Yes / The plasma protein binding (PPB) of a drug plays a key role in both its pharmacokinetic and pharmacodynamic properties. During lead optimisation, medium and high throughput methods for the early determination of PPB can provide important information about potential PKPD profile within a chemotype or between different chemotype series. Diffusion ordered spectroscopy (DOSY) is an NMR spectroscopic technique that measures the diffusion of a molecule via applying varying magnetic field gradients, where the diffusion is primarily affected by its molecular size/weight and solution viscosity. Here, we describe the use of DOSY for a rapid and straight forward method to evaluate the PPB of drug molecules, using their binding to bovine serum albumin (BSA) as a model. / The full-text of this article will be released for public view at the end of the publisher embargo on 11 Jun 2025.

Atualmente a cucurbitacina E é considerada uma candidata a fármaco em razão de sua atividade anticâncer, reconhecimento de seus alvos moleculares e sinergismo com outros fármacos utilizados no tratamento do câncer. Porém, ainda não é possível seu uso na clínica devido a importantes lacunas na literatura relativas a ensaios de farmacocinética pré-clínicos e clínicos. A cucurbitacina E é hidrolisada a cucurbitacina I em plasma e em microssomas de fígado humano. O presente estudo visa avaliar a farmacocinética populacional e ligação as proteínas plasmáticas da cucurbitacina E e seu metabólito cucurbitacina I em plasma de ratos. O método de análise sequencial da cucurbitacina E e cucurbitacina I em plasma de ratos foi desenvolvido utilizando LCMS/ MS. Alíquotas de 50 ?L de plasma foram desproteinizadas com acetonitrila e os resíduos reconstituídos com acetonitrila:água (1:1, v/v) e adicionados do padrão interno clobazam. Os extratos foram injetados na coluna RP-18 com fase móvel constituída por mistura de acetonitrila:água:metanol (32:35:33, v/v/v). O método é preciso e exato com linearidade no intervalo de 1-100 ng de cucurbitacina E/mL de plasma e de 0,4-200 ng de cucurbitacina I/mL de plasma. O método foi aplicado na avaliação da farmacocinética da cucurbitacina E administrada a ratos machos Wistar em dose única oral (gavagem) e intravenosa de 1mg/kg dissolvida em DMSO e tampão fosfato salino pH 7,4 (5:95, v/v). As amostras seriadas de sangue foram coletadas até 24 h após a administração oral ou intravenosa. As concentrações plasmáticas de cucurbitacina E foram quantificadas até 16 h somente após a administração intravenosa, enquanto as concentrações plasmáticas de cucurbitacina I permaneceram abaixo dos valores de LIQ seguindo a administração oral ou intravenosa. O modelo de farmacocinética populacional foi desenvolvido para a cucurbitacina E administrada por via intravenosa com o auxílio do programa NONMEM com adequada qualidade de ajuste e desempenho preditivo. O perfil farmacocinético da cucurbitacina E administrada por via intravenosa foi descrito por modelo bicompartimental com distribuição e eliminação de primeira ordem com os seguintes parâmetros farmacocinéticos: tempo de liberação (D) de 0,45 h, volume de distribuição (Vd) de 27,22 L, clearance (Cl) de 4,13 L/h e meiavida de eliminação (t1/2) de 4,57 h. As interações da cucurbitacina E e cucurbitacina I com as albuminas séricas humana (HSA) e de rato (RSA) foram investigadas utilizando biossensor óptico baseado em ressonância de plasma de superfície (SPR) e espectroscopia de dicroísmo circular (CD). Os dados de ligação das cucurbitacinas a albuminas foram obtidos por experimentos de competição de CD com biliverdina. Os dados de SPR revelaram um evento de ligação inédito entre a cucurbitacina I e a HSA e as afinidades de ligação da cucurbitacina E e cucurbitacina I são maiores para a RSA do que para a HSA. A cucurbitacina E e a cucurbitacina I podem ser classificadas como substâncias de alta afinidade de ligação com a HSA e com a RSA. A análise de CD mostrou que a cucurbitacina E e a cucurbitacina I modificam a ligação da biliverdina as albuminas através de modulação alostérica oposta (positiva para HSA, negativa para RSA), confirmando a necessidade de cuidados na extrapolação de dados farmacocinéticos pré-clínicos para clínicos. / Cucurbitacin E is currently considered a drug candidate due to its anticancer activity, recognition of its molecular targets, and synergism with other drugs used for cancer treatment. However, the use of cucurbitacin E in clinical practice is not possible because of important research gaps regarding its preclinical and clinical pharmacokinetic characteristics. Cucurbitacin E is hydrolyzed to cucurbitacin I in plasma and in human liver microsomes. The aim of this study was to evaluate the population pharmacokinetics and plasma protein binding of cucurbitacin E and of its metabolite cucurbitacin I in rats. The method for the sequential analysis of cucurbitacins E and I in rat plasma was developed using LC-MS/MS. Plasma aliquots of 50 ?L were deproteinized with acetonitrile, the residues were reconstituted in acetonitrile:water (1:1, v/v), and clobazam was added as internal standard. The extracts were injected into an RP-18 column using a mobile phase consisting of a mixture of acetonitrile:water:methanol (32:35:33, v/v/v). The method was precise and accurate, showing linearities at a range of 1-100 ng cucurbitacin E/mL plasma and of 0.4-200 ng cucurbitacin I/mL plasma. The method was applied to the pharmacokinetic evaluation of cucurbitacin E administered to male Wistar rats at a single oral (gavage) or intravenous dose of 1 mg/kg dissolved in DMSO and phosphate-buffered saline, pH 7.4 (5:95, v/v). Serial blood samples were collected up to 24 h after oral or intravenous administration. The plasma concentrations of cucurbitacin E were quantified up to 16 h only after intravenous administration, while the plasma concentrations of cucurbitacin I remained below the limit of quantification after oral or intravenous administration. The population pharmacokinetic model was developed for administered intravenously cucurbitacin E using the NONMEM program, with adequate goodness of fit and predictive performance. The pharmacokinetic profile of intravenously administered cucurbitacin E was described by a two-compartment model with first-order distribution and elimination. The following pharmacokinetic parameters were obtained: release time (D) of 0.45 h, volume of distribution (Vd) of 27.22 L, clearance (Cl) of 4.13 L/h, and elimination half-life (t1/2) of 4.57 h. The interactions of cucurbitacin E and I with human (HSA) and rat (RSA) serum albumins were investigated using an optical biosensor by surface plasmon resonance (SPR) and circular dichroism (CD) spectroscopy. The binding data of the cucurbitacins to albumins were obtained by CD competition experiments with biliverdin. The SPR data revealed an undescribed binding event between cucurbitacin I and HSA and the binding affinities of cucurbitacin E and cucurbitacin I were higher for RSA than for HSA. Cucurbitacin E and cucurbitacin I can be classified as substances with high binding affinity for HSA and RSA. CD analysis showed that cucurbitacin E and cucurbitacin I modify the binding of biliverdin to albumins through opposite allosteric modulation (positive for HSA, negative for RSA), confirming that care should be taken when extrapolating the pharmacokinetic data between species.

