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Plasma drug protein binding - Physiologie ENVT.ppt

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Plasma drug protein binding - Physiologie ENVT.ppt Powered By Docstoc
					        Plasma drug protein binding



Update: 01:/07/2006                   binding- 1
binding- 2
binding- 3
 Biological relevance of drug binding


• The binding of drug to plasma (and tissue) 
  proteins is a major determinant of drug 
  disposition (distribution)
• Binding has a very important effect on 
  drug dynamics since only the free 
  (unbound) drug interacts with receptors

                                            binding- 4
Relevance of plasma and tissue 
       protein binding


• From a biological point of view Þ YES
• From a clinical point of view      Þ NO
  – problem of drug interaction and 
    displacement has been overestimated

                                          binding- 5
       Influence of drug binding on 
       pharmacokinetic parameters

• Distribution




• Elimination                  o
                              Q organ ´ f u ´ Cl int
                 Cl organ =   o
                              Q organ + f u ´ Cl int
                                                       binding- 6
Clinical relevance of drug binding



• The importance of plasma protein 
  binding displacement interaction has 
  been overestimated and overstated



                                          binding- 7
  Case for which we need to know 
     in vivo free concentration
For extrapolation 
• from in vitro to in vivo
  – in vitro, Kd (binding) and EC50  (functional response) 
    are free concentrations but EC50  (for PK/PD) is total 
    concentration
  – CMI (free) vs effective plasma concentration (Ctot)
• between species
  – comparison of EC50  between animals requires to take 
    into account free fraction
                                                         binding- 8
The problem of drug interaction 
  and displacement has been 
        overestimated




                               binding- 9
     The classical example: 
 Phenylbutazone/warfarin interaction

• Interaction actually exists
• Displacement actually exists
• but the plasma binding displacement 
  is not the underlying mechanism of 
  interaction 
  – PBZ stereoselectivity inhibits the 
    metabolism of s-warfarin
                                          binding- 10
   Why plasma binding seldom 
     has clinical relevance

• Because few drugs (so-called displacer) 
  are therapeutically used 

• Because when displacement exists, it has 
  no consequence on the receptor exposure 
  to the free concentration of the displaced 
  drug which generally remains unaffected
                                                binding- 11
  Is there often displacement of 
    drug from the binding site?

• No
• For a substantial displacement to take 
  place, the displacer must occupy most of 
  the available binding site thereby lowering 
  the binding site available to the primary 
  drug
                                             binding- 12
 Is there often displacement of 
   drug from the binding site?
• No
• To take place, the molar concentration of 
  the drug in plasma must exceed the molar 
  concentration of albumin (150 µg/mL for a 
  a drug with a MW of 250)
  – e.g.: PBZ, phenytoin, valproic acid
• This is not true for a1-glycoprotein acid 
  (basic drug)                                 binding- 13
Why plasma protein displacement 
 seldom has clinical relevance

• Generally only the free (unbound) drug is 
  metabolized and can access to the 
  receptor
                     AND
• the free drug concentration is controlled 
  by the free drug clearance which is 
  independent of the plasma binding
                                               binding- 14
Plasma drug protein binding
   Physiological aspects



                              binding- 15
     Plasma binding proteins

Proteins           MW             Concentration
                                  g/L        µM
Albumin            67 000       35-50      500-700
a1-glycoprotein    42 000       0.4-1.0    9-23
acid
Lipoproteins       200 000                variable
                   to 2.4 106
Transcortin        53 000       0.03-0.07        0.6-1.4 
                                                            binding- 16
      Drug binding protein concentration and 
    percentage of free drug in serum of healthy 
         dogs and dogs with inflammation

                          Healthy                Inflammation        level of significance
Total protein (g/L)        71.6                       72.3                     NS
Albumin (g/L)              31.3                       27.6                    xxx
a-acid glycoprotein (mg/L) 374                        1632                    xxx

