Dosage optimization of treatments using population pharmacokinetic modeling and simulation.

Pharmacokinetic variability in drug levels represent for some drugs a major determinant of treatment success, since sub-therapeutic concentrations might lead to toxic reactions, treatment discontinuation or inefficacy. This is true for most antiretroviral drugs, which exhibit high inter-patient variability in their pharmacokinetics that has been partially explained by some genetic and non-genetic factors. The population pharmacokinetic approach represents a very useful tool for the description of the dose-concentration relationship, the quantification of variability in the target population of patients and the identification of influencing factors. It can thus be used to make predictions and dosage adjustment optimization based on Bayesian therapeutic drug monitoring (TDM). This approach has been used to characterize the pharmacokinetics of nevirapine (NVP) in 137 HIV-positive patients followed within the frame of a TDM program. Among tested covariates, body weight, co-administration of a cytochrome (CYP) 3A4 inducer or boosted atazanavir as well as elevated aspartate transaminases showed an effect on NVP elimination. In addition, genetic polymorphism in the CYP2B6 was associated with reduced NVP clearance. Altogether, these factors could explain 26% in NVP variability. Model-based simulations were used to compare the adequacy of different dosage regimens in relation to the therapeutic target associated with treatment efficacy. In conclusion, the population approach is very useful to characterize the pharmacokinetic profile of drugs in a population of interest. The quantification and the identification of the sources of variability is a rational approach to making optimal dosage decision for certain drugs administered chronically.

A validated assay by liquid chromatography-tandem mass spectrometry for the simultaneous quantification of elvitegravir and rilpivirine in HIV positive patients.

Because of the large variability in the pharmacokinetics of anti-HIV drugs, therapeutic drug monitoring in patients may contribute to optimize the overall efficacy and safety of antiretroviral therapy. An LC-MS/MS method for the simultaneous assay in plasma of the novel antiretroviral agents rilpivirine (RPV) and elvitegravir (EVG) has been developed to that endeavor. Plasma samples (100 μL) extraction is performed by protein precipitation with acetonitrile, and the supernatant is subsequently diluted 1:1 with 20-mM ammonium acetate/MeOH 50:50. After reverse-phase chromatography, quantification of RPV and EVG, using matrix-matched calibration samples, is performed by electrospray ionization-triple quadrupole mass spectrometry by selected reaction monitoring detection using the positive mode. The stable isotopic-labeled compounds RPV-(13) C6 and EVG-D6 were used as internal standards. The method was validated according to FDA recommendations, including assessment of extraction yield, matrix effects variability (<6.4%), as well as EVG and RPV short and long-term stability in plasma. Calibration curves were validated over the clinically relevant concentrations ranging from 5 to 2500 ng/ml for RPV and from 50 to 5000 ng/ml for EVG. The method is precise (inter-day CV%: 3-6.3%) and accurate (3.8-7.2%). Plasma samples were found to be stable (<15%) in all considered conditions (RT/48 h, +4°C/48 h, -20°C/3 months and 60°C/1 h). Selected metabolite profiles analysis in patients' samples revealed the presence of EVG glucuronide, that was well separated from parent EVG, allowing to exclude potential interferences through the in-source dissociation of glucuronide to parent drug. This new, rapid and robust LCMS/MS assay for the simultaneous quantification of plasma concentrations of these two major new anti-HIV drugs EVG and RPV offers an efficient analytical tool for clinical pharmacokinetics studies and routine therapeutic drug monitoring service. Copyright © 2013 John Wiley & Sons, Ltd.

Valganciclovir in adult solid organ transplant recipients: pharmacokinetic and pharmacodynamic characteristics and clinical interpretation of plasma concentration measurements.

Valganciclovir and ganciclovir are widely used for the prevention of cytomegalovirus (CMV) infection in solid organ transplant recipients, with a major impact on patients' morbidity and mortality. Oral valganciclovir, the ester prodrug of ganciclovir, has been developed to enhance the oral bioavailability of ganciclovir. It crosses the gastrointestinal barrier through peptide transporters and is then hydrolysed into ganciclovir. This review aims to describe the current knowledge of the pharmacokinetic and pharmacodynamic characteristics of this agent, and to address the issue of therapeutic drug monitoring. Based on currently available literature, ganciclovir pharmacokinetics in adult solid organ transplant recipients receiving oral valganciclovir are characterized by bioavailability of 66 +/- 10% (mean +/- SD), a maximum plasma concentration of 3.1 +/- 0.8 mg/L after a dose of 450 mg and of 6.6 +/- 1.9 mg/L after a dose of 900 mg, a time to reach the maximum plasma concentration of 3.0 +/- 1.0 hours, area under the plasma concentration-time curve values of 29.1 +/- 5.3 mg.h/L and 51.9 +/- 18.3 mg.h/L (after 450 mg and 900 mg, respectively), apparent clearance of 12.4 +/- 3.8 L/h, an elimination half-life of 5.3 +/- 1.5 hours and an apparent terminal volume of distribution of 101 +/- 36 L. The apparent clearance is highly correlated with renal function, hence the dosage needs to be adjusted in proportion to the glomerular filtration rate. Unexplained interpatient variability is limited (18% in apparent clearance and 28% in the apparent central volume of distribution). There is no indication of erratic or limited absorption in given subgroups of patients; however, this may be of concern in patients with severe malabsorption. The in vitro pharmacodynamics of ganciclovir reveal a mean concentration producing 50% inhibition (IC(50)) among CMV clinical strains of 0.7 mg/L (range 0.2-1.9 mg/L). Systemic exposure of ganciclovir appears to be moderately correlated with clinical antiviral activity and haematotoxicity during CMV prophylaxis in high-risk transplant recipients. Low ganciclovir plasma concentrations have been associated with treatment failure and high concentrations with haematotoxicity and neurotoxicity, but no formal therapeutic or toxic ranges have been validated. The pharmacokinetic parameters of ganciclovir after valganciclovir administration (bioavailability, apparent clearance and volume of distribution) are fairly predictable in adult transplant patients, with little interpatient variability beyond the effect of renal function and bodyweight. Thus ganciclovir exposure can probably be controlled with sufficient accuracy by thorough valganciclovir dosage adjustment according to patient characteristics. In addition, the therapeutic margin of ganciclovir is loosely defined. The usefulness of systematic therapeutic drug monitoring in adult transplant patients therefore appears questionable; however, studies are still needed to extend knowledge to particular subgroups of patients or dosage regimens.

Prediction of free imatinib concentrations based on total plasma concentrations in patients with gastrointestinal stromal tumours.

