Suivi thérapeutique des médicaments antirétroviraux: Aspects pharmacologiques et pharmacogénomiques

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1 Suivi thérapeutique des médicaments antirétroviraux: Aspects pharmacologiques et pharmacogénomiques PD Dr Laurent Decosterd, PhD Laboratoire de la Division de Pharmacologie clinique CHUV Lausanne ARL, Lausanne, 17 mars 2005

2 Médicaments antirétroviraux Inhibiteurs de la transcriptase inverse & Inhibiteurs de la protéase de HIV Aspects pharmacologiques Therapeutic Drug Monitoring Pourquoi? Rationnel Pharmacogénétique des antirétroviraux Facteurs influençant la réponse et/ou toxicité

3 HIV Transcription inverse Inhibiteurs de la Transcriptase inverse (RT) Fusion AR AD Integration Transcription Lymphocytes CD 4 Synthèse des protéines virales Inhibiteurs de la Protéase (PI) Protéase Maturation

4 Protéase de HIV

5 Protéase de HIV complexée avec un inhibiteur (saquinavir)

6 Inhibiteurs de la protéase de HIV (PI, Protease Inhibitor) O H H 2 O H O OH O H H H H 3 C CH 3 CH 3 Saquinavir

7 Inhibiteurs de la protéase de HIV utilisés en clinique O H O H 2 Saquinavir (SQV) H O OH O H 3 C H H H CH 3 CH 3 CH 3 OH O H CH 3 H 3 C CH3 OH H O Indinavir (IDV) H 3 C S S O HO H elfinavir (FV) OH O H H H H 3 C CH 3 O H H CH 3 O Ritonavir (RTV) OH H O O S H H 3 C CH 3 O H O OH H O O H 3 C CH 3 O O O O O S H OH CH 3 H 3 C H 2 Lopinavir Amprenavir (APV)

8 H 3 C O O H O H OH H O H O CH3 O atazanavir

9 Inhibiteurs non nucléosidiques de la transcriptase inverse de HIV RTI, on ucleoside Reverse Transcriptase Inhibitors CH 3 H O Cl H CF 3 O O Efavirenz evirapine

10 Concentration-Effect Relationships for antiretrovirals in vitro! PIs and RTIs antiretroviral activity is concentration- dependent! o post-antiretroviral effect is observed! Maintenance of concentrations above a given threshold (IC 90 ) is required for activity! Viral resistance r appears to be favoured by repeated exposure to subtherapeutic antiretroviral drug levels (concentrations below IC 90 ) both in vitro and in vivo IC 90 " RTIs activity is related to intracellular amounts of phosphorylated drug, which poorly correlates with extracellular concentrations

11 Antiretroviral drugs GI Lumen P-glycoprotein CYP3A/2B Enterocytes Blood Pharmacokinetic issues with PIs and RTIs # Metabolized by intestinal and hepatic cytochromes P450 # Highly bound to plasma proteins # Transported by P-glycoprotein HIV CD 4 lymphocytes CYP3A/2B P-glycoprotein α1-glycoprotein and albumin P-glycoprotein Liver Systemic disposition Free-bound Extracellular /intracellular, Interaction with HIV infection

12 Pharmacokinetic issues with PIs and RTIs CYP450 and P-glycoprotein $ Genetic polymorphisms $ Influenced by environmental factors $ Likely to be inhibited or induced PIs and RTIs $ High inter-individual individual variability in pharmacokinetics $ Drug interactions $ Poor penetration into HIV sanctuary compartments

13 Problèmes des cliniciens infectiologues Face à un patient HIV+, que faire en cas de : # Echecs thérapeutiques # Problèmes d interactions # Compliance douteuse # Apparitions d effets secondaires

14 Demande des cliniciens Avoir à disposition un dosage des antirétroviraux chez les patients HIV+ TDM: Therapeutic Drug Monitoring Suivi thérapeutique des médicaments

15 Profil chromatographique d un échantillon de contrôle contenant 3000 ng /ml de PIs/EFV mau 140 I.S. 8.2 IDV 13.0 APV 16.3 SQV 21.5 RTV 26.5 EFV 28.7 FV Time (min)

