PHARMACOKINETIC

Drug-Drug Interactions : consequence of

binding-unbinding plasma protein on

distribution volume.

2

Factors modifying VD

Obese patients : increase VD for very lipophilic

drugs:

Diazepam, Thiopental

Hydro-electrolytic disturbances, elderly patients

Modifications of natural barriers :

placenta, blood-brain barrier

3

Natural Barrier

4

5

Blood-Brain Barrier

Distribution in the CNSThe brain capillary membrane is lined with a fabric of

glial astrocytes support, thus creating a double barrier -

glial membrane and capillary endothelium – very few

hydrophilic molecules can cross BBB.

The cerebral capillaries are formed of closely

contiguous endothelial cells, devoid of intercellular

pores and fully covered with cellular elements, mainly

of astrocytes.

The transcellular penetration appears to be the most

plausible

The flow of cerebrospinal fluid is the only limiting

factor for the diffusion of lipophilic molecule 6

Placenta barrier

Placenta = organ of exchange

of substances between mother

and fetus.

The placental diffusion is from

the mother to the embryo

through the placental barrier.

The soluble and non-ionized

molecules easily cross the

barriers encountered three,

namely:

The trophoblastic epithelium,

The mesenchymal tissue and

The vascular endothelium7

Fetal compartment

4 compartments:

1. Fetal blood

2. Extravascular fluid

3. Umbilical cord

4. Amniotic fluid.

8

Mechanism involvedThe mechanism of exchange through the placenta is essentially a

process of passive diffusion. Active transport and facilitated

diffusion exist for endogenous substances but not to

exogenous substances.

The Fick's law applies also in this case:

Diffusion rate = DKsS (Cm-Cf) / E

D: diffusion constant S: exchange surface

Ks: Partition coefficient between the placental barrier and the

external phase

Cm - Cf: concentration difference between the mother and the

fetus. E: Thickness

The drug is then distributed to the fetus. The affinity of the drug for

fetal tissue is often the same as the mother in late pregnancy but it is

different in the first month of pregnancy. After metabolism, metabolites

return to the mother through the umbilical arteries 9

Drugs in lactation

Questions:

1. Does the drug taken by the mother passes into breast milk?

2. In what concentration (we found it in children)?

3. What is the amount of milk drunk? (150ml/kg/day)

Incomplete responses for most drugs!

10

Références

11

Drugs in Pregnancy and Lactation, 9th Edition

G.G. Briggs, R.K. Freeman, and S.J. Yaffe

Lippincott Williams & Wilkins

Metabolism and renal elimination

Clearance

The concept of clearance (English word) was

introduced in 1973 by Rowland in

pharmacokinetics, it is used to describe the

removal of a substance:

either by whole body (total body clearance)

or by cleansing organs (renal clearance, hepatic, ...).

These different mechanisms of elimination are

additive (additive clearances), they contribute to

the elimination from the body (total clearance).

13

Clairance: additive

Cl totale = Cl hépatique + Cl rénale + …. = ΣCl partielles

14

Equation

The clearance (CL) indicates the ability of an organ to completely

purify a volume of fluid per unit of time.

The clearance unit is generally l.h-1 or ml min-1. There are different

clearances (according to the purified fluid, or organ so the

mechanisms involved are multiple).

Its value can not exceed the maximum value of the flow :

E = 1 Cl=Q

15

Concepts et définitionsQ = Blood flow in the organe

Ca = concentration afférente (artérielle)

Cv = concentration efférente (veineuse)

16

Metabolism

17

Metabolism is a part of the

elimination process of a drug.

The metabolism of a drug

corresponds to the transformation by

an enzymatic reaction of a drug to

one or or more compounds, said

metabolites.

Metabolites may be

pharmacologically inactive or

pharmacologically sometimes toxic.

Hydroxylation is the most

frequent biotransformation.