AIM: Total imatinib concentrations are currently measured for the therapeutic drug monitoring of imatinib, whereas only free drug equilibrates with cells for pharmacological action. Due to technical and cost limitations, routine measurement of free concentrations is generally not performed. In this study, free and total imatinib concentrations were measured to establish a model allowing the confident prediction of imatinib free concentrations based on total concentrations and plasma proteins measurements. METHODS: One hundred and fifty total and free plasma concentrations of imatinib were measured in 49 patients with gastrointestinal stromal tumours. A population pharmacokinetic model was built up to characterize mean total and free concentrations with inter-patient and intrapatient variability, while taking into account α1 -acid glycoprotein (AGP) and human serum albumin (HSA) concentrations, in addition to other demographic and environmental covariates. RESULTS: A one compartment model with first order absorption was used to characterize total and free imatinib concentrations. Only AGP influenced imatinib total clearance. Imatinib free concentrations were best predicted using a non-linear binding model to AGP, with a dissociation constant Kd of 319 ng ml(-1) , assuming a 1:1 molar binding ratio. The addition of HSA in the equation did not improve the prediction of imatinib unbound concentrations. CONCLUSION: Although free concentration monitoring is probably more appropriate than total concentrations, it requires an additional ultrafiltration step and sensitive analytical technology, not always available in clinical laboratories. The model proposed might represent a convenient approach to estimate imatinib free concentrations. However, therapeutic ranges for free imatinib concentrations remain to be established before it enters into routine practice.

Determination of the Enantiomers of Mianserin and its Metabolites in Plasma by Capillary Electrophoresis After Liquid-Liquid Extraction and On-Column Sample Preconcentration

Capillary electrophoresis has drawn considerable attention in the past few years, particularly in the field of chiral separations because of its high separation efficiency. However, its routine use in therapeutic drug monitoring is hampered by its low sensitivity due to a short optical path. We have developed a capillary zone electrophoresis (CZE) method using 2mM of hydroxypropyl-β-cyclodextrin as a chiral selector, which allows base-to-base separation of the enantiomers of mianserin (MIA), desmethylmianserin (DMIA), and 8-hydroxymianserin (OHMIA). Through the use of an on-column sample concentration step after liquid-liquid extraction from plasma and through the presence of an internal standard, the quantitation limits were found to be 5 ng/mL for each enantiomer of MIA and DMIA and 15 ng/mL for each enantiomer of OHMIA. To our knowledge, this is the first published CE method that allows its use for therapeutic monitoring of antidepressants due to its sensitivity down to the low nanogram range. The variability of the assays, as assessed by the coefficients of variation (CV) measured at two concentrations for each substance, ranged from 2 to 14% for the intraday (eight replicates) and from 5 to 14% for the interday (eight replicates) experiments. The deviations from the theoretical concentrations, which represent the accuracy of the method, were all within 12.5%. A linear response was obtained for all compounds within the range of concentrations used for the calibration curves (10-150 ng/mL for each enantiomer of MIA and DMIA and 20-300 ng/mL for each enantiomer of OHMIA). Good correlations were calculated between [(R) + (S)]-MIA and DMIA concentrations measured in plasma samples of 20 patients by a nonchiral gas chromatography method and CZE, and between the (R)- and (S)-concentrations of MIA and DMIA measured in plasma samples of 37 patients by a previously described chiral high-performance liquid chromatography method and CZE. Finally, no interference was noted from more than 20 other psychotropic drugs. Thus, this method, which is both sensitive and selective, can be routinely used for therapeutic monitoring of the enantiomers of MIA and its metabolites. It could be very useful due to the demonstrated interindividual variability of the stereoselective metabolism of MIA.

Steady State Concentrations of the Enantiomers of Mianserin and Desmethylmianserin in Poor and in Homozygous and Heterozygous Extensive Metabolizers of Debrisoquine.

AB Summary: Steady state concentrations of (S)- and (R)-mianserin and desmethylmianserin were measured in 21 homozygous extensive metabolizers (as determined by genotyping for mutations 3 [or A] and 4 [or B]), in seven heterozygous extensive metabolizers and in one poor metabolizer of debrisoquine, as well as in one patient receiving very high doses of mianserin (360 mg/day) and fluoxetine (160 mg/day), a strong cytochrome P450IID6 inhibitor. The mean dose of mianserin was (mean +/- SD, range: 67 +/- 63, 10 to 360 mg/day). High dispersions of the (S)/(R)-mianserin and desmethylmianserin ratios were observed (mean +/- SD, range: 2.10+/- 1.01, 0.64 to 4.76, and 0.29 +/- 0.14, 0.08 to 0.57, respectively). The highest (S)/(R)-mianserin ratio was calculated for the poor metabolizer (4.76) agreeing with those results of a single-dose study with poor and extensive metabolizers of debrisoquine, in that the cytochrome P450IID6 is probably involved in the metabolism of mianserin with an enantioselectivity for the (S)-enantiomer. Nevertheless, the mean concentration-to-dose ratios for (S)- or (R)-mianserin or desmethylmianserin were not significantly different between homozygous and heterozygous extensive metabolizers, and no particular values were measured in the poor metabolizer nor in the patient receiving fluoxetine. Furthermore, the(S)/(R)-mianserin ratio measured in the PM was only slightly higher than the second highest ratio (3.85) of an homozygous extensive metabolizer, whereas no particular value (2.92) was calculated for the patient taking fluoxetine. Finally, no significant differences in (S)/(R)-mianserin or(S)/(R)-desmethylmianserin were calculated between homozygous and heterozygous extensive metabolizers. Although the number of patients included in this study is too low to allow definite conclusions, the results suggest that the debrisoquine genotype has only a moderate influence on the steady state concentrations of the enantiomers of mianserin and desmethylmianserin. (C) Lippincott-Raven Publishers

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.

Pharmacokinetic and pharmacodynamic assessment of valganciclovir in solid organ transplant recipients

