Optimisation of antiretroviral therapy : pharmacokinetic and pharmacogenetic approaches

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

Antiretroviral treatment of adult HIV infection: 2012 recommendations of the International Antiviral Society-USA panel.

CONTEXT: New trial data and drug regimens that have become available in the last 2 years warrant an update to guidelines for antiretroviral therapy (ART) in human immunodeficiency virus (HIV)-infected adults in resource-rich settings. OBJECTIVE: To provide current recommendations for the treatment of adult HIV infection with ART and use of laboratory-monitoring tools. Guidelines include when to start therapy and with what drugs, monitoring for response and toxic effects, special considerations in therapy, and managing antiretroviral failure. DATA SOURCES, STUDY SELECTION, AND DATA EXTRACTION: Data that had been published or presented in abstract form at scientific conferences in the past 2 years were systematically searched and reviewed by an International Antiviral Society-USA panel. The panel reviewed available evidence and formed recommendations by full panel consensus. DATA SYNTHESIS: Treatment is recommended for all adults with HIV infection; the strength of the recommendation and the quality of the evidence increase with decreasing CD4 cell count and the presence of certain concurrent conditions. Recommended initial regimens include 2 nucleoside reverse transcriptase inhibitors (tenofovir/emtricitabine or abacavir/lamivudine) plus a nonnucleoside reverse transcriptase inhibitor (efavirenz), a ritonavir-boosted protease inhibitor (atazanavir or darunavir), or an integrase strand transfer inhibitor (raltegravir). Alternatives in each class are recommended for patients with or at risk of certain concurrent conditions. CD4 cell count and HIV-1 RNA level should be monitored, as should engagement in care, ART adherence, HIV drug resistance, and quality-of-care indicators. Reasons for regimen switching include virologic, immunologic, or clinical failure and drug toxicity or intolerance. Confirmed treatment failure should be addressed promptly and multiple factors considered. CONCLUSION: New recommendations for HIV patient care include offering ART to all patients regardless of CD4 cell count, changes in therapeutic options, and modifications in the timing and choice of ART in the setting of opportunistic illnesses such as cryptococcal disease and tuberculosis.

Antiretroviral treatment of adult HIV infection: 2014 recommendations of the International Antiviral Society-USA Panel.

IMPORTANCE: New data and antiretroviral regimens expand treatment choices in resource-rich settings and warrant an update of recommendations to treat adults infected with human immunodeficiency virus (HIV). OBJECTIVE: To provide updated treatment recommendations for adults with HIV, emphasizing when to start treatment; what treatment to start; the use of laboratory monitoring tools; and managing treatment failure, switches, and simplification. DATA SOURCES, STUDY SELECTION, AND DATA SYNTHESIS: An International Antiviral Society-USA panel of experts in HIV research and patient care considered previous data and reviewed new data since the 2012 update with literature searches in PubMed and EMBASE through June 2014. Recommendations and ratings were based on the quality of evidence and consensus. RESULTS: Antiretroviral therapy is recommended for all adults with HIV infection. Evidence for benefits of treatment and quality of available data increase at lower CD4 cell counts. Recommended initial regimens include 2 nucleoside reverse transcriptase inhibitors (NRTIs; abacavir/lamivudine or tenofovir disoproxil fumarate/emtricitabine) and a third single or boosted drug, which should be an integrase strand transfer inhibitor (dolutegravir, elvitegravir, or raltegravir), a nonnucleoside reverse transcriptase inhibitor (efavirenz or rilpivirine) or a boosted protease inhibitor (darunavir or atazanavir). Alternative regimens are available. Boosted protease inhibitor monotherapy is generally not recommended, but NRTI-sparing approaches may be considered. New guidance for optimal timing of monitoring of laboratory parameters is provided. Suspected treatment failure warrants rapid confirmation, performance of resistance testing while the patient is receiving the failing regimen, and evaluation of reasons for failure before consideration of switching therapy. Regimen switches for adverse effects, convenience, or to reduce costs should not jeopardize antiretroviral potency. CONCLUSIONS AND RELEVANCE: After confirmed diagnosis of HIV infection, antiretroviral therapy should be initiated in all individuals who are willing and ready to start treatment. Regimens should be selected or changed based on resistance test results with consideration of dosing frequency, pill burden, adverse toxic effect profiles, comorbidities, and drug interactions.

