Modelagem farmacocinética populacional para avaliação da dose profilática de cefazolina em pacientes obesos submetidos à cirurgia bariátrica e em ratos com obesidade induzida

Abstract

Objetivo: Os objetivos deste trabalho foram: i) desenvolver modelo farmacocinético populacional (popPK) para descrever as concentrações livres teciduais de cefazolina (CFZ) em pacientes morbidamente obesos submetidos à cirurgia bariátrica buscando determinar a melhor dose para antibioticoprofilaxia, e ii) avaliar a possibilidade de translação dos desfechos clínicos usando modelo popPK e dados farmacocinéticos de modelo animal de obesidade. Métodos: Foi desenvolvido e validado método analítico para quantificação de CFZ no plasma e no microdialisado de tecido subcutâneo de animais e humanos por cromatografia líquida de alta eficiência (CLAE/UV). A etapa clínica do desenvolvimento do modelo popPK, foi realizada com dados de pacientes morbidamente obesas submetidas à cirurgia bariátrica após a dose única i.v. bolus de 2 e 3 g do fármaco. As concentrações livres de CFZ foram determinadas no tecido adiposo subcutâneo através de microdiálise (MD), sendo amostras de plasma foram coletadas simultaneamente nas pacientes durante a cirurgia. A análise farmacocinética não-compartimental (ANC) e a modelagem popPK dos dados obtidos foi realizada utilizando os softwares WinNonlin® e Monolix®, respectivamente. Utilizando o modelo popPK desenvolvido foram realizadas simulações de Monte Carlo para avaliação da eficácia profilática, tendo como alvo terapêutico a manutenção das concentrações livres teciduais acima da concentração inibitória mínima (CIM) durante todo o tempo de cirurgia (fT>CIM = 100%). Os resultados foram obtidos na forma de probabilidade de atingir o alvo (PTA), considerando bactérias com diferentes CIM e diferentes tempos de duração da cirurgia. Experimentos similares de MD foram realizados em ratos Wistar obesos induzidos por dieta, a fim de avaliar a possibilidade de utilização do modelo popPK de humanos para descrever a distribuição tecidual da CFZ em ratos obesos. Foram testadas doses de 30 e 45 mg/kg administradas via i.v. bolus, equivalentes às doses usadas em humanos. Os dados plasmáticos e teciduais foram avaliados por ANC e modelagem popPK e, com base em simulações de Monte Carlo, obtiveram-se os PTAs para os animais. A possibilidade de translação dos dados dos animais para humanos foi avaliada comparando-se diretamente os valores dos PTAs obtidos, e através de outras duas estratégias empregando escalonamento alométrico dos parâmetros farmacocinéticos populacionais, e comparando-se os desfechos na forma de PTAs. Resultados: O método analítico para quantificação de CFZ total e livre em plasma e em microdialisado de tecido foi validado e considerado adequado para a avaliação das amostras do estudo. A ANC dos dados plasmáticos e teciduais da CFZ nas pacientes obesas mórbidas mostrou que os parâmetros farmacocinética são dose independentes na faixa 2-3 g. Na modelagem populacional, os dados plasmáticos e teciduais foram descritos simultaneamente utilizando-se modelo de dois compartimentos que incluiu a saturação da ligação da CFZ às proteínas plasmáticas e teciduais. A simulação de Monte Carlo mostrou que a dose de 2 g é adequada para atingir o alvo terapêutico para bactérias com CIM ≤ 2 mg/L por até 4 h, geralmente suficiente para cirurgia bariátrica, não justificando o aumento de dose para 3 g. Para CIM ≤ 2 mg/L a dose de 3 g mantém efeito profilático por até 5 h, situação raramente encontrada na prática. Para bactérias com CIM de 4 mg/L, 3 g de CFZ são efetivas por 3 h, não adicionando vantagem significativa frente a dose de 2 g. Na etapa pré-clínica do trabalho houve a necessidade de ajustar o modelo popPK desenvolvido para humanos para uso em ratos, devido às diferenças observadas entre as duas espécies. Diferenças nas taxas de ligação às proteínas teciduais (Bmáx(t) de 622 mg/L e 160 mg/L em ratos e humanos, respectivamente) e a presença de um mecanismo adicional de eliminação hepática saturável da CFZ nos ratos foi incorporada no modelo. A estratégia de escalonamento alométrico de clearance e volume de distribuição de ratos para humanos e uso das taxas de ligação a proteínas de humanos no modelo popPK de ratos permitiu translação dos desfechos clínicos, com um percentual mínimo de concordância de 121.7%. Conclusões: A dose profilática de 2 g é capaz de garantir uma proteção contra infecções de sítio cirúrgico em cirurgias bariátricas por até 4 h para microrganismos com CIM ≤ 2 mg/L, equivalente à dose de 3 g, não havendo justificativa para aumento de dose em obesos. O uso de uma estratégia translacional permitiu a utilização do modelo popPK de ratos para previsão dos desfechos profiláticos da CFZ em pacientes obesos.

