background image

 

1

 

 

DRUG ADMINISTRATION AND SITE OF ACTION 

 
_ different routes of administration are chosen depending on 
• Desired onset of action 
• Systemic or local effects 
• Patient characteristics 
• Properties of the drug 

Routes of Drug Administration 

Route 

Advantage 

Disadvantage 

Oral (PO) 

Convenient Drug metabolism 

Large surface area for absorption 

Incomplete absorption 

First pass effect 

Gastrointestinal (GI) 

upset 

Intravenous (IV) 

Direct 

No first pass effect 

Slow infusions or rapid onset of 

action 

Easier to titrate dose 

Requires IV access 

Hard to remove 

Vascular injury, 

extravasation 

Intra-arterial 

To specific organs, e.g. brain, 

heart 

 

Intramuscular 

(IM) 

Good for depot storage (if oil 

based) 

Rapid onset of action 

Pain at site of injection 

Subcutaneous 

(SC) 

Non irritating small volumes 

Even slow absorption 

Adrenaline in local anesthetics 

Pain at site of injection 

Topical 

Convenient 

Localized 

Limited systemic absorption 

Effects are limited to 

area of application 

Inhalation 

Immediate action in lungs 

Rapid delivery to blood 

Local or systemic action 

Must be in gas, vapor or 

aerosol form 

Buccal 

Rapid onset of action 

No first pass effect 

Must be lipid soluble 

Transdermal 

Direct application 

Rapid onset of action 

Irritation at site of 

application 

Delayed onset of action 

Others: Intrathecal, Intraperitoneal,    RectalpppkkPHARMACOKINETICS 


background image

 

2

 

 

PppppppppppppppppppppppppppDME)

 

_Pharmacokinetics 

 Definition: the manner in which the body handles a drug 

 “ADME”: absorption, distribution, metabolism, excretion  

• Absorption: movement of drug into the body from the site of administration 

• Output processes: responsible for drug delivery and removal from the body 

•  Distribution:  movement  of  drug  from  intravascular  to  extravascular 
compartment 

• Metabolism: chemical transformation of drug 

• Elimination: removal of drug from the body 

ABSORPTION 

PRINCIPLE:  The  amount  of  drug  that  reaches  the  systemic  circulation 
(bioavailability) is highly 

Dependent  on  absorption.  Properties  of  the  drug,  route  of  administration  and 
patient factors 

Should be considered to ensure clinical effectiveness. 

_ Most drugs are absorbed into the systemic circulation via passive diffusion 

_ Other mechanisms of absorption include: active transport, facilitated diffusion, 
pinocytosis/phagocytosis 

_ Absorption rate and amount depends on 

1•  local  blood  flow  at  administration  site  (e.g.  sublingual  vessels  provide 
significant blood flow therefore rapid absorption) 

2•  lipid  solubility:  greater  lipid  solubility  =  increased  rate  of  diffusion  through 
membranes 

 E.g. anesthetics are very lipid soluble therefore have a rapid onset of action 


background image

 

3

 

 

3•  molecular  size:  small  size,  water  soluble  drugs  can  pass  through  channels  in 
membranes, 

Large  molecules  cannot  e.g.  aminoglycosides  are  large  molecules  and  are  not 
absorbed 

Through intestinal mucosa and are therefore not orally active 

4• local pH and drug ionization: charged molecules do not cross membranes e.g. 
lactulose ionizes ammonia to ammonium and keeps it in the bowel 

5• total surface area for absorption: the small intestine has villi which 

Increase  the  surface  area  for  absorption,  and  hence  is  the  primary  site  of 
absorption for most oral drugs 

Bioavailability 

_ the percentage of dose given that reaches the systemic circulation in unchanged 
form 

_ the administered dose does not equal active dose 

_ Drugs with a low bioavailability may be ineffective orally 

• E.g. penicillin G is destroyed by gastric enzymes and needs to be administered 
IV 

_  Fate  of  oral  drug:  GI  Tract  ––>  portal  vein  ––>  liver  (metabolism)  ––> 
systemic circulation 

First Pass Effect 

_  Metabolism  of  orally  administered  drug  in  the  liver  before  it  reaches  the 
systemic circulation 

_ Significant first pass metabolism limits a drug’s bioavailability 

_  Drugs  with  a  high  first-pass  effect  include:  chlorpromazine,  levodopa, 
morphine, propranolol, 

Lidocaine, hydralazine, nortriptyline, and organic nitrates 

_ Drugs with low hepatic extraction (little or no first pass effect) include: 


background image

 

4

 

 

Diazepam,  digoxin,  phenylbutazone,  phenytoin,  theophylline,  tolbutamide, 
warfarin 

Volume of Distribution (Vd) 

Definition:  process  by  which  drugs  are  carried  throughout  the  body  to  reach 
target sites of action 

PRINCIPLE:  Some  drugs  have  uncommon  distribution  parameter  (e.g.  Vd, 
protein binding, 

Storage  in  fat  depots)  and  have  to  be  dosed  carefully  to  avoid  toxicity  while 
ensuring 

Therapeutic efficacy. 

