Dans la pratique clinique, on fait souvent appel aux études de bioéquivalence afin de comparer deux médicaments. Un premier objectif de ce mémoire est d'introduire la notion pharmacocinétique et statistique de ce type d'étude, ainsi que de définir et de présenter l'application des tests d'équivalence à travers les études de bioéquivalence. Pour réaliser l'inférence statistique des études de bioéquivalence, en pratique on utilise le test t de Student. Le second but de ce mémoire est l'utilisation du test de permutations dans le cas où les hypothèses du test paramétrique ne sont pas satisfaites. À travers une étude de simulation des données de plusieurs lois on compare la performance du test de permutations avec le test t de Student et le test de WiIcoxon pour deux échantillons. Ce dernier est le test non paramétrique utilisé dans la pratique courante des études de bioéquivalence. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Bioéquivalence, Tests d'hypothèses, Plan d'expérience croisé, Test de permutation.

L’évaluation de la bioéquivalence (BE) de formulations génériques (Test) et de marques commerciales (Référence) du dabigatran représente un défi de taille pour les sociétés pharmaceutiques en raison de la grande variabilité intra-individuelle et de la puissante relation concentration-effet du médicament. Soutenu par l'approche de modélisation pharmacocinétique de population (pop-PK), ce projet examine le potentiel d'évaluer la BE, avec des résultats comparables au paradigme actuel de BE, en utilisant un nombre réduit d'échantillons requis. Une étude de BE portant sur deux formulations de dabigatran (Test et Référence), comprenant 16 sujets et incluant 640 concentrations plasmatiques a été utilisée rétrospectivement pour l'analyse pop-PK. Un modèle pop-PK a été développé pour chaque formulation en suivant les techniques de modélisation standards. Des scénarios d'échantillonnage comportant un ensemble décroissant de prélèvements ont été sélectionnés selon une stratégie progressive et prudente basée sur les propriétés pharmacocinétiques (PK) connues du dabigatran ainsi que de connaissances cliniques acquises. Les modèles pop-PK Test et Référence ont été ajustés à chacun des scénarios d'échantillonnage réduits et leurs profils PK ont été simulés. Ensuite, des tests de BE ont été effectués pour identifier le scénario préservant les conclusions BE obtenues à partir du jeu de données d'origine tout en incluant le nombre minimal de prélèvements. Un modèle à deux compartiments avec élimination de premier ordre et absorption retardée décrivait le mieux les données de concentration plasmatique du dabigatran. Le sexe a été identifié en tant que covariable significative pour la biodisponibilité. Pour les scénarios d'échantillonnage réduit, tous les profils de PK simulés étaient similaires et robustes en termes de valeurs de paramètres PK et de courbes de concentrations, à l'exception des valeurs de Cmax. Les résultats ont également prouvé que le verdict de BE pouvait être maintenu jusqu'à un scénario d'échantillonnage réduit de cinq prélèvements en utilisant les normes et critères de BE réglementaires en vigueur. L’approche de modélisation pop-PK pourrait réduire le nombre d’échantillons utilisés pour l’évaluation de la BE du dabigatran, diminuant donc les coûts des futurs essais de BE cliniques en plus de représenter un bénéfice pour les participants de l’étude. / The bioequivalence (BE) assessment of generic (Test) and brand name (Reference) formulations of dabigatran, a drug with a steep exposure-response relationship exhibiting very high pharmacokinetic (PK) variability, represents an expensive challenge for pharmaceutical companies. Supported by the modeling approach of population pharmacokinetics (pop-PK), the present study investigates the potential of assessing with results comparable to the current BE paradigm BE using a reduced required number of samples. A BE study of two formulations of dabigatran (Test and Reference), comprising 16 subjects and including 640 plasma concentrations, was used retrospectively for the pop-PK analysis. Using standard modeling techniques, a pop-PK model was accordingly developed for each formulation. Sampling scenarios with reduced sampling time points were selected in a progressive and cautious strategy based on dabigatran’s known PK properties and clinical knowledge. The developed pop-PK model of the Reference and Test formulations were refitted on each reduced sampling dataset. All these models were simulated to generate virtual PK profiles for BE purpose. Then, following the standard BE test procedure, the task concluded by identifying the scenario preserving BE conclusions obtained from the original dataset, while including the minimum number of samples. A two-compartment model with first order elimination and a lagged absorption best described the plasma concentration data for dabigatran, and sex was identified as a significant covariate for bioavailability. For the reduced sampling scenarios, all simulated PK profiles were similar to the PK profile generated from the complete sampling in terms of PK parameters values and robustness, except for the Cmax values. The results also proved that the BE verdict could be maintained with a reduced sampling scenario of only five blood samples using the current regulatory BE standards and criteria. The pop-PK modeling approach can be an efficient tool that requires only a reduced number of samplings for the BE assessment of dabigatran, thus can potentially lower the costs in future BE trials and benefit the participants of the study.

