一、基本概念
药物代谢动力学（也称药代动力学）应用动力学原理与数学模型，定量描述药物在生物体内吸收、分布、代谢和排泄过程随时间变化的动态规律，研究体内药物的存在位置、数量与时间之间的关系。药物代谢动力学从速度论的观点出发，研究体内药量的变化规律，通过数学公式表示药物在体内的位置（隔室）、数量（或浓度）与时间之间的关系。体内药物动力学研究，根据药物的移行（转运）速度与药物的量（或浓度）之间的关系，将转运速度分为零级速率（或零级动力学、非线性动力学）、一级速率（或一级动力学、线性动力学）等。
（一）线性与非线性动力学过程
药物在机体内的生物转化、肾小管分泌以及胆汁排泄通常需要酶或载体系统参与，这些系统具有较高的专属性，且有一定的能力限度，即饱和。
药物在某部位的转运速率与该部位的药量或浓度的一次方成正比，即单位时间内转运恒定比例的药量，为一级消除动力学过程。常规治疗剂量范围内，多数药物的体内转运为简单扩散，属于一级速率过程，即线性动力学过程，其特点是药物体内动力学过程可用线性微分方程描述。线性动力学分析基于以下三点假设：
（1）相对消除而言，药物分布过程迅速完成。
（2）药物消除（包括生物转化和排泄）可作为一级速率过程处理。
（3）药物吸收或可作为一级速率过程处理，或因迅速完成而忽略不计。
若采用酶诱导剂使酶量增加（Vm增加），那么此消除过程的一级速度常数亦相应增加。事实上，通常所观察到的药物一级消除速度过程是表观一级动力学，因为对大多数药物，通常治疗方案和剂量所产生的血药浓度比米氏常数（Km）小得多。
零级（非线性）动力学药物转运速度以恒定数量转运，即在一定时间内转运一定数量的药物，药物消除半衰期随剂量的增加而延长。
具有非线性药物动力学特性的药物，若以消除速率对血药浓度C作图，可发现开始血药浓度很低时，消除速率随浓度呈线性上升，表现为一级动力学特点。血药浓度C进一步增加，则消除速率以低于与浓度成比例的速度上升。最后，消除速率逐渐接近于Vm，此时，消除速率不再增大，与浓度无关，即为零级动力学过程。
线性动力学与非线性动力学存在着原则的区别，但实际上两者又不易区分。非线性药物动力学过程只能用非线性微分方程描述，血药浓度及AUC（血药浓度-时间曲线下面积）与给药剂量不成正比例关系。一个非线性动力学的药物，可因试验设计，或受检验水平限制，而未能发现其非线性特征。实际工作中，识别非线性药物动力学的方法可归纳为以下三种：
（1）以若干不同剂量静脉注射某一药物，分别在不同时间测定血清或血浆药物浓度，然后用各个浓度数据分别除以相应剂量，并对时间t作图。若所得曲线明显不重叠，则可以预测该药物存在非线性过程。也可以用各个浓度-时间曲线下面积分别除以相应剂量，若所得各个比值明显不同，则可认为该药物存在非线性过程。
（2）将每个浓度-时间数据按线性模型处理，计算各动力学参数，若某些或所有的药物代谢动力学参数明显随剂量不同而改变，则可认为该药物存在非线性过程。
（3）动物静脉单次给药，测定不同时间、不同剂量的组织和血药浓度，如果是线性动力学过程，则以组织浓度对相应的游离药物浓度作图，数据应呈直线分布，且通过零点。如果不呈直线分布，则该药物存在非线性过程。
（二）房室模型
为了分析药物在体内运动（转运和转化）的动态规律，并以数学方程式加以表示，就需要建立一个模型模拟机体（动力学模型），而后将机体视为一个系统，并将该系统内部按动力学特点分为若干房室（隔室，compartment），也就是说，机体模型由若干房室组成，房室是模型的组成单位，是动力学上彼此可以区分的药物“储存处”。
