Prediction of infant drug exposure through breastfeeding: population PK modeling and simulation of fluoxetine

BACKGROUND: Risks of significant infant drug exposurethrough breastmilk are poorly defined for many drugs, and largescalepopulation data are lacking. We used population pharmacokinetics(PK) modeling to predict fluoxetine exposure levels ofinfants via mother's milk in a simulated population of 1000 motherinfantpairs.METHODS: Using our original data on fluoxetine PK of 25breastfeeding women, a population PK model was developed withNONMEM and parameters, including milk concentrations, wereestimated. An exponential distribution model was used to account forindividual variation. Simulation random and distribution-constrainedassignment of doses, dosing time, feeding intervals and milk volumewas conducted to generate 1000 mother-infant pairs with characteristicssuch as the steady-state serum concentrations (Css) and infantdose relative to the maternal weight-adjusted dose (relative infantdose: RID). Full bioavailability and a conservative point estimate of1-month-old infant CYP2D6 activity to be 20% of the adult value(adjusted by weigth) according to a recent study, were assumed forinfant Css calculations.RESULTS: A linear 2-compartment model was selected as thebest model. Derived parameters, including milk-to-plasma ratios(mean: 0.66; SD: 0.34; range, 0 - 1.1) were consistent with the valuesreported in the literature. The estimated RID was below 10% in >95%of infants. The model predicted median infant-mother Css ratio was0.096 (range 0.035 - 0.25); literature reported mean was 0.07 (range0-0.59). Moreover, the predicted incidence of infant-mother Css ratioof >0.2 was less than 1%.CONCLUSION: Our in silico model prediction is consistent withclinical observations, suggesting that substantial systemic fluoxetineexposure in infants through human milk is rare, but further analysisshould include active metabolites. Our approach may be valid forother drugs. [supported by CIHR and Swiss National Science Foundation(SNSF)]

Optimisation of antiretroviral therapy : pharmacokinetic and pharmacogenetic approaches

