Modèle PK-PD multi-états pour étudier les effets des composés chimiques

Un nouveau modèle multi-états de la toxicité développementales des composés chimiques chez l’embryon de poisson zèbre Objectif des travaux et contribution Pour les essais de toxicité développementale chez l’embryon de poisson zèbre, les directives de l’OCDE recommandent d’effectuer une analyse dose-réponse distincte pour chaque heure d’observation. Cependant, les événements à un moment donné sont en partie conditionnés par les phénomènes passés. La séparation des données par groupe de temps réduit également le nombre de points de données par analyse, les rendant obsolètes ou les affectant en réduisant leur puissance d’information. L’analyse standard des données de temps d’occurrence des malformations utilise des modèles de survie, couramment utilisés dans les études cliniques ou dans les analyses de temps défaillant. De plus, les occurrences de malformations ne sont pas indépendantes et constituent un phénomène de risques concurrentiels. La solution généralement recommandée pour résoudre ces problèmes de survie complexes est les modèles multi-états. Dans le cadre du projet européen EU-ToxRisk, les tests de toxicité suivent les directives stipulées par l’OCDE. Nous avons donc décidé de contribuer à l’amélioration des analyses de données de toxicité chez l’embryon de poisson zèbre en développant un modèle de survie multiétats adaptés au test de l’OCDE. Il a été construit dans le cadre formel des modèles multi-états Markoviens, puis couplé au modèle PBPK décrit précédemment dans le Chapitre 3 pour générer un modèle tenant compte de la variation de concentration de VPA dans l’embryon et capable d’intégrer l’ensemble des données concentration-temps-effets collectées dans un protocole expérimental OCDE standard, au cours des cinq premiers jours du développement d’un embryon. Par ajustement bayésien aux données de malformations, les paramètres des taux de transitions d’un état à l’autre ont été estimés. Ainsi, nous avons pu déterminer les probabilités de transition résultantes, et prédire les concentrations effectives associées. Ces travaux de recherche ont été présentés dans l’article « Multistate Models of Developmental Toxicity: Application to Valproic Acid-Induced Malformations in the Zebrafish Modèle PK-PD multi-états pour étudier les effets des composés chimiques  Embryo », soumis dans la revue Toxicology and Applied Pharmacology en 2020 et présenté ciaprès. Les informations supplémentaires sont disponibles en Annexe 3. Articulation avec le modèle PBPK précédent Lors de l’analyse expérimentale dose-réponse suite à l’exposition à un composé, l’apparition des effets est reliée à la concentration nominale testée. Cependant, les malformations observées sont le résultat du comportement du composé au sein du tissu concerné. Il est donc plus pertinent de les attribuer à la concentration interne. De plus, pour extrapoler l’évaluation de la toxicité du poisson zèbre à l’homme, il est essentiel de considérer les différences pharmacocinétiques entre les deux espèces. Le modèle PBPK présenté précédemment en Chapitre 3 permet d’aborder cette problématique par prédiction de la concentration interne. Ainsi, nous avons développé le modèle multi-états en intégrant le profil pharmacocinétique de la concentration interne prédite du VPA pour associer l’occurrence des malformations au cours du temps au comportement de la molécule dans l’embryon de poisson zèbre. Perspectives Le modèle PK-PD multi-états proposé pour étudier la toxicité développementale est applicable à de nombreux produits chimiques et à de nombreuses espèces pour l’évaluation de risques (éco)-toxicologiques. Il est général et représente un travail préliminaire à l’entière interprétation des diverses malformations observées. Il serait possible de différencier les effets à différentes étapes du processus de malformation, inaccessibles par des analyses dose-réponse simples. Par conception optimale ou calculs statistiques de la taille des échantillons, le modèle multi-états pourrait également permettre de réduire l’utilisation des animaux pour les tests de toxicité. Il pourrait être étendu en considérant plus d’états et en différenciant la sévérité des malformations. Son couplage à un modèle PBPK deviendrait alors plus pertinent puisque les concentrations tissulaires spécifiques seraient reliées à des malformations organes spécifiques. L’approche est relativement complexe et devrait être vérifiée avec un large panel de produits chimiques aux propriétés diverses avant de pouvoir être utilisée en routine. Cependant, le modèle devrait aider les communautés scientifiques et d’évaluation des risques à améliorer l’analyse des données.

Résumé et article du modèle PK-PD multi-états

Pour la détermination de la toxicité aiguë des produits chimiques chez les embryons de poisson zèbre (Danio rerio), la ligne directrice 236 de l’OCDE prévoit une analyse dose-réponse de quatre effets létaux et une caractérisation quantitative des anomalies, y compris leur dépendance au temps. En routine, les données sont analysées séparément à différents temps d’observation. Cependant, les observations à temps fixe dépendent fortement des effets antérieurs et doivent être analysées conjointement. Pour résoudre ce problème, nous avons développé un modèle multi-états pour déterminer l’occurrence des malformations développementales et des événements de survie chez les embryons de poisson zèbre exposés à huit concentrations d’acide valproïque (VPA) au cours des cinq premiers jours de vie. Les observations ont été enregistrées quotidiennement pour chaque embryon. La structure et les paramètres du modèle sont déterminés statistiquement par approche bayésienne. La probabilité du taux d’éclosion varie en fonction du temps et nous avons comparé cinq modèles différents pour modéliser sa dépendance au temps. Une fonction constante par partie du temps décrit de manière adéquate les données d’éclosion. Les autres taux de transition sont conditionnés par la concentration embryonnaire de VPA, obtenue avec un modèle pharmacocinétique basé sur la physiologie. Le VPA a principalement impacté le taux de probabilité de malformation dans les embryons éclos et non éclos. Les taux de probabilité de réversion des malformations ont été abaissés par l’VPA. La mortalité directe était faible aux concentrations testées, mais augmentait linéairement avec la concentration interne. Le modèle utilise pleinement les données et donne une analyse plus fine des effets tératogènes du VPA chez le poisson zèbre que l’approche prescrite par l’OCDE. Nous discutons de l’utilisation du modèle pour obtenir des valeurs de référence toxicologiques adaptées à l’extrapolation inter-espèces. Un conclusion générale est que les modèles multi-états complexes peuvent être efficacement évalués numériquement.