_ Actual volume  of distribution (Vd): the anatomic volume that is accessible to 
drug, 

e.g. total body water of 40 L 

_  Apparent  volume  of  distribution  (Vd)  is  a  calculated  value  that  does  not 
correspond to an anatomical space, 

a drug with a large Vd (larger than 40 L) must distribute in other tissues besides 
body water 

• e.g. Amiodarone; Vd=400L in a 70kg person

 (ADME). . . 

 

Protein Binding 

 Drug molecules in the blood are in two forms: 

1• bound to plasma proteins, mainly albumin                               

2• free 

 Principles of protein binding 

• Only free drug can distribute into tissues and exert its action, and is subject to 
metabolism and elimination 

•  Affinity  of  a  protein  binding  site  for  a  drug  determines  bound/unbound 
concentrations, and reversibility of interaction 


background image

 

5

 

 

•  Saturation  of  binding  sites  may  result  in  a  large  increase  in  unbound  drug 
concentration, which could cause toxicity 

•  If  albumin  concentration  is  decreased  (liver  failure  or  nephrotic  syndrome), 
dose of highly bound drug must be lowered to avoid toxicity 

•  Competition  for  binding  sites  between  drugs  and  endogenous  substrates  can 
result in interactions and toxicity 

• Significant drug interactions can occur due to competitive protein binding 

•  E.g.  ASA  displaces  several  drugs  which  are  highly  bound  to  plasma  proteins 
such as phenytoin, increasing risk of toxicity 

• In general, only drugs that are highly protein bound, e.g. > 90%, are involved in 
drug interactions due to competitive binding 

Depots 

_ a part of the body (e.g. a type of tissue) where drug molecules tend to be stored 
fat tends to be a depot for very lipid soluble drugs (e.g. diazepam) 

Barriers 

_ Body structures that limit/prevent diffusion of drug molecules, 

_ E.g. blood-brain barrier (BBB), placenta 

METABOLISM (BIOTRANSFORMATION) 

PRINCIPLE:  Drugs  that  are  metabolized  by  similar  enzymes,  e.g.  the  same 
cytochrome P450 

isoenzymes, have the potential to interfere with each other’s metabolism. 

_ Conversion of a drug into another form may result in 

1• activation of pro-drug: e.g. Codeine to morphine, nitroglycerine to NO 

2• maintenance of activity, e.g. Diazepam is metabolized to an active metabolite 

3• inactivation, e.g. Procaine to PABA 

_ Main site of biotransformation in the body is the LIVER. 


background image

 

6

 

 

_ Drug metabolizing enzyme pathways generally mediate 2 types of reactions 

a• Phase I reactions 

• Oxidation-reduction and hydrolysis 

• introduce or unmask polar chemical groups therefore increase water solubility 

• mediated by cytochrome P450 enzymes 

• P450’s are found in the endoplasmic reticulum or cell cystoplasm 

b• phase II reactions 

• Conjugation with polar endogenous substrates e.g. glucoronic acid, glutathione 

• increases water solubility and renal elimination 

 

_  Cytochrome  P450  isoenzyme  CYP  3A4  metabolizes  about  50%  of  all  drugs, 
hence if a drug 

Which  is  metabolized  by  3A4  is  prescribed,  double  check  for  possible 
interactions if any 

Other drug is added to the regimen. 

Examples of Important Highly Protein Bound Drugs 
Name                            % Bound 
Salicylic Acid                    82 
Phenytoin                          90 
Propranolol                       93 
Diazepam                          99 
Warfarin                           99.5 
 Organ Distribution of Drug Metabolizing Enzymes 
Site                         Relative Activity 
Liver                              100 
Lung                            20-30 
Kidney                             8 
Intestine                           6 
Term Placenta                 5 
Adrenal Glands               2 
Skin                                 1 


background image

 

7

 

 

PHARMACOKINETICS (ADME). . . CONT. 

