2. Cilostazol 의 항혈소판 응집작용 및 심장순 환계 작용에 대한 PK/PD model 2003. 4. 충남대학교 약학대학 권 광 일

3. 생물학적 동등성 연구 결과의 응용 1. 시험약과 대조약의 생체이용율비교 : K-Betest AUCt, Cmax, Tmax 2. PK parameter 의 산출 : WinNonlin AUCinf(CLtotal), Kel(t1/2), Ka, Vd/F, AUCt/AUCinf 3. Population PK analysis : NONMEM Factors : Sex, Weight(height), Alcohol, Caffeine etc. 4. PK/PD modeling : ADAPT PK data 와 PD data 를 이용하여 약물의 혈중농도 변화와 약효변화 관계를 수식으로 ( 특정 모델로 ) 해석하여 약물 투여 후의 약효 변화를 예측 할 수 있도록 한다.

4. PK/PD Effect vs. time Time(hr) Pharmacokinetics Plasma Concentration vs. time Time(hr) Pharmacodynamics Effect vs. Concentration Concentration effect Pharmacokinetic/pharmacodynamic modeling

5. pharmacokinetic and pharmacodynamic Homogenecity Concentration Cp PK tissue concentration A. effect PD tissue concentration B. effect Cp A: PK Homogenecity: Predictabe relationship between Cp and Creceptor

6. PK model 의 종류 1.Non compartment model : AUC, AUMC, Cl=dose/AUC 2. Compartment model : I.V., oral One, two, three Compartment Models. Kel(t 1/2 ), Vd, Cl MRT = AUMC AUC

7. PD model 의 종류 1.Fixed effect model : All or None response 2.Linear model : E = S x C 3.Emax model : 4.Sigmoid Emax model : E = Emax ⅹ C EC 50 + C E = Emax ⅹ C r EC r 50 + C r

8. PK/PD-models to be considered during model selection Direct Link Vs. Indirect Link Direct Link Vs. Indirect Link Direct Response Vs. Indirect Response Direct Response Vs. Indirect Response Time-invariant Vs. Time-variant Time-invariant Vs. Time-variant Classification of PK/PD-models Selected PK/PD Model Dose – Concentration - Effect Relationship to be modeled

9. 1 1 2 Central 2 Central 3 Peripheral 3 Peripheral Dose effect Classification of PK/PD models 1. Direct link model Ka Kcp Kpc Kel

10. Dose 12 Central 3 Peripheral Effect compartment Keo Effect 1.PD compartment 2.Mass balance 를 고려하지 않음 3.First order process Classification of PK/PD models 1. Indirect link model Ka Kcp Kpc Kel

11. Classification of PK/PD models 2. Direct response vs. indirect response models (I) 2. Indirect response models - 시간에 따른 농도변화와 효과간의 지연이 생김 - 분포과정에 의한 지연이 아님 - endogenous substance 를 합성하거나 분해하는데 시간이 소비 - 효과 - 농도 곡선에서 counterclock-wise hysteresis loop 관찰됨 1. Direct response models - 효과부위의 농도 변화에 따라 직접적으로 효과를 나타낼 만큼 신속히 진행 - 농도 - 효과간의 일시적 지연이 있으나 반응생성 기전의 지연은 없음 - direct link model - indirect link model

12. Example of Indirect response model 1 1 2 Central 2 Central 3 Peripheral 3 Peripheral Dose 4. Effect compartment Kin PK model : two compartment model. The model input is via single oral bolus. PD model : Indirect response model with production of the response variable inhibited by the concentration of the drug in the plasma Ka Kcp Kpc Kel

13. Pharmacokinetics Dose Kel Classification of PK/PD models 2. Indirect response models Central Pharmacodynamic Kin Kout Response I. 약물의 반응은 약물농도에 의해 반응의 생성과 정이 자극 또는 저해되어 나타남 Kin : zero-order production rate constant II. 약물의 반응은 약물농도에 의해 반응의 소실과정이 자극 또는 저해되어 나타남 Kout : first-order degradation rate constant

14. I. INHIBITION -K in II. INHIBITION -K out Response (R) kinkout IC 50 Ro R T max Time R T max Ro Time dR dt = kin (1- Cp IC 50 + Cp ) –Kout R Response (R) kinkout IC 50 dR dt = kin –kout(1- Cp IC50 + Cp ) R Classification of PK/PD models 1. Indirect response models

15. III. STIMULATION -K in IV. STIMULATION -K out Response (R) kinkout EC50 Ro R T max Time R T max Ro Time dR dt =kin (1+ EmaxCp EC 50 +Cp ) - kout R Response (R) kin kout EC 50 dR dt =kin – kout(1+ EC 50 +Cp ) R Emax Cp KEY :EC 50 Stimulation IC 50 Inhibition Classification of PK/PD models 2. Indirect response models

