For prevention and treatment of thrombotic diseases with an anticoagulant drug it is important that an adequate dose is given to avoid occurrence or recurrence of thrombosis, without increasing the risk of bleeding and other adverse events to unacceptable levels. The aim of this thesis was to develop mathematical models that describe the dose-concentration (pharmacokinetic) and concentration-response (pharmacodynamic) relationships of direct thrombin inhibitors, in order to estimate optimal dosages for treatment and long-term secondary prevention of venous thromboembolism (VTE). Population pharmacokinetic-pharmacodynamic models were developed, based on data from clinical investigations in healthy volunteers and patients receiving intravenous inogatran, subcutaneous melagatran and/or its oral prodrug ximelagatran. The benefit-risk profiles of different ximelagatran dosages were estimated using clinical utility functions. These functions were based on the probabilities and fatal consequences of thrombosis, bleeding and elevation of the hepatic enzyme alanine aminotransferase (ALAT). The studies demonstrate that the pharmacokinetics of melagatran and ximelagatran were predictable and well correlated to renal function. The coagulation marker, activated partial thromboplastin time (APTT), increased non-linearly with increasing thrombin inhibitor plasma concentration. Overall, the systemic melagatran exposure (AUC) and APTT were similarly predictive of thrombosis and bleedings. The identified relationship between the risk of ALAT-elevation and melagatran AUC suggests that the incidence approaches a maximum at high exposures. The estimated clinical utility was favourable compared to placebo in the overall study population and in special subgroups of patients following fixed dosing of ximelagatran for long-term secondary prevention of VTE. Individualized dosing was predicted to add limited clinical benefit in this indication. The models developed can be used to support the studied dosage and for selection of alternative dosing strategies that may improve the clinical outcome of ximelagatran treatment. In addition, the models may be extrapolated to aid the dose selection in clinical trials with other direct thrombin inhibitors.

A central aim in drug development is to ensure that the new drug is efficacious and safe in the intended patient population. Mathematical models describing the pharmacokinetic-pharmacodynamic (PK-PD) properties of a drug are valuable to increase the knowledge about drug effects and disease and can be used to inform decisions. The aim of this thesis was to develop mechanism-based PK-PD-disease models for important safety and efficacy biomarkers used in anti-diabetic drug development. Population PK, PK-PD and disease models were developed, based on data from clinical studies in subjects with varying degrees of renal function, non-diabetic subjects with insulin resistance and patients with type 2 diabetes mellitus (T2DM), receiving a peroxisome proliferator-activated receptor (PPAR) α/γ agonist, tesaglitazar. The PK model showed that a decreased renal elimination of the metabolite in renally impaired subjects leads to increased levels of metabolite undergoing interconversion and subsequent accumulation of tesaglitazar. Tesaglitazar negatively affects the glomerular filtration rate (GFR), and since renal function affects tesaglitazar exposure, a PK-PD model was developed to simultaneously describe this interrelationship. The model and data showed that all patients had decreases in GFR, which were reversible when discontinuing treatment. The PK-PD model described the interplay between fasting plasma glucose (FPG), glycosylated haemoglobin (HbA1c) and haemoglobin in T2DM patients. It provided a mechanistically plausible description of the release and aging of red blood cells (RBC), and the glucose dependent glycosylation of RBC to HbA1c. The PK-PD model for FPG and fasting insulin, incorporating components for β-cell mass, insulin sensitivity and impact of disease and drug treatment, realistically described the complex glucose homeostasis in the heterogeneous patient population. The mechanism-based PK, PK-PD and disease models increase the understanding about T2DM and important biomarkers, and can be used to improve decision making in the development of future anti-diabetic drugs.

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

The kidneys have a significant role in drug elimination through both metabolic and excretory routes. Despite a recent paradigm shift towards systems pharmacology approaches, prediction of renal drug disposition using 'bottom-up' and mechanistic modelling approaches remains underdeveloped. Lack of 'gold-standard' in vitro assays and corresponding in vitro-in vivo extrapolation (IVIVE) approaches for prediction of renal metabolic (CLR,met) and excretory (CLR) clearances contribute to this. A comprehensive literature analysis of quantitative physiological data to inform renal IVIVE scaling factors and systems parameters relevant for physiologically based pharmacokinetic (PBPK) kidney models was initially performed to identify existing knowledge gaps. Following this, microsomal protein content in dog kidney cortex (MPPGK) and liver (MPPGL) were measured in 17 samples from the same animal. Mean dog MPPGK (44.0 mg/ g kidney) and MPPGL (63.6 mg/ g liver) obtained using glucose-6-phosphatase activity as the microsomal protein marker where systematically higher than when CYP content was used as the marker (33.9 mg/ g kidney and 41.1 mg/ g liver respectively). Dog MPPGK was lower than MPPGL, with no direct correlation between the organs. In addition to dog, MPPGK and cytosolic protein per gram kidney (CPPGK) were obtained from 31 human samples, which represent the largest dataset currently available. Mean human MPPGK (25.7 mg/ g kidney) and CPPGK (52.7 mg/ g kidney), were measured using glucose-6-phosphatase and glutathione-S-transferase activities as recovery markers, respectively. Activity of prepared kidney microsomes was assessed using mycophenolic acid glucuronidation as a marker. Novel scaling factor of 25.7 mg/ g kidney was applied for IVIVE of mycophenolic acid microsomal glucuronidation data, resulting in a 2-fold increase in scaled intrinsic clearance compared with data scaled by the commonly used literature MPPGK value (12.8 mg/ g kidney). In addition to the microsomal scaling factor, several elements of a modified stereology method were developed for quantifying human proximal tubule cellularity. The methods included implementation of a systematic uniform random sampling protocol and investigation of tinctorial and immunohistochemistry based staining approaches that could be used identify and count proximal tubule cells in histology sections. A range of mechanistic models for prediction of CLR via either tubular reabsorption or active secretion were developed. A novel 5-compartment model for prediction of tubular reabsorption and CLR from Caco-2 apparent permeability data was developed. This model accounted for relevant physiological complexities of the kidney, such as regional differences in tubular filtrate flow rates and tubular surface area, including consideration of the impact of microvilli. The model predicted the CLR of 45 drugs with overall good accuracy (geometric mean fold error of 1.96), although a systematic under-prediction was noted for basic drugs. The novel 5-compartment model represents an important addition to the IVIVE toolbox for physiologically-based prediction of renal tubular reabsorption and CLR and can be implemented in the more complex mechanistic kidney models, as shown in the case of prediction of urine flow dependent CLR of theophylline and caffeine. Final part of the Thesis focused on the refinement of digoxin PBPK kidney model and its ability to predict effect of aging and renal impairment on digoxin CLR. The analysis has identified that reducing either the proximal tubule cellularity or OATP4C1 abundance parameters in the mechanistic model recovers well observed reduced tubular secretion and CLR of digoxin in renal impairment populations whereas no effect of modification of P-gp abundance was observed. Conversely, reducing the proximal tubule cellularity, OATP4C1 abundance or P-gp abundance parameters in the model resulted in negligible change, decreased or increased accumulation of digoxin in proximal tubule cells, respectively. In conclusion, the current study provides to date the most comprehensive kidney microsomal and cytosolic metabolic scaling factors, together with revised database on renal physiological data necessary for quantitative prediction of renal drug disposition. Mechanistic modelling work shown here has highlighted a need for physiological data from different population groups to inform kidney model parameters, in order to improve the scope and utility of such models within the systems pharmacology paradigm.

