• No results found

Disease system analysis between complexity and (over) simplification Post, T.M.

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2022

Share "Disease system analysis between complexity and (over) simplification Post, T.M."

Copied!
8
0
0

Bezig met laden.... (Bekijk nu de volledige tekst)

Hele tekst

(1)

Disease system analysis between complexity and (over) simplification

Post, T.M.

Citation

Post, T. M. (2009, December 1). Disease system analysis between complexity and (over) simplification. TIPharma, Division of Pharmacology, Schering-Plough, Leiden/Amsterdam Center for Drug Research, Faculty of Science, Leiden University. Retrieved from

https://hdl.handle.net/1887/14477

Version: Corrected Publisher’s Version

License: Licence agreement concerning inclusion of doctoral thesis in the Institutional Repository of the University of Leiden

Downloaded from: https://hdl.handle.net/1887/14477

Note: To cite this publication please use the final published version (if applicable).

(2)

General introduction

Section 1

(3)
(4)

Scope and outline

Chapter 1

(5)

         

Chapter 1   

12         

Scope

The  investigation  in  this  thesis  focused  on  establishing  a  theoretical  framework  for  mechanism‐based disease progression modeling, with an emphasis on demonstrating proof‐

of‐concept  in  a  chronic  progressing  disease.  It  was  hypothesized  that  a  combination  of  a  mathematical  representation  of  an  underlying  biological  mechanism  with  actual  physiological  data  reflecting  disease  progression  and  treatment  effects  can  lead  to  comprehensive descriptions of chronically progressing diseases. In the end, this will result  in models enabling the translation of data on short term pharmacological effects to predicted  long‐term clinical outcomes. 

 

An  important  prerequisite  for  the  development  of  novel  drugs  is  an  ever  increasing  understanding of human biology. On the one hand an increased effort is required in drug  discovery and development because of the complexity of biological systems and the much  needed  novel  mechanisms  of  action.  On  the  other  hand  pharmaceutical  industry  is  continuously  looking  for  ways  to  decrease  the  development  time  of  new  compounds. 

Moreover, the development should be performed in a cost effective way. The investigation  and  understanding  of  diseases  and  drug  treatment  requires  an  increasing  amount  of  resources.  The  ever  increasing  understanding  of  the  complexity  of  the  diseases  and  the  connections  between  diseases,  the  desire  to  find  ways  to  treat  these  diseases,  the  long  duration of chronic diseases, the heterogeneous mechanisms of action and target sites, and  the abundance of biomarker and clinical outcome data requires complex and comprehensive  analysis  techniques.  Generally,  treatment  effects  are  analyzed  using  classical  statistical  methodologies.  Albeit  useful  as  they  present  the  final  confirmatory  evidence  on  efficacy  requested by regulatory agencies based on clinical endpoints, they inherently lack the ability  to make use of the information‐rich time‐course profiles of biomarkers obtained during the  earlier  drug  development  cycles.  Assumption‐rich  models,  e.g.,  non‐linear  mixed‐effects  models or population models, have enhanced power to separate noise or uncertainty from  the pharmacological signal by the pooling of information‐rich data across trials, doses and  mechanisms of action (4, 9, 10, 12).  

Despite  the  abundance  of  dynamical  biomarker  data  in  various  diseases,  the  field  of  pharmacokinetic‐pharmacodynamic and disease progression modeling has also only begun  to increase the complexity of the models that are utilized in drug development and clinical  practice.  An  important  and  interesting  factor  in  the  challenging  task  of  quantitative  drug  development  and  clinical  practice  investigations  is  the  ‘time  factor’  related  to  disease 

(6)

         

Scope and outline   

13          progression  in  chronic  disease  and  the  time  scales  on  which  a  treatment  effect  manifests  itself in a biomarker response and in the clinical outcome. 

The population pharmacokinetic‐pharmacodynamic (PK‐PD) and disease progression (DP)  modeling approach is well established in drug development and has been recognized as a  key factor in the improvement of drug development efficiency (1, 2, 10). It is a data analysis  technique  that  quantitatively  characterizes  the  interrelationship  between  the  treatment  (pharmacokinetics,  pharmacodynamics)  and  the  physiology  of  the  disease  (disease  progression)  over  time.  To  date  the  application  of  complex  models  has  been  shown  advantageous, going from empirical descriptive models to more complex mechanism‐based  models. The pharmacokinetic‐pharmacodynamic and disease progression models aid in an  effective  integration  of  information  from  multiple  sources  and  in  the  investigation  of  the  effects  of  novel  and  established  treatments  based  on  underlying  mechanistic  pathways,  ultimately leading to improved extrapolation and prediction of drug treatment effects. 

