Pharmacokinetics, Pharmacodynamics, and Monte Carlo Simulation



Yüklə 379,09 Kb.
Pdf görüntüsü
tarix05.10.2018
ölçüsü379,09 Kb.
#72196


C

ONCISE


R

EVIEWS OF

P

EDIATRIC


I

NFECTIOUS

D

ISEASES


®

Pharmacokinetics, Pharmacodynamics, and Monte

Carlo Simulation

Selecting the Best Antimicrobial Dose to Treat an Infection

John S. Bradley, MD,*† Samira Merali Garonzik, PharmD,‡§ Alan Forrest, PharmD,‡§

and Sujata M. Bhavnani, PharmD, MS‡§

Key Words: Monte Carlo simulation,

antimicrobial, pharmacokinetic, pharmacodynamics

(Pediatr Infect Dis J 2010;29: 1043–1046)

W

hen faced with a neonate, infant, or



child with a suspected infection, the

clinician must select a specific antimicrobial

at a specific dose for a specific duration to

treat that infection. Many issues require care-

ful consideration, and include knowledge of

the suspected pathogens and their suscepti-

bility to the antimicrobials under consider-

ation, the pharmacokinetic (PK) characteris-

tics of the antimicrobials, and the clinician’s

assessment of the need to achieve a cure for

that particular patient (Table 1). PK and

pharmacodynamics (PD) principles together

with Monte Carlo simulation can assist the

clinician in selecting the appropriate antimi-

crobial and dosing regimen.

1

Recent ad-



vances in our understanding of antimicrobial

PK and PD have lead to important insights in

the parameters associated with a successful

outcome, and in ways to minimize both drug

toxicity and the development of antimicro-

bial resistance.



VARIABILITY IN PLASMA AND

TISSUE CONCENTRATIONS

ACROSS POPULATIONS

Given the availability of sensitive as-

says to measure antibiotic concentrations in

plasma and various tissue sites using smaller

quantities of blood or tissue fluids, our abil-

ity to assess antibiotic exposures at the tissue

level, the actual site of infection, has in-

creased. As regulatory agencies request more

sophisticated antimicrobial exposure data for

investigational drugs, these data are fre-

quently collected in clinical trials and thus,

are becoming more readily available for

analysis. As a result, our knowledge of the

PK of antimicrobials (ie, concentrations in

plasma and in different tissue sites over time)

and the variability inherent between patients

receiving the same antimicrobial agent is

better understood. Both the distribution of

antimicrobials within tissue compartments

and drug elimination differs by pediatric age

group “populations,” from the neonate to the

adolescent. Fortunately, antimicrobial PK

and variability in each pediatric “population”

can also be described.

2

Children with organ



dysfunction may not eliminate antimicrobi-

als as effectively as those with normal organ

function. For example, the PK of vancomy-

cin in children with some degree of renal

failure will be different than in children with

normal renal function. Data from popula-

tions with organ failure are becoming more

widely available, increasing our knowledge

of the variability of drug elimination among

those populations. The description of the

statistical characteristics of the variability of

antimicrobial concentrations across carefully

defined populations is known as “population

pharmacokinetics.”



PHARMACODYNAMICS

Our understanding of how antimicro-

bial agents eradicate bacteria has also in-

creased. The relationship between the anti-

microbial concentrations required at the

infection site over the dosing interval to

eradicate a pathogen and hence, achieve a

cure, is known as pharmacodynamics.

3

These defined exposures, indexed to the min-



imum inhibitory concentration (MIC) of the

antimicrobial to that pathogen, have been

used to evaluate the PK-PD measure that

best describes antimicrobial activity for that

particular antimicrobial/pathogen pair. The 3

most common PK-PD measures associated

with efficacy are (1) the percent of the dosing

interval that a drug concentration remains

above the MIC (%T

Ͼ MIC); (2) the ratio of

the maximal drug concentration to the MIC

(C

max



:MIC); and (3) the ratio of the area

under the drug concentration-versus-time

curve (AUC) to the MIC (AUC:MIC).

