Modelagem farmacocinética/farmacodinâmica (PK/PD) da quetiapina nanoencapsulada em modelo animal de esquizofrenia

Abstract

A esquizofrenia (SCZ) é uma condição psiquiátrica debilitante que afeta aproximadamente 1% da população mundial. A alta variabilidade observada na resposta crônica ao tratamento da SCZ pode estar relacionada a disfunções da barreira hematoencefálica (BHE) que impactam no transporte de fármacos antipsicóticos (APD) para o sistema nervoso central (SNC). Com base na hipótese que a redução na penetração cerebral de fármacos para o SNC em pacientes com SCZ poderia estar associada à resistência à farmacoterapia foram desenvolvidas nanocápsulas poliméricas de núcleo lipídico (LNC) visando melhorar o delivery de APD para o cérebro. Buscando aumentar a compreensão do papel deste tipo de nanocarreador polimérico na disposição de fármacos para o SNC, nesta tese desenvolvemos um modelo farmacocinético/farmacodinâmico populacional (popPK/PD) capaz de descrever as alterações na farmacocinética plasmáticas e na distribuição cerebral da quetiapina (QTP) e nos níveis extracelulares corticais de dopamina após administração do fármaco em solução (FQ) ou nanoencapsulado (QLNC) a ratos machos e fêmeas hígidos e com SCZ experimental (SCZ-like). QLNC (1 mg/mL) foram obtidas por nanoprecipitação e apresentaram tamanho médio de 166 ± 39 nm, baixo índice de polidispersão (< 0,15) e alta eficiência de encapsulação (93 ± 1,38%). O modelo neurodesenvolvimental de SCZ induzido pela administração de ácido poliinosínico-policitidílico [poli(i:c)] a ratas prenhas foi utilizado para obter os animais com SCZ experimental. Ratas Wistar prenhas (GD15) receberam diferentes doses i.v bolus de poli(i:c). Déficits comportamentais na prole adulta (PND75) foram avaliados pelos testes de labirinto em cruz elevado (EPM), inibição de sobressalto por pré-pulso (PPI) e hiperlocomoção induzida pelo MK-801 em comparação à prole de fêmeas prenhas (GD15) que receberam volume equivalente de solução salina estéril (animais hígidos). Ratos SCZ-like foram tratados com FQ e QLNC havendo restauração dos déficits apresentados no PPI apenas quando o fármaco nanoencapsulado foi utilizado. Para a investigação PK amostras de plasma e microdialisado cerebral (hipocampo ventral – HIP e córtex pré-frontal medial - mPFC) foram coletadas de machos e fêmeas hígidos e SCZ-like após administração intravenosa de FQ (5 e 10 mg / kg) ou QLNC (5 mg/kg). Observou-se uma redução significativa da exposição cerebral livre à QTP quando ratos SCZ-like foram administrados com FQ em comparação com animais hígidos. Utilizando modelagem farmacocinética populacional (popPK), um modelo semi-mecanístico capaz de descrever a farmacocinética plasmática e a distribuição cerebral da QTP administrada como FQ a animais hígidos e SCZ-like foi desenvolvido. O transporte bidirecional da QTP através da BHE foi parametrizado como CLin e CLout. Animais SCZ-like apresentaram uma redução significativa no transporte através da BHE (CLin: 0,019 L/h/Kg e CLout: 0,017L/h/Kg) em comparação com animais naïve (CLin: 0,045 L/h/Kg e CLout: 0,023 L/h/kg). Além disso, demonstrou-se que quanto pior o desempenho do animal no PPI, mais comprometido está o transporte de influxo de QTP através da BHE, indicando que a penetração de APD como a QTP está diminuida na SCZ e pode contribuir para a resistência observada ao tratamento farmacológico da doença. Aumento da exposição cerebral à QTP foi observado em animais SCZ-like quando QLNC foi administrada. O modelo popPK foi então expandido para descrever as diferentes características da QLCN: liberação da QTP in vivo do nanocarreador no plasma (KrelFAST: 0,261 h-1 e KrelSLOW: 0,00047 h-1) e mecanismo de distribuição da QTP para os tecidos e cérebro governado pelo nanocarreador (CLin,nano: 0,067 L/h/kg). Para investigação da PD um método bioanalítico versátil por CLAE-MS/MS foi desenvolvido e validado para determinação simultânea de monoaminas (MNT): dopamina (DA), ácido 3-4-diidroxifenilacético (DOPAC), ácido homovanílico (HVA), serotonina (5-HT) e ácido 5-hidroxi-indol-acético (5-HIAA) em amostras de microdialisado cerebral. O método foi aplicado para monitorar as alterações de concentração de MNT em amostras de dialisado obtidas do mPFC de prole de animais hígidos e SCZ-like antes e após a administração de QTP 5 mg/kg i.v. bolus (FQ e QLNC). Alterações na linha de base da DA após administração do fármaco não foram significativas em animais SCZ-like administrados com FQ. Quando ratos SCZ-like receberam QLNC, observou-se um aumento dos níveis de DA semelhantes aos observados em animais hígidos. Modelo de resposta indireta semi-mecanístico popPK/PD desenvolvido permitiu entender como FQ e QLNC afetam as concentrações extracelulares de DA. Um aumento de cerca de três vezes de no valor de EC50 (1,75 ng/mL para 4,97 ng/mL) para a QTP foi observado em ratos SCZ-like em comparação com animais hígidos. QLNC não alterou os parâmetros PD, pois não foram observadas alterações no EC50 após administração dessa formulação. No entanto, como a LNC modula a exposição cerebral à QTP foi observado um aumento dos níveis de DA no mPFC mostrando a importância do componente farmacocinético na variabilidade do tratamento farmacológico da SCZ. A abordagem presente nesta tese é útil para entender possibilidades e limitações dessas nanoformulações no delivery cerebral de fármacos, permitindo utilizar dessa estratégia para melhorar o tratamento farmacológico da SCZ.

