Understanding PK/PD

Pharmacology is the science underpinning dosing, mechanisms of action and effectiveness of drugs. Central to pharmacology, are the studies of pharmacokinetics (PK) and pharmacodynamics (PD). On one hand, PK defines the time-course of drug concentrations in the body and incorporates the broad concepts of drug absorption, distribution, metabolism and elimination. On the other hand, PD describes the relationship between drug concentrations and pharmacological effects. In practice, PK is often referred as “what the body does to the drug” whilst PD as “what the drug does to the body”. Thus, PK/PD describes the relationship between drug dose and pharmacological effects with changes in drug concentrations leading to different pharmacological effects.

Understanding Aqueous Dispersibility of Graphene Oxide and Reduced Graphene Oxide through pK(a) Measurements

The chemistry underlying the aqueous dispersibility of graphene oxide (GO) and reduced graphene oxide (r-GO) is a key consideration in the design of solution processing techniques for the preparation of processable graphene sheets. Here, we use zeta potential measurements, pH titrations, and infrared spectroscopy to establish the chemistry underlying the aqueous dispersibility of GO and r-GO sheets at different values of pH. We show that r-GO sheets have ionizable groups with a single pK value (8.0) while GO sheets have groups that are more acidic (pK = 4.3), in addition to groups with pK values of 6.6 and 9.0. Infrared spectroscopy has been used to follow the sequence of ionization events. In both GO and r-GO sheets, it is ionization of the carboxylic groups that is primarily responsible for the build up of charge, but on GO sheets, the presence of phenolic and hydroxyl groups in close proximity to the carboxylic groups lowers the pK(a) value by stabilizing the carboxylate anion, resulting in superior water dispersibility.

Depth: a web server to compute depth, cavity sizes, detect potential small-molecule ligand-binding cavities and predict the pK(a) of ionizable residues in proteins

Residue depth accurately measures burial and parameterizes local protein environment. Depth is the distance of any atom/residue to the closest bulk water. We consider the non-bulk waters to occupy cavities, whose volumes are determined using a Voronoi procedure. Our estimation of cavity sizes is statistically superior to estimates made by CASTp and VOIDOO, and on par with McVol over a data set of 40 cavities. Our calculated cavity volumes correlated best with the experimentally determined destabilization of 34 mutants from five proteins. Some of the cavities identified are capable of binding small molecule ligands. In this study, we have enhanced our depth-based predictions of binding sites by including evolutionary information. We have demonstrated that on a database (LigASite) of similar to 200 proteins, we perform on par with ConCavity and better than MetaPocket 2.0. Our predictions, while less sensitive, are more specific and precise. Finally, we use depth (and other features) to predict pK(a)s of GLU, ASP, LYS and HIS residues. Our results produce an average error of just <1 pH unit over 60 predictions. Our simple empirical method is statistically on par with two and superior to three other methods while inferior to only one. The DEPTH server (http://mspc.bii.a-star.edu.sg/depth/) is an ideal tool for rapid yet accurate structural analyses of protein structures.

Dissociation Constants of Weak Acids from ab Initio Molecular Dynamics Using Metadynamics: Influence of the Inductive Effect and Hydrogen Bonding on pK(a) Values

The theoretical estimation of the dissociation constant, or pK(a), of weak acids continues to be a challenging field. Here, we show that ab initio CarParrinello molecular dynamics simulations in conjunction with metadynamics calculations of the free-energy profile of the dissociation reaction provide reasonable estimates of the pK(a) value. Water molecules, sufficient to complete the three hydration shells surrounding the acid molecule, were included explicitly in the computation procedure. The free-energy profiles exhibit two distinct minima corresponding to the dissociated and neutral states of the acid, and the difference in their values provides the estimate for pK(a). We show for a series of organic acids that CPMD simulations in conjunction with metadynamics can provide reasonable estimates of pK(a) values. The acids investigated were aliphatic carboxylic acids, chlorine-substituted carboxylic acids, cis- and trans-butenedioic acid, and the isomers of hydroxybenzoic acid. These systems were chosen to highlight that the procedure could correctly account for the influence of the inductive effect as well as hydrogen bonding on pK(a) values of weak organic acids. In both situations, the CPMD metadynamics procedure faithfully reproduces the experimentally observed trend and the magnitudes of the pK(a) values.

