Development of a physiologically-based pharmacokinetic model of the rat central nervous system

Central nervous system (CNS) drug disposition is dictated by a drug’s physicochemical properties and its ability to permeate physiological barriers. The blood–brain barrier (BBB), blood-cerebrospinal fluid barrier and centrally located drug transporter proteins influence drug disposition within the central nervous system. Attainment of adequate brain-to-plasma and cerebrospinal fluid-to-plasma partitioning is important in determining the efficacy of centrally acting therapeutics. We have developed a physiologically-based pharmacokinetic model of the rat CNS which incorporates brain interstitial fluid (ISF), choroidal epithelial and total cerebrospinal fluid (CSF) compartments and accurately predicts CNS pharmacokinetics. The model yielded reasonable predictions of unbound brain-to-plasma partition ratio (Kpuu,brain) and CSF:plasma ratio (CSF:Plasmau) using a series of in vitro permeability and unbound fraction parameters. When using in vitro permeability data obtained from L-mdr1a cells to estimate rat in vivo permeability, the model successfully predicted, to within 4-fold, Kpuu,brain and CSF:Plasmau for 81.5% of compounds simulated. The model presented allows for simultaneous simulation and analysis of both brain biophase and CSF to accurately predict CNS pharmacokinetics from preclinical drug parameters routinely available during discovery and development pathways.

Physiologically based pharmacokinetic modelling in drug delivery

The application of pharmacokinetic modelling within the drug development field essentially allows one to develop a quantitative description of the temporal behaviour of a compound of interest at a tissue/organ level, by identifying and defining relationships between a dose of a drug and dependent variables. In order to understand and characterise the pharmacokinetics of a drug, it is often helpful to employ pharmacokinetic modelling using empirical or mechanistic approaches. Pharmacokinetic models can be developed within mathematical and statistical commercial software such as MATLAB using traditional mathematical and computation coding, or by using the Simbiology Toolbox available within MATLAB for a graphical user interface approach to developing pharmacokinetic (PBPK) models. For formulations dosed orally, a prerequisite for clinical activity is the entry of the drug into the systemic circulation.

Physiologically based synthetic models of hepatic disposition

Current Physiologically based pharmacokinetic (PBPK) models are inductive. We present an additional, different approach that is based on the synthetic rather than the inductive approach to modeling and simulation. It relies on object-oriented programming A model of the referent system in its experimental context is synthesized by assembling objects that represent components such as molecules, cells, aspects of tissue architecture, catheters, etc. The single pass perfused rat liver has been well described in evaluating hepatic drug pharmacokinetics (PK) and is the system on which we focus. In silico experiments begin with administration of objects representing actual compounds. Data are collected in a manner analogous to that in the referent PK experiments. The synthetic modeling method allows for recognition and representation of discrete event and discrete time processes, as well as heterogeneity in organization, function, and spatial effects. An application is developed for sucrose and antipyrine, administered separately and together PBPK modeling has made extensive progress in characterizing abstracted PK properties but this has also been its limitation. Now, other important questions and possible extensions emerge. How are these PK properties and the observed behaviors generated? The inherent heuristic limitations of traditional models have hindered getting meaningful, detailed answers to such questions. Synthetic models of the type described here are specifically intended to help answer such questions. Analogous to wet-lab experimental models, they retain their applicability even when broken apart into sub-components. Having and applying this new class of models along with traditional PK modeling methods is expected to increase the productivity of pharmaceutical research at all levels that make use of modeling and simulation.

Methodology for development of a physiological model incorporating CYP3A and P-glycoprotein for the prediction of intestinal drug absorption

The small intestine poses a major barrier to the efficient absorption of orally administered therapeutics. Intestinal epithelial cells are an extremely important site for extrahepatic clearance, primarily due to prominent P-glycoprotein-mediated active efflux and the presence of cytochrome P450s. We describe a physiologically based pharmacokinetic model which incorporates geometric variations, pH alterations and descriptions of the abundance and distribution of cytochrome 3A and P-glycoprotein along the length of the small intestine. Simulations using preclinical in vitro data for model drugs were performed to establish the influence of P-glycoprotein efflux, cytochrome 3A metabolism and passive permeability on drug available for absorption within the enterocytes. The fraction of drug escaping the enterocyte (F(G)) for 10 cytochrome 3A substrates with a range of intrinsic metabolic clearances were simulated. Following incorporation of P-glycoprotein in vitro efflux ratios all predicted F(G) values were within 20% of observed in vivo F(G). The presence of P-glycoprotein increased the level of cytochrome 3A drug metabolism by up to 12-fold in the distal intestine. F(G) was highly sensitive to changes in intrinsic metabolic clearance but less sensitive to changes in intestinal drug permeability. The model will be valuable for quantifying aspects of intestinal drug absorption and distribution.