The significance of pre-existing minority Y181C mutations on virological failure of NNRTI-based, first-line antiretroviral therapy

Background: Reduced re'nal function has been reported with tenofovir disoproxil fumarate (TDF). It is not clear whether TDF co-administered with a boosted protease inhibitor (PI) leads to a greater decline in renal function than TDF co-administered with a non-nucleoside reverse transcriptase inhibitor (NNRTI).Methods: We selected ail antiretroviral therapy-naive patients in the Swiss HIV Cohort Study (SHCS) with calibrated or corrected serum creatinine measurements starting antiretroviral therapy with TDF and either efavirenz (EFV) or the ritonavir-boosted PIs, lopinavir (LPV/r) or atazanavir (ATV/r). As a measure of renal function, we used the Chronic Kidney Disease Epidemiology Collaboration (CKD-EPI) equation to estimate the glomerular filtration rate (eGFR). We calculated the difference in eGFR over time between two therapies using a marginal model for repeated measures. In weighted analyses, observations were weighted by the product of their point of treatment and censoring weights to adjust for differences both in the sort of patients starting each therapy and in the sort of patients remaining on each therapy over time.Results: By March 2011, 940 patients with at least one creatinine measurement on a first therapy with either TDF and EFV (n=484), TDF and LPVlr (n=269) or TDF and ATV/r (n=187) had been followed for a median of 1. 7, 1.2 and 1.3 years, respectively. Table 1 shows the difference in average estimated GFR (eGFR) over time since starting cART for two marginal models. The first model was not adjusted for potential confounders; the second mode! used weights to adjust for confounders. The results suggest a greater decline in renal function during the first 6 months if TDF is used with a PI rather than with an NNRTI, but no further difference between these therapies after the first 6 months. TDF and ATV/r may lead to a greater decline in the first 6 months than TDF and LPVlr.Conclusions: TDF co-administered with a boosted PI leads to a greater de cline in renal function over the first 6 months of therapy than TDF co-administered with an NNRTI; this decline may be worse with ATV/r than with LPV/r.

Incidence of HIV-1 drug resistance among antiretroviral treatment-naive individuals starting modern therapy combinations.

BACKGROUND: Estimates of drug resistance incidence to modern first-line combination antiretroviral therapies against human immunodeficiency virus (HIV) type 1 are complicated by limited availability of genotypic drug resistance tests (GRTs) and uncertain timing of resistance emergence. METHODS: Five first-line combinations were studied (all paired with lamivudine or emtricitabine): efavirenz (EFV) plus zidovudine (AZT) (n = 524); EFV plus tenofovir (TDF) (n = 615); lopinavir (LPV) plus AZT (n = 573); LPV plus TDF (n = 301); and ritonavir-boosted atazanavir (ATZ/r) plus TDF (n = 250). Virological treatment outcomes were classified into 3 risk strata for emergence of resistance, based on whether undetectable HIV RNA levels were maintained during therapy and, if not, whether viral loads were >500 copies/mL during treatment. Probabilities for presence of resistance mutations were estimated from GRTs (n = 2876) according to risk stratum and therapy received at time of testing. On the basis of these data, events of resistance emergence were imputed for each individual and were assessed using survival analysis. Imputation was repeated 100 times, and results were summarized by median values (2.5th-97.5th percentile range). RESULTS: Six years after treatment initiation, EFV plus AZT showed the highest cumulative resistance incidence (16%) of all regimens (<11%). Confounder-adjusted Cox regression confirmed that first-line EFV plus AZT (reference) was associated with a higher median hazard for resistance emergence, compared with other treatments: EFV plus TDF (hazard ratio [HR], 0.57; range, 0.42-0.76), LPV plus AZT (HR, 0.63; range, 0.45-0.89), LPV plus TDF (HR, 0.55; range, 0.33-0.83), ATZ/r plus TDF (HR, 0.43; range, 0.17-0.83). Two-thirds of resistance events were associated with detectable HIV RNA level ≤500 copies/mL during treatment, and only one-third with virological failure (HIV RNA level, >500 copies/mL). CONCLUSIONS: The inclusion of TDF instead of AZT and ATZ/r was correlated with lower rates of resistance emergence, most likely because of improved tolerability and pharmacokinetics resulting from a once-daily dosage.

