Optimization of tacrolimus dosing guidelines in paediatric kidney transplant patients

Takrolimus je imunosupresiv, ki spada v skupino kalcinevrinskih inhibitorjev in se že desetletja uporablja kot preventiva za preprečevanje zavrnitve presadka (predvsem jeter, ledvic in srca) ter za zdravljenje, ko zavrnitev že nastopi in ostali imunosupresivi, na primer ciklosporin, niso več učinkoviti. Takrolimus je sestavni del najpogostejših imunosupresivnih režimov zdravljenja pri pediatrični populaciji s presajeno ledvico, vendar ima ozko terapevtsko okno in veliko intra- ter interindividualno variabilnost, kar lahko privede do subterapevtskih ali toksičnih koncentracij v krvi. Med zdravljenjem s takrolimusom je tako potrebno redno spremljanje najnižje koncentracije v polni krvi, saj lahko prenizke koncentracije povzročijo zavrnitev presajenega organa, previsoke pa povečajo verjetnost okužb ter neželenih učinkov, zlasti hipertenzije, hiperglikemije, nefrotoksičnosti, tremorja, slabosti ter vplivanja na delovanje ledvic. Kadar so tarčna populacija farmakokinetične raziskave otroci v kritičnem stanju in je iz etičnega ter zdravstvenega vidika onemogočeno zbiranje večjih količin podatkov, se za študijo največkrat uporabijo pristopi populacijske farmakokinetike, ki je cenejša in učinkovitejša alternativa tradicionalni farmakokinetični raziskavi. Poznamo več metod modeliranja znotraj populacijske farmakokinetike, ena pogostejših pa je nelinearni model mešanih učinkov v okviru programskega paketa NONMEM. Namen naše študije je bil razviti populacijski farmakokinetični model za peroralni režim odmerjanja takrolimusa s takojšnjim sproščanjem dvakrat na dan pri otrocih s presajeno ledvico. Poskusili smo prepoznati sočasne spremenljivke, ki vplivajo na farmakokinetiko takrolimusa ter jih vključiti v končni model, ki smo ga uporabili za optimizacijo in individualizacijo trenutnih smernic odmerjanja takrolimusa v zgodnjem obdobju po presaditvi pri pediatrični populaciji s presajeno ledvico. Izvedli smo retrospektivno raziskavo najnižjih koncentracij takrolimusa v polni krvi petinosemdesetih otrok s presajeno ledvico, ki so bili hospitalizirani v Children\u27s Memorial Health inštitutu v Varšavi na Poljskem, delo pa je potekalo v sodelovanju z UCL School of Pharmacy v Londonu v Veliki Britaniji. Podatke iz bolnišnice smo analizirali v programu Rstudio (verzija 3.3.2.), populacijsko farmakokinetično modeliranje pa izvedli v programskem paketu NONMEM 7.3 preko grafičnega uporabniškega vmesnika Pirana 2.9.6. Znotraj programskega paketa NONMEM smo uporabili dve analitični metodi: pogojno ocenjevanje prvega reda z interakcijo ter simulacijo. S prvo smo dobili oceno največjega verjetja parametrov, preko katerega se ocenjuje vrednost objektivne funkcije (OFV), ki služi kot eden izmed kriterijev za izbiro najboljšega modela. Podatki iz bolnišnice so vsebovali le najnižjo koncentracijo takrolimusa v polni krvi in ne polnega farmakokinetičnega profila, zato smo naš model razvili s pomočjo literaturnih farmakokinetičnih modelov ter ga dopolnili s potencialnimi sočasnimi spremenljivkami (na primer sočasna uporaba ostalih zdravil, starost, spol, podatki o donorjih …). Končni model smo ovrednotili s prikazi grafičnih prileganj (goodness-of-fit plots) ter z metodo vizualnega vrednotenja populacijskih farmakokinetičnih modelov (visual predictive check) ter ga uporabili za simulacijo odmerjanja takrolimusa v skladu trenutnimi smernicami za odmerjanje v zgodnjem obdobju po presaditvi pri otrocih s presajeno ledvico (0.3 mg/kg/dan v dveh odmerkih). Na podlagi te simulacije smo nato simulirali več različnih algoritmov odmerjanja takrolimusa z namenom zagotavljanja koncentracij znotraj ciljne najmanjše koncentracije takrolimusa neposredno po presaditvi. Zhao in sodelavci so objavili dvoprostorni populacijski farmakokinetični model takrolimusa z aditivnim tipom napake, prvim redom absorpcije ter časovnim zamikom pri absoprciji ter prepoznali telesno težo, vrednost hematokrita ter CYP3A5 polimorfizem kot sočasne spremenljivke v kovariatnem modelu. Ugotovili smo, da model ustrezno opisuje farmakokinetiko takrolimusa pri naših pacientih, vendar smo ga zaradi manjkajočih podatkov o genotipu CYP3A5 in hematokritu naših pacientov morali poenostaviti. V kovariatni model je od testiranih sočasnih spremenljivk dodatno vstopil le dnevni odmerek prednizona – sočasno zdravljenje s prednizonom je namreč znižalo biološko uporabnost takrolimusa za največ 67 % in statistično značilno izboljšalo prileganje modela izmerjenim koncentracijam takrolimusa. Končni model so opisali sledeči parametri: očistek (Cl), volumen osrednjega prostora (V2), distribucijski očistek (Q), volumen stranskega prostora (V3) ter konstanta absorpcije (Ka). S prikazi grafičnih prileganj ter z metodo vizualnega vrednotenja populacijskih farmakokinetičnih modelov smo potrdili, da je model robusten, saj so bili rezultati večinoma znotraj simuliranih vrednosti pri vizualni analizi. Vsekakor bi model lahko izboljšali, če bi imeli