Applications of physiologically based pharmacokinetic models for the development of drug treatments for tuberculosis

Abstract

Background: Tuberculosis (TB) is one of the most infectious diseases globally, affecting various organs but mostly the lung tissue (pulmonary TB). The current standard treatment for tuberculosis relies on a combination of four drugs that have been in use for over 60 years. The treatment duration typically extends for at least six months and can last up to two years in cases of drug resistance. The existing medications are not efficient by contemporary standards, necessitating the development of a new treatment that is faster, safer, and capable of shortening therapy duration while addressing the challenge of drug-resistant strains. Objectives: The main objective of the present thesis was to develop physiologically based pharmacokinetic (PBPK) models for commonly used drugs against tuberculosis, specifically rifampicin, pyrazinamide, isoniazid, ethambutol, and moxifloxacin, focusing on lung pharmacokinetics (PK) in both healthy and TB-infected tissues (cellular lesions and caseum) in preclinical species and then extrapolate the findings to humans. Furthermore, to apply the developed PBPK methodology to bedaquiline, which is a newer, antitubercular compound with notable PK characteristics and, also, available lung PK data only in preclinical species. The final objective is to predict the drug’s lung PK behavior in humans. A second objective of the thesis, also within the general theme of PBPK in anti-TB therapies, was to develop a PBPK model of bedaquiline for adolescents and children and, more specifically, to offer additional insight into the drug's dosing for very young children aged 0 – 2 years of age. Methods: Empirical models were applied for plasma PK of each species and linked to multicompartment, permeability-limited lung models using a middle-out PBPK approach, incorporating suitable physiological parameters that could be scaled across different species. The lung's extracellular water (EW) served as the connection between healthy and infected tissue, with passive diffusion presumed for drug transport between cellular lesions and caseum. Furthermore, the individual characteristics of each drug were also considered for lung distribution. These features included pKa values, whether the compound is a substrate of transporters present on membranes within lung tissue, lysosomal trapping when drug-induced phosholipidosis is observed as well as anomalous diffusion kinetics of some drugs in the caseum of TB-infected tissue.Moreover, a whole-body PBPK model for plasma PK for adolescents and children was developed, with a focus on those under 2 years old,. This model was based on a previously available model for adults by keeping the drug-related parameters the same across populations and appropriately altering their physiology. It is noted that a CYP3A4 intrinsic clearance was used in both the pediatric and adult PBPK models, utilizing an 18% fraction of metabolism in adults mediated by the CYP3A4 enzyme based on an in vivo clinical study. Additionally, the enzyme’s abundance ontogeny was applied to very young children since these have immature enzyme function. The remaining clearance was assumed to be non-CYP3A4 hepatic metabolism. Additionally, an advanced dissolution, absorption and metabolism model was used to describe the absorption of bedaquiline in the various age-populations, since bedaquiline is a known Biopharmaceutical Classification System (BCS) class II compound (low solubility, high permeability). Results: In rabbits, the optimized unbound fractions of rifampicin, moxifloxacin, and ethambutol in intracellular water (IW) were 0.015, 0.056, and 0.08, respectively. For pyrazinamide and isoniazid in mice, the optimized unbound fractions in EW were 0.25 and 0.17, respectively. In humans, the average extrapolated daily tissue AUC (Area Under the Curve) and Cmax (maximum Concentration) values across different lung regions were within twofold of the observed values. Unbound concentrations in the caseum were lower than unbound plasma concentrations for both rifampicin and moxifloxacin. For rifampicin, unbound concentrations in the cellular rim were slightly lower, whereas for