Improving the use of G-CSF during chemotherapy using physiological mathematical modelling : a quantitative systems pharmacology approach

La diminution des doses administrées ou même la cessation complète d'un traitement chimiothérapeutique est souvent la conséquence de la réduction du nombre de neutrophiles, qui sont les globules blancs les plus fréquents dans le sang. Cette réduction dans le nombre absolu des neutrophiles, aussi connue sous le nom de myélosuppression, est précipitée par les effets létaux non spécifiques des médicaments anti-cancéreux, qui, parallèlement à leur effet thérapeutique,  produisent aussi des effets toxiques sur les cellules saines. Dans le but d'atténuer cet impact myélosuppresseur, on administre aux patients un facteur de stimulation des colonies de granulocytes recombinant humain (rhG-CSF), une forme exogène du G-CSF, l'hormone responsable de la stimulation de la production des neutrophiles et de leurs libération dans la circulation sanguine. Bien que les bienfaits d'un traitement prophylactique avec le G-CSF pendant la chimiothérapie soient bien établis, les protocoles d'administration demeurent mal définis et sont fréquemment déterminés ad libitum par les cliniciens. Avec l'optique d'améliorer le dosage thérapeutique et rationaliser l'utilisation du rhG-CSF pendant le traitement chimiothérapeutique, nous avons développé un modèle physiologique du processus de granulopoïèse, qui incorpore les connaissances actuelles de pointe relatives à la production des neutrophiles des cellules souches hématopoïétiques dans la moelle osseuse. À ce modèle physiologique, nous avons intégré des modèles pharmacocinétiques/pharmacodynamiques (PK/PD) de deux médicaments: le PM00104 (Zalypsis®), un médicament anti-cancéreux, et le rhG-CSF (filgrastim). En se servant des principes fondamentaux sous-jacents à la physiologie, nous avons estimé les paramètres de manière exhaustive sans devoir recourir à l'ajustement des données, ce qui nous a permis de prédire des données cliniques provenant de 172 patients soumis au protocol CHOP14 (6 cycles de chimiothérapie avec une période de 14 jours où l'administration du rhG-CSF se fait du jour 4 au jour 13 post-chimiothérapie). En utilisant ce modèle physio-PK/PD, nous avons démontré que le nombre d'administrations du rhG-CSF pourrait être réduit de dix (pratique actuelle) à  quatre ou même trois administrations, à condition de retarder le début du traitement prophylactique par le rhG-CSF. Dans un souci d'applicabilité clinique de notre approche de modélisation, nous avons investigué l'impact de la variabilité PK présente dans une population de patients, sur les prédictions du modèle, en intégrant des modèles PK de population (Pop-PK) des deux médicaments. En considérant des cohortes de 500 patients in silico pour chacun des cinq scénarios de variabilité plausibles et en utilisant trois marqueurs cliniques, soient le temps au nadir des neutrophiles, la valeur du nadir, ainsi que l'aire sous la courbe concentration-effet, nous avons établi qu'il n'y avait aucune différence significative dans les prédictions du modèle entre le patient-type et la population. Ceci démontre la robustesse de l'approche que nous avons développée et qui s'apparente à une approche de pharmacologie quantitative des systèmes (QSP).  Motivés par l'utilisation du rhG-CSF dans le traitement d'autres maladies, comme des pathologies périodiques telles que la neutropénie cyclique, nous avons ensuite soumis l'étude du modèle au contexte des maladies dynamiques. En mettant en évidence la non validité du paradigme de la rétroaction des cytokines pour l'administration exogène des mimétiques du G-CSF, nous avons développé un modèle physiologique PK/PD novateur comprenant les concentrations libres et liées du G-CSF. Ce nouveau modèle PK a aussi nécessité des changements dans le modèle PD puisqu’il nous a permis de retracer les concentrations du G-CSF lié aux neutrophiles. Nous avons démontré que l'hypothèse sous-jacente de l'équilibre entre la concentration libre et liée, selon la loi d'action de masse, n'est plus valide pour le G-CSF aux concentrations endogènes et mènerait en fait à la surestimation de la clairance rénale du médicament. En procédant ainsi, nous avons réussi à reproduire des données cliniques obtenues dans diverses conditions (l'administration exogène du G-CSF, l'administration du PM00104, CHOP14). Nous avons aussi fourni une explication logique des mécanismes responsables de la réponse physiologique aux deux médicaments.   