Using a pharmacokinetic model to interpret biomonitoring data of PBDEs in the Australian population

From human biomonitoring data that are increasingly collected in the United States, Australia, and in other countries from large-scale field studies, we obtain snap-shots of concentration levels of various persistent organic pollutants (POPs) within a cross section of the population at different times. Not only can we observe the trends within this population with time, but we can also gain information going beyond the obvious time trends. By combining the biomonitoring data with pharmacokinetic modeling, we can re-construct the time-variant exposure to individual POPs, determine their intrinsic elimination half-lives in the human body, and predict future levels of POPs in the population. Different approaches have been employed to extract information from human biomonitoring data. Pharmacokinetic (PK) models were combined with longitudinal data1, with single2 or multiple3 average concentrations of a cross-sectional data (CSD), or finally with multiple CSD with or without empirical exposure data4. In the latter study, for the first time, the authors based their modeling outputs on two sets of CSD and empirical exposure data, which made it possible that their model outputs were further constrained due to the extensive body of empirical measurements. Here we use a PK model to analyze recent levels of PBDE concentrations measured in the Australian population. In this study, we are able to base our model results on four sets5-7 of CSD; we focus on two PBDE congeners that have been shown3,5,8-9 to differ in intake rates and half-lives with BDE-47 being associated with high intake rates and a short half-life and BDE-153 with lower intake rates and a longer half-life. By fitting the model to PBDE levels measured in different age groups in different years, we determine the level of intake of BDE-47 and BDE-153, as well as the half-lives of these two chemicals in the Australian population.

Influence of cytochrome P-450 inhibitors on the inhalative uptake of methyl chloride and methylene chloride in male B6C3F1 mice

Dichloromethane (DCM) is thought to be metabolized in vivo by two independent pathways: a glutathione (GSH) dependent pathway that yields CO2 and a cytochrome P-450 mediated one that yields both CO and CO2 (Gargas et al 1986). With a physiologically based pharmacokinetic (PB-PK) model, Andersen et al (1987) calculate the quantitative parameters for both metabolic pathways. Using the kinetic parameters thus obtained and the results of two carcinogenicity studies with rodents (Serota et al 1986; NTP 1985), the authors then estimate the tumour risk for humans.

Historical intake and elimination of polychlorinated biphenyls and organochlorine pesticides by the Australian population reconstructed from biomonitoring data

Quantifying the competing rates of intake and elimination of persistent organic pollutants (POPs) in the human body is necessary to understand the levels and trends of POPs at a population level. In this paper we reconstruct the historical intake and elimination of ten polychlorinated biphenyls (PCBs) and five organochlorine pesticides (OCPs) from Australian biomonitoring data by fitting a population-level pharmacokinetic (PK) model. Our analysis exploits two sets of cross-sectional biomonitoring data for PCBs and OCPs in pooled blood serum samples from the Australian population that were collected in 2003 and 2009. The modeled adult reference intakes in 1975 for PCB congeners ranged from 0.89 to 24.5 ng/kg bw/day, lower than the daily intakes of OCPs ranging from 73 to 970 ng/kg bw/day. Modeled intake rates are declining with half-times from 1.1 to 1.3 years for PCB congeners and 0.83 to 0.97 years for OCPs. The shortest modeled intrinsic human elimination half-life among the compounds studied here is 6.4 years for hexachlorobenzene, and the longest is 30 years for PCB-74. Our results indicate that it is feasible to reconstruct intakes and to estimate intrinsic human elimination half-lives using the population-level PK model and biomonitoring data only. Our modeled intrinsic human elimination half-lives are in good agreement with values from a similar study carried out for the population of the United Kingdom, and are generally longer than reported values from other industrialized countries in the Northern Hemisphere.

The effect of ongoing blood loss on human serum concentrations of perfluorinated acids

Perfluorinated alkyl acids (PFAAs) have been detected in serum at low concentrations in background populations. Higher concentrations haven been observed in adult males compared to females, with a possible explanation that menstruation offers females an additional elimination route. In this study, we examined the significance of blood loss as an elimination route of PFAAs. Pooled serum samples were collected from individuals undergoing a medical procedure involving ongoing blood withdrawal called venesection. Concentrations from male venesection patients were approximately 40% lower than males in the general population for perfluorohexane sulfonate (PFHxS), perfluorooctane sulfonate (PFOS) and perfluorooctanoic acid (PFOA). A simple pharmacokinetic model was used to test the hypothesis that blood loss could explain why adult males have higher concentrations of PFAAs than females, and why males undergoing venesections had lower concentrations compared to males in the general population. The model application generally supported these hypotheses showing that venesection might reduce blood serum concentrations by 37% (PFOA) and 53% (PFOS) compared to the observed difference of 44% and 37%. Menstruation was modeled to show a 22% reduction in PFOA serum concentrations compared to a 24% difference in concentrations between males and females in the background population. Uncertainties in the modeling and the data are identified and discussed.

Literature Review: Investigating Drug Transport at the Blood-Brain Barrier and the Effects of P-glycoprotein on the Brain Distribution of Drugs.

The blood-brain barrier (BBB) is a unique barrier that strictly regulates the entry of endogenous substrates and xenobiotics into the brain. This is due to its tight junctions and the array of transporters and metabolic enzymes that are expressed. The determination of brain concentrations in vivo is difficult, laborious and expensive which means that there is interest in developing predictive tools of brain distribution. Predicting brain concentrations is important even in early drug development to ensure efficacy of central nervous system (CNS) targeted drugs and safety of non-CNS drugs. The literature review covers the most common current in vitro, in vivo and in silico methods of studying transport into the brain, concentrating on transporter effects. The consequences of efflux mediated by p-glycoprotein, the most widely characterized transporter expressed at the BBB, is also discussed. The aim of the experimental study was to build a pharmacokinetic (PK) model to describe p-glycoprotein substrate drug concentrations in the brain using commonly measured in vivo parameters of brain distribution. The possibility of replacing in vivo parameter values with their in vitro counterparts was also studied. All data for the study was taken from the literature. A simple 2-compartment PK model was built using the Stella™ software. Brain concentrations of morphine, loperamide and quinidine were simulated and compared with published studies. Correlation of in vitro measured efflux ratio (ER) from different studies was evaluated in addition to studying correlation between in vitro and in vivo measured ER. A Stella™ model was also constructed to simulate an in vitro transcellular monolayer experiment, to study the sensitivity of measured ER to changes in passive permeability and Michaelis-Menten kinetic parameter values. Interspecies differences in rats and mice were investigated with regards to brain permeability and drug binding in brain tissue. Although the PK brain model was able to capture the concentration-time profiles for all 3 compounds in both brain and plasma and performed fairly well for morphine, for quinidine it underestimated and for loperamide it overestimated brain concentrations. Because the ratio of concentrations in brain and blood is dependent on the ER, it is suggested that the variable values cited for this parameter and its inaccuracy could be one explanation for the failure of predictions. Validation of the model with more compounds is needed to draw further conclusions. In vitro ER showed variable correlation between studies, indicating variability due to experimental factors such as test concentration, but overall differences were small. Good correlation between in vitro and in vivo ER at low concentrations supports the possibility of using of in vitro ER in the PK model. The in vitro simulation illustrated that in the simulation setting, efflux is significant only with low passive permeability, which highlights the fact that the cell model used to measure ER must have low enough paracellular permeability to correctly mimic the in vivo situation.

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

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

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

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

Population pharmacokinetics of hydroxychloroquine in patients with rheumatoid arthritis

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

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

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

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

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

Radiotherapy Treatment Assessment using DCE-MRI

Abstract

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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