1 Alain Bousquet-Mélou Ecole Nationale Vétérinaire de Toulouse Laboratoire de...

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Alain Bousquet-Mélou

Ecole Nationale Vétérinaire de ToulouseLaboratoire de Physiologie-Pharmacologie-Thérapeutique

UMR1331 TOXALIM Equipe Pharmacocinétique Pharmacodynamie & Modélisation

VetAgroSup – 16 octobre 2013

Pharmacocinétique et PharmacodynamieIntroduction

Pharmacocinétique et PharmacodynamieIntroduction

Réponsethérapeutique

InteractionsCibles

pharmacologiques

ABSORPTION

PHARMACODYNAMIE

Les étapes de la genèse d’un effet

ELIMINATION

DISTRIBUTION

PHARMACOCINETIQUE

ConcentrationsBiophase

BactériesInsectesParasites

ConcentrationsPlasma

Actioncellulaire

Principe actifadministré

Réponsethérapeutique

Relation Dose-Réponse dans une population

Mild Extreme

Many

Few

Nu

mb

er o

f In

div

idu

als

Response to SAME dose

Sensitive Individuals

Maximal

Effect

Resistant Individuals

Minimal

Effect

Majority of Individuals

Average Effect

Relations dose-exposition-effet

Dose RéponseBoite noire

Profil deconcentration

DoseRéponse

Pharmacocinétique Pharmacodynamie

Relations dose-exposition-effet

Dose RéponseBoite noire

DoseRéponse

Pharmacocinétique Pharmacodynamie

Profil deconcentration

Variabilité pharmacocinétique / Variabilité pharmacodynamique

A mesurer et à prendre en compte : adaptations de posologies

Concentrations plasmatiques en phénytoïne chez l’Homme

variabilité d’origine pharmacocinétique

Concentrations moyennes après unedose identique de 300 mg

Toxicité aiguë des anticancéreux: homme vs. souris

0

2

4

6

8

10

12

14

0-0.1 0.4-0.6 0.6-1.2 2.0-3.0 >4 0

2

4

6

8

10

12

14

0-0.1 0.4-0.6 0.6-1.2 2.0-3.0 >4

Rapport des Doses externes Dose interne

Rapport des AUC

Fre

qu

ency

variabilité d’origine pharmacocinétique

Pentobarbital, 25 mg/kg, IV Chèvre Chien

Réflexe Temps (min)Palpébral Concentration (mg/L)

5035

12035

Réveil Temps (min) Concentration (mg/L)

11010

75010

Les différences interspécifiques ont une origine pharmacocinétique

variabilité d’origine pharmacocinétique

Quantification des effets des médicaments (PD) Relier l’intensité d’un effet avec la concentration du principe actif Objectif : déterminer la gamme de concentrations (l’exposition)

associée à un effet

Quantification des processus ADME (PK) Relier la quantité de principe actif administré/ingéré aux

concentrations sanguines et tissulaires Objectif : déterminer les doses externes qui conduisent à une

exposition donnée

Les objectifs de la quantification des processus PK et PDLes objectifs de la quantification des processus PK et PD

cibleCF

Cl

24h

Dose

On vise la même exposition

Paramètres pharmacocinétiquesqui contrôlent

les concentrations sanguines

Dosejournalière

L’approche PK/PD permet de déterminer une doseL’approche PK/PD permet de déterminer une dose

11

Extrapolationin vitro/in vivo et interspécifique

desparamètres pharmacocinétiques

Extrapolationin vitro/in vivo et interspécifique

desparamètres pharmacocinétiques

Extrapolation des dosesExtrapolation des doses

12

Objectif de l’extrapolation des paramètres PK : obtenir la même exposition plasmatique

1

11

2

22

Cl

DoseF

Cl

DoseF

12 ExposureExposure

12 AUCAUC

2

1

1

212 F

F

Cl

ClDoseDose

13

Morphine, IM

Principes de l’extrapolation des dosesPrincipes de l’extrapolation des doses

Les doses sont proportionnelles aux clairances

Espèce Dose validées par la clinique

(mg/kg)

Clairance(mL/kg/min)

Dose calculée(mg/kg)

Homme 0.17 14.7 -

Chien 0.5 - 2 85 1

Chat 0.05 – 0.2 8.6 0.1

14

?

DoseCP = 13 mg/kg/24h

Cl = 0.74 L/kg/h

Cl = 0.17 L/kg/h

Quelle posologie pour le kétoprofène chez la chèvre ?

Principes de l’extrapolation des dosesPrincipes de l’extrapolation des doses

BV

CPBVCP Clairance

ClairanceDoseDose

: 3 mg/kg/24h

15

?