16 Détection UV à barrettes de diodes

17 Profil chromatographique d un échantillon d un patient, 13 heures après avoir reçu indinavir 800 mg bid et ritonavir 100 mg bid mau I.S ng/ml 100 IDV ng/ml RTV Plus de dosages de 10 médicaments réalisés à ce jour Time (min) Marzolini C et al 2000

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19 Therapeutic Drug Monitoring (TDM) of PIs and RTIs # Therapeutic Drug Monitoring (TDM) of PIs and RTIs increasingly recognised as useful for the optimal clinical management of HIV-positive patients in association with the assessment of HIV resistance (virtual) phenotyping. # Especially helpful in the case for treatment failure, drug-related related toxicity,, drug-drug interactions, compliance assessment and evaluation of drug exposure

20 Therapeutic Drug Monitoring (TDM) of PIs and RTIs # More than drug plasma measurements have been performed since 1999 at the Lausanne and Zurich Centers # These pharmacological data are currently being integrated into the Swiss HIV Cohort Study (SHCS) data base enabling:! a nation-wide population analyses of PIs and RTIs pharmacokinetics,! assessment of TDM predictive value on the course of the disease,! and identification of clinically relevant factors influencing the disposition of antiretrovirals,, such as demographic variables or pharmacogenetic markers

21 Inter-individual variability in nelfinavir plasma concentrations elfinavir concentrations (µ g/l) % prediction interval Average model curve Time (h) n= 220 patients on nelfinavir 1250 mg bid CV inter : 44.9% C. Marzolini et al. (2001)

22 253 unselected patients under Efavirenz 600 mg q.d. : EFV Concentration (µg/l) Time (h) Average model curve 95% prediction interval CV inter = 56.3% CV intra = 24.7% C. Csajka & al. Clin Pharmacol Ther. 2003;73:20-30

23 130 unselected patients under Efavirenz 600 mg q.d. : Probability (%) Viral control Optimal range 20 0 CS toxicity Efavirenz concentration ( µg/l) C. Marzolini & al. AIDS 2001, 15:71-75

24 Part of the pharmacokinetic variability of efavirenz can be explained by the polymorphism of its metabolizing enzyme CYP2B6

25 CYP2B6 516G>T genotype in 167 patients from the SHCS receiving Efavirenz 600 mg q.d. Efavirenz AUC Plasma (h µg/l) CYP2B6 516G>T: GG GT TT TT associated with 3-fold higher plasma EFV levels M. Rotger, S. Colombo,, Pharmacogenetics 2005

26 Influence of CYP2B6 516 G>T on EFV toxicity Association with: Sleep disorders (p = 0.04) CYP2B6 516TT and Mood disorders (p = 0.09) Fatigue (p = 0.03) M. Rotger, S. Colombo, A. Telenti, Pharmacogenetics 2005

27 Influence of CYP2B6 516 G>T on intracellular levels of EFV 6 P value Efavirenz log AUC IC Médiane (IC-AUC) GG GT TT GG GT TT X 3.5 Sleep disorders (p = 0.03), Fatigue (p =0.04)

28 Pharmacokinetic issues in HIV resistance % Limited penetration of PIs through physiological barriers % Blood Brain Barrier: poor penetration into Central ervous System % Placenta: Example of a HIV positive pregnant woman on nevirapine and lopinavir

29 Passage transplacentaire des antirétroviraux H H 3 C CH 3 O H O OH H O O H 3 C CH 3 CH 3 O H HIV protease inhibitor lopinavir on ucleoside Reverse Transcriptase inhibitor nevirapine

30 At delivery VWD1 A, Wavelength=282 nm (DATAAR~1\ D) mau assay for nevirapine In plasma from the mother nevirapine min mau VWD1 A, Wavelength=282 nm (DATAAR~1\ D) Umbilical cord nevirapine Marzolini et al, J Chromatog B, 2002 min