Pharmaceutical companies, academia and regulatory agencies have initiated several projects  to  further  increase  and  utilize  the  advantages  of  this  model‐based  approach  (8).  As  an  example,  the  FDA  ‘critical  path’  initiative  document  characterizes  model‐based  drug  development (MBDD) as: ‘the development and application of pharmaco‐statistical models of drug  efficacy  and  safety  from  preclinical  and  clinical  data  to  improve  drug  development  knowledge  management  and  decision‐making’  (6,  9,  13).  The  FDA  has  developed  initiatives  to  compose 

‘model  libraries’  for  knowledge  management  and  regulatory  decision  making  (http://www.fda.gov/AboutFDA/CentersOffices/CDER/ucm167032.htm).  This  has  the  advantage  of  having  an  integrated  information‐rich  prior  knowledge‐base  on  drugs  and  diseases  available  during  drug  development,  review  and  registration.  Based  on  these  models  hypotheses  can  be  tested  or  generated  during  clinical  trials,  for  instance  to  learn  about  or  to  validate  the  animal  models  that  were  used  during  initial  development,  to  investigate  exposure‐response  relationships  or  dropout  patterns  (5,  15).  In  addition  subgroups for which dose adjustment is needed can be identified, and anticipated treatment  effects can be simulated based on early stage development. Furthermore, the most optimal  clinical  trial  design  can  be  investigated  to  study  drug  treatment  effects  or  drug  treatment  combinations (3, 7, 9). Finally, the efficacy and safety balance can be weighed using a clinical  utility function (11, 14). These factors combined support the most efficient and cost‐effective  drug development. 

 

(7)

         

Chapter 1   

14         

Outline

The  thesis  starts  with  an  overview  and  discussion  of  pharmacokinetic‐pharmacodynamic  and  disease  progression  modeling  concepts,  with  emphasis  on  going  from  pharmacodynamics  to  disease  progression  modeling.  The  second  section  starts  by  introducing  the  concept  of  disease  system  analysis  (DSA)  and  presents  an  overview  of  disease progression signature profiles based on indirect response models (Chapter 3). Here  the  importance  of  the  interplay  and  difference  between  time  scales  and  levels  in  the  physiology is stressed. Furthermore, the combination of data and other relevant information  related to various levels of physiology and clinical outcome is advocated in order to advance  the  understanding  of  disease  progression  and  drug  treatment  effects.  It  is  shown  that  distinct time courses exist that reflect symptomatic and disease modifying effects. Chapter 4  introduces a method to evaluate model performance in model‐based investigations, which is  a  key  matter  when  looking  at  long  term  predictions.  It  is  shown  that  the  performance  of  models established on large datasets and longitudinal data should be evaluated irrespective  of the data density, while also taking into account missing data. 

The  third  section  focuses  on  the  application  of  the  DSA  approach  in  postmenopausal  osteoporosis.  Chapter  5  presents  an  overview  of  the  information  that  is  available  on  bone  physiology, disease and treatment. The application of modeling techniques is discussed and  the possibility for a DSA approach is outlined. In Chapter 6 the proof of concept of a disease  system  for  postmenopausal  osteoporosis  is  discussed.  This  analysis  showed  an  additional  aspect  to  the  modeling  of  disease  progression  by  characterizing  distinct  symptomatic  and  disease  modifying  effects  in  different  biomarkers.  This  analysis  shows  that  more  complex  disease systems based on conceptual mathematical frameworks enable the characterization  of a modular disease system that in the end could enhance drug development. 

In  Chapter  7  the  investigations  are  reviewed  and  a  focus  is  put  on  the  application  of  the  disease  system  for  postmenopausal  osteoporosis  in  the  evaluation  of  novel  –  including  theoretical – and established mechanisms of action. 

 

References

1.   Bhattaram  VA,  Bonapace  C,  Chilukuri  DM,  Duan  JZ,  Garnett  C,  Gobburu  JV,  Jang  SH,  Kenna  L,  Lesko  LJ,  Madabushi  R,  Men  Y,  Powell  JR,  Qiu  W,  Ramchandani  RP,  Tornoe  CW,  Wang  Y  and  Zheng  JJ.  Impact  of  pharmacometric  reviews  on  new  drug  approval  and  labeling  decisions‐‐a  survey  of  31  new  drug  applications  submitted between 2005 and 2006. Clin Pharmacol Ther 81: 213‐221, 2007. 

2.   Bhattaram VA, Booth BP, Ramchandani RP, Beasley BN, Wang Y, Tandon V, Duan JZ, Baweja RK, Marroum PJ,  Uppoor RS, Rahman NA, Sahajwalla CG, Powell JR, Mehta MU and Gobburu JV. Impact of pharmacometrics on  drug approval and labeling decisions: a survey of 42 new drug applications. AAPS J 7: E503‐E512, 2005. 

3.   Danhof M, de Lange ECM, Della Pasqua OE, Ploeger BA and Voskuyl RA. Mechanism‐based pharmacokinetic‐

pharmacodynamic (PK‐PD) modeling in translational drug research. Trends Pharmacol Sci 29: 186‐191, 2008. 

