1 Alain Bousquet-Mélou Ecole Nationale Vétérinaire de Toulouse Laboratoire de Physiologie-Pharmacologie-Thérapeutique UMR1331 TOXALIM Equipe Pharmacocinétique Pharmacodynamie & Modélisation VetAgroSup – 26 octobre 2015 Pharmacocinétique et Pharmacodynamie Introduction Pharmacocinétique et Pharmacodynamie Introduction

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

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

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

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

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

Toxicité aiguë des anticancéreux: homme vs. souris Rapport des Doses externes DT rat / DT homme Rapport des Doses internes AUC rat / AUC homme Frequency variabilité d’origine pharmacocinétique

Pentobarbital, 25 mg/kg, IVChèvreChien Réflexe Temps (min) Palpébral Concentration (mg/L) Réveil Temps (min) Concentration (mg/L) Les différences interspécifiques ont une origine pharmacocinétique variabilité d’origine pharmacocinétique

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 Les objectifs de la quantification des processus PK et PD

On vise les effets associés à cette concentration Paramètres pharmacocinétiques qui contrôlent les concentrations sanguines Dose journalière L’approche PK/PD permet de déterminer une dose

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

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

13 Morphine, IM Principes de l’extrapolation des doses  Les doses sont proportionnelles aux clairances EspèceDose validées par la clinique (mg/kg) Clairance (mL/kg/min) Dose calculée (mg/kg) Homme Chien Chat0.05 –

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

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

16 Extrapolation de la clairance  Extrapolation interspécifique : l’approche allométrique

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

Baleine bleue: >10 8 g Musaraigne 2 g Eléphant: Allométrie : … et des différences de format

 L’allométrie étudie les relations entre le format et la physiologie

20  Allométrie : des processus physiologiques aux clairances Homme

21 Déterminants physiologiques des clairances  Débits physiologiques  Débits sanguins des organes, débit cardiaque  DFG  Liaison aux protéines plasmatiques  La fraction libre : f u  Capacités intrinsèques des systèmes épurateurs  Clairance intrinsèque : Cl int

Capacités intrinsèques Facteurs d’approvisionnement Diffusion analyte Débit (Q) ° E E E E : enzymes - Clairance intrinsèque Diffusion analyte E E E - Approvisionnement en analyte : protéines plasmatiques : débit sanguin hépatique Q ° Déterminants physiologiques des clairances 22

23 Médicaments à coefficients d’extraction FORTS  Débits physiologiques  Débits sanguins des organes, débit cardiaque  DFG  Liaison aux protéines plasmatiques  La fraction libre : f u  Capacités intrinsèques des systèmes épurateurs  Clairance intrinsèque : Cl int

24 Relations allométriques pour les débits sanguins

25 Relations allométriques pour les clairances

26 Relations allométriques pour les doses

Débit cardiaque (ml/min/kg) Cl airance (ml/min/kg) Des valeurs de clairance non proportionnelles au poids, à capacités d’extraction identiques = 100% Dose (mg/kg/24h) Des doses par kg différentes, pour obtenir la même concentration cible =1 µg/mL Des paramètres physiologiques non proportionnels au poids Relations allométriques pour les doses

Loi des surfaces (doses exprimées par m 2 ) –b = 0.67 –extrapolation de la première dose chez l’Homme –standardisation des doses en cancérologie, en pédiatrie (intraspécifique) Relations allométriques pour les doses

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

Ajustement de doses par le rapport des clairances :  à la base des adaptations de posologies aux caractéristiques physiopathologiques des patients ex : insuffisance rénale Créatininémie (en µmol/l) Azotémie (en mmol/l) Multiplier la dose d'entretien par 70 à 1008 à 17 0,6 101 à 20017,1 à 25 0,3 201 à 40025,1 à 33 0,15 VIDAL 2011 Médicaments DIGOXINE NATIVELLE® Remarque : extrapolation intraspécifique des doses