Cl = 0.17 L/kg/h: 3 mg/kg/24h

? ? ?

Extrapolation de la clairance

Première dose chez l’Homme (FDIM) ?

Quelle posologie pour le kétoprofène chez la chèvre ?

Principes de l’extrapolation des dosesPrincipes de l’extrapolation des doses

16

Extrapolation de la clairance

Extrapolation interspécifique : l’approche allométrique

targetCF

Cl

24h

Dose

Echangesgazeux

Inhalationexhalation

Urine

Métabolisme

Foie

Rein

Tissuadipeux

Perfusionrapide

Perfusionlente

Poumon

Estomac

Intestin

Fèces

Ingestion

Allométrie : Des similitudes …Allométrie : Des similitudes …

Une organisation anatomique et fonctionnelle

similaire

Baleine bleue: >108 g

Musaraigne 2 g

Eléphant: 106 -107

Allométrie : … et des différences de formatAllométrie : … et des différences de format

Allométrie : … et des différences de formatAllométrie : … et des différences de format

L’allométrie étudie les relations entre le format et la physiologie

20

Allométrie : des processus physiologiques aux clairances

Homme

Homme

21

Déterminants physiologiques des clairancesDéterminants physiologiques des clairances

Débits physiologiques Débits sanguins des organes, débit cardiaque DFG

Liaison aux protéines plasmatiques La fraction libre : fu

Capacités intrinsèques des systèmes épurateursClairance intrinsèque : Clint

intuorgan

intuorganorgan

ClfQ

ClfQCl

22

Médicaments à coefficients d’extraction FORTSMédicaments à coefficients d’extraction FORTS

intuQ

intuorganorgan Clf

ClfQCl

organ

Débits physiologiques Débits sanguins des organes, débit cardiaque DFG

Liaison aux protéines plasmatiques La fraction libre : fu

Capacités intrinsèques des systèmes épurateursClairance intrinsèque : Clint

23

0.75(kg)(mL/min) BW223tputCardiac_ou

Relations allométriques pour les débits sanguinsRelations allométriques pour les débits sanguins

0.76(kg)(mL/min) BW6ood_flowHepatic_bl 8

24

EROutputCardiacclearanceplasma _

0.75BW(kg)223n)tput(mL/miCardiac_ou

Relations allométriques pour les clairancesRelations allométriques pour les clairances

25

ilityBioavailab

ECclearanceDose caltherapeutiplasma

EROutputCardiacclearanceplasma _

0.75BW(kg)223n)tput(mL/miCardiac_ou

Relations allométriques pour les dosesRelations allométriques pour les doses

Débitcardiaque

(ml/min/kg)

244 146 116 86 80 75 55

Clairance(ml/min/kg)

Des valeurs de clairance non proportionnelles au poids,à capacités d’extraction identiques = 100%

122 73 58 43 40 37.5 27.5

Dose(mg/kg/24h)

176 105 84 62 58 54 36

Des doses par kg différentes,pour obtenir la même concentration cible =1 µg/mL

Des paramètres physiologiques non proportionnels au poids

Relations allométriques pour les dosesRelations allométriques pour les doses

• Loi des surfaces (doses exprimées par m2)– b = 0.67– extrapolation de la première dose chez l’Homme– standardisation des doses en cancérologie, en pédiatrie

(intraspécifique)

Relations allométriques pour les dosesRelations allométriques pour les doses

Animal

HommeAnimalHomme Clairance

ClairanceDoseDose b

HommeHomme PaCl

bAnimalAnimal PaCl

b

Animal

HommeAnimalHomme P

PDoseDose

Guidance for Industry: Estimating the Maximum Safe Starting Dose in Initial Clinical Trials for Therapeutics in Adult Healthy Volunteers

• Ajustement de doses par le rapport des clairances :

à la base des adaptations de posologies aux caractéristiques physiopathologiques des patients ex :

insuffisance rénale

Créatininémie(en µmol/l)

Azotémie(en mmol/l) Multiplier la dose d'entretien par

70 à 100 8 à 17 0,6101 à 200 17,1 à 25 0,3201 à 400 25,1 à 33 0,15

VIDAL 2011 Médicaments DIGOXINE NATIVELLE®

Remarque : extrapolation intraspécifique des dosesRemarque : extrapolation intraspécifique des doses

• Ajustement de doses par le rapport des clairances :

à la base des adaptations de posologies aux caractéristiques physiopathologiques des patients : ex : insuffisance rénale

à la base des études de pharmacocinétique de population : identifier les caractéristiques individuelles associées à des variations de la clairance et quantifier ce lien

Remarque : extrapolation intraspécifique des dosesRemarque : extrapolation intraspécifique des doses