podatke o genotipu CYP3A5 in hematokritu. Simulacija odmerjanja po trenutnih smernicah za pediatrične paciente s presajeno ledvico zgodaj po presaditvi je pokazala, da so otroci z večjo telesno maso izpostavljeni previsokim, bolniki z manjšo telesno maso pa prenizkim odmerkom takrolimusa. Ciljna najnižja koncentracija takrolimusa v polni krvi v zgodnjem obdobju po presaditvi je namreč 10 – 15 ng/ml, zato smo za doseganje te izdelali optimizirano preglednico odmerjanja, odmerek pa se spreminja v skladu s telesno maso posameznika in sočasnim dnevnim odmerkom prednizona. Pacienti v poljski bolnišinci so večinoma prejemali tacrolimus s takojšnjim sproščanjem - Prograf®, ki se jemlje vsakih 12 ur, najmanjši odmerek, ki je dostopen na trgu pa je 0,5 mg. Preglednico odmerjanja smo zato prilagodili in zagotovili, da je odmerjanje dejansko izvedljivo. S simulacijo odmerjanja takrolimusa vsakih 12 ur po prilagojeni shemi smo dobili mediano simuliranih vrednosti najmanjše koncentracije v polni krvi znotraj terapevtskega okna pri vseh pacientih. Potrebno je izpostaviti, da so optimizirani začetni odmerki takrolimusa uporabni le v zgodnjem obdobju po presaditvi, ko je terapevtsko okno 10 – 15 ng/ml, kasneje pa se stremi k nižjim koncentracijam. Prav tako so rezultati naše študije uporabni le za takrolimus s takojšnjim sproščanjem, ki se odmerja dvakrat na dan (Prograf®), študija pa je temeljila na pacientih kavkazijske rase, zato so potrebne dodatne raziskave za ekstrapolacijo rezultatov na pripadnike drugih ras. V nadaljnjih študijah bi lahko s pomočjo paketa PopED v programskem okolju R preverili optimalni čas vzorčenja ter število odvzetih vzorcev. V skladu s trenutnimi smernicami se namreč jemlje vzorce takrolimusa tik pred naslednjim odmerkom, tako se dobijo vrednosti najnižje koncentracije v polni krvi. Zavedati se moramo, da je bila magistrska naloga v osnovi raziskava in silico, zato bi se morala njena uporabnost preveriti še v dejanski klinični praksi, končni cilj pa je izboljšanje izidov zdravljenja pri otrocih s presajeno ledvico.Tacrolimus is a widely used immunosuppressant for prevention of allograft rejection and is included in the most common initial immunosuppression regimens for paediatric kidney transplant patients. However, due to its narrow therapeutic range and large interindividual pharmacokinetic variability therapeutic drug monitoring is routinely performed. The aim of this study was to develop a population pharmacokinetic model of twice daily immediate-release tacrolimus in paediatric kidney transplant patients, identify factors that explain variability and optimize and individualize the dosing guidelines. This was a retrospective study of whole blood trough concentration-vs.-time data for tacrolimus in a population of eighty-five paediatric kidney transplant patients from the Children\u27s Memorial Health Institute in Warsaw, Poland in collaboration with UCL School of Pharmacy, London, UK. The data management was executed using R software version 3.3.2. Population pharmacokinetic modelling was performed in the NONMEM 7.3 package through a graphical user interface Pirana 2.9.6. Two analysis methods within the NONMEM package were used - first order conditional estimation with interaction and simulation. Goodness-of-fit plots and prediction and variability corrected visual predictive check were used to validate the model. The data best fit a pre-described two-compartment model by Zhao et al. with total body weight, CYP3A5 polymorphism and haematocrit levels identified as covariates. The model incorporated first-order absorption, lag time and an additive model was used for residual variability. Due to insufficient information on CYP3A5 genotype and haematocrit in our dataset we simplified Zhao’s model and later improved it by including prednisone dose as an additional covariate. The final model was shown to be fairly robust since the results of prediction and variability corrected visual predictive check were mostly within the simulated intervals. The validated population pharmacokinetic model was used to simulate the current dosing regimen of tacrolimus for the first month of therapy in paediatric kidney transplant patients. The results showed that it is not optimal for achieving the required concentration range as heavier children are overexposed and patients with lower body weight are underexposed. Therefore, we proposed improved dosing guidelines for tacrolimus in paediatric kidney transplant patients dependent on weight and concomitant daily prednisone dose. Information on genotype and haematocrit levels of the studied population would add to the accuracy of the model since assumptions and simplifications of the model have been made. For future studies and further optimization of tacrolimus dosing guidelines it would be interesting to see whether the number of samples per individual and sampling schedule should be optimized instead of routinely sampling immediately prior to the next dose thus measuring only trough levels