Modelagem farmacocinética populacional do ciprofloxacino na infecção por bactérias gram-negativas

Abstract

O objetivo geral do projeto foi investigar as alterações na penetração pulmonar do ciprofloxacino (CIP), tanto no interstício como no líquido de revestimento pulmonar (ELF), na dependência do estágio da infecção (agudo ou crônico) e de diferentes espécies bacterianas Gram-negativas formadoras de biofilme infectantes: Pseudomonas aeruginosa e Klebsiella pneumoniae. Inicialmente avaliou-se as concentrações plasmáticas, livres intersticiais pulmonares e livres no ELF do CIP após administração i.v. bolus de 20 mg/kg a ratos Wistar sadios, aguda (2 dias) e cronicamente (14 dias) infectados com P. aeruginosa. As concentrações livres pulmonares e no ELF foram determinadas por microdiálise. Um modelo farmacocinético populacional (popPK) foi desenvolvido para descrever a disposição pulmonar do CIP nas diferentes condições usando NONMEM® (versão 7.4.3) com FOCE+I. Os dados plasmáticos foram descritos como um modelo de três compartimentos com eliminação de primeira ordem. Para a inclusão de dados pulmonares, o modelo foi expandido para quatro compartimentos e as concentrações no ELF foram descritas como uma fração dos níveis intersticiais pulmonares, estimada como um fator de distribuição (ƒD), uma vez não foram impactadas pelo processo infeccioso. Não foram observadas alterações significativas nas concentrações plasmáticas e pulmonares do CIP em decorrência da infecção aguda, possibilitando juntar esse grupo aos grupos sadio/bead branco no desenvolvimento do modelo. Determinou-se variabilidade interindividual em ƒD, clearance do compartimento central, clearance intercompartimental do primeiro compartimento periférico e do compartimento pulmonar e no volume do compartimento pulmonar. Para descrever o grupo com infecção crônica, que mostrou aumento nas concentrações plasmáticas e redução de 4 vezes nas concentrações livres intersticiais pulmonares, adicionou-se ao modelo a covariável infecção crônica no clearance central e um clearance pulmonar. Simulações geradas pelo modelo popPK foram utilizadas para avaliar a probabilidade de as concentrações atingirem eficácia terapêutica utilizando como alvo o índice PK/PD área sob a curva de concentração livre/concentração inibitória mínima (MIC) - ƒAUC0-24/MIC ≥ 90 – para a dose de 20 mg q8h, equivalente a 400 mg q8h utilizada em humanos. Os resultados mostraram que, apesar da redução das concentrações intersticiais pulmonares devido à infecção crônica, as mesmas foram suficientes para tratar pneumonias com P. aeruginosa com MIC até 0,125 mg/L (probabilidade de atingir o alvo - PTA > 90%), que é o MIC mais prevalente para esse microrganismo, mas são insuficientes para tratar pneumonias causadas por cepas menos susceptíveis. As concentrações livres no ELF em infecções pulmonares crônicas podem ser insuficientes para resultar num tratamento eficaz. Na sequência, avaliou-se o impacto da alteração do agente infectante na distribuição pulmonar do CIP na infecção crônica. Determinou-se as concentrações de CIP no plasma e livre no interstício pulmonar de ratos Wistar machos cronicamente (14 d) infectados com K. pneumoniae após administração da dose de 20 mg/kg i.v. bolus. Os resultados mostraram que a infecção por K. pneumoniae produz a mesma alteração nas concentrações plasmáticas do CIP observada na infecção por P. aeruginosa, mas as concentrações livres no interstício pulmonar foram menores do que as observadas nos animais saudáveis ou infectados por P. aeruginosa. Usando o mesmo modelo popPK desenvolvido para P. aeruginosa, avaliou-se comparativamente os dados plasmáticos e pulmonares da infecção por K. pneumoniae, sendo determinada diferença apenas no clearance pulmonar entre as duas espécies bacterianas. Apesar da redução mais pronunciada nas concentrações livres intersticiais pulmonares de CIP causadas pela infecção crônica por K. pneumoniae, a probabilidade de atingir o alvo ƒAUC0-24/MIC ≥ 90 para a dose de 20 mg/kg q8h foi > 90% para a MIC mais prevalente dessa espécie bacteriana (0.03 mg/L). Para infecções com cepas menos susceptíveis, a PTA cai drasticamente, sendo necessário investigar outras posologias. Em resumo, foi possível concluir que a infecção crônica por ambas as espécies bacterianas causa alterações na disposição plasmática e pulmonar do CIP e que as concentrações no ELF são dependentes das concentrações pulmonares intersticiais. A dose de 20 mg/kg q8h gera concentrações pulmonares eficazes para tratar infecções crônicas para os MICs mais prevalentes de ambas as bactérias, mas não para cepas menos susceptíveis. As concentrações livres de CIP no ELF não são eficazes para produzir erradicação bacteriana das cepas menos susceptíveis de ambas as bactérias.