Outcomes of patients on dual-boosted PI regimens : experience of the Swiss HIV cohort study

Rapport de SynthèseLa thérapie antirétrovirale a progressée de manière significative depuis te début de l'épidémie du syndrome d'immunodéficience acquise (SIDA). Durant les 20 dernières années, plusieurs combinaisons de traitements ont été utilisées avec succès menant à une réduction de la mortalité associée. Par contre, le traitement a aussi engendré des cas de résistances multiples avec comme résultat, le besoin d'utiliser plusieurs molécules en combinaison, et une augmentation des cas de toxicité. Une stratégie souvent employée fût la combinaison de deux molécules inhibitrices de la protéase en même temps en combinaison avec une troisième molécule, le ritonavir. (DBPI).La cohorte Suisse sur le VIH existe depuis 1987 et permet d'étudier de façon longitudinale les patients qui y sont inscrits. Pour ce travail de thèse, nous avons étudié les patients inscrits à la cohorte suisse de 1996 à 2007 qui ont reçu une combinaison DBPI.Pendant la période étudiée, un total de 405 patients ont reçu un traitement DBPI, dont 295 patients ont reçu le DBPI pour plus de 6 mois. La durée médiane du traitement était de 2.2 ans. Sur les 287 patients qui étaient en échec viral au début du traitement (défini comme HIV RNA>400 copies/ml), 64.1% ont réussi à supprimer la virémie et 54.4% ont eu une suppression dans les 24 semaines qui ont suivi le début de la thérapie. Les patients avaient reçu en moyenne 6 combinaisons de traitement différentes avant le début de la thérapie DBPi. Pour les patients qui ont arrêté le traitement DBPI, la cause principale de l'arrêt était due au souhait du patient (48.3%), à l'échec virologique (22.5%) et à la toxicité (15.8%). Les patients ayant reçu le traitement après 1999, ou ayant été traités avec une combinaison de Lopinavir-ritonvir/saquinavir ou lopinavir-ritonavir/atazanavir arrivaient à supprimer leur virémie plus souvent que ceux qui avaient reçu d'autres combinaisons.Cette étude constitue la plus grande étude publiée sur le sujet de l'utilisation des DBPI pour les patients à résistances multiples. Malgré le fait que c'est une étude observationnelle, nous pouvons attester que le taux de succès était de 64.4%, le taux de toxicité était relativement bas (15.8%) et que la plus part des patients ont toléré ces combinaisons, malgré le taux élevé d'effets secondaires souvent rapportés. En somme, cette approche pourrait être envisagée dans des situations ou les nouveaux traitements tels que les inhibiteurs de l'intégrase et du CCR5 ne sont pas encore disponibles.

Population pharmacokinetic analysis and pharmacogenetics of raltegravir in HIV-positive and healthy individuals.

The objectives of this study were to characterize raltegravir (RAL) population pharmacokinetics in HIV-positive (HIV(+)) and healthy individuals, identify influential factors, and search for new candidate genes involved in UDP glucuronosyltransferase (UGT)-mediated glucuronidation. The pharmacokinetic analysis was performed with NONMEM. Genetic association analysis was performed with PLINK using the relative bioavailability as the phenotype. Simulations were performed to compare once- and twice-daily regimens. A 2-compartment model with first-order absorption adequately described the data. Atazanavir, gender, and bilirubin levels influenced RAL relative bioavailability, which was 30% lower in HIV(+) than in healthy individuals. UGT1A9*3 was the only genetic variant possibly influencing RAL pharmacokinetics. The majority of RAL pharmacokinetic variability remains unexplained by genetic and nongenetic factors. Owing to the very large variability, trough drug levels might be very low under the standard dosing regimen, raising the question of a potential relevance of therapeutic drug monitoring of RAL in some situations.

HIV-1 protease mutation 82M contributes to phenotypic resistance to protease inhibitors in subtype G.

OBJECTIVES: The purpose of this study was the qualitative and quantitative assessment of the in vitro effect of HIV-1 protease (PR) mutation 82M on replication capacity and susceptibility to the eight clinically available PR inhibitors (PIs).¦METHODS: The 82M substitution was introduced by site-directed mutagenesis in wild-type subtype B and G strains, as well as reverted back to wild-type in a therapy-failing strain. The recombinant viruses were evaluated for their replication capacity and susceptibility to PIs.¦RESULTS: The single 82M mutation within a wild-type subtype B or G background did not result in drug resistance. However, the in vitro effect of single PR mutations on PI susceptibility is not always distinguishable from wild-type virus, and particular background mutations and polymorphisms are required to detect significant differences in the drug susceptibility profile. Consequently, reverting the 82M mutation back to wild-type (82I) in a subtype G isolate from a patient that failed therapy with multiple other PR mutations did result in significant increases in susceptibility towards indinavir and lopinavir and minor increases in susceptibility towards amprenavir and atazanavir. The presence of the 82M mutation also slightly decreased viral replication, whether it was in the genetic background of subtype B or subtype G.¦CONCLUSIONS: Our results suggest that 82M has an impact on PI susceptibility and that this effect is not due to a compensatory effect on the replication capacity. Because 82M is not observed as a polymorphism in any subtype, these observations support the inclusion of 82M in drug resistance interpretation systems and PI mutation lists.

