La tesis doctoral esta compuesta por 10 artículos, con sus correspondientes 10 resúmenes. En todos los casos que fue posible, se realizó un estudio cruzado y el método de determinación de todas las quinolonas fue cromatografía liquida de alta resolución (HPLC) con un detector de fluorescencia:1. El objetivo fue estudiar la farmacocinética de difloxacino (5 mg/kg) en el caballo (n=6). Difloxacino puede ser efectivo para el tratamiento de infecciones por bacterias sensibles en caballos.2. El objetivo fue estudiar la farmacocinética de danofloxacino en el caballo (n=6), a dosis de 1.25 mg/kg. Danofloxacino en caballos puede ser efectivo para el tratamiento de infecciones por bacterias sensibles.3. La farmacocinética de moxifloxacino en el conejo (n=6) fue evaluada. Moxifloxacino puede ser efectivo en conejos.4. El comportamiento farmacocinético de ibafloxacino (15 mg/kg) fue estudiado en cabras lactantes. La penetración de ibafloxacino desde la sangre a la leche fue pobre. 5. La farmacocinética de difloxacino fue estudiada en cabras lactantes (n=6), a dosis de 5 mg/kg. La penetración de difloxacino desde el plasma a la leche fue amplia y rápida. 6. La farmacocinética/farmacodinámica de danofloxacino fue estudiada en conejos (n=6), a dosis de 6 mg/kg. No se recomienda el uso de danofloxacino en el conejo, contra las cepas de Staphylococcus aureus testadas en este estudio, por el riesgo de aparición de resistencias. 7. Se ha desarrollado un método de cromatografía liquida de alta resolución con detector de fluorescencia simple, rápido y sensible para la determinación de ibafloxacino en plasma de conejo. 8. La farmacocinética de difloxacino fue estudiada en ovejas (n=6), a dosis de 5 mg/kg. Difloxacino puede ser efectivo en las ovejas.9. La farmacocinética de orbifloxacino fue estudiada en cabras lactantes (n=6), a dosis de 2.5 mg/kg. La penetración de orbifloxacino en la leche fue rápida, alcanzando altas concentraciones. 10. La farmacocinética/farmacodinámica de orbifloxacino fue estudiada en conejos (n=6), a dosis de 5 mg/kg. No se recomienda el uso de orbifloxacino,contra las cepas de Staphylococcus aureus testadas en este estudio, por el riesgo de aparición de resistencias. / The present PhD work is composed of 10 manuscripts and 10 summaries: 1. The pharmacokinetics of difloxacin (5 mg/kg) were determined in healthy horses (n=6). Difloxacin in horses indicate that it is likely to be effective for treating sensitive equine bacterial infections.2. The pharmacokinetics of danofloxacin (1.25 mg/kg) were determined in healthy horses (n=6). Danofloxacin in horses indicate that it is likely to be effective for treating sensitive equine bacterial infections.3. The pharmacokinetics (PK) of moxifloxacin in healthy white New Zealand rabbits was studied. The favourable PK parameters indicate that it is likely to be effective in rabbits.4. The pharmacokinetic behavior of ibafloxacin was studied (15 mg/kg) to 6 healthy lactating goats. Ibafloxacin penetration from the blood to the milk was poor. 5. The single-dose disposition kinetics of difloxacin (5 mg/kg) were determined in clinically normal lactating goats (n = 6). Difloxacin penetration from the blood into the milk was extensive and rapid.6. The pharmacokinetics of danofloxacin (6 mg/kg) was studied in healthy rabbits. In consideration of the low AUC/MIC indices obtained, its use cannot be recommended given the risk for selection of first mutant subpopulations.7. A simple, rapid, and sensitive high-performance liquid chromatographic method is developed for the determination of ibafloxacin in rabbit plasma..8. The disposition kinetics of difloxacin, a fluoroquinolone antibiotic, were determined in sheep at a single dose of 5mg/kg. Difloxacin is likely to be effective in sheep.9. The single-dose disposition kinetics of orbifloxacin (2.5 mg/kg) were determined in clinically normal lactating goats (n = 6). Orbifloxacin penetration from the blood into the milk was rapid and showed high levels of concentrations in milk secretion. 10. The single-dose disposition kinetics of orbifloxacin (5 mg/kg) were determined in clinically normal rabbits (n=6). Its use against the S. aureus strains assayed in this study cannot be recommended given the risk of selection of resistant populations.