The main objective of this project was to investigate alterations on ciprofloxacin (CIP) lung penetration, on the interstitium as well as on epithelial lining fluid (ELF), on dependency of the stage of infection (acute or chronic) and differences between biofilm-forming Gram-negative bacterial species: Pseudomonas aeruginosa and Klebsiella pneumoniae. First, plasma, free lung and free ELF CIP concentrations were evaluated after 20 mg/kg i.v bolus dosing to healthy Wistar rats, acute (2 d) and chronically (14 d) infected by P. aeruginosa. Free lung and ELF concentrations were determined by microdialysis. A population pharmacokinetic model (popPK) was developed to describe CIP lung disposition at different conditions using NONMEM® (version 7.4.3) with FOCE+I. Plasma data were described as a three-compartment model with first order elimination. To include lung data, the model was expanded to four compartments with ELF being described as a fraction of interstitium lung levels, estimated as a distribution factor (ƒD), since ELF concentrations were not influenced by the infectious process. No significant alterations were observed on CIP plasma and lung concentrations caused by acute infection, allowing to pool these groups with healthy and blank bead groups during modelling development. Interindividual variability was determined on ƒD, central clearance, intercompartmental clearances of the first peripheral compartment and lung compartment and lung volume. To describe the chronically infected group, which showed an increase in plasma concentrations and a 4-fold reduction on free interstitial lung concentrations, chronic infection was added as covariate on central clearance and on lung clearance. Simulations were performed with the popPK model in order to evaluate the probability of CIP concentration obtained for the 20 mg q8h, equivalent to 400 mg q8h used in humans, to reach therapeutic efficacy, using as a target the PK/PD index area under the free concentration/minimal inhibitory concentration - ƒAUC0-24/MIC ≥ 90. The results showed that, in spite of the reduction on interstitial lung concentrations due to chronic infection, they were sufficient to treat pneumonia caused by P. aeruginosa with MIC up to 0.125 mg/L (probability of target attainment – PTA>90%), which is the most prevalent MIC for this pathogen, but were insufficient to treat pneumonia caused by less susceptible strains. Free ELF concentrations on chronic lung infections can be insufficient to result in an efficacious treatment. Next, the impact of changing the infecting agent on CIP lung distribution on chronic infection was evaluated. CIP plasma and lung interstitial concentrations were determined on male Wistar rats chronically (14 d) infected by K. pneumoniae after CIP 20 mg/kg i.v. bolus dosing. The result showed that K. pneumoniae infection produced the same alteration on CIP plasma concentrations that were observed with P. aeruginosa infection. However, CIP free interstitial lung concentrations were smaller than the concentrations observed on healthy or P. aeruginosa chronically infected groups. Using the same popPK model developed for P. aeruginosa, plasma and lung data from K. pneumoniae infection were comparatively evaluated. The only difference between the two bacterial species was determined on CIP lung clearance. Although the more pronounced reduction on CIP free interstitial lung concentrations caused by K. pneumoniae chronic infection, the probability of target attainment ƒAUC0-24/MIC ≥ 90 for 20 mg/kg q8h was >90% to the most prevalent MIC of this bacterial specie (0.03 mg/L). For infections with less susceptible strains, the PTA drops drastically, suggesting the need to investigate other dosing regimens. In summary, it was possible to conclude that chronic infection by both bacteria can cause alterations on CIP plasma and lung concentrations and that ELF concentrations are dependent on interstitial lung concentrations. The dose regimen of 20 mg/kg q8h generates effective interstitial lung concentrations to treat chronic infection caused by the most prevalent MIC for each bacteria, but not to treat less susceptible strains. CIP free ELF concentrations are not effective to promote bacterial eradication of the most prevalent strains for both bacteria.