Atualmente a cucurbitacina E é considerada uma candidata a fármaco em razão de sua atividade anticâncer, reconhecimento de seus alvos moleculares e sinergismo com outros fármacos utilizados no tratamento do câncer. Porém, ainda não é possível seu uso na clínica devido a importantes lacunas na literatura relativas a ensaios de farmacocinética pré-clínicos e clínicos. A cucurbitacina E é hidrolisada a cucurbitacina I em plasma e em microssomas de fígado humano. O presente estudo visa avaliar a farmacocinética populacional e ligação as proteínas plasmáticas da cucurbitacina E e seu metabólito cucurbitacina I em plasma de ratos. O método de análise sequencial da cucurbitacina E e cucurbitacina I em plasma de ratos foi desenvolvido utilizando LCMS/ MS. Alíquotas de 50 ?L de plasma foram desproteinizadas com acetonitrila e os resíduos reconstituídos com acetonitrila:água (1:1, v/v) e adicionados do padrão interno clobazam. Os extratos foram injetados na coluna RP-18 com fase móvel constituída por mistura de acetonitrila:água:metanol (32:35:33, v/v/v). O método é preciso e exato com linearidade no intervalo de 1-100 ng de cucurbitacina E/mL de plasma e de 0,4-200 ng de cucurbitacina I/mL de plasma. O método foi aplicado na avaliação da farmacocinética da cucurbitacina E administrada a ratos machos Wistar em dose única oral (gavagem) e intravenosa de 1mg/kg dissolvida em DMSO e tampão fosfato salino pH 7,4 (5:95, v/v). As amostras seriadas de sangue foram coletadas até 24 h após a administração oral ou intravenosa. As concentrações plasmáticas de cucurbitacina E foram quantificadas até 16 h somente após a administração intravenosa, enquanto as concentrações plasmáticas de cucurbitacina I permaneceram abaixo dos valores de LIQ seguindo a administração oral ou intravenosa. O modelo de farmacocinética populacional foi desenvolvido para a cucurbitacina E administrada por via intravenosa com o auxílio do programa NONMEM com adequada qualidade de ajuste e desempenho preditivo. O perfil farmacocinético da cucurbitacina E administrada por via intravenosa foi descrito por modelo bicompartimental com distribuição e eliminação de primeira ordem com os seguintes parâmetros farmacocinéticos: tempo de liberação (D) de 0,45 h, volume de distribuição (Vd) de 27,22 L, clearance (Cl) de 4,13 L/h e meiavida de eliminação (t1/2) de 4,57 h. As interações da cucurbitacina E e cucurbitacina I com as albuminas séricas humana (HSA) e de rato (RSA) foram investigadas utilizando biossensor óptico baseado em ressonância de plasma de superfície (SPR) e espectroscopia de dicroísmo circular (CD). Os dados de ligação das cucurbitacinas a albuminas foram obtidos por experimentos de competição de CD com biliverdina. Os dados de SPR revelaram um evento de ligação inédito entre a cucurbitacina I e a HSA e as afinidades de ligação da cucurbitacina E e cucurbitacina I são maiores para a RSA do que para a HSA. A cucurbitacina E e a cucurbitacina I podem ser classificadas como substâncias de alta afinidade de ligação com a HSA e com a RSA. A análise de CD mostrou que a cucurbitacina E e a cucurbitacina I modificam a ligação da biliverdina as albuminas através de modulação alostérica oposta (positiva para HSA, negativa para RSA), confirmando a necessidade de cuidados na extrapolação de dados farmacocinéticos pré-clínicos para clínicos. / Cucurbitacin E is currently considered a drug candidate due to its anticancer activity, recognition of its molecular targets, and synergism with other drugs used for cancer treatment. However, the use of cucurbitacin E in clinical practice is not possible because of important research gaps regarding its preclinical and clinical pharmacokinetic characteristics. Cucurbitacin E is hydrolyzed to cucurbitacin I in plasma and in human liver microsomes. The aim of this study was to evaluate the population pharmacokinetics and plasma protein binding of cucurbitacin E and of its metabolite cucurbitacin I in rats. The method for the sequential analysis of cucurbitacins E and I in rat plasma was developed using LC-MS/MS. Plasma aliquots of 50 ?L were deproteinized with acetonitrile, the residues were reconstituted in acetonitrile:water (1:1, v/v), and clobazam was added as internal standard. The extracts were injected into an RP-18 column using a mobile phase consisting of a mixture of acetonitrile:water:methanol (32:35:33, v/v/v). The method was precise and accurate, showing linearities at a range of 1-100 ng cucurbitacin E/mL plasma and of 0.4-200 ng cucurbitacin I/mL plasma. The method was applied to the pharmacokinetic evaluation of cucurbitacin E administered to male Wistar rats at a single oral (gavage) or intravenous dose of 1 mg/kg dissolved in DMSO and phosphate-buffered saline, pH 7.4 (5:95, v/v). Serial blood samples were collected up to 24 h after oral or intravenous administration. The plasma concentrations of cucurbitacin E were quantified up to 16 h only after intravenous administration, while the plasma concentrations of cucurbitacin I remained below the limit of quantification after oral or intravenous administration. The population pharmacokinetic model was developed for administered intravenously cucurbitacin E using the NONMEM program, with adequate goodness of fit and predictive performance. The pharmacokinetic profile of intravenously administered cucurbitacin E was described by a two-compartment model with first-order distribution and elimination. The following pharmacokinetic parameters were obtained: release time (D) of 0.45 h, volume of distribution (Vd) of 27.22 L, clearance (Cl) of 4.13 L/h, and elimination half-life (t1/2) of 4.57 h. The interactions of cucurbitacin E and I with human (HSA) and rat (RSA) serum albumins were investigated using an optical biosensor by surface plasmon resonance (SPR) and circular dichroism (CD) spectroscopy. The binding data of the cucurbitacins to albumins were obtained by CD competition experiments with biliverdin. The SPR data revealed an undescribed binding event between cucurbitacin I and HSA and the binding affinities of cucurbitacin E and cucurbitacin I were higher for RSA than for HSA. Cucurbitacin E and cucurbitacin I can be classified as substances with high binding affinity for HSA and RSA. CD analysis showed that cucurbitacin E and cucurbitacin I modify the binding of biliverdin to albumins through opposite allosteric modulation (positive for HSA, negative for RSA), confirming that care should be taken when extrapolating the pharmacokinetic data between species.

