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1 Lewis S. Nelson, MD, FACEP, FACMT, FASAM Professor and Chair of Emergency Medicine Chief, Division of Medical Toxicology Rutgers New Jersey Medical School Financial Disclosures The ASAM Review Course of Addiction Medicine July 2021 No Disclosures Lewis S. Nelson, MD Explain the differences between and clinical relevance of tolerance, dependence, and hyperalgesia. Describe the pharmacologic principles of pharmacokinetics and pharmacodynamics and how each impacts addiction risk and addiction treatment. Discuss the interpretation pitfalls of screening and confirmatory urine drug tests in the management of patients with substance use. Pharmacodynamics Pharmacokinetics Clinical findings PD PK Diagnosis Management Strategy Clinical judgment Analytical testing (UDT) Clinical findings Drugs have to get to the brain to elicit a response. Blood brain barrier is an effective barricade The more rapidly the drugs reach the site of action the greater the reinforcement. Dose and dose rate Route of administration Lipophilicity Oxycodone, fentanyl, hydromorphone, and morphine bind the mu1 opioid receptor Analgesia Euphoria Oxy’s (like heroin’s) euphoria is due to: Lipid solubility Receptor specificity Binding affinity Oldendorf WH. Science. 1972 Fun pharm fact: heroin does not bind to the mu receptor 1 2 3 4 5 6
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15 Pharmacology and Toxicology Principles, Applications ...

Mar 23, 2022

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1

Lewis S. Nelson, MD, FACEP, FACMT, FASAMProfessor and Chair of Emergency Medicine

Chief, Division of Medical ToxicologyRutgers New Jersey Medical School

Financial Disclosures

The ASAM Review Course of Addiction MedicineJuly 2021

No DisclosuresLewis S. Nelson, MD

Explain the differences between and clinical relevance of tolerance, dependence, and hyperalgesia. 

Describe the pharmacologic principles of pharmacokinetics and pharmacodynamics and how each 

impacts addiction risk and addiction treatment.

Discuss the interpretation pitfalls of screening and confirmatory 

urine drug tests in the management of patients with 

substance use.

Pharmaco‐dynamics

Pharmaco‐kinetics

Clinical findings

PD

PK

Diagnosis Management Strategy

Clinical judgment

Analyticaltesting (UDT)

Clinical findings

• Drugs have to get to the brain to elicit a response.  • Blood brain barrier is an effective barricade

• The more rapidly the drugs reach the site of action the greater the reinforcement.• Dose and dose rate• Route of administration• Lipophilicity

• Oxycodone, fentanyl, hydromorphone, and morphine bind the mu‐1 opioid receptor• Analgesia• Euphoria

• Oxy’s (like heroin’s) euphoria is due to:• Lipid solubility• Receptor specificity                                                            • Binding affinity

Oldendorf WH. Science. 1972

Fun pharm fact: heroin does not bind to the mu receptor

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Changes in the pharmacologic properties of a substance and how it is used can lead to dramatically different levels of reward and reinforcement

Absorption 

(Bioavailability)Distribution Elimination

BiotransformationDose Response 

(Clinical Effect)Potency

Drug interaction Tolerance Dependence

Pharmacok

inetics

and

Pharm

acod

ynam

ics 

Dose

0

5

10

15

20

25

10 20 30 40 50 60 70 80

Dose

% Respo

nse

% Respo

nse

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

10 20 30 40 50 60 70 80

Response = Anything (Blood pressure, Death)

=

% Respo

nse

Dose

% Respo

nse

DoseEthanolVitamins

OxygenWater

Response = Death

Rank order the potency:

EthanolMorphineNicotineBotulinum

Don’t confuse potency with clinical effect

Ethanol 5,000Morphine 1Nicotine 1Botulinum 0.00001

Don’t confuse potency with concentration

1980’s weed

2020 weed

4%THC

20%THC

7 8

9 10

11 12

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3

Agent Potency (vs morphine)