Drug Interactions are Often Due to Interactions in Biotransformation Pathways 
_ Phase I (Cytochrome P450 enzymes) 
1.  Erythromycin  inhibits  the  CYP3A4  enzyme,  and  predisposes  to  cisapride 
toxicity and possible fatality 
2. Cimetidine inhibits P450 enzymes, leading to increased levels of theophylline, 
diazepam, 
Warfarin, phenytoin 
3.  Phenobarbital  induces  P450  enzymes,  which  could  decrease  levels  of  other 
drugs 
(See below: Enzyme Induction) 
4.  The  SSRIs  could  inhibit  CYP  2D6  (and  3A4),  and  therefore  increase  serum 
levels of other 
Drugs  metabolized  by  these  enzymes,  e.g.  benzodiazepines,  carbamazepine, 
phenytoin 
5.  The  new  HIV  drugs,  the  protease  inhibitors,  are  metabolized  by  cytochrome 
P450  enzymes,  (e.g.  indinavir  is  metabolized  by  CYP  3A4),  and  hence  could 
interact with other drugs metabolized by this route 
_ Phase II (Conjugation reactions): 
1.  Acetaminophen  is  95%  metabolized  to  inactive  glucuronic  acid  and  sulfate 
conjugates, 
And  5%  oxidized  by  P450,  generating  a  reactive  metabolite  which  is  then 
conjugated with glutathione. 
If  glutathione  stores  are  depleted,  e.g.  Massive  dose  of  acetaminophen,  the 
reactive metabolite 
Remains  unconjugated  and  causes  hepatocellular  damage.  In  concurrent 
ingestion of alcohol and large 
Doses  of  acetaminophen,  a  double  whammy  situation  occurs.  Alcohol  induces 
the P450 enzymes, 
And  hence  the  generation  of  the  reactive  metabolite;  alcoholics  tend  to  be 
deficient in nutrients, 
Notably  glutathione,  hence  depletion  occurs  more  readily,  resulting  in  massive 
hepatocellular 
Damage in this situation 
_ Enzyme Induction 
•  Over  200 unrelated  drugs  have the ability to increase the activity of drug  bio 
transforming 
Enzymes generally reducing activity/intensity of drug action 
• reflects de novo synthesis of P450 and other bio transforming enzymes 
•  Induction  of  P450  can  stimulate  multiple  iso-enzymes  specifically  or  non-
specifically 


background image

 

8

 

 

Examples of Inducing Agents 
Inducing Agent                     Substance whose metabolism is increased 
Phenobarbital                              Bilirubin 
DDT                                           Chlorpromazine 
Phenytoin                                  Codeine 
Glutethamide                            Cortisol 
Phenylbutazone                         Estradiol, meperidine, morphine, testosterone, 
thyroxin 
 
other factors affecting drug metabolism 
• Age 
          • Early in fetal life drug metabolizing enzyme levels are low 
          • Elderly have reduced rates of metabolism due to reduced hepatic function 
• Nutrition 
         •  Inhibition  or  drug  metabolizing  enzymes  with  decreased  protein, 
decreased fatty acids 
• Alcohol,        vitamin deficiency states 
                      • Induction of P450 with chronic ingestion 
                      • Inhibition of P450 with acute ingestion 
• Radiation 
• Sex 
• Race 
 
ELIMINATION 
PRINCIPLE: Dosing of drugs needs to be adjusted  according to the elimination 
characteristics 
Of the patient (e.g. in renal impairment) in order to avoid toxicity from drug or 
metabolite 
Accumulation. 
_ Routes of elimination include 
1• stool (e.g. corticosteroids from biliary system) 
2• lungs (e.g. general anesthetics eliminated by expiration) 
3• skin and mucous membranes (e.g. rifampin in tears) 
4_ KIDNEYS are the main organ of drug excretion through 
a• glomerular filtration: passive, pore size about 400-600 Angstroms 
b• tubular secretion: active, against concentraion gradient, saturable, 
Two distinct transport mechanisms for weak acids and weak bases 
• E.g. acids: penicillin, salicyclic acid, probenecid, chlorothiazide 


background image

 

9

 

 

• E.g. bases: quinine, quaternary ammonium compounds (e.g. choline) 
• Tubular reabsorption: can be active or passive (depending on charge) 
_  Elimination  rate  depends  on  renal  function  (assessed  clinically,  using  serum 
creatinine levels) 
• The Cockroft-Gault equation can estimate creatinine clearance (CrCl) for males 
as: 
CrCl (mL/min) = (140-patient's age in yrs) x IBW (kg) 
50 x SCr (μmol/L) 
• For females above equation x 0.85 
_ Drug interactions due to interference with filtration, secretion, reabsorption 
• probenecid significantly reduces renal excretion of penicillin by competing 
For the weak acid transport 
• Lithium is renally eliminated through glomerular filtration, much of the filtered 
load  is  reabsorbed  at  the  proximal  renal  tubule.  Sodium  competes  for  the 
reabsorption  site  with  lithium.  Hence,  thiazide  diuretics,  which  can  cause 
hyponatremia and reduced sodium load in the renal tubule, increase the 
Reabsorption of lithium and can predispose to increased serum lithium levels and 
lithium toxicity 

CALCULATION. CONT. 