Glucocorticosteroide (GC) spielen für viele endogene Prozesse im Organismus eine wichtige Rolle. Sie regulieren die Gluconeogenese sowie den Lipid- und Proteinstoffwechsel. Außerdem sind sie für die Stressregulierung über die Hypothalamus-Nebennierenrinden-Achse verantwortlich. Therapeutisch kommen die GCs wegen ihrer entzündungshemmenden Wirkung zum Einsatz und werden u.a. bei Asthma und Gelenkentzündungen angewandt. Diese Eigenschaft macht sie auch interessant für den Gebrauch im Sportbereich. Dort wird ihre Anwendung über die Weltantidopingagentur reguliert. Ihr oraler, intramuskulärer, intravenöser und rektaler Gebrauch ist im Wettkampf verboten. Diese Einschränkung bzgl. des Applikationszeitraumes und des Applikationsweges erschwert die diagnostische Aussagekraft von Routinedopingproben, welche im Urin durchgeführt werden. Ein Grenzwert von 30 ng/ml soll einen legalen Gebrauch von einem Missbrauch abgrenzen. Die endogenen Glucocorticosteroide stellen hierbei jedoch einen Graubereich dar. Endogen wird Cortisol in einem zirkadianen Rhythmus produziert und die Produktion ist stressinduziert. Somit kommt es zu ausgeprägten intra- und interindividuellen Streuungen der endogenen Produktion. Dadurch bedingt ist eine Abgrenzung der endogenen Produktion von einer legalen Anwendung bzw. einem Missbrauch im Rahmen der Dopingrichtlinien im Urin nicht möglich. Speziell für den Nachweis von endogenen Substanzen ist es wichtig, eine Methode zu finden, mit der es möglich ist, die endogene Produktion von einer exogenen Bezugsquelle abzugrenzen. Dabei haben sich zwei Wege als hilfreich herausgestellt. Zum einen, wenn die Differenzierung nicht an Hand von Absolutkonzentrationen sondern durch die Anwendung von Analytverhältnissen durchgeführt wird. Zum anderen, wenn zusätzliche Untersuchungen im Speichel oder Haar durchgeführt werden. Haar- und Speichelproben zählen zu den ergänzenden Matrizes der Routineuntersuchungsmedien Urin und Blut und werden bereits in vielen forensischen und klinischen Laboren für diagnostische Fragestellungen verwendet. Diese Matrizes liefern wichtige Hinweise auf den akuten (Speichel) oder chronischen/ zurückliegenden (Haar) Gebrauch bzw. Missbrauch von Medikamenten und Drogen. Sowohl die Haar- als auch Speichelmatrix sollen den physiologisch aktiven Anteil von Substanzen im Blut widerspiegeln und somit korrektere Rückschlüsse auf deren Wirksamkeit zulassen. Das endogene Glucocorticosteroid Cortisol steht seit der Jahrtausendwende im Blickpunkt vieler Forschungen, welche sich mit dessen Bedeutung für die Stressantwort befassen und Cortisol u.a. im Speichel und Haar nachweisen. Auffällig ist dabei, dass die ersten Arbeiten fast ausschließlich mittels immunchemischen Nachweisverfahren erfolgten. Erst in den letzten fünf Jahren wurde vermehrt LC-MS/MS-Verfahren angewandt. Vorteil dieser ist, dass der Nachweis von Substanzen selektiv erfolgt und Kreuzreaktionen nicht stattfinden. Weiterhin ist es vorteilhaft, dass die Konzentrationen von mehreren Analyten mit einer Messung bestimmt werden können. So ist es zum Beispiel möglich Cortisol und andere Steroide, z.B. dem Cortison parallel nachzuweisen. Cortison spielt für die physiologische Wirkung der Glucocorticosteroide im Körper keine Rolle, da es selbst nicht biologisch aktiv ist. Deshalb wurde es in bisherigen Forschungen für diagnostische Aussagen nicht berücksichtigt. Mit Verwendung der LC-MS/MS-Technologie werden jedoch beide endogenen GCs zunehmend nebeneinander bestimmt. Bei der Betrachtung von unterschiedlichen Untersuchungsmedien ist auffällig, dass sich die Konzentrationsverhältnisse Cortisol zu Cortison unterscheiden. Entgegengesetzte Verhält-nisse werden ersichtlich, wenn die GC-Konzentrationen im Blut mit denen im Speichel bzw. Haar verglichen werden. Bisher wurden diese Beobachtungen mit der lokalen Wirksamkeit von Enzymen, welche die Corticosteroide ineinander umwandeln, erklärt. Im Rahmen der vorliegenden Dissertation wurde folgender Fragestellung für die Nachweisbarkeit der Glucocorticosteroide nachgegangen: „Wie hoch ist der Anteil der Plasmaproteinbindung der GCs im Blut und welche Rückschlüsse lassen sich daraus auf die Konzentrationsverschiebung innerhalb der einzelnen Matrizes ziehen?“ Basierend auf die einzelnen Teilprojekte wurden sowohl Plasmaproben als auch Speichel- und Haarproben hinsichtlich ihrer GC-Konzentrationen analysiert. Die Untersuchung von Kontrollproben ermöglichte es, Referenzwerte unter Normalbedingungen zu erheben. Die Ergebnisse aus den Projekten ergaben, dass die beiden endogen GCs Cortisol und Cortison in unterschiedlichen Konzentrationsverhältnissen in den Analysenmedien vorkommen: Plasma: Gesamtkonzentration F:E ca. 3:1 freie Konzentrationen F:E ca. 1:1 Speichel: F:E ca. 1:5 Haar: F:E ca. 1:3 Die Bestimmung der Plasmaproteinbindung (PPB) beider endogener GCs hat gezeigt, dass Cortisol mit ca. 96 % stärker an die Transportproteine CBG und Albumin bindet als Cortison mit ca. 85 %. Dies führt dazu, dass sich die freien, nicht-proteingebundenen Konzentrationen angleichen und es zu einer Verhältnisverschiebung von Cortisol zu Cortison von 3:1 auf 1:1 kommt. Somit stehen vergleichbare Konzentrationen für die Inkorporation ins Haar bzw. die Diffusion in den Speichel zur Verfügung. Es konnte gezeigt werden, dass die freien Plasmakonzentrationen beider GC stark mit den Speichelkonzentrationen korrelieren. Cortisol aber unterproportional und Cortison überproportional vom Plasma in den Speichel übergeht. Dies kann mit zwei weiteren Mechanismen, welche während der Diffusion eine Rolle spielen, der unterschiedlichen Lipophilie und der Inaktivierung durch lokale Enzym-reaktionen, erklärt werden. Weiterhin wurde gezeigt, dass sich die Tagesrhythmik der GC-Produktion im Speichel abbilden lässt und eine starke Korrelation zwischen Cortison und Cortisol vorliegt. Mit Hilfe einer Grenzfunktion können endogene Referenzkonzentrationen definiert und Messdaten eingeordnet werden. Unter anderem wurde gezeigt, dass eine Hormonersatztherapie mit Hydrocortison zu einer Verschiebung der Metabolisierung und der PPB führt und somit ein Gebrauch/Missbrauch von GCs durch abweichende Konzentrationsverhältnisse nachweisbar ist. Speicheluntersuchungen während einer chronischen Stresssituation (Schwangerschaft) zeigen, dass die GC-Produktion stetig ansteigt und sich besonders die morgendlichen Werte unterscheiden. Um die tageszeitlichen und stressbedingten Schwankungen der GC-Produktion auszublenden und eine längere Zeitspanne zu betrachten, wurden zusätzlich Haarproben analysiert. In diesen wurde ein kontinuierlicher Anstieg der GCs in den proximalen Haarsegmenten nachgewiesen, was auf eine kontinuierlich erhöhte Inkorporation während der chronischen Stresssituation schließen lässt. Außerdem wurde gezeigt, dass die Haarkonzentrationen dem Auswascheffekt unterliegen und die nachweisbaren Konzentrationen geringer werden, je älter das Haar wird. Schlussfolgernd kann gesagt werden, dass beide Mechanismen (Einlagerung und Auswaschung) konkurrieren und deshalb Referenzdaten nur für das proximale Segment erhoben werden können. Für weitere Segmente sind die Auswirkungen der individuellen Einflüsse nicht mehr allgemeingültig kalkulierbar und nur noch intraindividuelle Vergleiche nach mehrmaliger Beprobung aussagekräftig. Sind die Effekte der verstärkten Inkorporation größer als die Auswaschung, lassen sich diese auch Monate später erkennen. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass die Plasmaproteinbindung der GCs zur Verhältnisverschiebung der Konzentrationen im Blut, Speichel und Haar beiträgt. Etwa 50 % des beobachteten Effekts kann der PPB zugeordnet werden. Weitere Quellen sind die unterschiedliche Lipophilie der GCs und die enzymatische Umwandlung, welche im Rahmen der vorliegenden Arbeit jedoch nicht „quantitativ“ betrachtet wurden. Die enzymatische Inaktivierung wurde bis dato als Hauptverantwortliche für die Konzentrationsverschiebung diskutiert. Mit der aktuellen Arbeit wurde dies widerlegt, und die Plasmaproteinbindung als Hauptquelle identifiziert.

