Pharmacocinétique et Pharmacodynamie Introduction Alain Bousquet-Mélou Ecole Nationale Vétérinaire de Toulouse Laboratoire de Physiologie-Pharmacologie-Thérapeutique UMR1331 TOXALIM Equipe Pharmacocinétique Pharmacodynamie & Modélisation VetAgroSup – 16 octobre 2013

Les étapes de la genèse d’un effet Principe actif administré Bactéries Insectes Parasites Réponse thérapeutique ABSORPTION Interactions Cibles pharmacologiques Concentrations Plasma Concentrations Biophase DISTRIBUTION ELIMINATION Action cellulaire Réponse thérapeutique PHARMACOCINETIQUE PHARMACODYNAMIE

Relation Dose-Réponse dans une population Mild Extreme Many Few Number of Individuals Response to SAME dose Sensitive Individuals Maximal Effect Resistant Individuals Minimal Majority of Individuals Average Effect

Relations dose-exposition-effet Réponse Boite noire Profil de concentration Dose Réponse Pharmacocinétique Pharmacodynamie

Relations dose-exposition-effet Réponse Boite noire Pharmacocinétique Pharmacodynamie Réponse Dose Profil de concentration Variabilité pharmacocinétique / Variabilité pharmacodynamique A mesurer et à prendre en compte : adaptations de posologies

Concentrations moyennes après une variabilité d’origine pharmacocinétique Concentrations plasmatiques en phénytoïne chez l’Homme Concentrations moyennes après une dose identique de 300 mg

Toxicité aiguë des anticancéreux: homme vs. souris variabilité d’origine pharmacocinétique Toxicité aiguë des anticancéreux: homme vs. souris Dose interne Rapport des AUC Rapport des Doses externes Frequency

Les différences interspécifiques ont une origine pharmacocinétique variabilité d’origine pharmacocinétique Les différences interspécifiques ont une origine pharmacocinétique Pentobarbital, 25 mg/kg, IV Chèvre Chien Réflexe Temps (min) Palpébral Concentration (mg/L) 50 35 120 Réveil Temps (min) Concentration (mg/L) 110 10 750

Les objectifs de la quantification des processus PK et PD Quantification des effets des médicaments (PD) Relier l’intensité d’un effet avec la concentration du principe actif Objectif : déterminer la gamme de concentrations (l’exposition) associée à un effet Quantification des processus ADME (PK) Relier la quantité de principe actif administré/ingéré aux concentrations sanguines et tissulaires Objectif : déterminer les doses externes qui conduisent à une exposition donnée

Paramètres pharmacocinétiques les concentrations sanguines L’approche PK/PD permet de déterminer une dose On vise la même exposition Dose journalière Paramètres pharmacocinétiques qui contrôlent les concentrations sanguines

Extrapolation des doses in vitro/in vivo et interspécifique des paramètres pharmacocinétiques

Objectif de l’extrapolation des paramètres PK : obtenir la même exposition plasmatique

Dose validées par la clinique Principes de l’extrapolation des doses Les doses sont proportionnelles aux clairances Morphine, IM Espèce Dose validées par la clinique (mg/kg) Clairance (mL/kg/min) Dose calculée Homme 0.17 14.7 - Chien 0.5 - 2 85 1 Chat 0.05 – 0.2 8.6 0.1

? DoseCP = 13 mg/kg/24h Principes de l’extrapolation des doses Quelle posologie pour le kétoprofène chez la chèvre ? : 3 mg/kg/24h Cl = 0.17 L/kg/h ? Cl = 0.74 L/kg/h DoseCP = 13 mg/kg/24h

Extrapolation de la clairance Principes de l’extrapolation des doses Quelle posologie pour le kétoprofène chez la chèvre ? : 3 mg/kg/24h Cl = 0.17 L/kg/h ? ? ? ? Première dose chez l’Homme (FDIM) ? Extrapolation de la clairance

Extrapolation de la clairance Extrapolation interspécifique : l’approche allométrique

Allométrie : Des similitudes … Echanges gazeux Inhalation exhalation Urine Métabolisme Foie Rein Tissu adipeux Perfusion rapide lente Poumon Estomac Intestin Fèces Ingestion Une organisation anatomique et fonctionnelle similaire

Allométrie : … et des différences de format Baleine bleue: >108 g Eléphant: 106 -107 Musaraigne 2 g

Allométrie : … et des différences de format L’allométrie étudie les relations entre le format et la physiologie

Allométrie : des processus physiologiques aux clairances Homme Homme

Déterminants physiologiques des clairances Débits physiologiques Débits sanguins des organes, débit cardiaque DFG Liaison aux protéines plasmatiques La fraction libre : fu Capacités intrinsèques des systèmes épurateurs Clairance intrinsèque : Clint

