Limited sampling strategies for estimation of cyclosporine exposure in pediatric hematopoietic stem cell transplant recipients : methodological improvement and introduction of sampling time deviation analysis.

Le suivi thérapeutique est recommandé pour l’ajustement de la dose des agents immunosuppresseurs. La pertinence de l’utilisation de la surface sous la courbe (SSC) comme biomarqueur dans l’exercice du suivi thérapeutique de la cyclosporine (CsA) dans la transplantation des cellules souches hématopoïétiques est soutenue par un nombre croissant d’études. Cependant, pour des raisons intrinsèques à la méthode de calcul de la SSC, son utilisation en milieu clinique n’est pas pratique. Les stratégies d’échantillonnage limitées, basées sur des approches de régression (R-LSS) ou des approches Bayésiennes (B-LSS), représentent des alternatives pratiques pour une estimation satisfaisante de la SSC. Cependant, pour une application efficace de ces méthodologies, leur conception doit accommoder la réalité clinique, notamment en requérant un nombre minimal de concentrations échelonnées sur une courte durée d’échantillonnage. De plus, une attention particulière devrait être accordée à assurer leur développement et validation adéquates. Il est aussi important de mentionner que l’irrégularité dans le temps de la collecte des échantillons sanguins peut avoir un impact non-négligeable sur la performance prédictive des R-LSS. Or, à ce jour, cet impact n’a fait l’objet d’aucune étude. Cette thèse de doctorat se penche sur ces problématiques afin de permettre une estimation précise et pratique de la SSC. Ces études ont été effectuées dans le cadre de l’utilisation de la CsA chez des patients pédiatriques ayant subi une greffe de cellules souches hématopoïétiques. D’abord, des approches de régression multiple ainsi que d’analyse pharmacocinétique de population (Pop-PK) ont été utilisées de façon constructive afin de développer et de valider adéquatement des LSS. Ensuite, plusieurs modèles Pop-PK ont été évalués, tout en gardant à l’esprit leur utilisation prévue dans le contexte de l’estimation de la SSC. Aussi, la performance des B-LSS ciblant différentes versions de SSC a également été étudiée. Enfin, l’impact des écarts entre les temps d’échantillonnage sanguins réels et les temps nominaux planifiés, sur la performance de prédiction des R-LSS a été quantifié en utilisant une approche de simulation qui considère des scénarios diversifiés et réalistes représentant des erreurs potentielles dans la cédule des échantillons sanguins. Ainsi, cette étude a d’abord conduit au développement de R-LSS et B-LSS ayant une performance clinique satisfaisante, et qui sont pratiques puisqu’elles impliquent 4 points d’échantillonnage ou moins obtenus dans les 4 heures post-dose. Une fois l’analyse Pop-PK effectuée, un modèle structural à deux compartiments avec un temps de délai a été retenu. Cependant, le modèle final - notamment avec covariables - n’a pas amélioré la performance des B-LSS comparativement aux modèles structuraux (sans covariables). En outre, nous avons démontré que les B-LSS exhibent une meilleure performance pour la SSC dérivée des concentrations simulées qui excluent les erreurs résiduelles, que nous avons nommée « underlying AUC », comparée à la SSC observée qui est directement calculée à partir des concentrations mesurées. Enfin, nos résultats ont prouvé que l’irrégularité des temps de la collecte des échantillons sanguins a un impact important sur la performance prédictive des R-LSS; cet impact est en fonction du nombre des échantillons requis, mais encore davantage en fonction de la durée du processus d’échantillonnage impliqué. Nous avons aussi mis en évidence que les erreurs d’échantillonnage commises aux moments où la concentration change rapidement sont celles qui affectent le plus le pouvoir prédictif des R-LSS. Plus intéressant, nous avons mis en exergue que même si différentes R-LSS peuvent avoir des performances similaires lorsque basées sur des temps nominaux, leurs tolérances aux erreurs des temps d’échantillonnage peuvent largement différer. En fait, une considération adéquate de l'impact de ces erreurs peut conduire à une sélection et une utilisation plus fiables des R-LSS. Par une investigation approfondie de différents aspects sous-jacents aux stratégies d’échantillonnages limités, cette thèse a pu fournir des améliorations méthodologiques notables, et proposer de nouvelles voies pour assurer leur utilisation de façon fiable et informée, tout en favorisant leur adéquation à la pratique clinique.