Foi realizado um estudo de farmacocinética da polimixina B em pacientes críticos com desenvolvimento de um modelo populacional. Os critérios de inclusão foram pacientes internados em Unidade de Terapia Intensiva, com idade igual ou superior a 18 anos e em uso de polimixina B intravenosa por um período mínimo de 48 horas. Amostras de sangue, urina e dialisato foram coletadas durante um intervalo de doses no estado de equilíbrio. A concentração de polimixina B no plasma foi medida por meio de cromatografia líquida de alta performance associada à espectrometria de massas acoplada à espectrometria de massas, sua ligação às proteínas plasmáticas foi determinada por meio de diálise de equilíbrio rápido e a fração livre foi calculada. Foram realizadas análise farmacocinética populacional e Simulações de Monte Carlo. Foram incluídos 24 pacientes, dos quais dois estavam em hemodiálise contínua; 54,2% eram do sexo masculino e as medianas da idade, do escore APACHE e do peso corporal total foram de 61,5 anos, 21,5 e 62,5kg, respectivamente. As doses de polimixina B, conforme prescrição do médico assistente, variaram entre 0,45-3,38mg/kg/dia. O clearance estimado da creatinina nos 22 pacientes sem hemodiálise variou entre 10-143mL/min. A mediana da fração livre plasmática da polimixina B foi de 0,42 e a média (± desvio padrão) da fração livre da área sob a curva ao longo de um dia (fAUC0-24h) da polimixina B foi de 29,2±12,0mg•h/L, incluindo os pacientes em hemodiálise. A polimixina B foi excretada predominantemente por vias não renais e as medianas de sua recuperação urinária de forma inalterada foi de 4,04% e do seu clearance renal foi de 0,061L/hora. Nos pacientes 1 e 2 em hemodiálise foram identificados, respectivamente, clearance corporal total de 0,043 e 0,027L/h/kg, clearance da hemodiálise de 0,0052 e 0,0015L/h/kg; no dialisato foram recuperados 12,2% e 5,62% da dose como polimixina B não modificada. O clearance corporal total da polimixina B não mostrou nenhuma relação com o clearance da creatinina, escore APACHE II ou idade. A disposição da polimixina B no tempo foi adequadamente descrita pelo modelo de dois compartimentos com eliminação linear. O modelo farmacocinético populacional proporcionou ajustes excelentes para os perfis observados de concentração-tempo para pacientes individuais e as concentrações individuais e populacionais ajustadas foram precisas. O ajuste dos clearances e dos volumes de distribuição para o peso corporal total reduziu a variabilidade intersujeitos em 3,4% para o clearance e 41,7% para o volume de distribuição central; nos pacientes em diálise, após esse ajuste, os parâmetros estimados se assemelharam aos dos demais pacientes. As Simulações de Monte Carlo foram feitas com seis diferentes regimes de doses clinicamente relevantes escalonados pelo peso corporal total. O regime de doses de 1,5mg/kg 12/12h forneceu uma AUC0-24h de polimixina B no dia 4 de 90.4mg•hora/L para 50% dos pacientes, adequada para erradicação bacteriana em infecções graves por Pseudomonas aeruginosa ou Acinetobacter baumannii com concentração inibitória mínima para a polimixina B ≤2mg/L. Nas Simulações de Monte Carlo também foi possível identificar que uma melhor área sob a curva só foi atingida no dia 4 de tratamento. Este estudo mostrou que a dose de polimixina B intravenosa deve ser ajustada ao peso corporal total, que o melhor regime de doses é o de 1,5mg/kg 12/12h precedido de dose de ataque de 2,5mg/kg e que não há indicação de ajuste para a função renal, mesmo em pacientes em hemodiálise contínua. / A polymyxin B pharmacokinetics study in critically ill patients was conducted with the development of a population modeling. The inclusion criteria were patients from Intensive Care Unit, aged ≥18 years who received intravenous polymyxin B for ≥ 48 hours. Blood, urine and dialysate samples were collected over a dosing interval at steady state. Polymyxin B concentrations was measured by liquid chromatography- tandem mass spectrometry, its plasma protein binding was determined by rapid equilibrium dialysis and unbound fraction was calculated. Population pharmacokinetic analysis and Monte Carlo Simulations were conducted. Twenty four patients were enrolled, two of whom on continuous hemodialysis; 54.2% were male; the median of age, APACHE II score and total body weight were 61.5years, 21.5 and 62.5kg, respectively. The physician-selected dose of polymyxin B was 0.45- 3.38mg/kg/day. The creatinine clearance of the 22 patients without hemodialysis ranged from 10 to 143mL/min. The median unbound fraction in plasma of polymyxin B was 0.42 and the mean (± standard deviation) of the area under the curve over a day for unbound (fAUC0-24h) polymyxin B was 29.2±12.0mg•hour/L, including hemodialysis patients. Polymyxin B was predominantly nonrenally cleared with median unchanged urinary recovered of 4.04%; the median renal clearance was 0.061L/hour. Patients 1 and 2 in hemodialysis presented, respectively, total body clearance of 0.043 and 0.027L/h/kg, hemodialysis clearance of 0.0052 and 0.0015L/h/kg; 12.2% and 5.62% of the polymyxin dose were recovered intact in the dialysate. Polymyxin B total body clearance did not show any relationship with creatinine clearance, APACHE II score, or age. The time course of polymyxin B concentrations was well described by a 2-compartment disposition model with linear elimination. The population pharmacokinetics model provided excellent fits to the observed concentration-time profiles for individual patients and the individual-fitted and population-fitted concentrations were adequately precise. Linear scaling of clearances and volumes of distribution by total body weight reduced the between subject variability in 3.4% for clearance and 41.7% for the central volume of distribution; after this scaling, the estimated parameters in hemodialysis patients were within the range of estimates from the other patients. The population mean of the total body clearance of polymyxin B when scaled by total body weight (0.0276L/hour/kg) showed remarkably low interindividual variability. The Monte Carlo Simulations were performed for six different clinically relevant dosage regimens scaled by total body weight. The regimen of 1.5mg/kg/12 hours provided an AUC0- 24h of polymyxin B of 90.4 mg•h/L in day 4 for 50% of patients which is appropriate considering severe infections by Pseudomonas aeruginosa or Acinetobacter baumannii with minimal inhibitory concentration for polymyxin B ≤2mg/L. In Monte Carlo Simulations we also identified that the best area under the curve was attained only in the day 4 of the treatment. This study showed that doses of intravenous polymyxin B are best scaled by total body weight, that the best regimen of doses is 3mg/kg/day with a loading dose of 2.5mg/kg and that its dosage selection should not be based on renal function, even in patients in continuous hemodialysis.

Foi realizado um estudo de farmacocinética da polimixina B em pacientes críticos com desenvolvimento de um modelo populacional. Os critérios de inclusão foram pacientes internados em Unidade de Terapia Intensiva, com idade igual ou superior a 18 anos e em uso de polimixina B intravenosa por um período mínimo de 48 horas. Amostras de sangue, urina e dialisato foram coletadas durante um intervalo de doses no estado de equilíbrio. A concentração de polimixina B no plasma foi medida por meio de cromatografia líquida de alta performance associada à espectrometria de massas acoplada à espectrometria de massas, sua ligação às proteínas plasmáticas foi determinada por meio de diálise de equilíbrio rápido e a fração livre foi calculada. Foram realizadas análise farmacocinética populacional e Simulações de Monte Carlo. Foram incluídos 24 pacientes, dos quais dois estavam em hemodiálise contínua; 54,2% eram do sexo masculino e as medianas da idade, do escore APACHE e do peso corporal total foram de 61,5 anos, 21,5 e 62,5kg, respectivamente. As doses de polimixina B, conforme prescrição do médico assistente, variaram entre 0,45-3,38mg/kg/dia. O clearance estimado da creatinina nos 22 pacientes sem hemodiálise variou entre 10-143mL/min. A mediana da fração livre plasmática da polimixina B foi de 0,42 e a média (± desvio padrão) da fração livre da área sob a curva ao longo de um dia (fAUC0-24h) da polimixina B foi de 29,2±12,0mg•h/L, incluindo os pacientes em hemodiálise. A polimixina B foi excretada predominantemente por vias não renais e as medianas de sua recuperação urinária de forma inalterada foi de 4,04% e do seu clearance renal foi de 0,061L/hora. Nos pacientes 1 e 2 em hemodiálise foram identificados, respectivamente, clearance corporal total de 0,043 e 0,027L/h/kg, clearance da hemodiálise de 0,0052 e 0,0015L/h/kg; no dialisato foram recuperados 12,2% e 5,62% da dose como polimixina B não modificada. O clearance corporal total da polimixina B não mostrou nenhuma relação com o clearance da creatinina, escore APACHE II ou idade. A disposição da polimixina B no tempo foi adequadamente descrita pelo modelo de dois compartimentos com eliminação linear. O modelo farmacocinético populacional proporcionou ajustes excelentes para os perfis observados de concentração-tempo para pacientes individuais e as concentrações individuais e populacionais ajustadas foram precisas. O ajuste dos clearances e dos volumes de distribuição para o peso corporal total reduziu a variabilidade intersujeitos em 3,4% para o clearance e 41,7% para o volume de distribuição central; nos pacientes em diálise, após esse ajuste, os parâmetros estimados se assemelharam aos dos demais pacientes. As Simulações de Monte Carlo foram feitas com seis diferentes regimes de doses clinicamente relevantes escalonados pelo peso corporal total. O regime de doses de 1,5mg/kg 12/12h forneceu uma AUC0-24h de polimixina B no dia 4 de 90.4mg•hora/L para 50% dos pacientes, adequada para erradicação bacteriana em infecções graves por Pseudomonas aeruginosa ou Acinetobacter baumannii com concentração inibitória mínima para a polimixina B ≤2mg/L. Nas Simulações de Monte Carlo também foi possível identificar que uma melhor área sob a curva só foi atingida no dia 4 de tratamento. Este estudo mostrou que a dose de polimixina B intravenosa deve ser ajustada ao peso corporal total, que o melhor regime de doses é o de 1,5mg/kg 12/12h precedido de dose de ataque de 2,5mg/kg e que não há indicação de ajuste para a função renal, mesmo em pacientes em hemodiálise contínua. / A polymyxin B pharmacokinetics study in critically ill patients was conducted with the development of a population modeling. The inclusion criteria were patients from Intensive Care Unit, aged ≥18 years who received intravenous polymyxin B for ≥ 48 hours. Blood, urine and dialysate samples were collected over a dosing interval at steady state. Polymyxin B concentrations was measured by liquid chromatography- tandem mass spectrometry, its plasma protein binding was determined by rapid equilibrium dialysis and unbound fraction was calculated. Population pharmacokinetic analysis and Monte Carlo Simulations were conducted. Twenty four patients were enrolled, two of whom on continuous hemodialysis; 54.2% were male; the median of age, APACHE II score and total body weight were 61.5years, 21.5 and 62.5kg, respectively. The physician-selected dose of polymyxin B was 0.45- 3.38mg/kg/day. The creatinine clearance of the 22 patients without hemodialysis ranged from 10 to 143mL/min. The median unbound fraction in plasma of polymyxin B was 0.42 and the mean (± standard deviation) of the area under the curve over a day for unbound (fAUC0-24h) polymyxin B was 29.2±12.0mg•hour/L, including hemodialysis patients. Polymyxin B was predominantly nonrenally cleared with median unchanged urinary recovered of 4.04%; the median renal clearance was 0.061L/hour. Patients 1 and 2 in hemodialysis presented, respectively, total body clearance of 0.043 and 0.027L/h/kg, hemodialysis clearance of 0.0052 and 0.0015L/h/kg; 12.2% and 5.62% of the polymyxin dose were recovered intact in the dialysate. Polymyxin B total body clearance did not show any relationship with creatinine clearance, APACHE II score, or age. The time course of polymyxin B concentrations was well described by a 2-compartment disposition model with linear elimination. The population pharmacokinetics model provided excellent fits to the observed concentration-time profiles for individual patients and the individual-fitted and population-fitted concentrations were adequately precise. Linear scaling of clearances and volumes of distribution by total body weight reduced the between subject variability in 3.4% for clearance and 41.7% for the central volume of distribution; after this scaling, the estimated parameters in hemodialysis patients were within the range of estimates from the other patients. The population mean of the total body clearance of polymyxin B when scaled by total body weight (0.0276L/hour/kg) showed remarkably low interindividual variability. The Monte Carlo Simulations were performed for six different clinically relevant dosage regimens scaled by total body weight. The regimen of 1.5mg/kg/12 hours provided an AUC0- 24h of polymyxin B of 90.4 mg•h/L in day 4 for 50% of patients which is appropriate considering severe infections by Pseudomonas aeruginosa or Acinetobacter baumannii with minimal inhibitory concentration for polymyxin B ≤2mg/L. In Monte Carlo Simulations we also identified that the best area under the curve was attained only in the day 4 of the treatment. This study showed that doses of intravenous polymyxin B are best scaled by total body weight, that the best regimen of doses is 3mg/kg/day with a loading dose of 2.5mg/kg and that its dosage selection should not be based on renal function, even in patients in continuous hemodialysis.