Percentage free
Lidocaine                         43.5                  11.7                 xx
Propanolol                        27.8                   9.3                 xx
Phenytoin                         18.1                  17.6                 NS
Digitoxin                         15.5                  18.9                 xx
Diazepam                          1.57                  2.78                  x

                                                                                             binding- 17
        Baggot The physiological basis of vet clin pharmacol p.103
          Conditions in which the plasma 
        concentration of the 2 major plasma 
      proteins to which drug binds are altered

                     Conditions      Change in concentration
 Albumin           hepatic cirrhosis            î
                         burns                  î
                  nephritic syndrome            î
                      pregnancy                 î

 a-glycoprotein   myocardial infarcts          ì
                       surgery                 ì
                       trauma                  ì
                  rheumatoid arthritis         ì
Rowland p.152                                             binding- 18
   Serum albumin : disposition
• Synthesis
  – Hepatocytes – 9-12 g/day
• Distribution
  – Serum : 40 g/L – total serum pool: 120 g
  – Interstitial fluid : 14 g/L – total pool : 160 g
• Catabolism
  – Poorly understood
  – It occurs in or immediately adjacent to the vascular 
    endothelium of tissue
  – 9-12 g/day
  – t1/2 : 17 days
  – Spared in starvation
                                                            binding- 19
                       Serum albumin

 Synthesis                        Leakage
 12 g.day-1
                  Plasma : 3L     5% h-1      Interstital fluid : 11L
                      40 g/L      (3-4 g/h)
                                                      15 g/L
                      120 g        Lymph              165 g
                   MTT = 20h       120 mL/h
Catabolism
12 g.day-1                         32 g/L


Margason, Anaesthesia, 1998, 53                                  binding- 20
                           Albumin
• Infusion of plasma                      • Expansion of vascular 
  or albumin                                compartment

• Decreased                               • Increased catabolism
  catabolism                Serum 
                                          • Decreased synthesis
                           albumin 
• Increased             concentrations    • Hemorrhage / exudative 
  synthesis (e.g.                           losses,
  insulin)                                • Renal/gut losses
• Contraction of                          • Increased capillary 
  vascular                                  permeability
  compartment (e.g. 
                                          • Decreased lymphatic 
  vasoconstrictors)                         return             binding- 21
        Margason, Anaesthesia, 1998, 53
                   Albumin
• Has 2 main binding sites with high constant of 
  association (104-106 M-1)
• The sites are charged positively and bind mainly 
  anionic molecules
  – Ex: NSAIDs
• Carboxylic acids bind to site II (hydrophylic 
  forces)
• Non-carboxylic acid (enol derivative): site I
• Oxicam : both sites (the warfarine site)

                                                   binding- 22
                     AGP

• Three variantes exist for which a drug 
  may have different affinities


• In contrast to albumin, it is difficult to 
  relate a binding to AGP to a restrictive 
  distribution in the body


                                                binding- 23
   Drug binding to lipoproteins
• Non-restrictive / non sturable

• Involves lipid solubilization of the drug into the 
  lipidic core of the lipoproteins and/or interaction 
  with the surface phospholipids

• Because of multiple binding possibilities drug 
  such as imipramine and propanolol show a 
  relatively constant free fraction in plasma
                                                     binding- 24
      Prediction of drug plasma-protein binding 
         according to basic physicochemical 
                      properties
  Acidity        Lipophilicity    Proteins       Percentage       Examples
  and/or         score            involved       of binding
  basicity

  Unspecified    0 (highly        None           Undetectable Caffeine, 
                 water                                        ketamine
                 soluble)

  Neutral        ++++ (very       Lipoproteins   99-99.9          Probucol, 
                 high                                             etretinate
                 lipophilicity)


                                                                               binding- 25
Urien et al. 2001 Pharmacokinetic Optimization in Drug Research
     Prediction of drug plasma-protein binding 
   according to basic physico-clinical properties
Acidity and/or  Lipophilicity    Proteins    Percentage of  Examples
basicity        score            involved    binding