RESUME : Valganciclovir (Valcyte®) is an orally administered ester prodrug of the standard anticytomegalovirus (CMV) drug ganciclovir. This drug enabled an important reduction of the burden of CMV morbidity and mortality in solid organ transplant recipients. Prevention of CMV infection and treatment of CMV disease requires drug administration during many weeks. Oral drug administration is therefore convenient. Valganciclovir has been developed to overcome the poor oral availability of ganciclovir, which limits its concentration exposure after oral administration and thus its efficacy. This prodrug crosses efficiently the intestinal barrier, is then hydrolyzed into ganciclovir, providing exposure similar to intravenous ganciclovir. Valganciclovir is now preferred for the prophylaxis and treatment of CMV infection in solid organ transplant recipients. Nevertheless, adequate dosage adjustment is necessary to optimize its use, avoiding either insufficient or exaggerate exposure related to differences in its pharmacokinetic profile between patients. The main goal of this thesis was to better describe the pharmacokinetic and pharmacodynamic profile of valganciclovir in solid organ transplant recipients, to assess their reproducibility and their predictability, and thus to evaluate the current recommendations for valganciclovir dosage adjustment and the potential contribution of routine therapeutic drug monitoring (TDM) to patients' management. A total of 437 ganciclovir plasma concentration data from 65 transplant patients (41 kidney, 12 lung, 10 heart and 2 liver recipients, 58 under oral valganciclovir prophylaxis, 8 under oral valganciclovir treatment and 2 under intravenous ganciclovir) were measured using a validated chromatographic method (HPLC) developed for this study. The results were analyzed by non-linear mixed effect modeling (NONMEM). A two-compartment model with first-order absorption appropriately described the data. Systemic clearance was markedly influenced by GFR, with further differences between graft types and sex (CL/GFR = 1.7 in kidney, 0.9 in heart and 1.2 in lung and liver recipients) with interpatient variability (CV%) of 26% and interoccasion variability of 12%. Body weight and sex influenced central volume of distribution (V1 = 0.34 l/kg in males and 0.27 l/kg in females) with an interpatient variability of 20%. Residual intrapatient variability was 21 %. No significant drug interaction influenced GCV disposition. VGC prophylactic efficacy and tolerability were good, without detectable dependence on GCV profile. In conclusion, this analysis highlights the importance of thorough adjustment of VGC dosage to renal function and body weight. Considering the good predictability and reproducibility of GCV profile after oral VGC in solid organ transplant recipients, routine TDM does not appear to be clinically indicated. However, GCV plasma measurement may still be helpful in specific clinical situations such as documentation of appropriate exposure in patients with potentially compromised absorption, or lack of response to CMV disease treatment, or under renal replacement therapy. RESUME : Le valganciclovir (Valcyte®) est un promédicament oral du ganciclovir qui est un anti-infectieux de référence contre les infections à cytomegalovirus (CMV). Cet antiviral a permis de réduire les effets délétères de cette infection jusqu'ici responsable d'une importante morbidité et mortalité chez les transplantés d'organe. La prévention et le traitement de l'infection à CMV sont donc nécessaires mais requièrent l'administration d'un agent antiviral sur une longue période. Un médicament administré par voie orale représente donc un avantage évident. Le valganciclovir a été développé dans le but d'améliorer la faible absorption orale du ganciclovir, et donc son efficacité. Cet ester valylique du ganciclovir traverse plus facilement la barrière gastro-intestinale, puis est hydrolysé en ganciclovir dans la circulation sanguine, produisant une exposition comparable à celle d'une perfusion intraveineuse de ganciclovir. De ce fait, le valganciclovir est devenu largement utilisé pour la prophylaxie mais aussi le traitement de l'infection à CMV. Néanmoins une utilisation optimale de ce nouveau médicament nécessite de bonnes connaissances sur son profil pharmacocinétique afin d'établir un schéma de dose adapté pour éviter tant une surexposition qu'une sous-exposition résultant des différences d'élimination entre les patients. Le but de cette thèse a été d'étudier le profil pharmacocinétique et pharmacodynamique du valganciclovir chez les transplantés d'organe ainsi que sa reproductibilité et sa prédictibilité. Il s'agissait d'apprécier de manière critique le schéma actuellement recommandé pour l'adaptation des doses de valganciclovir, mais aussi la contribution éventuelle d'un suivi des concentrations sanguines en routine. Un total de 437 taux sanguins de ganciclovir ont été mesurés, provenant de 65 patients transplantés d'organe (41 rénaux, 12 pulmonaires, 10 cardiaques et 2 hépatiques, 58 sous une prophylaxie orale de valganciclovir, 8 sous un traitement de valganciclovir et 2 sous un traitement intraveineux). Une méthode de chromatographie liquide à haute performance a été développée et validée pour cette étude. Les résultats ont été ensuite analysés par modélisation non linéaire à effets mixtes (NONMEM). Un modèle à deux compartiments avec absorption de premier ordre a permis de décrire les données. La clairance systémique était principalement influencée par le débit de filtration glomérulaire (GFR), avec une différence entre les types de greffe et les sexes (CL/GFR = 1.7 chez les greffés rénaux, 0.9 pour les greffés cardiaques et 1.2 pour le groupe des greffés pulmonaires et hépatiques) avec un variabilité inter-individuelle de 26% (CV%) et une variabilité inter-occasion de 12%. Le poids corporel ainsi que le sexe avaient une influence sur le volume central de distribution (V1 = 0.34 l/kg chez les hommes et 0.27 l/kg chez les femmes) avec une variabilité inter-individuelle de 20%. La variabilité intra-individuelle résiduelle était de 21 %. Aucune interaction médicamenteuse n'a montré d'influence sur le profil du ganciclovir. La prophylaxie avec le valganciclovir s'est révélée efficace et bien tolérée. En conclusion, cette analyse souligne l'importance d'une adaptation de la dose du valganciclovir à la fonction rénale et au poids du patient. Au vu de la bonne reproductibilité et prédictibilité du profil pharmacocinétique du ganciclovir chez les patients transplantés recevant du valganciclovir, un suivi des concentrations sanguines en routine ne semble pas cliniquement indiqué. Néanmoins, la mesure des taux plasmatiques de ganciclovir peut être utile dans certaines situations particulières, comme la vérification d'une exposition appropriée chez des patients susceptibles d'absorption insuffisante, ou ne répondant pas au traitement d'une infection à CMV ou encore sous épuration extra-rénale. RESUME LARGE PUBLIC : Le valganciclovir est un précurseur capable de libérer du ganciclovir, récemment développé pour améliorer la faible absorption orale de ce dernier. Une fois le valganciclovir absorbé, le ganciclovir libéré dans la circulation sanguine devient efficace contre les infections à cytomégalovirus. Ce virus largement répandu est responsable de maladies insidieuses et parfois graves chez les personnes présentant une baisse des défenses immunitaires, comme les greffés d'organe recevant un traitement anti-rejet. Le ganciclovir est administré pendant plusieurs mois consécutifs soit pour prévenir une infection après la transplantation, soit pour traiter une infection déclarée. La facilité d'administration du valganciclovir par voie orale représente un avantage sur une administration du ganciclovir par perfusion, qui nécessite une hospitalisation. Toutefois, la voie orale peut être une source supplémentaire de variabilité chez les patients, avec un impact potentiel sur l'efficacité ou la toxicité du médicament. Le but de cette étude a été - de décrire le devenir de ce médicament dans le corps humain (dont l'étude relève de la discipline de la pharmacocinétique) - de définir les facteurs cliniques pouvant expliquer les différences de concentration sanguine observées entre les patients sous une posologie donnée - d'explorer les relations entre les concentrations du médicament dans le sang et son efficacité ou la survenue d'effets indésirables (dont l'étude relève de la discipline de la pharmacodynamie). Cette étude a nécessité le développement et la validation, d'une méthode d'analyse pour mesurer la concentration sanguine du ganciclovir, puis son application à 437 échantillons provenant de 65 patients transplantés d'organe solide (41 rénaux, 12 pulmonaires, 10 cardiaques et 2 hépatiques) recevant du valganciclovir. Les résultats des mesures effectuées ont été analysés à l'aide d'un outil mathématique afin d'élaborer un modèle du devenir du médicament dans le sang chez chaque patient et à chaque occasion. Cette étude a permis d'évaluer chez des patients recevant le valganciclovir, la vitesse à laquelle l'organisme absorbe, distribue, puis élimine le médicament. La vitesse d'élimination dépendait étroitement de la fonction rénale, du type de greffe et du sexe alors que la distribution dépendait du poids et du sexe du patient. La variabilité non expliquée par ces facteurs cliniques était modérée et vraisemblablement sans conséquence clinique évidente soit sur l'efficacité ou la tolérance, qui se révèlent très satisfaisantes chez les patients de l'étude. Les observations n'ont pas révélé de relation entre les concentrations de médicament et l'efficacité thérapeutique ou la survenue d'effets indésirables, confirmant que les doses relativement faibles utilisées dans notre collectif de patients suffisaient à produire une exposition reproductible à des concentrations adéquates. En conclusion, le profil (et par conséquent l'absorption) du valganciclovir chez les patients transplantés semble bien prédictible après une adaptation de la dose à la fonction rénale et au poids du patient. Un contrôle systématique des concentrations sanguines n'est probablement pas indiqué en routine, mais cette mesure peut présenter un intérêt dans certaines conditions particulières.