Foi realizado um estudo de farmacocinética da polimixina B em pacientes críticos com desenvolvimento de um modelo populacional. Os critérios de inclusão foram pacientes internados em Unidade de Terapia Intensiva, com idade igual ou superior a 18 anos e em uso de polimixina B intravenosa por um período mínimo de 48 horas. Amostras de sangue, urina e dialisato foram coletadas durante um intervalo de doses no estado de equilíbrio. A concentração de polimixina B no plasma foi medida por meio de cromatografia líquida de alta performance associada à espectrometria de massas acoplada à espectrometria de massas, sua ligação às proteínas plasmáticas foi determinada por meio de diálise de equilíbrio rápido e a fração livre foi calculada. Foram realizadas análise farmacocinética populacional e Simulações de Monte Carlo. Foram incluídos 24 pacientes, dos quais dois estavam em hemodiálise contínua; 54,2% eram do sexo masculino e as medianas da idade, do escore APACHE e do peso corporal total foram de 61,5 anos, 21,5 e 62,5kg, respectivamente. As doses de polimixina B, conforme prescrição do médico assistente, variaram entre 0,45-3,38mg/kg/dia. O clearance estimado da creatinina nos 22 pacientes sem hemodiálise variou entre 10-143mL/min. A mediana da fração livre plasmática da polimixina B foi de 0,42 e a média (± desvio padrão) da fração livre da área sob a curva ao longo de um dia (fAUC0-24h) da polimixina B foi de 29,2±12,0mg•h/L, incluindo os pacientes em hemodiálise. A polimixina B foi excretada predominantemente por vias não renais e as medianas de sua recuperação urinária de forma inalterada foi de 4,04% e do seu clearance renal foi de 0,061L/hora. Nos pacientes 1 e 2 em hemodiálise foram identificados, respectivamente, clearance corporal total de 0,043 e 0,027L/h/kg, clearance da hemodiálise de 0,0052 e 0,0015L/h/kg; no dialisato foram recuperados 12,2% e 5,62% da dose como polimixina B não modificada. O clearance corporal total da polimixina B não mostrou nenhuma relação com o clearance da creatinina, escore APACHE II ou idade. A disposição da polimixina B no tempo foi adequadamente descrita pelo modelo de dois compartimentos com eliminação linear. O modelo farmacocinético populacional proporcionou ajustes excelentes para os perfis observados de concentração-tempo para pacientes individuais e as concentrações individuais e populacionais ajustadas foram precisas. O ajuste dos clearances e dos volumes de distribuição para o peso corporal total reduziu a variabilidade intersujeitos em 3,4% para o clearance e 41,7% para o volume de distribuição central; nos pacientes em diálise, após esse ajuste, os parâmetros estimados se assemelharam aos dos demais pacientes. As Simulações de Monte Carlo foram feitas com seis diferentes regimes de doses clinicamente relevantes escalonados pelo peso corporal total. O regime de doses de 1,5mg/kg 12/12h forneceu uma AUC0-24h de polimixina B no dia 4 de 90.4mg•hora/L para 50% dos pacientes, adequada para erradicação bacteriana em infecções graves por Pseudomonas aeruginosa ou Acinetobacter baumannii com concentração inibitória mínima para a polimixina B ≤2mg/L. Nas Simulações de Monte Carlo também foi possível identificar que uma melhor área sob a curva só foi atingida no dia 4 de tratamento. Este estudo mostrou que a dose de polimixina B intravenosa deve ser ajustada ao peso corporal total, que o melhor regime de doses é o de 1,5mg/kg 12/12h precedido de dose de ataque de 2,5mg/kg e que não há indicação de ajuste para a função renal, mesmo em pacientes em hemodiálise contínua. / A polymyxin B pharmacokinetics study in critically ill patients was conducted with the development of a population modeling. The inclusion criteria were patients from Intensive Care Unit, aged ≥18 years who received intravenous polymyxin B for ≥ 48 hours. Blood, urine and dialysate samples were collected over a dosing interval at steady state. Polymyxin B concentrations was measured by liquid chromatography- tandem mass spectrometry, its plasma protein binding was determined by rapid equilibrium dialysis and unbound fraction was calculated. Population pharmacokinetic analysis and Monte Carlo Simulations were conducted. Twenty four patients were enrolled, two of whom on continuous hemodialysis; 54.2% were male; the median of age, APACHE II score and total body weight were 61.5years, 21.5 and 62.5kg, respectively. The physician-selected dose of polymyxin B was 0.45- 3.38mg/kg/day. The creatinine clearance of the 22 patients without hemodialysis ranged from 10 to 143mL/min. The median unbound fraction in plasma of polymyxin B was 0.42 and the mean (± standard deviation) of the area under the curve over a day for unbound (fAUC0-24h) polymyxin B was 29.2±12.0mg•hour/L, including hemodialysis patients. Polymyxin B was predominantly nonrenally cleared with median unchanged urinary recovered of 4.04%; the median renal clearance was 0.061L/hour. Patients 1 and 2 in hemodialysis presented, respectively, total body clearance of 0.043 and 0.027L/h/kg, hemodialysis clearance of 0.0052 and 0.0015L/h/kg; 12.2% and 5.62% of the polymyxin dose were recovered intact in the dialysate. Polymyxin B total body clearance did not show any relationship with creatinine clearance, APACHE II score, or age. The time course of polymyxin B concentrations was well described by a 2-compartment disposition model with linear elimination. The population pharmacokinetics model provided excellent fits to the observed concentration-time profiles for individual patients and the individual-fitted and population-fitted concentrations were adequately precise. Linear scaling of clearances and volumes of distribution by total body weight reduced the between subject variability in 3.4% for clearance and 41.7% for the central volume of distribution; after this scaling, the estimated parameters in hemodialysis patients were within the range of estimates from the other patients. The population mean of the total body clearance of polymyxin B when scaled by total body weight (0.0276L/hour/kg) showed remarkably low interindividual variability. The Monte Carlo Simulations were performed for six different clinically relevant dosage regimens scaled by total body weight. The regimen of 1.5mg/kg/12 hours provided an AUC0- 24h of polymyxin B of 90.4 mg•h/L in day 4 for 50% of patients which is appropriate considering severe infections by Pseudomonas aeruginosa or Acinetobacter baumannii with minimal inhibitory concentration for polymyxin B ≤2mg/L. In Monte Carlo Simulations we also identified that the best area under the curve was attained only in the day 4 of the treatment. This study showed that doses of intravenous polymyxin B are best scaled by total body weight, that the best regimen of doses is 3mg/kg/day with a loading dose of 2.5mg/kg and that its dosage selection should not be based on renal function, even in patients in continuous hemodialysis.