Objective: The aims of this work were: i) to develop a population pharmacokinetic model (popPK) to describe free tissue concentrations of cefazolin (CFZ) in morbidly obese patients submitted to bariatric surgery in order to determine the most appropriate dose for antibiotic prophylaxis, and ii) to evaluate the possibility of translating the clinical outcomes using popPK model and pharmacokinetic data from obese animal model. Methods: An analytical methodology was developed and validated for quantification of CFZ in plasma and microdialysate of subcutaneous tissue of humans and animals by high performance liquid chromatography (HPLC/UV). The clinical stage of the popPK model development was performed based on CFZ data from morbidly obese female patients undergoing bariatric surgery following administration of a single i.v. bolus dose of 2 g and 3 g. Free CFZ concentrations were determined in the subcutaneous adipose tissue using microdialysis (MD). The collection of plasma samples was performed simultaneously in the patients during the surgery. Non-compartmental pharmacokinetic analysis (NCA) and popPK modeling of data were performed using WinNonlin® and Monolix® software, respectively. Using the developed popPK model, Monte Carlo simulations were performed to evaluate the prophylactic efficacy of both doses, with the therapeutic target being the maintenance of free tissue concentrations above the minimum inhibitory concentration (MIC) for the entire duration of surgery (fT > MIC = 100%). The results were obtained as a probability of target attainment (PTA), considering bacteria with different MICs and diverse surgery durations. Similar microdialysis experiments were performed on diet-induced obese Wistar rats in order to evaluate the possibility of using the human’s popPK model to describe CFZ tissue distribution in obese rats. Two CFZ i.v. single bolus doses (30 and 45 mg/kg), equivalent to those used in humans, were investigated. Plasma and tissue data were evaluated by NCA and popPK modeling and, based on Monte Carlo simulations, the PTAs were obtained for the animals. The possibility of outcome translation from animals to humans was evaluated by comparing directly the values of the PTAs obtained, and trough other two strategies using allometric scaling of the populational pharmacokinetic parameters, and comparison of the outcomes given as PTAs. Results: The analytical method for quantification of total and free CFZ in plasma and tissue microdialysis was validated and considered suitable for the evaluation of the study samples. The NCA of CFZ plasma and tissue data from morbidly obese patients showed dose independency pharmacokinetic parameters in the 2-3 g dose range. For populational modeling, plasma and tissue data were simultaneously described using a two-compartment model with CFZ plasma and tissue protein binding saturation. Monte Carlo simulation showed that 2 g dose is adequate to reach the therapeutic target for bacteria with MIC ≤ 2 mg/L up to 4 h after administration, usually sufficient for bariatric surgery, not justifying dose increase to 3 g. For MIC ≤ 2 mg/L, 3 g dose sustains prophylactic effect up to 5 h, a situation rarely found in practice. For bacteria with MIC of 4 mg/L, 3 g dose is effective for up to 3 h, not adding a significant advantage over the 2 g dose. In the preclinical stage of the work the human popPK model had to be adjusted to accommodate differences between species. Differences in CFZ tissue protein binding rates (Bmax(t) of 622 mg/L and 160 mg/L in rats and humans, respectively) and the presence of an additional mechanism of saturated hepatic elimination in rats were incorporated into the popPK model. The strategy of allometrically scaling clearance and volume of distribution from rats to humans and the use of CFZ human’s protein binding in the popPK model allowed the translation of clinical outcomes, with a minimum percentage of equivalence of 121.7%. Conclusions: CFZ 2 g prophylactic dose guarantees protection against surgical site infections equivalent to 3 g dose up to 4 h for microorganisms with MIC ≤ 2 mg/L, not justifying the dose increase in obese patients. The use of a translational strategy allowed the use of rat’s popPK model to predict CFZ prophylactic outcomes in obese patients.