Les progrès de la thérapie antirétrovirale ont transformé l'infection par le VIH d'une condition inévitablement fatale à une maladie chronique. En dépit de ce succès, l'échec thérapeutique et la toxicité médicamenteuse restent fréquents. Une réponse inadéquate au traitement est clairement multifactorielle et une individualisation de la posologie des médicaments qui se baserait sur les facteurs démographiques et génétiques des patients et sur les taux sanguins totaux, libres et/ou cellulaires des médicaments pourrait améliorer à la fois l'efficacité et la tolérance de la thérapie, cette dernière étant certainement un enjeu majeur pour un traitement qui se prend à vie.L'objectif global de cette thèse était de mieux comprendre les facteurs pharmacocinétiques (PK) et pharmacogénétiques (PG) influençant l'exposition aux médicaments antirétroviraux (ARVs) nous offrant ainsi une base rationnelle pour l'optimisation du traitement antiviral et pour l'ajustement posologique des médicaments chez les patients VIH-positifs. Une thérapie antirétrovirale adaptée au patient est susceptible d'augmenter la probabilité d'efficacité et de tolérance à ce traitement, permettant ainsi une meilleure compliance à long terme, et réduisant le risque d'émergence de résistance et d'échec thérapeutique.A cet effet, des méthodes de quantification des concentrations plasmatiques totales, libres et cellulaires des ARVs ainsi que de certains de leurs métabolites ont été développées et validées en utilisant la chromatographie liquide coupée à la spectrométrie de masse en tandem. Ces méthodes ont été appliquées pour la surveillance des taux d'ARVs dans diverses populations de patients HIV-positifs. Une étude clinique a été initiée dans le cadre de l'étude VIH Suisse de cohorte mère-enfant afin de déterminer si la grossesse influence la cinétique des ARVs. Les concentrations totales et libres du lopînavir, de l'atazanavir et de la névirapine ont été déterminées chez les femmes enceintes suivies pendant leur grossesse, et celles-ci ont été trouvées non influencées de manière cliniquement significative par la grossesse. Un ajustement posologique de ces ARVs n'est donc pas nécessaire chez les femmes enceintes. Lors d'une petite étude chez des patients HIV- positifs expérimentés, la corrélation entre l'exposition cellulaire et plasmatique des nouveaux ARVs, notamment le raltégravir, a été déterminée. Une bonne corrélation a été obtenue entre taux plasmatiques et cellulaires de raltégravir, suggérant que la surveillance des taux totaux est un substitut satisfaisant. Cependant, une importante variabilité inter¬patient a été observée dans les ratios d'accumulation cellulaire du raltégravir, ce qui devrait encourager des investigations supplémentaires chez les patients en échec sous ce traitement. L'efficacité du suivi thérapeutique des médicaments (TDM) pour l'adaptation des taux d'efavirenz chez des patients avec des concentrations au-dessus de la cible thérapeutique recommandée a été évaluée lors d'une étude prospective. L'adaptation des doses d'efavirenz basée sur le TDM s'est montrée efficace et sûre, soutenant l'utilisation du TDM chez les patients avec concentrations hors cible thérapeutique. L'impact des polymorphismes génétiques des cytochromes P450 (CYP) 2B6, 2A6 et 3A4/5 sur la pharmacocinétique de l'efavirenz et de ces métabolites a été étudié : un modèle de PK de population intégrant les covariats génétiques et démographiques a été construit. Les variations génétiques fonctionnelles dans les voies de métabolisation principales (CYP2B6) et accessoires {CYP2A6et 3A4/S) de l'efavirenz ont un impact sur sa disposition, et peuvent mener à des expositions extrêmes au médicament. Un? ajustement des doses guidé par le TDM est donc recommandé chez ces patients, en accord avec les polymorphismes génétiques.Ainsi, nous avons démonté qu'en utilisant une approche globale tenant compte à la fois des facteurs PK et PG influençant l'exposition aux ARVs chez les patients infectés, il est possible, si nécessaire, d'individualiser la thérapie antirétrovirale dans des situations diverses. L'optimisation du traitement antirétroviral contribue vraisemblablement à une meilleure efficacité thérapeutique à iong terme tout en réduisant la survenue d'effets indésirables.Résumé grand publicOptimisation de la thérapie antirétrovirale: approches pharmacocinétiques et pharmacogénétiquesLes progrès effectués dans le traitement de l'infection par le virus de llmmunodéficienoe humaine acquise (VIH) ont permis de transformer une affection mortelle en une maladie chronique traitable avec des médicaments de plus en plus efficaces. Malgré ce succès, un certain nombre de patients ne répondent pas de façon optimale à leur traitement etyou souffrent d'effets indésirables médicamenteux entraînant de fréquentes modifications dans leur thérapie. Il a été possible de mettre en évidence que l'efficacité d'un traitement antirétroviral est dans la plupart des cas corrélée aux concentrations de médicaments mesurées dans le sang des patients. Cependant, le virus se réplique dans la cellule, et seule la fraction des médicaments non liée aux protéines du plasma sanguin peut entrer dans la cellule et exercer l'activité antirétrovirale au niveau cellulaire. Il existe par ailleurs une importante variabilité des concentrations sanguines de médicament chez des patients prenant pourtant la même dose de médicament. Cette variabilité peut être due à des facteurs démographiques et/ou génétiques susceptibles d'influencer la réponse au traitement antirétroviral.Cette thèse a eu pour objectif de mieux comprendre les facteurs pharmacologiques et génétiques influençant l'efficacité et ta toxicité des médicaments antirétroviraux, dans le but d'individualiser la thérapie antivirale et d'améliorer le suivi des patients HIV-positifs.A cet effet, des méthodes de dosage très sensibles ont été développées pour permettre la quantification des médicaments antirétroviraux dans le sang et les cellules. Ces méthodes analytiques ont été appliquées dans le cadre de diverses études cliniques réalisées avec des patients. Une des études cliniques a recherché s'il y avait un impact des changements physiologiques liés à la grossesse sur les concentrations des médicaments antirétroviraux. Nous avons ainsi pu démontrer que la grossesse n'influençait pas de façon cliniquement significative le devenir des médicaments antirétroviraux chez les femmes enceintes HIV- positives. La posologie de médicaments ne devrait donc pas être modifiée dans cette population de patientes. Par ailleurs, d'autres études ont portés sur les variations génétiques des patients influençant l'activité enzymatique des protéines impliquées dans le métabolisme des médicaments antirétroviraux. Nous avons également étudié l'utilité d'une surveillance des concentrations de médicament (suivi thérapeutique) dans le sang des patients pour l'individualisation des traitements antiviraux. Il a été possible de mettre en évidence des relations significatives entre l'exposition aux médicaments antirétroviraux et l'existence chez les patients de certaines variations génétiques. Nos analyses ont également permis d'étudier les relations entre les concentrations dans le sang des patients et les taux mesurés dans les cellules où le virus HIV se réplique. De plus, la mesure des taux sanguins de médicaments antirétroviraux et leur interprétation a permis d'ajuster la posologie de médicaments chez les patients de façon efficace et sûre.Ainsi, la complémentarité des connaissances pharmacologiques, génétiques et virales s'inscrit dans l'optique d'une stratégie globale de prise en charge du patient et vise à l'individualisation de la thérapie antirétrovirale en fonction des caractéristiques propres de chaque individu. Cette approche contribue ainsi à l'optimisation du traitement antirétroviral dans la perspective d'un succès du traitement à long terme tout en réduisant la probabilité des effets indésirables rencontrés. - The improvement in antirétroviral therapy has transformed HIV infection from an inevitably fatal condition to a chronic, manageable disease. However, treatment failure and drug toxicity are frequent. Inadequate response to treatment is clearly multifactorial and, therefore, dosage individualisation based on demographic factors, genetic markers and measurement of total, free and/or cellular drug level may increase both drug efficacy and tolerability. Drug tolerability is certainly a major issue for a treatment that must be taken indefinitely.The global objective of this thesis aimed at increasing our current understanding of pharmacokinetic (PK) and pharmacogenetic (PG) factors influencing the exposition to antirétroviral drugs (ARVs) in HIV-positive patients. In turn, this should provide us with a rational basis for antiviral treatment optimisation and drug dosage adjustment in HIV- positive patients. Patient's tailored antirétroviral regimen is likely to enhance treatment effectiveness and tolerability, enabling a better compliance over time, and hence reducing the probability of emergence of viral resistance and treatment failure.To that endeavour, analytical methods for the measurement of total plasma, free and cellular concentrations of ARVs and some of their metabolites have been developed and validated using liquid chromatography coupled with tandem mass spectrometry. These assays have been applied for the monitoring of ARVs levels in various populations of HIV- positive patients. A clinical study has been initiated within the frame of the Mother and Child Swiss HIV Cohort Study to determine whether pregnancy influences the exposition to ARVs. Free and total plasma concentrations of lopinavir, atazanavir and nevirapine have been determined in pregnant women followed during the course of pregnancy, and were found not influenced to a clinically significant extent by pregnancy. Dosage adjustment for these drugs is therefore not required in pregnant women. In a study in treatment- experienced HIV-positive patients, the correlation between cellular and total plasma exposure to new antirétroviral drugs, notably the HIV integrase inhibitor raltegravir, has been determined. A good correlation was obtained between total and cellular levels of raltegravir, suggesting that monitoring of total levels are a satisfactory. However, significant inter-patient variability was observed in raltegravir cell accumulation which should prompt further investigations in patients failing under an integrase inhibitor-based regimen. The effectiveness of therapeutic drug monitoring (TDM) to guide efavirenz dose reduction in patients having concentrations above the recommended therapeutic range was evaluated in a prospective study. TDM-guided dosage adjustment of efavirenz was found feasible and safe, supporting the use of TDM in patients with efavirenz concentrations above therapeutic target. The impact of genetic polymorphisms of cytochromes P450 (CYP) 2B6, 2A6 and 3A4/5 on the PK of efavirenz and its metabolites was studied: a population PK model was built integrating both genetic and demographic covariates. Functional genetic variations in main (CYP2B6) and accessory (2A6, 3A4/5) metabolic pathways of efavirenz have an impact on efavirenz disposition, and may lead to extreme drug exposures. Dosage adjustment guided by TDM is thus required in those patients, according to the pharmacogenetic polymorphism.Thus, we have demonstrated, using a comprehensive approach taking into account both PK and PG factors influencing ARVs exposure in HIV-infected patients, the feasibility of individualising antirétroviral therapy in various situations. Antiviral treatment optimisation is likely to increase long-term treatment success while reducing the occurrence of adverse drug reactions.

