Pharmakokinetische Grundlagen und Konzepte in der klinischen Prüfung Martin Czejka Department für Klinische Pharmazie und Diagnostik Universität Wien Austrian Society of Applied Pharmacokinetics (ASAP)

Interessenskonflikte Im Zusammenhang mit dieser Präsentation bestehen keine Interessenskonflikte.

ÜBERSICHT Allgemeiner Teil: Konzentrations – Zeit Kurven - intravasal - peroral wesentliche pharmakokinetische Parameter __________________________________________ Spezieller Teil: Planung Probengewinnung Probenvorbereitung und Analytik Pharmakokinetische Berechnung Dokumentation

PHARMAKOKINETIK Die Pharmakokinetik beschreibt den zeitlichen Verlauf des Schicksals eines Xenobiotikum (Arzneistoff oder Fremdstoff) im menschlichen Organismus. Dabei werden über Exponentialfunktionen alle Vorgänge genau beschrieben: z.B.:

„LADME“ SYSTEM Liberation: Freisetzung aus der Arzneiform Absorption: Aufnahme in das Blutsystem Distribution: Verteilung im Organismus Metabolismus: chemische Veränderungen der Arzneistoffstruktur Elimination: Ausschleusung über Leber, Niere, Lunge, Haut etc.

Glossar: R0: Infusionsrate: Menge pro Zeiteinheit C0: Blutkonzentration zum Zeitpunkt „null“ Cmax: maximale Konzentration im Blut (peak concentration) Tmax: Zeitpunkt, zu dem maximale Konzentration erreicht wird Kel: Eliminationskonstante T1/2el: Halbwertszeit der Elimination Kin: Invasionskonstante T1/2in: Halbwertszeit der Invasion (Absorption) AUC: Fläche unter Konzentration-Zeit Kurve (Blut, Gewebe) Vd: Verteilungsvolumen Cltot: Gesamtkörperclearance Ʈ: Dosierintervall bei peroraler Gabe

Intravasale Verabreichung Bolus Infusion

Situation bei Bolus bzw. Infusion i.v. i.a. kel Elimination [min] R0: Infusionsrate [mg/min] Verteilung [min]

Blutspiegelkurve Bolus c0 Verteilung Elimination

Blutspiegelkurve Infusion Kurz - Zeit Lang - Zeit cSS : steady state tmax, cmax css wird erreicht wenn Die Infusionsdauer > 5 x t1/2el beträgt AUC

Infusionsdauer <> gleiche Dosis 1.0 Stunde 1.5 Stunden 2.0 Stunden 2.5 Stunden 3.0 Stunden LEICHT ZU STEUERN !!

Perorale Verabreichung z.B.: Capecitabine Erlotinib UFT Lapatinib Sorafenib Topotecan

Situation bei p.o. Gabe Invasion sauer kel kin Resorption alkalisch Verteilung

Blutspiegelkurve p.o. cmax Invasion Verteilung und Elimination tmax

Mehrfachdosierung peroral cmax4 cpeak cmax3 cmax2 cmax1 cSS average cthrough Dosis

Mehrfachdosierung peroral STEUERUNG NICHT SEHR EINFACH Tagesdosis = 100 mg Dosis – Intervall 6 h: 4 x täglich 12 h: 2 x täglich 24 h: 1 x täglich Tag 1 Tag 2

Halbwertszeit der Elimination (t1/2el) t1/2el: ist jene Zeit, in der die Konzentration eines Arzneistoffs im Blut um die Hälfte abnimmt

AUC area under concentration - time curve AUClast: vom Zeitpunkt Null bis zum letzten vermessbaren Zeitpunkt AUCinf: vom Zeitpunkt Null gegen unendlich interpoliert Dimension: Konz / Volumen * Zeit

AUClast - Berechnung clast Gesamtfläche ist Summe der Teilflächen

Bioverfügbarkeit (BV) = Flächenverhältnis von p.o. zu i.v.

Bioäquivalenz Die AUC des Prüfpräparates muss in einem vorgegebenen Bereich (z.B.: über 80 % AUC) des original Präparates liegen KONZ ZEIT

Verteilungsvolumen (Vd) Ist ein hypothetisches Volumen. Gibt an, in welchem Volumen die verabreichte Dosis aufgenommen werden muss, um c0 zu erhalten. Vd = Dosis / c0 => c0 = Dosis / Vd maximale Konzentration im Blut 1.0 µg/ml Dosis 100 mg = 100 000 µg Vd = 100 000 / 1.0 Vd = 100 000 ml Vd = 100 Liter

Vd: Größenordnungen 1. Fast keine Verteilung: 5 – 10 l (ca. Blutvolumen) Tacrolimus 2. Verteilung in extrazelluläre Flüssigkeit: 10 – 20 l Trastuzumab 3. Verteilung in intrazelluläre Flüssigkeit: 25 – 30 l Fluorouracil 4. Verteilung im gesamten Körper: 40 – 50 l Gemcitabine 5. Verteilung in ein tiefes Kompartiment: 100 – 1500 l Epirubicin, Paclitaxel

Cltot: totale Clearance Ist ein Maß für die Ausscheidungskapazität des Organismus gegenüber einem Arzneistoff. Cltot = kel * Vd [ml/min] Clearance ist die Summe der Geschwindigkeit aus: - Elimination durch die Niere [Clren] - Elimination über die Leber [Clhep] - Metabolismus [Clmet] - andere Prozesse wie Organdurchblutung…..