31

Médicaments à coefficients d’extraction FAIBLESMédicaments à coefficients d’extraction FAIBLES

Débits physiologiques Débits sanguins des organes, débit cardiaque DFG

Liaison aux protéines plasmatiques La fraction libre : fu

Capacités intrinsèques des systèmes épurateursClairance intrinsèque : Clint

intu

Clforgan

organorgan Clf

Q

QCl

intu

32

Liaison aux protéines plasmatiques Pas de relation avec le poids corporel

Capacités intrinsèques Particularités d’espèces indépendantes du poids

Médicaments à coefficients d’extraction FAIBLESMédicaments à coefficients d’extraction FAIBLES

L’Homme est un cas particulier

Métabolisme hépatique: enzymes de phase IMétabolisme hépatique: enzymes de phase I

Clairancedu

diazepam

L’Homme est un cas particulier

Métabolisme hépatique: enzymes de phase IMétabolisme hépatique: enzymes de phase I

antipyrine in mammalsy = 8.2911x0.8922

R2 = 0.9713

0.1

1

10

100

1000

10000

0.01 0.1 1 10 100 1000

Body weight in kg

Intr

insi

c cl

eara

nce

in

mL

per

min

Clairancede

l’antipyrine

Capacités enzymatiques chez la chèvre

Activités enzymatiques(nmol/min/nmolP450)

Caprin Ovin Bovin

Ethylmorphine N-demethylation 5.64 2.38 1.61

Clairances (L/kg/h) Caprin Ovin Bovin

Ketoprofène 0.74 0.19 0.17

Métabolisme hépatique: enzymes de phase IMétabolisme hépatique: enzymes de phase I

Capacités enzymatiques chez la chèvre Régime alimentaire : peigneur vs brouteur

Métabolisme hépatique: enzymes de phase IMétabolisme hépatique: enzymes de phase I

Espèce “mineure” Posologies des bovins : sous-dosages fréquents Résistance aux ivermectines

Métabolisme hépatique: enzymes de phase IIMétabolisme hépatique: enzymes de phase II

Des espèces avec des déficits des capacités de conjugaison

Espèce Réaction de conjugaison

Groupements cibles Etat de la réaction

Chien, Renard

Acétylation Ar-NH2 Absent

ChatLion, Lynx

glucuronidation -OH, -COOH-NH2, =NH, -SH

Présent, peu rapide

Porc Sulfatation Ar-OHAr-NH2

Présent, faible

Sulfamides

Aspirine, paracétamol, morphine

38

Extrapolation de la clairance

Extrapolation interspécifique : l’approche allométrique

Extrapolation in vitro/in vivo

targetCF

Cl

24h

Dose

39

Extrapolation in vitro / in vivo dela clairance hépatique

targetCF

Cl

24h

Dose

40

GutLumen

Gut Wall

Portalvein

Hepaticclearance and oral bioavailability

FFFf F PHGabsoral

1 : fabs 2 : Fgut 3 : FH lungsLiver 4 : Fp

41

Can a new drug be developed for oral route ?

• Components of oral bioavailability– Absorption and first-pass effects

FFFf F PHGabsoral

Q

Cl1 FH

Hmax oral,

42

Hepatic clearance : from in vitro to in vivo

• Clearance models•Hepatic clearance•Intrinsic clearance

• In vitro systems to study drug metabolism

•In vitro intrinsic clearance

43

Models of hepatic clearance

ClH = f (QH ; fu ; Clint)

• Intrinsic clearance of unbound drug, Clint :

– ability of the liver to eliminate a drug when there is no “supplying” limitation

• Hepatic blood flow, QH ; unbound fraction, fu :

– parameters governing supply of the drug to enzymes in the classical hepatic clearance models

°

°

44

Availability of in vitro systems

• Purified enzymes

• Subcellular fractions– S9, microsomes

• Hepatocytes– Suspensions, primary cultures

• Liver slices

45

Strategy for in vitro / in vivo extrapolation

Clearance modelIn vitro

metabolism

Clint, in vitro, test tube ClH

Microsomes

Hepatocytes fu, QH

Clint, in vitro, organ

Scaling factors

Q

Cl1FH

Hmax oral,

°

46

In vitro metabolism

E

E

E

Free analyteNo limited diffusion to enzymes (E)

Analyte

47

In vitro intrinsic clearance

•Quantification of metabolism

–Rate : amount per unit time

•Michaelis-Menten kinetics

CK

CVmetabolism of RateM

max

CClmetabolism of Rate int

48

concentration

Rate

Vmax

Vmax / 2

KM

V =Vmax . C

KM + C

Michaelis-Menten kinetics

Vmax : related to enzyme quantityKM : related to affinity between enzyme and analyte

