Emergence of bacterial resistance renders our antimicrobial armamentarium progressively ineffective and requires increasing use of antibiotics that display broad antibiotic activity including drug-resistant organisms. Particularly in hospital-acquired infections, patients very often receive empiric broad-spectrum combination therapy for the first days of therapy until the infective pathogen is identified and the antibiotic spectrum can be tailored accordingly. However, the consequences of combining antibiotics on the pharmacodynamics (PD) are hardly explored yet. The present thesis aimed at a systemic investigation of the PD consequences of broad-spectrum antibiotic combination therapy using either linezolid (LZD) or vancomycin (VAN) combined with meropenem (MER) on the pathogen methicillin-susceptible Staphylococcus (S.) aureus, the most-abundant S. aureus strain in Germany and other countries in the EU. In the experimental part, the single and combined effects of the antibiotics were explored by performance of conventional and dynamic in vitro checkerboard and time-kill curve studies. Quantification assays were developed and validated for determination of S. aureus (viable plate count assay) and the studied antibiotics (high-performance liquid chromatography) in the growth medium (Mueller-Hinton broth) in order to have a quantitative basis for characterisation of the influence of (changing) drug concentrations of the antibiotic effect. The growth state at drug exposure as a currently neglected influential factor on the determined antibiotic effect, i.e. if bacteria were exponentially replicating (log-phase) or resting (lag-phase) was identified – independently of the inoculum size – with unpredictable consequences which ranged from a higher kill rate (MER), more intense killing (LZD), or, conversely, more rapid regrowth after initial killing (VAN) if in log-phase compared to lag-phase. In the mathematical Modelling and Simulation part, an adaptive optimal experimental design assessment accompanied the performance of the experiments to exploit the experimental data utmost. Based on the quantified singe-drug effects, a response surface analysis was further developed that allowed for statistical, quantitative assessment of the nature and extent of the pharmacodynamic interaction of the combinations: In combination, LZD fully antagonised the rapid (4-6 h) bactericidal effect of MER alone at ≥0.25 mg/L to bacteriostasis if LZD exceeded its minimal inhibitory concentration (MIC) of 2 mg/L. This interaction was invisible in the conventional, turbidity-based checkerboard analysis (insensitive turbidity threshold) and was solely revealed if bacteria were quantified. VAN and MER interacted partly synergistic (subinhibitory, i.e. below the MICs of VAN of 1 mg/L and MER of 0.125 mg/L) or additive (inhibitory combinations) being bactericidal after 24 h. Based on the experimental in vitro data, a mathematical, semi-mechanistic PD model was developed and extensively evaluated that simultaneously predicted the time-course of bacterial growth and killing under single and combined exposure of LZD, MER and VAN. The semi- mechanistic PD model was linked to published population pharmacokinetic (PK) models of the antibiotics LZD, MER and VAN. The resulting PK/PD models proved their value to translate into the clinical setting by successful prediction of PK/PD indices for S. aureus determined from animal and clinical studies. Hence, a clinical trial simulation with a virtual patient population was performed that indicated that the observed antagonism between LZD and MER might also translate into the clinical setting, whereas the comparator regimen between VAN and MER was even superior with respect to bacterial killing and suppression of adaptive resistance compared to either monotherapy. The PK/PD model was also used to evaluate currently used and newly recommended alternative dosing regimens for monotherapy with LZD, MER or VAN against S. aureus-related infections in dependence of PK