Caractérisation de la toxicocinétique de l’octylphénol chez le rat en vue d’une meilleure analyse de risque toxicologique des perturbateurs endocriniens

Le p-tert-octylphénol est un produit présent dans l’environnement et issu de la dégradation des alkylphénols éthoxylés. Ce composé a la capacité de se lier au récepteur œstrogénique et d’exercer ainsi un léger effet œstrogénique. Les objectifs de cette étude étaient de 1) développer une méthode d'identification de l'octylphénol dans le sang et les tissus à l'aide de la chromatographie en phase gazeuse jumelée à la spectrométrie de masse, 2) caractériser la toxicocinétique sanguine et tissulaire de l’octylphénol chez le rat Sprague-Dawley mâle et femelle et 3) développer un modèle toxicocinétique à base physiologique permettant de décrire la cinétique sanguine et tissulaire de l’octylphénol inchangé. Pour ce faire, des rats mâle et femelle Sprague-Dawley ont reçu des doses uniques d’octylphénol par les voies intraveineuse, orale et sous-cutanée. Deux autres groupes ont reçu des doses répétées d'octylphénol par voie orale pour une durée de 35 jours consécutifs pour les femelles ou 60 jours pour les mâles. Les concentrations sanguines et tissulaires d’octylphénol ont été mesurées à différents moments après administration à partir d’une méthode d’analyse développée dans nos laboratoires dans le cadre de ce projet. Les expériences impliquant des administrations uniques ont montré que les concentrations sanguines et tissulaires d'octylphénol étaient en général plus élevées chez les femelles que chez les mâles. Des expériences réalisées avec des microsomes hépatiques ont confirmé que ces différences étaient vraisemblablement reliées au métabolisme de l'octylphénol. Les expériences impliquant des administrations répétées ont montré qu'il n'y avait pas d'accumulation d'octylphénol dans l'organisme aux doses étudiées. Les résultats obtenus expérimentalement ont servi à développer et valider un modèle toxicocinétique à base physiologique. Ce modèle a permis de simuler adéquatement les concentrations sanguines et tissulaires d'octylphénol suite à des expositions intraveineuses, orales et sous-cutanées. En conclusion, cette étude a fourni des données essentielles sur la toxicocinétique de l'octylphénol. Ces données sont nécessaires pour établir la relation entre la dose externe et la dose interne et vont contribuer à une meilleure évaluation des risques liés à l'octylphénol.

Prédiction des impacts pharmacocinétiques des interactions médicamenteuses impliquant des CYP3A et les glycoprotéines-P : développement de modèles physiologiques et analyse de sensibilité

Les propriétés pharmacocinétiques d’un nouveau médicament et les risques d’interactions médicamenteuses doivent être investigués très tôt dans le processus de recherche et développement. L’objectif principal de cette thèse était de concevoir des approches prédictives de modélisation du devenir du médicament dans l’organisme en présence et en absence de modulation d’activité métabolique et de transport. Le premier volet de recherche consistait à intégrer dans un modèle pharmacocinétique à base physiologique (PBPK), le transport d’efflux membranaire gouverné par les glycoprotéines-P (P-gp) dans le cœur et le cerveau. Cette approche, basée sur des extrapolations in vitro-in vivo, a permis de prédire la distribution tissulaire de la dompéridone chez des souris normales et des souris déficientes pour les gènes codant pour la P-gp. Le modèle a confirmé le rôle protecteur des P-gp au niveau cérébral, et a suggéré un rôle négligeable des P-gp dans la distribution tissulaire cardiaque pour la dompéridone. Le deuxième volet de cette recherche était de procéder à l’analyse de sensibilité globale (ASG) du modèle PBPK précédemment développé, afin d’identifier les paramètres importants impliqués dans la variabilité des prédictions, tout en tenant compte des corrélations entre les paramètres physiologiques. Les paramètres importants ont été identifiés et étaient principalement les paramètres limitants des mécanismes de transport à travers la membrane capillaire. Le dernier volet du projet doctoral consistait à développer un modèle PBPK apte à prédire les profils plasmatiques et paramètres pharmacocinétiques de substrats de CYP3A administrés par voie orale à des volontaires sains, et de quantifier l’impact d’interactions médicamenteuses métaboliques (IMM) sur la pharmacocinétique de ces substrats. Les prédictions des profils plasmatiques et des paramètres pharmacocinétiques des substrats des CYP3A ont été très comparables à ceux mesurés lors d’études cliniques. Quelques écarts ont été observés entre les prédictions et les profils plasmatiques cliniques mesurés lors d’IMM. Cependant, l’impact de ces inhibitions sur les paramètres pharmacocinétiques des substrats étudiés et l’effet inhibiteur des furanocoumarins contenus dans le jus de pamplemousse ont été prédits dans un intervalle d’erreur très acceptable. Ces travaux ont contribué à démontrer la capacité des modèles PBPK à prédire les impacts pharmacocinétiques des interactions médicamenteuses avec une précision acceptable et prometteuse.