Tramadol 0.2

Morphine 1

Oxycodone 1.3

Methadone 4

Heroin 4

Buprenorphine 30*

Fentanyl 100

Carfentanil 10,000

Any of these drugs will kill you if you take enough

“What is there that is not poison? All things are poison and nothing [is] without poison. Solely the dose determines that a thing is not a poison”

Philip Theophrastus Bombast von Hohenheim aka PARACELSUS (1493‐1541)

Paracelsus (1493‐1541)in Third Defense

“Dose Makes The Poison”

Oral Potentially extensive first‐pass

IV, IN, IM, SC, SL, buccal, inhalational, rectal Bypass hepatic first‐pass

Intrathecal  Unique –bypass Blood Brain Barrier

Transdermal Bypass hepatic first‐pass Depot in skin/body fat can influence 

absorption

Intranasal  May directly access CNS (nose‐to‐brain)

Hong, S. Pharmaceutics 2019;11:540

• The amount of unchanged drug reaching systemic circulation after administration is the bioavailability (F). 

• F depends upon:• Route (IV is 100%)• Site specific membrane permeability• Drug transporter activity (p‐glycoprotein)• First‐pass metabolism (oral)

Route

Oral Sublingual Buccal

Buprenorphine 10% 30% 50%

Oral Intranasal

Naloxone 1% 50%

Oral

Morphine 33%

Oxycodone 75%Wolff K, et al. The SAGE Handbook of Drug & Alcohol Studies

13 14

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4

Oxy IR

Oxy ER

Oxy ER ‐ crushed

Oxy IR Oxy IR

Goldfrank’s Toxicologic Emergencies, 11th

Lipophilic Drug/

Chemical

Phase 1 Phase 2

OxidationReductionHydrolysis

MetaboliteConjugationSulfationGlucuroni‐dation

Water soluble

Conjugated metabolite

Water soluble

Ethanol Metabolism • Codeine is demethylated in the liver to morphine• Occurs via CYP2D6• Codeine is a “pro‐drug”  (drug undergoes biotransformation or ‘metabolism’ to its active component 

• Lisdexamfetamine (Vyvanse™) is another example of a pro‐drug

Codeine

Morphine

Goldfrank’s Toxicologic Emergencies, 11th Goldfrank’s Toxicologic Emergencies, 11th

Genetically based alterations in gene product function.

Despite rare polymorphism, 3A4 is a major cause of drug 

interactions

Methadone

• Primarily responsible for metabolism

• Some HIV meds induce 3A4 • Variability (despite minimal 

polymorphism) complicates induction

19 20

21 22

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5

www.doctoralerts.com

GI Tract

Intravenous: 0.6 mg/kgIntranasal: 2 mg/kgSmoked: 100 mg base

Minutes after dose

Plasm

a levels (n

g/mL)

Intravenous: 0.6 mg/kgIntranasal: 2 mg/kgSmoked: 100 mg base

Minutes after dose

Degree of 

intoxication

0 60 180 360 0 60 120 180

NIDA Research Monograph 1992, 120

Cmax and Tmax depend on route of administration and dose

(Cmax : IV→ Nasal → Smoked)(Tmax : IV = Smoked  → Nasal)

Subjective ‘high’ (0‐100) by route(IV → Smoked → Nasal)

Cocaine (typical dose)Cocaine (typical dose)

Concentration

Time (elimination half‐lives)

}

Steady State

Requires approximately 5 half‐lives Regardless of the 

compound’s half‐life Explains (in part) the risk 

and difficulty of methadone induction

In: Organic anion transporter

Out: P‐glycoprotein 

Goldfrank’s Toxicologic Emergencies, 11th

Drug users understand these ‘principles’  loperamide and p‐glycoprotein inhibitors

25 26

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29 30

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6

Oldendorf WH. Science. 1972

Drug LogP

Buprenorphine  4.98

Fentanyl 4.05

Methadone 3.93

Naloxone 2.09

Hydromorphone 1.6

Heroin 1.58

Morphine 0.89

Heroin(diacetyl morphine)