Cltot: Größeordnung Bevacizumab ~ 0.2 l/ Tag Irinotecan ~ 10 l/h/m2 Paclitaxel ~ 15 l/h/m2 Docetaxel ~ 20 l/h/m2 Epirubicin ~ 45 l/h/m2

Praktischer Teil: SOPs für Pharmakokinetik Part 1. Planung 2. Probengewinnung 3. Probentransfer, Probenvorbereitung 4. Analytische Methode, Validierung 5. pharmakokinetische Berechnung 6. Dokumentation und Archivierung 7. Literatur

1. Planung: Protokoll Klinik Patientendaten (PK relevant): KG, KOF, Geschlecht, Laborparameter, Liste aller mit verabreichten Medikamente plus Dosierung Prüfpräparat: Dosis, Zeitpunkt der Verabreichung, Codierung, Anmerkungen über Abweichungen vom Protokoll Proben: Zeitpunkte der Abnahme, Besonderheiten, Lagerung Transport der Proben: Aviso, Transport auf Trockeneis Übernahmebestätigung 27

1. Planung: Protokoll Labor Übernahmebestätigung Lagerung der Proben im Labor, Kühlschrankprotokoll Probenaufarbeitung und Analyse: Tag, Zeitpunkt, Analytiker, Besonderheiten Auswertung der Proben, Integration, Quantifizierung Pharmakokinetische Berechnung: Modell, Wichtung Notfallplan: z.B. Stromausfall 28

2. Probengewinnung Die Abnahme der Blutproben richtet sich nach dem Verabreichungsschema und der Überlegung, ob nur der Arzneistoff oder auch ein pharmakologisch aktiver Metabolit quantifiziert werden soll. andere Punkte: Liposome: lange Zirkulation makromolekulare Träger wie Proteine

Blutabnahme: Bolus, peroral, Kurzzeit Infusion c0 oder cmax, tmax

Langzeit Verabreichung Langzeitinfusion mehrfach Dosierung peroral cSS D1 D2 D3 D4 ….. sampling sampling cpeak ctrough

Bei Probennahme zu beachten Blut: Abnahme z. B. aus Kubitalvene sofort zentrifugieren, bei drain den ersten ml Blut verwerfen Probenröhrchen: * Antikoagulans darf nicht mit dem Arzneistoff reagieren: z.B.: Anthrazykline nicht in Ca-EDTA Röhrchen sammeln * Lichtschutz gegen Oxidation photolabiler Strukturen (Anthrazykline, Mitomycin C, Mitoxantron) Stabilisierung mit Ascorbinsäure Lagerung: Sofort bei – 80 oC einfrieren Transport: auf Trockeneis, Temperaturkontrolle

Problem: Stabilität Arzneistoff Der Arzneistoff darf während der Probengewinnung, Transport und Aufarbeitung nicht abgebaut werden. Gemcitabin: der Gemcitabin - Metabolit dFdU wird auch nach der Blutabnahme im Röhrchen gebildet! => Hemmung des verantwortlichen Enzyms notwendig

Gemcitabine: Blutspiegelkurve Metabolit wird auch bei -80oC gebildet => zu hohe Werte

Problem: Stabilität Arzneistoff Der aktive Metabolit darf während der Probengewinnung, Transport und Aufarbeitung nicht weiter gebildet werden. Irinotecan (CPT-11): der pharmakologisch aktive Metabolit SN-38 entsteht durch Esterasen aus CPT-11 auch nach der Blutabnahme. => Proben sofort in der Klinik aufarbeiten => oder Esteraseaktivität hemmen

Irinotecan (CPT11) SN38 bei zu langer Lagerung gebildet => falsch hohe Plasmakonzentrationen

Problem: Stabilität Metabolit Wenn ein Metabolit auch eine Zielgröße der Studie darstellt, muß gewährleistet sein, dass er nicht während der Proben- gewinnung, Lagerung und Aufarbeitung abgebaut wird. Beispiel: Capecitabin: die intermediären Metabolite DFCR und DFUR werden auch bei tiefgekühlter Lagerung (- 80 oC) der Proben länger als 3 – 4 Wochen zersetzt. => rasche Analyse der Plasmaproben

Capecitabine Blutspiegelkurve zersetzt sich bei zu langer Lagerung

3. Probenvorbereitung: biologische Matrix Plasmaproteine kPBB freier Arzneistoff kRBC Erythrozyten Leukozyten … Lipide, Elektrolyte, Stoffwechselprodukte, Substrate ….

