Translational dose optimisation of tigecycline using in vitro and in silico approaches

Abstract

Infektionskrankheiten, insbesondere solche, die durch gramnegative Erreger verursacht werden, belasten zunehmend das Gesundheitssystem und stellen medizinisches Personal vor große Herausforderungen. Die verfügbaren Antibiotika verlieren aufgrund der vermehrt auftretenden Resistenzentwicklung ihre Wirksamkeit, und gleichzeitig geht die Zahl der neu zugelassenen innovativen antibiotischen Arzneimittel besorgniserregend zurück. Tigecyclin ist ein Reserveantibiotikum und wird bei komplizierten Infektionen eingesetzt. Die zugelassene Dosis (100 mg Initialdosis gefolgt von 50 mg Erhaltungsdosis) hat sich als zunehmend unzureichend erwiesen, sodass hochdosiertes Tigecyclin (100 mg, 100 mg q12h) für Infektionen empfohlen wurde,welche durch multiresistente Krankheitserreger ausgelöst wurden (bis zu einer minimalen Hemmkonzentration (MHK) von 1 mg/L). Die klinische Datenlage, auf die sich diese Empfehlung stützt, ist jedoch begrenzt. Ziel dieser Arbeit war es, das Potenzial von Tigecyclin durch Dosisoptimierungsstudien zu evaluieren. Hierfür wurden in vitro- und pharmakometrische Ansätze genutzt. Tigecyclin ist ein instabiler Arzneistoff, was das Experimentdesign und die Handhabung im Labor einschränkt. Daher hat Veröffentlichung I den Einfluss von antioxidativen Zusätzen (Ascorbinsäure und Pyruvat) auf die Arzneistoffstabilität in der kationenstabilisierten Mueller-Hinton Bouillon untersucht. Es stellte sich heraus, dass Tigecyclin durch den Zusatz von 2 % Pyruvat mit Beibehaltung der antibiotischen Aktivität stabilisiert werden konnte. Diese Stabilisierung ermöglichte die in Veröffentlichung II durchgeführten Langzeit Tigecyclin in vitro Versuche gegen klinische Klebsiella pneumoniae Isolate im Hollow Fiber Infektionsmodell. Die Experimente in Veröffentlichung II zielten darauf ab, die in vitro Wirksamkeit von Tigecyclin gegen klinische Klebsiella pneumoniae Isolate mittels erhöhter Tagesdosis, oder durch neue Dosierungsschemata zu verbessern. Zudem wurde die Resistenzentwicklung erfasst und genomisch analysiert. Nur ein Vielfaches der zugelassenen Dosis (Initialdosis 200 mg, Erhaltungsdosis 100 mg q8h vs. zugelassene Initialdosis 100 mg, zugelassene Erhaltungsdosis: 50 mg q12 h) verhinderte ein Wiederanwachsen von Subpopulationen mit einer MHK von 0,125 mg/L. Infolgedessen wurde auf ein limitiertes Dosisoptimierungspotenzial geschlossen. Diese MHK liegt jedoch deutlich unter dem aktuellen klinischen Epidemiologischen Cut-Off Wert (ECOFF) von Klebsiella pneumoniae (2 mg/L). Darüber hinaus zeigte sich ein durch die Tigecyclinexposition induziertes Wiederanwachsen von resistenten Subpopulationen, für die eine bis zu 32-fach erhöhte MHK gemessen werden konnte. Tigecyclin-induzierte Mutationen konnten identifiziert werden und entsprachen zuvor beschriebenen klinischen Beobachtungen. Darüber hinaus stützen die Beobachtungen in Veröffentlichung II die Hypothese, dass klinisches Versagen mit dem Fortschreiten der Infektion zusammenhängen könnte. Daraus wurde geschlussfolgert, dass der derzeit empfohlene klinische Grenzwert von MIC 1 mg/L für die Tigecycline Hochdosistherapie (100 mg, 100 mg q12 h) bei Infektionen, die durch multiresistente Bakterien verursacht sind, nicht ausreichend ist. Veröffentlichung