Objetivos: Sistemas nanoparticulados são úteis para modular a farmacocinética de substâncias. Nesse contexto, os objetivos deste trabalho foram o desenvolvimento de um sistema nanovesicular (NV) inovador auto-organizado de quitosana e lecitina, contendo miristato de isopropila (IPM) como núcleo oleoso capaz de alterar a farmacocinética da clozapina (CZP) e do ácido valpróico (VPA). Métodos: NV foram preparadas através da mistura, utilizando Ultraturrax, de uma solução etanólica contendo Lipoid S45® e IPM em uma solução aquosa de quitosana. As concentrações de quitosana (4 ou 8 mg/ml), IPM (10 e 20 mg/mL), Lipoid S45® (4 e 8 mg/ml) foram otimizadas através de um fatorial 23 que avaliou o diâmetro, potencial zeta, pH, viscosidade e análises de retroespalhamento de luz (BS) como respostas. Às nanovesículas do sistema otimizado pela análise fatorial foi incluído a CZP. A caracterização físico-química dessa formulação (NV-CZP) foi conduzida avaliandose os mesmos parâmetros citados acima. A farmacocinética dessa formulação foi avaliada em ratos Wistar pela via i.v (5 mg/kg, CZP livre) e oral (10 mg/kg, CZP livre e NV-CZP). Para a quantificação da CZP nas amostras de plasma obtidas em tempos pré-determinados após adminsitração das formulações um método analítico por CL-EM/EM foi desenvolvido e validado. O VPA também foi encapsulado nessas nanovesículas, nesse caso em substituição ao IPM, formando NV-VPA que foram caracterizadas físico-quimicamente. Os perfis cinéticos dessa formulação foram avaliados para os seguintes grupos de animais: VPA, ratos anestesiados (G1, 4 mg/kg) e não-anestesiados (G2, 4 mg/kg), VPA-NV (G3, 2 mg/kg), oral 4 mg/kg VPA (G4) e VPA-NV (G5), além da administração intra-traqueal (i.t.) de 4 mg/kg (VPA, G6 e VPA-NV, G7). Avaliação não-compartimental e compartimental dos perfis individuais de concentração plasmática da CZP e VPA foi realizada utilizando Excel® 2003 e Scientist® 2.0, respectivamente. Resultados: Os diâmetros das partículas no planejamento fatorial variaram de 0.348 a 1.5 μm. O diâmetro foi dependente da proporção de quitosana, IPM e lecitina utilizados nas formulações O potencial zeta positivo (+41.3 a +50 mV) foi influenciado principalmente pela concentração de quitosana. O pH de todas as formulações foi ácido. Os valores de viscosidade sofreram influência das concentrações de quitosana e IPM. A formulação otimizada (quitosana 4 mg/mL; IPM 10 mg/mL e Lipoid S45® 8 mg/mL) foi escolhida para encapsular a CZP. As nanovesículas de CZP (CZP-NV 1 mg/mL) e NV brancas apresentaram, respectivamente, tamanhos médios de 181 ± 3 nm e 470 ± 2 nm, pH ácido, potencial zeta positivo, índice de polidispersão abaixo de 0.3 e doseamento da CZP próximo a 100%. Após a encapsulação da CZP em NV, a biodisponibilidade oral foi 24%, duas vezes superior a biodisponibilidade da CZP livre (9%). Aumento na meia-vida foi observado para a CZP-NV (4.32 ± 1.33 h) em relação à CZP livre (2.28 ± 0.69 h), devido a uma diminuição da depuração plasmática. No estudo com VPA, o tamanho médio, potencial zeta e pH para VPA-NV (5 mg/mL) e NV brancas foram 333 ± 1.5 nm e 131 ±1 nm; 25.6 ± 0.8 mV e +13.4 ± 1.7 mV; 2.69 ± 0.02 e 2.71 ± 0.08, respectivamente. Os perfis plasmáticos dos grupos G1, G2, G3 declinaram de forma bi-exponencial. A depuração plasmática e o volume de distribuição no steady-state do G5 diminuíram significativamente e na mesma proporção em relação ao G4. A meia-vida não se alterou para o G4 e G5. O pico de concentração plasmática (Cmax) foi significativamente maior para G7 do que para G6 e o tempo para alcançar o pico (tmax) foi menor para o G6. A depuração plasmática e o volume de distribuição no steady-state do G7 diminuíram significativamente e na mesma proporção em relação ao grupo G6, não implicando em alteração na meia-vida do fármaco. Conclusões: Neste trabalho, um novo