Development of populations pharmacokinetic models for ceftaroline viewing the treatment of brain infections

O objetivo do presente estudo foi avaliar a potencialidade do uso do antimicrobiano ceftarolina para o tratamento de infecções cerebrais empregando modelos farmacocinéticos populacionais clínicos e pré-clínicos. Para atingir esse objetivo, inicialmente um modelo farmacocinético populacional (popPK) foi desenvolvido com dados obtidos na literatura de concentração plasmática e concentração muscular e subcutâneo livres obtidos através da técnica de microdiálise provenientes de voluntários sadios; e dados de concentração plasmática e do líquido cefalorraquidiano (LCR) de pacientes neurocirúrgicos. As concentrações plasmáticas foram descritas por um modelo de dois compartimentos e a distribuição da ceftarolina para os tecidos foi incorporada como um transporte bidirecional parametrizado como clearance intercompartimental de entrada (in) e de saída (out) (CLin e CLout). A condição do indivíduo (sadio versus paciente) e o peso foram identificados como covariáveis significativas para volume do compartimento central e o clearance de creatinina como covariável para o clearance. Foram observadas exposições teciduais de aproximadamente 52% e 58% para os tecidos muscular e subcutâneo, respectivamente, e exposições menores no LCR, de aproximadamente 9%. Apesar da baixa exposição no LCR, uma correlação negativa foi encontrada entre o clearance intercompartimental de penetração cerebral (CLin) e a concentração de glicose no LCR dos pacientes, indicando um aumento de exposição em pacientes com meninges inflamadas. Através de simulações de Monte Carlo, demonstrou-se que os regimes de doses aprovados para o uso na prática clínica resultam em exposições plasmáticas, musculares, subcutâneas suficientes para o tratamento de infecções por Staphylococcus aureus resistente à meticilina (MRSA), bem como suficiente no LCR quando considerados pacientes com inflamação meníngea. Com o intuito de investigar a influência da infecção na a penetração cerebral da ceftarolina, um modelo popPK foi desenvolvido com dados pré-clínicos. Para isso, inicialmente um método analítico por cromatografia em líquido associada à espectrometria de massas em tandem (LC-MS/MS) foi desenvolvido e validado para a quantificação de ceftarolina em amostras de microdialisado plasmático e cerebral. O método desenvolvido foi simples, rápido e com sensibilidade adequada para a correta caracterização da farmacocinética da ceftarolina em roedores. Posteriormente, um modelo animal de meningite por MRSA (ATCC43300) em ratos Wistar machos foi adaptado da literatura e padronizado. Os animais receberam uma injeção intracisternal de inóculo bacteriano (1x108 UFC/mL). A presença de bactéria no cérebro dos animais foi avaliada 3 e 5 dias após a inoculação, com diagnóstico, por análise histopatológica, de meningite supurativa após três dias de infecção. As concentrações livres de ceftarolina no sangue e no córtex motor primário após administração i.v. bolus de 20 mg/kg foram determinadas através da técnica de microdiálise em ratos hígidos (n = 8) e infectados (3 dias de infecção, n = 9; 5 dias de infecção, n = 6). Os dados foram simultaneamente descritos por um modelo popPK constituído de um compartimento plasmático e dois compartimentos cerebrais, com a distribuição do plasma para o cérebro caracterizada por um transporte bidirecional parametrizado como CLin e CLout. Uma correlação inversa significativa foi encontrada entre o output cardíaco dos animais e a recuperação relativa das sondas de microdiálise plasmática, indicando que animais com maior volume de sangue bombeado/tempo pelo coração tendem a ter recuperações relativas menores. A infecção foi identificada como covariável no parâmetro de CLin, levando a um aumento de aproximadamente 62% na exposição cerebral de animais infectados em relação aos animais hígidos. Por fim, o modelo popPK pré-clínico desenvolvido permitiu a identificação de uma provável fonte de variabilidade comumente encontrada em experimentos de microdiálise plasmática, correlacionando o output cardíaco com a recuperação relativa da sonda de microdiálise. A presença de infecção aumenta a penetração cerebral de ceftarolina em ratos Wistar, concordando com a hipótese levantada pelo modelo popPK em humanos. O