<i>Staphylococcus aureus</i> is a ubiquitous organism causing world-wide morbidity and mortality. This species readily develops resistance to antimicrobial agents. Current dosing strategies are based, in part, on minimum inhibitory concentrations (MICs). This susceptibility test fails to detect the presence of first-step resistant mutants often present in large heterogeneous populations of infecting bacteria. Dosing strategies based on MIC results may, in fact, allow for the selective proliferation of resistant subpopulations. The mutant-prevention concentration (MPC) is the drug concentration at which all first-step resistant mutants will be eradicated along with the susceptible cells. Determination of the mutant-selection window (MSW) is possible using MIC and MPC data. When considered together with achievable drug concentrations in human bodily sites, the MSW helps determine which antimicrobials are likely to select for resistance. MIC and MPC testing on clinical isolates of methicillin-susceptible (MSSA) and -resistant (MRSA) S. aureus was performed. Characterization via the polymerase chain reaction, sequencing, and electron microscopy (EM) was done on selected organisms recovered from MPC studies (MPC-recovered). MIC and MPC testing was performed on organisms isolated sequentially from patients with recurring S. aureus infections. Pulsed field gel electrophoresis was performed on these sequential isolates. Based on the MIC and the MPC values, the most potent agents for systemic MSSA and MRSA infections are gemifloxacin and vancomycin, respectively. Re-testing MPC-recovered populations by the MIC showed increased MIC results compared to the parent populations. Macrolide-resistance genes were discovered in S. aureus MPC-recovered populations; in contrast, parental isolates lacked these resistance determinants. EM revealed an increase in cell wall thickness of a vancomycin MPC-recovered population compared to its parental population. Moxifloxacin and vancomycin had the lowest and narrowest MSWs for systemic MSSA and MRSA infections, respectively, compared to the other agents tested. Sequential isolates showed no change in MIC and MPC values. The data presented provides evidence for the application of the MPC test to S. aureus organisms. The MPC data is significant when determining appropriate dosing strategies aimed at preventing resistance.

Metal oxide-facilitated transformation is likely an important degradation pathway of antibacterial agents at soil-water interfaces. Phenolic disinfectants (triclosan and chlorophene), fluoroquinolones (FQs), and aromatic N-oxides are of particular concern due to their widespread usage, potential toxicity and frequent detection in the environment. Results of the present study show that the above antibacterial agents are highly susceptible to metal oxide-facilitated oxidation. The interfacial reactions exhibit complex reaction kinetics, which are affected by solution pH, the presence of co-solutes, surface properties of metal oxides, and structural characteristics of antibacterial agents. Adsorption of the antibacterial agents to Mn and Fe oxide surfaces generally proceeds faster than oxidation reactions of these compounds by Mn and Fe oxides, especially in the case of Fe oxides. Reaction intermediates and end products are identified by GC/MS, LC/MS and/or FTIR. Structurally-related model compounds are examined to facilitate reaction site and mechanism elucidation. On the basis of experimental results and literature, reaction schemes are proposed. In general, the antibacterial agent is adsorbed to the oxide surface, forming a precursor complex. Electrons are transferred within the precursor complex from the antibacterial agent to the oxide, followed by releasing of the radical intermediates which undergo further reactions to generate oxidation products. The precursor complex formation and electron transfer are likely rate-limiting. For triclosan, phenoxy radicals are critical intermediates to form oxidation products through three pathways (i.e., radical coupling, further oxidation of the radical, and breakdown of an ether bond within the radical). The first two pathways are also operative in the oxidation of chlorophene. For FQs, oxidation generates radical intermediates that are most likely centered on the inner N in the piperazine ring. The radical intermediates then undergo three major pathways (i.e., radical coupling, N-dealkylation, and hydroxylation) to yield a variety of products. For aromatic N-oxides, a N-oxide radical intermediate is generated upon oxidation by MnO2, followed by the loss of oxygen from the N-oxide moiety and the formation of a hydroxyl group at the C-atom adjacent to the N-oxide moiety. Overall, a fundamental understanding of the reaction mechanisms between three classes of antibacterial agents and metal oxides has been obtained.

[pt] Norfloxacina (NFX) é um antibiótico fluorescente de amplo espectro bacteriológico, membro da família das fluorquinolonas (FQs). A interação das FQs com íons metálicos pode incrementar a ação bactericida e agir contra a resistência das bactérias frente aos antibióticos. Diversos exemplos de complexos mistos de norfloxacina e Cu(II) podem ser encontrados na literatura. A compreensão dos mecanismos moleculares de interação desses antibióticos com os diferentes componentes das células e com nanopartículas de ouro, como transportadores do fármaco, é extremamente importante. Para entender essas interações, neste trabalho utilizamos diferentes técnicas espectroscópicas, como espectroscopia de fluorescência estacionária e resolvida no tempo, absorção de luz UV-Visível e ressonância paramagnética eletrônica (RPE). A interação de NFX e do complexo ternário Cu(II):L:NFX, onde o ligante L é a 1,10-fenantrolina (Phen) ou 2,2-bipiridina (Bipy), com micelas e lipossomas unilamelares pequenos de fosfatidilcolina de ovo (PC) foi estudada usando espectroscopia de fluorescência em estado estacionário e resolvida no tempo. Foi estudada a estabilidade dos complexos ternários formados em micelas. Foram obtidas constantes de estabilidade no interior de micelas de SDS, as quais mostraram valores muito maiores do que em tampão. Já os espectros de RPE deram maiores detalhes sobre a estrutura dos complexos e confirmaram a formação do complexo ternário dentro das micelas. Foram estudadas as interações de FQs e seus complexos de cobre com lipossomas de PC preparados com diferentes densidades superficiais de carga elétrica negativa. No estudo da interação de FQs com nanopartículas de ouro sintetizadas por ablação a laser (nanocompósitos, AuNCs), NFX mostrou maiores mudanças, tanto na absorbância como na fluorescência, do que as FQs ciprofloxacina (CFX) e levofloxacina (LFX). Os resultados sugerem mudanças no índice de refração na superfície dos AuNCs, por associação com o fármaco e/ou formação de aglomerados como resultado da interação. Observou-se também uma supressão lenta, porém significativa, na