16. Classification of PK/PD models 3. Time invariant vs. time variant models Time-invariant model - PD parameter 는 전시간에 걸쳐 상수로 존재 - 효과의 강도는 항상 농도에 의해서 2 차적으로 결정 - Direct response model Time-variant model - Emax 나 EC 50 같은 PD parameter 가 시간 의존적인 변화로 인해 같은 농도에 대해서 효과의 강도가 다르게 나타남 - 내성 (tolerance) : 초기 큰 효과를 나타내었던 농도에서 효과의 강도가 감소  농도 - 효과 곡선에서 Clock-wise Hysteresis 가 나타남 - 감작 (sensitization) : 같은 농도에서 시간이 지날수록 효과의 강도가 증가  Counterclock-wise Hysteresis loop 관찰

17. Summary No hysteresis - Direct link Model Hysteresis Clock-wise hysteresis - Time-variant PD model(Tolerance) Counterclock-wise hysteresis - Indirect link model( 분포상의 지연 ) - Indirect response model - Time-variant PD model (Sensitization) effect counter clock-wise clock-wise Cp

18. Cilostazol Phosphodiesterase(PDE) III inhibitor 약리효과 1. 항혈소판응집 작용 2. 혈관확장작용 3. 심박동수, 심근수축력, 관상동맥 혈류량이 증가됨 1983 년 일본 오츠카에서 합성 - 개발한 항혈전 - 혈관확장제 : 만성동맥 폐쇄증에 기인한 궤양, 동통 및 냉감 등의 허혈성계 증상의 개선에 사용

19. 연구 내용 In vitro 에서 cilostazol 의 항혈소판응집 작용 cilostazol 경구투여 PK data Cilostazol 의 혈중농도 측정 PK data Cilostazol 의 혈중농도 측정 PD data 항혈소판응집 작용 측정 심혈관계 작용 : 심박동수 및 혈압 측정 PD data 항혈소판응집 작용 측정 심혈관계 작용 : 심박동수 및 혈압 측정 PK/PD model 의 설정

20. Blood : Sod. Citrate (9 : 1) Platelet rich plasma (PRP) Platelet poor plasma (PPP) Centrifuge (160g/10min ) Centrifuge (2000g/10min ) Plasma sample or Cilostazol 40 ul Aggregation inducer 40 ul (ADP or epinephrine) Method Cilostazol 의 항 혈소판응집 작용 측정 37  C, 3 min Aggregation 5 min

21. Aggregation % (Extent) : 응집반응의 마지막 부분에서 응집의 크기 Slope (Rate) : 혈소판 응집 반응이 일어나는 속도 약물의 항혈소판응집 효과  Inhibition % =(A–B)/A ×100 A : control 의 maximum aggregation % B : 약물처리시의 maximum aggregation %

22. PK/PD data 를 위한 실험 design Volunteers 혈중농도 혈액 10ml 3ml Citrated (9:1) 1) 혈소판응집 측정 7ml heparinized Cilostazol 100mg 경구투여 HPLC 로 혈중농도 분석 약물효과 2) 채혈 후 혈압 및 심박동수 측정

23. Data analysis 1. In vitro PD analysis WinNonlin ADP 와 epinephrine 을 응집 유도제로 하여 얻은 각 농도에서의 inhibition % 를 Sigmoid Emax model 에 적용하여 fitting 하여 PD parameter(Emax, EC50,  ) 를 산출 2. PK analysis Two compartment model 에 따라 fitting 된 그래프로부터 PK parameter 산출 3. PK/PD analysis ADAPT II program 항혈소판 응집 작용 ( 응집율, slope) : Indirect response model 심혈관계 작용 ( 혈압, 심박동수 ) : Direct response model

24. 4. Effect compartment Keo Direct response model E max × x  EC 50  + x  1 1 2 Central 2 Central 3 Peripheral 3 Peripheral Dose PK model : two compartment model. The model input is via single oral bolus PD model : Direct response model. Drug response is related via the Hill equation (Sigmoid Emax model) to drug concentration in an effect compartment Kcp Kpc Ka Kel

25. Indirect response model 1 1 2 Central 2 Central 3 Peripheral 3 Peripheral Dose 4. Effect compartment Kin PK model : two compartment model. The model input is via single oral bolus. PD model : Indirect response model with production of the response variable inhibited by the concentration of the drug in the plasma Ka Kcp Kpc Kel

26. Differential equations for indirect response model dx 1 (t) dt = -Ka ㆍ x 1 (t) =-(K el + K cp ) ㆍ x 2 (t) + K a ㆍ x 1 (t) + K pc ㆍ x 3 (t) dx 2 (t) dt = K cp ㆍ x 2 (t) - K pc ㆍ x 3 (t) dx 3 (t) dt = K in ( 1- ) - ㆍ x 4 (t) dx 4 (t) dt x 2 (t) IC 50 +x 2 (t) K in IC(4) K out =K in /IC(4)