nanossistema vesicular foi desenvolvido e biologicamente avaliado. As nanovesículas mostraram-se úteis para melhor os parâmetros farmacocinéticos do VPA e da CZP, principalmente a biodisponibilidade oral, sendo promissoras para diferentes aplicações biológicas e tecnológicas. / Objectives: Nanoparticles (NP) are useful to modulate the pharmacokinetics (PK) of drugs. The aim of this study was to develop innovative self-assembly nanovesicles (NV) constituted of chitosan and lecithin with isopropyl myristate (IPM) as oil core, able to modify the PK plasma profile of clozapine (CZP) and valproic acid (VPA). Methods: The NV were obtained by injecting 4 mL of an ethanolic phase containing Lipoid S45® and IPM into 46 ml of a chitosan aqueous solution followed by Ultraturrax homogenization. The concentrations of chitosan (4 and 8 mg/mL), IPM (10 e 20 mg/mL) and Lipoid S45® (4 and 8 mg/mL) were optimized using a 23 factorial design. The responses evaluated were particle size, zeta potential, pH, viscosity and backscattering (BS) analysis. The optimized formulation (F2) was choosed to encapsulate CZP. The PK in rats was evaluated after i.v. (5 mg/kg, free CZP) and oral (10 mg/kg, free and NV-CZP) administration. A LC-MS/MS method was developed and validated for CZP quantification in rat plasma. VPA was also incorporate into the NV in this case replacing IPM by the drug. The NV-VPA physicochemical characterization and plasma PK was evaluated. The groups for PK investigation were: VPA unconscious rat (G1, 4 mg/kg) and conscious rat (G2, 4 mg/kg), VPA-NV (G3, 2 mg/kg), oral 4 mg/kg dosing of VPA (G4) and VPA-NV (G5) and intratracheal (i.t.) 4 mg/kg VPA (G6) and VPA-NV (G7) administration. Noncompartmental and compartmental analyses were performed using Excel® 2003 and Scientist® 2.0, respectively. Results: The particle size ranged 0.348 to 1.5 μm. This response was dependent on the proportion of chitosan, IPM, and Lipoid S45® used. The analysis of laser diffractometry showed only one particle size population for all formulations, mainly below 1 μm. The zeta potential was strongly positive (+41.3 to +50 mV) and it was influenced by chitosan, mainly. The formulations pH was acid. The viscosity was dependent on chitosan and IPM concentration. The F2 (chitosan 4 mg/mL; IPM 10 mg/mL and Lipoid S45® 8 mg/mL) was choosed to incorporate CZP. The CZP-NV (1 mg/mL) and blank-NV (unloaded) presented mean particle sizes of 181 ± 3 nm and 470 ± 2 nm, respectively, acid pH, positive zeta potentials, PDI below 0.3 and drug content close to 100%. CZP oral bioavailability after encapsulation into NV was 24%, twice the oral value observed for CZP in solution (9%). An increase in half-life was observed for CZP-NV (4.32 ± 1.33 h) in relation to free CZP (2.28 ± 0.68 h), due to the decrease in total clearance (a = 0.05). In the study with VPA, the mean diameter, zeta potential and pH of VPA-NV (5 mg/mL) and blank-NV were 333 ±1.5 nm and 131 ±1 nm; 25.6 ± 0.8 mV and +13.4 ± 1.7 mV; 2.69 ± 0.02 and 2.71 ± 0.08, respectively. The plasma profiles of G1, G2, and G3 declined in a bi-exponential fashion. G5 total clearance and volume of distribution at steady state were significantly decreased in relation to G4 (a = 0.05) and the half-life was not altered. The peak plasma concentration (Cmax) was significantly higher in the G7 group than G6, and the peak time (tmax) took place earlier after administration of G6. G7 clearance and volume of distribution at steady state were both significantly decreased in the same proportion in relation to G6 (a = 0.05), not altering the halflife. Conclusions: In this work a new nanovesicular system was developed and biologically evaluated. The system showed to be useful to improve VPA and CZP pharmacokinetics. The nanovesicles have potential for application for different biological and technological uses.