Glucocorticosteroide (GC) spielen für viele endogene Prozesse im Organismus eine wichtige Rolle. Sie regulieren die Gluconeogenese sowie den Lipid- und Proteinstoffwechsel. Außerdem sind sie für die Stressregulierung über die Hypothalamus-Nebennierenrinden-Achse verantwortlich. Therapeutisch kommen die GCs wegen ihrer entzündungshemmenden Wirkung zum Einsatz und werden u.a. bei Asthma und Gelenkentzündungen angewandt. Diese Eigenschaft macht sie auch interessant für den Gebrauch im Sportbereich. Dort wird ihre Anwendung über die Weltantidopingagentur reguliert. Ihr oraler, intramuskulärer, intravenöser und rektaler Gebrauch ist im Wettkampf verboten. Diese Einschränkung bzgl. des Applikationszeitraumes und des Applikationsweges erschwert die diagnostische Aussagekraft von Routinedopingproben, welche im Urin durchgeführt werden. Ein Grenzwert von 30 ng/ml soll einen legalen Gebrauch von einem Missbrauch abgrenzen. Die endogenen Glucocorticosteroide stellen hierbei jedoch einen Graubereich dar. Endogen wird Cortisol in einem zirkadianen Rhythmus produziert und die Produktion ist stressinduziert. Somit kommt es zu ausgeprägten intra- und interindividuellen Streuungen der endogenen Produktion. Dadurch bedingt ist eine Abgrenzung der endogenen Produktion von einer legalen Anwendung bzw. einem Missbrauch im Rahmen der Dopingrichtlinien im Urin nicht möglich. Speziell für den Nachweis von endogenen Substanzen ist es wichtig, eine Methode zu finden, mit der es möglich ist, die endogene Produktion von einer exogenen Bezugsquelle abzugrenzen. Dabei haben sich zwei Wege als hilfreich herausgestellt. Zum einen, wenn die Differenzierung nicht an Hand von Absolutkonzentrationen sondern durch die Anwendung von Analytverhältnissen durchgeführt wird. Zum anderen, wenn zusätzliche Untersuchungen im Speichel oder Haar durchgeführt werden. Haar- und Speichelproben zählen zu den ergänzenden Matrizes der Routineuntersuchungsmedien Urin und Blut und werden bereits in vielen forensischen und klinischen Laboren für diagnostische Fragestellungen verwendet. Diese Matrizes liefern wichtige Hinweise auf den akuten (Speichel) oder chronischen/ zurückliegenden (Haar) Gebrauch bzw. Missbrauch von Medikamenten und Drogen. Sowohl die Haar- als auch Speichelmatrix sollen den physiologisch aktiven Anteil von Substanzen im Blut widerspiegeln und somit korrektere Rückschlüsse auf deren Wirksamkeit zulassen. Das endogene Glucocorticosteroid Cortisol steht seit der Jahrtausendwende im Blickpunkt vieler Forschungen, welche sich mit dessen Bedeutung für die Stressantwort befassen und Cortisol u.a. im Speichel und Haar nachweisen. Auffällig ist dabei, dass die ersten Arbeiten fast ausschließlich mittels immunchemischen Nachweisverfahren erfolgten. Erst in den letzten fünf Jahren wurde vermehrt LC-MS/MS-Verfahren angewandt. Vorteil dieser ist, dass der Nachweis von Substanzen selektiv erfolgt und Kreuzreaktionen nicht stattfinden. Weiterhin ist es vorteilhaft, dass die Konzentrationen von mehreren Analyten mit einer Messung bestimmt werden können. So ist es zum Beispiel möglich Cortisol und andere Steroide, z.B. dem Cortison parallel nachzuweisen. Cortison spielt für die physiologische Wirkung der Glucocorticosteroide im Körper keine Rolle, da es selbst nicht biologisch aktiv ist. Deshalb wurde es in bisherigen Forschungen für diagnostische Aussagen nicht berücksichtigt. Mit Verwendung der LC-MS/MS-Technologie werden jedoch beide endogenen GCs zunehmend nebeneinander bestimmt. Bei der Betrachtung von unterschiedlichen Untersuchungsmedien ist auffällig, dass sich die Konzentrationsverhältnisse Cortisol zu Cortison unterscheiden. Entgegengesetzte Verhält-nisse werden ersichtlich, wenn die GC-Konzentrationen im Blut mit denen im Speichel bzw. Haar verglichen werden. Bisher wurden diese Beobachtungen mit der lokalen Wirksamkeit von Enzymen, welche die Corticosteroide ineinander umwandeln, erklärt. Im Rahmen der vorliegenden Dissertation wurde folgender Fragestellung für die Nachweisbarkeit der Glucocorticosteroide nachgegangen: „Wie hoch ist der Anteil der Plasmaproteinbindung der GCs im Blut und welche Rückschlüsse lassen sich daraus auf die Konzentrationsverschiebung innerhalb der einzelnen Matrizes ziehen?“ Basierend auf die einzelnen Teilprojekte wurden sowohl Plasmaproben als auch Speichel- und Haarproben hinsichtlich ihrer GC-Konzentrationen analysiert. Die Untersuchung von Kontrollproben ermöglichte es, Referenzwerte unter Normalbedingungen zu erheben. Die Ergebnisse aus den Projekten ergaben, dass die beiden endogen GCs Cortisol und Cortison in unterschiedlichen Konzentrationsverhältnissen in den Analysenmedien vorkommen: Plasma: Gesamtkonzentration F:E ca. 3:1 freie Konzentrationen F:E ca. 1:1 Speichel: F:E ca. 1:5 Haar: F:E ca. 1:3 Die Bestimmung der Plasmaproteinbindung (PPB) beider endogener GCs hat gezeigt, dass Cortisol mit ca. 96 % stärker an die Transportproteine CBG und Albumin bindet als Cortison mit ca. 85 %. Dies führt dazu, dass sich die freien, nicht-proteingebundenen Konzentrationen angleichen und es zu einer Verhältnisverschiebung von Cortisol zu Cortison von 3:1 auf 1:1 kommt. Somit stehen vergleichbare Konzentrationen für die Inkorporation ins Haar bzw. die Diffusion in den Speichel zur Verfügung. Es konnte gezeigt werden, dass die freien Plasmakonzentrationen beider GC stark mit den Speichelkonzentrationen korrelieren. Cortisol aber unterproportional und Cortison überproportional vom Plasma in den Speichel übergeht. Dies kann mit zwei weiteren Mechanismen, welche während der Diffusion eine Rolle spielen, der unterschiedlichen Lipophilie und der Inaktivierung durch lokale Enzym-reaktionen, erklärt werden. Weiterhin wurde gezeigt, dass sich die Tagesrhythmik der GC-Produktion im Speichel abbilden lässt und eine starke Korrelation zwischen Cortison und Cortisol vorliegt. Mit Hilfe einer Grenzfunktion können endogene Referenzkonzentrationen definiert und Messdaten eingeordnet werden. Unter anderem wurde gezeigt, dass eine Hormonersatztherapie mit Hydrocortison zu einer Verschiebung der Metabolisierung und der PPB führt und somit ein Gebrauch/Missbrauch von GCs durch abweichende Konzentrationsverhältnisse nachweisbar ist. Speicheluntersuchungen während einer chronischen Stresssituation (Schwangerschaft) zeigen, dass die GC-Produktion stetig ansteigt und sich besonders die morgendlichen Werte unterscheiden. Um die tageszeitlichen und stressbedingten Schwankungen der GC-Produktion auszublenden und eine längere Zeitspanne zu betrachten, wurden zusätzlich Haarproben analysiert. In diesen wurde ein kontinuierlicher Anstieg der GCs in den proximalen Haarsegmenten nachgewiesen, was auf eine kontinuierlich erhöhte Inkorporation während der chronischen Stresssituation schließen lässt. Außerdem wurde gezeigt, dass die Haarkonzentrationen dem Auswascheffekt unterliegen und die nachweisbaren Konzentrationen geringer werden, je älter das Haar wird. Schlussfolgernd kann gesagt werden, dass beide Mechanismen (Einlagerung und Auswaschung) konkurrieren und deshalb Referenzdaten nur für das proximale Segment erhoben werden können. Für weitere Segmente sind die Auswirkungen der individuellen Einflüsse nicht mehr allgemeingültig kalkulierbar und nur noch intraindividuelle Vergleiche nach mehrmaliger Beprobung aussagekräftig. Sind die Effekte der verstärkten Inkorporation größer als die Auswaschung, lassen sich diese auch Monate später erkennen. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass die Plasmaproteinbindung der GCs zur Verhältnisverschiebung der Konzentrationen im Blut, Speichel und Haar beiträgt. Etwa 50 % des beobachteten Effekts kann der PPB zugeordnet werden. Weitere Quellen sind die unterschiedliche Lipophilie der GCs und die enzymatische Umwandlung, welche im Rahmen der vorliegenden Arbeit jedoch nicht „quantitativ“ betrachtet wurden. Die enzymatische Inaktivierung wurde bis dato als Hauptverantwortliche für die Konzentrationsverschiebung diskutiert. Mit der aktuellen Arbeit wurde dies widerlegt, und die Plasmaproteinbindung als Hauptquelle identifiziert.