From the *University of California, San Diego, CA;

†Rady Children’s Hospital San Diego, San Diego,

CA; ‡State University of New York at Buffalo,

Buffalo, NY; and §Institute for Clinical Pharma-

codynamics, Albany, NY.

Copyright © 2010 by Lippincott Williams & Wilkins

ISSN: 0891-3668/10/2911-1043

DOI: 10.1097/INF.0b013e3181f42a53

CONTENTS

Pharmacokinetics, Pharmacodynamics, and Monte Carlo Simulation



EDITORIAL BOARD

Co-Editors: Margaret C. Fisher, MD, and Gary D. Overturf, MD

Editors for this Issue: John S. Bradley, MD

Board Members

Michael Cappello, MD

Ellen G. Chadwick, MD

Janet A. Englund, MD

Leonard R. Krilov, MD

Charles T. Leach, MD

Kathleen McGann, MD

Jennifer Read, MD

Jeffrey R. Starke, MD

Geoffrey A. Weinberg, MD

Leonard Weiner, MD

Charles R. Woods, MD

The Concise Reviews of Pediatric Infectious Diseases (CRPIDS) topics, authors, and contents are chosen and approved indepen-

dently by the Editorial Board of CRPIDS.

The Pediatric Infectious Disease Journal • Volume 29, Number 11, November 2010

www.pidj.com

|

1043



For aminoglycosides (eg, gentami-

cin) and fluoroquinolones (eg, ciprofloxa-

cin), the PK-PD measure that is most pre-

dictive of efficacy is one for which

bactericidal activity is concentration-de-

pendent (C

max

:MIC for gentamicin, and



AUC:MIC for ciprofloxacin). In contrast,

amoxicillin and other beta-lactam agents

demonstrate a time-dependent pattern of

bactericidal activity (%T

Ͼ MIC).

4

There-



fore, when fluoroquinolone concentrations

increase, the rate and extent of bacterial erad-

ication will increase. For amoxicillin, maxi-

mal bacterial eradication occurs when infec-

tion site concentrations exceed the MIC for

approximately 40% of the dosing interval.

Eradication rates do not further increase as

the amoxicillin concentration at the infection

site increases or as the percent of time that

the amoxicillin concentration is present at

the infection site above the MIC, increases

beyond 40%. For each antimicrobial/patho-

gen pair, the degree of exposure described by

the PK-PD measure, that is associated with a

positive outcome (eg, cure), is commonly

referred to as the “PK-PD target.” This can

most easily be evaluated in a nonclinical

system (eg, in vitro or animal infection mod-

els), but is increasingly being assessed in

human clinical trials. In other words, one can

now demonstrate for a patient infected by a

particular organism and treated with a par-

ticular antimicrobial, the magnitude, shape,

and duration of antimicrobial exposure that

is likely to result in a cure.

STATISTICAL DESCRIPTION OF

ANTIMICROBIAL RESISTANCE

Antimicrobial resistance is an increas-

ing problem. Certain bacterial species con-

tain intrinsic resistance mechanisms that are

induced as we apply antimicrobial pressure;

other species have the ability to mutate

quickly to develop resistance while others

have the ability to acquire mechanisms of

resistance from other bacteria. For a popula-

tion of children who are all treated for the

same infection, otitis media for example, a

range of susceptibilities of otitis pathogens to

each antimicrobial can be described. Pub-

lished data are available on the susceptibility

of Streptococcus pneumoniae causing ear in-

fections in children from Kentucky to Costa

Rica, to Israel.

5–7


These data assist us in

predicting how likely an infecting pathogen

will be susceptible to each of several differ-

ent antimicrobials we are considering for

therapy. This variability in bacterial suscep-

tibility to specific agents can be described

and tracked as it changes over time, provid-

ing the clinician with an accurate and ongo-

ing assessment of the likelihood of drug

resistance. The distribution of MIC values

for specified pathogens, considered together

with the distribution of antimicrobial expo-

sure in the population of children all given

the same antimicrobial dose, is used in the

Monte Carlo simulation to evaluate the prob-

ability of achieving a cure at that dose.