Pharmacogenetic Study on Antidementia Drugs

Differences in efficacy and safety of drugs among patients are a recognized problem in pharmacotherapy. The reasons are multifactorial and, therefore, the choice of a drug and its dosage for a particular patient based on different clinical and genetic factors is suggested to improve the clinical outcome. Four drugs are currently used for the treatment of Alzheimer's disease: three acetylcholinesterase inhibitors (donepezil, galantamine, rivastigmine) and the N-methyl-D-aspartate-antagonist memantine. For these drugs, a high interindividual variability in plasma levels was observed, which might influence the response to treatment. The main objective of this thesis was to provide a better understanding of clinical and genetic factors affecting the plasma levels of antidementia drugs. Furthermore, the relationship between plasma levels, genetic variations and side effects was assessed. For this purpose, a pharmacogenetic study was conducted including 300 patients from a naturalistic clinical setting. Analytical methods for the simultaneous measurement of antidementia drugs in plasma have been developed and validated using liquid chromatography methods coupled with mass spectrometry detection. Presently, these methods are used in the therapeutic drug monitoring service of our laboratory. The routine use of therapeutic drug monitoring for antidementia drugs cannot yet be recommended with the available data, but it may be beneficial for some patients in special clinical cases such as insufficient treatment response, side effects or drug interactions. Donepezil and galantamine are extensively metabolized by the liver enzymes cytochromes P450 (CYP) 2D6 and 3A and are substrates of the drug transporter P-glycoprotein. The relationship of variations in genes affecting the activity of these metabolic enzymes and drug transporter (CYP2D6, CYP3A, POR, NR1I2, ABCB1) with donepezil and galantamine plasma levels was investigated. The CYP2D6 genotype appeared to be the major genetic factor involved in the pharmacokinetics of these two drugs. Thus, CYP2D6 poor metabolizers demonstrated significantly higher drug plasma levels than extensive metabolizers. Additionally, in the donepezil study population, the frequency of side effects was significantly increased in poor metabolizers. Lower donepezil plasma levels were observed in ultra rapid metabolizers, which might expose those patients to the risk of non-response. Memantine is mainly eliminated unchanged by the kidney, with implication of tubular secretion by renal transporters. A population pharmacokinetic model was developed to quantify the effects of clinical factors and genetic variations in renal cation transporters (SLC22A1/2/5, SLC47A1, ABCB1), and nuclear receptors (NR1I2, NR1I3, PPARG) involved in transporter expression, on memantine plasma levels. In addition to the renal function and gender, a genetic variation in the nuclear receptor Pregnane-X-Receptor (NR1I2) significantly affected memantine elimination. These findings suggest that an individualized therapy approach for antidementia drugs, taking into account clinical characteristics and genetic background of a patient, might increase efficacy and safety of the treatment. - Les différences interindividuelles dans l'efficacité et la tolérance des médicaments sont un problème connu en pharmacothérapie. Les raisons sont multiples, et le choix du médicament et de la dose, basé sur des facteurs cliniques et génétiques spécifiques au patient, peut contribuer à améliorer la réponse clinique. Quatre médicaments sont couramment utilisés dans le traitement de la maladie d'Alzheimer : trois inhibiteurs de l'acétylcholinestérase (donépézil, galantamine, rivastigmine) et un antagoniste du récepteur N-méthyl-D-aspartate, la mémantine. Une forte variabilité interindividuelle dans les taux plasmatiques de ces quatre composés a été observée, ce qui pourrait influencer la réponse au traitement. L'objectif principal de ce travail de thèse est de mieux comprendre les facteurs cliniques et génétiques influençant les taux des médicaments pro-cognitifs. En outre, des associations entre les taux, la variabilité génétique et les effets secondaires ont été recherchées. Dans ce but, 300 patients sous traitement avec un médicament pro-cognitif ont été recrutés pour une étude pharmacogénétique. Des méthodes de dosage simultané de médicaments pro-cognitifs par chromatographie liquide couplée à la spectrométrie de masse ont été développées et validées. Ces méthodes sont actuellement utilisées dans le service de suivi thérapeutique de notre unité. Malgré le fait qu'un suivi des taux sanguins des pro-cognitifs ne puisse pas encore être recommandé en routine, un dosage peut être utile dans des cas cliniques spécifiques, comme une réponse insuffisante, une intolérance ou une interaction médicamenteuse. Le donépézil et la galantamine sont fortement métabolisés par les cytochromes P450 (CYP) 2D6 et 3A, et sont également substrats du transporteur P-glycoprotéine. Les associations entre les polymorphismes génétiques de ces enzymes, cofacteur, récepteur nucléaire et transporteur (CYP2D6, CYP3A, POR, NR1I2, ABCB1) et les taux de donépézil et de galantamine ont été étudiées. Le génotype du CYP2D6 a été montré comme le facteur génétique majeur impliqué dans la pharmacocinétique de ces deux médicaments. Ainsi, les métaboliseurs déficients du CYP2D6 ont démontré des taux plasmatiques significativement plus élevés comparé aux bons métaboliseurs. De plus, dans la population traitée avec le donépézil, la fréquence des effets secondaires était plus élevée chez les métaboliseurs déficients. Des taux plasmatiques bas ont été mesurés chez les métaboliseurs ultra-rapides traités avec le donépézil, ce qui pourrait être un facteur de risque à une non-réponse au traitement. La mémantine est principalement éliminée sous forme inchangée par les reins, et partiellement par sécrétion tubulaire grâce à des transporteurs rénaux. Un modèle de cinétique de population a été développé pour quantifier les effets des différents facteurs cliniques et de la variabilité génétique des transporteurs rénaux (SLC22A1/2/5, SLC47A1, ABCB1) et des récepteurs nucléaires (NR1I2, NR1I3, PPARG, impliqués dans l'expression des transporteurs) sur les taux plasmatiques de mémantine. En plus de la fonction rénale et du genre, une variation génétique dans le récepteur nucléaire Pregnane-X-Receptor (NR1I2) a montré une influence significative sur l'élimination de la mémantine. Ces résultats suggèrent qu'une approche thérapeutique individualisée, prenant en compte des facteurs cliniques et génétiques du patient, pourrait améliorer l'efficacité et la sécurité du traitement pro-cognitif.