moxifloxacin, they were significantly higher than unbound plasma concentrations. Additionally, for bedaquiline in mice, the optimized permeability value of healthy lung cells was 5.57x104 cm/h, while the ratio of lysosomes to IW partition coefficient divided by fraction unbound in IW (KpLYS:IW/fuIW) was 3.48x106, taking into consideration lysosomal trapping to account for the drug’s lung distribution. In rats and dogs, the average extrapolated healthy lung tissue AUC, Cmax and single concentration-time points were all within two-fold of the respective observed values. Regarding the infected tissue, concentrations in the caseum were much lower than the WCC90 value (minimum bactericidal concentration achieving a one-log kill of non-replicating bacteria under hypoxic, nutrient-rich conditions - Wayne Cidal Concentration), while only unbound drug concentrations within lysosomes of foamy macrophages were above the MIC50 (lowest Minimum Inhibitory Concentration at which 50% of the isolates are inhibited).Furthermore, regarding the pediatric model of bedaquiline, predicted exposure agreed well with the observed exposure of children between 5 – 12 years of age from a clinical study. For children between 2 and 5 years the predicted geometric mean bedaquiline AUC168h values were 144,083 ng*h/mL at week 12, which are within 60-140% (86,200-201,000 ng*h/mL) of adult target values (dose in children 2-5 years old: 8 mg/kg qd for the first 2 weeks, followed by 4 mg/kg tiw for the next 22 weeks). However, the respective geometric mean AUC values for children below 2 years, when the same dose was administered as in children between 2 – 5 years old, were much lower (AUC168h values at week 12 were 99,129 ng*h/mL). Moreover, the exposure of bedaquiline in various age subgroups below 2 years old was examined. Through sensitivity analysis it was found that the main parameters that reduce the exposure of the drug in children below 1 year of age are absorption-related, since neonates have higher duodenal pH in the fed state (6.4) compared to infants (5.5) and lower bile salts concentrations are observed during the first months of life. Conclusions: The use of PBPK models in the development of drug treatments for TB may be crucial. More specifically, the developed PBPK approach was able to extrapolate lung PK from preclinical species to humans and to predict unbound concentrations in the various TB-infected regions, unlike empirical lung models. Τhe final findings suggest that free drug pharmacokinetics in plasma do not consistently serve as an accurate proxy for unbound PK in TB-infected tissue, especially in the hard-to-reach caseum compartment. Also, differences can arise when different ionization exists between EW and cellular granuloma compartments as well as when steady state in the very slowly diffusing caseum is achieved after long times. Finally, unbound tissue concentrations can be utilized as input in suitable software systems to connect PK with the pharmacodynamic effects of both existing and new anti-TB drugs.Additionally, PBPK modeling revealed a potential new mechanism of action for bedaquiline, a cationic amphiphilic drug that induces phospholipidosis and exhibits a minimal fraction unbound in plasma. The current PBPK approach estimated unbound tissue pharmacokinetics above the drug's MIC50 value in lysosomes of foamy macrophages, which could be crucial for the drug's effectiveness against bacteria located within phagolysosomes. A phagolysosome is a cytoplasmic body formed by the fusion of a phagosome with a lysosome.Regarding bedaquiline’s pediatric dosing, the PBPK model developed suggests that the dose (per kg) for children aged 1-2 years should remain consistent with the dosage administered to children aged 2-5 years. However, the dosage for children younger than one year should be increased, given the fact that bedaquiline is a BCS class II compound. In addition, the fraction of bedaquiline absorbed in neonates during the first month of life is expected to be significantly lower compared to older infants, potentially reducing their exposure to the drug. Conclusively, these findings underscore the essential role of physiologically based pharmacokinetic modeling in the advancement of antituberculosis drug development.