covariates using as evaluation criterion a probability of target attainment analysis for bactericidal and/or bacteriostatic effect after 24 h of therapy, respectively: For MER, the standard dosing regimen of 1000 mg TID administered as short-term infusion was reliable up to a creatinine clearance (CLCR) of 140 mL/min (bacteriostatic) or 100 mL/min (bactericidal). Yet, continuous infusion of 1500 mg MER over 24 h was superior to intermittent dosing and provided sufficient bactericidal target attainment up to the highest studied CLCR value of 160 mL/min. For LZD, the standard dosing regimen of 600 mg BID as 1 h infusion was solely bacteriostatic and target attainment was sufficient up to CLCR of 120 mL/min. The present work identified ‘front-loaded’ therapy with 1200 mg LZD followed by 600 mg as BID being beneficial to augment the antibacterial effect of LZD to a bactericidal effect in a fraction of patients (up to 23% depending on CLCR). For VAN, standard dosing with 1000 mg BID was found unreliable for the majority of the virtual patients. The present work underlines the value of a loading dose of 30 mg/kg total body weight which substantially increased the bacteriostatic PTA which was sufficient for CLCR <80 mL/min. However, the use of intensified dosing intervals (500 mg VAN QID) or continuous infusion of 2000 mg VAN over 24 h was comparable to the therapy with the loading dosing, or superior (sufficient bacteriostatic PTA up to CLCR of 160 mL/min), respectively, at a lower total daily dose than the regimen with the loading doses. Prospective clinical trials that evaluate the efficacy and safety of the proposed alternative dosing regimens based on the present translational approach for LZD, MER and VAN are highly warranted.
Der rasante Anstieg von Antibiotikaresistenzen schwächt unser antibiotisches Arzneistoffarsenal zunehmend und erfordert vermehrt den Einsatz von Antibiotika mit einem breiten antibiotischen Wirkspektrum. Besonders bei im Krankenhaus erworbenen Infektionen erhalten die Patienten häufig empirische Breispektrum-Kombinationstherapien in den ersten Therapietagen bis der infektiöse Erreger identifiziert wird und das antibiotische Spektrum angepasst werden kann. Die Konsequenzen dieser verabreichten Kombinationen von Antibiotika auf die Pharmakodynamik (PD) sind jedoch bisher noch kaum erforscht. Das Ziel der vorliegenden Doktorarbeit war eine systematische Untersuchung der Folgen einer Breitspektrum-Antibiotikatherapie aus entweder Linezolid (LZD) oder Vancomycin (VAN) in Kombination mit Meropenem (MER) auf den pharmakodynamischen Effekt gegen Methicillin-sensitiven Staphylococcus (S.) aureus, der in Deutschland und den meisten EU-Staaten häufigste S. aureus-Stamm. Im experimentellen Teil der Arbeit wurden die individuellen und kombinierten Effekte der o.g. drei Antibiotika in konventionellen und dynamischen In-Vitro-‚Checkerboard‘-Experimenten und Studien zur bakteriellen Absterbekinetik untersucht. Quantifizierungsmethoden zur Bestimmung von S. aureus (Lebendkeimzahlbestimmung) und den o.g. Antibiotika (Hochleistungs- Flüssigkeits-Chromatographie) in bakteriellem Nährmedium (Müller-Hinton Boullion) wurden entwickelt und validiert, um den Einfluss (veränderlicher) Antibiotikakonzentrationen auf den antibiotischen Effekt mittels quantitativer Größen charakterisieren zu können. Die Wachstumsphase zum Zeitpunkt der Anitbiotikaexposition, d.h. ob sich die Bakterien exponentiell teilten (Log- Phase) oder ruhten (Lag-Phase) wurde – unabhängig von der initialen Bakterienkonzentration – als ein bisher vernachlässigter Einflussfakor auf den antibiotischen Effekt charakterisiert, wobei kein einheitliches Muster feststellbar war: In der Log-Phase tötete MER schneller, LZD zu einem höheren Ausmaß, wohingegen für VAN ein deutlich ausgeprägteres Wiederanwachsen nach initialem Absterben im Vergleich zur Lag-Phase sichtbar war. Mathematische Modellierung und Simulation einschließlich adaptiver Optimierung des Versuchsaufbaus wurden parallel zur experimentellen Durchführung