Estimating successive pK(a) values of polyprotic acids from ab initio molecular dynamics using metadynamics: the dissociation of phthalic acid and its isomers

Estimation of the dissociation constant, or pK(a), of weak acids continues to be a central goal in theoretical chemistry. Here we show that ab initio Car-Parrinello molecular dynamics simulations in conjunction with metadynamics calculations of the free energy profile of the dissociation reaction can provide reasonable estimates of the successive pK(a) values of polyprotic acids. We use the distance-dependent coordination number of the protons bound to the hydroxyl oxygen of the carboxylic group as the collective variable to explore the free energy profile of the dissociation process. Water molecules, sufficient to complete three hydration shells surrounding the acid molecule, were included explicitly in the computation procedure. Two distinct minima corresponding to the dissociated and un-dissociated states of the acid are observed and the difference in their free energy values provides the estimate for pK(a), the acid dissociation constant. We show that the method predicts the pK(a) value of benzoic acid in good agreement with experiment and then show using phthalic acid (benzene dicarboxylic acid) as a test system that both the first and second pK(a) values as well, as the subtle difference in their values for different isomers can be predicted in reasonable agreement with experimental data.

Ab Initio Molecular Dynamics Simulations of Amino Acids in Aqueous Solutions: Estimating pK(a) Values from Metadynamics Sampling

Changes in the protonation and deprotonation of amino acid residues in proteins play a key role in many biological processes and pathways. Here, we report calculations of the free-energy profile for the protonation deprotonation reaction of the 20 canonical alpha amino acids in aqueous solutions using ab initio Car-Parrinello molecular dynamics simulations coupled with metad-ynamics sampling. We show here that the calculated change in free energy of the dissociation reaction provides estimates of the multiple pK(a) values of the amino acids that are in good agreement with experiment. We use the bond-length-dependent number of the protons coordinated to the hydroxyl oxygen of the carboxylic and the amine groups as the collective variables to explore the free-energy profiles of the Bronsted acid-base chemistry of amino acids in aqueous solutions. We ensure that the amino acid undergoing dissociation is solvated by at least three hydrations shells with all water molecules included in the simulations. The method works equally well for amino acids with neutral, acidic and basic side chains and provides estimates of the multiple pK(a) values with a mean relative error, with respect to experimental results, of 0.2 pK(a) units.

Ab Initio MD Simulations of the Bronsted Acidity of Glutathione in Aqueous Solutions: Predicting pK(a) Shifts of the Cysteine Residue

The tripeptide glutathione (GSH) is one of the most abundant peptides and the major repository for nonprotein sulfur in both animal and plant cells. It plays a critical role in intracellular oxidative stress management by the reversible formation of glutathione disulfide with the thiol-disulfide pair acting as a redox buffer. The state of charge of the ionizable groups of GSH can influence the redox couple, and hence the pK(a) value of the cysteine residue of GSH is critical to its functioning. Here we report ab initio Car-Parrinello molecular dynamics simulations of glutathione solvated by 200 water molecules, all of which are considered in the simulation. We show that the free-energy landscape for the protonation-deprotonation reaction of the cysteine residue of GSH computed using metadynamics sampling provides shift in the dissociation constant values as compared with the isolated accurate estimates of the pK(a) and correctly predicts the cysteine amino acid.

Correlation analysis of the structures and pK(a) values of carboxylic acids

The quantum-chemical descriptors were used for QSPR study of the structures of carboxylic acids and their pK(a) values. The algorithm of "Leaps and Bounds" regression was performed for selection of the variables. The CoMFA method was carried out for 3D-QSPR. As the introduction of the charge of oxygen atom(Q(2)), the results obtained by CoMFA were improved greatly.