27. Model 선정을 위한 적정성 평가  SDRSS (the standardized residual sum-of-squares) =  (residual 2 /variance)  AIC (Akaike information criterion) = m ln (O WLS ) + 2 p or m ln (O NLL ) + 2 (p+q)  ECV (the estimator criterion value)  SC (Schwartz criterion)  Visual inspection  SDRSS, ECV, AIC 및 SC 는 그 값이 작을수록 더 적절한 모델임을 의미

28. 선정된 model 의 적정성 평가 1. 산출된 parameter 의 confidence interval -50% < C.I. < +50% 2. Parameter 간의 Correlation Coefficient 80% 이하 3. Visual inspection

29. 1. In vitro 에서 cilostazol 의 항혈소판응집 작용 Inhibition %Slope Inducer Emax (%) EC 50 (  M)  ADP 98.11 14.40 2.28 Epinephrine 100.6 15.10 1.69 - ADP - Epinephrine

30. Open circles are observed values and solid line is the result of Weighted least squares(WLS) method in ADAPT II program. Parameter (unit) value. Non-compartmental analysis AUC(ng*hr/ml) 10379.59  584.33 Cmax(ng/ml) 775.10  45.33 Tmax(hr) 3.65  0.20 CLt(L/hr) 10.47  0.83 V/F(L) 14.4 Compartmental analysis Kel(hr -1 ) 0.1405 Ka(hr -1 ) 0.3928 Kcp(hr -1 ) 0.1937 Kpc(hr -1 ) 0.0194 t 1/2 -alpha(hr) 1.77 t 1/2 -beta(hr) 21.22 2. PK analysis

31. 3. PK/PD analysis Plot of cilostazol concentration versus effect. Platelet Aggregation Inhibition % Diastolic pressureHeart rate

32. PK/PD modeling 1) Cilostazol 의 항혈소판응집 작용 – model 의 선택 Direct response model [ Indirect link model ] Indirect response model Model A [direct link] Model B [Indirect link] parameter Model A Model B Kin 69.82 69.80 IC 50 2422 2418 IC(4) or IC(5) 99.11 99.12 Keo - 8263 Criterion Model A Model B SDRSS 137.036 137.044 AIC 92.029 94.029 SC 95.686 98.905 ECV 31.223 31.223 Time delay parameter t 1/2-Keo = 0.693/ Keo  8.4  10 -5 (hr)

33. Plots of aggregation % and time course. Data points are observed values. The solid lines are the fittings from Model A Plots of slope and time course. Data points are observed values. The solid lines are the fittings from Model A. PK/PD modeling 1) Cilostazol 의 항혈소판응집 작용 – Best fitted

34. PK/PD modeling 2) Cilostazol 의 심혈관계 작용 – model 의 선택 Direct response model [Indirect link model] Model I Linked Peripheral compartment Model II Linked effect compartment Criterion Diastolic pressure Heart rate SDRSS 146.528 32.275 AIC 90.661 -125.81 SC 95.373 -116.05 ECV 31.318 -70.903

35. PK/PD modeling 2) Cilostazol 의 심혈관계 작용 – Best fitted Diastolic pressure Heart rateDiastolic pressure PD parameter DBP Heart rate Keo (hr -1 ) 0.7713 0.3876 Emax 20500 28600 EC 50 (ng/ml) 2039 1509  7.060 7.919

36. 1.In vitro 에서 ADP 와 epinephrine 에 대한 cilostazol 의 항혈소판응집 작용은 Sigmoid Emax model 에 잘 적용되었다. 3.Cilostazol 을 경구투여 한 후 측정한 항혈소판응집 작용은 약물투여 후 8 시간 에서 최대효과를 나타내었고 혈중농도가 소실될 때까지 지속되었다. 4. 경구투여에 의한 cilostazol 의 혈소판응집 저해효과를 설명하는 PK/PD model 은 PD model 의 input function 인 혈장농도에 의해 반응생성 과정이 저해되는 indirect response model 이 적용되었다. 2. 경구투여에 의한 cilostazol 의 약물동태는 two compartment model 로 해석되었다. 5.Cilostazol 을 투여하였을 때 이완기 혈압은 감소, 심박동수는 증가하였으며 모 두 6 시간에서 최대효과를 나타내었다. 6. 이완기 혈압과 심박동수 변화에 대한 PK/PD model 은 약물의 반응이 effect compartment 의 농도에 의해 Hill equation (Sigmoid Emax model) 을 통해 표현 되는 direct response model 이 적용되었다.