General Metabolic Pathways

Glucuronic acid conjugation

Sulfate Conjugation

Glycine and other AA

Glutathion or mercapturic acid

Acetylation

Methylation

Reduction Aldehydes and ketones Nitro and azo Miscellaneous

Oxidation Aromatic moieties Olefins Benzylic & allylic C atoms

and a-C of C=O and C=N At aliphatic and alicyclic C C-Heteroatom system

C-N (N-dealkylation, N-oxide formation, N-hydroxylation)

C-O (O-dealkylation)C-S (S-dealkylation, S-oxidation,

desulfuration)

Oxidation of alcohols and aldehydes

Miscellaneous

Phase II -

ConjugationPhase I -

Functionalization

Drug Metabolism

Hydrolytic Reactions Esters and amides Epoxides and arene oxides

by epoxide hydrase

18

Métabolisme (2)

19

Phase I

Introduction ou exposition

d’un groupe réactif

Phase II

Réactions de conjugaison

hydrosolubilité

The result is the production of a conjugated derivative highly

hydrosoluble (more polar) which makes possible its elimination by the

kidney,

The aim of the metabolism

step

20

It is important to note that drug metabolism

does not necessarily lead to its inactivation.

Thus, prodrugs (or pro-drugs) are

pharmacologically inactive, they are rapidly

metabolized to the pharmacologically active

metabolites.

21

Active/inactive metabolite

Metabolite

activity

Examples and notes

Inactive

(detoxification)

Similar activity

to the drug

Different

activity

Toxic

metabolites

N

N

O

Ph

Cl

CH3

N

N

O

Ph

Cl

CH3

OH

N

HN

O

Ph

Cl

Diazepam(Sustained anxiolytic action)

Hydroxylation

Temazepam(Short duration)

Oxazepam(short duration)

N-Demethylation OH

N

CONHNHCH

CH3

CH3

N

CONHNH2

Ipronazid

(Antidepressant)

N-Dealkylation

Isoniazid

(Antituberculosis)

NCOCH3

HO

OC2H5

NHCOCH3

OC2H5

NH2

OC2H5

N-Hydroxyphenacetin

(Hepatotoxic)Phenacetin

(Analgesic)Phenetidine

Substances responsible

for methemoglobinamia

Other substances

responsible for

hepatotoxicity

OH

Phenol

Phenol sulphokinase

3'-Phosphoadenosine-5'-

phosphosulfate (PAPS)

OS

O

O OH

Phenyl hydrogen sulfate

Routes that result in the formation of inactive metabolites are often referred to as detoxification.

The metabolite may exhibit either a different potency or duration of action or both to the

original drug.

22

Enzymes Involved in Drug Metabolism

Cytochrome P450 system: localized in the smooth

endoplasmic reticulum.