Introdução: estudos de farmacocinética/farmacodinâmica (FC/FD) observaram que a probabilidade de alcançar o alvo FC/FD é maior quando a dose do beta-lactâmico é otimizada. Porém, poucos estudos demonstraram que a otimização de dose resulta em melhores desfechos clínicos. Métodos: Fatores associados com mortalidade em 30 dias foram avaliados em 100 pacientes com bacteremia por enterobactérias tratados com cefepime, piperacilina-tazobactam ou meropenem em um estudo de coorte prospectivo. Posologia dos antibióticos foi classificada em otimizada, apropriada e potencialmente inapropriada. Resultados: Cinquenta e dois (52%) episódios foram causados por E. coli, seguidos por K. pneumoniae (10%). Dezesseis (16%) episódios foram causados por isolados resistentes à cefepime e não houve nenhum caso de resistência à carbapenêmicos. A maioria dos isolados apresentou concentrações inibitórias mínimas (CIMs) baixas para as drogas prescritas (≤0.5, ≤1.0, ≤1/4 mg/L, para meropenem, cefepime e piperacilina-tazobactam respectivamente). Cefepime foi o antimicrobiano mais frequentemente prescrito para tratamento empírico e definitivo. Terapia otimizada foi observada em 42% dos pacientes e terapia adequada em 58%. A mortalidade em 30 dias foi 37%. Escore de Pitt, Charlson e apresentação com sepse severa foram independentemente associados à mortalidade. Não houve diferença em mortalidade entre os pacientes que receberam terapia otimizada e terapia adequada. Conclusões: os resultados mostram que a otimização das doses de cefepime, piperacilina-tazobactam e meropenem não teve impacto em mortalidade Em pacientes recebendo terapia empírica apropriada para bacteremias por Enterobacteriaceae. Este achado pode ser devido aos baixos valores de CIM apresentados pelas bactéria. Comorbidades e a severidade da apresentação são fatores associados à pior evolução. / Background: Pharmacokinetic/pharmacodynamic (PK/PD) studies have shown that the probability of PK/PD target attainment is higher when optimized dosage regimes of beta-lactams are employed, but few studies have shown clinical benefit of such strategy. Methods: We investigated the effect of dosage regimes in 30-day mortality in 100 patients with Enterobacteriaceae bloodstream infections (BSIs) receiving appropriate empirical therapy with cefepime, piperacillin-tazobactam or meropenem. Posology of antibiotic was classified as optimized, adequate and possibly inadequate. Results: Most isolates presented relatively low MIC for the prescribed drugs (≤0.5, ≤1.0, ≤1/4 μg/mL, for meropenem, cefepime and piperacillin-tazobactam respectively). Cefepime was the most common prescribed drug for empirical and main therapy. Optimized posology was prescribed in 42% of patients and adequate in 58%. The overall 30-day mortality was 27.0%. Charlson score, Pitt score and presentation with severe sepsis were independently associated with the 30-day mortality. Patients receiving optimized dosage regime presented no distinct 30-day mortality of those with adequate ones (25.0% versus 28.3%, P=0.89), even after inclusion in multivariate model. Conclusion: Our results suggest that dosage regime optimization of cefepime, piperacillin-tazobactam and meropenem may have no effect on mortality when infecting bacteria with low MICs for these drugs. In patients receiving appropriate empirical therapy for Enterobacteriaceae BSI, baseline comorbidity is an independent predictor of death and the severity of BSI presentation is also significantly associated with this outcome is such patients. Studies in population with higher MIC heterogeneity are required to evaluate the role of optimized doses in clinical setting.

O bussulfano (Bu) é um agente alquilante usado no condicionamento que precede o transplante de células-tronco hematopoiéticas (TCTH) em crianças. Sua farmacocinética (FC) apresenta uma grande variabilidade interindivíduo, que pode ser parcialmente explicada pelas variantes genéticas de GSTA1, gene da enzima glutationa S-transferase α1, crucial para o metabolismo do Bu. Vários métodos de predição da FC do Bu são usados para calcular sua dose, essencialmente com base na idade e peso do paciente. Até o momento, apenas um modelo adulto incorporou as variantes de GSTA1 no cálculo da sua dose do Bu. No presente trabalho, avaliou-se, inicialmente, o desempenho de métodos atualmente disponíveis em pediatria, em função das variantes genéticas de GSTA1. Foram avaliados os parâmetros de FC da primeira dose de 101 crianças e adolescentes submetidos a TCTH alogênico no CHU Sainte-Justine, Montreal, Canadá, após regime de condicionamento que incluía Bu intravenoso (BuCR, do inglês busulfan-containing regimen). Os haplótipos GSTA1 foram interpretados em pares (diplótipos) e depois classificados em três grupos com base nos seus diferentes potenciais de expressão enzimática. As AUCs (area under the curve) medidas e as AUCs calculadas a partir de doses de Bu preditas por 11 modelos diferentes foram classificadas de acordo com a sua capacidade para atingir a AUC-alvo (900 a 1.500 μM.min). Também foram calculados os erros de previsão do clearance do Bu. Após a primeira dose, as AUCs medidas atingiram a AUC-alvo em 38,7%. Os diplótipos de GSTA1 relacionados ao metabolismo lento (G3) e regimes contendo fludarabina (FluCR, do inglês fludarabine-containing regimen) foram os únicos fatores associados à AUC no alvo (OR 4,7, IC 95%, 1,1 - 19,8, p = 0,04 e OR 9,9, IC 95%, 1,6 - 61,7, p = 0,01, respectivamente). Utilizando os outros métodos para o cálculo da dose, a percentagem de AUC no alvo variou de 16% a 74%. G3 e FluCR foram, em alguns modelos, associados à AUC no alvo ou na faixa tóxica, enquanto que os metabolizadores rápidos (G1) foram por vezes associados a AUCs subterapêuticas. Essas associações foram confirmadas na análise de predição do clearance, em que os diplótipos da GSTA1 e o regime de condicionamento influenciaram significativamente a maioria dos erros de previsão dos métodos testados. Uma vez que GSTA1 mostrou influenciar significativamente os algoritmos disponíveis, pretendeu-se desenvolver um modelo de FC de população que incluísse variantes genéticas de GSTA1 como um fator no cálculo de dose do Bu. Para tanto, foram analisados os dados de concentração-tempo de 112 crianças e adolescentes que receberam um BuCR mieloablativo antes de 115 TCTH (autólogos e alogênicos), realizados também no CHU