Par l'utilisation de techniques statistiques poussées, l'approche de population rend l'estimation des propriétés pharmacocinétiques (étude des phénomènes d'absorption, distribution, métabolisme et élimination du médicament dans l'organisme) possible chez les patients inclus dans les études de Phase III, en dépit d'un nombre de prélèvements sanguins réduit. Elle permet également d'évaluer, parmi les caractéristiques des patients, les sources de variabilité interindividuelle (covariables) pouvant expliquer les différences potentielles observées dans telle ou telle sous-population.Après un bref rappel bibliographique de la technique, nous présentons les résultats des analyses effectuées sur trois candidats-médicaments en fin de développement clinique. Le premier exemple détaille le processus d'une analyse de population réalisée chez plus de 3000 patients ainsi que les résultats d'une analyse pharmacocinétique/pharmacodynamique. Dans la deuxième partie, nous insistons sur une technique particulière de validation (le bootstrap) et détaillons l'étape de simulation mise en place pour appuyer les conclusions de l'analyse. La dernière analyse présente enfin un modèle pharmacocinétique de population combinant les données d'un produit parent et de son métabolite actif, l'autre originalité de l'analyse étant l'utilisation du randomization test afin de vérifier l'inclusion de covariables dans le modèle.Les conclusions de ces analyses permettent de mieux appréhender la cinétique des trois molécules dans leur population cible par la mise en évidence d'éventuelles sous-populations à risque et, ainsi, de veiller à leur efficacité et à leur absence de toxicité. / Using sophisticated statistical techniques, the population approach allows estimating the pharmacokinetic properties (study of the absorption, distribution, metabolism and elimination phenomena of a drug into the body) in patients included in Phase III studies, despite a low number of blood samples collected. It also allows evaluating, from the patients' characteristics, the sources of interindividual variability (covariates) that may explain the potential differences observed in a given subpopulation.After a brief review of the technical aspects of the population approach, the results of the analyses performed on three drugs in the end of their clinical development will be presented. The first example details the process of a population analysis carried out in more than 3000 patients, together with the results of a pharmacokinetic/pharmacodynamic analysis. In a second part, we underline a validation technique (the bootstrap) and the simulation study performed to emphasize the conclusions of the study. The last example presents a population pharmacokinetic model applied to the simultaneous fit of data from a parent drug and its active metabolite, the other originality of the analysis being the use of the randomization test to verify the covariates inclusion in the model.The conclusions of these analyses allow a better understanding of the kinetics of the three drugs in their target population by emphasizing potential subpopulations at risk and, hence, participate to verify their efficacy and their absence of toxicity.

L’un des défis actuels de la lutte contre la tuberculose est de développer un traitement plus court et plus efficace. La modélisation mathématique constitue une approche qui peut nous aider à comprendre les problèmes actuels et favoriser les innovations thérapeutiques. L’objectif de ce travail est de construire un modèle thérapeutique mathématique de la tuberculose pulmonaire basé sur des éléments pharmacocinétiques, pharmacodynamiques et physiopathologiques. La mise en application du modèle pharmacodynamique a été précédée d’une étude théorique sur l’équation de Hill. Cette synthèse a permis de dégager les bases rationnelles de son utilisation en modélisation pharmacologique. En utilisant une approche de population, un modèle pharmacocinétique de diffusion pulmonaire a permis de décrire les concentrations en rifampicine dans le plasma et le poumon chez 34 sujets. Le modèle a ensuite été utilisé pour analyser la valeur d’indices pharmacodynamiques corrélés à l’effet chez 10 000 sujets fictifs, par simulation de Monte Carlo. Les résultats indiquent que la dose de standard de rifampicine conduit à des concentrations globalement peu efficaces et pouvant favoriser la résistance bactérienne. Un premier modèle mathématique du traitement de la tuberculose