Relations entre la pharmacocinétique de population de l'imatinib et l'alpha-1-glycoproteine acide chez des patients hémato-oncologiques

Introduction: La disposition de l'imatinib (Glivec®) implique des systèmes connus pour de grandes différences inter-individuelles, et l'on peut s'attendre à ce que l'exposition à ce médicament varie largement d'un patient à l'autre. L'alpha-1-glycoprotéine acide (AAG), une protéine circulante liant fortement l'imatinib, représente l'un de ces systèmes. Objectif: Cette étude observationnelle visait à explorer l'influence de l'AAG plasmatique sur la pharmacocinétique de l'imatinib. Méthode: Une analyse de population a été effectuée avec le programme NONMEM sur 278 échantillons plasmatiques issus de 51 patients oncologiques. L'influence des taux d'AAG sur la clairance (CL) et le volume de distribution (Vd) a ainsi été étudiée. Résultats: Un modèle à un compartiment avec absorption de premier ordre a permis de décrire les données. Une relation hyperbolique entre taux d'AAG et CL ou Vd a été observée. Une approche mécanistique a donc été élaborée, postulant que seule la concentration libre subissait une élimination du premier ordre, et intégrant la constante de dissociation comme paramètre du modèle. Cette approche a permis de déterminer une CLlibre moyenne de 1310 l/h et un Vd de 301 l. Par comparaison, la CLtotale déterminée initialement était de 14 l/h. La CLlibre est affectée par le poids corporel et le type de pathologie. Qui plus est, ce modèle a permis d'estimer in vivo la constante d'association entre imatinib et AAG (5.5?106 l/mol), ainsi que la fraction libre moyenne de l'imatinib (1.1%). La variabilité inter-individuelle estimée pour la disposition de l'imatinib (17% sur CLlibre et 66% sur Vd) diminuait globalement de moitié avec le modèle incorporant l'impact de l'AAG. Discussion-conclusion: De tels résultats clarifient l'impact de la liaison protéinique sur le devenir de l'imatinib. Des taux élevés d'AAG ont été présumés représenter un facteur de résistance à l'imatinib. Toutefois, cela est peu probable, notre modèle prédisant que la concentration libre reste inchangée. D'un autre côté, s'il est un jour démontré que l'imatinib requiert un programme de suivi thérapeutique (TDM), la mesure des concentrations libres, ou la correction des concentrations totales en fonction des taux d'AAG, devraient être envisagées pour une interprétation précise des résultats.

Pantoprazole intraveineux aux soins intensifs pédiatriques: un modèle de pharmacocinétique de population