Sainte-Justine. Para a construção do modelo de FC de população, utilizou-se uma análise mista não linear. Sexo, doença de base (maligna vs. não maligna), idade pós-menstrual (PMA) ou idade cronológica, regime de condicionamento e diplótipos de GSTA1 foram avaliados como fatores potenciais. Um modelo de um compartimento com eliminação de primeira ordem foi o que melhor descreveu os dados disponíveis. Um fator de maturação do metabolismo de Bu (Fmat) e o peso elevado a exponencial alométrico teórico foram incluídos no modelo de base. A análise dos fatores revelou PMA (ΔOFV = -26,7, p = 2,3x10-7) e grupos de diplótipos de GSTA1 (ΔOFV = -11,7, p = 0,003) como fatores significativamente associados, respectivamente, ao volume e ao CL do Bu. Os CL dos metabolizadores rápidos (G1) foram preditos como sendo 7% mais elevados que os definidos como metabolizadores normais (G2), enquanto que os metabolizadores lentos (G3) foram descritos com CL 12% menor que os G2. Em conclusão, após se evidenciar que os métodos disponíveis para o cálculo de dose do Bu não são adequados para todos os grupos de diplótipos de GSTA1, propôs-se o primeiro algoritmo de cálculo de dose de Bu em pediatria baseado em farmacogenética. Seu uso pode contribuir para uma melhor previsibilidade da FC do Bu e, desta forma, melhor predizer a exposição de crianças e adolescentes à droga, de acordo com a capacidade metabólica de cada indivíduo. / Busulfan (Bu) is an alkylating agent used in the conditioning before hematopoietic stem cells transplantation (HSCT) in children. Its pharmacokinetics (PK) presents a great inter-individual variability, which can be partially explained by GSTA1 genetic variants, gene coding for the enzyme glutathione s-tranferase α1, crucial for Bu metabolism. Several methods of predicting PK are available and are used to calculate the Bu dose, based essentially on patients’ age and anthropometric characteristics. So far, a single adult model successfully incorporated this factor into the Bu dose calculation. In the present work, we initially evaluate the performance of the currently available guidelines across the different GSTA1 genetic variants. The PK parameters from the Bu first doses from 101 children and adolescents who have undergone allogenic SCT at the CHU Sainte-Justine, Montreal, Canada following a IV Bu-containing conditioning regimen (BuCR). GSTA1 haplotypes were interpreted in pairs (diplotypes) and then classified in 3 groups based on different potentials of enzyme expression. Measured AUCs and AUCs calculated from Bu doses predicted by 11 different models were classified according to their ability to achieve the AUC target (900 and 1500μM.min). Clearance prediction errors were also calculated. After the first dose, measured AUCs achieved the target in 38.7%. GSTA1 diplotypes groups related to poor Bu metabolism (G3) and fludarabine-containing regimens (FluCR) were the only factors associated with AUC within target (OR 4.7, 95% CI, 1.1 - 19.8, p=0.04 and OR 9.9, 95% CI, 1.6 - 61.7, p=0.01, respectively). Using other methods for dose calculation, percentage of AUCs within target varied from 16% to 74%. G3 and FluCR were, in some models, associated to AUC within the target and in the toxic range, whereas rapid-metabolizers (G1) were correlated with sub therapeutic AUCs. These associations were confirmed in clearance-prediction analysis, where GSTA1 diplotypes groups and conditioning regimen consistently influenced methods’ most prediction errors. Once GSTA1 status was demonstrated to influence significantly the available Bu dosing algorithms, we aimed to develop a population PK (PPK) model which included GSTA1 genetic variants as a covariate. For that, concentration-time data from 112 children and adolescents receiving IV Bu as a component of the conditioning regimen for 115 stem cell transplantations (autologous and allogenic) performed at CHU Sainte-Justine were analyzed. Non-linear mixed effects analysis was used to build a PPK model. Sex, baseline disease (malignant vs. non-malignant), post-menstrual age (PMA) or chronological age, conditioning regimen and GSTA1 diplotypes groups were evaluated as potential covariates. A one-compartment model with first-order elimination best described the data. A factor of Bu metabolism maturation (Fmat) and theoretical allometric scaling of weight were included in the base model. Covariate analysis revealed PMA (ΔOFV=-26.7, p=2.3x10-7) and GSTA1 diplotypes groups (ΔOFV=-11.7, p=0.003), as significant factors on volume and clearance (CL), respectively. CL of rapid metabolizers (G1) were predicted as being 7% higher and that of poor ones (G3) 12% lower than CL of those defined as normal metabolizers (G2). In conclusion, after evidencing that available Bu dosing methods are not suitable for all GSTA1 diplotypes groups, we have proposed the first pharmacogenomics-based dosing algorithm for Bu to be used in a pediatrics. Its use may contribute considerably to better predict Bu exposure in children and adolescents tailoring the dose according to individual metabolic capacity.

Objetivos: Sistemas nanoparticulados são úteis para modular a farmacocinética de substâncias. Nesse contexto, os objetivos deste trabalho foram o desenvolvimento de um sistema nanovesicular (NV) inovador auto-organizado de quitosana e lecitina, contendo miristato de isopropila (IPM) como núcleo oleoso capaz de alterar a farmacocinética da clozapina (CZP) e do ácido valpróico (VPA). Métodos: NV foram preparadas através da mistura, utilizando Ultraturrax, de uma solução etanólica contendo Lipoid S45® e IPM em uma solução aquosa de quitosana. As concentrações de quitosana (4 ou 8 mg/ml), IPM (10 e 20 mg/mL), Lipoid S45® (4 e 8 mg/ml) foram otimizadas através de um fatorial 23 que avaliou o diâmetro, potencial zeta, pH, viscosidade e análises de retroespalhamento de luz (BS) como respostas. Às nanovesículas do sistema otimizado pela análise fatorial foi incluído a CZP. A caracterização físico-química dessa formulação (NV-CZP) foi conduzida avaliandose os mesmos parâmetros citados acima. A farmacocinética dessa formulação foi avaliada em ratos Wistar pela via i.v (5 mg/kg, CZP livre) e oral (10 mg/kg, CZP livre e NV-CZP). Para a quantificação da CZP nas amostras de plasma obtidas em tempos pré-determinados após adminsitração das formulações um método analítico por CL-EM/EM foi desenvolvido e