Υπόβαθρο: Η φυματίωση είναι μία από τις πιο μεταδοτικές ασθένειες παγκοσμίως, επηρεάζοντας διάφορα όργανα, αλλά κυρίως τον πνευμονικό ιστό (πνευμονική φυματίωση). Η τρέχουσα βασική θεραπεία για τη φυματίωση βασίζεται σε έναν συνδυασμό τεσσάρων φαρμάκων που χρησιμοποιούνται εδώ και πάνω από 60 χρόνια. Η διάρκεια της θεραπείας συνήθως επεκτείνεται τουλάχιστον σε έξι μήνες και μπορεί να διαρκέσει έως και δύο χρόνια σε περιπτώσεις αντίστασης στα φάρμακα. Τα υπάρχοντα φάρμακα δεν είναι αποτελεσματικά με τα σημερινά δεδομένα, καθιστώντας επιτακτική την ανάπτυξη μιας νέας θεραπείας που θα είναι ταχύτερη, ασφαλέστερη και ικανή να μειώσει τη διάρκεια της θεραπείας αντιμετωπίζοντας παράλληλα την πρόκληση των ανθεκτικών στελεχών. Στόχοι: Να αναπτυχθούν μοντέλα φαρμακοκινητικής βάσει φυσιολογικών παραμέτρων (Φυσιολογικά Φαρμακοκινητικά Μοντέλα) για φάρμακα που χρησιμοποιούνται συχνά κατά της φυματίωσης, συγκεκριμένα ριφαμπικίνη, πυραζιναμίδη, ισονιαζίδη, εθαμβουτόλη και μοξιφλοξασίνη, εστιάζοντας στη φαρμακοκινητική (ΦΚ) του πνεύμονα τόσο σε υγιείς όσο και σε μολυσμένους από φυματίωση ιστούς (cellular lesions και caseum) σε προκλινικά είδη και στη συνέχεια να κλιμακωθούν τα ευρήματα στους ανθρώπους.Να εφαρμοστεί αυτή η προσέγγιση Φυσιολογικών ΦΚ μοντέλων στη βεδακιλίνη, η οποία είναι ένα νεότερο, καινοτόμο αντιφυματικό φάρμακο με αξιοσημείωτα χαρακτηριστικά φαρμακοκινητικής και επίσης, με διαθέσιμα δεδομένα ΦΚ του πνεύμονα μόνο σε προκλινικά είδη. Ο τελικός στόχος είναι να προβλεφθεί η συμπεριφορά της ΦΚ του φαρμάκου στον ανθρώπινο πνεύμονα.Να αναπτυχθεί ένα Φυσιολογικό ΦΚ μοντέλο της βεδακιλίνης για εφήβους και παιδιά και, πιο συγκεκριμένα, να προσφερθούν πρόσθετες γνώσεις σχετικά με τη δοσολογία του φαρμάκου για βρέφη και νήπια ηλικίας 0 – 2 ετών. Μέθοδοι: Εμπειρικά μοντέλα εφαρμόστηκαν για τη ΦΚ του πλάσματος κάθε είδους και συνδέθηκαν με πολυδιαμερισματικά, περιοριζόμενα από διαπερατότητα μοντέλα πνεύμονα χρησιμοποιώντας μια υβριδική (middle-out) προσέγγιση Φυσιολογικών ΦΚ μοντέλων, ενσωματώνοντας κατάλληλες φυσιολογικές παραμέτρους που μπορούν να κλιμακωθούν σε διαφορετικά είδη. Το εξωκυττάριο υγρό (ΕΞΥ) του πνεύμονα χρησιμοποιήθηκε ως ο συνδετικός κρίκος μεταξύ υγιούς και μολυσμένου ιστού, ενώ παθητική διάχυση θεωρήθηκε για την μεταφορά του φαρμάκου μεταξύ των μικροδομών του μολυσμένου πνεύμονα (cellular lesion και caseum). Επιπλέον, λήφθηκαν υπόψη και τα μεμονωμένα χαρακτηριστικά κάθε φαρμάκου για την κατανομή του στον πνεύμονα. Αυτά τα χαρακτηριστικά περιλάμβαναν τις σταθερές διάστασης οξέος (pKa), το εάν η ένωση αποτελεί υπόστρωμα μεταφορέων που βρίσκονται σε μεμβράνες εντός του πνευμονικού ιστού, την παγίδευση του φαρμάκου σε λυσοσώματα όταν παρατηρείται φαρμακοεπαγωμένη φωσφολιπίδωση (drug-induced phospholipidosis), καθώς και την ανώμαλη κινητική διάχυσης ορισμένων φαρμάκων στο νεκρωτικό φυματικό ιστό (caseum).