Outcomes of patients on dual-boosted PI regimens: experience of the Swiss HIV cohort study.

Dual-boosted protease inhibitors (DBPI) are an option for salvage therapy for HIV-1 resistant patients. Patients receiving a DBPI in the Swiss HIV Cohort Study between January1996 and March 2007 were studied. Outcomes of interest were viral suppression at 24 weeks. 295 patients (72.5%) were on DBPI for over 6 months. The median duration was 2.2 years. Of 287 patients who had HIV-RNA >400 copies/ml at the start of the regimen, 184 (64.1%) were ever suppressed while on DBPI and 156 (54.4%) were suppressed within 24 weeks. The median time to suppression was 101 days (95% confidence interval 90-125 days). The median number of past regimens was 6 (IQR, 3-8). The main reasons for discontinuing the regimen were patient's wish (48.3%), treatment failure (22.5%), and toxicity (15.8%). Acquisition of HIV through intravenous drug use and the use of lopinavir in combination with saquinavir or atazanavir were associated with an increased likelihood of suppression within 6 months. Patients on DBPI are heavily treatment experienced. Viral suppression within 6 months was achieved in more than half of the patients. There may be a place for DBPI regimens in settings where more expensive alternates are not available.

Pharmacokinetic and pharmacogenetic factors influencing plasma and cellular antiretroviral drug disposition