Determination of surface pK(a) of HS(CH2)(10)COOH SAMs using an electrochemical titration method

The self-assembled monolayer(SAM) of 11-mercaptoundecanoic acid [HS(CH2)(10)COOH] was formed on a gold electrode and the effect of the charge of end group on the electrochemical response of Fe(CN)(6)(3-) at the SAM modified electrode was studied by cyclic voltammetry. At high pH, when the -COOH groups are dissociated, the current of Fe(CN)(6)(3-) is suppressed; as the solution pH is lowered, the current of Fe(CN)(6)(3-) increases. The electrochemical titration curve was obtained by correlating the currents of Fe(CN)(6)(3-) to the different pH values of electrolyte, from which the surface pK(a) was obtained to be 3. 0+/-0. 2. Furthermore, the reason of small pK(a) value was explained using SAMs of different surface coverage.

Determination of surface pK(a) of SAM using an electrochemical titration method

A self-assembled monolayer (SAM) of 3-mercaptopropionic acid (HSCH2CH2COOH) was formed on a gold electrode. The effect of the charge of the end group on the electrochemical response of Fe(CN)(6)(3-) at the SAM modified electrode was studied by using cyclic voltammetry. At high pH, when the -COOH groups are dissociated, Fe(CN)(6)(3-) current is suppressed; as the solution pH is lowered, Fe(CN)(6)(3-) current increases. The electrochemical titration curve was obtained by correlating the currents to the different electrolyte pH values, from which the surface pK(a) was obtained to be 5.2+/-0.1. Furthermore, a calculation equation was presented to simulate the electrochemical titration. As comparison, the surface pK(a) was also measured by contact angle titration as 5.6+/-0.1. The surface pK(a) values determined by the two methods in our work are consistent and accurate.

HR-asiantuntijapalveluiden käyttö PK-yrityksissä. Case: Virvo Oy palveluiden tarjoajana

Tutkielma on kvalitatiivinen haastattelututkimus, jonka tavoitteena on tarkastella HR-asiantuntijapalveluiden;konsultoinnin, ulkoistamisen ja vuokrajohtajuuden käyttöä sekä mahdollisuuksia PK-sektorilla. Tutkimuksessa perehdytään myös työn toimeksiantajan, case-yritys Virvon liiketoimintaan HR-asiantuntijapalveluiden markkinoilla ja siihen, miten Virvo pystyy vastaamaan näihin haasteisiin. HR-asiantuntijapalveluiden markkinoiden selvittämiseksi on haastateltu neljää HR-asiantuntijaa. Tämän pohjalta on tehty 15 PK-yrityksen toimitusjohtajan haastattelua HR-asiantuntijapalveluiden käytön selvittämiseksi. Tehdyt haastattelut ovat olleet puolistrukturoituja, jolloin on käytetty valmiita kysymyspohjia. Tutkimuksessa on selvinnyt, että HR-asiantuntijamarkkinat ovat vasta muotoutumassa ja että ala on varsin uusi. PK-yritysten HR-toimintojen haasteisiin pystytään parhaiten vastaamaan HR-asiantuntijapalveluilla, jotka ovat selkeitä kokonaisuuksia ja järkevästi hinnoiteltuja. Tärkeinä asioina on nähty esimerkiksi käytännön toteutus sekä lisäajan saaminen varsinaisen liiketoiminnan hoitamiseen. Palveluiden käyttö korostuu erityisesti erilaisissa muutostilanteissa kuten esimerkiksi yrityksen kasvuvaiheessa. Voidaan todeta myös, että liiketoiminnan tila vaikuttaa HR-asiantuntijapalveluiden käyttöön.

Optimisation du processus de développement du médicament grâce à la modélisation PK et les simulations d’études cliniques