Évaluation des niveaux d’éthanolémie résultant de l’exposition à l’éthanol par inhalation : études chez des volontaires et modélisation toxicocinétique

Un modèle pharmacocinétique à base physiologique (PBPK) d’exposition par inhalation à l’éthanol a antérieurement été développé en se basant sur des données provenant d’une étude chez des volontaires exposés par inhalation à plus de 5000 ppm. Cependant, une incertitude persiste sur la capacité du modèle PBPK à prédire les niveaux d’éthanolémie pour des expositions à de faibles concentrations. Ces niveaux sont fréquemment rencontrés par une large partie de la population et des travailleurs suite à l’utilisation de produits tels que les vernis et les solutions hydroalcooliques (SHA). Il est ainsi nécessaire de vérifier la validité du modèle existant et de déterminer l’exposition interne à l’éthanol dans de telles conditions. Les objectifs du mémoire sont donc 1) de documenter les niveaux d’éthanolémie résultant de l’exposition par inhalation à de faibles concentrations d’éthanol (i.e., ≤ 1000 ppm) et de valider/raffiner le modèle PBPK existant pour ces concentrations ; et 2) de déterminer les concentrations d’éthanol atmosphérique provenant d’utilisation de SHA et de vernis et de prédire les niveaux d’éthanolémie découlant de leur utilisation. Les données toxicocinétiques récoltées chez des volontaires nous suggèrent qu’il est insuffisant de limiter au foie la clairance métabolique de l’éthanol lors d’exposition à de faibles niveaux d’éthanol, contrairement aux expositions à de plus forts niveaux. De plus, il a clairement été démontré qu’un effort physique léger (50 W) influençait à la hausse (2-3 fois) l’éthanolémie des volontaires exposés à 750 ppm. L’ajout au modèle PBPK d’une clairance métabolique de haute affinité et de faible capacité associée aux tissus richement perfusés a permis de simuler plus adéquatement la cinétique de l’éthanolémie pour des expositions à des concentrations inférieures à 1000 ppm. Des mesures de concentrations d’éthanol dans l’air inhalé générées lors d’utilisation de SHA et de vernis ont permis de simuler des expositions lors de l’utilisation de ces produits. Pour l’utilisation de 1,5 g et 3 g de SHA dans un local peu ventilé, des concentrations sanguines maximales (Cmax) de 0.383 et 0.366 mg.L-1 ont été respectivement simulées. Dans un local bien ventilé, les Cmax simulées étaient de 0.264 et 0.414 mg.L-1. Selon les simulations, une application de vernis résulterait en une Cmax respectivement de 0.719 mg.L-1 et de 0.729 mg.L-1, chez les hommes et femmes. Les Cmax sanguines d’éthanol estimées suites aux différentes simulations sont inférieures à la concentration toxique pour les humains (100 mg.L-1). Ainsi, de telles expositions ne semblent pas être un danger pour la santé. Les résultats de cette étude ont permis de mieux décrire et comprendre les processus d’élimination de l’éthanol à faibles doses et permettront de raffiner l’évaluation du risque associé à l’inhalation chronique de faibles niveaux d’éthanol pour la population, particulièrement chez les travailleurs.

Comparison of tissue dosimetry in the mouse following chronic exposure to arsenic compounds

Several chronic bioassays have been conducted in multiple strains of mice in which various concentrations of arsenate or arsenite were administered in the drinking water without a tumorigenic effect. However, one study (Ng et al., 1999) reported a significant increase in tumor incidence in C57Bl/6J mice exposed to arsenic in their drinking water throughout their lifetime, with no tumors reported in controls. A physiologically based pharmacokinetic model for arsenic in the mouse has previously been developed (Gentry et al., 2004) to investigate potential differences in tissue dosimetry of arsenic species across various strains of mice. Initial results indicated no significant differences in blood, liver, or urine dosimetry in B6C3F1 and C57Bl/6 mice for acute or subchronic exposure. The current work was conducted to compare model-predicted estimates of tissue dosimetry to additional kinetic information from the (C57Bl/6 x CBA)F1 and TgAc mouse. The results from the current modeling indicate that the pharmacokinetic parameters derived based on information in the B6C3F1 mouse adequately describe the measured concentrations in the blood/plasma, liver, and urine of both the (C57Bl/6 x CBA)F1 and TgAc mouse, providing further support that the differences in response observed in the chronic bioassays are not related to strain-specific differences in pharmacokinetics. One significant finding was that no increases in skin or lung concentrations of arsenic species in the (C57Bl/6 x CBA)F1 strain were observed following administration of low concentrations (0.2 or 2 mg/L) of arsenate in the drinking water, even though differences in response in the skin were reported. These data suggest that pharmacodynamic changes may be observed following exposure to arsenic compounds without an observable change in tissue dosimetry. These results provided further indirect support for the existence of inducible arsenic efflux in these tissues.