Teorell首次应用多室模型模拟体内药物分布的动态过程。模型中的两个房室由代表血管内腔的中央室及代表非代谢组织的外周室组成。房室的划分主要是根据药物在体内转运速率不同而概括为不同的房室，解剖学上大体并不存在这种房室。机体解剖位置上不同的各组织器官，只要药物在其间的转运速率相同，则被归纳为一个房室。然而，房室概念又与体内各组织器官的解剖生理学特性（如血流量、膜通透性等）有一定联系。
通常根据药物代谢动力学特性，将房室数目分作一室（单室）、二室乃至多室模型。一室模型是指给药后药物一经进入血液循环，就均匀分布至全身，因而把整个机体视为一个房室。二室模型是将身体分为二个房室，即中央室与周边（外周）室。中央室是药物首先进入的区域，除血浆外通常还有细胞外液及心、肝、肾、脑等血管丰富、血流畅通的组织。药物可在数分钟内分布到整个中央室，血浆浓度和这些组织浓度可迅速达到平衡，并维持平衡状态。周边室一般是血管稀少、血流缓慢的组织，如脂肪组织、静止状态的肌肉等，药物进入这些组织缓慢。
对于一个具体药物来说，判断属于哪种房室模型，需根据试验结果所绘制的血药浓度-时间曲线具体分析，常用的有以下几种方法：
1.根据图形判断
以lgC对t作图，直线者为单室模型。若不是直线，则可能是多室模型。
2.残差平方和判断法
按假定的模型计算血药浓度拟合值，拟合值与实测值之差的平方和小的，为合理的房室模型。
3.拟合度判别法
根据假定的模型计算血药浓度拟合值，进一步计算拟合度，拟合度越大选择的房室模型越合理。
4.AIC（赤池信息量准则）判别法
采用残差平方和及拟合度法仍然不能进行很好的判断时，可采用AIC判别法。采用最小二乘法计算血药浓度估计值，进一步计算AIC值。权重系数相同时，AIC值越小，说明拟合越好。
5.F检验法
计算各种权重下不同房室模型的F值，并与F值表中自由度及df2的F界值比较判定。
（三）统计矩模型
经典的药物代谢动力学研究是以房室模型理论为基础的分析方法，计算药物代谢动力学参数过程较为复杂，且模型的确定受试验设计和药物浓度测定方法的影响。有时一种药物以不同途径给药，或药物浓度测定方法不同可以有不同的房室模型。
以统计矩理论为基础的非房室模型分析方法在药物浓度-时间曲线下面积的基础上估算药物代谢动力学参数，不需要预先设定药物或其代谢产物属于何种房室模型。如果药物体内过程符合线性药物代谢动力学特性，该方法适用于任何房室模型。非房室模型分析方法可用于估算药物制剂的生物利用度、体内总清除率、生物半衰期、表观分布容积、平均稳态血药浓度、消除速率常数和吸收速率常数等药物代谢动力学参数。
概率统计采用矩表示随机变量的某种分布特征。在药物代谢动力学研究过程中，以一定剂量给药，不论是在给药部位或在整个机体内，药物滞留时间的长短均属随机变量。药物的吸收、分布及消除可视为这种随机变量相应的总体效应。
（四）主要药物代谢动力学参数
临床用药设计方案的基本要求是使血药浓度保持在有效的治疗范围之内，有效且不引起毒性。药物的体内过程可以用药物代谢动力学参数表示，如生物半衰期、表观分布容积、峰浓度、消除速率常数、稳态血药浓度、生物利用度等，对确定临床用药方案、预测药物疗效和毒性以及合理用药有着重要意义。
1.表观分布容积（apparent volume of distribution，Vd）
房室的大小用表观分布容积表示。表观分布容积是一个重要的药物代谢动力学参数，但其数值并非表示身体中的真正容积，也就是说不应把表观分布容积看成体内的特殊生理空间，而只是一种比例因素或数学概念。根据表观分布容积可以推测某一药物在体液和组织中的摄取、分布情况，如表观分布容积大，表示其分布广，或提示药物与生物大分子有大量结合，或兼而有之；表观分布容积小，表示分布有限。
