Modelo farmacocinético-farmacodinâmico da metformina baseado na fisiologia (PBPK/PD) em ratos com diabetes induzida por estreptozotocina/nicotinamida

Abstract

A metformina é o fármaco de primeira linha para o tratamento de pacientes com diabetes mellitus tipo II (DM II), contudo algumas características farmacocinéticas/farmacodinâmicas (PK/PD) ainda não foram totalmente esclarecidas, como a distribuição no tecido alvo em pacientes diabéticos e o mecanismo de ação. Esta tese se propõe a compreender a distribuição tecidual da fração livre de metformina em um tecido de fácil acesso (músculo) e o seu tecido alvo (fígado), o impacto desse processo em um modelo de diabetes experimental em ratos, bem como a relação entre a concentração livre de metformina no tecido alvo e o efeito anti-hiperglicemiante em ratos diabéticos através de um modelo farmacocinético/farmacodinâmico baseado na fisiologia (PBPK/PD). Visando reproduzir o cenário clínico de pacientes DM II com ausência de dano renal, adaptamos um modelo experimental de DM descrito na literatura, o qual resultou em ratos diabéticos e sem danos hepático e renal. A quantificação de metformina em ratos diabéticos foi dada em duas matrizes: microdialisado tecidual (fígado e músculo), quantificado por CLAE/UV, e plasma por CLAE MS/MS. Os métodos bioanalíticos foram validados de acordo com as diretrizes internacionais e demonstraram-se sensíveis e adequados para caracterizar os perfis farmacocinéticos da metformina em animais diabéticos e controle até 12 h pós dose. A farmacocinética da metformina por abordagem não-compartimental (NCA) foi analisada no software Phoenix® e os dados de PK/PD compartimental foram analisados no software GastroPlus®. A NCA demonstrou que a administração de metformina (50 mg/kg; i.v.) a ratos controle e diabéticos resulta em semelhante concentração livre no fígado e músculo, sem diferença significativa nos parâmetros farmacocinéticos plasmáticos e teciduais entre ambos os grupos. Contudo, observou-se um aumento na exposição do fármaco nos tecidos em relação a fração livre no plasma no grupo controle: ASC0-12 fígado vs plasma (116,39 ± 39,71 vs 42,73 ± 22,33 μg.h/mL) e músculo (106,26 ± 43,34 vs 42,73 ± 22,33 μg.h/mL). Já para o grupo diabético observou-se uma tendência de aumento na exposição do músculo quando comparado a concentração livre no plasma (100,69 ± 60,72 vs 44,31 ± 24,11 μg.h/mL). Para a construção do modelo farmacocinético baseado na fisiologia (PBPK), os dados de ambos os grupos foram agrupados devido a semelhança verificada na NCA. Considerando que a metformina é um fármaco com permeabilidade limitada às membranas biológicas, a inclusão de transportadores de influxo OCT (transportadores orgânicos de cátions) no fígado (OCT-1) e rins (OCT-2) e o transportador de efluxo MATE-1 (proteína extrusora de fármacos e toxinas subtipo 1) no túbulo renal possibilitou a descrição do perfil médio do plasma e tecidos (fígado e músculo) pelo modelo PBPK. Este modelo desenvolvido foi aplicado em indivíduos saudáveis após a administração intravenosa ou oral (389,93 mg) utilizando dados de estudos previamente publicados. A simulação do modelo PBPK conseguiu descrever o perfil médio da metformina em plasma após a administração intravenosa. A extensão do modelo para a administração oral, incluiu o ajuste do tempo de trânsito intestinal e a inserção do transportador de influxo monoamina da membrana plasmática (PMAT) no intestino delgado, descrevendo adequadamente os dados de concentração plasmática observados e prevendo as concentrações intersticiais livres hepática e muscular. O efeito anti-hiperglicemiante da metformina foi avaliado através do teste de tolerância oral a glicose em ratos diabéticos tratados com metformina (50, 100 e 150 mg/kg, i.v.), e em indivíduos saudáveis tratados com metformina (389,93 mg; v.o.). A concentração intersticial hepática para ambas as espécies foram simuladas utilizando o modelo PBPK desenvolvido e correlacionadas ao efeito do fármaco através de um modelo de resposta indireta classe I. O modelo PBPK/PD em ratos diabéticos foi descrito para as doses efetivas de metformina (100 e 150 mg/kg) apresentando menor potência CI50 = 44,68 μg e similar eficácia Imáx= 82% quando comparado aos resultados do modelo PBPK/PD em indivíduos saudáveis após a administração oral do fármaco, o qual apresentou CI50 =1,51 μg e Imáx= 100%. Esta tese demonstrou que a concentração de metformina em um tecido de fácil acesso (músculo) apresenta similaridade com a concentração livre no seu tecido alvo. Além disso, os modelos baseados na fisiologia desenvolvidos podem ser utilizados como ponto de partida para simular cenários clínicos, de forma a auxiliar na terapia e evitar o efeito adverso de acidose láctica nesses pacientes, bem com contribuir na investigação da interação medicamentosa da metformina com outros fármacos.