Médicaments à coefficients d’extraction FORTS Débits physiologiques Débits sanguins des organes, débit cardiaque DFG Liaison aux protéines plasmatiques La fraction libre : fu Capacités intrinsèques des systèmes épurateurs Clairance intrinsèque : Clint

Relations allométriques pour les débits sanguins

Relations allométriques pour les clairances

Relations allométriques pour les doses

Relations allométriques pour les doses Des paramètres physiologiques non proportionnels au poids Débit cardiaque (ml/min/kg) 244 146 116 86 80 75 55 Des valeurs de clairance non proportionnelles au poids, à capacités d’extraction identiques = 100% Clairance (ml/min/kg) 122 73 58 43 40 37.5 27.5 Des doses par kg différentes, pour obtenir la même concentration cible =1 µg/mL Dose (mg/kg/24h) 176 105 84 62 58 54 36

Relations allométriques pour les doses Loi des surfaces (doses exprimées par m2) b = 0.67 extrapolation de la première dose chez l’Homme standardisation des doses en cancérologie, en pédiatrie (intraspécifique)

 Guidance for Industry: Estimating the Maximum Safe Starting Dose in Initial Clinical Trials for Therapeutics in Adult Healthy Volunteers

Multiplier la dose d'entretien par Remarque : extrapolation intraspécifique des doses Ajustement de doses par le rapport des clairances : à la base des adaptations de posologies aux caractéristiques physiopathologiques des patients ex : insuffisance rénale VIDAL 2011 Médicaments DIGOXINE NATIVELLE® Créatininémie (en µmol/l) Azotémie (en mmol/l) Multiplier la dose d'entretien par 70 à 100 8 à 17 0,6 101 à 200 17,1 à 25 0,3 201 à 400 25,1 à 33 0,15

Remarque : extrapolation intraspécifique des doses Ajustement de doses par le rapport des clairances : à la base des adaptations de posologies aux caractéristiques physiopathologiques des patients : ex : insuffisance rénale à la base des études de pharmacocinétique de population : identifier les caractéristiques individuelles associées à des variations de la clairance et quantifier ce lien

Médicaments à coefficients d’extraction FAIBLES Débits physiologiques Débits sanguins des organes, débit cardiaque DFG Liaison aux protéines plasmatiques La fraction libre : fu Capacités intrinsèques des systèmes épurateurs Clairance intrinsèque : Clint

Médicaments à coefficients d’extraction FAIBLES Liaison aux protéines plasmatiques Pas de relation avec le poids corporel Capacités intrinsèques Particularités d’espèces indépendantes du poids

Métabolisme hépatique: enzymes de phase I L’Homme est un cas particulier Clairance du diazepam

Métabolisme hépatique: enzymes de phase I L’Homme est un cas particulier Clairance de l’antipyrine

Métabolisme hépatique: enzymes de phase I Capacités enzymatiques chez la chèvre Activités enzymatiques (nmol/min/nmolP450) Caprin Ovin Bovin Ethylmorphine N-demethylation 5.64 2.38 1.61 Clairances (L/kg/h) Caprin Ovin Bovin Ketoprofène 0.74 0.19 0.17

Métabolisme hépatique: enzymes de phase I Capacités enzymatiques chez la chèvre Régime alimentaire : peigneur vs brouteur Espèce “mineure” Posologies des bovins : sous-dosages fréquents Résistance aux ivermectines

Aspirine, paracétamol, morphine Métabolisme hépatique: enzymes de phase II Des espèces avec des déficits des capacités de conjugaison Espèce Réaction de conjugaison Groupements cibles Etat de la réaction Chien, Renard Acétylation Ar-NH2 Absent Chat Lion, Lynx glucuronidation -OH, -COOH -NH2, =NH, -SH Présent, peu rapide Porc Sulfatation Ar-OH Présent, faible Sulfamides Aspirine, paracétamol, morphine

Extrapolation de la clairance Extrapolation interspécifique : l’approche allométrique Extrapolation in vitro/in vivo

Extrapolation in vitro / in vivo de la clairance hépatique

clearance and oral bioavailability Hepatic clearance and oral bioavailability Gut Lumen Portal vein Gut Wall 1 : fabs 2 : Fgut 3 : FH 4 : Fp Liver lungs

Can a new drug be developed for oral route ? Components of oral bioavailability Absorption and first-pass effects

Hepatic clearance : from in vitro to in vivo Clearance models Hepatic clearance Intrinsic clearance In vitro systems to study drug metabolism In vitro intrinsic clearance