31 At delivery Plasma from the mother mau VWD1 A, Wavelength=201 nm (DATAAR~1\ D) lopinavir min mau 175 VWD1 A, Wavelength=201 nm (DATAAR~1\ D) Umbilical cord min Marzolini et al, AIDS 2002

32 Poor penetration of HIV protease inhibitors in CS Indinavir 800 mg BID (+ritonavir) Patient on IDV 800mg bid concentration (ng/m l) ng/ml in plasma 7h20 after drug intake 365 ng/ml in CSF % CSF / plasma = 13 % for IDV time (h) % CSF / plasma 0 % for FV 0 % for LPV 0 % for APV < 0.5% for SQV and RTV Thomas SA, Curr Pharm Design 2004, 10, 1313

33 Pharmacokinetic issues with PIs and RTIs Current Therapeutic Drug Monitoring follows drugs levels in plasma The site of viral replication is intracellular

34 Antiretroviral drugs GI Lumen Enterocytes Does total plasma concentration reflect the concentration at the site of action? P-glycoprotein CYP3A/2B Blood HIV CD 4 lymphocytes CYP3A/2B P-glycoprotein α1-glycoprotein and albumin P-glycoprotein Liver Systemic disposition Free-bound Extracellular /intracellular, Interaction with HIV infection

35 Chromatographic profiles of antiretroviral drugs by LC-tandem MS/MS for intracellular measurements. RT = 8.94 RTV RT = 6.16 VP Relative Abundance RT = 7.07 RT = 6.07 RT = 7.02 RT = 9.41 FV IDV SQV EFV Time [min] RT = 8.20 APV RT = 9.13 LPV Colombo et al, J Chrom B 2005

36 Intracellular Concentration Log intracellular concentration elfinavir p < r= 0.85 slope = Saquinavir Efavirenz p < r= 0.6 slope = evirapine 3.0 p = p = 0.8 r = 0.80 r = 0.1 slope = 0.76 slope = Log plasma concentration Colombo S, 5 th Int Workshop Clin Pharmacology of HIV Therapy, Rome, 2004

37 La P-glycoprotéine, le produit du gène MDR1 Glycosylated residues Extracellular xenobiotic Plasma membrane P-Gp 2 ADP + 2 Pi P-glycoprotéine: 2 ATP T. Buclin et al $ Protéine de transport membranaire, ATP dépendante $ Expulse les xénobiotiques en dehors de la cellule $ Responsable de le résistance médicamenteuse de certaines cellules tumorales

38 La P-gp P est présente au niveau de nombreuses barrières physiologiques (cerveau, intestin, testicules, placenta) et elle est exprimée aussi au niveau des CD4. Bloodbrain barrier PGP La variabilité génétique de la P-gp P peut influencer la disposition du médicament. Liver bile ducts PGP Kidney tubules Small intestine PGP PGP Ovaries PGP Testes PGP PGP Placenta

39 PHARMACOGEETICS Exon-intron structure of the human gene MDR1 and the corresponding domain composition of P-gP MDR1 PgP Hoffmeyer et al PAS 2000 $ C3435T mutation sur exon 26 conduit à une diminution de l expression de PgP $ Les inhibiteurs de la protéase de HIV sont substrats de la PgP

40 OBSERVATIO Les patients avec le mutation MDR1- TT ont une augmentation plus prononcée de leurs taux de CD4+ à l initiation du traitement antirétroviral Fellay J, Marzolini C et al. Lancet (2002)

41 HYPOTHESE Patient genotype: MDR1-CC Patient genotype: MDR1-TT P-glycoprotein High P-glycoprotein expression drug molecules (P-glycoprotein substrates) Low P-glycoprotein expression Low intracellular drug concentration? Result: poor treatment outcome High intracellular drug concentration? Result: successful treatment outcome

42 MDR1 C3435T polymorphism influences ELFIAVIR intracellular exposure Bayesian norm intracell_ AUC [h/ng/ml] Median (intracell-auc) MDR 3435 CC MDR 3435 CT MDR 3435 TT CC CT TT Wild-type X 2.1 Mutant, with lower expression of P-glycoprotein Kruskal-Wallis p = 0.03 Wilcoxon (CC/TT) p = 0.07 Colombo et al, 2004