Schizophrenia (SCZ) is a debilitating psychiatric condition with a lifetime prevalence of 1% worldwide. The incidence of this psychic disorder is slightly higher in men than in women, and women have less severe symptoms and better prognosis. The high variability observed in chronic SCZ response to treatment may be partially related to blood-brain barrier (BBB) dysfunction and consequent alterations on antipsychotic drug transport to central nervous system (CNS). We hypothesized that limited drug delivery to CNS in SCZ patients could be associated with pharmacotherapy resistance and developed lipid core nanocapsules (LNC) aiming to improve drug targeting to the brain. Viewing to increasing the understanding of the role of this type of drug delivery systems in brain drug disposition, in the current study we developed a population pharmacokinetic/pharmacodynamic (popPK/PD) model capable of describing changes in QTP plasma and brain pharmacokinetics and dopamine levels in brain after drug administration in solution (FQ) or encapsulated (QLNC) to naïve and schizophrenia-like (SCZ-like) male and female rats. QLNC (1 mg/mL) were obtained by nanoprecipitation and presented average size of 166 ± 39 nm, low polydispersity index (< 0.15) and high encapsulation efficiency (93 ± 1.38%). Neurodevelopmental model of SCZ induced by the administration of viral mimic polyinosinic–polycytidilic acid [poly(i:c)] to pregnant rats, which has face, construct and predictive validity, was used to produce the SCZ-like animals. Pregnant Wistar dams (GD15) received different i.v. bolus doses of poly(i:c). SCZ-like deficits in male and female adult offspring (PND75) were accessed by elevated plus-maze (EPM), pre-pulse inhibition of the startle response (PPI) and MK-801-induced hyperlocomotion in comparison to offspring of pregnant dams (GD15) that received the same i.v. bolus volume of saline (naïve animals). SCZ-like animals were treated with FQ and QLNC showing restoration of the PPI deficits only when drug encapsulated was used. For PK investigation, plasma and brain microdialysis samples (ventral hippocampus – HIP and medium prefrontal cortex -mPFC) were collected from male and female, naïve and SCZ-like animals following intravenous dosing with FQ (5 and 10 mg/kg) or QLNC (5 mg/kg). A significant reduction of the extent of QTP unbound brain distribution was observed in SCZ-like animals dosed with FQ formulation when compared to naïve offspring. Using population model based approach (popPK) a semi-mechanistic two-compartment model was identifiable both in blood and in the brain after administration of FQ formulation to naïve and SCZ-like rats. Bi-directional transport of QTP across the BBB was parametrized as CLin and CLout. SCZ-like animals presented a significant reduction in the rate of BBB transport (CLin: 0.019 L/h/Kg; and CLout: 0.017 L/h/Kg) in comparison to naïve animals (CLin: 0.045 L/h/Kg and CLout: 0.023 L/h/Kg). Using the PPI test it was possible to demonstrate that the greater reduction in PPI, the more compromised is the influx transport across BBB, indicating that the cerebral penetration of antipsychotics such as QTP is decreased in SCZ and may contribute to the resistance observed with pharmacological treatment. An increased brain exposition was observed in SCZ-like animals when QLNC was administered. The popPK model was expanded to describe different features of the QLNC formulation. The final model describes QTP in vivo release from QLNC in plasma (KrelFAST: 0.261 h-1 and KrelSLOW: 0.00047 h-1) and support a mechanism of the LNC governing QTP distributing into brain and tissues (QnanoTISSUE/BRAIN 0.067 L/h/Kg). For the PD investigation, a versatile method was developed and validated for simultaneous determination of the monoamine neurotransmitters (MNT) dopamine (DA), 3-4-dyhydroxyphenilacetic acid (DOPAC), homovanilic acid (HVA), serotonin (5-HT) and 5-hydroxyindolacetic acid (5-HIAA) in rat brain microdialysate samples using high-performance liquid chromatography tandem mass spectrometry (LC-MS/MS). The method was applied for monitoring the concentration changes of MNT in microdialysate samples from mPFC of male and female naïve and SCZ-like animals before and after QTP 5 mg/kg i.v. bolus dosing as FQ and QLNC. Only DA showed differences form baseline after QTP dosing. Changes in DA baseline were not observed in SCZ-like animals after FQ dosing, however when the animals received QLNC formulation an increase in DA levels similar to that observes in naive animals was observed. A semi-mechanistic popPK/PD indirect response model was developed allowing understanding how FQ and QLNC formulation affects DA concentrations in naïve and SCZ-like rats. SCZ status increased QTP EC50 values about three times in comparison to naïve animals (from 1.75 ng/mL to 4.97 ng/mL). Nanoencapsulation did not alter PD parameters, since no alterations were observed in EC50 after QLNC dosing. However, because LNC modulate QTP brain delivery and increase in DA levels in mPFC was observed, showing the importance of the pharmacokinetic component to overcome the variability observed in SCZ pharmacological treatment. The present model-based approach is useful to better understand the possibilities and limitations of these nanoformulation in drug delivery to the brain opening the possibility to use this approach to improve SCZ-treatment limited response rates.