La bioéquivalence, une mesure de substitution de l'innocuité et de l'efficacité à différents stades du processus de développement des médicaments, est tout particulièrement importante lors du développement d'un médicament générique. Entre autres critères, la bioéquivalence garantit que les médicaments génériques sont équivalents aux produits innovateurs ou de références approuvés en termes d’efficacité clinique et d’innocuité tout en contournant le long cours et le coût élevé des essais chez les animaux et des essais cliniques chez les patients exigés pour les médicaments innovants. Malgré les avancées dans le développement d'approches robustes au cours des dernières décennies, la pratique actuelle de la bioéquivalence fait toujours l'objet de controverses. Le but de cette thèse est d'explorer certaines de ces controverses et de les aborder en proposant des approches nouvelles et alternatives. L'une des questions les plus controversées dans la pratique actuelle de la bioéquivalence est l'extrapolation des résultats d'études de bioéquivalence d'une population à une autre. La majorité des études de bioéquivalence portant sur des formes pharmaceutiques orales efficaces par voie systémique reposent sur les critères de pharmacocinétique obtenus chez des sujets sains, alors que la population cible est constituée de patients. Ceci est basé sur l'hypothèse que si deux produits sont bioéquivalents dans une population, ils devraient l'être dans une autre. L'extrapolation des résultats des études de bioéquivalence ne se limite pas à celle des sujets sains aux patients. Depuis 2007, une proportion croissante d'études de bioéquivalence pharmacocinétique portant sur des soumissions génériques nord-américaines ou européennes a été réalisée auprès de populations géographiques/ethniques autres que celles visées, en raison du coût moins élevé de ces études en dehors de l'Amérique du Nord et de l'Europe. Dans le premier volet de cette thèse, nous avons examiné si les résultats de la bioéquivalence obtenus dans une population géographique ou ethnique pouvaient être extrapolés à une autre. À cette fin, nous avons extrait les résultats des études de bioéquivalence pharmacocinétique disponibles publiquement et provenant de soumissions génériques à Santé Canada et à la Food and Drug Administration des États-Unis. Pour dix médicaments différents, nous avons calculé l'effet d’un repas normalisé sur le produit de référence et comparé les résultats obtenus chez deux populations ethniques, les indiens et les nord-américains. Cette approche novatrice est basée sur le raisonnement suivant: si l'effet d’un repas sur le produit de référence est le même chez les populations indienne et nord-américaine, le produit générique et sa référence qui se sont révélés bioéquivalents dans la population indienne devraient également l'être dans la population nord-américaine. Pour 90% des médicaments à l'étude, une différence statistiquement significative a été détectée entre les deux populations après un repas. Pour 30% de ces médicaments, la différence s'est révélée d'une pertinence clinique possible. Les résultats de cette étude ont mis en évidence que l’extrapolation des résultats de bioéquivalence d’une population à l’autre devrait possiblement être reconsidérée pour certains médicaments. Les défis dans le contexte de la bioéquivalence ne se limitent pas toujours aux études pivots où la performance d’un produit générique est comparée à celle de la référence. En effet, une étude pilote peut être menée afin d’établir un protocole d’étude approprié pour cette étude pivot. Par conséquent, les résultats inexacts provenant d'une étude pilote, tels qu'une estimation imprécise du moment ou de la durée d’administration optimale de la dose lors de la comparaison du produit testé par rapport à la référence, pourront affecter négativement les résultats de l’étude de bioéquivalence. Ceci est particulièrement crucial pour les produits indiqués pour un usage topique dermatologique dont les corticostéroïdes constituent un cas d’espèce. En effet, leur bioéquivalence est démontrée par une mesure pharmacodynamique, le blanchiment cutané, à différents temps après application topique. L’intensité du blanchiment est comparée entre le produit générique et le produit de référence à une durée d’administration spécifique d’une dose donnée, la DD50, soit la durée associée à 50% de l’effet maximal observé. Par conséquent, cette durée d’administration de la dose doit d’abord être déterminée dans le cadre d’une étude pilote. L’agence réglementaire américaine recommande l’utilisation d’une approche populationnelle basée sur la modélisation non linéaire à effets mixtes pour l'estimation de la DD50 et ce, quelle que soit la méthode d'analyse. Étant donné qu’il existe différents types de méthodes d’analyse non linéaire à effets mixtes, chaque commanditaire peut en choisir une différente. Dans le deuxième volet de cette thèse, nous avons examiné si les mêmes estimations de DD50 pouvaient être obtenues en utilisant différentes méthodes non linéaires à effets mixtes. À cette fin, nous avons ajusté les données de blanchiment