Weakly acidic  + (moderate       Albumin     20-70         Phenobarbital
(pKa>6)        lipophilicity)
(mostly 
ionized)
Acidic          ++ (moderate     Albumin     80-95         Valproic acid, 
(pKa<6)         lipophilicity)                             aspirin
(mostly 
ionized)
Acidic          ++ (marked       Albumin     95-99.9       Warfarin, 
(pKa<5)         lipophilicity)                             piroxicam
(mostly 
ionized)

                                                                         binding- 26
     Prediction of drug plasma-protein binding 
   according to basic physico-clinical properties



Acidity and/or  Lipophilicity    Proteins         Percentage of  Examples
basicity        score            involved         binding

Basic (pKa>7)  + (moderate       AGP              50-95         Lidocaine, 
(mostly        lipophilicity)                                   methadone
ionized)
Basic (pKa>7)  ++ (marked        AGP,             80-95         Propanolol, 
(mostly        lipophilicity)    lipoproteins,                  imipramine
ionized)                         albumin




                                                                               binding- 27
   The free fraction 
           & 
the free concentration



                         binding- 28
    Drug plasma protein binding


• Expressed in % or by fu (free fraction)

• >90%  =  highly bound



                                            binding- 29
         The free fraction : fu


 Definition: 

        free concentration      Cfree
 • fu = total concentration =   Ctot


fu and Cfree are not synonymous terms
                                        binding- 30
Ctot is a function of Cfree , not the inverse
                 Distribution


                                Measured total concentration


                    F                  Bmax
  Action                          F               Alb.
                                        Kd




           Elimination                         Interaction
                                                             binding- 31
  The free, the Bound 
            &
the total concentration



                          binding- 32
           The bound concentration
                                       Cbound
• The bound concentration
                                       Bmax


                                        Bmax/2




Bmax : maximal concentration of               KD                 Cfree
           binding sites
     – proportionnal to plasma protein concentration
KD : free drug concentration corresponding to half maximal binding
   – inversely proportional to drug affinity for the protein  binding- 33
      Ctot is a function of Cfree

           Ctot = Cfree + Cbind

                            Bmax x Cfree
           Ctot = Cfree +
                             Kd + Cfree


Dependent variable   Parameters   Independent variable 
                                  controlled by Clfree
                                                   binding- 34
Relationship between fu, the Free 
 and the bound concentrations



                                 binding- 35
               The free fraction fu
• Physiological factors controlling fu

                 Cfree
• fu =                           =       Cfree
                 Ctot                Cfree + Cbind




                                                     binding- 36
             The free fraction fu
• Physiological factors controlling fu
               Cfree                         Cfree
• fu =                           =
               C  tot                    Cfree + Cbind

• if kd >> Cfree it can be shown that:

                kd                            1
• fu =                               = 
            kd + Bmax                   1 + ka Bmax
                                                         binding- 37
       The unbound fraction : fu




• Linear binding : Cfree << KD




                                   binding- 38
            Total concentration:
   a convenient but illicit rearrangement 
      which can be misleading when 
        discussing drug interaction

              Cfree = fu x Ctotal

indirectly       known from in      measured by 
estimated        vitro assay        analytical technique


                                                    binding- 39
         Total concentration

    Ctot =    Cfree
               fu


! When conceptualizing dependency and 
!
  functionality, this equation should not be 
  rearranged

                                                binding- 40
           Total concentration:
Why the free displaced drug concentration 
  is not controlled by plasma binding

The fundamental relationship             independent variable

                          free concentration
Total concentration = 
                                    fu
                             (free fraction)

   dependent variable                          parameters

  Where fu is altered, Ctot is modified, not Cfree
                                                       binding- 41
            Total concentration:
   a convenient but illicit rearrangement 
      which can be misleading when 
        discussing drug interaction
• What is the consequence of fu ­

               Cfree
• Ctot ¯  =                        = fu ­ total
                       or   Cfree ­      x C
                fu ­
       YES                             NO

   Displacement (fu) modifies Ctot, not Cfree
                                                  binding- 42
  Case for which we need to 
know in vivo free concentration