Le développement d’un médicament est non seulement complexe mais les retours sur investissment ne sont pas toujours ceux voulus ou anticipés. Plusieurs médicaments échouent encore en Phase III même avec les progrès technologiques réalisés au niveau de plusieurs aspects du développement du médicament. Ceci se traduit en un nombre décroissant de médicaments qui sont commercialisés. Il faut donc améliorer le processus traditionnel de développement des médicaments afin de faciliter la disponibilité de nouveaux produits aux patients qui en ont besoin. Le but de cette recherche était d’explorer et de proposer des changements au processus de développement du médicament en utilisant les principes de la modélisation avancée et des simulations d’essais cliniques. Dans le premier volet de cette recherche, de nouveaux algorithmes disponibles dans le logiciel ADAPT 5® ont été comparés avec d’autres algorithmes déjà disponibles afin de déterminer leurs avantages et leurs faiblesses. Les deux nouveaux algorithmes vérifiés sont l’itératif à deux étapes (ITS) et le maximum de vraisemblance avec maximisation de l’espérance (MLEM). Les résultats de nos recherche ont démontré que MLEM était supérieur à ITS. La méthode MLEM était comparable à l’algorithme d’estimation conditionnelle de premier ordre (FOCE) disponible dans le logiciel NONMEM® avec moins de problèmes de rétrécissement pour les estimés de variances. Donc, ces nouveaux algorithmes ont été utilisés pour la recherche présentée dans cette thèse. Durant le processus de développement d’un médicament, afin que les paramètres pharmacocinétiques calculés de façon noncompartimentale soient adéquats, il faut que la demi-vie terminale soit bien établie. Des études pharmacocinétiques bien conçues et bien analysées sont essentielles durant le développement des médicaments surtout pour les soumissions de produits génériques et supergénériques (une formulation dont l'ingrédient actif est le même que celui du médicament de marque, mais dont le profil de libération du médicament est différent de celui-ci) car elles sont souvent les seules études essentielles nécessaires afin de décider si un produit peut être commercialisé ou non. Donc, le deuxième volet de la recherche visait à évaluer si les paramètres calculer d’une demi-vie obtenue à partir d'une durée d'échantillonnage réputée trop courte pour un individu pouvaient avoir une incidence sur les conclusions d’une étude de bioéquivalence et s’ils devaient être soustraits d’analyses statistiques. Les résultats ont démontré que les paramètres calculer d’une demi-vie obtenue à partir d'une durée d'échantillonnage réputée trop courte influençaient de façon négative les résultats si ceux-ci étaient maintenus dans l’analyse de variance. Donc, le paramètre de surface sous la courbe à l’infini pour ces sujets devrait être enlevé de l’analyse statistique et des directives à cet effet sont nécessaires a priori. Les études finales de pharmacocinétique nécessaires dans le cadre du développement d’un médicament devraient donc suivre cette recommandation afin que les bonnes décisions soient prises sur un produit. Ces informations ont été utilisées dans le cadre des simulations d’essais cliniques qui ont été réalisées durant la recherche présentée dans cette thèse afin de s’assurer d’obtenir les conclusions les plus probables. Dans le dernier volet de cette thèse, des simulations d’essais cliniques ont amélioré le processus du développement clinique d’un médicament. Les résultats d’une étude clinique pilote pour un supergénérique en voie de développement semblaient très encourageants. Cependant, certaines questions ont été soulevées par rapport aux résultats et il fallait déterminer si le produit test et référence seraient équivalents lors des études finales entreprises à jeun et en mangeant, et ce, après une dose unique et des doses répétées. Des simulations d’essais cliniques ont été entreprises pour résoudre certaines questions soulevées par l’étude pilote et ces simulations suggéraient que la nouvelle formulation ne rencontrerait pas les critères d’équivalence lors des études finales. Ces simulations ont aussi aidé à déterminer quelles modifications à la nouvelle formulation étaient nécessaires afin d’améliorer les chances de rencontrer les critères d’équivalence. Cette recherche a apporté des solutions afin d’améliorer différents aspects du processus du développement d’un médicament. Particulièrement, les simulations d’essais cliniques ont réduit le nombre d’études nécessaires pour le développement du supergénérique, le nombre de sujets exposés inutilement au médicament, et les coûts de développement. Enfin, elles nous ont permis d’établir de nouveaux critères d’exclusion pour des analyses statistiques de bioéquivalence. La recherche présentée dans cette thèse est de suggérer des améliorations au processus du développement d’un médicament en évaluant de nouveaux algorithmes pour des analyses compartimentales, en établissant des critères d’exclusion de paramètres pharmacocinétiques (PK) pour certaines analyses et en démontrant comment les simulations d’essais cliniques sont utiles.