Half-Life (t1/2) 
_ defined as the time it takes for blood level of a drug to fall to one-half (50%) of 
the level 
Measured at some prior time 
_ For most drugs, half-life correlates with the elimination phase 
_ In general it takes 5 half-lives to reach steady state with repeated dosing or for 
drug elimination 
Once dosing is stopped 

Steady State 
_  The  concentration  at  which  the  same  amount  of  drug  entering  the  system  is 
eliminated from the system 
_  Time  is  important  for  therapeutic  monitoring  as  drug  levels  are  only  reliable 
when the drug has 
Reached this steady state 
_  Any  change  in  drug  dose  and  interval  will  change  the  steady  state  level  _ 
special situations 


background image

 

11

 

 

• Drug with long half-life and the need to rapidly increase blood levels – 
Give a loading dose (e.g. phenytoin) 
• Drugs with a very short half-life and the need for a long term effect – multiple, 
frequent repeated doses 
Are too inconvenient thus use a continuous infusion (e.g. nitroprusside) 
Elimination Kinetics 
_ first-order kinetics (the most common type) 
• A constant fraction of drug is eliminated per unit time 
• The amount of drug eliminated is based on the concentration of drug present 
• This relationship is linear and predictable 
_ zero-order kinetics (less common, associated with toxicities) 
• Non-linear kinetics 
• A constant amount (number of molecules) of drug is eliminated per unit time 
• Clearance slows as drug concentration rises 
• Some drugs can follow first order kinetics until elimination is saturated (usually 
at large doses) 
And the clearance decreases 
• Some drugs follow non-linear kinetics at therapeutic levels e.g. phenytoin 
 
Pharmacodynamics

 

Definition: the relationship between the drug concentration and effect (what the 
drug does to the body) 
Agonists Have Two Main Properties 
_ Affinity: the ability of the agonist to “bind to” the receptor 
_ Efficacy: the ability to cause a response via the receptor interaction 
_  e.g.  the  ß2-agonist  (salbutamol)  bind  to  ß2-receptors  (i.e.  has  affinity)  and 
result in activation of 
Smooth muscle relaxation (i.e. has efficacy) 
Antagonists 
_ have affinity (can bind to a receptor) but no efficacy 
_  Chemical  antagonism:  direct  chemical  interaction  between  agonist  and 
antagonist 
Prevents agonist binding to receptor 
• E.g. chelator agents for removal of heavy metals 


background image

 

11

 

 

_  Functional  (physiological)  antagonism:  interaction  of  2  agonists  that  act  at 
different receptors 
Independent of each other but have opposite physiological effects 
•  E.g.  acetylcholine  at  the  muscurinic  receptor  decreases  HR,  constricts  pupil, 
stimulates intestinal motility 
•  Epinephrine  at  the  adrenergic  receptor  increases  HR,  dilates  pupil,  decreases 
intestinal motility 
Competitive antagonism (most common in clinical practice) 
• Antagonist acts at same receptor (i.e. binds) displacing agonist 
• Antagonist binding is reversible and can be overcome 
_ Non-competitive antagonism  
• Irreversible binding of antagonist to receptor 
• Allosteric effect: changes ability of the agonist to bind to the receptor through 
various 
Mechanisms such as changing the conformation of the receptor 
• increasing concentrations of agonist cannot reverse the antagonism 
  
Dose-response  relationship_
  pharmacodynamics  principles  measuring  efficacy 
and potency can be quantified using dose-response curves 
_ With gradual dose response relationships the response of the drug reflects the 
number of receptors that are effectively occupied 

_ Efficacy 
        •  The  maximum  intensity  of  response  to  a  drug,  e.g.  If  Drug  A  causes  a 
greater  maximum  intensity  of  response  than  Drug  B  (regardless  of  dose),  then 
Drug A is more efficacious than Drug B 
      • ED50 (effective dose-50%) the dose or drug that gives rise to the designated 
response in 
50% of the subjects 
     •  ED50  is  easier  to  measure  than  maximum  effect  and  is  used  to  determine 
efficacy 