MorphineDrug Half life 

(distrib)Half life (term)

LogP

Fentanyl 19 min 475 min 4.05

Morphine 68 548 0.89

Hydromorphone 60 1268 1.6

Methadone 120 1377 3.93

www.medbullets.com

• Concentration independent

• Constant amount

• Concentration dependent• Constant proportion

Michaelis‐Menten: non‐linearFirst  zero order

31 32

33 34

35 36

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7

Ligand % Efficacy

Full agonist E = 100

Partial agonist 0 < E < 100

Antagonist E = 0

Inverse agonist E < 0naloxone

Ligand Ki (Affinity) (nmol)

Hydrocodone 41.58

Oxycodone 25.87

Heroin 9.6

Methadone 3.38

Fentanyl 1.35

Morphine 1.14

Naloxone 1.1

Hydromorphone 0.6

Buprenorphine  0.21

Volpe DA. Uniform assessment and ranking of opioid Mu receptor binding constants for selected opioid drugs. Reg Toxicol Pharmacol 2011

D+

Occupationgoverned by 

affinity

Activationgoverned by efficacy

RD

RD

R RESPONSEk+1

K‐1

β

α

• Tolerance is the reduction in response to a drug after its repeated administration

• Tolerance shifts the dose‐response curve to the right • Higher doses than initial doses to achieve the same effect

Analgesia

Hayhurst. Anesthesiology 2016;124:483‐8

Analgesia Respiratory depression

37 38

39 40

41 42

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8

Dose

Respo

nse

Dose

100%

50%

0%

100%

50%

0%

100%

50%

0%

100%

50%

0%

Resp Analg Resp Analg

Initial Over time • A consequence of increased metabolism after a drug is repeatedly administered

• Results in less drug being available at the receptor for drug activity.

• Ethanol• Although ADH is not inducible, CYP2E1 is• Accounts for more rapid elimination of 

alcohol in heavy, chronic users

Goldfrank’s Toxicologic Emergencies, 11th

• Down‐regulation of receptors (higher drug concentration needed)• Desensitization of GABA (ethanol)

• Receptor conformation

• Desensitization of MOR (opioid)• Signal transduction• Decreased density (internalization)

• Up‐regulation of receptors• Increased number of NMDA

Goldfrank’s Toxicologic Emergencies, 11th

• Mellanby effect• Less “intoxicated” on descending limb of BAC curve

• MDMA, psilocybin, and LSD• Serotonergic

• Resistant alcohol withdrawal from IV (not really PO) diazepam

Reddit.com

Other Clinical Examples of Tolerance

• Tolerance to the repeated use of a specific drug in a given category is generalized to other drugs with the same structural or mechanistic category.

Goldfrank’s Toxicologic Emergencies, 11th

43 44

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9

• Indicates an increase in drug response after repeated administration

• Shifts the dose‐response curve to the left so that repeated doses cause a greater effect than initial dose

• Kindling phenomenon

Painful Stimulus

Response

Opioid Dose

Response

Opioid‐induced Hyperalgesia  Opioid Tolerance 

Lowering of the pain threshold Decreased efficacy of the opioid

Superficially clinically indistinguishable

• A state that develops as a result of adaptation and the resetting of homeostatic mechanisms 

• Can arrive from both addictive and non‐addictive use of drugs• Withdrawal syndrome can occur in physically dependent person when the drug is abruptly stopped

• Individuals who take prescribed medicines for appropriate medical indications can show tolerance, physical dependence, and withdrawal• Propranolol• Clonidine• Appropriate use of opioid‐analgesics for pain

49 50

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Boyer E. NEJM 2005

www.real‐psychiatry.blogspot.com

Testing is not meant to "catch" the patient Testing identifies recent use it does NOT identify addiction or impairment

A positive finding suggests need to review treatment plan Not to prevent, limit, or punitively change treatment