par la rifampicine, incluant un modèle physiopathologique formel, a enfin été construit. Il permet de simuler la dynamique bactérienne du premier jour de l’infection au dernier jour de traitement. L’ensemble des résultats conduit à une remise en question de la dose standard de rifampicine et suggère une nouvelle hypothèse sur les causes de la persistance de Mycobacterium tuberculosis au cours du traitement antituberculeux / There is a critical need for a shorter tuberculosis treatment to improve tuberculosis control. Mathematical models may be helpful to understand current problems associated with tuberculosis therapy and to suggest innovation resources. The objective of this study is to set up a full mathematical model of tuberculosis treatment by rifampin, based on pharmacokinetic, pharmacodynamic and physiological submodels. Prior to its application in the pharmacodynamic modeling framework, the Hill equation has been the focus of a theoretical study. The various properties of this equation have been reviewed and the rationale of its use in pharmacological modelling has been clarified. Rifampin pharmacokinetics in plasma and lungs was modelled in a population of 34 volunteers by use of a nonparametric population approach. Then, a 10,000 subject Monte Carlo simulation was performed to explore Mycobacterium tuberculosis killing effect and prevention of resistance by rifampin. The results suggest that rifampin pulmonary concentrations obtained with the standard dose are too low to be highly effective and prevent drug resistance in most subjects. Finally, a full mathematical model of tuberculosis treatment, including a physiological model, has been implemented. The model is able to simulate the time-course of bacterial counts from the first day of infection to the last day of treatment. Overall results of this modelling effort indicate that current dosage regimens of rifampin may be optimized. In addition, this work suggests a new hypothesis regarding the bacterial persistence during tuberculosis treatment.

Résumé : En imagerie médicale, il est courant d’associer plusieurs modalités afin de tirer profit des renseignements complémentaires qu’elles fournissent. Par exemple, la tomographie d’émission par positrons (TEP) peut être combinée à l’imagerie par résonance magnétique (IRM) pour obtenir à la fois des renseignements sur les processus biologiques et sur l’anatomie du sujet. Le but de ce projet est d’explorer les synergies entre l’IRM et la TEP dans le cadre d’analyses pharmacocinétiques. Plus spécifiquement, d’exploiter la haute résolution spatiale et les renseignements sur la perfusion et la perméabilité vasculaire fournis par l’IRM dynamique avec agent de contraste afin de mieux évaluer ces mêmes paramètres pour un radiotraceur TEP injecté peu de temps après. L’évaluation précise des paramètres de perfusion du radiotraceur devrait permettre de mieux quantifier le métabolisme et de distinguer l’accumulation spécifique et non spécifique. Les travaux ont porté sur deux radiotraceurs de TEP (18F-fluorodésoxyglucose [FDG] et 18F-fluoroéthyle-tyrosine [FET]) ainsi que sur un agent de contraste d’IRM (acide gadopentétique [Gd DTPA]) dans un modèle de glioblastome chez le rat. Les images ont été acquises séquentiellement, en IRM, puis en TEP, et des prélèvements sanguins ont été effectués afin d’obtenir une fonction d’entrée artérielle (AIF) pour chaque molécule. Par la suite, les images obtenues avec chaque modalité ont été recalées et l’analyse pharmacocinétique a été effectuée par régions d’intérêt (ROI) et par voxel. Pour le FDG, un modèle irréversible à 3 compartiments (2 tissus) a été utilisé conformément à la littérature. Pour la FET, il a été déterminé qu’un modèle irréversible à 2 tissus pouvait être appliqué au cerveau et à la tumeur, alors qu’un modèle réversible à 2 tissus convenait aux muscles. La possibilité d’effectuer une conversion d’AIF (sanguine ou dérivée de l’image) entre le Gd DTPA et la FET, ou vice versa, a aussi été étudiée et s’est avérée faisable dans le cas des AIF sanguines obtenues à partir de l’artère caudale, comme c’est le cas pour le FDG. Finalement, l’analyse pharmacocinétique combinée IRM et TEP a relevé un lien entre la perfusion du Gd-DTPA et du FDG, ou de la FET, pour les muscles, mais elle a démontré des disparités importantes dans la tumeur. Ces résultats soulignent la complexité du microenvironnement tumoral (p. ex. coexistence de divers modes de transport pour une