Επιπλέον, αναπτύχθηκε ένα πλήρες (whole-body) Φυσιολογικό ΦΚ μοντέλο για την βεδακιλίνη για εφήβους και παιδιά, με έμφαση σε παιδιά κάτω των 2 ετών. Το μοντέλο βασίστηκε σε ένα προϋπάρχον μοντελο για ενήλικες, διατηρώντας ίδιες τις παραμέτρους που σχετίζονται με το φάρμακο μεταξύ των πληθυσμών και αλλάζοντας κατάλληλα τη φυσιολογία τους. Σημειώνεται ότι η ενδογενής κάθαρση του ενζύμου CYP3A4 χρησιμοποιήθηκε τόσο στο παιδιατρικό μοντέλο όσο και στο μοντέλο ενηλίκων, θεωρώντας πως το ποσοστό μεταβολισμού στους ενήλικες που οφείλεται στο CYP3A4 είναι 18%, βάσει μίας κλινικής μελέτης. Επιπλέον, λήφθηκε υπόψην η οντογένεση του ενζύμου CYP3A4 σε βρέφη και νήπια, καθώς η λειτουργία του ενζύμου είναι ακόμη ανώριμη σε αυτά. Θεωρήθηκε ότι το υπόλοιπο κλάσμα της κάθαρσης του φαρμάκου οφείλεται σε ηπατικό μεταβολισμό που δεν σχετίζεται με το CYP3A4. Επιπλέον, χρησιμοποιήθηκε ένα προηγμένο μοντέλο διάλυσης, απορρόφησης και μεταβολισμού για να περιγράψει την απορρόφηση της βεδακιλίνης στις διάφορες ηλικιακές ομάδες, καθώς το φάρμακο είναι γνωστό ως ένωση κατηγορίας II (BCS class II) του συστήματος βιοφαρμακευτικής ταξινόμησης (χαμηλή διαλυτότητα, υψηλή διαπερατότητα). Αποτελέσματα: Στα κουνέλια, τα βελτιστοποιημένα κλάσματα ελεύθερων μορφών της ριφαμπικίνης, της μοξιφλοξασίνης και της εθαμβουτόλης στο ενδοκυττάριο υγρό (ΕΝΔΥ) ήταν 0.015, 0.056 και 0.08 αντίστοιχα. Για την πυραζιναμίδη και την ισονιαζίδη στα ποντίκια, τα βελτιστοποιημένα κλάσματα ελεύθερων μορφών στο ΕΞΥ ήταν 0.25 και 0.17 αντίστοιχα. Στους ανθρώπους, οι μέσες κλιμακωμένες ημερήσιες τιμές AUC (περιοχή κάτω από την καμπύλη) και Cmax (μέγιστη συγκέντρωση) σε διάφορες περιοχές των πνευμόνων ήταν εντός διπλάσιου από τις παρατηρηθείσες τιμές. Οι ελεύθερες συγκεντρώσεις στο νεκρωμένο φυματικό ιστό (caseum) ήταν χαμηλότερες από τις ελεύθερες συγκεντρώσεις στο πλάσμα τόσο για τη ριφαμπικίνη όσο και τη μοξιφλοξασίνη. Για τη ριφαμπικίνη, οι ελεύθερες συγκεντρώσεις στην περιφέρεια του νεκρωτικού φυματικού ιστού (cellular rim) ήταν ελαφρώς χαμηλότερες, ενώ για τη μοξιφλοξασίνη ήταν σημαντικά υψηλότερες από τις ελεύθερες συγκεντρώσεις πλάσματος.