31 Médicaments à coefficients d’extraction FAIBLES  Débits physiologiques  Débits sanguins des organes, débit cardiaque  DFG  Liaison aux protéines plasmatiques  La fraction libre : f u  Capacités intrinsèques des systèmes épurateurs  Clairance intrinsèque : Cl int

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

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

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

 Capacités enzymatiques chez la chèvre Activités enzymatiques (nmol/min/nmolP450) CaprinOvinBovin Ethylmorphine N-demethylation Clairances (L/kg/h)CaprinOvinBovin Ketoprofène Métabolisme hépatique: enzymes de phase I

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

Métabolisme hépatique: enzymes de phase II  Des espèces avec des déficits des capacités de conjugaison EspèceRéaction de conjugaisonGroupements ciblesEtat de la réaction Chien, Renard AcétylationAr-NH 2 Absent Chat Lion, Lynx glucuronidation-OH, -COOH -NH 2, =NH, -SH Présent, peu rapide PorcSulfatationAr-OH Ar-NH 2 Présent, faible  Sulfamides  Aspirine, paracétamol, morphine

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

39 Extrapolation in vitro / in vivo de la clairance hépatique

40 Gut Lumen Gut Wall Portal vein Hepatic clearance and oral bioavailability 1 : f abs 2 : F gut 3 : F H lungs Liver 4 : F p

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

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

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

44 Strategy for in vitro / in vivo extrapolation Clearance model In vitro metabolism Cl int, in vitro, test tube Cl H Microsomes Hepatocytes f u, Q H Cl int, in vitro, organ Scaling factors °

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

46 concentration Rate Vmax Vmax / 2 KMKM V = V max. C K M + C Michaelis-Menten kinetics Vmax : related to enzyme quantity K M : related to affinity between enzyme and analyte

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

48 When C << K M : First-order / linear kinetics Michaelis-Menten kinetics : clearance is constant Michaelis-Menten kinetics

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

50 Strategy for in vitro / in vivo extrapolation Clearance model In vitro metabolism Cl int, in vitro, test tube Cl H Microsomes Hepatocytes f u, Q H Cl int, in vitro, organ Scaling factors °

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

52 Hepatic microsomes – µL / min / mg microsomal protein Hepatocytes – µL / min / 10 6 cells Scaling factors

53 Scaling factors : rat liver P450 contents in hepatocytes P450 contents in microsomes Hepatocyte number Microsomal protein yield Liver weight Liver blood flow 0.27 nmol P450/10 6 cells 0.66 nmol P450/mg protein 1.35x10 8 cells/g liver 45 mg protein/g liver 45 g/kg body weight 1.8 mL/min/g liver

54 Strategy for in vitro / in vivo extrapolation Clearance model In vitro metabolism Cl int, in vitro, test tube Cl H Microsomes Hepatocytes f u, Q H Cl int, in vitro, organ Scaling factors °

55 Validation of in vitro / in vivo extrapolation Clearance modelIn vivo PK In vitro metabolism V max KMKM Cl int, in vitro, test tube Cl tot Cl H Cl int, in vitro, organ Scaling factors Cl int, in vivo, organ

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

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

58 Clearance modelIn vivo PK In vitro metabolism V max KMKM Cl int, in vitro, test tube Cl tot Cl H Cl int, in vitro, organ Scaling factors Cl int, in vivo, organ Validation of in vitro / in vivo extrapolation

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

60 Reasons for discrepancies between Cl int,in vitro and Cl int,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

61 Clearance modelIn vivo PK In vitro metabolism V max KMKM Cl int, in vitro, test tube Cl tot Cl H Cl int, in vitro, organ Scaling factors Cl int, in vivo, organ Validation of in vitro / in vivo extrapolation

62 Cl int,in vitro (  L/min/10 6 cells) E H : classification of compounds EARLY PHARMACOKINETIC SCREENING LOWINTERMEDIATEHIGH Hepatic extraction ratios ORAL BIOAVAILABILITY HIGHINTERMEDIATELOW high low Lavé et al. Clin Pharmacokinet, 36, 1999 Validation of in vitro / in vivo extrapolation