1 alain bousquet-mélou ecole nationale vétérinaire de toulouse laboratoire de...
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Alain Bousquet-Mélou
Ecole Nationale Vétérinaire de ToulouseLaboratoire de Physiologie-Pharmacologie-Thérapeutique
UMR1331 TOXALIM Equipe Pharmacocinétique Pharmacodynamie & Modélisation
VetAgroSup – 16 octobre 2013
Pharmacocinétique et PharmacodynamieIntroduction
Pharmacocinétique et PharmacodynamieIntroduction
Réponsethérapeutique
InteractionsCibles
pharmacologiques
ABSORPTION
PHARMACODYNAMIE
Les étapes de la genèse d’un effet
ELIMINATION
DISTRIBUTION
PHARMACOCINETIQUE
ConcentrationsBiophase
BactériesInsectesParasites
ConcentrationsPlasma
Actioncellulaire
Principe actifadministré
Réponsethérapeutique
Relation Dose-Réponse dans une population
Mild Extreme
Many
Few
Nu
mb
er o
f In
div
idu
als
Response to SAME dose
Sensitive Individuals
Maximal
Effect
Resistant Individuals
Minimal
Effect
Majority of Individuals
Average Effect
Relations dose-exposition-effet
Dose RéponseBoite noire
Profil deconcentration
DoseRéponse
Pharmacocinétique Pharmacodynamie
Relations dose-exposition-effet
Dose RéponseBoite noire
DoseRéponse
Pharmacocinétique Pharmacodynamie
Profil deconcentration
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 unedose identique de 300 mg
Toxicité aiguë des anticancéreux: homme vs. souris
0
2
4
6
8
10
12
14
0-0.1 0.4-0.6 0.6-1.2 2.0-3.0 >4 0
2
4
6
8
10
12
14
0-0.1 0.4-0.6 0.6-1.2 2.0-3.0 >4
Rapport des Doses externes Dose interne
Rapport des AUC
Fre
qu
ency
variabilité d’origine pharmacocinétique
Pentobarbital, 25 mg/kg, IV Chèvre Chien
Réflexe Temps (min)Palpébral Concentration (mg/L)
5035
12035
Réveil Temps (min) Concentration (mg/L)
11010
75010
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 PDLes objectifs de la quantification des processus PK et PD
cibleCF
Cl
24h
Dose
On vise la même exposition
Paramètres pharmacocinétiquesqui contrôlent
les concentrations sanguines
Dosejournalière
L’approche PK/PD permet de déterminer une doseL’approche PK/PD permet de déterminer une dose
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Extrapolationin vitro/in vivo et interspécifique
desparamètres pharmacocinétiques
Extrapolationin vitro/in vivo et interspécifique
desparamètres pharmacocinétiques
Extrapolation des dosesExtrapolation des doses
12
Objectif de l’extrapolation des paramètres PK : obtenir la même exposition plasmatique
1
11
2
22
Cl
DoseF
Cl
DoseF
12 ExposureExposure
12 AUCAUC
2
1
1
212 F
F
Cl
ClDoseDose
13
Morphine, IM
Principes de l’extrapolation des dosesPrincipes de l’extrapolation des doses
Les doses sont proportionnelles aux clairances
Espèce Dose validées par la clinique
(mg/kg)
Clairance(mL/kg/min)
Dose calculée(mg/kg)
Homme 0.17 14.7 -
Chien 0.5 - 2 85 1
Chat 0.05 – 0.2 8.6 0.1
14
?