43 Therapeutic Drug Monitoring et test de résistance HIV : approche actuelle Therapeutic Drug Monitoring % Mesure des concentrations de médicaments dans des échantillons plasmatiques prélevés lors de la visite médicale. % Intervalle de temps entre prélèvement sanguin et prise de médicament. % La concentration est interprétée à partir d une courbe de percentile pharmacocinétique établie à l état d équilibre chez des patients bien contrôlés

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45 Courbes de percentile pharmacocinétique Indinavir 800 mg BID (+ritonavir) Patient traité avec IDV 800mg bid concentration (ng/m l) ng/ml dans le plasma 7h20 après la prise de médicament time (h)

46 Etablissement de courbes de percentile pour tous les antirétroviraux et régimes disponibles à présent Indinavir 800 mg TID Indinavir 800 mg BID (+ritonavir) Saquinavir 400 mg BID (+ritonavir) concentration (ng/ml) concentration (ng/ml) concentration (ng/ml) time (h) time (h) time (h) Ritonavir 400 mg BID elfinavir 1250 mg BID Efavirenz 600 mg QD concentration (ng/ml) concentration (ng/ml) concentration (ng/ml) time (h) time (h) time (h)

47 Therapeutic Drug Monitoring et test de résistance HIV : approche actuelle # L approche actuelle ne tient pas compte de la sensibilité virale!

48 Therapeutic Drug Monitoring et résistance HIV développement en cours Le développement de la résistance peut se produire lorsqu un virus error-prone peut continuer à se répliquer en présence de concentrations sous-optimales optimales de médicaments antirétroviraux qui sont connus pour avoir un accès limité dans des compartiments profonds «sanctuaires»

49 Pharmacodynamic issues in HIV resistance Resistance can be defined as an increase in the inhibitory concentration to a level higher than that required for wild-type virus Possibility of overcoming resistance by increasing drug exposure ( i.e C min, AUC)

50 HIV Resistance Phenotype 100 % Inhibition of viral replication % Wild-type HIV strain IC 50 Patient HIV strain IC Indinavir Concentration (µm)

51 Therapeutic Drug Monitoring et test de résistance HIV : développement en cours Therapeutic Drug Monitoring % Mesure des concentrations de médicaments dans des échantillons plasmatiques prélevés lors de la visite médicale % Extrapolation de la valeur résiduelle (C( min, C through = valeur la plus basse (i.e. avant la dose suivante) through )

52 Etablissement de courbes de percentile pour tous les antirétroviraux disponibles à présent Indinavir 800 mg BID (+ritonavir) Patient traité avec IDV 800mg bid concentration (ng/m l) ng/ml dans le plasma 7h20 après la prise de médicament Concentration résiduelle C min (juste avant dose suivante) time (h)

53 Test de résistance de HIV: phénotypage versus génotypage pour la détermination de la sensibilité virale?

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55 Virtual Phenotype Fold Change in IC 50 vs. L = WT K103R 10, V179D 73 K103R V179D 15 K101P 16 K101E 31 K Y181C 425 G190A 176 T Parkin & al., ViroLogic, Inc., 43rd ICAAC, 2003

56 Which pharmacological parameter is the best predictor of potency for PIs-based regimen? Virtual Inhibitory Quotient viq Genotypic Inhibitory Quotient GIQ

57 Inhibitory Quotient viq = Genotype with virtual Phenotype VP x C min IC 50 wt-hiv Measured, Extrapolated, Bayesian Serum adjustment, Protein adjustment, Cell adjustment, Drug transporters

58 Lack of association between IQ and HIV-1 RA suppression at week 48* % of patients with undetectable HIV-1 RA r 2 =0.07 P = S Inhibitory Quotient (IQ) *Size of circle reflects study size Kakuda T, Schutz M, Hill AM, 43th ICAAC 2003 Abstract A1799

59 Lack of association between IQ and CD4+ cell count response at week 48* Change in CD4+ cell counts (cells/mm 3 ) r 2 =0.03 p = S *Size of circle reflects study size Inhibitory quotient (IQ) Kakuda T, Schutz M, Hill AM, 43th ICAAC 2003 Abstract A1799

