Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Introduction. Les corticoïdes sont supposés avoir des effets bénéfiques à faibles doses chez les patients en choc septique réfractaire. Ces effets ont été retrouvés dans plusieurs études utilisant l’hydrocortisone. Mais des données similaires n’existent cependant pas pour la fludrocortisone. Pourtant, l’hypothèse est que ces effets seraient liés en partie à l’action minéralocorticoïde. Or, la fludrocortisone est considérée comme un puissant minéralocorticoïde. Avant une éventuelle évaluation de la fludrocortisone chez les patients en choc septique, il est nécessaire dans un premier temps d’étudier sa pharmacocinétique (PK) et sa relation pharmacocinétique-pharmacodynamique (PK-PD) afin de mieux cerner ses effets et de sélectionner sa posologie efficace. Méthodes. Pour répondre aux objectifs, plusieurs travaux ont été réalisés. La modélisation en pharmacométrie par approche de population a été utilisée dans ces travaux pour caractériser la PK et la relation PK-PD de la fludrocortisone chez des volontaires sains après administration unique et répétée et la PK chez les patients en choc septique. Résultats. Chez les volontaires sains en administration unique seule ou en association avec l’hydrocortisone, la fludrocortisone a montré une demi-vie courte et proche de celle de l’hydrocortisone. Par ailleurs, la fludrocortisone présentait une puissance de l’effet minéralocorticoïde environ 200 fois plus importante que celle de l’hydrocortisone. Les simulations ont montré que la fludrocortisone nécessiterait d’être administrée à raison de quatre fois par jour. Chez les patients en choc septique, l’absorption de la fludrocortisone était très variable (7/21 des patients n’absorbaient pas la molécule) ce qui suggérait la nécessité de mettre au point une forme administrable par voie intraveineuse. A nouveau chez les volontaires sains mais en administration répétée pendant plusieurs jours, la fludrocortisone a montré une demi-vie et des paramètres pharmacocinétiques semblables à ceux retrouvés lors de la première étude et sur le plan pharmacodynamique, des effets hémodynamiques favorables (sur la réactivité vasculaire, la pression artérielle…) montrés pour la première fois avec cette molécule. Conclusion. La fludrocortisone a montré qu’elle pouvait induire les effets biologiques et hémodynamiques recherchés. Les effets hémodynamiques sur la réactivité vasculaire et la pression artérielle ont été observés après une imprégnation de 5 jours d’administration répétée de la fludrocortisone notamment avec la dose de 400 µg/jour. Une évaluation de l’efficacité de la fludrocortisone chez les patients en choc septique et maintenant envisageable et nécessaire pour confirmer les résultats obtenus. / Introduction. Low doses of corticosteroids showed beneficial effects in septic shock patients. These favorable effects may be partly result from the stimulation of the mineralocorticoid receptors. This finding has led us to explore the pharmacokinetic and the effects on hemodynamic and biologic parameters of fludrocortisone which is a potent mineralocorticoid. Methods. In this work, a population approach modeling (nonlinear mixed effects modeling) was used to characterize the pharmacokinetic and the pharmacokinetic-pharmacodynamic relationship of fludrocortisone in healthy volunteers and the pharmacokinetic in septic shock patients. Results. In healthy volunteers after single oral administration alone or in combination with hydrocortisone, fludrocortisone 50 µg showed a short and similar plasma elimination half-life that intravenous hydrocortisone. Fludrocortisone plasma concentrations and effect on urinary sodium/potassium ratio had a higher inter-individual variability as compared to hydrocortisone. Simulations suggested that the administration regimen of fludrocortisone should be reconsidered. In septic shock patient, a single oral dose of fludrocortisone at 50 µg yielded detectable plasma drug concentrations in two-thirds of adults with septic shock. Fludrocortisone pharmacokinetics showed a short plasma elimination half-life and a large inter-individual variability. These results suggested that an intravenous formulation of fludrocortisone would be useful to reduce its pharmacokinetic variability in septic patients. In healthy volunteers again, after 5 days of repeated oral administration, fludrocortisone improved pressor response to phenylephrine. This effect was observed only at the dose of 400 µg/day, suggesting that fludrocortisone at higher doses than previously administered (50 µg/day) may be useful to be effective. Furthermore, we showed that fludrocortisone had a short plasma half-live (1.94 h) which is consistent with our previously published study. After 5 day of repeated administration, fludrocortisone significantly increased blood pressure. This effect was more marked at the dose of 400 µg/day. Conclusion. Our results argue in favor of potential beneficial effects that fludrocortisone could have in septic shock patients. An evaluation of the effectiveness of fludrocortisone in these patients is now possible and necessary to confirm our results.