fluorescência da NFX, sem mudança na posição do pico, indicando que NFX mantém o seu estado inicial de protonação ligando-se à superfície dos AuNCs. Também foi observada a liberação de FQs ligadas à superfície de AuNPs mediante substituição por tióis, que ocasiona recuperação parcial da fluorescência da fluorquinolona. Por último, como o surfactante aniônico SDS se mostrou promissor na interação com NFX, em comparação com surfactantes catiônicos e neutros, e como os AuNCs são estáveis em SDS, estudamos a interação de NFX com AuNCs sintetizados em presença de SDS e, para comparação, com AuNCs colocados em solução de SDS após a síntese. / [en] Norfloxacin (NFX) is a fluorescent antibiotic of broad bacteriological spectrum, member of the fluoroquinolone (FQ) family. The interaction of FQs with metal ions can increase the bactericidal action and act against antibiotics bacterial resistance. Several examples of mixed-ligand norfloxacin Cu (II) complexes can be found in the literature. Understanding the molecular mechanisms of interaction of these antibiotics with different cell components and with gold nanoparticles as drug transporters is extremely important. To clarify these interactions, we used different spectroscopic techniques, such as steady-state and time-resolved fluorescence spectroscopy, UV-Visible light absorption, and electron paramagnetic resonance (EPR). The interaction of NFX and the ternary complex Cu(II):L:NFX, where the L is the ligand 1,10-phenanthroline (Phen) or 2,2-bipyridine (Bipy), with micelles and small unilamellar liposomes of egg phosphatidylcholine (PC) was studied using steady-state and time-resolved fluorescence spectroscopy. The stability of the ternary complexes formed in micelles was studied, and stability constants were obtained inside SDS micelles, which showed values much larger than in buffer. The EPR spectra gave further details on the structure of the complexes, and confirmed the formation of the ternary complex inside the micelles. The interactions of FQs and their copper complexes with PC liposomes prepared with different surface densities of negative electrical charge were studied. In the study of the interaction of FQs with gold nanoparticles synthesized by laser ablation (nanocomposites, AuNCs), NFX showed greater changes than FQs ciprofloxacin (CFX) and levofloxacin (LFX) in both absorbance and fluorescence. The results suggest changes in the surface refractive index of the AuNCs and/or cluster formation, as result of the interaction with the drug. A slow but significant quenching of NFX fluorescence was also observed, with no change in peak position, indicating that NFX maintains its initial state of protonation by binding to the surface of the AuNCs. Release of FQs attached to the surface of AuNCs by thiols has also been observed, which causes partial recovery of FQ fluorescence. Finally, as the anionic surfactant SDS showed to be promising in the interaction with NFX, compared to cationic and neutral surfactants, and because the AuNCs are stable in SDS, we studied the interaction of NFX with AuNCs synthesized in the presence of SDS and, for comparison, with AuNCs placed in SDS solution after synthesis.

[pt] Os sistemas de administração controlada de medicamentos (drug delivery) permitem a introdução de uma substância terapêutica no organismo e melhoram sua eficácia e segurança, controlando a taxa, o tempo e o local de liberação, o que diminui os efeitos colaterais.Nesse trabalho nos dedicamos a estudar dois possíveis sistemas de administração de fármacos: lipossomos associados a surfactantes, já bastante utilizados em farmacologia, e nanobastões de ouro, cujas propriedades únicas têm sido avaliadas em aplicações biomédicas. Os lipossomos têm-se destacado devido a sua estabilidade e baixa toxicidade, os surfactantes são tensoativos muito usados tanto em farmacologia como para estabilizar soluções coloidais de nanopartículas. Já os nanobastões de ouro têm perspectivas promissoras para utilização em entrega de fármacos devido a suas propriedades óticas e biocompatibilidade. Estudamos, por meio de espectrofotometria de fluorescência e de absorção UV-visível, a associação entre esses sistemas e uma classe de fármacos denominada fluorquinolonas, que são antibióticos de amplo espectro bacteriano. A norfloxacina (NFX), pertencente à segunda geração de fluorquinolonas, foi escolhida para esse trabalho por ser naturalmente fluorescente, o que facilita a análise das interações sem a introdução de sondas extrínsecas ao sistema. Segundo a literatura, a associação da NFX com íons metálicos produz modificações nas propriedades desse fármaco, como solubilidade e biodisponibilidade. Essas mudanças têm sido avaliadas como uma possível solução ao problema de resistência bacteriana a antibióticos. Esse trabalho foi dividido em duas partes: na primeira, estudamos a formação dos complexos ternários de NFX com cobre-fenantrolina em presença de lipossomos associados a surfactantes que modificam a distribuição de carga elétrica superficial desses sistemas; na segunda parte estudamos a associação de NFX a nanobastões de ouro estabilizados por diferentes surfactantes. / [en] Drug delivery systems allow the introduction of a therapeutic substance into the body and improve its effectiveness and safety by controlling the rate, time and place of release, which reduces side effects. In this work, we study two possible drug delivery systems: liposomes associated with surfactants, which are already widely used in pharmacology, and gold nanorods, whose unique properties have been evaluated in biomedical applications. Liposomes have been remarkable because of their stability and low toxicity, and surfactants are widely used both in pharmacology and to stabilize colloidal solutions of nanoparticles. On the other hand, gold nanorods have promising perspectives for use in drug delivery due to their optical properties and biocompatibility.We study the association between these systems and a class of drugs called fluoroquinolones, which are broadspectrum bacterial antibiotics, using fluorescence spectrophotometry and UVvisible absorption. Norfloxacin (NFX), a second generation fluoroquinolone, was chosen because it is naturally fluorescent, which facilitates the analysis of interactions without the introduction of extrinsic probes into the system. According to the literature, the association of NFX with metal ions produces changes in the properties of this drug, such as solubility and bioavailability. These changes have been evaluated as a possible solution to the problem of bacterial resistance to antibiotics. This work was divided in two parts: first, we studied the formation of the ternary complexes of NFX with copper-phenanthroline in the presence of liposomes associated to surfactants that modify the distribution of surface electric charge of the systems; in the second part, we studied the association of NFX to gold nanorods stabilized by different surfactants.