60 Genotypic Inhibitory Quotient GIQ = C trough Measured, Extrapolated, Bayesian umber of PI mutations Genotyping

61 Relationship between number of mutation in HIV-protease and decrease in HIV-1 RA load between day 0 and week 12 Amprenavir 600mg bid rito 100 mg bid in 49 Pi exp. patients Contributive mutations (univariate analysis):10f/i/v,20mr,35d,41k,54v,63p,82a/f/t/s,84v Courtesy of Pr L. Perrin Marcelin AG et al Antimicrobial Agents and Chemotherapy 2003

62 Ability of the APV C min measured at week 8 to predict the decrease in HIV-1 RA load at week 12 " Amprenavir 600mg bid rito 100 mg bid in 49 Pi exp. patients Courtesy of Pr L. Perrin Marcelin AG et al AntimicrobialAgents and Chemotherapy 2003

63 Time profile of the viral load decrease between day 0, week 8 and week 12 according to Genotypic Inhibitory Quotient "GIQ : APV C min /number of mutations is the best predictor of virological response Courtesy Pr L. Perrin Marcelin AG et al AntimicrobialAgents and Chemotherapy 2003

64 Conclusions et perspectives Pharmacogénétique & suivi thérapeutique Une partie seulement des patients répondent r à un traitement donné. Un certain nombre de patients développent d des effets secondaires. La réponse r des individus à un traitement médicamenteux m est influencée e par les facteurs intrinsèques (genre, pathologies, prédispositions génétiques) g et environnementaux (alimentation, style de vie, etc) & L application du suivi thérapeutique des médicamentsm (TDM) associé à la pharmacogénétique est susceptible d amd améliorer l efficacité et la sécurité d emploi des médicaments m antirétroviraux troviraux.

65 Conclusions et perspectives TDM, phénotypage et pharmacogénotypage des patients & génotypage et phénotypage du CYP450 2B6 (efavirenz, nevirapine) & génotypage UGT1A1 (UDP( UDP-glucuronosyltransféraserase polymorphisme) polymorphisme du promoteur TATA (UGT1A1*28) 1A1*28) (Gilbert syndrome; irinotécan can, atazanavir) & génotypage du MDR1, MRP1, MRP2 and ABCG2

66 TDM: Conclusions % Le suivi thérapeutique des PIs et des RTIs permet de mieux prédire les effets thérapeutiques et la tolérabilité d un traitement antirétroviral. % Le TDM probablement bénéfique pour tous les patients. % Il est certainement recommandé pour des sous- groupes de patients (enfants, femmes enceintes, maladies hépatiques)

67 Traitement antirétroviral: Conclusions # Le succès ou l échec thérapeutique est la conséquence de nombreux facteurs, et pas seulement la puissance du médicament antirétroviral et sa pharmacocinétique. # Le fait qu un médicament soit bien supporté, sa toxicité à moyen ou à long terme, ainsi que l adhérence étroite au traitement, sont tous des facteurs qui jouent également un rôle important.

68 Adherence issues # on-compliance is a confounding factor, reflected in part by TDM # In the Lausanne TDM data base of more than drugs levels of all PIs and RTIs available at present,, about 5% of samples contain no detectable drug. # However,, TDM can only reflect short-termed termed adherence and this figure may be higher: # The existence of a white coat syndrome (adherence to therapy in the day immediately prior to medical visit) can not be excluded

69 Paterson D, et al. Ann Inter Med. 2000;133: % Patients with HIV RA <400 c/ml 100% 80% 60% 40% 20% 0% Correlation Between Optimal Therapeutic Response and Adherence to Protease Inhibitor Therapy > <70 % Adherence

70 76 non-aids patients initiating HAART in the Homeless Cohort 1.00 Proportion AIDS-Free Adherence : (pill count) O % O 50 89% O 0 49% P = Months from entry Bangsberg D, et al. AIDS. 2001:15:1181

71 # Je vous remercie de votre attention