Abstract: The improvement in antiretroviral drug therapy has transformed HIV infection into a chronic disease. However, treatment failure and drug toxicity are frequent. Inadequate response to treatment is clearly multifactorial and, therefore, dosage individualisation based on demographic factors, genetic markers and measurement of cellular and plasma drug level may enhance both drug efficacy and tolerability. At present, antiretroviral drugs levels are monitored in plasma, whereas only drugs penetrating into cells are able to exert an antiviral activity, suggesting that cellular drug determination may more confidently reflect drug exposure at the site of pharmacological action. The overall objective of this thesis is to provide a better understanding of the Pharmacokinetic and pharmacogenetic factors influencing the plasma and cellular disposition of antiretroviral drugs. To that endeavour, analytical methods for the measurements of plasma and cellular drug levels have been developed and validated using liquid chromatography methods coupled with ultraviolet and tandem mass spectrometry detection, respectively. Correlations between plasma and cellular exposures were assessed during observational and experimental studies. Cytochrome (CYP) 2B6, efflux transporters (ABCB1, ABCC1, ABCC2 and ABCG2) and orosomucoid (ORM) polymorphisms were determined and were related to plasma and cellular exposures, as well as toxicity of antiretroviral drugs. A Pharmacokinetic population model was developed to characterise inter- and intra-patient variability of atazanavir pharmacokinetics, and to identify covariates influencing drug disposition. In that context, a Pharmacokinetic interaction study between atazanavir and lopinavir, both boosted with ritonavir, has beén conducted to assess the safety and pharmacokinetics of this boosted double-protease inhibitors regimen. Well to moderately-correlated cellular and plasma drug levels are .observed or protease inhibitors, whereas for efavirenz and nevirapine these correlations are weak. Cellular exposure, and CYP2B6 genotype (516G>T) are predictors of efavirenz neuropsychological toxicity. Nevirapine plasma exposure is also influenced by CYPZB6 polymorphism. Nelfinavir cellular exposure appears to be significantly associated only with ABCB1 genotype (3435C>T and intron 26 + 80T>C). Indinavir and lopinavir clearance and lopinavir cellular/plasma exposure ratio are influenced by the concentration of the variant S of ORM, suggesting-a specific binding of these drugs to this variant. Nelfinavir and efavirenz are not influenced by ORM concentration and phenotype. The Pharmacokinetic parameters of atazanavir are adequately described by our population model. The atazanavir-lopinavir interaction study indicates no influence on plasma and cellular atazanavir pharmacokinetics, while limited decrease in lopinavir concentrations was observed after atazanavir addition. The residual variability unexplained by the considered variables suggests that other covariates either uncontrolled at present or remaining to be identified, such as genetic and environmental factors influence antiretroviral drug pharmacokinetics, with substantial impact on treatment efficacy and tolerability. In that context, a comprehensive approach taking into account drug pharmacokinetics and patient genetic background is expected to contribute to increase treatment success, and to reduce the occurrence of adverse drug reactions by stratifying patients in an individualised antiretroviral therapy approach. Résumé Facteurs pharmacocinétiques et pharmacogénétiques influençant l'exposition plasmatique et cellulaire des antirétroviraux Les progrès de la thérapie antirétrovirale ont transformé l'infection par le VIH d'une affection mortelle à une maladie chronique. En dépit de ce succès, l'échec thérapeutique et la toxicité médicamenteuse restent fréquents. Une réponse inadéquate au traitement est clairement multifactorielle et une individualisation de la posologie des médicaments qui se baserait sur les facteurs démographiques et génétiques des patients et sur les taux sanguins des médicaments pourrait améliorer à la fois l'efficacité et la tolérance de la thérapie. Par ailleurs, seules les concentrations plasmatiques sont actuellement considérées pour le suivi thérapeutique des médicaments, alors que les taux cellulaires pourraient mieux refléter l'activité de ses médicaments qui agissent au niveau intracellulaire. L'objectif global de cette thèse était de mieux comprendre les facteurs pharmacocinétiques et pharmacocénétiques influençant l'exposition plasmatique et cellulaire des médicaments antirétroviraux. A cet effet, des méthodes pour quantifier les concentrations plasmatiques et cellulaires des antirétroviraux ont été développées et validées en utilisant la chromatographie liquide couplée à la détection ultraviolette et la spectrométrie de masse en tandem, respectivement. La corrélation entre l'exposition cellulaire et plasmatique de ces médicaments a été étudiée lors d'études observationnelles et expérimentales. Les polymorphismes du cytochrome (CYP) 2B6, ainsi que des transporteurs d'efflux (ABCB1, ABCC1, ABCC2 et ABCG2) et de l'orosomucoïde (ORM) ont été déterminés et corrélés avec l'exposition plasmatique et cellulaire des antirétroviraux, ainsi qu'à leur toxicité. Un modèle de pharmacocinétique de population a été établi afin de caractériser la variabilité inter- et intra-individuelle de l'atazanavir, et d'identifier les covariables pouvant influencer le devenir de ce médicament. Dans ce contexte, une étude d'interaction entre l'atazanavir et le lopinavir a été effectuée afin de déterminer la sécurité et le profil pharmacocinétique de ce régime thérapeutique. Des corrélations modérées à bonnes ont été observées entre les taux cellulaires et plasmatiques des inhibiteurs de protéase, alors que pour l'efavirenz et la névirapine ces corrélations sont faibles. L'exposition cellulaire, ainsi que le génotype du CYP2B6 (516G>T) sont des indices de la toxicité neuropsychologique de l'efavirenz. L'exposition plasmatique de la névirapine est également influencée par le polymorphisme du CYPZB6. L'exposition cellulaire du nelfinavir est significativement associée au génotype du ABCB1 (3435C>T et intron 26 + 80T>C). La clairance de l'indinavir et du lopinavir, ainsi que le rapport entre exposition cellulaire et plasmatique du lopinavir sont influencés par la concentration du variant S de l'ORM, suggérant une liaison spécifique de ces médicaments à ce variant. La clairance du nelfinavir et de l'efavirenz n'est pas influencée ni par la concentration ni par le phénotype de l'ORM. Les paramètres pharmacocinétiques de l'atazanavir ont été décrits de façon adéquate par le modèle de population proposé. De plus, le lopinavir n'influence pas les concentrations plasmatiques et cellulaires de l'atazanavir; alors que celui-ci conduit à une baisse limitée des taux de lopinavir. L'importante variabilité pharmacocinétique des antirétroviraux suggère que d'autres facteurs génétiques et environnementaux -qui restent encore à découvrir- influencent également leur disponibilité. Dans un proche futur, une prise en charge qui tienne. compte de la pharmacocinétique des médicaments et des caractéristiques génétiques du patient devrait permettre d'individualiser le traitement, contribuant certainement à une amélioration de la réponse thérapeutique et à une diminution de la toxicité. Résumé grand public Facteurs pharmacocinétiques et pharmacogénétiques influençant l'exposition plasmatique et cellulaire des antirétroviraux Les progrès effectués dans le traitement de l'infection par le virus de l'immunodéficience humaine acquise (VIH), ont permis de transformer une maladie avec un pronostic sombre, en une maladie chronique traitable avec des médicaments de plus en plus efficaces. Malgré ce succès, de nombreux patients ne répondent pas de façon optimale à leur traitement et/ou souffrent d'effets indésirables médicamenteux entraînant fréquemment une modification de leur thérapie. Actuellement, le suivi de la réponse au traitement s'effectue par la mesure chez les patients de la quantité de virus et du nombre des cellules immunitaires dans le sang, ainsi que par la concentration sanguine des médicaments administrés. Cependant, comme le virus se réplique à l'intérieur de la cellule, la mesure des concentrations médicamenteuses au niveau intracellulaire pourrait mieux refléter l'activité pharmacologique au site d'action. De plus, il a été possible de mettre en évidence la grande variabilité des concentrations plasmatiques de médicaments chez des patients prenant pourtant la même dose de médicament. Comme cette variabilité est notamment due à des facteurs génétiques qui sont susceptibles d'influencer la réponse au traitement antirétroviral, des analyses génétiques ont été également effectuées chez ces patients. Cette thèse a eu pour objectif de mieux comprendre les facteurs pharmacologiques et génétiques influençant l'activité et la toxicité des médicaments antirétroviraux afin de réduire la variabilité de la réponse thérapeutique. A cet effet, une méthode de dosage permettant la quantification des médicaments anti-HIV au niveau intracellulaire a été développée. Par ailleurs, nos études ont également porté .sur les variations génétiques influençant la quantité et l'activité des protéines impliquées dans le métabolisme et dans le transport des médicaments antirétroviraux. Enfin, les conséquences de ces variations sur la réponse clinique et la toxicité du traitement ont été évaluées. Nos études ont mis en évidence des associations significatives entre les variations génétiques considérées et la concentration sanguine, cellulaire et la toxicité de quelques médicaments antirétroviraux. La complémentarité des connaissances pharmacologiques, génétiques et virales pourrait aboutir à une stratégie globale permettant d'individualiser le traitement et la dose administrée, en fonction des caractéristiques propres de chaque patient. Cette approche pourrait contribuer à une optimisation du traitement antirétroviral dans la perspective d'une meilleure- efficacité thérapeutique à long terme et d'une diminution des effets indésirables rencontrés.