de la peau d’onze études avec deux méthodes non linéaires à effets mixtes différentes : le maximum de vraisemblance avec maximisation de l’espérance (MLEM) et l'estimation conditionnelle de premier ordre (FOCE). Les résultats ont favorisé MLEM, compte tenu d’une meilleure puissance discriminative pour l’estimation de la DD50 de population et d’une meilleure minimisation de la variabilité interindividuelle. Bien que l'approche de la bioéquivalence fondée sur la pharmacocinétique ait contribuée de manière significative au développement de versions génériques de haute qualité des formes pharmaceutiques orales indiquées pour un effet systémique, la disponibilité de versions génériques pour les produits dermatologiques topiques demeure limitée et ce, par manque de méthodes acceptées par les agences réglementaires pour l'évaluation de la bioéquivalence de ces produits. Dans le troisième volet de cette thèse, une nouvelle approche pour l’évaluation de la bioéquivalence de formulations de crème topique d’acyclovir a été développée en utilisant une analyse basée sur un modèle de données d’exposition locales récupérées à partir d’échantillons de peau abrasée prélevés à une seule durée d’administration de la dose, la DD50 à l’aide de bandes adhésives. Un seul échantillonnage de peau effectué à la DD50 a non seulement assuré que les données pharmacocinétiques étaient recueillies à la durée d’administration de la dose ayant le meilleur pouvoir discriminant pour détecter une différence au niveau des formulations, mais a également permis de diminuer considérablement le nombre d'échantillons à analyser. Et surtout, cette nouvelle approche a permis de générer un profil pharmacocinétique au niveau même de la peau. Ce faisant, nous avons pu utiliser l'analyse compartimentale populationnelle et contourner les nombreuses hypothèses et calculs sophistiqués requis par les méthodes précédentes. Notre approche a également permis de générer de nouveaux paramètres pharmacocinétiques permettant de décrire la vitesse et le degré d’exposition cutanée pour l'évaluation de la biodisponibilité et de la bioéquivalence topiques. Finalement, cette méthode a le potentiel de discerner une formulation bioéquivalente d’une autre qui ne l’est pas. / Bioequivalence is a surrogate measure of safety and efficacy in different stages of drug development process with the most pronounced significance in the development of generic drugs. Bioequivalence, among other standards, ensures that generic drugs are equivalent to their approved innovator or reference products in terms of clinical efficacy and safety while circumventing the lengthy-time course and high cost of animal and clinical trials in patients required for innovator drugs. Despite the advancements in development of robust bioequivalence approaches over the past decades, there are still controversies in the current practice of bioequivalence. The aim of this thesis is to explore some of these controversies and address them by putting forward new and alternative approaches. One of the most controversial issues in the current practice of bioequivalence is the extrapolation of bioequivalence study results from one population to another. The majority of bioequivalence studies for systemic effective oral dosage forms are conducted based on pharmacokinetic endpoints in healthy volunteers whilst the targeted population is patients. This is based on the assumption that if two products are bioequivalent in one population, they should be bioequivalent in another one. The extrapolation of bioequivalence study results is not limited to that from healthy volunteers to patients. Since 2007, an ever-increasing proportion of pharmacokinetic bioequivalence studies for North American or European generic submissions have been performed in geographical/ethnic populations other than the intended ones, due to the lower cost of these studies outside North America and Europe. In the first part of this thesis, we investigated whether the bioequivalence results obtained in one geographical or ethnic population can be extrapolated to another one. To this purpose, we extracted pharmacokinetic bioequivalence studies results from generic submissions to Health Canada and the US Food and Drug Administration. We calculated food effect for ten different reference drug products and compared the results for each product between two ethnic populations, Indians and North Americans. This is based on the reasoning that if food effect is found to be the same between the Indian and North American populations, then the generic product and its reference that were found to be bioequivalent in the Indian population should also be bioequivalent in North American population. For 90% of the study drugs, statistically significant difference was detected in the food effect between two populations. For 30% of these drugs, the difference was found to be of possible clinical relevance. The results of this study raised a flag for extrapolating the bioequivalence results from one population to another. Challenges in the context of bioequivalence are not always limited to the pivotal