angewendet, um die experimentelle Datenbasis bestmöglich zu verwerten. Basierend auf den individuellen Effekten wurde eine ‚Response-Surface-Analyse‘ entwickelt, mit welcher die Art und das Ausmaß der PD-Wechselwirkung zwischen den Antibiotika statistisch quantifiziert werden konnte. In Kombination antagonisierte LZD den raschen (4-6 h) bakteriziden Effekt von MER allein ab MER ≥0.25 mg/L auf einen bakteriostatischen Effekt für LZD-Konzentrationen oberhalb der minimalen Hemmkonzentration (MHK) von 2 mg/L. Diese Interaktion war im konventionellen, trübungsbasierten Checkerboard-Experiment aufgrund der unempfindlichen Trübungsschwelle nicht erkennbar, sondern nur, wenn die Bakterienkonzentration quantifiziert wurde. Die Wechselwirkung zwischen VAN und MER war tendenziell synergistisch für subinhibitorische Konzentrationen von VAN und MER unterhalb der MHK (VAN: 1 mg/L; MER: 0.125 mg/L), oder additiv im Falle von inhibitorischen Konzentrationen, wobei dabei ein bakterizider Effekt nach 24 h beobachtet wurde. Ein mathematisches, semi-mechanistisches PD-Modell wurde basierend auf den erhobenen experimentellen Daten entwickelt und umfangreich evaluiert. Auf dieser Basis konnte der Zeitverlauf des bakteriellen Wachstums und Absterbens unter alleiniger und kombinierter Exposition von LZD, MER und VAN vorhergesagt werden konnte. Dieses semi-mechanistische PD Modell wurde mit publizierten Populations-pharmakokinetischen (PK)-Modellen der Antibiotika LZD, MER und VAN verknüpft. Das resultierende PK/PD Modell bildete die klinische Situation korrekt ab, da es die bestehenden klinisch-genutzten PK /PD-Indices aus Tierexperimenten und klinischen Studien für S. aureus erfolgreich vorhersagen konnte. Daher wurde es im nächsten Schritt zur In- Silico-Simulation von klinischen Studien genutzt, welche darauf hindeuteten, dass der beobachtete Antagonismus zwischen LZD und MER auch im klinischen Umfeld relevant sein kann, wohingegen das Vergleichs-Therapieregime mit VAN und MER der Monotherapie mit den beiden Einzelsubstanzen sogar hinsichtlich Abtötung der Bakterien und Unterdrückung von adaptiver Resistenzentwicklung überlegen war. Weiterhin wurde das PK/PD Modell genutzt, um die derzeit klinisch etablierten und alternativen Dosierungsschemata von LZD, MER und VAN für Infektionen mit S. aureus in Abhängigkeit von PK-Covariaten zu untersuchen, wobei die Wahrscheinlichkeit eines bakteriziden und/oder bakteriostatischen Effekts nach 24 h Therapie als Bewertungskriterium herangezogen wurde: Für MER war für das Standardtherapieschema von 1 g alle 8 h, verabreicht als Kurzinfusion, zuverlässig bis zu einer Kreatinin-Clearance (CLCR) von 140 mL/min (bakteriostatisch) oder 100 mL/min (bakterizid). Mittels kontinuierlicher Gabe von 1500 mg MER konnte hingegen ein verlässlicher bakterizider Effekt bis zur höchsten untersuchten CLCR von 160 mL/min erreicht werden. Für LZD wurde für die Standarddosierung von 600 mg alle 12 h als einstündige Infusion bis zu einer CLCR von 120 mL/min ein verlässlicher bakteriostatischer Effekt bestimmt. Mithilfe einer Initialdosis von 1200 mg LZD, gefolgt von 600 mg alle 12 h konnte in einem Teil der Patienten (8-23%, abh. von CLCR) sogar ein bakterizider Effekt erzielt werden. Für VAN war die Standarddosierung von 1000 mg alle 12 h, als einstündige Infusion verbreicht, unzuverlässig in der Mehrzahl der virtuellen Patienten. Eine Initialdosis von 30 mg/kg Gesamtkörpergewicht erhöhte die Wahrscheinlichkeit einer zuverlässigen bakteriostatischen Therapie bis zu einer CLCR <80 mL/min. Ein verkürztes Dosierungsintervall (500 mg VAN alle 6 h) oder kontinuierliche Infusion von 2000 mg VAN über 24 h waren der Therapie mit Initialdosis gleichwertig bzw. überlegen (zuverlässige bakteriostatische Therapie bis zu einer CLCR von 160 mL/min) – bei niedrigerer Gesamttagesdosis. Als nächster Schritt sollten prospektive klinische Studien die auf Basis des vorliegenden translationalen Ansatzes vorgeschlagenen Dosierungsregime hinsichtlich ihrer Wirksamkeit und Sicherheit untersuchen.