Simultaneous determination of human plasma levels of citalopram, paroxetine, sertraline, and their metabolites by gas chromatography-mass spectrometry.

A gas chromatography-mass spectrometry method is presented which allows the simultaneous determination of the plasma concentrations of the selective serotonin reuptake inhibitors citalopram, paroxetine, sertraline, and their pharmacologically active N-demethylated metabolites (desmethylcitalopram, didesmethylcitalopram, and desmethylsertraline) after derivatization with the reagent N-methyl-bis(trifluoroacetamide). No interferences from endogenous compounds are observed following the extraction of plasma samples from six different human subjects. The standard curves are linear over a working range of 10-500 ng/mL for citalopram, 10-300 ng/mL for desmethylcitalopram, 5-60 ng/mL for didesmethylcitalopram, 20-400 ng/mL for sertraline and desmethylsertraline, and 10-200 ng/mL for paroxetine. Recoveries measured at three concentrations range from 81 to 118% for the tertiary amines (citalopram and the internal standard methylmaprotiline), 73 to 95% for the secondary amines (desmethylcitalopram, paroxetine and sertraline), and 39 to 66% for the primary amines (didesmethylcitalopram and desmethylsertraline). Intra- and interday coefficients of variation determined at three concentrations range from 3 to 11% for citalopram and its metabolites, 4 to 15% for paroxetine, and 5 to 13% for sertraline and desmethylsertraline. The limits of quantitation of the method are 2 ng/mL for citalopram and paroxetine, 1 ng/mL for sertraline, and 0.5 ng/mL for desmethylcitalopram, didesmethylcitalopram, and desmethylsertraline. No interferences are noted from 20 other psychotropic drugs. This sensitive and specific method can be used for single-dose pharmacokinetics. It is also useful for therapeutic drug monitoring of these three drugs and could possibly be adapted for the quantitation of the two other selective serotonin reuptake inhibitors on the market, namely fluoxetine and fluvoxamine.

Buprenorphine and norbuprenorphine quantification in human plasma by simple protein precipitation and ultra-high performance liquid chromatography tandem mass spectrometry.

A highly sensitive ultra-high performance liquid chromatography tandem mass spectrometry (UHPLC-MS/MS) method was developed for the quantification of buprenorphine and its major metabolite norbuprenorphine in human plasma. In order to speed up the process and decrease costs, sample preparation was performed by simple protein precipitation with acetonitrile. To the best of our knowledge, this is the first application of this extraction technique for the quantification of buprenorphine in plasma. Matrix effects were strongly reduced and selectivity increased by using an efficient chromatographic separation on a sub-2μm column (Acquity UPLC BEH C18 1.7μm, 2.1×50mm) in 5min with a gradient of ammonium formate 20mM pH 3.05 and acetonitrile as mobile phase at a flow rate of 0.4ml/min. Detection was made using a tandem quadrupole mass spectrometer operating in positive electrospray ionization mode, using multiple reaction monitoring. The procedure was fully validated according to the latest Food and Drug Administration guidelines and the Société Française des Sciences et Techniques Pharmaceutiques. Very good results were obtained by using a stable isotope-labeled internal standard for each analyte, to compensate for the variability due to the extraction and ionization steps. The method was very sensitive with lower limits of quantification of 0.1ng/ml for buprenorphine and 0.25ng/ml for norbuprenorphine. The upper limit of quantification was 250ng/ml for both drugs. Trueness (98.4-113.7%), repeatability (1.9-7.7%), intermediate precision (2.6-7.9%) and internal standard-normalized matrix effects (94-101%) were in accordance with international recommendations. The procedure was successfully used to quantify plasma samples from patients included in a clinical pharmacogenetic study and can be transferred for routine therapeutic drug monitoring in clinical laboratories without further development.

Suivi thérapeutique de l'imatinib

* Le monitoring (suivi) joue un rôle important pour un traitement et son évaluation - pour autant qu'il se base sur la mesure de marqueurs cliniques adéquats ou de substituts validés. * Pour ce qui est du traitement d'imatinib, le «therapeutic drug monitoring» (TDM) semble être une option utile pour le contrôle du traitement de la LMC. Il utilise la concentration plasmatique de ce médicament comme marqueur. * Les concentrations plasmatiques d'imatinib varient considérablement d'un patient à l'autre sous un même schéma posologique, en raison de la variabilité interindividuelle de sa pharmacocinétique. Il a été démontré que l'exposition plasmatique était en corrélation avec le résultat clinique des patients LMC - aussi bien pour la réponse au traitement que pour le profil d'effets indésirables. * Il n'est pas encore établi si le TDM de l'imatinib doit être utilisé que dans le cas de problèmes cliniques ou si les patients LMC peuvent déjà profiter d'un contrôle préventif systématique «de routine» - de manière à garder la concentration plasmatique dans des marges thérapeutiques. Cela est toujours plus recommandé ces derniers temps. * Pour répondre à cette question, une étude suisse prospective, randomisée et contrôlée recrute des patients LMC traités par imatinib depuis moins de 5 ans et propose en outre le TDM pour tous les patients en cas de problèmes cliniques. - * Monitoring spielt eine wichtige Rolle zur Therapieevaluierung und Behandlungsentscheidung - solange es auf der Basis der Messung von entsprechenden klinischen oder validierten Surrogat-Markern stattfindet. * Im Hinblick auf die Imatinib-Therapie scheint das «Therapeutische Drug-Monitoring» (TDM) ein nützlicher Ansatz zum Therapie-Monitoring der CML-Behandlung zu sein, welches die Plasmakonzentration des Arzneimittels als Marker zur Therapieüberwachung verwendet. * Imatinib-Plasmakonzentrationen variieren beträchtlich von Patient zu Patient unter dem gleichen Dosierungsschema, aufgrund der interindividuell unterschiedlichen Pharmakokinetik des Arzneimittels. Für die Plasmaexposition wurde gezeigt, dass sie mit dem klinischen Outcome von CML-Patienten korreliert - sowohl im Bezug auf das Therapieansprechen als auch auf das Nebenwirkungsprofil. * Es ist noch unklar, ob das TDM von Imatinib nur im Falle von klinischen Problemen Verwendung finden sollte oder ob CML-Patienten bereits von einem systematischen, präventiven «Routine»-Monitoring zur Therapieindividualisierung - zur Steuerung der Plasmakonzentration in einen therapeutischen Bereich - profitieren könnten, welches in letzter Zeit immer häufiger empfohlen wird. * Um diese Fragestellung zu beantworten, nimmt eine prospektive, randomisiert kontrollierte Schweizer Studie CML-Patienten auf, die seit weniger als 5 Jahren mit Imatinib behandelt werden, und bietet das TDM zudem für alle Patienten im Falle von klinischen Problemen an.