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

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

L'émergence de la résistance des cellules tumorales, bactéries et parasites aux médicaments peut être prévenue par l'utilisation d'association médicamenteuse. L'objectif de ce travail est de décrire de manière formelle avec des modèles mathématiques, les phénomènes de résistance rencontrés en oncologie, infectiologie et parasitologie. Plusieurs modèles ont été développés à partir des données cliniques de patients atteints de cancer colorectaux, de patients infectés par le Plasmodium falciparum, ou à partir de données expérimentales obtenues à partir d'un système in vitro PK/PD. Les différents paramètres de ces modèles ont été estimés en utilisant une approche individuelle avec MATLAB® et/ou une approche de population avec NONMEM®. En oncologie, on montre que le « mixture » modèle développé est apte à décrire les cinétiques de 5FU et de son métabolite. Néanmoins ce modèle ne peut pas être utilisé en prospectif en utilisant l'approche Bayesienne, pour adapter les chimiothérapies à base de 5FU. En infectiologie un modèle PK/PD complet et unique a été développé pour décrire la dynamique des sous-populations bactériennes et l'émergence de la résistance. Le modèle permet de caractériser de manière réaliste l'interaction antibiotique-bactérie en comparaison à un modèle de référence. En parasitologie, un outil simple a été développé, en complément des méthodes génotypiques, pour identifier les infections polyclonales, support de la résistance. La flexibilité des modèles développés peut aider à concevoir des protocoles d'administration de médicaments optimisés et aider au choix des combinaisons thérapeutiques les plus efficaces pour freiner l'émergence de la résistance. / The emergence of drug-resistant, tumor cell, bacteria and parasite could be prevented with drug combination therapy. The aim of this work is to describe drug resistance with developed mathematical models, in oncology, infectiology and parasitology. Several models were developed based on clinical data from colorectal cancer patients, Plasmodium falciparum infected patients, or from experimental data provided by an in vitro PK/PD system. Model parameters were estimated using an individual approach with MATLAB® and/or a population approach with NONMEM®. In oncology, a "mixture"model was developed to describe 5FU and its metabolite kinetics. However this model couldn't be used in a prospective Bayesian approach for 5FU based chemotherapy. In infectiology, a complete and a unique PK/PD model was developed to characterize bacterial sub-population dynamics and resistance emergence. The model provides a more realistic description of the inter-relation between antibiotic effect and the targeted bacteria compared to a reference model. In parasitology a simple tool was developed, in addition to genotyping techniques, to detect polyclonal infection. Flexibility of the model developed could help to design drug optimized protocol or in the choice of the most effective combination therapy to slow down resistance emergence.

La mambaquarétine-1 (MQ-1), une toxine du mamba vert, est le tout premier peptide Kunitz à bloquer sélectivement l’activité du récepteur de type 2 à la vasopressine (V2R). Celui-ci contrôle la concentration finale des urines dans le rein. Impliqué dans plusieurs pathologies, son inhibition est actuellement considérée comme la meilleure stratégie thérapeutique dans le traitement de la polykystose rénale, une maladie génétique héréditaire. L’étude pharmacodynamique de MQ-1 sur des rats sains a confirmé son activité in vivo qui se traduit par un effet aquarétique dépendant de la dose. L’effet maximum est atteint 2 heures après injection intrapéritonéale et disparait avec un temps de demi-vie biologique variant de 1 à 4 heures selon la dose. L’administration quotidienne d’une faible dose a montré une accumulation de l’effet les trois premiers jours, avant un plateau, suggérant une activité résiduelle au-delà de 24 heures. Le criblage des trois autres venins de mambas ainsi qu’une analyse comparée des séquences peptidiques les plus proches dans les bases de données ont révélé l’existence d’un groupe phylogénétique de onze toxines Kunitz antagonistes de V2R. Une approche innovante, combinant tests de liaison de variants de MQ-1 et modélisation du complexe MQ-1-V2R, a permis de décrypter une partie du pharmacophore de la toxine. Les deux partenaires partagent une importante complémentarité ionique impliquant plusieurs boucles extracellulaires du récepteur, et une région hydrophobe de MQ-1 interagit au cœur de V2R à proximité de son site orthostérique supposé. Enfin, une première collaboration avec une industrie pharmaceutique a mis en évidence les points critiques à approfondir pour aboutir au développement thérapeutique de MQ-1. / Mambaquaretin-1 (MQ-1), a green mamba toxin, is the very first Kunitz peptide to selectively hinder the vasopressin type 2 receptor (V2R) activation. This receptor controls the final concentration of urine in kidneys. Involved in a number of pathologies, its inhibition is currently considered as the best therapeutic strategy in the treatment of polycystic kidney disease, a hereditary genetic disease. Pharmacodynamic study of MQ-1 carried out on healthy rats confirmed its in vivo activity which consists in inducing a dose-dependent aquaretic effect. Maximum effect is reached 2 hours after an intraperitoneal injection and disappears in a biological half-life ranging from 1 to 4 hours according to the dose. The daily injection of small quantities pointed to a cumulative effect over the first three days, leading to a plateau, which suggests a residual activity exceeding 24 hours. The screening of the three other mamba venoms along with a comparative analysis of the closest peptide sequences reported in databases revealed the existence of a phylogenetic group of eleven V2R antagonist Kunitz toxins. An innovative approach combining binding assays on MQ-1 variants and the modelling of the MQ-1-V2R complex has led to a partial deciphering of the pharmacophore of the toxin. The two partners share a significant ionic complementarity involving a number of extracellular loops of the receptor, and a hydrophobic region of MQ-1 interacts within V2R in the vicinity of its supposed orthosteric site. Lastly, a collaboration initiated with a pharmaceutical company brought out the need for the closer scrutiny of some crucial points to succeed in a therapeutic development of MQ-1.

