Ciblage des médicaments dans le foie : combinaison d'études pharmacocinétiques et de la modélisation pour optimiser les concentrations des médicaments dans les hépatocytes via le récepteur asialoglycoproteine

Targeting drugs of the liver : combining pharmacokinetic studies and modeling to optimize targeting to hepayocytes via the asialoglycoprotein receptor

• Auteur / Autrice : Charlotte Bon
• Direction : Alain Bousquet-Mélou, Didier Concordet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Pharmacologie
• Date : Soutenance le 24/06/2019
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Biologie Santé Biotechnologies (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Innovations thérapeutiques et résistance (Toulouse)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Hépatotoxicité

Médicaments -- Récepteurs

Mots clés libres

Pharmacocinétique

Modélisation

Asialoglycoprotéine

Foie

Pharmacokinetic

Modeling

Asialoglycoprotein

Liver

Résumé

Le récepteur asialoglycoproteine (ASGPR) a attiré particulièrement l'attention pour concentrer les médicaments dans le foie, notamment parce que ce récepteur membranaire est exprimé presque exclusivement et avec une abondance élevée à la surface des hépatocytes. Dans cette thèse, un anticorps anti-ASGPR (Ac ASGPR) nouvellement développé ainsi que l'utilisation des techniques de modélisation mathématique sont utilisés pour déduire la cinétique d'absorption du récepteur in-vivo chez la souris, information cruciale pour optimiser le ciblage hépatique des médicaments. Une fois déduites ces informations quantitatives peuvent ensuite être utilisées pour informer et affiner le protocole d'administration de n'importe quelle entité ciblant l'ASGPR. Avec un protocole optimisé, la saturation du récepteur peut être évitée et ainsi obtenir un ciblage maximal des hépatocytes en minimisant la probabilité de survenue d'effets secondaires. Nous avons d'abord effectué une étude pharmacocinétique (PK) en utilisant l'Ac ASGPR pour estimer les paramètres cinétiques d'absorption via l'ASGPR en se focalisant sur son expression, sa vitesse de renouvellement et d'internalisation. L'expression du récepteur a été estimé autour d'un 1.8 million de molécules par cellule, ce qui confirme la forte abondance de récepteurs à la surface des hépatocytes. La demi-vie de dégradation du récepteur a été estimée à environ 15 heures and le complexe ligand-récepteur est internalisé avec une demi-vie de 5 jours. Cette lente internalisation est un avantage pour le ciblage des médicaments puisque cela permet de lier le médicament libre dans la circulation plasmatique et ensuite de l'absorber lentement dans les hépatocytes et cela même si sa clairance (non liée à l'ASGPR) est élevée dans le plasma. La cinétique de l'ASGPR montre que la saturation de l'endocytose est possible à des concentrations thérapeutiques, cependant la modélisation mathématique et l'utilisation de simulations permettent d'optimiser le protocole d'administration. Pour confirmer l'absorption spécifique dans le foie de l'Ac ASGPR mais aussi la description quantitative de son absorption, une étude de biodistribution a été entreprise. L'Ac ASGPR a été radio-marqué pour pouvoir mesurer les concentrations d'anticorps dans le foie et quantifier sa distribution dans les autres tissues. Une large distribution de l'Ac ASGPR a été détectée dans le foie et faiblement dans les autres tissues, confirmant la liaison importante et rapide de l'anticorps au foie. Dans le but de différencier l'absorption spécifique de l'anticorps, i.e. liée à l'ASGPR, de celle de la clairance générale des anticorps par le foie, un anticorps non-spécifique (l'Ac IL17) a été utilisé comme contrôle. En comparaison avec l'Ac ASGPR, l'Ac IL17 est beaucoup moins absorbé par le foie. Les données de l'étude de biodistribution ont permis de conclure que la liaison de l'anticorps à son récepteur a lieu uniquement dans le foie confirmant la description quantitative de l'absorption par l'ASGPR. Le modèle mathématique peut être utilisé à plusieurs fins. D'abord, le modèle peut être appliqué à d'autre molécules que l'Ac ASGPR à condition de changer les paramètres PK qui ne sont pas liés à l'ASGPR, comme par exemple le volume de distribution. Le but final est d'extrapoler le modèle PK construit à partir de données chez la souris à l'homme pour prédire un protocole d'administration chez les patients. Chez l'homme, certains paramètres sont déjà connus comme l'expression du récepteur mais d'autres processus de l'endocytose médiée par l'ASGPR doivent encore être investigués comme par exemple la vitesse de synthèse et de dégradation du récepteur. Une fois le modèle défini chez l'homme, le modèle sera applicable et utile pour estimer l'expression du récepteur chez les patients et investiguer l'impact de la plus faible expression du récepteur chez ces patients sur le protocole d'administration.