Objetivo: O objetivo geral deste trabalho foi desenvolver um modelo farmacocinético/farmacodinâmico (PK/PD) para descrever o efeito bactericida in vitro das fluoroquinolonas levofloxacino (LEV) e moxifloxacino (MXF)contra Escherichia coli, baseando-se em dados in vivo de concentração livre prostática. Métodos: Ratos Wistar machos foram utilizados nos experimentos in vivo para determinação da farmacocinética plasmática e prostática do LEV (7 mg/kg) e MXF (6 e 12 mg/kg) após dose i.v. bolus. As concentrações livres prostáticas foram determinadas por microdiálise. A coleta das amostras de plasma e dialisado de tecido foi realizada simultaneamente nos animais previamente anestesiados com uretano para determinação do fator de distribuição tecidual (fT). Para a quantificação do LEV e MXF nas amostras de plasma e dialisado, métodos analíticos foram validados. Análise farmacocinética não-compartimental e modelagem compartimental dos dados foram realizadas utilizando o WinNonlin® e NONMEM® v. 6, respectivamente. Os experimentos de farmacodinâmica in vitro foram executados utilizando sistema composto de caldo de cultura Mueller-Hinton no qual a bactéria teste (Escherichia coli ATCC 25922) foi exposta a concentrações constantes e flutuantes dos antimicrobianos. O número de colônias bacterianas viáveis (CFU/mL) foi determinado em função do tempo e utilizado como parâmetro farmacodinâmico para construção das curvas de morte bacteriana (time-kill curves). Nos experimentos de time-kill curves estáticos, concentrações baseadas em múltiplos da MIC na faixa de 0.008–2 mg/L foram utilizadas, enquanto que no dinâmico a meia-vida de eliminação do LEV em humanos foi simulada no sistema in vitro através de diluição constante do caldo de cultura. Resultados e Discussão: Um método analítico por HPLC-fluorescência foi desenvolvido e validado para a quantificação do MXF nas amostras biológicas. Método analítico também foi validado para quantificação do LEV nas amostras. Os perfis plasmáticos e teciduais das duas fluoroquinolonas foram modelados simultaneamente utilizando modelo de três compartimentos considerando transporte linear (difusão passiva) e saturável (cinética de Michaelis-Menten). O modelo, que foi o mais adequado para descrever os dados experimentais, sugere a presença de transportadores de efluxo na próstata. A penetração prostática média do MXF foi significativamente maior que a do LEV (fT = 1.24 vs. 0.78) e foi independente da dose. Em ratos, não foi observada diferença na meia-vida plasmática média entre LEV (5.0 h) e MXF (4.9 h), embora a meia-vida tecidual foi ligeiramente maior para o MXF (3.3 vs. 2.3 h). Usando a abordagem populacional de modelagem PK/PD, modelo de Emax sigmoidal foi utilizado para descrever o efeito das duas quinolonas frente a E. coli tanto nos experimentos de concentração estática quanto dinâmica. A comparação dos parâmetros PK/PD estimados mostrou que o MXF apresenta potência superior ao LEV contra a cepa através da comparação dos valores de EC50, embora ambos tenham apresentado eficácia comparável (Emax de 1.85 e 1.83 h-1 para MXF e LEV, respectivamente). Para o LEV, os esquemas posológicos de 500 mg q12 h e 1000 mg q24 h apresentaram maior eficácia no período de 24 h, pois promoveram a inibição completa do recrescimento bacteriano observado nos outros dois regimes de dose testados. Conclusões: A correlação dos dados de farmacocinéticain vivo com os experimentos de farmacodinâmica in vitro, seguida da construção do modelo PK/PD de efeito máximo, possibilitou explorar a relação do efeito antimicrobiano em função do tempo baseada em concentrações livres esperadas na prostatite. / Objective: The aim of this study was to develop a pharmacokinetic/pharmacodynamic (PK/PD) model to describe the in vitro bactericidal effect of the fluoroquinolones levofloxacin (LEV) and moxifloxacin (MXF) against Escherichia coli based on free concentrations in prostate tissue measured in vivo. Methods: Pharmacokinetic experiments were conducted in male Wistar rats for the determination of plasma and free prostate concentrations of LEV (7 mg/kg) and MXF (6 and 12 mg/kg) after i.v. bolus administration. Blood and tissue dialysate samples were collected simultaneously in the group of rats previously anesthetized with urethane to determine the tissue distribution factor (fT). To quantify MXF and LEV in plasma and dialysate samples obtained after administration of the quinolones, analytical methods based on HPLC-fluorescence were developed and validated accordingly. Non-compartmental analysis and compartmental PK modeling of the data was performed in WinNonlin® and NONMEM® v. 6, respectively. The in vitro pharmacodynamic experiments were executed by using a system composed of Mueller-Hinton growth medium in which the test bacterial strain (Escherichia coli ATCC 25922) was exposed to constant and fluctuating antimicrobial concentrations. The number of viable colony-forming units (CFU/mL) was determined as a function of time and used as the pharmacodynamic parameter for construction of bacterial time-kill curves. In the static time-kill curves, concentrations in the range of 0.008-2 mg/L were tested based on multiples of the MIC, whereas in the dynamic time-kill curves the half-life of LEV in humans was simulated in the in vitro system by stepwise dilution of the growth