L'augmentation des résistances aux antibiotiques ces dernières années et le faible nombre de nouveaux antibiotiques récemment approuvés ont suscité un intérêt considérable pour les associations médicamenteuses. Parmi celles-ci, les associations β-lactamine-inhibiteur de β-lactamases, comme l’aztréonam-avibactam (ATM-AVI), visent à surmonter la résistance due à la production de β-lactamases, l'un des principaux mécanismes de résistance chez les bactéries à Gram négatif. Cependant, les interactions PD entre molécules associées peuvent être complexes. Afin de mieux comprendre la PK/PD de l’ATM-AVI, deux problématiques ont été abordées dans cette thèse :i. La PK de l’ATM-AVI au site infectieux. Une étude de microdialyse réalisée chez le rat avec ou sans péritonite a montré que la distribution de l’ATM-AVI dans le liquide péritonéal était rapide et que les concentrations au site infectieux pourraient être prédites à partir des concentrations sanguines.ii. L’interaction PD entre ATM et AVI. Des études de checkerboard analysées avec un modèle Emax ont permis de caractériser l’effet de l’AVI sur la CMI de l’ATM en termes d’efficacité et de puissance en présence de souches multi-résistantes. Pour compléter ces résultats, un modèle PK/PD a été développé à partir de données in vitro afin d’évaluer l’évolution de l’effet combiné de l’ATM-AVI au cours du temps et d’étudier la contribution individuelle de chacun des effets de l’AVI à l’activité combinée. Selon les résultats de cette modélisation, l’activité bactéricide de l’association serait principalement expliquée par l’effet potentialisateur de l’AVI et ce malgré sa capacité à prévenir la dégradation de l’ATM de manière efficace. / The rapid increase in antibiotic resistance during the last decades and the few numbers of recently approved new antibiotics lead to a significant interest to drug combinations. Among these combinations, the β-lactam-β-lactamase inhibitor combination, such as aztreonam-avibactam (ATM-AVI), is one strategy that aims to overcome the resistance due to β-lactamases production, one of the most relevant mechanisms of resistance in Gram-negative bacteria. However, drug interactions can be complex. To better understand the PK/PD of ATM-AVI, two issues have been addressed in this thesis: i. ATM-AVI PK at the infection site. A microdialysis study performed in rats with or without peritonitis showed that ATM and AVI distribution in intraperitoneal fluid was rapid and that concentrations at the target site could be predicted from blood concentrations.ii. PD interaction between ATM and AVI. Checkerboard experiments analyzed with an Emax model have been used to characterize AVI effect on ATM MIC in terms of efficacy and potency in the presence of various multi-drug resistant strains. A PK/PD model was developed based on in vitro data to describe the time-course of ATM-AVI combined effect and to investigate the individual contribution of each of the AVI effects to the combined activity. According to the modeling results, the combined bactericidal activity was mainly explained by AVI enhancing effect, even though AVI demonstrated high efficiency to prevent ATM hydrolysis.