validado. O VPA também foi encapsulado nessas nanovesículas, nesse caso em substituição ao IPM, formando NV-VPA que foram caracterizadas físico-quimicamente. Os perfis cinéticos dessa formulação foram avaliados para os seguintes grupos de animais: VPA, ratos anestesiados (G1, 4 mg/kg) e não-anestesiados (G2, 4 mg/kg), VPA-NV (G3, 2 mg/kg), oral 4 mg/kg VPA (G4) e VPA-NV (G5), além da administração intra-traqueal (i.t.) de 4 mg/kg (VPA, G6 e VPA-NV, G7). Avaliação não-compartimental e compartimental dos perfis individuais de concentração plasmática da CZP e VPA foi realizada utilizando Excel® 2003 e Scientist® 2.0, respectivamente. Resultados: Os diâmetros das partículas no planejamento fatorial variaram de 0.348 a 1.5 μm. O diâmetro foi dependente da proporção de quitosana, IPM e lecitina utilizados nas formulações O potencial zeta positivo (+41.3 a +50 mV) foi influenciado principalmente pela concentração de quitosana. O pH de todas as formulações foi ácido. Os valores de viscosidade sofreram influência das concentrações de quitosana e IPM. A formulação otimizada (quitosana 4 mg/mL; IPM 10 mg/mL e Lipoid S45® 8 mg/mL) foi escolhida para encapsular a CZP. As nanovesículas de CZP (CZP-NV 1 mg/mL) e NV brancas apresentaram, respectivamente, tamanhos médios de 181 ± 3 nm e 470 ± 2 nm, pH ácido, potencial zeta positivo, índice de polidispersão abaixo de 0.3 e doseamento da CZP próximo a 100%. Após a encapsulação da CZP em NV, a biodisponibilidade oral foi 24%, duas vezes superior a biodisponibilidade da CZP livre (9%). Aumento na meia-vida foi observado para a CZP-NV (4.32 ± 1.33 h) em relação à CZP livre (2.28 ± 0.69 h), devido a uma diminuição da depuração plasmática. No estudo com VPA, o tamanho médio, potencial zeta e pH para VPA-NV (5 mg/mL) e NV brancas foram 333 ± 1.5 nm e 131 ±1 nm; 25.6 ± 0.8 mV e +13.4 ± 1.7 mV; 2.69 ± 0.02 e 2.71 ± 0.08, respectivamente. Os perfis plasmáticos dos grupos G1, G2, G3 declinaram de forma bi-exponencial. A depuração plasmática e o volume de distribuição no steady-state do G5 diminuíram significativamente e na mesma proporção em relação ao G4. A meia-vida não se alterou para o G4 e G5. O pico de concentração plasmática (Cmax) foi significativamente maior para G7 do que para G6 e o tempo para alcançar o pico (tmax) foi menor para o G6. A depuração plasmática e o volume de distribuição no steady-state do G7 diminuíram significativamente e na mesma proporção em relação ao grupo G6, não implicando em alteração na meia-vida do fármaco. Conclusões: Neste trabalho, um novo nanossistema vesicular foi desenvolvido e biologicamente avaliado. As nanovesículas mostraram-se úteis para melhor os parâmetros farmacocinéticos do VPA e da CZP, principalmente a biodisponibilidade oral, sendo promissoras para diferentes aplicações biológicas e tecnológicas. / Objectives: Nanoparticles (NP) are useful to modulate the pharmacokinetics (PK) of drugs. The aim of this study was to develop innovative self-assembly nanovesicles (NV) constituted of chitosan and lecithin with isopropyl myristate (IPM) as oil core, able to modify the PK plasma profile of clozapine (CZP) and valproic acid (VPA). Methods: The NV were obtained by injecting 4 mL of an ethanolic phase containing Lipoid S45® and IPM into 46 ml of a chitosan aqueous solution followed by Ultraturrax homogenization. The concentrations of chitosan (4 and 8 mg/mL), IPM (10 e 20 mg/mL) and Lipoid S45® (4 and 8 mg/mL) were optimized using a 23 factorial design. The responses evaluated were particle size, zeta potential, pH, viscosity and backscattering (BS) analysis. The optimized formulation (F2) was choosed to encapsulate CZP. The PK in rats was evaluated after i.v. (5 mg/kg, free CZP) and oral (10 mg/kg, free and NV-CZP) administration. A LC-MS/MS method was developed and validated for CZP quantification in rat plasma. VPA was also incorporate into the NV in this case replacing IPM by the drug. The NV-VPA physicochemical characterization and plasma PK was evaluated. The groups for PK investigation were: VPA unconscious rat (G1, 4 mg/kg) and conscious rat (G2, 4 mg/kg), VPA-NV (G3, 2 mg/kg), oral 4 mg/kg dosing of VPA (G4) and VPA-NV (G5) and intratracheal (i.t.) 4 mg/kg VPA (G6) and VPA-NV (G7) administration. Noncompartmental and compartmental analyses were performed using Excel® 2003 and Scientist® 2.0, respectively. Results: The particle size ranged 0.348 to 1.5 μm. This response was dependent on the proportion of chitosan, IPM, and Lipoid S45® used. The analysis of laser diffractometry showed only one particle size population for all formulations, mainly below 1 μm. The zeta potential was strongly positive (+41.3 to +50 mV) and it was influenced by chitosan, mainly. The formulations pH was acid. The viscosity was dependent on chitosan and IPM concentration. The F2 (chitosan 4 mg/mL; IPM 10 mg/mL and Lipoid S45® 8 mg/mL) was choosed to incorporate CZP. The CZP-NV (1 mg/mL) and blank-NV (unloaded) presented mean particle sizes of 181 ± 3 nm and 470 ± 2 nm, respectively, acid pH, positive zeta potentials, PDI below 0.3 and drug content close to 100%. CZP oral bioavailability after encapsulation into NV was 24%, twice the oral value observed for CZP in solution (9%). An increase in half-life was observed for CZP-NV (4.32 ± 1.33 h) in relation to free CZP (2.28 ± 0.68 h), due to the decrease in total clearance (a = 0.05). In the study with VPA, the mean diameter, zeta potential and pH of VPA-NV (5 mg/mL) and blank-NV were 333 ±1.5 nm and 131 ±1 nm; 25.6 ± 0.8 mV and +13.4 ± 1.7 mV; 2.69 ± 0.02 and 2.71 ± 0.08, respectively. The plasma profiles of G1, G2, and G3 declined in a bi-exponential fashion. G5 total clearance and volume of distribution at steady state were significantly decreased in relation to G4 (a = 0.05) and the half-life was not altered. The peak plasma concentration (Cmax) was significantly higher in the G7 group than G6, and the peak time (tmax) took place earlier after administration of G6. G7 clearance and volume of distribution at steady state were both significantly decreased in the same proportion in relation to G6 (a = 0.05), not altering the halflife. Conclusions: In this work a new nanovesicular system was developed and biologically evaluated. The system showed to be useful to improve VPA and CZP pharmacokinetics. The nanovesicles have potential for application for different biological and technological uses.