Objectifs : Définir les paramètres pharmacocinétiques du pantoprazole intraveineux en soins intensifs pédiatriques et déterminer l’influence qu’exercent sur ceux-ci les facteurs démographiques, le syndrome de réponse inflammatoire systémique (SRIS), la dysfonction hépatique et l’administration d’un inhibiteur du cytochrome (CYP) 2C19. Méthode : Cent cinquante-six concentrations plasmatiques de pantoprazole provenant d’une population de 20 patients (âgés de 10 jours à 16.4 ans) à risque ou atteints d’une hémorragie gastroduodénale de stress, ayant reçu des doses quotidiennes de pantoprazole de 19.9 à 140.6 mg/1.73m2, ont été analysées selon les méthodes non compartimentale et de modélisation non linéaire à effets mixtes. Résultats : Une clairance médiane (CL) de 0.14 L/h/kg, un volume apparent de distribution de 0.20 L/kg et une demi-vie d’élimination de 1.7 h ont été déterminés via l’approche non compartimentale. Le modèle populationnel à deux compartiments avec une infusion d’ordre zéro et une élimination d’ordre un représentait fidèlement la cinétique du pantoprazole. Le poids, le SRIS, la dysfonction hépatique et l’administration d’un inhibiteur du CYP2C19 constituaient les covariables significatives rendant compte de 75 % de la variabilité interindividuelle observée pour la CL. Seul le poids influençait significativement le volume central de distribution (Vc). Selon les estimations du modèle final, un enfant de cinq ans pesant 20 kg avait une CL de 5.28 L/h et un Vc de 2.22 L. La CL du pantoprazole augmentait selon l’âge et le poids tandis qu’elle diminuait respectivement de 62.3%, 65.8% et 50.5% en présence d’un SRIS, d’un inhibiteur du CYP2C19 ou d’une dysfonction hépatique. Conclusion : Ces résultats permettront de guider les cliniciens dans le choix d’une dose de charge et dans l’ajustement des posologies du pantoprazole en soins intensifs pédiatriques dépendamment de facteurs fréquemment rencontrés dans cette population.

Pharmacocinétique de population du propofol chez le chien

La variabilité des concentrations plasmatiques mesurées lors d’une anesthésie générale avec le propofol est directement reliée à une variabilité inter-animale, sa pharmacocinétique. L’objectif de cette étude est de caractériser la pharmacocinétique du propofol et de rechercher les effets des caractéristiques démographiques sur la variation des paramètres pharmacocinétiques. Les chiens (n=44) ayant participé à cette étude ont été anesthésiés au propofol à 6 mois (n=29), 12 (n=21) mois et/ou 24 mois (n=35). L’anesthésie a été induite avec du propofol (en moyenne 5 mg) et maintenue avec une perfusion (débit initial de 360 mg/kg/h). Des ajustements de perfusion ainsi que des bolus supplémentaires seront administrés si le comportement de l’animal l’exige. Une randomisation stratifiée des sexes aux deux groupes de prémédication, le premier recevant de l’acépropmazine (0,05 mg/kg en I.M.) et le deuxième une association d’acépromazine (0.05 mg/kg IM) et de butorphanol (0.1mg/kg IM). Des échantillons sanguins ont été prélevés de t=0 jusqu'à t=300 minutes ou plus. Au total 1339 prélèvements ont été analysés. Un modèle mamillaire à 3 compartiments décrit de manière adéquate nos données. Les valeurs moyennes de CLt V1, CL2, V2, CL3 and V3 sont respectivement égales à 0.65 L/min (SD=0.24), 2.6 L (SD=2.04), 2.24 L/min (1.43), 9.6 L (SD=7.49), 0.42 L/min (SD=0.199), 46.4 L (SD=40.6). Les paramètres pharmacocinétiques obtenus ont révélé une grande variabilité interindividuelle, en particulier CL2, V1, V2 et V3 .Le poids est une co-variable significative pour CLt et V2. L’âge est une co-variable significative pour CL3 et V3. L’ajout de la parenté pour V2 et V3 au modèle a amélioré la qualité de l’ajustement du modèle. Les paramètres V1 et CL2 sont indépendants des facteurs physiologiques étudiés.

Optimisation de l’administration des médicaments chez les enfants transplantés grâce à la pharmacocinétique de population