même molécule) et les nombreux défis rencontrées lors de sa caractérisation chez le petit animal. / Abstract : In medical imaging, different modalities are frequently combined in order to obtain complementary information. For example, positron emission tomography (PET) can be associated with magnetic resonance imaging (MRI) to derive both anatomical and biological information. This project explores the synergies between MRI and PET for pharmacokinetic modeling. Specifically, it exploits the high spatial resolution of MRI as well as the information about perfusion and vascular permeability derived from dynamic contrast-enhanced studies to better assess these parameters in a PET radiotracer injected shortly after the MRI examination. This more precise assessment of perfusion is thought to improve metabolism quantification for the radiotracer and to discriminate between its specific and non-specific accumulation. The present work focussed on 2 PET radiotracers, (18F-fluorodeoxyglucose [FDG] and 18F-fluoroethyltyrosine [FET]) as well as a MRI contrast agent (gadopentetic acid [Gd-DTPA]) applied to a rat glioblastoma model. Images were acquired using a sequential MRI-PET protocol and blood was drawn to derive the arterial input function (AIF) for each molecule. PET and MR images were subsequently registered and pharmacokinetic modeling was performed on regions of interest (ROI) or voxel-wise. For FDG, an irreversible 3 compartments (2-tissue) model was used in accordance to the literature. For FET, it was determined that an irreversible 2-tissue model is applicable for the brain and the tumor and a reversible 2-tissue model is preferred for the muscles. AIF (blood or image-derived) conversion between Gd-DTPA and FET, or vice versa, was also considered and proved feasible for the blood AIF derived from the caudal artery, similar to FDG. Finally, combined kinetic modeling for MRI and PET showed a relationship between the perfusion of FDG, or FET, and that of Gd-DTPA in muscle. Important disparities were noted for the tumor. These results illustrate the complexity of the tumor microenvironment (e.g. presence of various transport mechanisms for the same molecule) and the numerous challenges encountered during its characterization in small animals.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Les nouveau-nés et jeunes enfants forment une population spécifique pour laquelle les études cliniques sont rares et difficiles à mettre en œuvre. La modélisation pharmacocinétique permet de réaliser des études non invasives et est donc particulièrement bien adaptée à cette population. Tout comme pour l'expérimentation scientifique qui nécessite plusieurs études pour conduire à un consensus, plusieurs bases de données pharmacocinétiques sont nécessaires afin d'arriver à un modèle optimal généralisable. Néanmoins, de nombreux modèles pharmacocinétiques sont publiés pour une même molécule, indépendamment les uns des autres, sans que l'on sache clairement lequel est le plus adapté. Inversement de nombreuses molécules ne sont pas ou peu étudiées et ne permettent pas de conduire à des recommandations fiables.L'objectif de ce travail de thèse était de rechercher une stratégie pour privilégier un modèle par rapport à un autre et ainsi, conduire à un modèle optimal permettant d'émettre des recommandations. Nous avons choisi de centrer notre intérêt sur les études pharmacocinétiques de population en néonatalogie et plus précisément sur deux molécules: la vancomycine et le phénobarbital. / Neonates and young infants are a specific population in which clinical studies are rare and difficult. Pharmacokinetic modeling allows to realize non invasive studies and is therefore particularly well suited for this population.As well as for scientific experimentation which requires several studies to lead to a consensus, several pharmacokinetic databases are needed to achieve a generalizable optimal model.Nevertheless, many pharmacokinetic models are published for the same molecule, independently of each other, without knowing clearly which is the most suitable. Conversely many molecules are not or little studied and can not lead to reliable recommendations.The aim of this thesis was to find a strategy to prefer a model over another, and thus lead to an optimal model to make recommendations. We chose to focus our interest on population pharmacokinetic studies in neonatology and more specifically on two molecules: vancomycin and phenobarbital.