(8)

         

Scope and outline   

15         

4.   Dingemanse  J  and  Appel‐Dingemanse  S.  Integrated  pharmacokinetics  and  pharmacodynamics  in  drug  development. Clin Pharmacokinet 46: 713‐737, 2007. 

5.   Friberg LE, de Greef R, Kerbusch T and Karlsson MO. Modeling and simulation of the time course of asenapine  exposure response and dropout patterns in acute schizophrenia. Clin Pharmacol Ther 86: 84‐91, 2009. 

6.   Gieschke  R  and  Steimer  JL.  Pharmacometrics:  modelling  and  simulation  tools  to  improve  decision  making  in  clinical drug development. Eur J Drug Metab Pharmacokinet 25: 49‐58, 2000. 

7.   Jonsson  S  and  Karlsson  MO.  Estimation  of  dosing  strategies  aiming  at  maximizing  utility  or  responder  probability, using oxybutynin as an example drug. Eur J Pharm Sci 25: 123‐132, 2005. 

8.   Krishna R, Schaefer HG and Bjerrum OJ. Effective integration of systems biology, biomarkers, biosimulation, and  modeling in streamlining drug development. J Clin Pharmacol 47: 738‐743, 2007. 

9.   Lalonde  RL,  Kowalski  KG,  Hutmacher  MM,  Ewy  W,  Nichols  DJ,  Milligan  PA,  Corrigan  BW,  Lockwood  PA,  Marshall  SA,  Benincosa  LJ,  Tensfeldt TG,  Parivar  K,  Amantea  M,  Glue  P,  Koide  H  and  Miller  R.  Model‐based  drug development. Clin Pharmacol Ther 82: 21‐32, 2007. 

10.   Miller  R,  Ewy  W,  Corrigan  BW,  Ouellet  D,  Hermann  D,  Kowalski  KG,  Lockwood  P,  Koup  JR,  Donevan  S,  El‐

Kattan A, Li CS, Werth JL, Feltner DE and Lalonde RL. How modeling and simulation have enhanced decision  making in new drug development. J Pharmacokinet Pharmacodyn 32: 185‐197, 2005. 

11.   Ouellet  D,  Werth  J,  Parekh  N,  Feltner  D,  McCarthy  B  and  Lalonde  RL.  The  use  of  a  clinical  utility  index  to  compare insomnia compounds: a quantitative basis for benefit‐risk assessment. Clin Pharmacol Ther 85: 277‐282,  2009. 

12.   Sheiner LB. Learning versus confirming in clinical drug development. Clin Pharmacol Ther 61: 275‐291, 1997. 

13.   Wang  Y,  Bhattaram  AV,  Jadhav PR, Lesko  LJ,  Madabushi  R,  Powell  JR,  Qiu  W,  Sun  H,  Yim DS,  Zheng  JJ and  Gobburu  JV.  Leveraging  prior  quantitative  knowledge  to  guide  drug  development  decisions  and  regulatory  science recommendations: impact of FDA pharmacometrics during 2004‐2006. J Clin Pharmacol 48: 146‐156, 2008. 

14.   Yassen  A,  Olofsen  E,  Kan  J,  Dahan  A  and  Danhof  M.  Pharmacokinetic‐pharmacodynamic  modeling  of  the  effectiveness and safety of buprenorphine and fentanyl in rats. Pharm Res 25: 183‐193, 2008. 

15.   Zuideveld KP, van der Graaf PH, Peletier LA and Danhof M. Allometric scaling of pharmacodynamic responses: 

application to 5‐Ht1A receptor mediated responses from rat to man. Pharm Res 24: 2031‐2039, 2007. 

Referenties

GERELATEERDE DOCUMENTEN

TIPharma, Division of Pharmacology, Schering-Plough, Leiden/Amsterdam Center for Drug Research, Faculty of Science,

Table 2 Results (Continued) Study (1st Author, year, country, titel) Evaluation method Pre-test Post-test Follow-up researchers using an observation guide; semi-structured

The last dimension which is being rated more influencing by the respondent is “stigma”, a difference of 5,5 points (57,5%). Side note with stigma is that the number of

Chapter 2 gives a detailed overview of several clinically relevant drug-drug interactions on both the absorption and metabolism level involved with orally administered small

Given these findings, we hypothesized that endogenous, systemic SST levels are involved in the pathophysiologic cascade of ADPKD and therefore is associated with urin- ary cAMP,

License: Licence agreement concerning inclusion of doctoral thesis in the Institutional Repository of the University of Leiden Downloaded.

The aim of the research described in this thesis was the development of a mechanism- based PK-PD model for the prediction of the efficacy and safety of buprenorphine, with.. emphasis

As more data becomes available on the efficacy and safety of drugs, there will also be a clear shift towards the development of more sophisticated and mechanistic therapeutic