Finalement, afin de mettre en exergue l’approche intégrative en pharmacologie adoptée dans cette thèse, nous avons démontré sa valeur inestimable pour la mise en lumière et la reconstruction des systèmes vivants complexes, en faisant le parallèle avec d’autres disciplines scientifiques telles que la paléontologie et la forensique, où une approche semblable a largement fait ses preuves. Nous avons aussi discuté du potentiel de la pharmacologie quantitative des systèmes appliquées au développement du médicament et à la médecine translationnelle, en se servant du modèle physio-PK/PD que nous avons mis au point. Dose-limitation or interruption of chemotherapeutic treatment is most often prompted by a decrease in circulating neutrophils, the most abundant white blood cell in the human body. Myelosuppression, or a reduction in absolute neutrophil counts (ANCs) by anti-cancer treatments, is precipitated by the nonspecific killing effect of chemotherapeutic drugs which have toxic effects on noncancerous cells. To mitigate this myelosuppressive effect, patients are frequently administered recombinant human granulocyte colony-stimulating factor (rhG-CSF), an exogenous form of the cytokine G-CSF, which stimulates neutrophil production and release into the blood stream. While the benefits of adjuvant treatment rhG-CSF during chemotherapy are well recognised, the protocols with which it is administered are not well defined and are frequently determined ad libitum by clinicians. To quantify and address the optimisation of the administration of rhG-CSF during chemotherapeutic treatment, we developed a physiological model of granulopoiesis which incorporates the contemporary understanding of  the production of neutrophils from the hematopoietic stem cells in the bone marrow. To this physiological model, we incorporated mechanistic pharmacokinetic/pharmacodynamic (PK/PD) models of two drugs, PM00104 (Zalypsis), a chemotherapeutic drug, and rhG-CSF (filgrastim). Through exhaustive parameter estimation using first principles and no data fitting, we successfully predicted clinical data from 172 patients for an average patient undergoing the CHOP14 protocol (6 cycles of 14-day periodic chemotherapy with rhG-CSF administered on days 4-13 post-chemotherapy). We then demonstrated that delaying the administration of rhG-CSF to 6 or 7 days post-chemotherapy allowed for a reduction in the number of filgrastim administrations from ten to four or even three while maintaining or improving the neutrophil nadir. We also investigated the effects of PK variability on the model's predictions by incorporating population PK (PopPK) models of both drugs. Using five different variability scenarios and cohorts of 500 in silico patients per scenario, we established that there are no statistically significant differences between a typical patient and the population in the model's predictions with respect to three crucial clinical endpoints, namely the time to ANC nadir, the ANC nadir, and the area under the concentration-effect curve. The model's robustness to PK variability allows for the scaling up from the individual to population level.  Motivated by the use of rhG-CSF in other disease-states, namely periodic pathologies like cyclical neutropenia, we next endeavoured to contextualise the model within dynamic diseases. By bringing to light that the cytokine paradigm is broken when exogenous cytokine mimetics are administered, we developed a novel physiological PK model for G-CSF incorporating both unbound and bound concentrations. The updated PK model prompted changes to the PD model since we could now track the concentrations of bound G-CSF. We showed that the mass-action equilibrium hypopthesis for bound and unbound drugs is not valid and led to overestimations of the renal clearance of G-CSF. We also successfully reproduced clinical data in a variety of settings (exogenous G-CSF alone, PM00104 alone, CHOP14 protocol) and clarified the mechanisms underlying the body's response to both drugs. Lastly, we discussed the potential of quantitative systems pharmacology in both drug development and translational medicine by using the physiological PK/PD model we developed.

Keyphrases: Pharmacologie des systèmes, Modélisation méchanistique, Biologie des systèmes, Pharmacocinétiques/pharmacodynamiques physiologiques, Granulopoïèse, Quantitative systems pharmacology, Granulopoiesis, Mechanistic modelling, Physiologic pharmacokinetics/pharmacodynamics, Systems biology