49

conc

Michaelis-Menten kinetics

Inital rate

Intrinsic clearance

Graphic : slope of tangent

CCK

V RateM

max

50

• When C << KM :

CK

V ClM

maxint

K

V ClintM

max

First-order / linear kinetics

CK

V RateM

max

CCK

V RateM

max

• Michaelis-Menten kinetics :

clearance is constant

Michaelis-Menten kinetics

51

conc

Michaelis-Menten kinetics

Inital rate

Intrinsic clearance

First-order / linear kinetics

CK

V RateM

max

The highest intrinsic clearance is obtained for C << KM

• When C << KM :

52

Measurement of Michaelis-Menten parameters

• Rates of metabolism vs substrate concentration

CK

CV RateM

max

CK

CV dt

dC

M

'max

VV

Vmax'

max

C

Time

C

Rate

• Substrate concentration-time profiles

53

Strategy for in vitro / in vivo extrapolation

Clearance modelIn vitro

metabolism

Clint, in vitro, test tube ClH

Microsomes

Hepatocytes fu, QH

Clint, in vitro, organ

Scaling factors

Q

Cl1FH

Hmax oral,

°

54

Scaling factors

• From test tube to liver : quantitative relationship

– Clint, in vitro,organ = SF x Clint, in vitro

• From test tube to liver : chemical environment– experimental in vitro conditions vs in vivo situation– not taken into account by scaling factors

Clint, in vitro, test tube Clint, in vitro, organ

55

• Hepatic microsomes– µL / min / mg microsomal protein

• Hepatocytes– µL / min / 106 cells

Scaling factors

56

Scaling factors : rat liver

P450 contents in hepatocytes

P450 contents in microsomes

Hepatocyte number

Microsomal protein yield

Liver weight

Liver blood flow

0.27 nmol P450/106 cells

0.66 nmol P450/mg protein

1.35x108 cells/g liver

45 mg protein/g liver

45 g/kg body weight

1.8 mL/min/g liver

57

Strategy for in vitro / in vivo extrapolation

Clearance modelIn vitro

metabolism

Clint, in vitro, test tube ClH

Microsomes

Hepatocytes fu, QH

Clint, in vitro, organ

Scaling factors

Q

Cl1FH

Hmax oral,

°

58

Models of hepatic clearanceclickclick

ClH = f (QH ; fu ; Clint)

• Assumptions :– only free drug crosses plasma membranes– rapid equilibrium between blood and

hepatocytes– no active transport

• Example : Well stirred model

°

ClfQ

ClfQ Cl

intuH

intuH H

59

Validation of in vitro / in vivo extrapolation

Clearance model In vivo PKIn vitro

metabolism

Vmax

KM

Clint, in vitro, test tube

CltotClH

Clint, in vitro, organ

Scaling factors

Clint, in vivo, organ

60

• In vivo pharmacokinetic studies

– Intravenous administration– Plasma concentration - time profile

– Urinary excretion of unchanged drug (Xu)

εClClCl RHTOT AUC

XDoseCl

plasma

uH

Validation of in vitro / in vivo extrapolation

61

• In vivo pharmacokinetic studies

– In vivo intrinsic clearance (homogeneous model)

XDQAUC

XDQ

f

1Cl

uIVHIV

uIVH

uorgan vivo, inint,

Validation of in vitro / in vivo extrapolation

62

Clearance model In vivo PKIn vitro

metabolism

Vmax

KM

Clint, in vitro, test tube

CltotClH

Clint, in vitro, organ

Scaling factors

Clint, in vivo, organ

Validation of in vitro / in vivo extrapolation

63

Clint,in vitro (mL/min/g liver)

Cl in

t,in

vivo

(m

L/m

in/g

live

r)

Iwatsubo et al.Pharmacol Ther, 73, 147-171, 1997

lidocaïne

warfarin

Correct prediction

Important underestimation

Validation of in vitro / in vivo extrapolation

64

Reasons for discrepancies between Clint,in

vitro and Clint,in vivo

• Extra-hepatic metabolism

• Drug transport through membranes– Slow equilibrium between blood and hepatocytes– Presence of active transport

• Interindividual variability– Intrinsic : genetic polymorphism / P450 identification– Extrinsic : liver sample handling / scaling factors

65

Clint,in vitro (L/min/106 cells)

EH : classification of compounds

EARLY PHARMACOKINETIC SCREENING

LOW INTERMEDIATE HIGH

Hepatic extraction ratios

ORAL BIOAVAILABILITY

HIGH INTERMEDIATE LOW

high

low

Lavé et al.Clin Pharmacokinet, 36, 1999

Validation of in vitro / in vivo extrapolation