Population pharmacokinetics of teicoplanin in children.

Teicoplanin is frequently administered to treat Gram-positive infections in pediatric patients. However, not enough is known about the pharmacokinetics (PK) of teicoplanin in children to justify the optimal dosing regimen. The aim of this study was to determine the population PK of teicoplanin in children and evaluate the current dosage regimens. A PK hospital-based study was conducted. Current dosage recommendations were used for children up to 16 years of age. Thirty-nine children were recruited. Serum samples were collected at the first dose interval (1, 3, 6, and 24 h) and at steady state. A standard 2-compartment PK model was developed, followed by structural models that incorporated weight. Weight was allowed to affect clearance (CL) using linear and allometric scaling terms. The linear model best accounted for the observed data and was subsequently chosen for Monte Carlo simulations. The PK parameter medians/means (standard deviation [SD]) were as follows: CL, [0.019/0.023 (0.01)] × weight liters/h/kg of body weight; volume, 2.282/4.138 liters (4.14 liters); first-order rate constant from the central to peripheral compartment (Kcp), 0.474/3.876 h(-1) (8.16 h(-1)); and first-order rate constant from peripheral to central compartment (Kpc), 0.292/3.994 h(-1) (8.93 h(-1)). The percentage of patients with a minimum concentration of drug in serum (Cmin) of <10 mg/liter was 53.85%. The median/mean (SD) total population area under the concentration-time curve (AUC) was 619/527.05 mg · h/liter (166.03 mg · h/liter). Based on Monte Carlo simulations, only 30.04% (median AUC, 507.04 mg · h/liter), 44.88% (494.1 mg · h/liter), and 60.54% (452.03 mg · h/liter) of patients weighing 50, 25, and 10 kg, respectively, attained trough concentrations of >10 mg/liter by day 4 of treatment. The teicoplanin population PK is highly variable in children, with a wider AUC distribution spread than for adults. Therapeutic drug monitoring should be a routine requirement to minimize suboptimal concentrations. (This trial has been registered in the European Clinical Trials Database Registry [EudraCT] under registration number 2012-005738-12.).

Improvement of therapeutic drug monitoring of imatinib by Bayesian prediction of trough levels. Personalized drug dosage

Aims: Plasma concentrations of imatinib differ largely between patients despite same dosage, owing to large inter-individual variability in pharmacokinetic (PK) parameters. As the drug concentration at the end of the dosage interval (Cmin) correlates with treatment response and tolerability, monitoring of Cmin is suggested for therapeutic drug monitoring (TDM) of imatinib. Due to logistic difficulties, random sampling during the dosage interval is however often performed in clinical practice, thus rendering the respective results not informative regarding Cmin values.Objectives: (I) To extrapolate randomly measured imatinib concentrations to more informative Cmin using classical Bayesian forecasting. (II) To extend the classical Bayesian method to account for correlation between PK parameters. (III) To evaluate the predictive performance of both methods.Methods: 31 paired blood samples (random and trough levels) were obtained from 19 cancer patients under imatinib. Two Bayesian maximum a posteriori (MAP) methods were implemented: (A) a classical method ignoring correlation between PK parameters, and (B) an extended one accounting for correlation. Both methods were applied to estimate individual PK parameters, conditional on random observations and covariate-adjusted priors from a population PK model. The PK parameter estimates were used to calculate trough levels. Relative prediction errors (PE) were analyzed to evaluate accuracy (one-sample t-test) and to compare precision between the methods (F-test to compare variances).Results: Both Bayesian MAP methods allowed non-biased predictions of individual Cmin compared to observations: (A) - 7% mean PE (CI95% - 18 to 4 %, p = 0.15) and (B) - 4% mean PE (CI95% - 18 to 10 %, p = 0.69). Relative standard deviations of actual observations from predictions were 22% (A) and 30% (B), i.e. comparable to the intraindividual variability reported. Precision was not improved by taking into account correlation between PK parameters (p = 0.22).Conclusion: Clinical interpretation of randomly measured imatinib concentrations can be assisted by Bayesian extrapolation to maximum likelihood Cmin. Classical Bayesian estimation can be applied for TDM without the need to include correlation between PK parameters. Both methods could be adapted in the future to evaluate other individual pharmacokinetic measures correlated to clinical outcomes, such as area under the curve(AUC).

Pharmacométrie de la ropivacaïne suivant l’anesthésie locorégionale chez les patients orthopédiques : caractérisation de l’intensité et de la durée du bloc sensitif