Modulation of inflammatory pathways by the HIV protease inhibitors

Les inhibiteurs de la protéase du VIH (IP) constituent une des classes de traitements antirétroviraux parmi les plus utilisés au cours de l'infection par le VIH. Leur utilisation est associée à divers effets secondaires, notamment la dyslipidémie, la résistance à l'insuline, la lipodystrophie et certaines complications cardio-vasculaires. Ces molécules ont également des propriétés anti-tumorales, décrites chez des patients non infectés par le VIH. Pourtant, les mécanismes moléculaires à l'origine de ces effets annexes restent méconnus. Dans ce travail, nous démontrons que les IP, comme le Nelfinavir, le Ritonavir, le Lopinavir, le Saquinavir et l'Atazanavir, entrainent la production d'interleukine-lß (IL-lß), une puissante cytokine pro-inflammatoire, connue pour son rôle central dans les maladies inflammatoires. La sécrétion d'IL-lß requiert la formation de l'inflammasome, un complexe protéique intracellulaire servant de plateforme d'activation de la caspase-1 et, par la suite, à la maturation protéolytique de certaines cytokines, dont l'IL-lß. Dans les macrophages murins en culture primaire, ainsi que dans une lignée de monocytes humains, nous démontrons que les IP augmentent la maturation et la sécrétion de l'IL-lß via l'induction d'un inflammasome dépendant de ASC. De plus, nous établissons que les IP induisent spécifiquement l'activation de AIM2, un inflammasome détectant la présence intracytosolique d'ADN viral ou bactérien. Nos résultats démontrent l'existence d'une nouvelle voie d'activation de l'inflammasome AIM2 par un signal endogène dont la nature reste à définir. Ces données suggèrent que AIM2 pourrait jouer un rôle important dans la promotion de l'activité anti-tumorale ainsi que dans les autres effets annexes observés chez les patients traités par IP. -- HIV protease inhibitors (Pis) are among the most often used classes of antiretroviral drugs for HIV infection. Treatment of patients with HIV-PIs is associated with the development of metabolic side effects including dyslipidemia, insulin resistance, lipodystrophy and cardiovascular complications. In addition, these drugs have been reported to have anti¬tumoral properties in non-infected patients, however the molecular mechanisms causing these off-target effects are still unclear. Here we show that the HIV-PIs, such as Nelfinavir, Ritonavir, Lopinavir, Saquinavir and Atazanavir, activate the production of interleukin-lß (IL-lß), a potent pro-inflammatory cytokine that plays a central role in the pathogenesis of inflammatory diseases. The release of IL-lß depends on the activation of the inflammasome, a multiprotein complex that serves as a platform for caspase-1 activation and subsequent proteolytic maturation of cytokines including IL-lß. We found that in mouse primary macrophages as well as in a human monocytic cell line, the HIV-PIs augment the maturation and secretion of IL-lß by triggering an ASC-dependent inflammasome activation. Moreover, we show that the HIV-PIs specifically engage AIM2, a recently characterized inflammasome -forming protein that was described to detect the cytosolic release of bacterial and viral DNA. Our findings demonstrate a new pathway of activation of the AIM2 inflammasome by a yet to be defined endogenous signal and may suggest a possible role for AIM2 in promoting anti¬tumoral activity and off-target effects observed in HIV-PIs treated patients.