_ Potency 
• A  comparison of the ED50 of two or more drugs that have parallel log dose-
response curves 
• The drug that reaches the ED50 at the lower dose is the more potent 
• Potency is a term that is often misused (confused with efficacy) 


background image

 

12

 

 

• Potency is not important if you can increase the dose of the less potent drug 
Without causing side effects 

Effectiveness and Safety 
_  The  two  most  clinically  relevant  properties  of  any  drug  are  effectiveness  and 
safety 
Effectiveness 
• Similar to efficacy but in real populations (i.e. not experimental) 
Safety  
• LD50 (lethal dose-50%): defined as the dose of a drug needed to cause death in 
50% of a 
Test population of subjects (e.g. usually rodents) 
• TD50 (Toxic Dose - 50%): defined as the dose needed to cause a 
Harmful effect in 50% of the subjects 

CONT. 

Therapeutic Index (TI)  
_ defined as TD50/ED50 
_ reflects the “margin of safety” for a drug - the likelihood of a high dose causing 
serious toxicity/death 
_ The larger the TI, the safer a drug 
_ Factors can change the ED50, LD50 or the TD50 
• Presence of interacting drugs 
• Changes in drug absorption, distribution, metabolism, elimination 
• E.g. amoxicillin has a large TI, therefore therapeutic monitoring is not needed, 
Whereas warfarin has a small TI and must have accurate therapeutic monitoring. 
 
Variability in Drug Action 
PRINCIPLE: not everyone experiences the same response to the same dose 
(Route of  administration, dosage interval, etc.  may  need to be adjusted in some 
cases). 
_ Some common causes of variable responses to a drug 
1• age 
2• gastric pH and gut motility (affects absorption of certain drugs) 
3• body composition (changes in fat, muscle, water content) 
4• plasma protein levels (affects various aspects of pharmacokinetics) 
5• renal, liver function (affects excretion and metabolism respectively) 


background image

 

13

 

 

6• gender: mainly due to presence or absence of certain enzymes, hormones, etc. 
7• genetics: presence/absence of one or more genes needed to form enzymes, 
Other proteins, hormones, etc. 
8• overall health - presence/absence of other diseases 
9• use of other drugs (i.e. interactions) 
10• nutritional status - excess or deficiency of key vitamins, minerals, etc. 
11• compliance 
ADVERSE DRUG REACTIONS (ADRs) 
_ Classification of adverse drug reactions 
• Type A: predictable 
• Type B: unpredictable 
Type A 
_  Side  effects:  excessive  but  characteristic  pharmacological  effect  from  usual 
dose of a drug 
_ Overdose / toxicity: exaggerated but characteristic pharmacological effect from 
supratherapeutic dose 
_ Teratogen: drug may produce developmental defects in fetus 
_ Characteristics 
• Account for 80% + of all ADRs 
• Extension of pharmacological effect 
• Dose-related and generally not severe 
• Usually do not require discontinuation 
• Dose reduction or titration may help minimize effect 
• E.g. a common side effect of beta-blockers is bradycardia (an extension of its 
therapeutic effect) 

 

Type B 
_ Idiosyncratic: uncharacteristic response to drug, unrelated to pharmacology 
_ Pseudo-allergenic: mimics immune-mediated reaction 
_  Allergic  /  immune-mediated:  does  not  occur  on  first  exposure  (up  to  7d), 
immediate with subsequent 
Exposure, may occur with low dose, resolves within 3-4 days of discontinuation 
• Characteristics 
• Usually more severe 
• Usually require discontinuation 


background image

 

14

 

 

• Not dose-related 
•  E.g.  sulpha  based  drugs  (such  as  septra)  can  cause  an  idiosyncratic  Stevens 
Johnson Syndrome (SJS) 
Approach to Suspected ADRs 
_  History  and physical  examination:  symptoms,  timing,  risk  factors,  medication 
related, dechallenge 
And rechallenge information is needed, look up previous reports in the literature 
_ Differential diagnosis: therapy or disease pathophysiology 
_  treat  the  adverse  drug  reaction:  stop  the  drug,  supportive  care,  symptomatic 
relief 

 




رفعت المحاضرة من قبل: ali anas
المشاهدات: لقد قام 10 أعضاء و 152 زائراً بقراءة هذه المحاضرة








تسجيل دخول

أو
عبر الحساب الاعتيادي
الرجاء كتابة البريد الالكتروني بشكل صحيح
الرجاء كتابة كلمة المرور
لست عضواً في موقع محاضراتي؟
اضغط هنا للتسجيل