Introduction & Objectifs : Pour assurer l’analgésie postopératoire, l’anesthésiste dispose, en plus des différentes classes de médicaments administrés par voie orale ou intraveineuse, de diverses techniques pour bloquer l’influx nerveux douloureux en administrant les anesthésiques locaux (AL) de manière centrale ou périphérique. La ropivacaïne (ROP), un AL à longue durée d’action, est un médicament de première intention partout dans le monde, en raison de sa grande efficacité et de son faible risque de toxicité. Contrairement à certains pays, la ROP n'est toujours pas indiquée au Canada pour la rachianesthésie (bloc central) en raison d'un manque de données probantes. Jusqu'à présent, les efforts de recherche ont essentiellement porté sur la sécurité ainsi que sur la durée d’action du médicament lorsqu’administré par voie spinale. De plus, les doses optimales de ROP pour l’anesthésie régionale périphérique ne sont pas encore précisément connues. La posologie devrait être adaptée au site d’administration ainsi qu’à l’intensité et la durée du stimulus produit par la chirurgie. Ultimement, cela permettrait aux cliniciens d’identifier le régime optimal en fonction des facteurs démographiques qui pourraient affecter la pharmacocinétique (PK) et la pharmacodynamie (PD) de l’AL (objectif global de ces travaux). Validation de la Méthode Analytique Manuscrit 1 : Une méthode analytique spécifique et sensible permettant de déterminer les concentrations plasmatiques de ROP a d’abord été optimisée et validée. Validation du Biomarqueur Manuscrit 2 : Nous avons ensuite mis au point et évalué la fiabilité d’une méthode quantitative basée sur la mesure du seuil de perception sensorielle (CPT) chez le volontaire sain. Ce test nécessite l’application d’un courant électrique transcutané qui augmente graduellement et qui, selon la fréquence choisie, est capable de stimuler spécifiquement les fibres nerveuses impliquées dans le cheminement de l’influx nerveux douloureux. Les résultats obtenus chez les volontaires sains indiquent que la mesure CPT est fiable, reproductible et permet de suivre l’évolution temporelle du bloc sensitif. Études cliniques Manuscrit 3 : Nous avons ensuite caractérisé, pendant plus de 72 h, l’absorption systémique de la ROP lorsqu’administrée pour un bloc du nerf fémoral chez 19 patients subissant une chirurgie du genou. Le modèle PK populationnel utilisé pour analyser nos résultats comporte une absorption biphasique durant laquelle une fraction de la dose administrée pénètre rapidement (temps d’absorption moyen : 27 min, IC % 19 – 38 min) dans le flux sanguin systémique pendant que l’autre partie, en provenance du site de dépôt, est redistribuée beaucoup plus lentement (demi-vie (T1/2) : 2.6 h, IC % 1.6 – 4.3 h) vers la circulation systémique. Une relation statistiquement significative entre l’âge de nos patients et la redistribution de l’AL suggère que la perméabilité tissulaire est augmentée avec l’âge. Manuscrit 4 : Une analyse PK-PD du comportement sensitif du bloc fémoral (CPT) a été effectuée. Le modèle développé a estimé à 20.2 ± 10.1 mg la quantité de ROP nécessaire au site d’action pour produire 90 % de l’effet maximal (AE90). À 2 X la AE90, le modèle prédit un début d’action de 23.4 ± 12.5 min et une durée de 22.9 ± 5.3 h. Il s’agit de la première étude ayant caractérisé le comportement sensitif d’un bloc nerveux périphérique. Manuscrit 5 : La troisième et dernière étude clinique a été conduite chez les patients qui devaient subir une chirurgie du genou sous rachianesthésie. Tout comme pour le bloc du nerf fémoral, le modèle PK le plus approprié pour nos données suggère que l’absorption systémique de la ROP à partir du liquide céphalo-rachidien est biphasique; c.à.d. une phase initiale (T1/2 : 49 min, IC %: 24 – 77 min) suivie (délai: 18 ± 2 min) d'une phase légèrement plus lente (T1/2 : 66 min, IC %: 36 – 97 min). L’effet maximal a été observé beaucoup plus rapidement, soit aux environs de 12.6 ± 4.9 min, avant de revenir aux valeurs de base 210 ± 55 min suivant l’administration de l’agent. Ces données ont permis d’estimer une AE50 de 7.3 ± 2.3 mg pour l'administration spinale. Conclusion : En somme, ces modèles peuvent être utilisés pour prédire l’évolution temporelle du bloc sensitif de l’anesthésie rachidienne et périphérique (fémorale), et par conséquent, optimiser l’utilisation clinique de la ROP en fonction des besoins des cliniciens, notamment en ce qui a trait à l’âge du patient.

Utilisation et développement de techniques pharmacocinétiques avancées afin d’améliorer le développement de molécules pharmaceutiques

Malgré le progrès technologique et nos connaissances pharmaceutiques et médicales croissantes, le développement du médicament demeure un processus difficile, dispendieux, long et très risqué. Ce processus mérite d'être amélioré pour faciliter le développement de nouveaux traitements. À cette fin, cette thèse vise à démontrer l’utilité de principes avancés et d’outils élaborés en pharmacocinétique (PK), actuels et nouveaux. Ces outils serviront à répondre efficacement à des questions importantes lors du développement d’un médicament, sauvant ainsi du temps et des coûts. Le premier volet de la thèse porte sur l’utilisation de la modélisation et des simulations et la création d’un nouveau modèle afin d’établir la bioéquivalence entre deux formulations de complexe de gluconate ferrique de sodium en solution de sucrose pour injection. Comparé aux méthodes courantes, cette nouvelle approche proposée se libère de plusieurs présuppositions, et requiert moins de données. Cette technique bénéficie d’une robustesse scientifique tout en étant associée à des économies de temps et de coûts. Donc, même si développé pour produits génériques, elle pourra également s’avérer utile dans le développement de molécules innovatrices et « biosimilaires ». Le deuxième volet décrit l’emploi de la modélisation pour mieux comprendre et quantifier les facteurs influençant la PK et la pharmacodynamie (PD) d’une nouvelle protéine thérapeutique, la pegloticase. L’analyse a démontré qu’aucun ajustement posologique n’était nécessaire et ces résultats sont inclus dans la monographie officielle du produit. Grâce à la modélisation, on pouvait répondre à des questions importantes concernant le dosage d’un médicament sans passer par des nouvelles études ni d'évaluations supplémentaires sur les patients. Donc, l’utilisation de cet outil a permis de réduire les dépenses sans prolonger le processus de développement. Le modèle développé dans le cadre de cette analyse pourrait servir à mieux comprendre d’autres protéines thérapeutiques, incluant leurs propriétés immunogènes. Le dernier volet démontre l’utilité de la modélisation et des simulations dans le choix des régimes posologiques d’un antibiotique (TP-434) pour une étude de Phase 2. Des données provenant d’études de Phase 1 ont été modélisées au fur et à mesure qu’elles devenaient disponibles, afin de construire un modèle décrivant le profil pharmacocinétique du TP-434. Ce processus de modélisation exemplifiait les cycles exploratoires et confirmatoires décrits par Sheiner. Ainsi, en se basant sur des relations PK/PD d’un antibiotique de classe identique, des simulations ont été effectuées avec le modèle PK final, afin de proposer de nouveaux régimes posologiques susceptibles d’être efficace chez les patients avant même d'effectuer des études. Cette démarche rationnelle a mené à l’utilisation de régimes posologiques avec une possibilité accrue d’efficacité, sans le dosage inutile des patients. Ainsi, on s’est dispensé d’études ou de cohortes supplémentaires coûteuses qui auraient prolongé le processus de développement. Enfin, cette analyse est la première à démontrer l’application de ces techniques dans le choix des doses d’antibiotique pour une étude de Phase 2. En conclusion, cette recherche démontre que des outils de PK avancés comme la modélisation et les simulations ainsi que le développement de nouveaux modèles peuvent répondre efficacement et souvent de manière plus robuste à des questions essentielles lors du processus de développement du médicament, tout en réduisant les coûts et en épargnant du temps.