Higher CNS penetration-effectiveness of long-term combination antiretroviral therapy is associated with better HIV-1 viral suppression in cerebrospinal fluid.

OBJECTIVES: To determine HIV-1 RNA in cerebrospinal fluid (CSF) of successfully treated patients and to evaluate if combination antiretroviral treatments with higher central nervous system penetration-effectiveness (CPE) achieve better CSF viral suppression. METHODS: Viral loads (VLs) and drug concentrations of lopinavir, atazanavir, and efavirenz were measured in plasma and CSF. The CPE was calculated using 2 different methods. RESULTS: The authors analyzed 87 CSF samples of 60 patients. In 4 CSF samples, HIV-1 RNA was detectable with 43-82 copies per milliliter. Median CPE in patients with detectable CSF VL was significantly lower compared with individuals with undetectable VL: CPE of 1.0 (range, 1.0-1.5) versus 2.3 (range, 1.0-3.5) using the method of 2008 (P = 0.011) and CPE of 6 (range, 6-8) versus 8 (range, 5-12) using the method of 2010 (P = 0.022). The extrapolated CSF trough levels for atazanavir (n = 12) were clearly above the 50% inhibitory concentration (IC50) in only 25% of samples; both patients on atazanavir/ritonavir with detectable CSF HIV-1 RNA had trough levels in the range of the presumed IC50. The extrapolated CSF trough level for lopinavir (n = 42) and efavirenz (n = 18) were above the IC50 in 98% and 78%, respectively, of samples, including the patients with detectable CSF HIV-1 RNA. CONCLUSIONS: This study suggests that treatment regimens with high intracerebral efficacy reflected by a high CPE score are essential to achieve CSF HIV-1 RNA suppression. The CPE score including all drug components was a better predictor for treatment failure in the CSF than the sole concentrations of protease inhibitor or nonnucleoside reverse transcriptase inhibitor in plasma or CSF.

Choice of Initial Combination Antiretroviral Therapy in Individuals With HIV Infection: Determinants and Outcomes.

BACKGROUND Current guidelines give recommendations for preferred combination antiretroviral therapy (cART). We investigated factors influencing the choice of initial cART in clinical practice and its outcome. METHODS We analyzed treatment-naive adults with human immunodeficiency virus (HIV) infection participating in the Swiss HIV Cohort Study and starting cART from January 1, 2005, through December 31, 2009. The primary end point was the choice of the initial antiretroviral regimen. Secondary end points were virologic suppression, the increase in CD4 cell counts from baseline, and treatment modification within 12 months after starting treatment. RESULTS A total of 1957 patients were analyzed. Tenofovir-emtricitabine (TDF-FTC)-efavirenz was the most frequently prescribed cART (29.9%), followed by TDF-FTC-lopinavir/r (16.9%), TDF-FTC-atazanavir/r (12.9%), zidovudine-lamivudine (ZDV-3TC)-lopinavir/r (12.8%), and abacavir/lamivudine (ABC-3TC)-efavirenz (5.7%). Differences in prescription were noted among different Swiss HIV Cohort Study sites (P < .001). In multivariate analysis, compared with TDF-FTC-efavirenz, starting TDF-FTC-lopinavir/r was associated with prior AIDS (relative risk ratio, 2.78; 95% CI, 1.78-4.35), HIV-RNA greater than 100 000 copies/mL (1.53; 1.07-2.18), and CD4 greater than 350 cells/μL (1.67; 1.04-2.70); TDF-FTC-atazanavir/r with a depressive disorder (1.77; 1.04-3.01), HIV-RNA greater than 100 000 copies/mL (1.54; 1.05-2.25), and an opiate substitution program (2.76; 1.09-7.00); and ZDV-3TC-lopinavir/r with female sex (3.89; 2.39-6.31) and CD4 cell counts greater than 350 cells/μL (4.50; 2.58-7.86). At 12 months, 1715 patients (87.6%) achieved viral load less than 50 copies/mL and CD4 cell counts increased by a median (interquartile range) of 173 (89-269) cells/μL. Virologic suppression was more likely with TDF-FTC-efavirenz, and CD4 increase was higher with ZDV-3TC-lopinavir/r. No differences in outcome were observed among Swiss HIV Cohort Study sites. CONCLUSIONS Large differences in prescription but not in outcome were observed among study sites. A trend toward individualized cART was noted suggesting that initial cART is significantly influenced by physician's preference and patient characteristics. Our study highlights the need for evidence-based data for determining the best initial regimen for different HIV-infected persons.