Ce travail de thèse porte sur l’application de la pharmacocinétique de population dans le but d’optimiser l’utilisation de certains médicaments chez les enfants immunosupprimés et subissant une greffe. Parmi les différents médicaments utilisés chez les enfants immunosupprimés, l’utilisation du busulfan, du tacrolimus et du voriconazole reste problématique, notamment à cause d’une très grande variabilité interindividuelle de leur pharmacocinétique rendant nécessaire l’individualisation des doses par le suivi thérapeutique pharmacologique. De plus, ces médicaments n’ont pas fait l’objet d’études chez les enfants et les doses sont adaptées à partir des adultes. Cette dernière pratique ne prend pas en compte les particularités pharmacologiques qui caractérisent l’enfant tout au long de son développement et rend illusoire l’extrapolation aux enfants des données acquises chez les adultes. Les travaux effectués dans le cadre de cette thèse ont étudié successivement la pharmacocinétique du busulfan, du voriconazole et du tacrolimus par une approche de population en une étape (modèles non-linéaires à effets mixtes). Ces modèles ont permis d’identifier les principales sources de variabilités interindividuelles sur les paramètres pharmacocinétiques. Les covariables identifiées sont la surface corporelle et le poids. Ces résultats confirment l’importance de tenir en compte l’effet de la croissance en pédiatrie. Ces paramètres ont été inclus de façon allométrique dans les modèles. Cette approche permet de séparer l’effet de la mesure anthropométrique d’autres covariables et permet la comparaison des paramètres pharmacocinétiques en pédiatrie avec ceux des adultes. La prise en compte de ces covariables explicatives devrait permettre d’améliorer la prise en charge a priori des patients. Ces modèles développés ont été évalués pour confirmer leur stabilité, leur performance de simulation et leur capacité à répondre aux objectifs initiaux de la modélisation. Dans le cas du busulfan, le modèle validé a été utilisé pour proposer par simulation une posologie qui améliorerait l’atteinte de l’exposition cible, diminuerait l’échec thérapeutique et les risques de toxicité. Le modèle développé pour le voriconazole, a permis de confirmer la grande variabilité interindividuelle dans sa pharmacocinétique chez les enfants immunosupprimés. Le nombre limité de patients n’a pas permis d’identifier des covariables expliquant cette variabilité. Sur la base du modèle de pharmacocinétique de population du tacrolimus, un estimateur Bayesien a été mis au point, qui est le premier dans cette population de transplantés hépatiques pédiatriques. Cet estimateur permet de prédire les paramètres pharmacocinétiques et l’exposition individuelle au tacrolimus sur la base d’un nombre limité de prélèvements. En conclusion, les travaux de cette thèse ont permis d’appliquer la pharmacocinétique de population en pédiatrie pour explorer les caractéristiques propres à cette population, de décrire la variabilité pharmacocinétique des médicaments utilisés chez les enfants immunosupprimés, en vue de l’individualisation du traitement. Les outils pharmacocinétiques développés s’inscrivent dans une démarche visant à diminuer le taux d'échec thérapeutique et l’incidence des effets indésirables ou toxiques chez les enfants immunosupprimés suite à une transplantation.

A D-optimal designed population pharmacokinetic study of itraconazole capsules and solution in adults with cystic fibrosis