Introdução: estudos de farmacocinética/farmacodinâmica (FC/FD) observaram que a probabilidade de alcançar o alvo FC/FD é maior quando a dose do beta-lactâmico é otimizada. Porém, poucos estudos demonstraram que a otimização de dose resulta em melhores desfechos clínicos. Métodos: Fatores associados com mortalidade em 30 dias foram avaliados em 100 pacientes com bacteremia por enterobactérias tratados com cefepime, piperacilina-tazobactam ou meropenem em um estudo de coorte prospectivo. Posologia dos antibióticos foi classificada em otimizada, apropriada e potencialmente inapropriada. Resultados: Cinquenta e dois (52%) episódios foram causados por E. coli, seguidos por K. pneumoniae (10%). Dezesseis (16%) episódios foram causados por isolados resistentes à cefepime e não houve nenhum caso de resistência à carbapenêmicos. A maioria dos isolados apresentou concentrações inibitórias mínimas (CIMs) baixas para as drogas prescritas (≤0.5, ≤1.0, ≤1/4 mg/L, para meropenem, cefepime e piperacilina-tazobactam respectivamente). Cefepime foi o antimicrobiano mais frequentemente prescrito para tratamento empírico e definitivo. Terapia otimizada foi observada em 42% dos pacientes e terapia adequada em 58%. A mortalidade em 30 dias foi 37%. Escore de Pitt, Charlson e apresentação com sepse severa foram independentemente associados à mortalidade. Não houve diferença em mortalidade entre os pacientes que receberam terapia otimizada e terapia adequada. Conclusões: os resultados mostram que a otimização das doses de cefepime, piperacilina-tazobactam e meropenem não teve impacto em mortalidade Em pacientes recebendo terapia empírica apropriada para bacteremias por Enterobacteriaceae. Este achado pode ser devido aos baixos valores de CIM apresentados pelas bactéria. Comorbidades e a severidade da apresentação são fatores associados à pior evolução. / Background: Pharmacokinetic/pharmacodynamic (PK/PD) studies have shown that the probability of PK/PD target attainment is higher when optimized dosage regimes of beta-lactams are employed, but few studies have shown clinical benefit of such strategy. Methods: We investigated the effect of dosage regimes in 30-day mortality in 100 patients with Enterobacteriaceae bloodstream infections (BSIs) receiving appropriate empirical therapy with cefepime, piperacillin-tazobactam or meropenem. Posology of antibiotic was classified as optimized, adequate and possibly inadequate. Results: Most isolates presented relatively low MIC for the prescribed drugs (≤0.5, ≤1.0, ≤1/4 μg/mL, for meropenem, cefepime and piperacillin-tazobactam respectively). Cefepime was the most common prescribed drug for empirical and main therapy. Optimized posology was prescribed in 42% of patients and adequate in 58%. The overall 30-day mortality was 27.0%. Charlson score, Pitt score and presentation with severe sepsis were independently associated with the 30-day mortality. Patients receiving optimized dosage regime presented no distinct 30-day mortality of those with adequate ones (25.0% versus 28.3%, P=0.89), even after inclusion in multivariate model. Conclusion: Our results suggest that dosage regime optimization of cefepime, piperacillin-tazobactam and meropenem may have no effect on mortality when infecting bacteria with low MICs for these drugs. In patients receiving appropriate empirical therapy for Enterobacteriaceae BSI, baseline comorbidity is an independent predictor of death and the severity of BSI presentation is also significantly associated with this outcome is such patients. Studies in population with higher MIC heterogeneity are required to evaluate the role of optimized doses in clinical setting.

O bussulfano (Bu) é um agente alquilante usado no condicionamento que precede o transplante de células-tronco hematopoiéticas (TCTH) em crianças. Sua farmacocinética (FC) apresenta uma grande variabilidade interindivíduo, que pode ser parcialmente explicada pelas variantes genéticas de GSTA1, gene da enzima glutationa S-transferase α1, crucial para o metabolismo do Bu. Vários métodos de predição da FC do Bu são usados para calcular sua dose, essencialmente com base na idade e peso do paciente. Até o momento, apenas um modelo adulto incorporou as variantes de GSTA1 no cálculo da sua dose do Bu. No presente trabalho, avaliou-se, inicialmente, o desempenho de métodos atualmente disponíveis em pediatria, em função das variantes genéticas de GSTA1. Foram avaliados os parâmetros de FC da primeira dose de 101 crianças e adolescentes submetidos a TCTH alogênico no CHU Sainte-Justine, Montreal, Canadá, após regime de condicionamento que incluía Bu intravenoso (BuCR, do inglês busulfan-containing regimen). Os haplótipos GSTA1 foram interpretados em pares (diplótipos) e depois classificados em três grupos com base nos seus diferentes potenciais de expressão enzimática. As AUCs (area under the curve) medidas e as AUCs calculadas a partir de doses de Bu preditas por 11 modelos diferentes foram classificadas de acordo com a sua capacidade para atingir a AUC-alvo (900 a 1.500 μM.min). Também foram calculados os erros de previsão do clearance do Bu. Após a primeira dose, as AUCs medidas atingiram a AUC-alvo em 38,7%. Os diplótipos de GSTA1 relacionados ao metabolismo lento (G3) e regimes contendo fludarabina (FluCR, do inglês fludarabine-containing regimen) foram os únicos fatores associados à AUC no alvo (OR 4,7, IC 95%, 1,1 - 19,8, p = 0,04 e OR 9,9, IC 95%, 1,6 - 61,7, p = 0,01, respectivamente). Utilizando os outros métodos para o cálculo da dose, a percentagem de AUC no alvo variou de 16% a 74%. G3 e FluCR foram, em alguns modelos, associados à AUC no alvo ou na faixa tóxica, enquanto que os metabolizadores rápidos (G1) foram por vezes associados a AUCs