studies where the performance of a generic product is compared to that of Reference. Prior to pivotal bioequivalence studies, a pilot study may be conducted to establish an appropriate study design for the pivotal bioequivalence study. Therefore, inaccurate results from a pilot study, such as inaccurate estimation of time point or dose duration for comparison of test versus reference, can affect the bioequivalence outcomes adversely. An example to this case is the comparison of the extent of skin blanching, the pharmacological effect of generic versus reference products of topical dermatological corticosteroids at specific dose duration, DD50, where the effect is half maximal. This dose duration should initially be determined in a pilot study. The US FDA 1995 Guidance document recommends the use of non-linear mixed effect population modeling for the estimation of DD50, irrespective of the method of analysis. Given the availability of different types of non-linear mixed effect modeling methods, each sponsor could choose a different one. In the second part of this thesis we investigated whether the same DD50 estimates can be obtained when different non-linear mixed effect modeling methods are used. To this purpose, we fitted the skin blanching data from eleven studies with two different non-linear mixed effect modeling methods, the Maximum Likelihood Expectation Maximization (MLEM) and the First Order Conditional Estimation (FOCE). The results favored MLEM given its lower population DD50 estimates that would locate in a more discriminative portion of the Emax curve and better minimization of inter-individual variability. Although the pharmacokinetic-based bioequivalence approach has contributed significantly to the development of high-quality generic versions of systemic effective oral dosage form, the availability of generic versions of topical dermatological products remains constrained due to the limited methods accepted for bioequivalence evaluation of these products. In the third part of this thesis, a novel approach for the bioequivalence assessment of topical acyclovir cream formulations was developed based on the model-based analysis of local exposure data recovered from tape stripping of the skin at a single dose duration, DD50. Conducting the stripping procedure only at DD50 not only ensured that the PK data was collected at the dose duration that is most discriminative of formulation differences, but it also decreased the number of samples to be analyzed significantly. More importantly, our novel approach in generating the local PK profile in the skin (dermatopharmacokinetic profile) and the implementation of population compartmental analysis circumvented the numerous assumptions and sophisticated calculations that were inherent to previous methods, while yielding the PK parameters relevant for topical bioavailability and bioequivalence assessment (rate and extent of exposure to the skin). This method successfully concluded bioequivalence and its absence.

Le méthylphénidate est un des médicaments les plus prescrits pour les patients ayant un trouble déficitaire de l’attention (TDAH). Comme la réponse au méthylphénidate peut varier d’un patient à l’autre, l’optimisation de la dose passe souvent par une période de titration. Au cours de cette titration, le clinicien, guidé par son expertise, prescrit différents niveaux de dose jusqu’à trouver celle qui convienne au patient. Ceci en fait un processus lourd pour le patient. L’individualisation des doses de méthylphénidate peut donc être améliorée par l’utilisation d’approches pharmacométriques. Ces approches cristallisent les informations connues sur le médicament dans un langage condensé basé sur les mathématiques et statistiques. Ainsi, leur utilisation dans le contexte du méthylphénidate fournit un outil numérique permettant de comprendre sa pharmacocinétique (ce que le corps fait au méthylphénidate) et sa pharmacodynamie (ce que le méthylphénidate fait au corps). Cette thèse se met à la quête de l’enrichissement de ces approches pharmacométriques en trois volets. La première problématique abordée concerne la grande variabilité interindividuelle dans le traitement du méthylphénidate. Le début de la thèse s’attaque à l’interchangeabilité des médicaments novateurs et génériques ayant une grande variabilité interindividuelle. Une nouvelle méthode est proposée pour comparer efficacement les médicaments selon leur pharmacocinétique. Celle-ci se base sur une méthode établie qui tient compte non seulement de la réponse moyenne d’une population à un médicament, mais aussi de la variabilité interindividuelle dans cette réponse. Cette nouvelle méthode ajoute un paramètre modulable selon le médicament étudié et corrige les problèmes de permissivité des méthodes actuelles. La pharmacodynamie du méthylphénidate est étudiée dans les deuxième et troisième volets de cette thèse. Il a été rapporté que l’efficacité du méthylphénidate décroît en fin de journée, malgré des concentrations plasmatiques similaires aux premières heures d’administration. Ainsi, suite à la prise de méthylphénidate, une tolérance