Les enfants diffèrent des adultes non seulement en termes de dimension corporelle mais aussi en termes physiologiques. En effet, les phénomènes de développement et maturation interviennent au cours de la croissance. Ces processus ne sont pas linéaires et induisent des différences pharmacocinétiques et pharmacodynamiques. Ainsi, contrairement à la pratique commune, il n’est pas approprié de déterminer les posologies pédiatriques directement à partir des doses adultes. Étudier la pharmacocinétique chez l’enfant est fondamental pour pouvoir déterminer les posologies à administrer. La méthodologie idéale est l’analyse de population à travers des modèles non-linéaires à effets mixtes. Cependant, même si cette méthode permet l’analyse de données éparses et déséquilibrées, le manque de données individuelles doit être compensé par l’inclusion de plus d’individus. Cela pose un problème lorsque l’indication du traitement est une maladie rare, comme le sont les syndromes épileptiques de l’enfance. Dans ce cas, l’extrapolation de modèles adultes à la population pédiatrique peut s’avérer avantageuse. L’objectif de ce travail de thèse était d’évaluer les recommandations posologiques d’antiépileptiques lorsque des données pharmacocinétiques pédiatriques sont suffisamment informatives pour permettre la construction d’un modèle, ou lorsque celles-ci ne sont pas suffisamment importantes ou ne peuvent pas être exploitées correctement. Dans un premier temps, un modèle parent-métabolite de l’oxcarbazépine et de son dérivé mono-hydroxylé (MHD) a été développé chez l’enfant épileptique âgé de 2 à 12 ans. Ce modèle a permis de mettre en évidence que les plus jeunes enfants nécessitent des doses plus élevées, ainsi que les patients co-traités avec des inducteurs enzymatiques. Un modèle a aussi été développé pour les enfants épileptiques de 1 à 18 ans traités avec la formulation de microsphères à libération prolongée d’acide valproïque. Ce modèle a tenu en compte le flip-flop associé à la formulation et la relation non-linéaire entre la clairance et la dose due à la liaison protéique saturable de façon mécanistique. Encore une fois, il a été mis en évidence le besoin de doses plus élevées pour les enfants plus jeunes. Puis, un modèle adulte du vigabatrin a été extrapolé à l’enfant pour déterminer les posologies permettant d’atteindre des expositions similaires à l’adulte pour traiter les épilepsies focales résistantes. A partir des résultats obtenus, qui sont en accord avec les conclusions d’essais cliniques, nous avons pu proposer une dose de maintenance idéale dans cette indication. Enfin, nous avons étudié la pertinence de l’extrapolation par allométrie théorique dans un contexte de non-linéarité avec l’exemple du stiripentol. Nous avons pu en conclure que cette méthode semble apporter de bonnes prédictions à partir de l’âge de 8 ans, contrairement aux molécules à élimination linéaire où cela semble correct à partir de 5 ans. En conclusion, nous avons pu tester et comparer différentes approches pour aider à la détermination de recommandations posologiques chez l’enfant. L’étude de la pharmacocinétique pédiatrique par des essais spécifiques reste indispensable au bon usage du médicament. / Children greatly differ from adults not only in terms of size but also in physiological terms. Indeed, developmental changes occur during growth due to maturation. These processes occur in a nonlinear fashion and can cause pharmacokinetic and pharmacodynamic differences. Thus, oppositely to common practice, it is not appropriate to scale pediatric doses directly and linearly from adults. The study of pharmacokinetics in children is then essential to determine those pediatric dosages. The more commonly used methodology is population analysis through non-linear mixed effects models. This method allows the analysis of sparse and unbalanced data. In return, the lack of individual data has to be balanced with the inclusion of more individuals. This can be a problem when the indication of treatment is a rare disease, as are epileptic syndromes of childhood. In this case, extrapolation of adult pharmacokinetic models to the pediatric population may be interesting. The objective of this thesis was to evaluate the dosage recommendations of antiepileptic drugs when pediatric pharmacokinetic data are sufficient to be modeled, and when they are not, extrapolating adequately adult information. Firstly, a parent-metabolite model of oxcarbazepine and its monohydroxy derivative (MHD) was developed in epileptic children aged 2 to 12 years. This model showed that younger children require higher doses, as well as patients co-treated with enzyme inducers. A model was also developed for epileptic children aged 1 to 18 years treated with a valproic acid sustained release microsphere formulation. This model took into account the flip-flop associated with the formulation and the non-linear relationship between clearance and dose caused by a saturable protein binding. Again, the need for higher doses for younger children was highlighted. Then, an adult model of vigabatrin was extrapolated to children to determine which doses allow to achieve exposures similar to adults in resistant focal onset seizures. From the results obtained, which are in agreement with the conclusions of clinical trials, we have been able to propose an ideal maintenance dose for this indication. Finally, we studied the relevance of extrapolation by theoretical allometry in a context of non-linearity with the example of stiripentol. We concluded that this method seems to provide good predictions from the age of 8, unlike the linear elimination molecules where it seems correct from 5 years. In conclusion, we were able to test and compare different approaches to help determine dosing recommendations in children. The study of pediatric pharmacokinetics in specific trials remains essential for the proper use of drugs.