Cytochrome P450 is a Pigment that, with CO bound to

the reduced form, absorbs maximally at 450nm

Cytochromes are hemoproteins (heme-thiolate) that

function to pass electrons by reversibly changing the

oxidation state of the Fe in heme between the 2+ and 3+

state and serves as an electron acceptor–donor

P450 is not a singular hemoprotein but rather a family

of related hemoproteins. Over 1000 have been

identified in nature with ~50 functionally active in

humans with broad substrate specificity

CYP450, Hepatic microsomal flavin containing monooxygenases (MFMO

or FMO) Monoamine Oxidase (MAO) and Hydrolases

Simplified apoprotein portion

Heme portion with

activated Oxygen

N N

NN

CH3

HOOC

HOOCCH3 CH3

CH2

CH3

CH2

Fe+3

L

OH R

Substrate binding site

23

Cytochrome P450: Naming

■ Before we had a thorough understanding of this enzyme system, the

CYP450 enzymes were named based on their catalytic activity toward a

specific substrate, e.g., aminopyrine N-demethylase now known as

CYP2E1

■ Currently, all P450’s are named by starting with “CYP” (CYtochrome P450,

N1, L, N2 - the first number is the family (>40% homology), the letter is the

subfamily (> 55% homology), and the second number is the isoform. The

majority of drug metabolism is by ~10 isoforms of the CYP1, CYP2 and

CYP3 families in humans

■ Major human forms of P450: Quantitatively, in the liver the percentages of

total P450 protein are: CYP3A4 – 28%, CYP2Cx – 20%, CYP1A2 – 12%,

CYP2E1 – 6%, CYP2A6 – 4%, CYP2D6 – 4%

■ By number of drugs metabolized the percentages are: CYP3A4 – 35%,

CYP2D6 – 20%, CYP2C8 and CYP2C9 – 17%, CYP2C18 and CYP2C19

- 8% CYP 1A1 and CYP1A2 -10%, CYP2E1 – 4%, CYP2B6 – 3%

24

CYP

family

Main functions

CYP1 Xenobiotic metabolism

CYP2 Xenobiotic metabolism, Arachidonic acid metabolism

CYP3 Xenobiotic and steroid metabolism

CYP7 Cholesterol 7α-hydroxylation

CYP11 Cholesterol side-chain cleavage, Steroid 11β –

hydroxylation, Aldosterone synthesis

CYP17 Steroid 17α-hydroxylation

CYP19 Androgen aromatization

CYP21 Steroid 21-hydroxylation

CYP24 Steroid 24-hydroxylation

CYP27 Steroid 27-hydroxylation

Few Important CYP450 Isozymes

25

EC Recommended name Family/gene

1.3.3.9 * secologanin synthase CYP72A1

1.14.13.11 * trans-cinnamate 4-monooxygenase CYP73

1.14.13.12 * benzoate 4-monooxygenase CYP53

1.14.13.13 * calcidiol 1-monooxygenase CYP27

1.14.13.15 * cholestanetriol 26-monooxygenase CYP27

1.14.13.17 * -monooxygenase CYP7

1.14.13.21 * flavonoid 3'-monooxygenase CYP75

1.14.13.28 * 3,9-dihydroxypterocarpan 6a-monooxygenase CYP93A1

1.14.13.30 * leukotriene-B4 20-monooxygenase CYP4F

1.14.13.37 * methyltetrahydroprotoberberine 14-monooxygenase CYP93A1

1.14.13.41 * tyrosine N-monooxygenase CYP79

26

The drug interactions depend upon:

a) the isoform(s) required by the drug in question,

b) the isoforms altered by concomitant therapy,

c) the type of enzyme alteration (induction or

inhibition).

Drug Interactions & Metabolism

27

General Metabolic Pathways

Glucuronic acid conjugation

Sulfate Conjugation

Glycine and other AA

Glutathion or mercapturic acid

Acetylation

Methylation

Reduction

Aldehydes and ketones

Nitro and azo

Miscellaneous

Oxidation

Aromatic moieties

Olefins

Benzylic & allylic C atoms

and a-C of C=O and C=N

At aliphatic and alicyclic C

C-Heteroatom systemC-N (N-dealkylation, N-oxide

formation, N-hydroxylation)

C-O (O-dealkylation)

C-S (S-dealkylation, S-oxidation,

desulfuration)

Oxidation of alcohols and

aldehydes

Miscellaneous

Phase II -

ConjugationPhase I -

Functionalization

Drug

Metabolism

Hydrolytic Reactions

Esters and amides

Epoxides and arene oxides

by epoxide hydrase

28

Tetrahydrocannabinol (D1-THC) Metabolism

The metabolite is polar, ionisable and hydrophilic

O C5H11

OH

CH3

H3C

CH3O C5H11

OH

CH2OH

H3C

CH3O C5H11

OH

COOH

H3C

CH3

O C5H11

OR

COOR

H3C

CH3

OCOO-

OHOH

HOH

1

7

2

345

6

D1-THC 7-Hydroxy-D

1-THC D

1-THC-7-oic Acid

Glucuronide conjugate at eitherCOOH or phenolic OH group

Where R =

-Glucuronyl

moiety

29

Oxidative Reactions

OH O

C C

O

C C

C H

C OH

O C

O P

S C

S PS CH3

SH, S CH3

O

R O CH3

R OH

R N H

R N

R N CH2R

R N

R N OH

R NH

O

CHRO"Activated Oxigen"