Background: Oral itraconazole (ITRA) is used for the treatment of allergic bronchopulmonary aspergillosis in patients with cystic fibrosis (CF) because of its antifungal activity against Aspergillus species. ITRA has an active hydroxy-metabolite (OH-ITRA) which has similar antifungal activity. ITRA is a highly lipophilic drug which is available in two different oral formulations, a capsule and an oral solution. It is reported that the oral solution has a 60% higher relative bioavailability. The influence of altered gastric physiology associated with CF on the pharmacokinetics (PK) of ITRA and its metabolite has not been previously evaluated. Objectives: 1) To estimate the population (pop) PK parameters for ITRA and its active metabolite OH-ITRA including relative bioavailability of the parent after administration of the parent by both capsule and solution and 2) to assess the performance of the optimal design. Methods: The study was a cross-over design in which 30 patients received the capsule on the first occasion and 3 days later the solution formulation. The design was constrained to have a maximum of 4 blood samples per occasion for estimation of the popPK of both ITRA and OH-ITRA. The sampling times for the population model were optimized previously using POPT v.2.0.[1] POPT is a series of applications that run under MATLAB and provide an evaluation of the information matrix for a nonlinear mixed effects model given a particular design. In addition it can be used to optimize the design based on evaluation of the determinant of the information matrix. The model details for the design were based on prior information obtained from the literature, which suggested that ITRA may have either linear or non-linear elimination. The optimal sampling times were evaluated to provide information for both competing models for the parent and metabolite and for both capsule and solution simultaneously. Blood samples were assayed by validated HPLC.[2] PopPK modelling was performed using FOCE with interaction under NONMEM, version 5 (level 1.1; GloboMax LLC, Hanover, MD, USA). The PK of ITRA and OH‑ITRA was modelled simultaneously using ADVAN 5. Subsequently three methods were assessed for modelling concentrations less than the LOD (limit of detection). These methods (corresponding to methods 5, 6 & 4 from Beal[3], respectively) were (a) where all values less than LOD were assigned to half of LOD, (b) where the closest missing value that is less than LOD was assigned to half the LOD and all previous (if during absorption) or subsequent (if during elimination) missing samples were deleted, and (c) where the contribution of the expectation of each missing concentration to the likelihood is estimated. The LOD was 0.04 mg/L. The final model evaluation was performed via bootstrap with re-sampling and a visual predictive check. The optimal design and the sampling windows of the study were evaluated for execution errors and for agreement between the observed and predicted standard errors. Dosing regimens were simulated for the capsules and the oral solution to assess their ability to achieve ITRA target trough concentration (Cmin,ss of 0.5-2 mg/L) or a combined Cmin,ss for ITRA and OH-ITRA above 1.5mg/L. Results and Discussion: A total of 241 blood samples were collected and analysed, 94% of them were taken within the defined optimal sampling windows, of which 31% where taken within 5 min of the exact optimal times. Forty six per cent of the ITRA values and 28% of the OH-ITRA values were below LOD. The entire profile after administration of the capsule for five patients was below LOD and therefore the data from this occasion was omitted from estimation. A 2-compartment model with 1st order absorption and elimination best described ITRA PK, with 1st order metabolism of the parent to OH-ITRA. For ITRA the clearance (ClItra/F) was 31.5 L/h; apparent volumes of central and peripheral compartments were 56.7 L and 2090 L, respectively. Absorption rate constants for capsule (kacap) and solution (kasol) were 0.0315 h-1 and 0.125 h-1, respectively. Comparative bioavailability of the capsule was 0.82. There was no evidence of nonlinearity in the popPK of ITRA. No screened covariate significantly improved the fit to the data. The results of the parameter estimates from the final model were comparable between the different methods for accounting for missing data, (M4,5,6)[3] and provided similar parameter estimates. The prospective application of an optimal design was found to be successful. Due to the sampling windows, most of the samples could be collected within the daily hospital routine, but still at times that were near optimal for estimating the popPK parameters. The final model was one of the potential competing models considered in the original design. The asymptotic standard errors provided by NONMEM for the final model and empirical values from bootstrap were similar in magnitude to those predicted from the Fisher Information matrix associated with the D-optimal design. Simulations from the final model showed that the current dosing regimen of 200 mg twice daily (bd) would provide a target Cmin,ss (0.5-2 mg/L) for only 35% of patients when administered as the solution and 31% when administered as capsules. The optimal dosing schedule was 500mg bd for both formulations. The target success for this dosing regimen was 87% for the solution with an NNT=4 compared to capsules. This means, for every 4 patients treated with the solution one additional patient will achieve a target success compared to capsule but at an additional cost of AUD $220 per day. The therapeutic target however is still doubtful and potential risks of these dosing schedules need to be assessed on an individual basis. Conclusion: A model was developed which described the popPK of ITRA and its main active metabolite OH-ITRA in adult CF after administration of both capsule and solution. The relative bioavailability of ITRA from the capsule was 82% that of the solution, but considerably more variable. To incorporate missing data, using the simple Beal method 5 (using half LOD for all samples below LOD) provided comparable results to the more complex but theoretically better Beal method 4 (integration method). The optimal sparse design performed well for estimation of model parameters and provided a good fit to the data.

Pharmacocinétique de population de la marbofloxacine chez le cheval

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Pharmacocinétique de population de la marbofloxacine chez le cheval

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

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.