                              binding- 43
  Case for which we need to 
know in vivo free concentration


 • For mechanistic purposes
 • For data analysis when binding to 
   protein is not linear
   – e.g.: cortisol, ACEI

                                        binding- 44
 Case for which we need to know 
       in vivo free fraction
For extrapolation 
• from in vitro to in vivo
  – in vitro, Kd (binding) and EC50  (functional response) 
    are free concentrations but EC50  (for PK/PD) is total 
    concentration
  – CMI (free) vs effective plasma concentration (Ctot)
• between species
  – comparison of EC50  between animals requires to 
    take into account free fraction
                                                       binding- 45
Drug interaction and 
  protein binding



                        binding- 46
Relations between
  fu, Cfree and Ctot
in in vivo situation




                       binding- 47
             AND




                      Bmax
                                                Kd
Definition
                   Physiological relationship

                                            binding- 48
 Drug interaction and protein binding


                    Bmax x Cfree
• Ctot =  Cfree +                  possible interaction
                     Kd + Cfree




  Interaction will modify Ctot but not Cfree

                                                    binding- 49
Bmax  & fu


             binding- 50
 Effect of modifications of plasma protein
        concentration (Bmax) on fu


                       Plasma protein decrease 
     fu is increased      Bmax is decreased




                       Plasma protein increase 
     fu is decreased
                          Bmax is increased
                                                  binding- 51
          Conditions in which the plasma 
        concentration of the 2 major plasma 
      proteins to which drug binds are altered

                     Conditions      Change in concentration
 Albumin           hepatic cirrhosis            î
                         burns                  î
                  nephritic syndrome            î
                      pregnancy                 î

 a-glycoprotein   myocardial infarcts          ì
                       surgery                 ì
                       trauma                  ì
                  rheumatoid arthritis         ì
Rowland p.152                                             binding- 52
Kd & fu


          binding- 53
 Effect of competitive displacement 
    on the unbound fraction : fu

The free concentration required to bind half of the Bmax
is increased : the « apparent » KD is increased

                                 Competitive displacement
                                     KD is increased



fu is increased

                                                     binding- 54
    Competitive interaction

                     Bmax x Cfree
Ctot =  Cfree +
                  Kd (1 + A/Ki) + Cfree
                                          Displacement

                          
             Ctot is decreased


                                                  binding- 55
        In vivo situation 
              ?        Controlled
                          by
                         Clfree

Controlled
   by
 Bmax, KD


                       Controlled
                          by
              ?          Cltot
                                    binding- 56
                  In vivo situation : 
                    parenteral administration

• In steady-state conditions for ALL parenteral  administrations




                         Total and free concentrations 
                         are controlled by clearances of 
                         the total and free fractions, 
                         respectively
                                                                   binding- 57
              Competitive interaction
   • Consequence of an fu increase on Cfree (or 
     AUCfree) in steady state conditions
                                     Dose
                          AUCfree = 
                                     Clfree

  Restrictively eliminated drug      High clearance drug
                                                    °
     if Clfree = Clint = cst                        Qh
                                   with Clfree =         ¯
                                                    fu
   AUCfree = cst                            AUCfree
• the majority of drugs by non-oral route   • no example with 
• all drugs by oral route                     clinical significance
                                                                 binding- 58
   Protein Binding Interactions
• Restrictively cleared drugs
  – Small fraction of drug extracted during single 
    passage through the eliminating organ
  – CL is directly proportional to fu
  – Increase in fu leads to proportional increase in CL and 
    decrease in Css
  – No change in Clu, Cssu will return to predisplacement 
    value after transient increase
     • phenytoin and valproic acid; decrease in phenytoin Css and 
       Cu unchanged


                                                                     binding- 59
           Competitive interaction

• Case of restrictively eliminated drug
Clfree = Clint = constant            Cltot = fu x Clint 
perfusion rate:  K0

Ctot

                                                            Cltot
Cfree
                     redistribution                        Clfree = cst