Imatinib plasma concentrations variability in hemato-oncologic patients

Abstract Imatinib (Glivec~ has transformed the treatment and prognosis of chronic myeloid leukaemia (CML) and of gastrointestinal stromal tumor (GIST). However, the treatment must be taken indefinitely and is not devoid of inconvenience and toxicity. Moreover, resistance or escape from disease control occurs. Considering the large interindividual differences in the function of the enzymatic and transport systems involved in imatinib disposition, exposure to this drug can be expected to vary widely among patients. Among those known systems is a cytochrome P450 (CYI'3A4) that metabolizes imatinib, the multidrug transporter P-glycoprotein (P-gp; product of the MDR1 gene) that expels imatinib out of cells, and al-acid glycoprotein (AGP), a circulating protein binding imatinib in the plasma. The aim of this observational study was to explore the influence of these covariates on imatinib pharmacokinetics (PK), to assess the interindividual variability of the PK parameters of the drug, and to evaluate whether imatinib use would benefit from a therapeutic drug monitoring (TDM) program. A total of 321 plasma concentrations were measured in 59 patients receiving imatinib, using a validated chromatographic method developed for this study (HPLC-LTV). The results were analyzed by non-linear mixed effect modeling (NONMEM). A one-compartment pharmacokinetic model with first-order absorption appropriately described the data, and a large interindividual variability was observed. The MDK> polymorphism 3435C>T and the CYP3A4 activity appeared to modulate the disposition of imatinib, albeit not significantly. A hyperbolic relationship between plasma AGP levels and oral clearance, as well as volume of distribution, was observed. A mechanistic approach was built up, postulating that only the unbound imatinib concentration was able to undergo first-order elimination. This approach allowed determining an average free clearance (CL,~ of 13101/h and a volume of distribution (Vd) of 301 1. By comparison, the total clearance determined was 141/h (i.e. 233 ml/min). Free clearance was affected by body weight and pathology diagnosis. The estimated variability of imatinib disposition (17% for CLu and 66% for Vd) decreased globally about one half with the model incorporating the AGP impact. Moreover, some associations were observed between PK parameters of the free imatinib concentration and its efficacy and toxicity. Finally, the functional influence of P-gp activity has been demonstrated in vitro in cell cultures. These elements are arguments to further investigate the possible usefulness of a TDM program for imatinib. It may help in individualizing the dosing regimen before overt disease progression or development of treatment toxicity, thus improving both the long-term therapeutic effectiveness and tolerability of this drug. Résumé L'imatinib (Glivec ®) a révolutionné le traitement et le pronostic de la leucémie myéloïde chronique (LMC) et des tumeurs stromales d'origine digestive (GIST). Il s'agit toutefois d'un traitement non dénué d'inconvénients et de toxicité, et qui doit être pris indéfiniment. Par ailleurs, une résistance, ou des échappements au traitement, sont également rencontrés. Le devenir de ce médicament dans l'organisme dépend de systèmes enzymatiques et de transport connus pour présenter de grandes différences interindividuelles, et l'on peut s'attendre à ce que l'exposition à ce médicament varie largement d'un patient à l'autre. Parmi ces systèmes, on note un cytochrome P450 (le CYP3A4) métabolisant l'imatinib, la P-glycoprotéine (P-gp ;codée par le gène MDR1), un transporteur d'efflux expulsant le médicament hors des cellules, et l'atglycoprotéine acide (AAG), une protéine circulante sur laquelle se fixe l'imatinib dans le plasma. L'objectif de la présente étude clinique a été de déterminer l'influence de ces covariats sur la pharmacocinétique (PK) de l'imatinib, d'établir la variabilité interindividuelle des paramètres PK du médicament, et d'évaluer dans quelle mesure l'imatinib pouvait bénéficier d'un programme de suivi thérapeutique (TDM). En utilisant une méthode chromatographique développée et validée à cet effet (HPLC-UV), un total de 321 concentrations plasmatiques a été dosé chez 59 patients recevant de l'imatinib. Les résultats ont été analysés par modélisation non linéaire à effets mixtes (NONMEM). Un modèle pharmacocinétique à un compartiment avec absorption de premier ordre a permis de décrire les données, et une grande variabilité interindividuelle a été observée. Le polymorphisme du gène MDK1 3435C>T et l'activité du CYP3A4 ont montré une influence, toutefois non significative, sur le devenir de l'imatinib. Une relation hyperbolique entre les taux plasmatiques d'AAG et la clairance, comme le volume de distribution, a été observée. Une approche mécanistique a donc été élaborée, postulant que seule la concentration libre subissait une élimination du premier ordre. Cette approche a permis de déterminer une clairance libre moyenne (CLlibre) de 13101/h et un volume de distribution (Vd) de 301 l. Par comparaison, la clairance totale était de 141/h (c.à.d. 233 ml/min). La CLlibre est affectée par le poids corporel et le type de pathologie. La variabilité interindividuelle estimée pour le devenir de l'imatinib (17% sur CLlibre et 66% sur Vd) diminuait globalement de moitié avec le modèle incorporant l'impact de l'AAG. De plus, une certaine association entre les paramètres PK de la concentration d'imatinib libre et l'efficacité et la toxicité a été observée. Finalement, l'influence fonctionnelle de l'activité de la P-gp a été démontrée in nitro dans des cultures cellulaires. Ces divers éléments constituent des arguments pour étudier davantage l'utilité potentielle d'un programme de TDM appliqué à l'imatinib. Un tel suivi pourrait aider à l'individualisation des régimes posologiques avant la progression manifeste de la maladie ou l'apparition de toxicité, améliorant tant l'efficacité que la tolérabilité de ce médicament. Résumé large public L'imatinib (un médicament commercialisé sous le nom de Glivec ®) a révolutionné le traitement et le pronostic de deux types de cancers, l'un d'origine sanguine (leucémie) et l'autre d'origine digestive. Il s'agit toutefois d'un traitement non dénué d'inconvénients et de toxicité, et qui doit être pris indéfiniment. De plus, des résistances ou des échappements au traitement sont également rencontrés. Le devenir de ce médicament dans le corps humain (dont l'étude relève de la discipline appelée pharmacocinétique) dépend de systèmes connus pour présenter de grandes différences entre les individus, et l'on peut s'attendre à ce que l'exposition à ce médicament varie largement d'un patient à l'autre. Parmi ces systèmes, l'un est responsable de la dégradation du médicament dans le foie (métabolisme), l'autre de l'expulsion du médicament hors des cellules cibles, alors que le dernier consiste en une protéine (dénommée AAG) qui transporte l'imatinib dans le sang. L'objectif de notre étude a été de déterminer l'influence de ces différents systèmes sur le comportement pharmacocinétique de l'imatinib chez les patients, et d'étudier dans quelle mesure le devenir de ce médicament dans l'organisme variait d'un patient à l'autre. Enfin, cette étude avait pour but d'évaluer à quel point la surveillance des concentrations d'imatinib présentes dans le sang pourrait améliorer le traitement des patients cancéreux. Une telle surveillance permet en fait de connaître l'exposition effective de l'organisme au médicament (concept abrégé par le terme anglais TDM, pour Therapeutic Drag Monitoring. Ce projet de recherche a d'abord nécessité la mise au point d'une méthode d'analyse pour la mesure des quantités (ou concentrations) d'imatinib présentes dans le sang. Cela nous a permis d'effectuer régulièrement des mesures chez 59 patients. Il nous a ainsi été possible de décrire le devenir du médicament dans le corps à l'aide de modèles mathématiques. Nous avons notamment pu déterminer chez ces patients la vitesse à laquelle l'imatinib est éliminé du sang et l'étendue de sa distribution dans l'organisme. Nous avons également observé chez les patients que les concentrations sanguines d'imatinib étaient très variables d'un individu à l'autre pour une même dose de médicament ingérée. Nous avons pu aussi mettre en évidence que les concentrations de la protéine AAG, sur laquelle l'imatinib se lie dans le sang, avait une grande influence sur la vitesse à laquelle le médicament est éliminé de l'organisme. Ensuite, en tenant compte des concentrations sanguines d'imatinib et de cette protéine, nous avons également pu calculer les quantités de médicament non liées à cette protéine (= libres), qui sont seules susceptibles d'avoir une activité anticancéreuse. Enfin, il a été possible d'établir qu'il existait une certaine relation entre ces concentrations, l'effet thérapeutique et la toxicité du traitement. Tous ces éléments constituent des arguments pour approfondir encore l'étude de l'utilité d'un programme de TDM appliqué à l'imatinib. Comme chaque patient est différent, un tel suivi pourrait aider à l'ajustement des doses du médicament avant la progression manifeste de la maladie ou l'apparition de toxicité, améliorant ainsi tant son efficacité que son innocuité.