The study of pharmaceutical preformulation includes the evaluation of pharmacokinetic, pharmacodynamic and physicochemical properties of the drug molecules that aid the formulation. However, it has a limited role in determining drug dosage optimisation in the formulation. The study of drug-Plasma Protein Binding (PPB), and the lipophilicity, solubility, and ionic behaviours of the desired drug molecules addresses the gap and enhances our undertraining related to the behaviour of the drug molecules in the body. The High-Performance Liquid Chromatography (HPLC) technique was used in the current study to assess drug-PPB interaction. Using Michael Abraham’s ‘Linear Free Energy Relationship’ (LFER) method, two major plasma proteins namely, Human Serum Albumin as HSA and α-1-Acid Glycoprotein as AGP, were used and the structural properties governing drug-plasma protein binding was determined. This is the first time that the effect of ionised species on PPB has been quantitatively evaluated. In addition, the molecular interactions also play a key role in the supramolecular complexes of co-crystals. The project also evaluated the co-crystallisation process and its effect on physicochemical properties of the drug. In the current study, amino acids (AAs) have been observed to be a prominent source of coformers. The AAs showed co-crystals formation with carboxylic acids, nonsteroidal anti-inflammatory drug (NSAID) and citric acid which overcome the hygroscopicity problems and improved the physical stability issues during storage. This study has also identified a new formulation which is helpful for improvement in the stability of effervescent tablets at various relative humidity (RH) conditions which will reduce the manufacturing cost associated with the production of effervescent tablets.

La prédiction des paramètres pharmacocinétiques/toxicocinétiques (PK/TK), tels que la clairance intrinsèque (CLint) et la clairance hépatique (CLh) des médicaments, demeure un défi majeur en modélisation quantitative. Selon « l’hypothèse du médicament libre », seul le médicament libre peut traverser la membrane plasmique et la CLh de ce médicament est calculée en fonction de sa fraction libre (fup). Néanmoins, la captation hépatique facilitée par l’albumine (ALB) représente clairement une violation de « l’hypothèse du médicament libre ». Cette captation hépatique se base sur la possibilité que le complexe ALB-médicament puisse assurer un apport supplémentaire en médicament aux hépatocytes. Ainsi, cela pourrait expliquer en grande partie les sous-prédictions observées de CLh. Par ailleurs, certains médicaments peuvent se lier fortement à plusieurs protéines plasmatiques telles que l’ALB et l’alpha-1-glycoprotéine acide (AGP). Ainsi, la forte liaison d’un même médicament à l’ALB, à l’AGP, ou aux deux, pourrait avoir des répercussions bien distinctes sur la prédiction de ces paramètres PK/TK. Cependant, aucune étude n’a été faite pour simuler la différence entre leurs effets. L’objectif principal de cette thèse est donc d’évaluer (avec plus d’exactitude et de précision), pour une série de médicaments, en condition in vivo (ou in situ), ces répercussions en présence des deux protéines plasmatiques, conjointement ou séparément. En outre, il est indispensable de vérifier si une approche générique en modélisation peut être appliquée. Cette thèse est répartie en trois objectifs spécifiques. Le premier est de proposer un arbre décisionnel pour faciliter la sélection des approches prédictives appropriées de CLhin vivo pour des médicaments ayant des caractéristiques différentes. Le second est d’évaluer les répercussions de fortes liaisons aux deux protéines plasmatiques ALB et AGP sur la CLh de deux xénobiotiques choisis (perampanel (PER) et fluoxétine (FLU)) ; ces médicaments ont de fortes affinités pour les deux protéines et un métabolisme exclusif (ou prédominant) dans le foie. Et, le dernier est de développer et valider un nouveau modèle prédictif de CLh pour les xénobiotiques ayant le potentiel de se lier fortement dans le plasma, à l’ALB ainsi qu’à l’AGP. Dans un premier temps, des données in vitro rapportées chez l’humain ont été colligées pour 19 médicaments (substrats des transporteurs OAT2 et OATP1B1), et ont été ensuite utilisées dans six modèles d’extrapolation in vitro-in vivo (IVIVE) pour prédire lesdits paramètres. Après une comparaison statistique, les résultats ont montré que l’approche 2 (c’est-à-dire « fup-adjusted model ») qui se base sur la captation hépatique facilitée par l’ALB, avait la meilleure performance prédictive. Cependant, l’approche 5 (c’est-à-dire « Extended Clearance Model ») qui se base sur le transport facilité, en était une très pertinente à appliquer pour les substrats de transporteurs membranaires. Lesdits substrats seraient potentiellement moins affectés par l’ALB. Ainsi, un arbre décisionnel a été proposé pour choisir rapidement et judicieusement la meilleure approche IVIVE servant à prédire la CLhin vivo pour chaque xénobiotique en présence de l’ALB. Dans un deuxième temps, les médicaments PER et FLU ont été sélectionnés à partir d’une collecte de données (N= 1907 médicaments) en fonction de certains critères (avoir un métabolisme exclusif ou prédominant dans le foie, pas de transport facilité par les transporteurs membranaires, une haute affinité pour les deux protéines ALB et AGP, et un ratio de liaison à l’AGP sur celle à l’ALB proche de l’unité). Cette sélection a été réalisée pour faire des expériences sur des foies isolés et perfusés de rats (IPRL), en présence et en absence des protéines ALB et AGP (c’est-à-dire quatre scénarios IPRL). Les résultats IPRL ont démontré que PER est faiblement à moyennement métabolisé (extraction hépatique= 0,2-0,7), tandis que FLU est fortement métabolisé (extraction hépatique= 0,8-0,99). Le modèle Michaelis-Menten a été ajusté aux cinétiques métaboliques, et différents paramètres Vmax, Km et Km, u ont été obtenus de ce modèle. À de faibles concentrations libres pour les deux médicaments (c’est-à-dire à des concentrations thérapeutiques) et en présence des protéines plasmatiques, les valeurs de CLint non liée ont augmenté pour PER (avec l’ALB et le mélange des deux protéines (MIX)) et FLU (avec l’ALB, l’AGP et le MIX) par rapport à celles obtenues du scénario sans protéine (sauf pour PER avec AGP, lesdites valeurs ont diminué). Par ailleurs, les calculs des ratios CLint (SANS versus AVEC protéine) ont permis d’indiquer l’occurrence d’une facilitation de la captation hépatique de médicaments par l’ALB ou l’AGP. Ces ratios ont aussi permis de vérifier si la cinétique métabolique pour PER et FLU suivait soit « l’hypothèse du médicament libre » soit celle de « la captation hépatique facilitée par les protéines plasmatiques ». Dans un dernier temps, une nouvelle approche prédictive de CLh (approche WO-to-MIX) est développée en se basant sur une nouvelle notion de liaison fractionnelle et en intégrant dans le « fup-adjusted model » de nouveaux paramètres tels que la fraction liée à l’ALB (fB-ALB) et celle liée à l’AGP (fB-AGP) à partir du scénario MIX. Ce modèle est basé sur la captation facilitée par l’ALB. Contrairement à l’approche WO-to-MIX, le « well-stirred model » (ou modèle conventionnel) est basé sur l’hypothèse du médicament libre. Ensuite, les paramètres Vmax et Km obtenus in situ pour PER et FLU lors des expériences IPRL sans protéines, ont été utilisés en combinaison avec le paramètre intrant de la fraction libre ajustée (fup-adjusted) pour le « fup-adjusted model » ou avec la fraction libre (fup) pour le « well-stirred model ». Une comparaison des performances prédictives globales des deux modèles a été faite. Les performances prédictives du nouveau modèle étaient prometteuses, en particulier pour FLU qui montrait le plus haut degré de captation hépatique médiée par l’ALB, par rapport au modèle conventionnel. L’approche WO-to-MIX est une première validation d’un nouveau modèle d’extrapolation proposé pour les médicaments comme FLU qui se