Population pharmacokinetics of hydroxychloroquine in patients with rheumatoid arthritis

Hydroxychloroquine (HCQ) is an antimalarial drug that is also used as a second-line treatment of rheumatoid arthritis (RA). Clinically, the use of HCQ is characterized by a long delay in the onset of action, and withdrawal of treatment is often a result of inefficacy rather than from toxicity. The slow onset of action can be attributed to the pharmacokinetics (PK) of HCQ, and wide interpatient variability is evident. Tentative relationships between concentration and effect have been made, but to date, no population PK model has been developed for HCQ. This study aimed to develop a population PK model including an estimation of the oral bioavailability of HCQ. In addition, the effects of the coadministration of methotrexate on the PK of HCQ were examined. Hydroxychloroquine blood concentration data were combined from previous pharmacokinetic studies in patients with rheumatoid arthritis. A total of 123 patients were studied, giving the data cohort from four previously published studies. Two groups of patients were included: 74 received hydroxychloroquine (HCQ) alone, and 49 received HCQ and methotrexate (MTX). All data analyses were carried out using the NONMEM program. A one-compartment PK model was supported, rather than a three-compartment model as previously published, probably because of the clustering of concentrations taken at the end of a dosing interval. The population estimate of bioavailability of 0.75 (0.07), n = 9, was consistent with literature values. The parameter values from the final model were: (Cl) over bar = 9.9 +/- 0.4 L/h, (V) over bar 605 +/- 91 L, (k(d)) over bar = 0.77 +/- 0.22 hours(-1), (t(tag)) over bar = 0.44 +/- 0.02 hours. Clearance was not affected by the presence of MTX, and, hence, steady-state drug concentrations and maintenance dosage requirements were similar. A population PK model was successfully developed for HCQ.

Modelagem multiescala de fenômenos eletrocinéticos em meios porosos carregados eletricamente: aplicação a meios porosos argilosos

In this master thesis, we propose a multiscale mathematical and computational model for electrokinetic phenomena in porous media electrically charged. We consider a porous medium rigid and incompressible saturated by an electrolyte solution containing four monovalent ionic solutes completely diluted in the aqueous solvent. Initially we developed the modeling electrical double layer how objective to compute the electrical potential, surface density of electrical charges and considering two chemical reactions, we propose a 2-pK model for calculating the chemical adsorption occurring in the domain of electrical double layer. Having the nanoscopic model, we deduce a model in the microscale, where the electrochemical adsorption of ions, protonation/ deprotonation reactions and zeta potential obtained in the nanoscale, are incorporated through the conditions of interface uid/solid of the Stokes problem and transportation of ions, modeled by equations of Nernst-Planck. Using the homogenization technique of periodic structures, we develop a model in macroscopic scale with respective cells problems for the e ective macroscopic parameters of equations. Finally, we propose several numerical simulations of the multiscale model for uid ow and transport of reactive ionic solute in a saturated aqueous solution of kaolinite. Using nanoscopic model we propose some numerical simulations of electrochemical adsorption phenomena in the electrical double layer. Making use of the nite element method discretize the macroscopic model and propose some numerical simulations in basic and acid system aiming to quantify the transport of ionic solutes in porous media electrically charged.

Modelagem multiescala de fenômenos eletrocinéticos em meios porosos carregados eletricamente: aplicação a meios porosos argilosos

In this master thesis, we propose a multiscale mathematical and computational model for electrokinetic phenomena in porous media electrically charged. We consider a porous medium rigid and incompressible saturated by an electrolyte solution containing four monovalent ionic solutes completely diluted in the aqueous solvent. Initially we developed the modeling electrical double layer how objective to compute the electrical potential, surface density of electrical charges and considering two chemical reactions, we propose a 2-pK model for calculating the chemical adsorption occurring in the domain of electrical double layer. Having the nanoscopic model, we deduce a model in the microscale, where the electrochemical adsorption of ions, protonation/ deprotonation reactions and zeta potential obtained in the nanoscale, are incorporated through the conditions of interface uid/solid of the Stokes problem and transportation of ions, modeled by equations of Nernst-Planck. Using the homogenization technique of periodic structures, we develop a model in macroscopic scale with respective cells problems for the e ective macroscopic parameters of equations. Finally, we propose several numerical simulations of the multiscale model for uid ow and transport of reactive ionic solute in a saturated aqueous solution of kaolinite. Using nanoscopic model we propose some numerical simulations of electrochemical adsorption phenomena in the electrical double layer. Making use of the nite element method discretize the macroscopic model and propose some numerical simulations in basic and acid system aiming to quantify the transport of ionic solutes in porous media electrically charged.

Radiotherapy Treatment Assessment using DCE-MRI

Abstract

The goal of modern radiotherapy is to precisely deliver a prescribed radiation dose to delineated target volumes that contain a significant amount of tumor cells while sparing the surrounding healthy tissues/organs. Precise delineation of treatment and avoidance volumes is the key for the precision radiation therapy. In recent years, considerable clinical and research efforts have been devoted to integrate MRI into radiotherapy workflow motivated by the superior soft tissue contrast and functional imaging possibility. Dynamic contrast-enhanced MRI (DCE-MRI) is a noninvasive technique that measures properties of tissue microvasculature. Its sensitivity to radiation-induced vascular pharmacokinetic (PK) changes has been preliminary demonstrated. In spite of its great potential, two major challenges have limited DCE-MRI’s clinical application in radiotherapy assessment: the technical limitations of accurate DCE-MRI imaging implementation and the need of novel DCE-MRI data analysis methods for richer functional heterogeneity information.

This study aims at improving current DCE-MRI techniques and developing new DCE-MRI analysis methods for particular radiotherapy assessment. Thus, the study is naturally divided into two parts. The first part focuses on DCE-MRI temporal resolution as one of the key DCE-MRI technical factors, and some improvements regarding DCE-MRI temporal resolution are proposed; the second part explores the potential value of image heterogeneity analysis and multiple PK model combination for therapeutic response assessment, and several novel DCE-MRI data analysis methods are developed.