Pragmatic approach for interpreting antiretroviral drug concentrations based on a systematic review of population pharmacokinetic studies

Objectives: The study objective was to derive reference pharmacokinetic curves of antiretroviral drugs (ART) based on available population pharmacokinetic (Pop-PK) studies that can be used to optimize therapeutic drug monitoring guided dosage adjustment.¦Methods: A systematic search of Pop-PK studies of 8 ART in adults was performed in PubMed. To simulate reference PK curves, a summary of the PK parameters was obtained for each drug based on meta-analysis approach. Most models used one-compartment model, thus chosen as reference model. Models using bi-exponential disposition were simplified to one-compartment, since the first distribution phase was rapid and not determinant for the description of the terminal elimination phase, mostly relevant for this project. Different absorption were standardized for first-order absorption processes.¦Apparent clearance (CL), apparent volume of distribution of the terminal phase (Vz) and absorption rate constant (ka) and inter-individual variability were pooled into summary mean value, weighted by number of plasma levels; intra-individual variability was weighted by number of individuals in each study.¦Simulations based on summary PK parameters served to construct concentration PK percentiles (NONMEM®).¦Concordance between individual and summary parameters was assessed graphically using Forest-plots. To test robustness, difference in simulated curves based on published and summary parameters was calculated using efavirenz as probe drug.¦Results: CL was readily accessible from all studies. For studies with one-compartment, Vz was central volume of distribution; for two-compartment, Vz was CL/λz. ka was directly used or derived based on the mean absorption time (MAT) for more complicated absorption models, assuming MAT=1/ka.¦The value of CL for each drug was in excellent agreement throughout all Pop-PK models, suggesting that minimal concentration derived from summary models was adequately characterized. The comparison of the concentration vs. time profile for efavirenz between published and summary PK parameters revealed not more than 20% difference. Although our approach appears adequate for estimation of elimination phase, the simplification of absorption phase might lead to small bias shortly after drug intake.¦Conclusions: Simulated reference percentile curves based on such an approach represent a useful tool for interpretating drug concentrations. This Pop-PK meta-analysis approach should be further validated and could be extended to elaborate more sophisticated computerized tool for the Bayesian TDM of ART.

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)]

Population pharmacokinetics in chronic myeloid leukaemia patients: observations under field-conditions

Introduction: Therapeutic drug monitoring (TDM) of imatinib has been increasingly proposed for chronic myeloid leukaemia (CML) patients, as several studies have found a correlation between trough concentrations (Cmin) >=1000ng/ml and improved response. The pharmacological monitoring project of EUTOS (European Treatment and Outcome Study) was launched to increase the availability of imatinib TDM, standardize labs, and validate proposed Cmin thresholds. Using the collected data, the objective of this analysis was to characterize imatinib Population pharmacokinetics (Pop-PK) in a large cohort of European patients, to quantify its variability and the influence of demographic factors and comedications, and to derive individual exposure variables suitable for further concentration-effect analyses.¦Methods: 4095 PK samples from 2478 adult patients were analyzed between 2006 and 2010 by LC-MS-MS and considered for Pop-PK analysis by NONMEM®. Model building used data from 973 patients with >=2 samples available (2590 samples). A sensitivity analysis was performed using all data. Available comedications (27%) were classified into inducers or inhibitors of P-glycoprotein, CYP3A4/5 and organic-cation-transporter-1 (hOCT-1).¦Results: A one-compartment model with linear elimination, zero-order absorption fitted the data best. Estimated Pop-PK parameters (interindividual variability, IIV %CV) for a 40-year old male patient were: clearance CL = 17.3 L/h (37.7%), volume V = 429L (51.1%), duration of absorption D1 = 3.2h. Outliers, reflecting potential compliance and time recording errors, were taken into account by estimating an IIV on the residual error (35.4%). Intra-individual residuals were 29.1% (proportional) plus ± 84.6 ng/mL (additive). Female patients had a 15.2% lower CL (14.6 L/h). A piece-wise linear effect of age estimated a CL of 18.7 L/h at 20 years, 17.3 L/h at 40 and 13.8 L/h at 60 years. These covariates explained 2% (CL) and 4.5% (V) of IIV variability. No effect of comedication was found. The sensitivity analysis expectedly estimated increased IIV, but similar fixed effect parameters.¦Conclusion: Imatinib PK was well described in a large cohort of CML patients under field conditions and results were concordant with previous studies. Patient characteristics explain only little IIV, confirming limited utility of prior dosage adjustment. As intra-variability is smaller than inter-patient variability, dose adjustment guided by TDM could however be beneficial in order to bring Cmin into a given therapeutic target.