Επιπλέον, για τη βεδακιλίνη στα ποντίκια, η βελτιστοποιημένη τιμή διαπερατότητας των υγιών πνευμονικών κυττάρων ήταν 5.57x104 cm/h, ενώ η αναλογία του συντελεστή κατανομής της συγκέντρωσης στα λυσοσώματα προς τη συγκέντρωση στο ΕΝΔΥ διαιρούμενη με το ελεύθερο κλάσμα στο ΕΝΔΥ (KpLYS:IW/fuIW) ήταν 3.48x106, λαμβάνοντας υπόψη την παγίδευση του φαρμάκου στα λυσοσώματα σχετικά με την κατανομή του στον πνεύμονα. Στους αρουραίους και τους σκύλους, οι μέσες κλιμακωμένες τιμές υγιούς πνευμονικού ιστού AUC, Cmax και μεμονωμένων σημείων συγκέντρωσης-χρόνου ήταν όλες εντός διπλάσιου από τις αντίστοιχες παρατηρηθείσες τιμές. Όσον αφορά τον μολυσμένο ιστό, οι συγκεντρώσεις στο νεκρωτικό ιστό (caseum) ήταν πολύ χαμηλότερες από την τιμή WCC90 (ελάχιστη βακτηριοκτόνος συγκέντρωση που επιτυγχάνει μία μείωση κατά μια τάξη μεγέθους μη αναπαραγόμενων βακτηρίων υπό υποξικές, πλούσιες σε θρεπτικά συστατικά συνθήκες - Wayne Cidal Concentration), ενώ μόνο οι ελεύθερες συγκεντρώσεις φαρμάκου εντός των λυσοσωμάτων των μακροφάγων στην περιφέρεια του νεκρωτικού ιστού (foamy macrophages) ήταν πάνω από την τιμή MIC50 (ελάχιστη ανασταλτική συγκέντρωση στην οποία αναστέλλεται το 50% των απομονωμένων στελεχών).Επιπλέον, σχετικά με το παιδιατρικό ΦΚ μοντέλο της βεδακιλίνης, η προβλεπόμενη έκθεση στο φάρμακο παιδιών ηλικίας μεταξύ 5 – 12 ετών συμφωνούσε με την παρατηρηθείσα έκθεση από κιλινική μελέτη. Για παιδιά ηλικίας μεταξύ 2 και 5 ετών, οι προβλεπόμενες γεωμετρικές μέσες τιμές AUC168h της βεδακιλίνης ήταν 144,083 ng*h/mL την 12η εβδομάδα, που είναι εντός του 60-140% (86,200 - 201,000 ng*h/mL) των στόχων ενηλίκων (δόση σε παιδιά 2 – 5 ετών: 8 mg/kg μία φορά την ημέρα για τις πρώτες 2 εβδομάδες, ακολουθούμενες από 4 mg/kg τρεις φορές την εβδομάδα για τις επόμενες 22 εβδομάδες). Ωστόσο, οι αντίστοιχες γεωμετρικές μέσες τιμές AUC για παιδιά κάτω των 2 ετών, όταν χορηγήθηκε η ίδια δόση όπως σε παιδιά ηλικίας 2 - 5 ετών, ήταν πολύ χαμηλότερες (οι τιμές AUC168h την 12η εβδομάδα ήταν 99,129 ng*h/mL). Επιπλέον, εξετάστηκε η έκθεση της βεδακιλίνης σε διάφορες ηλικιακές υπο-ομάδες κάτω των 2 ετών. Μέσω ανάλυσης ευαισθησίας (sensitivity analysis) διαπιστώθηκε ότι οι κύριες παράμετροι που μειώνουν την έκθεση του φαρμάκου σε παιδιά κάτω του 1 έτους είναι οι παράγοντες που σχετίζονται με την απορρόφηση, καθώς τα νεογέννητα έχουν υψηλότερο pH δωδεκαδακτύλου μετά τη λήψη φαγητού (pH = 6.4) σε σχέση με τα βρέφη (pH = 5.5) και, επίσης, παρατηρούνται χαμηλότερες συγκεντρώσεις χολικών αλάτων κατά τους πρώτους μήνες της ζωής. Συμπεράσματα: Η χρήση των Φυσιολογικών