COMPUTER MODELING AND

MONTE CARLO SIMULATION

Monte Carlo simulation provides a

computer-based mathematical construct that

can simultaneously integrate different vari-

ables such as tissue concentrations of an

antibiotic and antimicrobial susceptibility,

each with its own probability distribution,

together with information about the PK-PD

measure associated with efficacy, to estimate

the likelihood of achieving the PK-PD target

(and thus, the likelihood of achieving cure).

With these data inputs, antimicrobial expo-

sures associated with a particular dosing reg-

imen for a virtual population of children

(often 5000, but any number can be selected)

can be simulated, determining the proportion

of infected children expected to achieve the

PK-PD target. The clinician compares the

proportion of simulated children predicted to

be cured with the proportion desired to be

cured (eg, 95% of children treated for pneu-

mococcal pneumonia should be cured when

treated). Such an analysis allows the clini-

cian to understand, given the variability in

the inputs, the statistical likelihood of

achieving a cure for a particular child using a

particular dosing regimen.

To illustrate this concept, one can ex-

amine amoxicillin treatment of pneumococ-

cal pneumonia. A cure is expected if amoxi-

cillin concentrations are present in lung

tissue (epithelial lining fluid) at concentra-

tions above the MIC of the infecting pneu-

mococcus for approximately 40% of the dos-

ing interval.

8

Assuming a child is infected by



a relatively resistant strain demonstrating an

MIC of 2.0 mcg/mL, if the child is treated

with 90 mg/kg/d divided into 2 doses, then

only 65% of children will achieve the PK-PD

target associated with cure; if 90 mg/kg/d is

given, but divided into 3 doses (increasing

the duration that amoxicillin is present in

lung tissue), the chance of achieving the

PK-PD target increases to about 90%. To

achieve a 95% likelihood of cure in this

child, a dose of about 100 mg/kg/d divided

into 3 doses will be required. If pneumococ-

cal resistance to amoxicillin increases to 4.0

mcg/mL, the percent of children who

achieve the desired target will decrease, and

the dose of amoxicillin will need to be in-

creased further to achieve the goal of 95%

cure. On the other hand, if resistance de-

creases to 0.5 mcg/mL, then an overwhelm-

ing 99.6% of children given 90 mg/kg/d in 2

doses will achieve the PK-PD target associ-

ated with cure. The Figure 1 illustrates a

Monte Carlo simulation using one of many

different software programs (Oracle Crystal

Ball, version 11.1.1.30, Oracle Corporation).

In this illustration, a 30 mg/kg dose of am-



TABLE 1.

Considerations in Antimicrobial Management of the Infected Child

Patient-specific

Site(s) of infection

Consideration for how important it is to cure the infection (eg what risk is the clinician willing to accept for

treatment failure)

Patient-specific plasma antimicrobial concentrations over time

Patient-specific tissue site antimicrobial concentrations over time

Pathogen-specific

Documented or suspected pathogen(s)

Susceptibility of pathogen(s) (if cultures are positive)

Variability of the susceptibilities of pathogen(s) in specimens collected in the population of children being treated,

if therapy is empiric

Antibiotic-specific

Antibacterial spectrum of activity

Antibiotic tissue penetration characteristics

Variability of antimicrobial plasma and tissue concentrations over time among children in the population being

treated


Antimicrobial pharmacodynamics

Treatment-specific

Size of dose (mg/kg)

Frequency of dosing

Duration of dosing

Concise Reviews

The Pediatric Infectious Disease Journal • Volume 29, Number 11, November 2010

© 2010 Lippincott Williams & Wilkins

1044

| www.pidj.com




picillin is given intravenously to a child in a

population of otherwise healthy children.