Plasma and cerebrospinal fluid population pharmacokinetics of temozolomide in malignant glioma patients

RESUME : Objectif: Le glioblastome multiforme (GBM) est la tumeur cérébrale maligne la plus agressive qui conduit au décès de la majorité des patients moins d'une année après le diagnostic. La plupart des agents chimiothérapeutiques actuellement disponibles ne traversent pas la barrière hémato¬encéphalique et ne peuvent par conséquent pas être utilisés pour ce type de tumeur. Le Temozolomide (TMZ) est un nouvel agent alkylant récemment développé pour le traitement des gliomes malins. A ce jour, très peu d'informations sont disponibles sur la pénétration intra-cérébrale de cet agent. Au cours d'une étude pilote de phase II menée auprès de 64 patients atteints de GBM, l'administration précoce de TMZ combinée à une radiothérapie standard (RT) afin d'intervenir au plus tôt dans l'évolution de la maladie, a permis de prolonger la survie de ces patients, résultat qui pu être confirmé par la suite lors de l'étude randomisée de phase III. L'objectif de cette étude a été de déterminer les paramètres pharmacocinétique du TMZ dans le plasma et le liquide céphalo-rachidien (LCR), d'évaluer l'influence de certains facteurs individuels (âge, sexe, surface corporelle, fonction rénale/hépatique, co-médications, RT concomitante) sur ces différents paramètres, et enfin d'explorer la relation existant entre l'exposition au TMZ et certains marqueurs cliniques d'efficacité et de toxicité. Matériel et Méthode: Les concentrations de TMZ ont été mesurées par chromatographie liquide à haute performance (HPLC) dans le plasma et le LCR de 35 patients atteints de GBM nouvellement diagnostiqués (étude pilote) ou de gliomes malins en récidive (étude récidive). L'analyse pharmacocinétique de population a été réalisée à l'aide du programme NONMEM. L'exposition systémique et cérébrale, définie par les AUC (Area Under the time-concentration Curve) dans le plasma et le LCR, a été estimée pour chaque patient et corrélée à la toxicité, la survie ainsi que la survie sans progression tumorale. Résultats: Un modèle à 1 compartiment avec une cinétique d'absorption et de transfert Kplasma -> LCR de ordre a été retenu afin de décrire le profil pharmacocinétique du TMZ. Les valeurs moyennes de population ont été de 10 L/h pour la clairance, de 30.3 L pour le volume de distribution, de 2.1 h pour la 1/2 vie d'élimination, de 5.78 hE-1 pour la constante d'absorption, de 7.2 10E4 hE-1 pour Kplasma->LCR et de 0.76 hE-1 pour KLCR plasma. La surface corporelle a montré une influence significative sur la clairance et le volume de distribution, alors que le sexe influence la clairance uniquement. L'AUC mesurée dans le LCR représente ~20% de celle du plasma et une augmentation de 15% de Kplasma->LCR a été observée lors du traitement concomitant de radiochimiothérapie. Conclusions: Cette étude est la première analyse pharmacocinétique effectuée chez l'homme permettant de quantifier la pénétration intra-cérébrale du TMZ. Le rapport AUC LCR/AUC Plasma a été de 20%. Le degré d'exposition systémique et cérébral au TMZ ne semble pas être un meilleur facteur prédictif de la survie ou de la tolérance au produit que ne l'est la dose cumulée seule. ABSTRACT Purpose: Scarce information is available on the brain penetration of temozolomide (TMZ), although this novel methylating agent is mainly used for the treatment of ma¬lignant brain tumors. The purpose was to assess TNIZ phar¬macokinetics in plasma and cerebrospinal fluid (CSF) along with its inter-individual variability, to characterize covari¬ates and to explore relationships between systemic or cere¬bral drug exposure and clinical outcomes. Experimental Design: TMZ levels were measured by high-performance liquid chromatography in plasma and CSF samples from 35 patients with newly diagnosed or recurrent malignant gliomas. The population pharmacoki¬netic analysis was performed with nonlinear mixed-effect modeling software. Drug exposure, defined by the area un¬der the concentration-time curve (AUC) in plasma and CSF, was estimated for each patient and correlated with toxicity, survival, and progression-free survival. Results: A three-compartment model with first-order absorption and transfer rates between plasma and CSF described the data appropriately. Oral clearance was 10 liter/h; volume of distribution (VD), 30.3 liters; absorption constant rate, 5.8 hE-1; elimination half-time, 2.1 h; transfer rate from plasma to CSF (Kplasma->CSF), 7.2 x 10E-4hE-1 and the backwards rate, 0.76hE-1. Body surface area signifi¬cantly influenced both clearance and VD, and clearance was sex dependent. The AU CSF corresponded to 20% of the AUCplasma. A trend toward an increased K plasma->CSF of 15% was observed in case of concomitant radiochemo-therapy. No significant correlations between AUC in plasma or CSF and toxicity, survival, or progression-free survival were apparent after deduction of dose-effect. Conclusions: This is the first human pharmacokinetic study on TMZ to quantify CSF penetration. The AUC CSF/ AUC plasma ratio was 20%. Systemic or cerebral exposures are not better predictors than the cumulative dose alone for both efficacy and safety.