DoseCP = 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 dosesPrincipes de l’extrapolation des doses
BV
CPBVCP Clairance
ClairanceDoseDose
: 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 dosesPrincipes de l’extrapolation des doses
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Extrapolation de la clairance
Extrapolation interspécifique : l’approche allométrique
targetCF
Cl
24h
Dose
Echangesgazeux
Inhalationexhalation
Urine
Métabolisme
Foie
Rein
Tissuadipeux
Perfusionrapide
Perfusionlente
Poumon
Estomac
Intestin
Fèces
Ingestion
Allométrie : Des similitudes …Allométrie : Des similitudes …
Une organisation anatomique et fonctionnelle
similaire
Baleine bleue: >108 g
Musaraigne 2 g
Eléphant: 106 -107
Allométrie : … et des différences de formatAllométrie : … et des différences de format
Allométrie : … et des différences de formatAllométrie : … et des différences de format
L’allométrie étudie les relations entre le format et la physiologie
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Allométrie : des processus physiologiques aux clairances
Homme
Homme
21
Déterminants physiologiques des clairancesDéterminants physiologiques des clairances
Débits physiologiques Débits sanguins des organes, débit cardiaque DFG
Liaison aux protéines plasmatiques La fraction libre : fu
Capacités intrinsèques des systèmes épurateursClairance intrinsèque : Clint
intuorgan
intuorganorgan
ClfQ
ClfQCl
22
Médicaments à coefficients d’extraction FORTSMédicaments à coefficients d’extraction FORTS
intuQ
intuorganorgan Clf
ClfQCl
organ
Débits physiologiques Débits sanguins des organes, débit cardiaque DFG
Liaison aux protéines plasmatiques La fraction libre : fu
Capacités intrinsèques des systèmes épurateursClairance intrinsèque : Clint
23
0.75(kg)(mL/min) BW223tputCardiac_ou
Relations allométriques pour les débits sanguinsRelations allométriques pour les débits sanguins
0.76(kg)(mL/min) BW6ood_flowHepatic_bl 8
24
EROutputCardiacclearanceplasma _
0.75BW(kg)223n)tput(mL/miCardiac_ou
Relations allométriques pour les clairancesRelations allométriques pour les clairances
25
ilityBioavailab
ECclearanceDose caltherapeutiplasma
EROutputCardiacclearanceplasma _
0.75BW(kg)223n)tput(mL/miCardiac_ou
Relations allométriques pour les dosesRelations allométriques pour les doses
Débitcardiaque
(ml/min/kg)
244 146 116 86 80 75 55
Clairance(ml/min/kg)
Des valeurs de clairance non proportionnelles au poids,à capacités d’extraction identiques = 100%
122 73 58 43 40 37.5 27.5
Dose(mg/kg/24h)
176 105 84 62 58 54 36
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 dosesRelations 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)
Relations allométriques pour les dosesRelations allométriques pour les doses
Animal
HommeAnimalHomme Clairance
ClairanceDoseDose b
HommeHomme PaCl
bAnimalAnimal PaCl
b
Animal
HommeAnimalHomme P
PDoseDose
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 100 8 à 17 0,6101 à 200 17,1 à 25 0,3201 à 400 25,1 à 33 0,15
VIDAL 2011 Médicaments DIGOXINE NATIVELLE®
Remarque : extrapolation intraspécifique des dosesRemarque : 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
Remarque : extrapolation intraspécifique des dosesRemarque : extrapolation intraspécifique des doses
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Médicaments à coefficients d’extraction FAIBLESMédicaments 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 épurateursClairance intrinsèque : Clint
intu
Clforgan
organorgan Clf
Q
QCl
intu
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Liaison aux protéines plasmatiques Pas de relation avec le poids corporel
Capacités intrinsèques Particularités d’espèces indépendantes du poids
Médicaments à coefficients d’extraction FAIBLESMédicaments à coefficients d’extraction FAIBLES
L’Homme est un cas particulier
Métabolisme hépatique: enzymes de phase IMétabolisme hépatique: enzymes de phase I
Clairancedu
diazepam
L’Homme est un cas particulier
Métabolisme hépatique: enzymes de phase IMétabolisme hépatique: enzymes de phase I
antipyrine in mammalsy = 8.2911x0.8922
R2 = 0.9713
0.1
1
10
100
1000
10000
0.01 0.1 1 10 100 1000
Body weight in kg
Intr
insi
c cl
eara
nce
in
mL
per
min
Clairancede
l’antipyrine
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 IMétabolisme hépatique: enzymes de phase I
Capacités enzymatiques chez la chèvre Régime alimentaire : peigneur vs brouteur
Métabolisme hépatique: enzymes de phase IMétabolisme hépatique: enzymes de phase I
Espèce “mineure” Posologies des bovins : sous-dosages fréquents Résistance aux ivermectines
Métabolisme hépatique: enzymes de phase IIMétabolisme 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
ChatLion, Lynx
glucuronidation -OH, -COOH-NH2, =NH, -SH
Présent, peu rapide
Porc Sulfatation Ar-OHAr-NH2
Présent, faible
Sulfamides
Aspirine, paracétamol, morphine
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Extrapolation de la clairance
Extrapolation interspécifique : l’approche allométrique
Extrapolation in vitro/in vivo
targetCF
Cl
24h
Dose
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Extrapolation in vitro / in vivo dela clairance hépatique
targetCF
Cl
24h
Dose
40
GutLumen
Gut Wall
Portalvein
Hepaticclearance and oral bioavailability
FFFf F PHGabsoral
1 : fabs 2 : Fgut 3 : FH lungsLiver 4 : Fp
41
Can a new drug be developed for oral route ?