           Administration of the 2nd ligand, displacement Þ fu ­
                                                                    binding- 60
            Competitive interaction

• Case of high clearance drug
        °                          °
Clfree = Qh /fu and  Cltot = Qh= cst

                  redistribution

 Ctot                                                       Cltot = cst

                                                              Clfree
Cfree



            Administration of the 2nd ligand, displacement Þ fu ­
                                                                       binding- 61
 Competitive interaction for 
restrictively eliminated drugs

  when interaction occurs, 
   Ctot is altered not Cfree



                                 binding- 62
  Protein Binding Interactions

• Nonrestrictively cleared drugs
  – Eliminating organ removing most of the drug 
    being presented to it, including the fraction 
    bound to plasma proteins
  – Increase in fu will not lead to a proportional 
    increase in CL




                                                      binding- 63
                            In vivo situation 
 Drug with low extraction ratio               Drug with high extraction ratio




                        then Ctot¯
                  if fu ­                                          then Cfree­
                                                             if fu ­
                                                                                       ?
              ?                     Effect                                            Effect

1.0                                            1.0                                    Ctot
                                       !
       fu = 0.2                       Ctot     0.5                      fu = 0.4
0.5                                                   fu = 0.2                        Cfree
                         fu = 0.4
0.2                                   Cfree    0.2
                                    Time                                             Time

      Competitive interaction                        Competitive interaction       binding- 64
      In vivo situation: oral route 
• Oral administration of high extraction ratio drugs
               o
              QH
     FH =
          f u ´ Cl int

                       f abs ´ FG ´ FH ´ Dose f abs ´ FG ´ Dose
           Css, free =                       =
                                 Cl free              Cl int



                                                          binding- 65
      In vivo situation: oral route 
• Oral administration of low extraction ratio drugs


                   FH @ 1

                      f abs ´ FG ´ FH ´ Dose f abs ´ FG ´ Dose
          Css, free =                       =
                                Cl free              Cl int



                                                          binding- 66
in vitro vs. in vivo situation




                                 binding- 67
       In vitro - closed system                            In vivo - open system
                                                       Drug with low extraction ratio

      Css, tot = constant                             Css, free     perfusion rate
                                                                  =                = constant
      Css, free = f u Css, tot                                          Clint
                                                      Css, tot = 1 C
                                                                 fu  ss, free


                           then  Cfree­
                    if fu ­                                                   then  Ctot¯
                                                                       if fu ­
                                                                                         Effect
1.0                                          Ctot    1.0

                                 fu = 0.4
0.5      fu = 0.2                                    0.5    fu = 0.2                      Ctot
                                             Cfree
                                                                              fu = 0.4
0.2                                                  0.2                                  Cfree
                                            Time                                         Time

        Competitive interaction                            Competitive interaction
                                                                                            binding- 68
fu vs Cfree: in vitro situation
  4                                    4
       1          2                                1       2

   5                                       5
              3                                        3
   6                                           6




fu = 0.5              displacer       fu = 0.83     ì
Cfree = 3/V           displacee       Cfree = 5/V ì
                      V= volume of 
Ctot = 6/V            the baker       Ctot = 6/V  è
                                                               binding- 69
                 fu vs Cfree
    in vivo situation: initial steady state
               Plasma            Extracellular fluid   Intracellular fluid

              4      1
                             2
Infusion=A     5
                                 K12 Cfree

 A=MT-1        6
                         3
                                 K21 Cfree




             Elimination = K10 x Cfree (3) = A equated by infusion

    TOTAL CONCENTRATION = 6/V
                                                                       binding- 70
    FREE CONCENTRATION = 3/V
         fu vs Cfree: in vivo situation:
        just after administration of displacer
    displacer
                       Plasma           Extracellular fluid      Intracellular fluid

                   4        1            K12xCfree:  increase 
                                    2        transitively
Infusion=A
                    5