Metformin has been used as first-line therapy for type II diabetic patients (DM II), but there are some pharmacokinetics/pharmacodynamics (PK/PD) features not fully clear, for instance, the target tissue distribution in diabetic patients and its mechanism of action. The goal for this study is to understand the metformin free fraction distribution in an accessible tissue (muscle) and its target tissue (liver), as well as the impact of this pharmacokinetic process in an experimental diabetes model in rats. Additionally, we evaluate the correlation between free metformin concentration on the target tissue and metformin antihyperglycemic effect using a physiologically based pharmacokinetic/pharmacodynamic (PBPK/PD) model. We have adjusted a published experimental DM model resulting in rats with no kidney or liver injury in order to reproduce the clinical condition of DM II patients with no kidney injury. Metformin quantification in diabetic rats was performed in two biological matrixes: tissue’s microdialysate (liver and muscle) by HPLC/UV, and plasma by HPLC-MS/MS. The bioanalytical methods were validated according to the international guidelines and showed to be sensitive and suitable to characterize the metformin pharmacokinetics in control and diabetic animals up to 12 hours. The metformin non-compartmental pharmacokinetics analysis (NCA) was performed in Phoenix® software, while the compartmental PK/PD analyses were performed in GastroPlus®. The NCA showed rats (diabetic and control group) treated with metformin (50 mg/kg; i.v.) had similar free concentration in liver and muscle with no statistical difference on pharmacokinetics parameters in plasma or tissues between both groups. It has been identified an increase of drug tissue exposition when compared to unbound plasma concentration from the control group: AUC0-12 in liver vs plasma (116.39 ± 39.71 μg.h/mL vs 42.73 ± 22.33 μg.h/mL) and in muscle (106.26 ± 43.34 μg.h/mL vs 42.73 ± 22.33 μg.h/mL). While for the diabetic group has been observed an upward trend of muscle exposition when compared to the unbound plasma concentration (100.69 ± 60.72 vs 44.31 ± 24.11 μg.h/mL). Due to the similar tissue and plasma NCA for both groups, the data was merged to build the physiologically based pharmacokinetic (PBPK) model in rats. Metformin is a biological membrane permeability limited drug, and it was possible to describe the mean plasma and tissue (liver and muscle) profiles in the PBPK model by including the OCT (organic cation transporters) as influx transporter in the liver (OCT- 1) and kidney (OCT-2), and the efflux transporter MATE-1 (multidrug and toxin extrusion protein-1) in the renal tubular lumen. The model developed was applied to healthy subjects, which received metformin by intravenous or oral route (389.93 mg), using data extracted from published studies. The PBPK model simulation described the metformin mean plasma profile after an intravenous administration. The extended model for oral route administration includes an adjustment of transit time and inclusion of PMAT (plasma membrane monoamine transporter) as influx transporter in the small intestine, which described the observed plasma concentration data and predicted the liver and muscle free interstitial concentration. Metformin antihyperglycemic effect was evaluated by a glucose oral tolerance test (OGTT) in diabetic rats that received metformin (50, 100 and 150 mg/kg; i.v.), and healthy subjects treated with metformin by oral route (389.93 mg). The interstitial hepatic concentration in both species were simulated using the PBPK model developed and correlated with the drug effect using class I indirect drug response model. The PBPK/PD metformin model in diabetic rats was developed using the effective doses in the OGTT (100 and 150 mg/kg) showing lower potency (IC50 = 44.68 μg) and similar efficacy (Imax = 82%) when compared to the PBPK/PD metformin model in healthy subjects that received drug by oral route and showed IC50 = 1.51 μg and Imax = 100%. The results presented on this work showed that metformin concentration in a feasible tissue (muscle) is similar to the drug’s target tissue concentration. The physiological based model proposed is a starting point to simulate clinical scenarios to support drug therapy and avoid the adverse effect of lactic acidosis in patients, as well as contribute to drug-drug interaction studies.