Ces dernières décennies, de nouvelles techniques d’anesthésie-analgésie locorégionales ont permis d’améliorer la prise en charge post-opératoire. Cependant, les anesthésiques locaux (AL) exposent les patients à un risque de toxicité systémique potentiellement fatale. La première étude est une étude rétrospective ayant inclus des cas potentiels de toxicité systémique aux AL. Cette étude a montré que, face à l’importante variabilité pharmacocinétique des AL observée, l’interprétation des concentrations est difficile. Sa contribution au diagnostic clinique est limitée aux prélèvements précoces après les signes de toxicité.La deuxième étude porte sur la pharmacocinétique de la lidocaine administrée en anesthésie locale tumescente. Il s’agit de la première description de sa pharmacocinétique dans cette indication. Les concentrations restent faibles pendant la durée de suivi. La modélisation par approche de population a permis de décrire le processus d’absorption systémique de la lidocaine après l’injection d’une solution tumescente. La troisième étude porte sur 10 patientes ayant reçu une infusion cicatricielle de ropivacaine de 40 heures. Il s’agit de la première description pharmacocinétique de l’infusion cicatricielle de ropivacaine dans cette indication. La modélisation a montré que l’absorption systémique de la ropivacaine est retardée et la concentration maximale est atteinte 2 heures après la fin de la perfusion. Les études rapportées dans cette thèse ont exploré les propriétés pharmacocinétiques des AL. L’objectif de ces travaux est de contribuer à une meilleure connaissance des thérapeutiques et de contribuer à une meilleure prise en charge des patients. / New locoregional anaesthetic techniques have permitted an improvement of care. However, local anaesthetics (LA) expose patients to systemic toxicity risks. It is essential to set guidelines for the use of these techniques. A retrospective study includes cases of suspected LA systemic toxicity. Systemic toxicity of LA occur when a large amount of LA reaches the systemic circulation. This thesis shows that the interpretation of plasmatic concentrations remains difficult because of the significant pharmacokinetics variability in the different nervous blocks. The second study deals with the population PK of lidocaine administrated in tumescent local anaesthetic. It is the first description of lidocaine PK is performed in this indication. The lidocaine concentrations remain low during the whole time of the operation. The modelling approach has allowed to highlight the slow systemic absorption process of lidocaine after injection of a tumescent solution. The third study focuses on the PK of ropivacaine administrated via continuous wound infusion in 10 women. It is the first time that the PK of ropivacaine administered using wound infusion is described. The modelling approach shows that systemic absorption of ropivacaine delayed and the maximal serum concentration is reached 2 hours after the end of ropivacaine infusion. These studies explored the PK properties of LA used as an anaesthetic or analgesic drug. The objective of this work is to contribute to a better knowledge of therapeutics and a better handling of patients.

