплексной системы планирования исследований, построения и анализа функций эффективности (зависимостей* «доза-эффект») токсичных и лекарственных веществ, основанной на применении метода ядерной оценки регрессии для определения вероятностей эффектов по>результатам независимых единичных испытаний.

Для достижения указанной цели было необходимо решить следующие основные задачи:

1. Разработать комплексную систему планирования исследований и \ способ построения функции эффективности токсичных и лекарственных веществ по результатам независимых единичных испытаний на основе ядерной оценки регрессии. i * s I

2. Провести исследование влияния ошибок введенных доз на вид зависимости «доза-эффект» и результаты оценок конечных показателей.

3. Обосновать алгоритм определения средне-эффективной дозы (ЕД50) при минимально возможном числе испытаний.

4. Разработать систему планирования исследований и анализа зависимостей «доза-эффект» при взаимодействии двух и более веществ.

5. Обосновать применение зависимостей «доза-эффект» в клинических исследованиях лекарственных средств.

Положения, выносимые на защиту:

1. Разработанная комплексная система оценки зависимости «доза-эффект» на основе ядерной оценки регрессии позволяет проводить построение и анализ любых видов функций эффективностей токсичных и лекарственных веществ по результатам независимых единичных испытаний.

2. Разработанный посредством моделирования ситуаций на основе ядерной оценки регрессии алгоритм предназначен для определения средне-эффективной дозы (ЕД50) при минимально возможном числе испытаний на 10-12 объектах.

3. Система планирования исследований на основе ядерной оценки регрессии позволяет проводить построение и анализ зависимостей «доза-эффект» при взаимодействии двух веществ.

4. Новый показатель - оптимальная? клинически эффективная доза (ОКЭД), определяемый по зависимости «доза-эффект», построенной по результатам клинических испытаний, рекомендуется в качестве критерия оценки оптимальной дозы лекарственного препарата, предназначенной для применения в клинической практике.

5. Разработанные теоретические положения и практический алгоритм системы планирования и анализа зависимостей «доза-эффект» позволяют существенно повысить качество и сократить объем проведения токсикологических и клинических исследований, обеспечивая высокий уровень надежности и достоверности искомых показателей.

Научная новизна работы заключается в теоретическом обосновании новой комплексной системы планирования исследований и способа построения функции эффективности токсичных и лекарственных веществ по результатам независимых единичных испытаний на основе ядерной оценки регрессии. Она отличается от существующих методов (пробит-анализа в модификациях Литчфилда-Вилкоксона и Финни, методов Фишера, Прозоровского, Фрумина и других) строгой статистической обоснованностью и адекватностью, что обеспечивает требуемый уровень надежности конечных оценок, и позволяет определять статистически состоятельные оценки искомых показателей эффективных доз и вероятностей эффектов-(среднее значение, стандартную ошибку средней и доверительный^ интервал) в любой точке функции, эффективности, которые применяются для выполнения последующих сравнений между различными показателями (проведение оценки достоверности различий, вычисление коэффициентов и других). При этом алгоритм построения» функции эффективности не предполагает использование изначальной (априорной) математической модели, как топутребуют существующие методы, основанные на стандартных моделях, таких как линейные, экспоненциальные, логистические, распределение Вейбулла и других.

Вид зависимости «доза-эффект» определяется не*только индивидуальной чувствительностью тест-объектов к каждой отдельно испытанной дозе, которая формируется^ путем реализации механизмов фармакокинетики и фармакодинамики исследуемого агента, но и величиной погрешности исходных данных (введенных доз и регистрируемых эффектов).

При статистическом сравнении двух доз и вычислении коэффициентов обосновано применение показателя трансгрессии.

Получила дальнейшее развитие теория построения» и анализа функций изоэффективности при одновременном воздействии на организм двух веществ. 1

Обосновано новое направление в системе планирования и выполнения клинических испытаний лекарственных препаратов, включающее построение ч и анализ зависимостей «доза-эффект»!.

Практическая значимость работы. Предложен к практическому применению комплекс статистико-биометрических методов, составляющих новую систему, позволяющую при минимальных граничных условиях, на минимально возможном числе испытаний с учетом погрешностей вводимых доз выполнять построение зависимостей «доза-эффект» (функций эффективности) любых видов, в том числе и парадоксальных, проводить их классификацию, и определять любые категории эффективных доз, обладающие свойствами случайных величин, пригодных для сравнительных оценок, нахождения коэффициентов и других параметров доз при сокращении объема исследований в 2-5'раз.

Разработан на- основе ядерной оценки регрессии алгоритм определения средне-эффективной-дозы (ЕД50) при минимально возможном числе испытаний на 10-12 объектах. Для его практического применения« создана специальная таблица, устанавливающая правила последовательного испытания доз.

Разработана система,планирования исследований, построения и анализа зависимостей «доза-эффект» (функций изоэффективности) при взаимодействии двух веществ.

Предложен и обоснован для практического использования новый-показатель - оптимальная клинически эффективная «доза (ОКЭД), в. качестве крич терия оценки оптимальной дозы лекарственного препарата, предназначенной" для применения в клинической практике;

Апробацияфаботы. Основные положения работы доложены и обсуждены. на Всероссийской- научно-практической конференции «Диагностика, лечение и профилактика артериальной гипертензии и ишемической болезни сердца у военнослужащих» (Нижний Новгород, 2000); Всеармейской научно-практической конференции «Медицинские последствия экстремальных воздействий на организм» (Санкт-Петербург, 2000); Научно-практической конференции, посвященной столетию со дня рождения академика РАМН В.А. Рязанова «Теоретические основы и практические решения проблем санитарной охраны атмосферного воздуха» (Москва, 2003); Научно-практической конференции, посвященной 130-летию создания госсанэпидемслужбы Московской области (Москва, 2003); II съезде токсикологов (Москва, 2003); Научно-практической конференции «Актуальные вопросы радиационной гигиены» (Санкт-Петербург, 2004); II Всемирном конгрессе по иммунопатологии и аллергии (Москва, 2004); II Международной научно-практической конференции «Экология: образование, наука, промышленность и здоровье» (Белгород, 2004); VIII Республиканской научно-практической конференции с международным участием, посвященной 60-летию Рязанского государственного медицинского университета им. акад. И.П. Павлова «Социально- гигиенический мониторинг здоровья населения» (Рязань, 2004); Первом всероссийском научном форуме «Инновационный технологии медицины XXI века. Медицинские компьютерные технологии» (Москва, 2005).

Реализация результатов исследования. Основные научные положения и выводы нашли отражение в педагогическом процессе и научной работе на кафедре военной токсикологии и медицинской защиты Военно-медицинской академии им. С.М.Кирова, в исследовательской работе НИИ профилактической медицины ГОУ ВПО «Нижегородской государственной медицинской академии» и ФГУН «Нижегородский научно-исследовательский институт гигиены труда и профессиональных заболеваний» Роспотребнадзора, а также в компьютерной программе «Доза-эффект» (Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2003611598).