I. Improvement of DCE-MRI temporal resolution. First, the feasibility of improving DCE-MRI temporal resolution via image undersampling was studied. Specifically, a novel MR image iterative reconstruction algorithm was studied for DCE-MRI reconstruction. This algorithm was built on the recently developed compress sensing (CS) theory. By utilizing a limited k-space acquisition with shorter imaging time, images can be reconstructed in an iterative fashion under the regularization of a newly proposed total generalized variation (TGV) penalty term. In the retrospective study of brain radiosurgery patient DCE-MRI scans under IRB-approval, the clinically obtained image data was selected as reference data, and the simulated accelerated k-space acquisition was generated via undersampling the reference image full k-space with designed sampling grids. Two undersampling strategies were proposed: 1) a radial multi-ray grid with a special angular distribution was adopted to sample each slice of the full k-space; 2) a Cartesian random sampling grid series with spatiotemporal constraints from adjacent frames was adopted to sample the dynamic k-space series at a slice location. Two sets of PK parameters’ maps were generated from the undersampled data and from the fully-sampled data, respectively. Multiple quantitative measurements and statistical studies were performed to evaluate the accuracy of PK maps generated from the undersampled data in reference to the PK maps generated from the fully-sampled data. Results showed that at a simulated acceleration factor of four, PK maps could be faithfully calculated from the DCE images that were reconstructed using undersampled data, and no statistically significant differences were found between the regional PK mean values from undersampled and fully-sampled data sets. DCE-MRI acceleration using the investigated image reconstruction method has been suggested as feasible and promising.

Second, for high temporal resolution DCE-MRI, a new PK model fitting method was developed to solve PK parameters for better calculation accuracy and efficiency. This method is based on a derivative-based deformation of the commonly used Tofts PK model, which is presented as an integrative expression. This method also includes an advanced Kolmogorov-Zurbenko (KZ) filter to remove the potential noise effect in data and solve the PK parameter as a linear problem in matrix format. In the computer simulation study, PK parameters representing typical intracranial values were selected as references to simulated DCE-MRI data for different temporal resolution and different data noise level. Results showed that at both high temporal resolutions (<1s) and clinically feasible temporal resolution (~5s), this new method was able to calculate PK parameters more accurate than the current calculation methods at clinically relevant noise levels; at high temporal resolutions, the calculation efficiency of this new method was superior to current methods in an order of 102. In a retrospective of clinical brain DCE-MRI scans, the PK maps derived from the proposed method were comparable with the results from current methods. Based on these results, it can be concluded that this new method can be used for accurate and efficient PK model fitting for high temporal resolution DCE-MRI.

II. Development of DCE-MRI analysis methods for therapeutic response assessment. This part aims at methodology developments in two approaches. The first one is to develop model-free analysis method for DCE-MRI functional heterogeneity evaluation. This approach is inspired by the rationale that radiotherapy-induced functional change could be heterogeneous across the treatment area. The first effort was spent on a translational investigation of classic fractal dimension theory for DCE-MRI therapeutic response assessment. In a small-animal anti-angiogenesis drug therapy experiment, the randomly assigned treatment/control groups received multiple fraction treatments with one pre-treatment and multiple post-treatment high spatiotemporal DCE-MRI scans. In the post-treatment scan two weeks after the start, the investigated Rényi dimensions of the classic PK rate constant map demonstrated significant differences between the treatment and the control groups; when Rényi dimensions were adopted for treatment/control group classification, the achieved accuracy was higher than the accuracy from using conventional PK parameter statistics. Following this pilot work, two novel texture analysis methods were proposed. First, a new technique called Gray Level Local Power Matrix (GLLPM) was developed. It intends to solve the lack of temporal information and poor calculation efficiency of the commonly used Gray Level Co-Occurrence Matrix (GLCOM) techniques. In the same small animal experiment, the dynamic curves of Haralick texture features derived from the GLLPM had an overall better performance than the corresponding curves derived from current GLCOM techniques in treatment/control separation and classification. The second developed method is dynamic Fractal Signature Dissimilarity (FSD) analysis. Inspired by the classic fractal dimension theory, this method measures the dynamics of tumor heterogeneity during the contrast agent uptake in a quantitative fashion on DCE images. In the small animal experiment mentioned before, the selected parameters from dynamic FSD analysis showed significant differences between treatment/control groups as early as after 1 treatment fraction; in contrast, metrics from conventional PK analysis showed significant differences only after 3 treatment fractions. When using dynamic FSD parameters, the treatment/control group classification after 1st treatment fraction was improved than using conventional PK statistics. These results suggest the promising application of this novel method for capturing early therapeutic response.

The second approach of developing novel DCE-MRI methods is to combine PK information from multiple PK models. Currently, the classic Tofts model or its alternative version has been widely adopted for DCE-MRI analysis as a gold-standard approach for therapeutic response assessment. Previously, a shutter-speed (SS) model was proposed to incorporate transcytolemmal water exchange effect into contrast agent concentration quantification. In spite of richer biological assumption, its application in therapeutic response assessment is limited. It might be intriguing to combine the information from the SS model and from the classic Tofts model to explore potential new biological information for treatment assessment. The feasibility of this idea was investigated in the same small animal experiment. The SS model was compared against the Tofts model for therapeutic response assessment using PK parameter regional mean value comparison. Based on the modeled transcytolemmal water exchange rate, a biological subvolume was proposed and was automatically identified using histogram analysis. Within the biological subvolume, the PK rate constant derived from the SS model were proved to be superior to the one from Tofts model in treatment/control separation and classification. Furthermore, novel biomarkers were designed to integrate PK rate constants from these two models. When being evaluated in the biological subvolume, this biomarker was able to reflect significant treatment/control difference in both post-treatment evaluation. These results confirm the potential value of SS model as well as its combination with Tofts model for therapeutic response assessment.

In summary, this study addressed two problems of DCE-MRI application in radiotherapy assessment. In the first part, a method of accelerating DCE-MRI acquisition for better temporal resolution was investigated, and a novel PK model fitting algorithm was proposed for high temporal resolution DCE-MRI. In the second part, two model-free texture analysis methods and a multiple-model analysis method were developed for DCE-MRI therapeutic response assessment. The presented works could benefit the future DCE-MRI routine clinical application in radiotherapy assessment.

