Biopharmaceutical optimization of antibiotic therapy for the treatment of Mycobacterium abscessus pulmonary infections : interest of nebulization and antibiotic combinations

par Shachi Mehta

Thèse de doctorat en Pharmacologie et sciences du médicament

Sous la direction de William Couet et de Julien Buyck.

Soutenue le 19-12-2019

à Poitiers , dans le cadre de École doctorale Sciences Biologiques et Santé (Limoges) , en partenariat avec Laboratoire pharmacologie des anti-infectieux (Poitiers) (laboratoire) , Université de Poitiers. UFR de médecine et de pharmacie (faculte) et de Pharmacologie des anti-infectieux / PHAR (laboratoire) .

Le président du jury était Sandrine Marchand.

Le jury était composé de William Couet, Julien Buyck, Peter Sander.

Les rapporteurs étaient Emmanuelle Cambau, Jean-Baptiste Woillard.

  • Titre traduit

    Optimisation biopharmaceutique de l'antibiothérapie pour le traitement des infections pulmonaires à Mycobacterium abscessus : intérêt de la nébulisation et des combinaisons antibiotiques


  • Résumé

    Mycobacterium abscessus est une mycobactérie non-tuberculeuse responsable d’infections pulmonaires difficiles à traiter en clinique. Le traitement actuellement recommandé est associé à un taux d’échec élevé et à l'émergence de résistances à la plupart des antibiotiques. Dans le contexte actuel, avec un faible nombre de nouveaux antibiotiques mis sur le marché, il est important de d’optimiser l’utilisation des antibiotiques à notre disposition par des approches pharmacocinétique/pharmacodynamiques (PK/PD). Dans les infections pulmonaires, l'administration directe de médicaments à faible perméabilité tels que la céfoxitine (FOX) et l'amikacine (AMK) dans les poumons sous forme d'aérosols devrait accroître leur efficacité au site d’infection tout en diminuant la toxicité systémique responsable des effets indésirables, particulièrement dans le cas des traitements prolongés. De plus, l'utilisation d'antibiotiques en combinaison pourrait réduire le risque de développement de résistance. Plusieurs points ont été abordés dans cette thèse : 1. Études biopharmaceutiques sur AMK et FOX : Il a été démontré qu'après la nébulisation d'AMK et de FOX, les concentrations pulmonaires étaient presque 1000 fois plus élevées qu'après l'administration intraveineuse des deux antibiotiques, ce qui en fait de bons candidats pour la nébulisation. 2. Étude PK/PD de céfoxitine : un modèle PK/PD semi-mécanique a été mis au point à partir de données pharmacocinétiques in vitro, permettant d'identifier les relations concentration-effet pour deux sous-populations de bactéries tout en tenant compte de la dégradation de la céfoxitine.3. Étude pharmacocinétique et pharmacodynamique de la bi-combinaison : à l'aide d'un modèle mathématique basé sur un mécanisme et de données obtenues à partir données in vitro, il a été démontré que l'effet combiné d'AMK et de FOX était additif et/ou synergique selon les différentes concentrations.4. Bi- ou tri-combinaisons : plusieurs tri-combinaisons incluant AMK, FOX et un 3ème antibiotique (incluant clarithromycine, linézolide, clofazimine, ciprofloxacine, moxifloxacine, rifampicine et rifabutine) ont été testés contre une souche de référence, un isolat clinique résistant à la clarithromycine (Ma1611) et un isolat clinique multirésistant (T28). Toutes les tri-combinaisons étaient actives contre la souche de référence. Les combinaisons étaient également actives sur la souche Ma1611 sauf pour les associations avec la clofazimine et la clarithromycine. Aucune combinaison n'était active contre T28. Les bi-combinaisons avec de plus fortes concentrations de FOX et les fluoroquinolones ou les rifamycines étaient efficaces contre T28. Cela suggère une optimisation du schéma thérapeutique pour le traitement des infections pulmonaires à M. abscessus. 5. La tri-combinaison comprenant AMK, FOX et moxifloxacine (MXF) jusqu'à 21 jours contre un isolat clinique résistant à la clarithromycine Ma1611 n'a montré aucun effet supplémentaire de l'utilisation de MXF car la tri-combinaison n'était pas plus efficace que la bi-combinaison d'AMK et FOX.


  • Résumé

    Mycobacterium abscessus is rapidly growing non-tuberculous mycobacteria responsible for difficult-to-treat pulmonary infections in humans. Current recommended treatment is associated with high treatment failure and emergence of resistance to most of the antibiotics. Also, with only a few new antibiotic drugs active against multidrug-resistant bacteria approved every year, it is important to optimize the use of already existing antibiotics using biopharmaceutical approach like Pharmacokinetic/pharmacodynamic (PK/PD). In pulmonary infections, direct administration of low permeability drugs such as cefoxitin (FOX) and amikacin (AMK) into lungs as therapeutic aerosols should increase their efficiency and minimize whole body exposure responsible for adverse effects, particularly in the case of prolonged treatments. Moreover, the use of antibiotics in combination may reduce the risk of resistance. Several points have been addressed in this thesis: 1. Biopharmaceutical studies of AMK and FOX: It was shown that after nebulization of AMK and FOX, pulmonary concentrations were almost 1000-fold higher than after intravenous administration for both antibiotics, making them a good candidate for nebulization. 2. Pharmacokinetic/pharmacodynamic (PK/PD) study of cefoxitin: a semi-mechanistic PK/PD model was developed from in vitro time kill-kinetics assay data, enabling identification of concentration-effect relationships for two bacterial sub-populations while taking into account the unstability degradation of cefoxitin.3. PK/PD study of bi-combination: Using a mechanism-based mathematical model and data obtained from time kill-kinetics study, it was shown that the combined effect of AMK and FOX was additive to synergistic at different concentration.4. Bi-or tri-combinations: several tri-combinations including AMK, FOX and a 3rd antibiotic (including clarithromycin, linezolid, clofazimine, ciprofloxacin, moxifloxacin, rifampicin and rifabutin) were tested against reference strain, clarithromycin resistance-clinical isolate (Ma1611) and multidrug-resistance-clinical isolate (T28). All tri-combinations were active against reference strain. Similar observation was made with Ma1611 except combination with clofazimine and clarithromycin. Any combination was active against T28. Bi-combination with highest concentrations of FOX and rifamycins were effective against T28. The synergy between FOX and fluoroquinolones or rifamycins suggests a potent role of these combinations that may warrant further optimization of treatment regimen for the treatment of M. abscessus pulmonary infections. 5. Tri-combination including AMK, FOX and moxifloxacin (MXF) up to 21 days against clarithromycin-resistance clinical isolate has shown no importance of using MXF as tri-combination was not more effective than the bi-combination of AMK and FOX.


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