ΦΚ μοντέλων στην ανάπτυξη φαρμακευτικών θεραπειών για τη φυματίωση μπορεί να είναι καθοριστική. Πιο συγκεκριμένα, η αναπτυχθείσα προσέγγιση κατόρθωσε να κλιμακώσει τη ΦΚ των πνευμόνων από προκλινικά είδη σε ανθρώπους και να προβλέψει τις ελεύθερες συγκεντρώσεις στα διάφορα μολυσμένα από φυματίωση μέρη του ιστού, σε αντίθεση με τα εμπειρικά μοντέλα των πνευμόνων. Τα τελικά ευρήματα υποδηλώνουν ότι η ΦΚ του ελεύθερου φαρμάκου στο πλάσμα δεν αποτελεί πάντοτε αξιόπιστο δείκτη της ΦΚ του ελεύθερου φαρμάκου στο μολυσμένο από φυματίωση ιστό, ειδικά στο δυσπρόσιτο νεκρωμένο ιστό (caseum). Επίσης, διαφορές μπορεί να προκύψουν όταν υπάρχει διαφορετικός ιοντισμός μεταξύ του EΞΥ και των κυτταρικών κοκκιωμάτων (cellular granulomas), καθώς και όταν επιτυγχάνεται σταθεροποιημένη κατάσταση, όσον αφορά τη ΦΚ, στο πολύ αργά διαχεόμενο νεκρωτικό ιστό (caseum) μετά από μεγάλα χρονικά διαστήματα. Τέλος, οι ελεύθερες συγκεντρώσεις ιστού μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε κατάλληλα υπολογιστικά μοντέλα για να συνδέσουν τη ΦΚ με το φαρμακοδυναμικό αποτέλεσμα τόσο υφιστάμενων όσο και νέων αντιφυματικών φαρμάκων.Επιπρόσθετα, η χρήση Φυσιολογικών ΦΚ μοντέλων αποκάλυψε έναν πιθανό νέο μηχανισμό δράσης για τη βεδακιλίνη, ένα κατιονικό αμφίφιλο φάρμακο που προκαλεί φωσφολιπίδωση και παρουσιάζει ένα ελάχιστο ελεύθερο κλάσμα στο πλάσμα. Η τρέχουσα Φυσιολογική ΦΚ προσέγγιση εκτίμησε τη μη δεσμευμένη ΦΚ στους ιστούς πάνω από την τιμή MIC50 του φαρμάκου στα λυσοσώματα των μακροφάγων στην περιφέρεια του νεκρωτικού ιστού, γεγονός που θα μπορούσε να είναι κρίσιμο για την αποτελεσματικότητα του φαρμάκου κατά των βακτηρίων που βρίσκονται εντός των φαγολυσοσωμάτων. Ένα φαγολυσόσωμα είναι ένα κυτταροπλασματικό σώμα που σχηματίζεται από τη σύντηξη φαγοσωμάτων και λυσοσωμάτων.Σχετικά με τη δοσολογία της βεδακιλίνης σε παιδιά, το αναπτυχθέν Φυσιολογικό ΦΚ μοντέλο υποδηλώνει ότι η δόση (ανά kg) για παιδιά ηλικίας 1-2 ετών θα πρέπει να παραμένει η ίδια με τη δόση που χορηγείται σε παιδιά ηλικίας 2-5 ετών. Ωστόσο, η δόση για παιδιά κάτω του ενός έτους θα πρέπει να αυξηθεί, δεδομένου ότι η βεδακιλίνη είναι μια ένωση της κατηγορίας BCS II. Επιπλέον, το κλάσμα της βεδακιλίνης που απορροφάται σε νεογέννητα κατά τον πρώτο μήνα της ζωής αναμένεται να είναι σημαντικά χαμηλότερο σε σύγκριση με τα μεγαλύτερα βρέφη, ενδεχομένως μειώνοντας την έκθεσή τους στο φάρμακο. Συνολικά, αυτά τα ευρήματα υπογραμμίζουν τον ουσιαστικό ρόλο των Φυσιολογικών ΦΚ μοντέλων στην πρόοδο της ανάπτυξης αντιφυματικών φαρμάκων.