Los modelos compartimentales son representaciones matemáticas del cuerpo que simplifican su compleja fisiología en uno o más compartimentos interconectados con el fin de describir la concentración del fármaco a lo largo del tiempo. Estos modelos permiten a los farmacocinéticos estimar parámetros importantes como el aclaramiento, el volumen de distribución y la vida media a partir de datos de concentración-tiempo. A pesar de sus supuestos simplificadores, los modelos compartimentales proporcionan predicciones clínicamente útiles y forman la base del análisis farmacocinético.

Modelo de un compartimento

El modelo de un compartimento supone que el cuerpo se comporta como un compartimento único y bien mezclado. Después de la administración del fármaco, el fármaco se distribuye instantáneamente por todo el compartimento y la eliminación se produce a una velocidad proporcional a la concentración del fármaco. Este modelo es más apropiado para medicamentos que se distribuyen rápidamente en relación con su tasa de eliminación, de modo que la fase de distribución es demasiado breve para distinguirla de la fase de eliminación.

Para una dosis en bolo intravenoso en un modelo unicompartimental, la concentración plasmática disminuye monoexponencialmente según la ecuación: C es igual a C0 multiplicado por e elevado a la potencia de k negativo multiplicado por t, donde C0 es la concentración inicial, k es la constante de velocidad de eliminación y t es el tiempo. La constante de la tasa de eliminación se relaciona con la vida media, ya que k es igual a 0,693 dividido por t½. El volumen de distribución se calcula como la dosis dividida por C0 y el aclaramiento es igual a k multiplicado por Vd.

Para la infusión intravenosa, el modelo unicompartimental predice que la concentración aumenta durante la infusión y alcanza un estado estacionario cuando la velocidad de infusión es igual a la velocidad de eliminación. Una vez que se detiene la infusión, la concentración disminuye monoexponencialmente. Para la administración oral, el modelo incorpora una fase de absorción con una tasa de absorción constante de primer orden, y el perfil de concentración-tiempo muestra una fase ascendente, un pico y una fase descendente.

Modelo de dos compartimentos

El modelo de dos compartimentos divide el cuerpo en un compartimento central, que representa el plasma y los órganos altamente perfundidos, y un compartimento periférico, que representa los tejidos menos perfundidos, como los músculos, la grasa y la piel. El fármaco se distribuye entre los compartimentos central y periférico a velocidades gobernadas por constantes de velocidad intercompartimentales. Este modelo es necesario para fármacos que presentan una fase de distribución distinta antes de la fase de eliminación terminal.

Después de un bolo intravenoso, el modelo de dos compartimentos produce una curva biexponencial de concentración-tiempo. La rápida disminución inicial representa la distribución del fármaco desde el compartimento central al periférico, mientras que la disminución más lenta posterior representa la eliminación del compartimento central con redistribución simultánea desde el compartimento periférico. La ecuación para la curva concentración-tiempo tiene dos términos exponenciales: C es igual a A multiplicado por e elevado a la potencia de alfa negativo multiplicado por t más B multiplicado por e elevado a la potencia de beta negativa multiplicado por t, donde alfa es la constante de tasa de distribución y beta es la constante de tasa de eliminación terminal.

El modelo de dos compartimentos proporciona parámetros adicionales más allá del modelo de un compartimento, incluidos los volúmenes de los compartimentos central y periférico, el aclaramiento intercompartimental y las microconstantes que describen las tasas de transferencia entre compartimentos. Estos parámetros proporcionan una imagen más completa de la disposición de los fármacos, en particular de fármacos como la digoxina, los aminoglucósidos y muchos agentes anestésicos.

Constantes de tasa: microconstantes y macroconstantes

En los modelos compartimentales, las microconstantes describen los procesos de velocidad elemental para la transferencia de fármacos entre compartimentos y su eliminación. En un modelo de dos compartimentos, k12 representa la tasa de transferencia del compartimento central al periférico, k21 representa la tasa de retorno y k10 representa la tasa de eliminación del compartimento central. Estas microconstantes no se pueden observar directamente, pero se estiman ajustando el modelo a los datos de concentración-tiempo.

Macroconstantes son las constantes de velocidad híbridas que describen los exponentes observables de la curva concentración-tiempo. En el modelo de dos compartimentos, alfa y beta son macroconstantes que son funciones de las microconstantes. Las relaciones entre microconstantes y macroconstantes están definidas matemáticamente, lo que permite estimar los procesos de velocidad subyacentes a partir de los datos observados.

Términos de volumen en modelos compartimentales

Múltiples términos de volumen surgen del análisis compartimental. El volumen del compartimento central (Vc) es el volumen del compartimento del que se extraen las muestras, normalmente el plasma más los tejidos altamente perfundidos. El volumen de distribución en estado estacionario (Vss) es el volumen total de distribución cuando se ha logrado el equilibrio de distribución entre los compartimentos central y periférico. El volumen de distribución durante la fase terminal (área Vbeta o Vd) se calcula como el aclaramiento dividido por beta.

Estos diferentes términos de volumen tienen distintos significados clínicos. Vss es la medida fisiológicamente más relevante del espacio de distribución, ya que refleja la partición en equilibrio entre todos los tejidos y el plasma. Vbeta se informa comúnmente en la literatura y se utiliza para calcular la vida media, pero puede exceder a Vss para medicamentos con eliminación terminal muy lenta.

Aplicación a Diferentes Vías de Administración

Los modelos compartimentales se pueden adaptar a cualquier vía de administración. Para la dosificación en bolo intravenoso, la concentración inicial está determinada por la dosis y el volumen del compartimento central. Para la infusión intravenosa, el modelo incorpora la velocidad y duración de la infusión. Para las rutas extravasculares, se agrega un compartimento de absorción con una constante de tasa de absorción de primer orden o de orden cero.

El modelo debe ser identificable a partir de los datos disponibles. Con un muestreo escaso o datos que no caracterizan adecuadamente la fase de distribución, es posible que un modelo de dos compartimentos no se pueda distinguir de un modelo de un solo compartimento. El software farmacocinético moderno utiliza regresión no lineal para ajustar modelos compartimentales a datos de concentración-tiempo, estimando los parámetros que mejor describen el perfil observado y permitiendo predicciones para regímenes de dosificación alternativos.