medium. Results and Discussion: An HPLC-fluorescence method was developed and fully validated to quantify MXF in biological fluids. A method was also validated to determine LEV in the samples. Plasma and prostate concentrations of both drugs were simultaneously fitted using a three-compartment model considering linear (passive diffusion) and saturable transport (Michaelis-Menten kinetics), suggesting the presence of efflux transporters in the prostate. The average tissue penetration of MXF in the prostate was significantly higher than that of LEV (fT = 1.24 vs. 0.78) and was independent of the dose. In rats, differences in average plasma half-life between plasma LEV (5.0 h) and MXF (4.9 h) were not observed, even though the tissue half-life was slightly longer for MXF (3.3 vs. 2.3 h). Using a population PK/PD modeling approach, a sigmoidal Emax model was used to describe the effect of the two quinolones against E. coli both in the static as well as in the dynamic time-kill curves. Comparison of the PK/PD parameter estimates showed that the in vitro potency of MXF is higher than LEV against the strain tested as shown by EC50 values, but both presented equivalent efficacy (Emax of 1.85 and 1.83 h-1 for MXF and LEV, respectively). For LEV, the dosing regimens of 500 mg q12 h and 1,000 mg q24 h showed overall greater efficacy over the 24 h period as they resulted in complete inhibition of bacterial regrowth observed in the other two dosing regimens tested. Conclusions: The correlation of in vivo pharmacokinetic data with in vitro pharmacodynamic experiments, followed by the development of an Emax PK/PD model, allowed determining the relationship between the bactericidal effect as a function of time based on free tissue concentrations expected in the site of infection.

Objetivo: O objetivo geral deste trabalho foi desenvolver um modelo farmacocinético/farmacodinâmico (PK/PD) para descrever o efeito bactericida in vitro das fluoroquinolonas levofloxacino (LEV) e moxifloxacino (MXF)contra Escherichia coli, baseando-se em dados in vivo de concentração livre prostática. Métodos: Ratos Wistar machos foram utilizados nos experimentos in vivo para determinação da farmacocinética plasmática e prostática do LEV (7 mg/kg) e MXF (6 e 12 mg/kg) após dose i.v. bolus. As concentrações livres prostáticas foram determinadas por microdiálise. A coleta das amostras de plasma e dialisado de tecido foi realizada simultaneamente nos animais previamente anestesiados com uretano para determinação do fator de distribuição tecidual (fT). Para a quantificação do LEV e MXF nas amostras de plasma e dialisado, métodos analíticos foram validados. Análise farmacocinética não-compartimental e modelagem compartimental dos dados foram realizadas utilizando o WinNonlin® e NONMEM® v. 6, respectivamente. Os experimentos de farmacodinâmica in vitro foram executados utilizando sistema composto de caldo de cultura Mueller-Hinton no qual a bactéria teste (Escherichia coli ATCC 25922) foi exposta a concentrações constantes e flutuantes dos antimicrobianos. O número de colônias bacterianas viáveis (CFU/mL) foi determinado em função do tempo e utilizado como parâmetro farmacodinâmico para construção das curvas de morte bacteriana (time-kill curves). Nos experimentos de time-kill curves estáticos, concentrações baseadas em múltiplos da MIC na faixa de 0.008–2 mg/L foram utilizadas, enquanto que no dinâmico a meia-vida de eliminação do LEV em humanos foi simulada no sistema in vitro através de diluição constante do caldo de cultura. Resultados e Discussão: Um método analítico por HPLC-fluorescência foi desenvolvido e validado para a quantificação do MXF nas amostras biológicas. Método analítico também foi validado para quantificação do LEV nas amostras. Os perfis plasmáticos e teciduais das duas fluoroquinolonas foram modelados simultaneamente utilizando modelo de três compartimentos considerando transporte linear (difusão passiva) e saturável (cinética de Michaelis-Menten). O modelo, que foi o mais adequado para descrever os dados experimentais, sugere a presença de transportadores de efluxo na próstata. A penetração prostática média do MXF foi significativamente maior que a do LEV (fT = 1.24 vs. 0.78) e foi independente da dose. Em ratos, não foi observada diferença na meia-vida plasmática média entre LEV (5.0 h) e MXF (4.9 h), embora a meia-vida tecidual foi ligeiramente maior para o MXF (3.3 vs. 2.3 h). Usando a abordagem populacional de modelagem PK/PD, modelo de Emax sigmoidal foi utilizado para descrever o efeito das duas quinolonas frente a E. coli tanto nos experimentos de concentração estática quanto dinâmica. A comparação dos parâmetros PK/PD estimados mostrou que o MXF apresenta potência superior ao LEV contra a cepa através da comparação dos valores de EC50, embora ambos tenham apresentado eficácia comparável (Emax de 1.85 e 1.83 h-1 para MXF e LEV, respectivamente). Para o LEV, os esquemas posológicos de 500 mg q12 h e 1000 mg q24 h apresentaram maior eficácia no período de 24 h, pois promoveram a inibição completa do recrescimento bacteriano observado nos outros dois regimes de dose testados. Conclusões: A correlação dos dados de farmacocinéticain vivo com os experimentos de farmacodinâmica in vitro, seguida da construção do modelo PK/PD de efeito máximo, possibilitou explorar a relação do efeito