Ion-trapping, microsomal binding, and unbound drug distribution in the hepatic retention of basic drugs

This study investigated the relative contribution of ion-trapping, microsomal binding, and distribution of unbound drug as determinants in the hepatic retention of basic drugs in the isolated perfused rat liver. The ionophore monensin was used to abolish the vesicular proton gradient and thus allow an estimation of ion-trapping by acidic hepatic vesicles of cationic drugs. In vitro microsomal studies were used to independently estimate microsomal binding and metabolism. Hepatic vesicular ion-trapping, intrinsic elimination clearance, permeability-surface area product, and intracellular binding were derived using a physiologically based pharmacokinetic model. Modeling showed that the ion-trapping was significantly lower after monensin treatment for atenolol and propranolol, but not for antipyrine. However, no changes induced by monensin treatment were observed in intrinsic clearance, permeability, or binding for the three model drugs. Monensin did not affect binding or metabolic activity in vitro for the drugs. The observed ion-trapping was similar to theoretical values estimated using the pHs and fractional volumes of the acidic vesicles and the pK(a) values of drugs. Lipophilicity and pK(a) determined hepatic drug retention: a drug with low pK(a) and low lipophilicity (e.g., antipyrine) distributes as unbound drug, a drug with high pK(a) and low lipophilicity (e.g., atenolol) by ion-trapping, and a drug with a high pK(a) and high lipophilicity (e.g., propranolol) is retained by ion-trapping and intracellular binding. In conclusion, monensin inhibits the ion-trapping of high pK(a) basic drugs, leading to a reduction in hepatic retention but with no effect on hepatic drug extraction.

Disposition kinetics of propranolol isomers in the perfused rat liver

The aim of this study was to define the determinants of the linear hepatic disposition kinetics of propranolol optical isomers using a perfused rat liver. Monensin was used to abolish the lysosomal proton gradient to allow an estimation of propranolol ion trapping by hepatic acidic vesicles. In vitro studies were used for independent estimates of microsomal binding and intrinsic clearance. Hepatic extraction and mean transit time were determined from outflow-concentration profiles using a nonparametric method. Kinetic parameters were derived from a physiologically based pharmacokinetic model. Modeling showed an approximate 34-fold decrease in ion trapping following monensin treatment. The observed model-derived ion trapping was similar to estimated theoretical values. No differences in ion-trapping values was found between R(+)- and S(-)- propranolol. Hepatic propranolol extraction was sensitive to changes in liver perfusate flow, permeability-surface area product, and intrinsic clearance. Ion trapping, microsomal and nonspecific binding, and distribution of unbound propranolol accounted for 47.4, 47.1, and 5.5% of the sequestration of propranolol in the liver, respectively. It is concluded that the physiologically more active S(-)- propranolol differs from the R(+)- isomer in higher permeability-surface area product, intrinsic clearance, and intracellular binding site values.

Using a pharmacokinetic model to interpret biomonitoring data of PBDEs in the Australian population

From human biomonitoring data that are increasingly collected in the United States, Australia, and in other countries from large-scale field studies, we obtain snap-shots of concentration levels of various persistent organic pollutants (POPs) within a cross section of the population at different times. Not only can we observe the trends within this population with time, but we can also gain information going beyond the obvious time trends. By combining the biomonitoring data with pharmacokinetic modeling, we can re-construct the time-variant exposure to individual POPs, determine their intrinsic elimination half-lives in the human body, and predict future levels of POPs in the population. Different approaches have been employed to extract information from human biomonitoring data. Pharmacokinetic (PK) models were combined with longitudinal data1, with single2 or multiple3 average concentrations of a cross-sectional data (CSD), or finally with multiple CSD with or without empirical exposure data4. In the latter study, for the first time, the authors based their modeling outputs on two sets of CSD and empirical exposure data, which made it possible that their model outputs were further constrained due to the extensive body of empirical measurements. Here we use a PK model to analyze recent levels of PBDE concentrations measured in the Australian population. In this study, we are able to base our model results on four sets5-7 of CSD; we focus on two PBDE congeners that have been shown3,5,8-9 to differ in intake rates and half-lives with BDE-47 being associated with high intake rates and a short half-life and BDE-153 with lower intake rates and a longer half-life. By fitting the model to PBDE levels measured in different age groups in different years, we determine the level of intake of BDE-47 and BDE-153, as well as the half-lives of these two chemicals in the Australian population.