lient à l’ALB et à l’AGP. Néanmoins, le modèle conventionnel reste utile à utiliser pour les médicaments comme PER. L’exactitude de prédiction était inférieure pour ce dernier médicament probablement parce que la captation hépatique par l’ALB ne semble pas être maximale, et, par conséquent, l’utilisation de fup-adjusted a surestimé la CLhin vivo. Par conséquent, plus de travail est nécessaire en particulier pour PER. Cette thèse démontre qu’une seule approche générique pour prédire la CLh n’existe pas. Néanmoins, le choix d’une approche IVIVE ayant une performance prédictive satisfaisante est maintenant possible. Les résultats de cette thèse contribuent à : 1) mieux comprendre les répercussions sur les paramètres PK/TK de la forte liaison des médicaments à l’ALB et à l’AGP ; 2) choisir la meilleure approche prédictive de CLh sur la base de l’affinité du xénobiotique (médicament ou contaminant) pour chacune des protéines plasmatiques et des mécanismes impliqués dans le foie ; et 3) prédire la CLh avec précision et exactitude des xénobiotiques qui se lient aux deux protéines plasmatiques. Ces approches IVIVE pour la CLh pourront assurément être intégrées dans des modèles PK/TK à base physiologique pour les xénobiotiques afin d’améliorer la prédiction de leur pharmacocinétique et d’accélérer le processus de développement de médicaments. / The prediction of pharmacokinetic/toxicokinetic (PK/TK) parameters such as intrinsic clearance (CLint) and hepatic clearance (CLh) for highly bound drugs is a major challenge in quantitative modeling. According to the ‘free drug hypothesis’, only the free drug can pass through the plasma membrane and the CLh of this drug is calculated according to its free fraction (fup). Nevertheless, the hepatic uptake facilitated by albumin (ALB) is a violation of the ‘free drug hypothesis’. This facilitated hepatic uptake is based on the possibility that the ALB-drug complex may provide additional drug intake to the hepatocytes. Thus, this could largely explain the underpredictions of CLh. In addition, some drugs can bind extensively in plasma, and to several plasma proteins such as ALB and alpha-1-glycoprotein acid (AGP). Thus, the high binding of the same drug to either ALB or AGP, or to both, could have distinct impacts on the prediction of these PK/TK parameters. However, no study has yet explored how to simulate the difference between these impacts. The main objective of this thesis is therefore to evaluate (with accuracy and precision) for a series of drugs, in the in vivo (or in situ) condition, these impacts in the presence of the two plasma proteins, jointly or separately. Also, it is important to verify if a generic model can be applied. This thesis is divided into three specific objectives. The first is to propose a decision tree to facilitate the selection of appropriate predictive approaches of CLhin vivo for drugs with different characteristics. The second is to assess the impacts of extensive binding to the two plasma proteins ALB and AGP on the CLh of two selected xenobiotics (perampanel (PER) and fluoxetine (FLU)); these drugs have strong affinities to both proteins and an exclusive (or predominant) metabolism in the liver. And the last objective is to develop and validate a new predictive model of CLh for xenobiotics with the potential to bind extensively to ALB as well as to AGP. Firstly, in vitro data obtained in humans were collected for 19 drugs (i.e. substrates of OAT2 and OATP1B1 transporters) and were then used in six in vitro-to-in vivo (IVIVE) extrapolation models to predict these PK/TK parameters. After a statistical comparison, the results showed that the approach 2 (i.e. ‘fup-adjusted model’) that is based on the ALB-facilitated hepatic uptake, had the best predictive performance. However, the approach 5 (i.e. ‘Extended Clearance Model’) that is based on the membrane transporter-mediated uptake, was very relevant to apply for the substrates of membrane transporters. These substrates would potentially be less affected by ALB. Thus, a decision tree has been proposed to quickly and judiciously select the best IVIVE approach to predict CLhin vivo for each xenobiotic in the presence of ALB. Secondly, the PER and FLU drugs were selected from a data collection of 1907 drugs depending on certain criteria (exclusive or predominant metabolism in the liver, no transport facilitated by membrane transporters, high affinity for the two proteins ALB and AGP, and having a binding ratio between AGP and ALB close to the unity). This selection was made to conduct experiments using the isolated and perfused rat liver (IPRL) apparatus, in the presence, and in the absence of the ALB and AGP proteins (i.e. four IPRL scenarios). The IPRL results showed that PER is low to moderately metabolized (hepatic extraction= 0.2-0.7), while FLU is highly metabolized (hepatic extraction= 0.8-0.99). The Michaelis-Menten model was fitted to the obtained metabolic kinetics, and different parameters Vmax, Km and Km, u were obtained from the model. At low free concentrations for both drugs (i.e. therapeutic concentrations) and in the presence of plasma proteins, the values of unbound CLint increased for PER (with ALB and the mixture of the two proteins (MIX)) and FLU (with ALB, AGP and MIX); when compared to those obtained from the protein-free scenario (except for PER with AGP, the unbound CLint values decreased). In addition, the calculations of CLint ratios (WITHOUT versus WITH protein) indicated the occurrence of a hepatic uptake facilitated by ALB or AGP. These ratios also helped in verifying whether the metabolic kinetics for PER and FLU followed either ‘the free drug hypothesis’ or that of ‘plasma protein-facilitated hepatic uptake’. Finally, a new predictive approach of CLh (WO-to-MIX approach) was developed based on a new notion of fractional binding and incorporating new parameters such as the ALB bound fraction (fB-ALB) and the AGP bound fraction (fB-AGP) from the MIX scenario into the ‘fup-adjusted model’. This model is based on the ‘ALB-facilitated hepatic uptake’. Unlike the WO-to-MIX approach, the ‘well-stirred model’ is based on ‘the free drug hypothesis’. Then, the Vmax and Km parameters that were obtained in situ for PER and FLU from the protein-free IPRL experiments, were used in combination with the fup-adjusted input parameter for the ‘fup-adjusted model’ or with the free fraction (fup) for the ‘well-stirred model’. A comparison of the two models’ overall predictive performances was made. The predictive performances of the new model were promising for FLU, which showed the highest degree of ‘ALB-mediated hepatic uptake’, compared to the conventional model. This WO-to-MIX approach is a first validation of a novel extrapolation model suggested for drugs such as FLU that bind to both ALB and AGP. The well-stirred model remains however a useful tool to predict the clearance for drugs such as PER. The prediction accuracy was lower for the latter drug probably because the ALB-mediated hepatic uptake does not seem to be maximal, and, hence, the use of fup-adjusted has overestimated its CLhin vivo. Therefore, more work is needed particularly for PER. This thesis shows that a generic approach to predict the CLh in vivo does not exist. Nevertheless, the choice of an IVIVE approach with satisfactory predictive performances is now possible. The results of this thesis contribute to: 1) better understand the impacts on the PK/TK parameters of extensive drug binding to ALB and AGP; 2) choose the best predictive approach to CLh based on the affinity of xenobiotic (drug or contaminant) to each of the plasma proteins and the mechanisms involved in the liver; and 3) predict accurately and with precision the output CLh of xenobiotics that bind to the two plasma proteins. These IVIVE approaches for CLh can certainly be integrated into physiologically based PK/TK models for xenobiotics to improve the prediction of their pharmacokinetics and to accelerate the drug development process.