 A=MT-1                6
                                3



                                         K21 x Cfree
 Just 
 displaced                                     TOTAL CONCENTRATION = 6/V è
                  Increase transitorily        FREE CONCENTRATION = 5/V ì
 free drug
                K10 x Cfree (5) > A                                              binding- 71
                fu vs Cfree: 
     in vivo situation: final steady state
    displacer
                     Plasma             Extracellular fluid   Intracellular fluid

                            1            K12 x Cfree
                                    2
Infusion=A

 A=MT-1              6
                                3



                                         K21 x Cfree

                                            TOTAL CONCENTRATION = 4/V î
  Elimination = K10 x Cfree (3) = A          FREE CONCENTRATION = 3/V è
                                                                              binding- 72
    The three main exceptions to the 
  general rule for which drug interaction 
         has no clinical meaning

1. Rapid bolus IV injection
2. Parenteral administration of displaced drug 
   with a high extraction ratio
3. Therapeutic drug monitoring and drug 
   displacement from the plasma binding site
                                           binding- 73
Case for which drug interaction 
 at the binding site is relevant 
1. Rapid IV injection
• If the displacing agent is given rapidly (IV 
  bolus), the Cfree could increase 
  dramatically due to rapid displacement of 
  the displaced drug before the 
  compensatory mechanism (redistribution) 
  takes place
  ®  Sulfamide and bilirubin Þ kernicterus
                                              binding- 74
 Case for which drug interaction at 
 the plasma binding site is relevant


2. Parenteral administration of displaced 
 drug with a high extraction ratio 
  – currently, no example


                                        binding- 75
Case for which drug interaction at 
the plasma binding site is relevant

3. Therapeutic drug monitoring and drug 
  displacement from plasma binding
  – Therapeutic drug monitoring is performed for 
    drugs with a narrow concentration range 
    between therapeutic and toxic effect
  – Monitoring is carried out on total plasma 
    concentrations

                                                 binding- 76
Case for which drug interaction at 
the plasma binding site is relevant

3. Therapeutic drug monitoring and drug 
  displacement from plasma binding
  – An example: 
  – Phenytoin alone:            Ctot = 20 µg/mL
  – Phenytoin + Valproic acid:  Ctot = 15 µg/mL
  – no dosage adjustment is necessary because 
    Ctot decreased but not Cfree due to fu increase
                                                  binding- 77
       Algorithm for determining clinical significance 
       Algorithm for determining clinical significance 
        of potential binding displacement interaction
        of potential binding displacement interaction
                                                 Roslan 1994, B.J.Clin Pharmacol. 37, 125
Is drug of interest >90% 
protein bound?                    no
           Yes                            Clinically significant 
                                no        interaction not likely
Does the drug have a 
narrow therapeutic index ?                             no
           Yes                       low Would a transient increase 
What is the hepatic extraction            in free drug concentration 
ratio of the drug ?                       be clinically relevant ?
           High                                          Yes
Is the drug given IV?          no

 Yes     Clinically significant interaction likely. 
         Perform a clinical study to quantify effects                           binding- 78
   Protein Binding Interactions
“…the overall clinical importance of plasma protein
  binding displacement interactions continues to be
  overstated…”
“Despite the theoretical and experimental data to the
  contrary, the concept that plasma protein binding
  displacement is a common cause of clinically significant
  interactions may still be widely taught in some medical
  schools, often appears in textbooks and is accepted by
  many in the medical community and by drug
  regulators.”
                     Sansom LN & Evans AM. Drug Safety 1995;12:227-233.
                     Rolan PE. Br J Clin Pharmacol 1994;37:125-128.
                                                                   binding- 79
   Protein Binding Interactions
• Drugs for which pure plasma protein binding 
  displacement interactions will lead to sustained 
  changes in Cssu
  – Extensively bound to plasma proteins
  – Nonrestrictively cleared
  – Administered by non-oral route
     • alfentanil, buprenorphine, lidocaine, verapamil
• Very few orally administered drugs exhibiting 
  properties of extensive plasma protein binding, 
  high hepatic first-pass extraction and narrow 
  therapeutic index
                                                         binding- 80

				
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posted:2/11/2014
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