conjunto de resultados confirma o potencial da ceftarolina para o tratamento de infecções cerebrais, devendo ser investigada em estudos clínicos específicos visando a extensão de sua aprovação para esse uso.The aim of the present study was to evaluate the potential of the antimicrobial ceftaroline for the treatment of brain infections using clinical and preclinical population pharmacokinetic models. To achieve this objective, initially a population pharmacokinetic model (popPK) was developed with data obtained in the literature on plasma concentration, free muscle and subcutaneous tissue concentrations, measured by microdialysis in healthy volunteers; and data on plasma and cerebrospinal fluid concentrations (CSF) of neurosurgical patients. Plasma concentrations were described by a two-compartment model and tissue distribution of ceftaroline was incorporated with a bidirectional transport parameterized as intercompartmental clearance in and out (CLin and CLout). Subject status (healthy versus patient) and weight were identified as significant covariates for volume of the central compartment, and creatinine clearance as a covariate for clearance. Tissue exposures of approximately 52% and 58% were observed for muscle and subcutaneous tissue, respectively, and lower exposures in CSF, of approximately 9%. Despite the low CSF exposure, a negative correlation was found between intercompartmental clearance into the brain (CLin) and CSF glucose concentration indicating an increased exposure in patients with inflamed meninges. Through Monte Carlo simulations, it was demonstrated that the approved dose regimens used in clinical practice result in sufficient exposures in plasma, muscle, and subcutaneous tissue as well as CSF, when considering patients with meningeal inflammation, for the treatment of methicillin-resistant Staphylococcus aureus (MRSA) infections. Aiming to investigate the influence of infection on the brain penetration of ceftaroline, a popPK model was developed with preclinical data. Initially, an analytical LC-MS/MS method was developed and validated for the quantification of ceftaroline in plasma and brain interstitial microdialysate samples. The method developed was simple, fast and with adequate sensitivity for the correct characterization of the pharmacokinetics of ceftaroline in rodents. Subsequently, an animal model of MRSA meningitis (ATCC43300) in male Wistar rats was adapted from the literature. The animals received an intracisternal injection of bacterial inoculum (1x108 CFU/mL) and the presence of bacteria in the brain was evaluated 3 and 5 days after inoculation, with a diagnosis, by histopathological analysis, of suppurative meningitis after three days of infection. Free plasma and free brain concentrations in the primary motor cortex of ceftaroline after 20 mg/kg i.v. bolus were determined by the microdialysis technique in healthy (n = 8) and infected (3 days of infection, n = 9; 5 days of infection, n = 6) rats. The data were simultaneously described by a popPK model consisting of a plasma compartment and two brain compartments, with the distribution of plasma to the brain characterized by a bidirectional transport parameterized as CLin and CLout. A significant inverse correlation was found between the cardiac output of the animals and the relative recovery of plasma microdialysis probes, indicating that animals with greater volume of blood pumped by the heart over time tend to have smaller relative recoveries. Infection was identified as a covariate for the CLin parameter, leading to an increase of approximately 62% in brain exposure of infected animals in relation to healthy animals. Finally, the pre-clinical popPK model developed allowed the identification of a possible source of variability commonly found in plasma microdialysis experiments, correlating cardiac output with the relative recovery of the microdialysis probe. Furthermore, it was possible to identify that the presence of infection increases brain’s interstitial concentrations of ceftaroline in Wistar rats, in agreement with the hypothesis raised by the popPK model in humans. The set of results of this work confirms that ceftaroline has potential for the treatment of brain infections and should be investigated in specific clinical studies at the extension of its approval for this use