aigüe se développe dans une même journée. Ce phénomène, observé sur des échelles de mesure cliniques mesurant la réduction des symptômes du TDAH, a déjà été décrit par des approches pharmacométriques. La deuxième partie de cette thèse explore la présence de cette tolérance aigüe au niveau des cibles thérapeutiques du méthylphénidate : les transporteurs de dopamine et norépinéphrine. Un modèle pharmacométrique est créé, décrivant l’interaction du méthylphénidate avec les transporteurs de dopamine et de norépinéphrine. Ce modèle est utilisé pour calculer la performance de différents régimes posologiques et explore le rôle de la norépinéphrine sur les doses nécessaires pour le traitement du TDAH. Finalement, le troisième volet ajoute la pharmacodynamie sur une échelle clinique, notamment celle du score SKAMP. Grâce au modèle pharmacométrique du deuxième volet, la dernière partie de cette thèse cherche à répondre à la question : comment l’interaction du méthylphénidate avec les transporteurs de dopamine se traduit en effet clinique? Nos résultats indiquent que l’interaction avec les transporteurs se traduit partiellement en effet clinique et que la relation entre ces deux éléments est plus significative en début de journée comparativement au soir. En somme, cette thèse a exploré les différentes facettes des méthodes pharmacométriques et leur application dans les prescriptions du méthylphénidate chez les patients atteints de TDAH. Les résultats de cette recherche démontrent l’utilité des approches pharmacométriques et ouvrent la porte à une recherche plus poussée afin de guider l’individualisation du méthylphénidate. / Methylphenidate is one of the most prescribed medications for patients with attention deficit hyperactivity disorder (ADHD). Because the response to methylphenidate varies greatly among patients, dose optimization often involves a titration period. During this titration period, the clinicians, guided by their expertise, prescribes different levels of dose until they find the one that works best for the patient. This makes it a burdensome process for the patient. Individualization of methylphenidate doses can be improved by using pharmacometric approaches. These approaches crystallize the known information about the medication into a condensed language based on mathematics and statistics. Thus, their use in the context of methylphenidate provides a digital tool for understanding its pharmacokinetics (what the body does to methylphenidate) and its pharmacodynamics (what methylphenidate does to the body). This thesis seeks to enrich these pharmacometric approaches in three parts. The first part of this dissertation concerns the high interindividual variability in methylphenidate response. The beginning of the thesis tackles the interchangeability of innovative and generic drugs with high interindividual variability. A new method is proposed to effectively compare drugs based on their pharmacokinetics. This method is based on an established method that takes into account not only the average response of a population to a drug, but also the interindividual variability in that response. This new method adds a modifiable parameter depending on the drug being studied and corrects the problems of permissiveness in current methods. The pharmacodynamics of methylphenidate are studied in the second and third parts of this thesis. It has been reported that the efficacy of methylphenidate decreases at the end of the day, despite similar plasma concentrations to those in the early hours of administration. Thus, after taking methylphenidate, acute tolerance develops within the same day. This phenomenon, observed on clinical measurement scales measuring the reduction of ADHD symptoms, has already been described by pharmacometric approaches. The second part of this thesis explores the presence of this acute tolerance at the therapeutic targets of methylphenidate: dopamine and norepinephrine transporters. A pharmacometric model is created, describing the interaction of methylphenidate with dopamine and norepinephrine transporters. This model is used to calculate the performance of different dosage regimens and explore the role of norepinephrine in the doses needed for ADHD treatment. Finally, the third part adds pharmacodynamics on a macroscopic scale, particularly the clinical effect of methylphenidate. Using the pharmacometric model from the second part, the end of this thesis seeks to answer the question: how does the interaction of methylphenidate with dopamine transporters translate into clinical effects? Our results indicate that the interaction with transporters partially translates into clinical effects and that the relationship between these two elements is more significant in the morning compared to the evening. Overall, this thesis has explored the various facets of pharmacometric methods and their application in the prescriptions of methylphenidate for patients with ADHD. The results of this research demonstrate the utility of pharmacometrics approaches and open the door to further research to guide the individualization of methylphenidate.