The serum concentrations over time after a

single dose are evaluated against a collection

of pneumococci isolated during an era of

relative resistance, with approximately 20%

of strains having an MIC of 2.0 mcg/mL or

greater, but most being susceptible at 0.06

mcg/mL. The blue-shaded areas denote the

proportion of children who will achieve se-

rum concentrations that are above the MICs

noted in the population of pneumococci, for

40% or more of an 8 hour dosing interval

(3.2 hours). In this simulation of 5000 virtual

children, 88% given this dose will achieve

this PK-PD target and be expected experi-

ence a cure. One can also calculate the dose

that would be required to achieve a cure in

95% of children, by either increasing the

mg/kg dose, or by dividing the total daily

dose into more frequent intervals.

Similarly, in treating a child with

streptococcal pharyngitis, given the high de-

gree of susceptibility of Streptococcus pyo-



genes to penicillins, once daily dose of

amoxicillin at 50 mg/kg predicted a tonsillar

antimicrobial exposure that would result in

an approximately 95% of children achieving

the targeted exposure for cure.

9,10


In addition

to predicting targets for antimicrobial/patho-

gen pairs for bacterial infections, population

PK and PK-PD relationships have been ex-

plored for antimicrobial agents for tubercu-

losis, as well as for anti-infective agents for

fungal and viral infections, thus permitting

similar evaluations of dosing regimens using

Monte Carlo simulation, as described above.

ANTIMICROBIAL STEWARDSHIP

Minimizing antimicrobial resistance

by using the most appropriate dosing regi-

men for the most appropriate duration is a

priority.

11

While lowering the dose of an



antimicrobial may save a healthcare system

funds and decrease dose-dependent toxicity,

it may ultimately lead to increased resis-

tance, and thus, more difficult-to-treat infec-

tions that require more costly and toxic

antimicrobials. Prospective data on the dura-

tion of therapy required to achieve cure with-

out relapse is an area of great importance for

future research. Some orally administered

beta-lactam antimicrobials are Food and

Drug Administration-approved for a 5-day

treatment course of streptococcal pharyngi-

tis. It seems logical that most beta-lactams

that display similar PK-PD measures and

tissue penetration characteristics should also

be prescribed for no more than 5 days. How-

ever, prospectively collected data on the ef-

ficacy of a 5-day treatment course for strep-

tococcal pharyngitis for each and every

penicillin and cephalosporin antimicrobial

are not available, and for generic antibiotics,

such studies are not likely to be performed.



FUTURE DIRECTIONS

Human validation of these concepts

has lagged far behind their creation. Data

from in vitro systems and animal models

validate the concepts, and limited retrospec-

tive data in adults with invasive infections

such as pneumonia have demonstrated that,

below a certain drug exposure, patients are

more likely to fail treatment, whereas those

whose exposures are above a certain PK-PD

target, are more likely to be cured.

12

While



limited data exist for children treated for

otitis media,

13,14

no data yet exist for inva-



sive infections such as pneumonia, meningi-

tis, or osteomyelitis. As one might expect,

prospective studies would require appropri-

ate plasma and tissue site antimicrobial con-

centration profiling for the population stud-

ied, together with confirmation of bacterial

etiology and antimicrobial susceptibility test-

ing. Furthermore, a study design using as-

cending doses, in which doses and resulting

exposures straddle the drug exposure “break-

point” associated with efficacy (eg, exposures

below which patients fail and above which,

they are cured), is inherently unethical to per-

form in children. Pediatric investigators and

human research committees would not know-

ingly administer a dose of antimicrobial to a

child that is likely to fail. For the moment,

animal studies remain the most widely avail-

able in vivo support to validate the outcomes of

Monte Carlo simulation.

Additional PK data that provide rele-

vant tissue concentration values are needed

for a wide variety of infections. For some

infections such as staphylococcal pneumo-

nia, multiple tissue sites of infection require

step-wise modeling, with each subsequent

step integrating PK data from each of the

different potential intrathoracic infection

sites (eg, pneumonia, empyema, lung ab-

scess, and necrotic pulmonary tissue) to ac-

count for all the sites of antimicrobial expo-

sure. Another complexity that is difficult to



FIGURE 1. Distribution of free-drug % T

Ͼ MIC for ampicillin 30 mg/kg administered IV every 8 hours among 5000 simulated

pediatric patients infected by a relatively resistant population of pneumococci.