La résistance bactérienne est une menace mondiale clairement établie. Les chercheurs se rassemblent afin de trouver de nouvelles solutions et des alternatives aux antibiotiques. Une des causes principales de cette menace est l’utilisation massive des antibiotiques. Il faut cesser d’avoir un recours déraisonné à leur usage. Au sein d’une population vieillissante, ce sont les personnes les plus vulnérables qui en payent le prix. Nous avons utilisé les outils de modélisation pour mieux comprendre les causes engendrant ce fléau. L'objectif de ce travail est de construire des modèles pharmacocinétique de population chez la personne âgée pour la vancomycine et la teicoplanine. À partir des modèles validés en amont ou bien issus de la littérature, des simulations ont été respectivement réalisées pour les glycopeptides et la ciprofloxacine dans le cas d’infections à Staphylococcus aureus résistant à la méthicilline et à Pseudomonas aeruginosa. Elles ont permis de mettre en évidence que lorsque la concentration minimale inhibitrice (CMI) de la bactérie incriminée était proche de la valeur critique de sensibilité, les doses à administrer pour être efficace doivent être augmentées par rapport aux recommandations actuelles. Quant à la prévention de l’émergence de la résistance bactérienne, dans le cas de la ciprofloxacine et de la teicoplanine, les doses à administrer sont telles que la toxicité est inévitable. Les analyses faites aux moyens des simulations de Monte Carlo sur les antibiotiques étudiés ont permis de mieux comprendre les déterminants de la minimisation de l’émergence de la résistance bactérienne à savoir obtenir dans les plus brefs délais la CMI exacte de la bactérie en cause ainsi qu’une estimation des paramètres individuels du patient / Bacterial resistance is a clearly established global threat. Researchers are coming together to find new solutions and alternatives to antibiotics. One of the main causes is the massive use of antibiotics. The unreasonable recourse of their use must be stopped. The population is aging, so it is the most vulnerable people who pay the price. We have used modeling tools to better understand the causes of this scourge. The goal of this work is to construct population pharmacokinetic models in the elderly for vancomycin and teicoplanin. From models validated upstream or from the literature, simulations have been performed for glycopeptides and ciprofloxacin for methicillin-resistant Staphylococcus aureus and Pseudomonas aeruginosa infections, respectively. They showed that when the minimal inhibitory concentration (MIC) of the incriminated bacterium was close to the critical value of sensitivity, the doses to be administered in order to be effective have to be increased compared to current recommendations. As for the prevention of the emergence of bacterial resistance, in the case of ciprofloxacin and teicoplanin, the doses to be administered are so high that toxicity is unavoidable. Analyses using Monte Carlo simulations on the antibiotics studied provided a better understanding of the determinants of minimizing the emergence of bacterial resistance to obtain as quickly as possible the exact MIC of the bacteria and an estimation of individual patient parameters

Parmi les stratégies d'amélioration des traitements des infections bactériennes chroniques, visant à accroître l'activité bactéricide ou à limiter la sélection de résistances, le développement de combinaisons d'antibiotiques existants constitue une stratégie prometteuse. L'objectif de cette thèse était d'évaluer l'efficacité d'une combinaison d'antibiotiques sur un biofilm bactérien dans un système in vitro dynamique qui permet de simuler les concentrations d'antibiotiques observées chez les patients traités. Nous avons montré que pour des infections complexes dues à de fortes charges bactériennes ou à la présence d'un biofilm, les études dans le système in vitro dynamique menées sur plusieurs jours apportaient plus d'informations sur l'efficacité d'une combinaison d'antibiotiques que des techniques standardisées menées avec des concentrations d'antibiotiques stables au cours du temps. Nous avons aussi montré que sur un biofilm, même si certaines associations n'ont pas d'impact sur la biomasse du biofilm elles permettent en revanche de maintenir des populations moins sensibles aux antibiotiques à des seuils relativement bas, alors que les mêmes antibiotiques utilisés seuls favorisent l'émergence de résistances au cours du traitement. Enfin, des essais préliminaires pour mimer des infections comme les mammites bovines ou les cystites ont montré que ce système pouvait être plus largement utilisé pour l'optimisation des schémas thérapeutiques en médecine humaine et en médecine vétérinaire. / Among strategies to improve the treatment of chronic bacterial infections by increasing the bactericidal activity or by limiting the selection of resistance, the development of combinations of existing drugs is a promising strategy. The aim of this thesis was to evaluate the efficacy of a combination of antibiotics on a bacterial biofilm in a dynamic in vitro system which allows to simulate the concentrations observed in patients. We have shown that for complicated infections due to large bacterial loads or to biofilms, in vitro dynamic studies over several days provided more information on the efficacy of a combination of antibiotics than classical methods conducted with constant antibiotic concentrations over time. We have also shown that on a biofilm, even if associations do not have an impact on the overall size of the biofilm, they maintain less-susceptible populations at relatively low levels, whereas the same antibiotics promote the emergence of resistance during treatment when used alone. Finally, preliminary trials to mimic infections such as bovine mastitis or cystitis have shown that this system could be more widely used for the optimization of dosage regimens in human medicine and veterinary medicine.