[FeO]3+

Arene OxidesArenols

Epoxides

Benzylic, allylic aliphatic C

Hydroxylation

Miscellaneous Oxidations +

DesulfurationS-Dealkylation

and S-Oxidation

O-Dealkylation N-HydroxylationN-Dealkyaltion and Oxidative DeaminationN-Oxide Formation

30

Aromatic Hydroxylation

■ Mixed function oxidation of arenes to

arenols via an epoxide intermediate

arene oxide

■ Major route of metabolism for drugs with

phenyl ring

■ Occurs primarily at para position

■ Substituents attached to aromatic ring

influence the hydroxylation

■ Activated rings (with electron-rich

substituents) are more susceptible while

deactivated (with electron withdrawing

groups, e.g., Cl, N+R3, COOH,

SO2NHR) are generally slow or

resistant to hydroxylation

R1 R1

OH

R1

O

R1

OH

OH

R1

SGlutathione

R1

Macromolecule

Spontaneous

Epoxide hydrolase

Glutathione

Macromolecule

R1

OH

OH

Aromatase

CYP450

OH

OH

Epoxide Hydrase

31

Exemple de réaction de biotransformation (2)

32

L’hydroxylation étant

la transformation la plus

fréquente.

Des désaminations,

déshalogénations,

désulfurations,

époxydations,

peroxygénations et

réductions peuvent aussi

faire partie de cette

première étape.

33

Exemple de réaction de biotransformation (3)

34

Forme

administrée

Forme(s) dans le

compartiment central

forme

éliminée

exemples

S S S pénicilline G, lithium

S S M M barbituriques

S S M M benzodiazépines

S S M M aspirine (« pro-drug »)

S M M M salazopyrine

S S M1 tox M2 M2 paracétamol

substance initiale forme active forme toxique

Applications

35

Sites of Metabolization

Major organs and tissues involved in xenobiotic

biotransformation :

Mainly the liver:

Hepatocytes contains a high concentration of biotransformation

enzymes.

Sometimes the kidney,

Digestive tract (Duodenum, intestin),

Lungs,

Skin,

Plasma enzymes …

36

Cycle catalytique du cytochrome P-450

Autres réactions :

C > A réduction RH > RH.-

D > B production de

superoxyde O2.-

E > B production de H2O2

Formation potentielle de

toxiques !

37

Phase II ReactionsThe use of a functional group to form a covalent bond with a highly soluble molecule:

conjugation with glucuronic acid

conjugation with sulfate

acetylation (from acetyl-Co-A)

conjugation with cysteine or glutathione (tripeptide with cysteine) or other amino acids, glycine, glutamine, taurine

methylation (from the S-adenosyl donor) methionine: (eg. Inactivation reaction of catecholamines by COMT)

38

Exemples de Phase II

39

Les cytochromes P-450 ou

monooxygénases microsomiales

Famille complexe de protéines membranaires, généralement

associées au réticulum endoplasmique, qui contiennent un groupe

prosthétique hème.

12 grandes familles de cytochrome P450 : CYP1 ...CYP12

Les familles CYP1, CYP2 et CYP3 sont les principales concernées

par le métabolisme des médicaments (d’autres sont impliquées dans

la synthèse ou le métabolisme des stéroïdes ou des acides gras et

dérivés).

40

Cytochromes P450 : exemplesCYP1A1/2 : chez l’homme CYP1A2 dans le foie, CYP1A1 dans d’autre tissus,

époxydation des hydrocarbures aromatiques polycycliques

Induit par hydrocarbures aromatiques polycycliques

CYP 2C9/19: responsables de la métabolisation du Clopidogrel, de la phénytoïne

(C19), de la Coumadine et des AINS (C9). Inhibé par l’Oméprazole.

CYP2D6 : responsable de la biotransformation du propranolol et de nombreux

antiarythmiques. Inhibé par la quinidine.