The asialoglycoprotein receptor (ASGPR) has drawn particular attention to enhance drug delivery to hepatocytes, notably because this membrane endocytic receptor is expressed almost exclusively and with high abundance on hepatocytes making this receptor a target of choice for hepatic delivery. In this thesis we take advantage of a newly developed anti-ASGPR antibody (ASGPR Ab) and mathematical modeling to infer the uptake properties of the receptor in vivo in mice, crucial information to optimize drug delivery to hepatocyte. This quantitative knowledge can then be leveraged to inform the protocol of administration of any molecular entity targeting the ASGPR. With an optimal dosing regimen, receptor saturation can be avoided to obtain a maximal delivery into hepatocytes while minimizing the likelihood for systemic adverse effects. To estimate the ASGPR mediated uptake parameters, focusing on its expression, turnover and internalization rates, we performed a mouse pharmacokinetic (PK) study with the ASGPR Ab. The ASGPR expression level was found to be about 1.8 million molecules per hepatocyte, which confirms the high abundance of receptors expressed at the hepatocytes cell surface. The half-life of the degradation of the receptor was estimated to be about 15 hours and the formed ligand-receptor complex is internalized with a half-life of about 5 days. This slow internalization is an advantage for drug targeting as it allows to capture the free drug from the plasma by binding and then delivers the drug slowly into the hepatocytes even if the targeting drug as a fast non-ASGPR related PK in the plasma. The kinetics of the ASGPR shows that saturation of the shuttle at therapeutic concentrations is possible; however, modeling and simulation allows the dosing protocol to be optimized. Then, to confirm both the specific liver uptake of the ASGPR Ab and the quantitative description of the ASGPR mediated uptake we performed a biodistribution study. To measure the uptake of the ASGPR Ab in the liver and the distribution in other tissues, the antibody was radiolabeled and tissue radioactivity was quantified. A large distribution of the ASGPR Ab was detected in liver and minor distribution was noted in other tissues, confirming the rapid and extensive binding of the ASGPR Ab in the liver. In order to differentiate the specific uptake of the ASGPR Ab from the general liver clearance of antibodies, a radiolabeled non-targeting antibody (IL17 Ab) was used as a control. In comparison to the ASGPR Ab, the IL17 Ab distributes much less in liver confirming the specific distribution of the ASGPR Ab into the liver. From the biodistribution data it was possible to conclude that all the target mediated uptake of the ASGPR Ab happens solely in the liver and therefore confirm the quantitative description of the ASGPR mediated uptake. We suggest the following use of the ASGPR-mediated disposition model. First, it is applicable to any ASGPR targeting drugs by changing the PK properties which are non-ASGPR related, e.g. volume of distribution, non-ASGPR related clearance... etc. Second, the ASGPR mediated drug disposition model supports the selection of an optimal dosing regimen by maximizing liver uptake while minimizing non targeted organs distribution. Extrapolation of the mouse model to human is the final goal in order to predict optimal dosing regimen of ASGPR targeting drugs in patients. In human, some parameters are already known such as the receptor expression but other processes of the receptor mediated endocytosis must however be investigated such as the synthesis and degradation rate. Once defined in human, the model will be applicable and used for two purposes 1) estimate the receptor number in patients as suggested in the manuscript of the second paper 2) investigate the impact of decreased receptor number in the patients on the dosing regimen.