The Pediatric Infectious Disease Journal • Volume 29, Number 11, November 2010

Concise Reviews

© 2010 Lippincott Williams & Wilkins

www.pidj.com

|

1045



account for in Monte Carlo simulation is the

polymicrobial nature of certain infections,

such as complicated appendicitis, in which

multiple pathogens are involved, as well as

multiple tissue sites.

CONCLUSIONS

The use of PK-PD concepts and tools

such as Monte Carlo simulation provide the

best opportunity to gain insight about the

most appropriate dose required to treat an

infection and prevent antimicrobial resis-

tance, while minimizing drug toxicity. As

new antimicrobial agents are developed,

PK-PD concepts represent a critical compo-

nent for appropriate dose selection for clini-

cal trials in different patient populations, and

for pathogens of differing susceptibilities.

Ongoing evaluation of the “correct dose”

should be conducted in the context of chang-

ing susceptibilities of bacterial pathogens of

interest.



REFERENCES

1. Bradley JS, et al. Predicting efficacy of antiinfec-

tives . . .. Pediatr Infect Dis J. 2003;22:982–992.

2. Kearns GL, et al. Developmental pharmacology—

drug disposition . . .. N Engl J Med. 2003;349:

1157–1167.

3. Ambrose

PG,


et

al.


Pharmacokinetics-

pharmacodynamics of antimicrobial therapy . . ..



Clin Infect Dis. 2007;44:79 – 86.

4. Drusano GL. Pharmacokinetics and pharmacody-

namics of antimicrobials. Clin Infect Dis. 2007;

45:S89 –S95.

5. Block SL, et al. Pneumococcal serotypes from

acute . . .. Pediatr Infect Dis J. 2002;21:859 – 865.

6. Aguilar L, et al. Microbiology of the middle ear

fluid . . .. Int J Pediatr Otorhinolaryngol. 2009;

73:1407–1411.

7. Porat N, et al. Increasing importance of multi-

drug-resistant . . .. Pediatr Infect Dis J. 2010;29:

126 –130.

8. Craig WA. Basic pharmacodynamics of antibac-

terials . . .. Infect Dis Clin North Am. 2003;17:

479 –501.

9. Lee J, et al. Once daily dosing of amo-

xicillin . . .. Paper presented at: the Western

States Conference; May 24 –25, 2004; Asilo-

mar, CA.

10. Lennon DR, et al. Once-daily amoxicillin versus

twice-daily penicillin V . . .. Arch Dis Child.

2008;93:474 – 478.

11. Dellit TH, et al. Infectious Diseases Society of

America and the Society for Healthcare Epidemi-

ology of America guidelines . . .. Clin Infect Dis.

2007;44:159 –177.

12. Bhavnani

SM,


et

al.


Pharmacokinetics-

pharmacodynamics of quinolones . . .. Diagn Mi-



crobiol Infect Dis. 2008;62:99 –101.

13. Craig WA, et al. Pharmacokinetics and pharma-

codynamics of antibiotics in otitis media. Pediatr

Infect Dis J. 1996;15:255–259.

14. Dagan R. The use of pharmacokinetic/pharmaco-

dynamic principles . . .. Int J Antimicrob Agents.

2007;30:S127–S130.



Concise Reviews

The Pediatric Infectious Disease Journal • Volume 29, Number 11, November 2010

© 2010 Lippincott Williams & Wilkins

1046

| www.pidj.com



Yüklə 379,09 Kb.

Dostları ilə paylaş:




Verilənlər bazası müəlliflik hüququ ilə müdafiə olunur ©genderi.org 2024
rəhbərliyinə müraciət

    Ana səhifə