• Components of oral bioavailability– Absorption and first-pass effects
FFFf F PHGabsoral
Q
Cl1 FH
Hmax oral,
42
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
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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
°
°
44
Availability of in vitro systems
• Purified enzymes
• Subcellular fractions– S9, microsomes
• Hepatocytes– Suspensions, primary cultures
• Liver slices
45
Strategy for in vitro / in vivo extrapolation
Clearance modelIn vitro
metabolism
Clint, in vitro, test tube ClH
Microsomes
Hepatocytes fu, QH
Clint, in vitro, organ
Scaling factors
Q
Cl1FH
Hmax oral,
°
46
In vitro metabolism
E
E
E
Free analyteNo limited diffusion to enzymes (E)
Analyte
47
In vitro intrinsic clearance
•Quantification of metabolism
–Rate : amount per unit time
•Michaelis-Menten kinetics
CK
CVmetabolism of RateM
max
CClmetabolism of Rate int
48
concentration
Rate
Vmax
Vmax / 2
KM
V =Vmax . C
KM + C
Michaelis-Menten kinetics
Vmax : related to enzyme quantityKM : related to affinity between enzyme and analyte
49
conc
Michaelis-Menten kinetics
Inital rate
Intrinsic clearance
Graphic : slope of tangent
CCK
V RateM
max
50
• When C << KM :
CK
V ClM
maxint
K
V ClintM
max
First-order / linear kinetics
CK
V RateM
max
CCK
V RateM
max
• Michaelis-Menten kinetics :
clearance is constant
Michaelis-Menten kinetics
51
conc
Michaelis-Menten kinetics
Inital rate
Intrinsic clearance
First-order / linear kinetics
CK
V RateM
max
The highest intrinsic clearance is obtained for C << KM
• When C << KM :
52
Measurement of Michaelis-Menten parameters
• Rates of metabolism vs substrate concentration
CK
CV RateM
max
CK
CV dt
dC
M
'max
VV
Vmax'
max
C
Time
C
Rate
• Substrate concentration-time profiles
53
Strategy for in vitro / in vivo extrapolation
Clearance modelIn vitro
metabolism
Clint, in vitro, test tube ClH
Microsomes
Hepatocytes fu, QH
Clint, in vitro, organ
Scaling factors
Q
Cl1FH
Hmax oral,
°
54
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
55
• Hepatic microsomes– µL / min / mg microsomal protein
• Hepatocytes– µL / min / 106 cells
Scaling factors
56
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 P450/106 cells
0.66 nmol P450/mg protein
1.35x108 cells/g liver
45 mg protein/g liver
45 g/kg body weight
1.8 mL/min/g liver
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Strategy for in vitro / in vivo extrapolation
Clearance modelIn vitro
metabolism
Clint, in vitro, test tube ClH
Microsomes
Hepatocytes fu, QH
Clint, in vitro, organ
Scaling factors
Q
Cl1FH
Hmax oral,
°
58
Models of hepatic clearanceclickclick
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
°
ClfQ
ClfQ Cl
intuH
intuH H
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Validation of in vitro / in vivo extrapolation
Clearance model In vivo PKIn vitro
metabolism
Vmax
KM
Clint, in vitro, test tube
CltotClH
Clint, in vitro, organ
Scaling factors
Clint, in vivo, organ
60
• In vivo pharmacokinetic studies
– Intravenous administration– Plasma concentration - time profile
– Urinary excretion of unchanged drug (Xu)
εClClCl RHTOT AUC
XDoseCl
plasma
uH
Validation of in vitro / in vivo extrapolation
61
• In vivo pharmacokinetic studies
– In vivo intrinsic clearance (homogeneous model)
XDQAUC
XDQ
f
1Cl
uIVHIV
uIVH
uorgan vivo, inint,
Validation of in vitro / in vivo extrapolation
62
Clearance model In vivo PKIn vitro
metabolism
Vmax
KM
Clint, in vitro, test tube
CltotClH
Clint, in vitro, organ
Scaling factors
Clint, in vivo, organ
Validation of in vitro / in vivo extrapolation
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Clint,in vitro (mL/min/g liver)
Cl in
t,in
vivo
(m
L/m
in/g
live
r)
Iwatsubo et al.Pharmacol Ther, 73, 147-171, 1997
lidocaïne
warfarin
Correct prediction
Important underestimation
Validation of in vitro / in vivo extrapolation
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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
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Clint,in vitro (L/min/106 cells)
EH : classification of compounds
EARLY PHARMACOKINETIC SCREENING
LOW INTERMEDIATE HIGH
Hepatic extraction ratios
ORAL BIOAVAILABILITY
HIGH INTERMEDIATE LOW
high
low
Lavé et al.Clin Pharmacokinet, 36, 1999
Validation of in vitro / in vivo extrapolation