The rate of recovery in renal function when patients with HIV infection discontinue treatment with tenofovir.

OBJECTIVES: Tenofovir is associated with reduced renal function. It is not clear whether patients can be expected to fully recover their renal function if tenofovir is discontinued. METHODS: We calculated the estimated glomerular filtration rate (eGFR) for patients in the Swiss HIV Cohort Study remaining on tenofovir for at least 1 year after starting a first antiretroviral therapy regimen with tenofovir and either efavirenz or the ritonavir-boosted protease inhibitor lopinavir, atazanavir or darunavir. We estimated the difference in eGFR slope between those who discontinued tenofovir after 1 year and those who remained on tenofovir. RESULTS: A total of 1049 patients on tenofovir for at least 1 year were then followed for a median of 26 months, during which time 259 patients (25%) discontinued tenofovir. After 1 year on tenofovir, the difference in eGFR between those starting with efavirenz and those starting with lopinavir, atazanavir and darunavir was - 0.7 [95% confidence interval (CI) -2.3 to 0.8], -1.4 (95% CI -3.2 to 0.3) and 0.0 (95% CI -1.7 to 1.7) mL/min/1.73 m(2) , respectively. The estimated linear rate of decline in eGFR on tenofovir was -1.1 (95% CI -1.5 to -0.8) mL/min/1.73 m(2) per year and its recovery after discontinuing tenofovir was 2.1 (95% CI 1.3 to 2.9) mL/min/1.73 m(2) per year. Patients starting tenofovir with either lopinavir or atazanavir appeared to have the same rates of decline and recovery as those starting tenofovir with efavirenz. CONCLUSIONS: If patients discontinue tenofovir, clinicians can expect renal function to recover more rapidly than it declined.

Association of pharmacogenetic markers with premature discontinuation of first-line anti-HIV therapy: an observational cohort study.

BACKGROUND: Poor tolerance and adverse drug reactions are main reasons for discontinuation of antiretroviral therapy (ART). Identifying predictors of ART discontinuation is a priority in HIV care. METHODS: A genetic association study in an observational cohort to evaluate the association of pharmacogenetic markers with time to treatment discontinuation during the first year of ART. Analysis included 577 treatment-naive individuals initiating tenofovir (n = 500) or abacavir (n = 77), with efavirenz (n = 272), lopinavir/ritonavir (n = 184), or atazanavir/ritonavir (n = 121). Genotyping included 23 genetic markers in 15 genes associated with toxicity or pharmacokinetics of the study medication. Rates of ART discontinuation between groups with and without genetic risk markers were assessed by survival analysis using Cox regression models. RESULTS: During the first year of ART, 190 individuals (33%) stopped 1 or more drugs. For efavirenz and atazanavir, individuals with genetic risk markers experienced higher discontinuation rates than individuals without (71.15% vs 28.10%, and 62.5% vs 14.6%, respectively). The efavirenz discontinuation hazard ratio (HR) was 3.14 (95% confidence interval (CI): 1.35-7.33, P = .008). The atazanavir discontinuation HR was 9.13 (95% CI: 3.38-24.69, P < .0001). CONCLUSIONS: Several pharmacogenetic markers identify individuals at risk for early treatment discontinuation. These markers should be considered for validation in the clinical setting.