Improving the use of G-CSF during chemotherapy using physiological mathematical modelling : a quantitative systems pharmacology approach

La diminution des doses administrées ou même la cessation complète d'un traitement chimiothérapeutique est souvent la conséquence de la réduction du nombre de neutrophiles, qui sont les globules blancs les plus fréquents dans le sang. Cette réduction dans le nombre absolu des neutrophiles, aussi connue sous le nom de myélosuppression, est précipitée par les effets létaux non spécifiques des médicaments anti-cancéreux, qui, parallèlement à leur effet thérapeutique, produisent aussi des effets toxiques sur les cellules saines. Dans le but d'atténuer cet impact myélosuppresseur, on administre aux patients un facteur de stimulation des colonies de granulocytes recombinant humain (rhG-CSF), une forme exogène du G-CSF, l'hormone responsable de la stimulation de la production des neutrophiles et de leurs libération dans la circulation sanguine. Bien que les bienfaits d'un traitement prophylactique avec le G-CSF pendant la chimiothérapie soient bien établis, les protocoles d'administration demeurent mal définis et sont fréquemment déterminés ad libitum par les cliniciens. Avec l'optique d'améliorer le dosage thérapeutique et rationaliser l'utilisation du rhG-CSF pendant le traitement chimiothérapeutique, nous avons développé un modèle physiologique du processus de granulopoïèse, qui incorpore les connaissances actuelles de pointe relatives à la production des neutrophiles des cellules souches hématopoïétiques dans la moelle osseuse. À ce modèle physiologique, nous avons intégré des modèles pharmacocinétiques/pharmacodynamiques (PK/PD) de deux médicaments: le PM00104 (Zalypsis®), un médicament anti-cancéreux, et le rhG-CSF (filgrastim). En se servant des principes fondamentaux sous-jacents à la physiologie, nous avons estimé les paramètres de manière exhaustive sans devoir recourir à l'ajustement des données, ce qui nous a permis de prédire des données cliniques provenant de 172 patients soumis au protocol CHOP14 (6 cycles de chimiothérapie avec une période de 14 jours où l'administration du rhG-CSF se fait du jour 4 au jour 13 post-chimiothérapie). En utilisant ce modèle physio-PK/PD, nous avons démontré que le nombre d'administrations du rhG-CSF pourrait être réduit de dix (pratique actuelle) à quatre ou même trois administrations, à condition de retarder le début du traitement prophylactique par le rhG-CSF. Dans un souci d'applicabilité clinique de notre approche de modélisation, nous avons investigué l'impact de la variabilité PK présente dans une population de patients, sur les prédictions du modèle, en intégrant des modèles PK de population (Pop-PK) des deux médicaments. En considérant des cohortes de 500 patients in silico pour chacun des cinq scénarios de variabilité plausibles et en utilisant trois marqueurs cliniques, soient le temps au nadir des neutrophiles, la valeur du nadir, ainsi que l'aire sous la courbe concentration-effet, nous avons établi qu'il n'y avait aucune différence significative dans les prédictions du modèle entre le patient-type et la population. Ceci démontre la robustesse de l'approche que nous avons développée et qui s'apparente à une approche de pharmacologie quantitative des systèmes (QSP). Motivés par l'utilisation du rhG-CSF dans le traitement d'autres maladies, comme des pathologies périodiques telles que la neutropénie cyclique, nous avons ensuite soumis l'étude du modèle au contexte des maladies dynamiques. En mettant en évidence la non validité du paradigme de la rétroaction des cytokines pour l'administration exogène des mimétiques du G-CSF, nous avons développé un modèle physiologique PK/PD novateur comprenant les concentrations libres et liées du G-CSF. Ce nouveau modèle PK a aussi nécessité des changements dans le modèle PD puisqu’il nous a permis de retracer les concentrations du G-CSF lié aux neutrophiles. Nous avons démontré que l'hypothèse sous-jacente de l'équilibre entre la concentration libre et liée, selon la loi d'action de masse, n'est plus valide pour le G-CSF aux concentrations endogènes et mènerait en fait à la surestimation de la clairance rénale du médicament. En procédant ainsi, nous avons réussi à reproduire des données cliniques obtenues dans diverses conditions (l'administration exogène du G-CSF, l'administration du PM00104, CHOP14). Nous avons aussi fourni une explication logique des mécanismes responsables de la réponse physiologique aux deux médicaments. Finalement, afin de mettre en exergue l’approche intégrative en pharmacologie adoptée dans cette thèse, nous avons démontré sa valeur inestimable pour la mise en lumière et la reconstruction des systèmes vivants complexes, en faisant le parallèle avec d’autres disciplines scientifiques telles que la paléontologie et la forensique, où une approche semblable a largement fait ses preuves. Nous avons aussi discuté du potentiel de la pharmacologie quantitative des systèmes appliquées au développement du médicament et à la médecine translationnelle, en se servant du modèle physio-PK/PD que nous avons mis au point.

Improving the use of G-CSF during chemotherapy using physiological mathematical modelling : a quantitative systems pharmacology approach