Models of hepatic clearance ClH = f (QH ; fu ; Clint) Intrinsic clearance of unbound drug, Clint : ability of the liver to eliminate a drug when there is no “supplying” limitation Hepatic blood flow, QH ; unbound fraction, fu : parameters governing supply of the drug to enzymes in the classical hepatic clearance models ° °

Availability of in vitro systems Purified enzymes Subcellular fractions S9, microsomes Hepatocytes Suspensions, primary cultures Liver slices

Strategy for in vitro / in vivo extrapolation metabolism Scaling factors Clearance model Clint, in vitro, test tube Clint, in vitro, organ ClH Microsomes ° Hepatocytes fu, QH

In vitro metabolism Analyte Free analyte No limited diffusion to enzymes (E)

In vitro intrinsic clearance Quantification of metabolism Rate : amount per unit time Michaelis-Menten kinetics

Michaelis-Menten kinetics Rate Vmax V = Vmax . C KM + C Vmax / 2 KM concentration Vmax : related to enzyme quantity KM : related to affinity between enzyme and analyte

Michaelis-Menten kinetics Inital rate Intrinsic clearance conc Graphic : slope of tangent

Michaelis-Menten kinetics When C << KM : First-order / linear kinetics clearance is constant

Michaelis-Menten kinetics When C << KM : Inital rate Intrinsic clearance conc The highest intrinsic clearance is obtained for C << KM First-order / linear kinetics

Measurement of Michaelis-Menten parameters Rates of metabolism vs substrate concentration Rate Substrate concentration-time profiles C C Time

Strategy for in vitro / in vivo extrapolation metabolism Scaling factors Clearance model Clint, in vitro, test tube Clint, in vitro, organ ClH Microsomes ° Hepatocytes fu, QH

Scaling factors From test tube to liver : quantitative relationship Clint, in vitro,organ = SF x Clint, in vitro From test tube to liver : chemical environment experimental in vitro conditions vs in vivo situation not taken into account by scaling factors Clint, in vitro, test tube Clint, in vitro, organ

Scaling factors Hepatic microsomes Hepatocytes µL / min / mg microsomal protein Hepatocytes µL / min / 106 cells

Scaling factors : rat liver P450 contents in hepatocytes P450 contents in microsomes 0.27 nmol P450/106 cells 0.66 nmol P450/mg protein Hepatocyte number Microsomal protein yield 1.35x108 cells/g liver 45 mg protein/g liver Liver weight Liver blood flow 45 g/kg body weight 1.8 mL/min/g liver

Strategy for in vitro / in vivo extrapolation metabolism Scaling factors Clearance model Clint, in vitro, test tube Clint, in vitro, organ ClH Microsomes ° Hepatocytes fu, QH

Models of hepatic clearanceclick ° ClH = f (QH ; fu ; Clint) Assumptions : only free drug crosses plasma membranes rapid equilibrium between blood and hepatocytes no active transport Example : Well stirred model

Validation of in vitro / in vivo extrapolation metabolism Scaling factors Clearance model In vivo PK Vmax Clint, in vitro, test tube Clint, in vitro, organ KM Clint, in vivo, organ ClH Cltot

Validation of in vitro / in vivo extrapolation In vivo pharmacokinetic studies Intravenous administration Plasma concentration - time profile Urinary excretion of unchanged drug (Xu)

Validation of in vitro / in vivo extrapolation In vivo pharmacokinetic studies In vivo intrinsic clearance (homogeneous model)

Validation of in vitro / in vivo extrapolation metabolism Scaling factors Clearance model In vivo PK Vmax Clint, in vitro, test tube Clint, in vitro, organ KM Clint, in vivo, organ ClH Cltot

Validation of in vitro / in vivo extrapolation lidocaïne Correct prediction Clint,in vivo (mL/min/g liver) warfarin Important underestimation Iwatsubo et al. Pharmacol Ther, 73, 147-171, 1997 Clint,in vitro (mL/min/g liver)

Reasons for discrepancies between Clint,in vitro and Clint,in vivo Extra-hepatic metabolism Drug transport through membranes Slow equilibrium between blood and hepatocytes Presence of active transport Interindividual variability Intrinsic : genetic polymorphism / P450 identification Extrinsic : liver sample handling / scaling factors

Validation of in vitro / in vivo extrapolation LOW INTERMEDIATE HIGH Hepatic extraction ratios EH : classification of compounds high ORAL BIOAVAILABILITY HIGH INTERMEDIATE LOW low Clint,in vitro (mL/min/106 cells) Lavé et al. Clin Pharmacokinet, 36, 1999 EARLY PHARMACOKINETIC SCREENING