antimicrobiano em função do tempo baseada em concentrações livres esperadas na prostatite. / Objective: The aim of this study was to develop a pharmacokinetic/pharmacodynamic (PK/PD) model to describe the in vitro bactericidal effect of the fluoroquinolones levofloxacin (LEV) and moxifloxacin (MXF) against Escherichia coli based on free concentrations in prostate tissue measured in vivo. Methods: Pharmacokinetic experiments were conducted in male Wistar rats for the determination of plasma and free prostate concentrations of LEV (7 mg/kg) and MXF (6 and 12 mg/kg) after i.v. bolus administration. Blood and tissue dialysate samples were collected simultaneously in the group of rats previously anesthetized with urethane to determine the tissue distribution factor (fT). To quantify MXF and LEV in plasma and dialysate samples obtained after administration of the quinolones, analytical methods based on HPLC-fluorescence were developed and validated accordingly. Non-compartmental analysis and compartmental PK modeling of the data was performed in WinNonlin® and NONMEM® v. 6, respectively. The in vitro pharmacodynamic experiments were executed by using a system composed of Mueller-Hinton growth medium in which the test bacterial strain (Escherichia coli ATCC 25922) was exposed to constant and fluctuating antimicrobial concentrations. The number of viable colony-forming units (CFU/mL) was determined as a function of time and used as the pharmacodynamic parameter for construction of bacterial time-kill curves. In the static time-kill curves, concentrations in the range of 0.008-2 mg/L were tested based on multiples of the MIC, whereas in the dynamic time-kill curves the half-life of LEV in humans was simulated in the in vitro system by stepwise dilution of the growth medium. Results and Discussion: An HPLC-fluorescence method was developed and fully validated to quantify MXF in biological fluids. A method was also validated to determine LEV in the samples. Plasma and prostate concentrations of both drugs were simultaneously fitted using a three-compartment model considering linear (passive diffusion) and saturable transport (Michaelis-Menten kinetics), suggesting the presence of efflux transporters in the prostate. The average tissue penetration of MXF in the prostate was significantly higher than that of LEV (fT = 1.24 vs. 0.78) and was independent of the dose. In rats, differences in average plasma half-life between plasma LEV (5.0 h) and MXF (4.9 h) were not observed, even though the tissue half-life was slightly longer for MXF (3.3 vs. 2.3 h). Using a population PK/PD modeling approach, a sigmoidal Emax model was used to describe the effect of the two quinolones against E. coli both in the static as well as in the dynamic time-kill curves. Comparison of the PK/PD parameter estimates showed that the in vitro potency of MXF is higher than LEV against the strain tested as shown by EC50 values, but both presented equivalent efficacy (Emax of 1.85 and 1.83 h-1 for MXF and LEV, respectively). For LEV, the dosing regimens of 500 mg q12 h and 1,000 mg q24 h showed overall greater efficacy over the 24 h period as they resulted in complete inhibition of bacterial regrowth observed in the other two dosing regimens tested. Conclusions: The correlation of in vivo pharmacokinetic data with in vitro pharmacodynamic experiments, followed by the development of an Emax PK/PD model, allowed determining the relationship between the bactericidal effect as a function of time based on free tissue concentrations expected in the site of infection.

Objetivo: O objetivo geral deste trabalho foi desenvolver um modelo farmacocinético/farmacodinâmico (PK/PD) para descrever o efeito bactericida in vitro das fluoroquinolonas levofloxacino (LEV) e moxifloxacino (MXF)contra Escherichia coli, baseando-se em dados in vivo de concentração livre prostática. Métodos: Ratos Wistar machos foram utilizados nos experimentos in vivo para determinação da farmacocinética plasmática e prostática do LEV (7 mg/kg) e MXF (6 e 12 mg/kg) após dose i.v. bolus. As concentrações livres prostáticas foram determinadas por microdiálise. A coleta das amostras de plasma e dialisado de tecido foi realizada simultaneamente nos animais previamente anestesiados com uretano para determinação do fator de distribuição tecidual (fT). Para a quantificação do LEV e MXF nas amostras de plasma e dialisado, métodos analíticos foram validados. Análise farmacocinética não-compartimental e modelagem compartimental dos dados foram realizadas utilizando o WinNonlin® e NONMEM® v. 6, respectivamente. Os experimentos de farmacodinâmica in vitro foram executados utilizando sistema composto de caldo de cultura Mueller-Hinton no qual a bactéria teste (Escherichia coli ATCC 25922) foi exposta a concentrações constantes e flutuantes dos antimicrobianos. O número de colônias bacterianas viáveis (CFU/mL) foi determinado em função do tempo e utilizado como parâmetro farmacodinâmico para construção das curvas de morte bacteriana (time-kill curves). Nos experimentos de time-kill curves estáticos, concentrações baseadas em múltiplos da MIC na faixa de 0.008–2 mg/L foram utilizadas, enquanto que no dinâmico a meia-vida de eliminação do LEV em humanos foi simulada no sistema in vitro através de diluição constante do caldo de cultura. Resultados e Discussão: Um método