III quantifizierte die Pharmakokinetik von Tigecyclin in kritisch kranken, lebergeschädigten Intensivpatienten, einer unterrepräsentieren Patientenpopulation. Mittels einer pharmakometrischen Kovariatenanalyse wurde eine Dosisanpassung unter Verwendung klinischer Parameter, insbesondere Leberparameter, ausgewertet und mit der aktuell empfohlenen ChildPugh-Score basierenden Dosisreduktion verglichen. Diese klinischen Daten zeigten, eine deutlich abweichende Pharmakokinetik (e.g. Clearance (CL) von 8.6 L/h zu denjenigen, die nicht kritisch krank sind (e.g. CL: 16.8 L/h, 18.6 L/h). Darüber hinaus hat sich gezeigt, dass eine Reduktion der Erhaltungsdosis von 50 mg auf 25 mg in dieser Population in der gleichen Arzneimittelexposition resultiert, wie 100 mg bei nicht kritisch kranken Patienten. Es wurde jedoch keine Korrelation zwischen der Arzneimittelexposition und der klinischen Heilung festgestellt. Gesamtbilirubin (≥ 10 mg/dL) und der MELD-Score (≥ 30) haben sich als prädiktive Messgrößen für die Arzneimittelexposition herausgestellt, allerdings waren sie dem Child-Pugh-Score als Orientierung für Dosisanpassungen nicht überlegen. Insgesamt gibt es mehrere Möglichkeiten zur Durchführung einer pharmakometrischen Kovariatenanalyse, wobei einige Methoden heutzutage nur selten angewendet werden oder wenig in der Literatur vertreten sind. Daher wurde in der Veröffentlichung IV eine umfassende Evaluierung von der am häufigsten verwendete ‘Stepwise covariate modelling’ Methode (‘scm’) mit der neuartigen ‘Full random effects modelling’ (‘frem’) Methode vorgenommen. Hierfür wurde unter verschiedenen Annahmen über Datensatzgröße, des Kovariateneffekts und der Kovariaten-Kollinearität eine Simulationsstudie durchgeführt. Zudem hat diese Studie, den ‘fremposthoc’ eingeführt, um dessen Eignung für eine Kovariatenselektion ausgehend von einem ‘frem’ Model zu untersuchen. Die Ergebnisse zeigten, dass die statistische Teststärke (Power) die wahre Kovariate in kleinen Datensätzen zu finden für beide Methoden gering war, was sowohl für ‘scm’ als auch ‘fremposthoc’ zur Überschätzung und Ungenauigkeit der Kovariatenkoeffizienten in führte. Allerdings war die statistische Teststärke von ‘fremposthoc’ in kleinen Datensätzen im Vergleich zu ‘scm’ bis zu dreimal höher. Zusätzlich zeigte diese Methode bei großen Datensätzen (N > 100) eine vergleichbare Zuverlässigkeit wie der ‘scm’. Ohne den Selektionsschritt lieferten ‘frem’ Modelle in kleinen Datensätzen unverzerrte Schätzungen mit besserer Genauigkeit als ‘scm’. Insgesamt erwies sich fremposthoc’ als eine geeignete neue Anwendung von ‘frem’, um die Selektion von Kovariaten zu leiten, während die statistische Teststärke (Power), Präzision und Genauigkeit, in kleinen Datensätzen von ‘fremposthoc’ dem ‘scm’ Modellen überlegen war. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die vorgestellten Ergebnisse eine langfristige in vitro Untersuchung von Tigecyclin ermöglichten, jedoch zeigten, dass das Potenzial zur Dosisoptimierung für Klebsiella pneumoniae auf eine MHK von 0.125 mg/L begrenzt war. Darüber hinaus trug diese Arbeit zu einem tieferen und quantitativen Verständnis von Tigecyclin in schwerkranken Patienten bei und kommt zu dem Schluss, dass die Verwendung als Monotherapie in Frage gestellt und gegebenenfalls neu bewertet werden muss.