Métabolisme d'antidépresseurs dans différentes espèces : aspects méthodologiques et pharmacogénétiques, perspectives cliniques

Résumé pour large public Unité de Biochimie et Psychopharmacologie Clinique, Centre de neurosciences Psychiatrique, Département de Psychiatrie Adulte, Faculté de Biologie et de Médecine, Université de Lausanne Lors de la prise d'un médicament, celui-ci va passer par différentes étapes que sont l'absorption, la distribution, le métabolisme et enfin l'élimination. Ces quatre étapes sont regroupées sous le nom de pharmacocinétique. A noter que ces quatre paramètres sont dynamiques et en constante évolution. Durant cette thèse, nous avons investigué différents aspects de la pharmacocinétique, tout d'abord par une revue de la littérature sur la glycoprotéine-P (Pgp). Récemment découverte, cette protéine de membrane est située aux endroits stratégiques de l'organisme comme la barrière hématoencéphalée, le placenta ou les intestins où elle influencera l'entrée de différentes substances, en particulier les médicaments. La Pgp serait impliquée dans les phénomènes de résistances aux agents thérapeutiques en oncologie. La Pgp influence donc l'absorption des médicaments, et son impact en clinique, en termes d'efficacité de traitement et de toxicité prend chaque jour plus d'importance. Ensuite nous avons mis au point une méthode d'analyse quantitative d'un antidépresseur d'une nouvelle génération : la mirtazapine (Remeron®). La nouveauté réside dans la façon dont la mirtazapine interagit avec les neurotransmetteurs impliqués dans la dépression que sont la sérotonine et la noradrénaline. Cette méthode utilise la chromatographie liquide pour séparer la mirtazapine de ses principaux métabolites dans le sang. La spectrométrie de masse est utilisée pour les détecter et les quantifier. Les métabolites sont des substances issues de réactions chimiques entre la substance mère, la mirtazapine, et généralement des enzymes hépatiques, dans le but de rendre cette substance plus soluble en vue de son élimination. Cette méthode permet de quantifier la mirtazapine et ses métabolites dans le sang de patients traités et de déterminer la variation des taux plasmatiques chez ces patients. Puis nous avons étudié le métabolisme d'un autre antidépresseur, le citalopram, qui a un métabolisme complexe. Le citalopram est un racémate, c'est-à-dire qu'il existe sous forme de deux entités chimiques (R-(-) et S-(+) citalopram) qui ont le même nombre d'éléments mais arrangés différemment dans l'espace. La voie métabolique cérébrale du citalopram est sous le contrôle d'une enzyme, la monoamine oxydase (MAO), conduisant à une forme acide du citalopram (l'acide propionique du citalopram). La MAO existe sous deux formes : MAO-A et MAO-B. Nous avons utilisé des souris déficientes d'un gène, celui de la MAO-A, pour mieux en comprendre le métabolisme en les comparants à des souris sauvages (sans déficience de ce gène). Nous avons utilisé le citalopram et deux de ses métabolites (le déméthylcitaloprarn et le didéméthyícitalopram) comme substrats pour tester la formation in vitro de l'acide propionique du citalopram. Nos résultats montrent que la MAO-A favorise la formation de l'entité R-(-) et présente une plus grande affinité pour le citalopram, tandis que la MAO-B métabolise préférentiellement l'entité S-(+) et a une plus grande affinité pour les deux métabolites déméthylés. De plus, la déficience en MAO-A est partiellement compensée parla MAO-B chez les souris déficientes du gène de la MAO-A. Enfin, nous avons étudié une deuxième voie métabolique du citalopram qui s'est avérée toxique chez le chien Beagle. Celle-ci est catalysée par une autre famille d'enzymes, les cytochromes P-450, et mène aux métabolites déméthylés et didéméthylés du citalopram. Nous avons utilisé des tissus hépatiques de chiens Beagle. Plusieurs cytochromes P-450 sont impliqués dans le métabolisme du citalopram menant à sa forme déméthylée, ceci tant chez l'homme que chez le chien. Par contre, dans le métabolisme de la forme déméthylée menant à 1a forme didéméthylée, un seul cytochrome P-450 serait impliqué chez l'Homme, tandis qu'ils seraient plusieurs chez le chien. L'activité enzymatique produisant la forme didéméthylée est beaucoup plus importante chez le chien comparé à l'homme. Cette observation soutien l'hypothèse que des taux élevés de la forme didéméthylée participent à la toxicité spécifique du citalopram chez le chien. Nous pouvons conclure que plusieurs famille d'enzymes sont impliquées tant au niveau cérébral qu'hépatique dans la métabolisation de médicaments psychotropes. Sachant que les enzymes peuvent être stimulées ou inhibées, il importe de pouvoir suivre au plus prés les taux plasmatiques des différents psychotropes et de leurs métabolites. Résumé Unité de Biochimie et Psychopharmacologie Clinique, Centre de neurosciences Psychiatrique, Département de Psychiatrie Adulte, Faculté de Biologie et de Médecine, Université de Lausanne La plupart des médicaments subissent une transformation enzymatique dans l'organisme. Les substances issues de cette métabolisation ne sont pas toujours dotées d'une activité pharmacologique. Il s'est avéré par conséquent indispensable de suivre les taux plasmatiques d'une substance et de ses métabolites et d'établir ou non l'existence d'une relation avec l'effet clinique observé. Ce concept nommé « therapeutic drag monitoring » (TDM) est particulièrement utile en psychiatrie ou un manque de compliance des patients est fréquemment observé. Les médicaments psychotropes ont un métabolisme principalement hépatique (cytochromes P-450) et parfois cérébral (monoamines oxydases), comme pour le citalopram par exemple. Une méthode stéréosélective de chromatographie liquide couplée à la spectrométrie de masse a été développée pour analyser les énantiomères R-(-) et S-(+) d'un antidépresseur agissant sur les récepteurs noradrénergiques et sérotoninergiques, la mirtazapine et de ses métabolites déméthylmirtazapine et 8-hydroxymirtazapine. Les données préliminaires obtenues dans les plasmas dosés suggèrent que les concentrations de R-(-)-mirtazapine sont plus élevées que celles de S-(+)-mirtazapine, à l'exception des patients qui auraient comme co-médication des inhibiteurs du CYP2D6, telle que la fluoxétine ou la thioridazine. Il y a une enantiosélectivité du métabolisme de la mirtazapine. En particulier pour la 8-hydroxymirtazapine qui est glucuroconjuguée et pour laquelle le ratio S/R varie considérablement. Cette