Impact de l’âge sur le métabolisme de la kétamine et du midazolam chez le rat en utilisant des fractions S9 et la spectrométrie de masse

Abstract

La kétamine est un antagoniste des récepteurs NMDA fréquemment utilisée pour des procédures anesthésiques et moins fréquemment pour traiter la douleur chronique. Des travaux de notre laboratoire ont montré que l’utilisation de la kétamine en combinaison avec la xylazine chez des rats âgés d’environ deux ans pouvait prolonger la durée d’anesthésie. Considérant que les patients gériatriques présentent des caractéristiques physiologiques demandant des adaptations au niveau de la pharmacothérapie, que cette classe de patient requiert fréquemment des anesthésies afin de réaliser des interventions chirurgicales et qu’elle représente la sous-population qui consomme le plus de médicaments pour traiter des problèmes de douleur aiguë et chronique, il convient alors d’investiguer l’impact que l’âge peut avoir sur le métabolisme des médicaments. Le but de ce projet est donc d’évaluer l’impact de l’âge sur le métabolisme de la kétamine à l’aide de fractions cellulaires (in vitro) et d’une technique de chromatographie en phase liquide couplée à la spectrométrie de masse. En premier lieu, nous avons dû confirmer la voie métabolique principale de formation de la norkétamine en utilisant le substrat et l’inhibiteur de référence de la voie métabolique du CYP3A qui sont respectivement le midazolam et le kétoconazole. De plus, nous avons caractérisé l’interaction métabolique de la kétamine fréquemment combinée au midazolam. Ensuite, nous avons comparé les profils de dégradation de la kétamine par des fractions S9 hépatiques de rats âgés de 3, 6, 12 et 18 mois. Les valeurs (±ÉT) de Vmax obtenues étaient respectivement de 2.39 (±0.23), 2.61 (±0.18), 2.07 (±0.07) pour les plus jeunes comparé à 0.68 (±0.02) pour le groupe de 18 mois (p < 0.001). Ces résultats suggèrent donc que le CYP3A est rapidement saturé par la présence de kétamine. De plus, la valeur de Km a diminué de 6 à 7 fois pour le groupe de 18 mois comparé aux autres groupes (p < 0.05). Ainsi, on peut émettre l’hypothèse que l’enzyme subit une modification de sa conformation tridimentionnelle, ce qui résulte en une diminution de formation de norkétamine. Finalement, nous avons tenté d’évaluer la contribution du métabolisme cérébral au métabolisme de la kétamine. Toutefois, nous n’avons pas trouvé de différence significative dans les concentrations de kétamine ou de midazolam entre le début de la réaction et 60 minutes plus tard. Le même constat a été observé pour d’autres substrats du CYP3A et CYP2D (dextromethorphan et codéine). D’autres expériences sont nécessaires afin d’arriver à des conclusions définitives. Les différences observées entre les différents groupes d’âge suggèrent que la voie métabolique hépatique du CYP3A est détériorée de façon importante. Les protocoles anesthésiques pour patients âgés devraient donc tenir compte de cette importante diminution d’activité métabolique étant donné que l’exposition aux concentrations systémiques risque d’être significativement augmentée.

Ketamine is a NMDAR antagonist widely used for anesthetic procedures and less often to treat chronic pain. Work in our laboratory showed that the use of ketamine combined to xylazine is a poor anesthetic choice for aged rats of approximately 2 years. Considering that geriatric patients present physiological characteristics demanding adaptations of the pharmacotherapy, that this class of patients frequently needs anesthesia to perform surgeries and that they represent the subpopulation that uses many drugs to treat acute and chronic pain, it is relevant to investigate the impact of aging on drug metabolism. The goal of this project was to assess the impact of aging on ketamine metabolism using cellular fractions (in vitro) and liquid chromatography tandem mass spectrometry. First, we needed to confirm the main metabolic pathway of norketamine formation using well-established reference substrate and inhibitor of CYP3A metabolic pathway which are respectively midazolam and ketoconazole. Furthermore, we also characterized the metabolic interaction of ketamine frequently combined with midazolam. Second, we compared the degradation profiles of ketamine in liver S9 fractions of rats aged of 3, 6, 12 and 18 months. Vmax values (±SD) were respectively of 2.39 (±0.23), 2.61 (±0.18), 2.07 (±0.07) for the younger groups compared to 0.68 (±0.02) for the 18 month older group (p < 0.001). Those results suggest that CYP3A is quickly saturated by the presence of ketamine. Moreover, Km value showed a 6 to 7 fold decrease for the oldest group compared to the younger one (p < 0.05). Therefore, we hypothesized that the enzyme undergoes conformational changes, which results in a decrease of norketamine formation. Finally, we intend to assess the contribution of brain metabolism to the overall ketamine metabolism. Unfortunately, we did not find any significative difference in ketamine or midazolam concentrations between the beginning of the reaction and 60 minutes later. The same ascertainment has been observed with other susbstrates of CYP3A and CYP2D (dextromethorphan and codeine). Other experiences are needed to definetely conlude that brain metabolism is negligible. The differences observed between age groups suggest that the hepatic metabolic pathway of CYP3A is severely impaired. Anesthetic protocols for aging patients should take into consideration the diminished metabolic activity since it may lead to a significant increase of exposition to systemic drug concentrations.