CYP2E1 : oxydation de l’éthanol (à côté de l’alcool déshydrogénase), induit par

l’éthanol, activation toxique du paracétamol, chloroforme, etc.

CYP3A4 : le CYP le plus abondant dans le foie humain, métabolise de très

nombreux médicaments et des stéroïdes endogènes p. ex. : ciclosporine,

érythromycine, ... .

Nombreuses substances inhibitrices : ciméthidine, kétoconazole, ....

CYP4A9/11: métabolisme des acides gras et dérivés (prostaglandines,

leukotriènes, thromboxanes)

41

Cytochromes P450 : importance pour

les médicaments à usage clinique

42

Causes de variation du

métabolisme des xénobiotiques

1. Induction(médicaments, composants alimentaires,

contaminants de l’environnement)

2. Inhibition

3. Polymorphisme génétique.

4. Âge

5. Pathologie

}

43

Variabilité d’ordre pharmacocinétique

Variabilité des concentrations

plasmatiques individuelles de

phénytoïne

Taux plasmatiques en fonction

de la dose orale journalière en

mg/kg

44

Induction Augmentation potentiellement très

importante de l’activité de systèmes

métaboliques (P-450 surtout, mais aussi

enzymes de phase II) par de nombreux

médicaments, hydrocarbures

aromatiques polycycliques, insecticides,

stéroïdes, etc.

L’induction apparaît en un ou quelques

jours et nécessite la synthèse de

nouvelle protéines par stimulation de la

transcription.

Cette induction est commandée par

l’occupation d’un récepteur

intracellulaire; par ex. récepteur à la

dioxine ou aux hydrocarbures

aromatiques (Ah receptor).

exemple : induction du CYP3A6par la rifampicine (R) (microsomes hépatiques de lapin)

C R

Induction: exemples Phénobarbital : induction du

CYP3A mais aussi nombreux autres

enzymes hépatiques, amplification

du RE. Activation peu spécifique du

métabolisme hépatique de

nombreuses substances.

Benzopyrène: stimulation très

rapide et très importante du

CYP1A2 (époxydation du

benzopyrène et d’autres

hydrocarbures aromatiques

polycycliques).

PCB (polychlorinated biphenyl) :

induction du métabolisme des

stéroïdes

Conséquences de

l’induction : Accélération

considérable de la vitesse

d’élimination de toutes les

substances métabolisées par

le système induit (demi-vie

diminuée), médicaments

mais aussi hormones

endogènes

mais aussi: formation

accélérée de métabolites

toxiques ou carcinogènes

45

46

Exemples de médicaments

inducteurs des CYP-450

47

millepertuis (Hypericum perforatum)

Saint John’s wort

Inhibition des cytochromes P-450

exemples Inhibition spécifique, par ex.

du CYP-2D6 par la quinidine

inhibition plus large (surtout

CYP3A) par interaction avec

l’hème (cimétidine,

kétoconazole)

compétition de deux substrats

pour un même CYP =

inhibition compétitive

inhibition et induction

peuvent coexister : ex. alcool

48

Exemple d’interactionLa pravastatine et la simvastatine sont 2

inhibiteurs de l’HMG CoA réductase (statine)

dont le mécanisme d’élimination diffère.

La simvastatine a une faible biodisponibilité orale

du fait d’un important effet de premier passage

hépatique dépendant de l’activité du CYP3A4 ; La

pravastatine n’est pas métabolisée et éliminée

essentiellement par sécrétion biliaire.

Lorsque qu’ils sont administrés en présence

d’inhibiteurs du CYP3A4, les concentrations

plasmatiques de simvastatine s’élèvent près de 20

fois alors que celles de la pravastatine, prise

conjointement avec les mêmes inhibiteurs du

CYP3A4 demeurent inchangées (puisque la

pravastatine n’est pas éliminée par métabolisme).