La diminution des doses administrées ou même la cessation complète d'un traitement chimiothérapeutique est souvent la conséquence de la réduction du nombre de neutrophiles, qui sont les globules blancs les plus fréquents dans le sang. Cette réduction dans le nombre absolu des neutrophiles, aussi connue sous le nom de myélosuppression, est précipitée par les effets létaux non spécifiques des médicaments anti-cancéreux, qui, parallèlement à leur effet thérapeutique, produisent aussi des effets toxiques sur les cellules saines. Dans le but d'atténuer cet impact myélosuppresseur, on administre aux patients un facteur de stimulation des colonies de granulocytes recombinant humain (rhG-CSF), une forme exogène du G-CSF, l'hormone responsable de la stimulation de la production des neutrophiles et de leurs libération dans la circulation sanguine. Bien que les bienfaits d'un traitement prophylactique avec le G-CSF pendant la chimiothérapie soient bien établis, les protocoles d'administration demeurent mal définis et sont fréquemment déterminés ad libitum par les cliniciens. Avec l'optique d'améliorer le dosage thérapeutique et rationaliser l'utilisation du rhG-CSF pendant le traitement chimiothérapeutique, nous avons développé un modèle physiologique du processus de granulopoïèse, qui incorpore les connaissances actuelles de pointe relatives à la production des neutrophiles des cellules souches hématopoïétiques dans la moelle osseuse. À ce modèle physiologique, nous avons intégré des modèles pharmacocinétiques/pharmacodynamiques (PK/PD) de deux médicaments: le PM00104 (Zalypsis®), un médicament anti-cancéreux, et le rhG-CSF (filgrastim). En se servant des principes fondamentaux sous-jacents à la physiologie, nous avons estimé les paramètres de manière exhaustive sans devoir recourir à l'ajustement des données, ce qui nous a permis de prédire des données cliniques provenant de 172 patients soumis au protocol CHOP14 (6 cycles de chimiothérapie avec une période de 14 jours où l'administration du rhG-CSF se fait du jour 4 au jour 13 post-chimiothérapie). En utilisant ce modèle physio-PK/PD, nous avons démontré que le nombre d'administrations du rhG-CSF pourrait être réduit de dix (pratique actuelle) à quatre ou même trois administrations, à condition de retarder le début du traitement prophylactique par le rhG-CSF. Dans un souci d'applicabilité clinique de notre approche de modélisation, nous avons investigué l'impact de la variabilité PK présente dans une population de patients, sur les prédictions du modèle, en intégrant des modèles PK de population (Pop-PK) des deux médicaments. En considérant des cohortes de 500 patients in silico pour chacun des cinq scénarios de variabilité plausibles et en utilisant trois marqueurs cliniques, soient le temps au nadir des neutrophiles, la valeur du nadir, ainsi que l'aire sous la courbe concentration-effet, nous avons établi qu'il n'y avait aucune différence significative dans les prédictions du modèle entre le patient-type et la population. Ceci démontre la robustesse de l'approche que nous avons développée et qui s'apparente à une approche de pharmacologie quantitative des systèmes (QSP). Motivés par l'utilisation du rhG-CSF dans le traitement d'autres maladies, comme des pathologies périodiques telles que la neutropénie cyclique, nous avons ensuite soumis l'étude du modèle au contexte des maladies dynamiques. En mettant en évidence la non validité du paradigme de la rétroaction des cytokines pour l'administration exogène des mimétiques du G-CSF, nous avons développé un modèle physiologique PK/PD novateur comprenant les concentrations libres et liées du G-CSF. Ce nouveau modèle PK a aussi nécessité des changements dans le modèle PD puisqu’il nous a permis de retracer les concentrations du G-CSF lié aux neutrophiles. Nous avons démontré que l'hypothèse sous-jacente de l'équilibre entre la concentration libre et liée, selon la loi d'action de masse, n'est plus valide pour le G-CSF aux concentrations endogènes et mènerait en fait à la surestimation de la clairance rénale du médicament. En procédant ainsi, nous avons réussi à reproduire des données cliniques obtenues dans diverses conditions (l'administration exogène du G-CSF, l'administration du PM00104, CHOP14). Nous avons aussi fourni une explication logique des mécanismes responsables de la réponse physiologique aux deux médicaments. Finalement, afin de mettre en exergue l’approche intégrative en pharmacologie adoptée dans cette thèse, nous avons démontré sa valeur inestimable pour la mise en lumière et la reconstruction des systèmes vivants complexes, en faisant le parallèle avec d’autres disciplines scientifiques telles que la paléontologie et la forensique, où une approche semblable a largement fait ses preuves. Nous avons aussi discuté du potentiel de la pharmacologie quantitative des systèmes appliquées au développement du médicament et à la médecine translationnelle, en se servant du modèle physio-PK/PD que nous avons mis au point.

Influence of Plasma Protein Binding on Pharmacodynamics: Estimation of In Vivo Receptor Affinities of beta Blockers Using a New Mechanism-Based PK-PD Modelling Approach

The objective of this investigation was to examine in a systematic manner the influence of plasma protein binding on in vivo pharmacodynamics. Comparative pharmacokinetic-pharmacodynamic studies with four beta blockers were performed in conscious rats, using heart rate under isoprenaline-induced tachycardia as a pharmacodynamic endpoint. A recently proposed mechanism-based agonist-antagonist interaction model was used to obtain in vivo estimates of receptor affinities (K(B),(vivo)). These values were compared with in vitro affinities (K(B),(vitro)) on the basis of both total and free drug concentrations. For the total drug concentrations, the K(B),(vivo) estimates were 26, 13, 6.5 and 0.89 nM for S(-)-atenolol, S(-)-propranolol, S(-)-metoprolol and timolol. The K(B),(vivo) estimates on the basis of the free concentrations were 25, 2.0, 5.2 and 0.56 nM, respectively. The K(B),(vivo)-K(B),(vitro) correlation for total drug concentrations clearly deviated from the line of identity, especially for the most highly bound drug S(-)-propranolol (ratio K(B),(vivo)/K(B),(vitro) similar to 6.8). For the free drug, the correlation approximated the line of identity. Using this model, for beta-blockers the free plasma concentration appears to be the best predictor of in vivo pharmacodynamics. (C) 2008 Wiley-Liss, Inc. and the American Pharmacists Association J Pharm Sci 98:3816-3828, 2009

Epidermal iontophoresis: II. Application of the ionic mobility-pore model to the transport of local anesthetics

Purpose, An in vitro study was carried out to determine the iontophoretic permeability of local anesthetics through human epidermis. The relationship between physicochemical structure and the permeability of these solutes was then examined using an ionic mobility-pore model developed to define quantitative relationships. Methods. The iontophoretic permeability of both ester-type anesthetics (procaine, butacaine, tetracaine) and amide-type anesthetics (prilocaine, mepivacaine, lidocaine, bupivacaine, etidocaine, cinchocaine) were determined through excised human epidermis over 2 hrs using a constant d.c. current and Ag/AgCl electrodes. Individual ion mobilities were determined from conductivity measurements in aqueous solutions. Multiple stepwise regression was applied to interrelate the iontophoretic permeability of the solutes with their physical properties to examine the appropriateness of the ionic mobility-pore model and to determine the best predictor of iontophoretic permeability of the local anesthetics. Results. The logarithm of the iontophoretic permeability coefficient (log PCj,iont) for local anesthetics was directly related to the log ionic mobility and MW for the free volume form of the model when other conditions are held constant. Multiple linear regressions confirmed that log PCj,iont was best defined by ionic mobility (and its determinants: conductivity, pK(a) and MW) and MW. Conclusions. Our results suggest that of the properties studied, the best predictors of iontophoretic transport of local anesthetics are ionic mobility (or pK(a)) and molecular size. These predictions are consistent with the ionic mobility pore model determined by the mobility of ions in the aqueous solution, the total current, epidermal permselectivity and other factors as defined by the model.