Afin d'analyser les données in vitro de l'effet de l'erlotinib sur la croissance des cellules A431 suivie par impédance-métrie, nous avons développé un modèle pharmacocinétique - pharmacodynamique non linéaire décrivant simultanément la diminution de la concentration d'erlotinib et son effet sur la croissance cellulaire au cours du temps. La non-linéarité du modèle imposant le recours à des méthodes itératives pour l'estimation des paramètres, plusieurs étapes de la procédure d'identification du modèle ont été étudiées et des solutions proposées, avec des exemples d'application à des molécules utilisées en oncologie:Choix du critère d'optimisation à employer - supériorité de la relation fonctionnelle de la moyenne géométrique pour l'identification de modèles non linéaires. Application données réelles: courbe de calibration d'une expérience de dosage ELISA du bevacizumab. Choix de l'algorithme d'optimisation le plus approprié au problème d'identification du processus pharmacocinétique. Les algorithmes dérivatifs sont les plus performants. Application données réelles: estimation simultanée des paramètres du modèle pharmacocinétique du 5-fluorouracile et de son métabolite principal.Transformation de la forme différentielle initiale du modèle en temps continu vers un modèle récursif en temps discret. Par ce moyen le modèle devient linéaire en ses paramètres, ce qui permet d'estimer directement les paramètres sans utiliser d'algorithme d'optimisation. Il devient également possible de suivre les variations des paramètres au cours du temps. Application données réelles: pharmacocinétique de la fotemustine, de la mitoxantrone et du 5-fluorouracile. / A nonlinear pharmacokinetic-pharmacodynamic model has been devised do simultaneously describe the loss of erlotinib and its effect on the cell growth over time, in order to analyze impedance-based data of erlotinib effect on A431 cells growth in vitro over time. The model non-linearity requiring the use of iterative methods for parameter estimation, several steps of the model identification were studied, and solutions proposed, with application examples to cancer drugs :Choice of the optimization criterion - superiotity of the geometric mean functionnal relationship for non-linear model identification. Real data application : calibration curve of a bevacizumab ELISA quantification experiment.Choice of the most appropriate algorithm for the pharmacokinetic process identification problem. The derivative algorithms perform better. Real data application : simultaneous identification of the 5-fluorouracil and of its main metabolite pharmacokinetic system.Transform of the differential initial continuous-time model in a recursive discrete time model. The transformed model becomes linear with respect to its parameters, allowing straightforward parameter estimation without using any optimization algorithm. It is then also possible to track the parameter variations over time. Real data application : pharmacokinetic model parameter estimation of fotemustine, mitoxantrone and 5-fluorouracil.

Le traitement par éfavirenz, un médicament antirétroviral, a été associé avec des changements de profil lipidique potentiellement défavorables. Ce travail a abordé la question de savoir si ces effets dépendent des concentrations plasmatiques d’éfavirenz et, dans ce cas, si sa posologie pourrait être optimisée sans perte d'efficacité.Un modèle de pharmacocinétique de population a été développé à partir de données d’enfants infectés par le VIH. La simulation d’une population normalisée sous éfavirenz aux posologies recommandées montre que 15 % des enfants auraient des concentrations insuffisantes 12 heures après la prise, ce qui serait associé à un risque de la réplication virale de 23 %.Pour décrire la relation entre taux plasmatiques d'éfavirenz et changements de taux de cholestérol, des modèles de pharmacocinétique-pharmacodynamique (PK-PD) de réponse indirecte ont été développés. Le modèle sélectionné prédit que les taux d’éfavirenz individuels sont associés à une augmentation des lipoprotéines de haute densité sur 5 ans, et des lipoprotéines de basse densité durant 4 mois avec un retour progressif aux valeurs de base.Pour évaluer l’impact des concentrations d'éfavirenz sur l'efficacité, un modèle dynamique PK-PD a décrit la relation entre ces concentrations et l’évolution de la charge virale VIH et du taux de CD4. Un score d’efficacité a été développé sur la base d’hypothèses pharmacodynamiques pour prédire le risque de la réplication virale.L’utilisation de l’éfavirenz aux posologiques recommandées par la Food and Drug Administration aux Etats-Unis semble assurer une efficacité optimale et des changements potentiellement favorables dans les fractions de cholestérol. / As other antiretroviral drugs, treatment with efavirenz has been associated with potentially unfavorable lipid profile changes in adults and in children. The thesis addressed the question of whether these changes depend on efavirenz plasma concentrations and if dose adjustments could be envisioned without loss of efficacy.To estimate individual efavirenz exposure over 24 hours, a population pharmacokinetic model was developed using data from HIV infected children. Simulations for a normalized population receiving efavirenz dosed according recommendations predicted that 15% of children would have insufficient mid dose concentrations, associated with a 23% risk of viral replication.To describe the relationship between efavirenz concentrations and cholesterol changes, population pharmacokinetic-pharmacodynamic (PK-PD) indirect response models were developed. The selected model predicted that individual efavirenz concentrations were associated with an increase in high-density lipoprotein concentrations over 5 years but with an increase in low-density lipoprotein concentrations only during the first 4 months of treatment followed by a gradual return to baseline.To study the importance of efavirenz concentrations with regard to efficacy, a PK-PD dynamics model was developed to describe the relationship between concentrations and HIV RNA load and CD4 cell count evolutions. A score was defined based on a pharmacodynamic hypothesis to predict the risk of viral replication.Using US Food and Drug Administration dosing recommendations in children ensure optimal efficacy and potentially favorable changes in cholesterol fractions.