Population pharmacokinetic study to evaluate dosing strategies of imipenem in neonates and infants

Objective: Imipenem is a broad spectrum antibiotic used to treat severe infections in critically ill patients. Imipenem pharmacokinetics (PK) was evaluated in a cohort of neonates treated in the Neonatal Intensive Care Unit of the Lausanne University Hospital. The objective of our study was to identify key demographic and clinical factors influencing imipenem exposure in this population. Method: PK data from neonates and infants with at least one imipenem concentration measured between 2002 and 2013 were analyzed applying population PK modeling methods. Measurement of plasma concentrations were performed upon the decision of the physician within the frame of a therapeutic drug monitoring (TDM) programme. Effects of demographic (sex, body weight, gestational age, postnatal age) and clinical factors (serum creatinine as a measure of kidney function; co-administration of furosemide, spironolactone, hydrochlorothiazide, vancomycin, metronidazole and erythromycin) on imipenem PK were explored. Model-based simulations were performed (with a median creatinine value of 46 μmol/l) to compare various dosing regimens with respect to their ability to maintain drug levels above predefined minimum inhibitory concentrations (MIC) for at least 40 % of the dosing interval. Results: A total of 144 plasma samples was collected in 68 neonates and infants, predominantly preterm newborns, with median gestational age of 27 weeks (24 - 41 weeks) and postnatal age of 21 days (2 - 153 days). A two-compartment model best characterized imipenem disposition. Actual body weight exhibited the greatest impact on PK parameters, followed by age (gestational age and postnatal age) and serum creatinine on clearance. They explain 19%, 9%, 14% and 9% of the interindividual variability in clearance respectively. Model-based simulations suggested that 15 mg/kg every 12 hours maintain drug concentrations over a MIC of 2 mg/l for at least 40% of the dosing interval during the first days of life, whereas neonates older than 14 days of life required a dose of 20 mg/kg every 12 hours. Conclusion: Dosing strategies based on body weight and post-natal age are recommended for imipenem in all critically ill neonates and infants. Most current guidelines seem adequate for newborns and TDM should be restricted to some particular clinical situations.