méthode analytique présente l'avantage d'être utilisable pour le dosage stéréosélectif de la mirtazapine et de ses métabolites dans le plasma de patients ayant d'autres substances en co-médication. La glycoprotéine P fonctionne comme une pompe transmembranaire transportant les xénobiotiques depuis le milieu intracellulaire vers le milieu extracellulaire. Son induction et son inhibition, bien que moins étudiées que pour les cytochromes P-450, ont des implications cliniques importantes en termes d'efficacité de traitement et de toxicité. Cette glycoprotéine P a fait l'objet d'une recherche bibliographique. Nous avons étudié le métabolisme du citalopram, un antidépresseur de la classe des inhibiteurs spécifiques de la recapture de la sérotonine chez la souris et chez le chien. Cette substance subit un métabolisme complexe. La voie de métabolisation conduisant à la formation de l'acide propionique du citalopram, catalysée par les monoamines oxydases, a été étudiée in vitro dans les mitochondries cérébrales chez la souris déficiente du gène de la MAO-A (Tg8). La monoamine oxydase A catalyse la formation de l'énantiomère R-(-) et présente une plus grande affinité pour les amines tertiaires, tandis que la monoamine oxydase B favorise la formation de la forme S-(+) et a une affinité plus marquée pour les amines secondaires et primaires. L'étude du citalopram chez la souris Tg8 adulte a montré que la monoamine oxydase B compense la déficience de la monoamine oxydase A chez ces souris génétiquement modifiées. Une autre voie de métabolisation du citalopram conduisant à la formation de didéméthylcitalopram, catalysée par les cytochromes P-450, a été étudiée in vitro dans des microsomes hépatiques de chiens Beagle. Nos études ont montré que les cinétiques de N-déméthylation du citalopram sont biphasiques chez le chien. Les orthologues canins impliqués dans la première N-déméthylation semblent être identiques aux cytochromes P-450 humains. Par contre, dans la deuxième Ndéméthylation, un seul cytochrome P-450 semble être impliqué chez l'homme (CYP2D6), tandis qu'on retrouve jusqu'à cinq orthologues chez le chien. Le CYP2D15, orthologue canin du CYP2D6, est majoritairement impliqué. De plus, l'activité enzymatique, reflétée par les clairances intrinsèques, dans la première N-déméthylation est jusqu'à 45 fois plus élevée chez le chien comparé à l'homme. Ces différentes observations soutiennent l'hypothèse que des taux élevés de didéméthylcitalopram sont responsables de la toxicité du citalopram chez le chien. Nous pouvons conclure que plusieurs famille d'enzymes sont impliquées tant au niveau cérébral qu'hépatique dans la métabolisation de médicaments psychotropes. Sachant -que les enzymes peuvent être induits ou inhibés, il importe de pouvoir suivre au plus près les taux plasmatiques des différents psychotropes et de leurs métabolites. Summary Most of the drugs are metabolized in the organism. Substances issued from this metabolic activity do not always show a pharmacological activity. Therefore, it is necessary to monitor plasmatic levels of drugs and their metabolites, and establish the relationship with the clinical effect. This concept named therapeutic drug monitoring is very useful in psychiatry where lack of compliance is commonly observed. Antidepressants are mainly metabolized in the liver (cytochrome P-450) and sometimes in the brain (monoamine oxidase) like the citalopram, for exemple. A LC-MS method was developed, which allows the simultaneous analysis of R-(-) and S-(+) enantiomers of mirtazapine, an antidepressant acting specifically on noradrenergic and serotonergic receptors, and its metabolites demethylmirtazapine and 8-hydroxymirtazapine in plasma of mirtazapine treated patients. Preliminary data obtained suggested that R-(-) mirtazapine concentrations were higher than those of S-(+) mirtazapine, except in patients comedicated with CYP2D6 inhibitors such as fluoxetine or thioridazine. There is an enantioselectivity in the metabolism of mirtazapine. In particular for the 8-hydroxymirtazapine, which is glucuroconjugated and S/R ratio varies considerably. Therefore this method seems to be suitable for the stereoselective assay of mirtazapine and its metabolites in plasma of patients comedicated with mirtazapine and other drugs for routine and research purposes. P-glycoprotein is working as an efflux transporter of xenobiotics from intracellular to extracellular environment. Its induction or inhibition, although less studied than cytochrome P-450, has huge clinical implications in terms of treatment efficacy and toxicity. An extensive literature search on P-glycoprotein was performed as part of this thesis. The study of citalopram metabolism, an antidepressant belonging to the class of selective serotonin reuptake inhibitors. This substance undergoes a complex metabolism. First metabolization route leading to citalopram propionic acid, catalyzed by monoamine oxidase was studied in vitro in mice brain mitochondria. Monoamine oxidase A catalyzed the formation of R-(-) enantiomer and showed greater affinity for tertiary amines, whereas monoamine oxidase B triggered the formation of S-(+) enantiomer and demonstrated higher affinity for primary and secondary amines. citalopram evaluation in adult Tg8 mice showed that monoamine oxidase B compensated monoamine oxidase A deficiency in those genetically transformed mice. The second metabolization route of citalopram leading to didemethylcitalopram and catalyzed by cytochrome P-450 was studied in vitro in Beagle dog's livers. Our results showed that citalopram N-demethylation kinetics are biphasic in dogs. Canine orthologs involved in the first N-demethylation seemed to be identical to human cytochromes P-450. However, in the second N-demethylation only one cytochrome P-450 seemed to be involved in human (CYP2D6), whereas up to five canine orthologs were found in dogs. CYP2D15 canine ortholog of CYP2D6 was mainly involved. In addition, enzymatic activity reflected by intrinsic clearance in the first N-demethylation was up to 45 fold higher in dogs compared to humans. Those observations support the assumption that elevated rates of didemethylcitalopram are responsible for citalopram toxicity in dogs. We can conclude that several enzymes groups are involved in the brain, as well as in the liver, in antidepressant metabolization. Knowing that enzymes may be induced or inhibited, it makes sense to closely monitor plasmatic levels of antidepressants and their metabolites.