Les conséquences de cette interaction

médicamenteuse pharmacocinétique par inhibition

enzymatique sont une fréquence accrue de toxicité

musculaire propre aux statines lorsque la

simvastatine est prise avec des inhibiteurs du

CYP3A4.49

Pour chaque statine sont indiquées les

concentrations sans inhibiteur (barre

blanche), les concentrations en présence

d’itraconazole (barres rouges) et les

concentrations en présence de jus de

pamplemousse (barres jaunes).

50

Exemples de médicaments

inhibiteurs des CYP-450

51

Autres causes de variabilité du

métabolisme des médicaments

âge

immaturité chez le nouveau-né ou prématuré,

activité diminuée chez les personnes âgées.

Ex. toxicité du chloramphénicol chez le nouveau né due à

l’immaturité d’une estérase hépatique.

état physiologique ou pathologique du foie

polymorphisme génétique

Renal Clearance3 méchanisms contribute

to renal elimination rénal :

1. Glomerular Filtration

2. Tubular Secretion

3. Tubular Reabsorption

52

Kidney function Excretion of metabolic

wastes

Regulation of mineral and water balance

Release of renin that is important in regulation of blood pressure and blood volume

Release of erythropoietin in response to hypoxia; erythropoietin stimulates the production of ‎red blood cells in the bone marrow.‎

53

La clairance rénale: formule

La clairance rénale est le

volume de sang débarrassé

d’une substance par unité

de temps.

54

La clairance rénaleFiltration Glomérulaire:

Passage libre:

PM< 68 000 Da

Médicament libre (fu) non lié

Clairance de filtration maximale: 120 ml/min

Processus obligatoire pour les petites molécules

Réabsorption tubulaire

Processus non obligatoire pour un médicament, il

concerne les molécules qui ont été filtrées

Il permet le retour dans la circulation sanguine

Rôle majeur de la polarité 55

Sécrétion tubulaire

Processus non obligatoire pour un

médicament

Concerne les molécules qui n’ont pas

(encore) été filtrées ou qui ont été

réabsorbées

Transport actif via transporteurs

–Saturation

–Compétition

–Risque d’interactions médicamenteuses

56

Influence du pH sur l’ionisation

57

L’alcalinisation des urines

favorise l’élimination de

l’aspirine. La figure ci-dessous

illustre bien la relation qui

existe entre le débit

d’élimination urinaire (ou

clairance rénale) et le pH

urinaire pour l’aspirine.

Dans le cas d’un surdosage, il

est possible d’augmenter

l’élimination urinaire de

l’aspirine en alcalinisant les

urines.

La clairance rénale de la créatinine

Créatinine plasmatique stable, non liée aux protéines. Elle

est filtrée, pas réabsorbée et très peu excrétée. Sa clairance

plasmatique reflète la filtration glomérulaire.

58

T1/2 et ClairanceLa demi-vie plasmatique est le temps au bout duquel la moitié de la concentration plasmatique est éliminée. On peut dire aussi que c’est le temps nécessaire à la division par deux de la concentration plasmatique

On peut démontrer que :

La T1/2 est donc fonction

de la clairance et du Volume de distribution.

La T1/2 est une valeur constante déterminée de façon expérimentale.

59

La T1/2 est déterminée de façon

expérimentale.

60

La demi-vie est caractéristique d’un médicament, elle est

indépendante de la voie d’administration, de la dose ou de

la forme pharmaceutique.

Volume of distribution V = DOSE / C0

Clairance Plasmatique Cl = Kel .Vd

T ½ plasmatique t1/2 = 0.693 / Kel

Dose = CL x AUC et Dose x F = CL x AUC

Biodisponibilité (AUC)x / (AUC)iv

Paramètres Pharmacocinétiques

61

62

Temps Fraction éliminée

T ½ 50 %

2 x T ½ 75 %

3 x T ½ 87,5 %

4 x T ½ 94 %

5 x T ½ 97 %

6 x T ½ 98 %

7 x T ½ 99 %

8 x T ½ 99,6 %

9 x T ½ 99,8 %