analítico por HPLC-fluorescência foi desenvolvido e validado para a quantificação do MXF nas amostras biológicas. Método analítico também foi validado para quantificação do LEV nas amostras. Os perfis plasmáticos e teciduais das duas fluoroquinolonas foram modelados simultaneamente utilizando modelo de três compartimentos considerando transporte linear (difusão passiva) e saturável (cinética de Michaelis-Menten). O modelo, que foi o mais adequado para descrever os dados experimentais, sugere a presença de transportadores de efluxo na próstata. A penetração prostática média do MXF foi significativamente maior que a do LEV (fT = 1.24 vs. 0.78) e foi independente da dose. Em ratos, não foi observada diferença na meia-vida plasmática média entre LEV (5.0 h) e MXF (4.9 h), embora a meia-vida tecidual foi ligeiramente maior para o MXF (3.3 vs. 2.3 h). Usando a abordagem populacional de modelagem PK/PD, modelo de Emax sigmoidal foi utilizado para descrever o efeito das duas quinolonas frente a E. coli tanto nos experimentos de concentração estática quanto dinâmica. A comparação dos parâmetros PK/PD estimados mostrou que o MXF apresenta potência superior ao LEV contra a cepa através da comparação dos valores de EC50, embora ambos tenham apresentado eficácia comparável (Emax de 1.85 e 1.83 h-1 para MXF e LEV, respectivamente). Para o LEV, os esquemas posológicos de 500 mg q12 h e 1000 mg q24 h apresentaram maior eficácia no período de 24 h, pois promoveram a inibição completa do recrescimento bacteriano observado nos outros dois regimes de dose testados. Conclusões: A correlação dos dados de farmacocinéticain vivo com os experimentos de farmacodinâmica in vitro, seguida da construção do modelo PK/PD de efeito máximo, possibilitou explorar a relação do efeito antimicrobiano em função do tempo baseada em concentrações livres esperadas na prostatite. / Objective: The aim of this study was to develop a pharmacokinetic/pharmacodynamic (PK/PD) model to describe the in vitro bactericidal effect of the fluoroquinolones levofloxacin (LEV) and moxifloxacin (MXF) against Escherichia coli based on free concentrations in prostate tissue measured in vivo. Methods: Pharmacokinetic experiments were conducted in male Wistar rats for the determination of plasma and free prostate concentrations of LEV (7 mg/kg) and MXF (6 and 12 mg/kg) after i.v. bolus administration. Blood and tissue dialysate samples were collected simultaneously in the group of rats previously anesthetized with urethane to determine the tissue distribution factor (fT). To quantify MXF and LEV in plasma and dialysate samples obtained after administration of the quinolones, analytical methods based on HPLC-fluorescence were developed and validated accordingly. Non-compartmental analysis and compartmental PK modeling of the data was performed in WinNonlin® and NONMEM® v. 6, respectively. The in vitro pharmacodynamic experiments were executed by using a system composed of Mueller-Hinton growth medium in which the test bacterial strain (Escherichia coli ATCC 25922) was exposed to constant and fluctuating antimicrobial concentrations. The number of viable colony-forming units (CFU/mL) was determined as a function of time and used as the pharmacodynamic parameter for construction of bacterial time-kill curves. In the static time-kill curves, concentrations in the range of 0.008-2 mg/L were tested based on multiples of the MIC, whereas in the dynamic time-kill curves the half-life of LEV in humans was simulated in the in vitro system by stepwise dilution of the growth medium. Results and Discussion: An HPLC-fluorescence method was developed and fully validated to quantify MXF in biological fluids. A method was also validated to determine LEV in the samples. Plasma and prostate concentrations of both drugs were simultaneously fitted using a three-compartment model considering linear (passive diffusion) and saturable transport (Michaelis-Menten kinetics), suggesting the presence of efflux transporters in the prostate. The average tissue penetration of MXF in the prostate was significantly higher than that of LEV (fT = 1.24 vs. 0.78) and was independent of the dose. In rats, differences in average plasma half-life between plasma LEV (5.0 h) and MXF (4.9 h) were not observed, even though the tissue half-life was slightly longer for MXF (3.3 vs. 2.3 h). Using a population PK/PD modeling approach, a sigmoidal Emax model was used to describe the effect of the two quinolones against E. coli both in the static as well as in the dynamic time-kill curves. Comparison of the PK/PD parameter estimates showed that the in vitro potency of MXF is higher than LEV against the strain tested as shown by EC50 values, but both presented equivalent efficacy (Emax of 1.85 and 1.83 h-1 for MXF and LEV, respectively). For LEV, the dosing regimens of 500 mg q12 h and 1,000 mg q24 h showed overall greater efficacy over the 24 h period as they resulted in complete inhibition of bacterial regrowth observed in the other two dosing regimens tested. Conclusions: The correlation of in vivo pharmacokinetic data with in vitro pharmacodynamic experiments, followed by the development of an Emax PK/PD model, allowed determining the relationship between the bactericidal effect as a function of time based on free tissue concentrations expected in the site of infection.