subterapêuticas. Essas associações foram confirmadas na análise de predição do clearance, em que os diplótipos da GSTA1 e o regime de condicionamento influenciaram significativamente a maioria dos erros de previsão dos métodos testados. Uma vez que GSTA1 mostrou influenciar significativamente os algoritmos disponíveis, pretendeu-se desenvolver um modelo de FC de população que incluísse variantes genéticas de GSTA1 como um fator no cálculo de dose do Bu. Para tanto, foram analisados os dados de concentração-tempo de 112 crianças e adolescentes que receberam um BuCR mieloablativo antes de 115 TCTH (autólogos e alogênicos), realizados também no CHU Sainte-Justine. Para a construção do modelo de FC de população, utilizou-se uma análise mista não linear. Sexo, doença de base (maligna vs. não maligna), idade pós-menstrual (PMA) ou idade cronológica, regime de condicionamento e diplótipos de GSTA1 foram avaliados como fatores potenciais. Um modelo de um compartimento com eliminação de primeira ordem foi o que melhor descreveu os dados disponíveis. Um fator de maturação do metabolismo de Bu (Fmat) e o peso elevado a exponencial alométrico teórico foram incluídos no modelo de base. A análise dos fatores revelou PMA (ΔOFV = -26,7, p = 2,3x10-7) e grupos de diplótipos de GSTA1 (ΔOFV = -11,7, p = 0,003) como fatores significativamente associados, respectivamente, ao volume e ao CL do Bu. Os CL dos metabolizadores rápidos (G1) foram preditos como sendo 7% mais elevados que os definidos como metabolizadores normais (G2), enquanto que os metabolizadores lentos (G3) foram descritos com CL 12% menor que os G2. Em conclusão, após se evidenciar que os métodos disponíveis para o cálculo de dose do Bu não são adequados para todos os grupos de diplótipos de GSTA1, propôs-se o primeiro algoritmo de cálculo de dose de Bu em pediatria baseado em farmacogenética. Seu uso pode contribuir para uma melhor previsibilidade da FC do Bu e, desta forma, melhor predizer a exposição de crianças e adolescentes à droga, de acordo com a capacidade metabólica de cada indivíduo. / Busulfan (Bu) is an alkylating agent used in the conditioning before hematopoietic stem cells transplantation (HSCT) in children. Its pharmacokinetics (PK) presents a great inter-individual variability, which can be partially explained by GSTA1 genetic variants, gene coding for the enzyme glutathione s-tranferase α1, crucial for Bu metabolism. Several methods of predicting PK are available and are used to calculate the Bu dose, based essentially on patients’ age and anthropometric characteristics. So far, a single adult model successfully incorporated this factor into the Bu dose calculation. In the present work, we initially evaluate the performance of the currently available guidelines across the different GSTA1 genetic variants. The PK parameters from the Bu first doses from 101 children and adolescents who have undergone allogenic SCT at the CHU Sainte-Justine, Montreal, Canada following a IV Bu-containing conditioning regimen (BuCR). GSTA1 haplotypes were interpreted in pairs (diplotypes) and then classified in 3 groups based on different potentials of enzyme expression. Measured AUCs and AUCs calculated from Bu doses predicted by 11 different models were classified according to their ability to achieve the AUC target (900 and 1500μM.min). Clearance prediction errors were also calculated. After the first dose, measured AUCs achieved the target in 38.7%. GSTA1 diplotypes groups related to poor Bu metabolism (G3) and fludarabine-containing regimens (FluCR) were the only factors associated with AUC within target (OR 4.7, 95% CI, 1.1 - 19.8, p=0.04 and OR 9.9, 95% CI, 1.6 - 61.7, p=0.01, respectively). Using other methods for dose calculation, percentage of AUCs within target varied from 16% to 74%. G3 and FluCR were, in some models, associated to AUC within the target and in the toxic range, whereas rapid-metabolizers (G1) were correlated with sub therapeutic AUCs. These associations were confirmed in clearance-prediction analysis, where GSTA1 diplotypes groups and conditioning regimen consistently influenced methods’ most prediction errors. Once GSTA1 status was demonstrated to influence significantly the available Bu dosing algorithms, we aimed to develop a population PK (PPK) model which included GSTA1 genetic variants as a covariate. For that, concentration-time data from 112 children and adolescents receiving IV Bu as a component of the conditioning regimen for 115 stem cell transplantations (autologous and allogenic) performed at CHU Sainte-Justine were analyzed. Non-linear mixed effects analysis was used to build a PPK model. Sex, baseline disease (malignant vs. non-malignant), post-menstrual age (PMA) or chronological age, conditioning regimen and GSTA1 diplotypes groups were evaluated as potential covariates. A one-compartment model with first-order elimination best described the data. A factor of Bu metabolism maturation (Fmat) and theoretical allometric scaling of weight were included in the base model. Covariate analysis revealed PMA (ΔOFV=-26.7, p=2.3x10-7) and GSTA1 diplotypes groups (ΔOFV=-11.7, p=0.003), as significant factors on volume and clearance (CL), respectively. CL of rapid metabolizers (G1) were predicted as being 7% higher and that of poor ones (G3) 12% lower than CL of those defined as normal metabolizers (G2). In conclusion, after evidencing that available Bu dosing methods are not suitable for all GSTA1 diplotypes groups, we have proposed the first pharmacogenomics-based dosing algorithm for Bu to be used in a pediatrics. Its use may contribute considerably to better predict Bu exposure in children and adolescents tailoring the dose according to individual metabolic capacity.