将药物的表观分布容积与机体体液的数值进行比较，可推测药物在体内分布的情况，如：
Vd＝5 L，表示药物基本分布于血浆中。
Vd＝10～20 L，表示药物分布于体液中。
Vd＝40 L，表示药物分布于全身血浆和体液中。
Vd＝100～200 L，表示药物大量储存在某一器官或组织中，或药物与组织或血浆蛋白大量结合。
2.总清除率（total clearance，CL）
机体总清除率是指单位时间内从体内清除的药物的血液容积数。
3.消除速率常数（elimination rate constant，Ke）
药物代谢动力学研究经常涉及通过生物膜的药量及其转运速率。按转运速率不同，机体可分为若干房室，并设想房室为一个均匀的系统，药物进入某一房室后，可在该房室内迅速地自由扩散。但在房室之间或房室内外则设想存在屏障，其出入必须遵从一定的规律，出入的快慢用转运速率常数K表示，而且出与入的速率常数常不相等。转运速率常数不随时间发生变化，可定量描述药物在体内过程的快慢，K值越大，转运速率越快。
药物自机体或房室的消除速度常以消除速率常数Ke表示。某一药物的消除速率常数是根据该药物所测定的血药浓度所作血药浓度-时间曲线，确定其房室模型种类，按公式计算所得。不同房室模型的药物消除速率常数的计算不相同。
4.生物半衰期（biological half life，t1/2）
药物自体内消除一半（或药物浓度减少50％）所需的时间即为药物的生物半衰期。t1/2是药物代谢动力学中一个很重要的、最基本的参数，对制订给药方案和调整给药方案具有重要的作用。
5.血药浓度-时间曲线下面积（area under the curve，AUC）
血药浓度-时间曲线下面积简称药-时曲线下面积，是指在直角坐标系中，以血药浓度为纵坐标，时间为横坐标，以血药浓度对时间描点作图所得曲线与坐标横轴所围成的曲线下面积，用AUC表示。
6.生物利用度（bioavailability，F）
生物利用度是指药物剂型中能被吸收进入体循环的药物相对分量及相对速率，一般用百分数表示。生物利用度是一个相对概念，与疗效的意义并不相等，仅仅是比较各种制剂之间利用度的尺度。
同一药物的制剂由于各药厂的生产工艺不同，甚至同一药厂生产批号不同的同一制剂，生物利用度也可能有较大的差异。可用相同剂型中质量比较好的制剂作为标准与被测制剂进行对照，计算该制剂的相对生物利用度。
7.达峰时（Tmax）与峰浓度（Cmax）
单室模型血管外途径给药，当药物按一级速率吸收进入体内，则血药浓度-时间曲线为一单峰曲线。单次血管外途径给药，血药浓度达到最大值所需的时间即为达峰时；药物吸收后，血药浓度达到的最大值即为峰浓度。药物制剂的达峰时和峰浓度可表明该制剂中药物吸收的快慢和程度。如某口服制剂能很快崩解和较好地被吸收，则达峰时短，峰浓度高。
8.稳态血药浓度（steady-state plasma concentration，Css）
临床若按一定剂量、一定时间间隔多次重复给药，则体内血药浓度逐渐增加，并趋向达到稳定状态。
连续恒速滴注给药或按半衰期的间隔时间恒量给药，经过4～6个半衰期可基本到达稳态血药浓度。增加用药量则只能增加血药浓度，而不能缩短到达稳态的时间。单位时间内用药量不变，缩短给药间隔，只能减少血药浓度的波动范围，也不能影响稳态血药浓度和到达稳态血药浓度的时间。如反复给药的间隔时间为1个半衰期，首次剂量加倍，则可迅速到达稳态血药浓度。
某些药物制剂吸收特性易造成血药浓度的谷峰现象，使血药峰浓度超过药物的中毒量，发生严重的毒副反应，对此类药物应进行制剂改进，如改为缓控释制剂，可使释药缓慢，血药浓度平稳，减小波动度，延长作用时间，减少不良反应。