Made available in DSpace on 2016-08-19T12:56:49Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Dissertacao Monica de Araujo Neves.pdf: 1987787 bytes, checksum: c4159e188bd8d08a6860a3f310618950 (MD5) Previous issue date: 2014-12-19 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / Drugs in the planet have increased during last decades. Such compounds can cause adverse impact on ecosystems. Soon, more effective analytical methods are essential for the study of new pollutants, especially in magazines whose headquarters are very complex as mangrove sediments. Therefore, this study aimed to improve an analytical method to assess the occurrence of fluoroquinolone antibiotics, ciprofloxacin (CIP), levofloxacin (LEV) and norfloxacin (NOR), in sediment samples from the Paciência river located on the Maranhão island using the technique of ultrasound-assisted extraction, extraction phase solid and liquid chromatography (HPLC/FD). According to the study, the method was linear (r²> 0.99), recovery ranging from 73.73 to 88.85%, precise (RSD <20%), selective and sensitive (detection limit for CIP, LEV and NOR 9.32; 17.78 and 4.42 µg.kgˉ¹, respectively, and limit of quantitation of 20 µg.kgˉ¹ for all three drugs) for quantification of fluoroquinolones in estuarine sediments. Other relevant aspects of the method developed in this work were the simplicity, low cost and absence of interfering to a very complex environmental matrix as are the mangrove sediments. When evaluating the sediment at various points of the river there was contamination at three points by CIP ranging from 56.55 to 70.45 µg.kgˉ¹ These results are similar to those found around the planet to polluted regions and they are of concern due to the effects of these antibiotics in the ecosystem. / É crescente a utilização de fármacos no planeta nas últimas décadas. Tais compostos podem causar impacto negativo nos ecossistemas. Logo, métodos analíticos mais eficazes são fundamentais para o estudo de novos poluentes, especialmente em compartimentos cujas matrizes são muito complexas como sedimentos de manguezal. Sendo assim, este trabalho teve por objetivo aprimorar um método analítico para avaliar a ocorrência de antibióticos fluoroquinolônicos, ciprofloxacino (CIP), levofloxacino (LEV) e norfloxacino (NOR), em amostras de sedimento do rio Paciência localizadas na ilha do Maranhão utilizando a técnica de extração assistida por ultrassom, extração em fase sólida e a cromatografia líquida (CLAE/FL). Segundo o estudo, o método mostrou-se linear (r²>0,99), recuperação variando 73,73-88,85%, preciso (DPR < 20%), seletivo e sensível (Limite de detecção para CIP, LEV e NOR de 9,32; 17,78 e 4,42 µg.kgˉ¹, respectivamente e limite de quantificação de 20 µg.kgˉ¹ para todos os três analitos) para quantificação de fluoroquinolonas em sedimento estuarino. Outros aspectos relevantes do método desenvolvido nesse trabalho foram à simplicidade, o baixo custo e ausência de interferentes para uma matriz ambiental muito complexa como são os sedimentos de manguezal. Ao avaliar o sedimento em vários pontos do rio observou-se contaminação em três pontos por CIP variando entre 56,55 70,45 µg.kgˉ¹. Esses resultados são similares ao encontrados ao redor do planeta para regiões poluídas e são motivos de preocupação em função dos efeitos desses antibióticos no ecossistema.

O presente estudo visou determinar a prevalência de bactérias Gram-negativas produtoras de produzem b-lactamases de amplo espectro (ESBL) e resistência adquirida a quinolonas mediada por plasmídeos (PMQR) em animais de estimação, investigando o potencial papel destes hospedeiros como portadores assintomáticos. Em 2012, foram coletadas 216 amostras (fezes e saliva) de 108 animais de companhia (29 gatos e 79 cães) abrigados em casas de família, um centro de acolhimento de animais abandonados, e no Centro de Controle de Zoonoses da Cidade de São Paulo. Do total de cepas estudadas, 85% apresentaram fenótipo sugestivo de PMQR; enquanto que 62% dos isolados exibiram um fenótipo característico e sugestivo para produção de ESBL, sendo na sua maioria identificadas como E. coli. Dentre os isolados, 14 carregaram variantes do gene blaCTX-M, 9 foram positivos para o gene blaTEM, e 6 foram positivos para blaSHV. Em relação às cepas resistentes às Q/FQ, 56% (n= 43) foram positivas para a presença do gene qnr, o qual foi identificado em 11 espécies diferentes. Os resultados apresentados demostram que animais de companhia podem ser portadores assintomáticos de cepas produtoras de ESBL e PMQR. / The present study aimed to determine the prevalence of Gram-negative bacteria producing b-lactamases producing broad-spectrum (ESBL) and acquired resistance to quinolones mediated by plasmids (PMQR) in pets, investigating the potential role of these hosts as asymptomatic carriers. In 2012, 216 samples (feces and saliva) of 108 companion animals (29 cats and 79 dogs) housed in shelters or a Zoonosis Control Center were collected from São Paulo city. Of the total strains studied, 85% had a phenotype suggestive for PMQR; while 62 % of the isolates exhibited a characteristic phenotype and suggestive for ESBL-producing genes, with the most identified as E. coli. Among the isolates, 14 carried variants blaCTX -M gene 9 were positive for blaTEM gene, and 6 were positive for blaSHV. Regarding resistant Q/FQ isolates, 56% (n = 43) were positive for the presence of qnr gene, which was identified on 11 different species. The results presented demonstrate that pets can be asymptomatic carriers of ESBL producing strains and PMQR.