3. Probenvorbereitung: IST DER ENTSCHEIDENDE PUNKT FÜR EINE ERFOLGREICHE PHARMAKOKINETISCHE AUSWERTUNG Bei der Probenvorbereitung werden die Arzneistoff- / Metaboliten Moleküle von den endogenen Verbindungen abgetrennt. So wird z.B. die Proteinbindung aufgebrochen: beträgt über 90 % bei Taxanen, SN-38, Erlotinib Bei der Probenvorbereitung muss charakterisiert werden: Welcher Prozentsatz des Arzneistoffs / Metabolit wird bei der Abtrennung wieder gefunden Wie hoch ist die Präzision des Verfahrens 40

4. Analytik müssen wegen möglicher Interferenzen mit biologischer A) Immunoassays: Können nicht zwischen Arzneistoff und Metabolit differenzieren. Es wird immer die Gesamtmenge erfasst. müssen wegen möglicher Interferenzen mit biologischer Matrix gesondert validiert werden B) Klassische Trennverfahren Chromatographie (HPLC, HPLC-MSMS, UPLC), Kapillarelektrophorese Trennung von Arzneistoff und aktiver Metabolit

4. Analytik Full validation: wenn mit einer neuer Methode gearbeitet oder ein Metabolit miteinbezogen wird Partial validation: Änderung bei der Probenvorbereitung oder in der Gerätekonstellation (andere HPLC Anlage)

Chromatographische Voraussetzungen MATRIX PEAKS METABOLIT PEAK ARZNEISTOFF PEAK START Zeit ENDE

Peakinterferenz

Peakinterferenz

Problemlösung: Preakinterferenz

Einfluss der Messmethode DIESELBE BLUTPROBE ANALYSIERT: neutral: pH = 7.4 sauer: pH =4.0

Validierung der Methode Selektivität: gibt es Interferenzen im Analysenverfahren zwischen der Matrix oder mitverabreichten Medikamenten Wiederfindung: wie viele % einer vorgelegten Arzneistoffmenge werden in dem Analysenverfahren letztlich gefunden limit of detection: bis zu welcher Konz. Ist der Arzneistoff erfassbar limit of quantitation: bis zu welcher Konz. kann quantifiziert werden Präzision: wie groß ist die Variation der Analytik (Tag, Serie) Stabilität: bei Lagerung, in der Maschine (z.B. bei Stromausfall) 48

5. Pharmakokinetik software Beispiele: ADAPT GASTRO-PLUS KINETICA MW PHARM NONMEM PHOENIX WINNONLIN PK-ANALYST PK-SIM PK Solutions S-PLUS

5. Pharmakokinetik software Die PK software sollte validierbar sein: Einige Software Hersteller bieten derartige Validierungs-Verfahren an: Plasma Konzentrationsdaten werden von der Firma zu Verfügung gestellt und bestimmte Szenarien des pharmakokinetischen Modells durchgespielt. Der Kunde berechnet die PK und leitet das Ergebnis an die Firma zurück. Wenn das Ergebnis in Ordnung ist, gilt das Modell als validiert.

Software Validierung SOFTWAREENTWICKLER BEHÖRDE INDUSITRIE ANWENDUNGSMANAGEMENT PRODUCTMANAGEMENT

PK flow chart Rohdaten Wichtung Blut Kompartment PK Rohdaten Non-Komp. PK Endergebnis Populations PK linear / nichtlinear Anova Auswertung Modell: p.o., i.v., etc deskriptive Statistik

PK flow chart

5. PK Berechnung Kurvenanpassung an die Konzentration – Zeit Daten erfolgt mittels Abweichung der kleinsten Quadrate.

Plot: observed versus predicted Beispiel: Aprepitant 80 mg peroral Rote Punkte: gemessene Werte Blaue Linie: Vorhersage von WinNonlin es fehlen Blutabnahmen

Variabilität der Plasmakonzentration Docetaxel, 30 min Infusion, N = 67 Patienten

Variabilität der Plasmakonzentration Erlotinib, 100 mg p.o., 12 Patienten

6. PK Daten Dokumentation Rohdaten am Server ablegen (z.B.: Phoenix Knowledge Server) Auswertungen: Komplette Statistik PKPD modeling Population modeling Trial design Molecular modeling and simulation Verbunden mit: SAS®, NONMEM®, S-PLUS®, SigmaPlot®

7. International guidelines: www.ema.europa.eu Pharmacokinetics working party (PKWP) www.ich.org The International Conference on Harmonisation of Technical Requirements for Registration of Pharmaceuticals for Human Use (ICH)

7. Weiterführende Information durchwegs spezielle Kapitel in Büchern über: Analytik, Probenvorbereitung, Validierung, Bioäquivalenz, Bioverfügbarkeit, Pädiatrie, Onkologie etc. z.B.: Clinical Pharmacokinetics and Pharmacodynamics: Concepts and Applications. Ed.: Rowland & Tozer, 2010/2011 Validation of assays, pharmacokinetic modeling: Onkologie Vol 26 (Suppl. 6), 52 – 55, 56 -59 (2003)