Tests must be interpreted in the context of patient self‐report and other information from observed behaviors or reliable sources

Language is important e.g., clean vs dirty, pass/fail

Screening (Presumptive) Assays – indicate the presumptive presence of drugsHighly sensitive

Rapid, inexpensive

Cutoff: Yes/No

Confirmatory (Definitive) Assays – specifically identify the drug detected in the screening assay

Highly specific

Quantitative

Complicated, expensive

• Enzyme immunoassay• Based on a substance’s structure.• Relatively inexpensive, easily automated

• Analytical false positives are possible• Confirm positive screens in some clinical situations

• Analytical false negatives are less common• Clinical false negatives occur

NIDA/SAMHSA 5• Opiates• Amphetamines• Cocaine• Marijuana• Phencyclidine

Non‐NIDA (Extended)• Opiates• Amphetamines• Cocaine• Marijuana• Phencyclidine• Barbiturates• Benzodiazepines• Methadone• Propoxyphene

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Fentanyl

Methadone

The “Opiate” Assay: Not So Good for “Opioids”

Goldfrank’s Toxicologic Emergencies, 11th Edition

• Patient uses an opioid• However:• Unclear which opioid• Does not correlate with effectiveness or 

impairment • Cannot tell route, time of use or amount used

• Clinical false positive

• Patient is not using• Diversion

• Collection/Lab error• Wrong assay used• e.g.: “Opiate” assay for oxycodone*

• Cutoffs are often used*• Detection periods are short*

(*clinical false negative)

Drug Enforcement Administration – Toxicology Testing Program 

Table 1. NPS detected – 4th Quarter 2020*

Cathinones  N‐Butyl pentylone (5) Pentedrone (5)N‐Ethylbuphedrone (NEB) (4) Mephedrone (4)MDPHP (2)MDPV (2)N‐Ethyl hexylone (2)NRG‐3 (2)4‐Methoxy Dimethylcathinone (1) Alpha‐PVP (1)Butylone (1)Methylone (1)N,N‐ Dimethylcathinone (1)

Cannabinoids  4‐CN‐AMB‐BUTINACA (40)ADB‐PINACA (2)4CN‐MDMB‐BUTINACA (1)AB‐PINACA  (1)

Amphetamines  p‐Methoxymethamphetamine (3)p‐Methoxyamphetamine (3)Ethylamphetamine (2)

Benzodiazepines  Flualprazolam (3) Etizolam (1) Deschloroetizolam (1) 

Opioids  Tianeptine§ (19) Mitragynine (1) 

Phenethylamine  2C‐I (1) 

Tryptamine  Alpha‐methyltryptamine (1) 

Piperidine  Ethylphenidate (1) 

Benzofuran  5‐APDB (1)

Gabapentinoid  Phenibut (8) 

* Numbers in parentheses refer to the total number of cases positive for the respective

substance.

• Analytically correct• True negative

• Clinically incorrect• False negative

61 62

63 64

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Huhn AS, et al. Drug Alcohol Depend 2020;108:147

• Analytically correct• True positive

• Clinically incorrect• False positive

• Gas Chromatography/Mass Spectrometry• Gold standard for confirmation• Chemical “fingerprint” of drugs         • Sensitive and specific• Legally defensible

• Liquid Chromatography/Tandem Mass Spectrometry (LC/MS/MS)• Emerging Standard for Confirmation• Less sample preparation

Can only generalize about expected levels No credible way to say “X” dose should give “Y” level Patients tend to stay within a certain range over time unless dose change

Trending helpful and can detect aberrancy

Adulterated specimen Bup without metabolite (always) Bup >1000 ng/mL, even with metabolite (suggestive)

Higher Bup levels than Norbup levels due to: Dosing shortly before urine test CYP 3A4 inhibitor or substrate which slows conversion to metabolite

Donroe JH, et al. Drug Alc Depend 2017;180:46‐51 Accurso AJ, et al. J Subst Abuse Treat 2017;83:62‐67Suzuki J, et al. Subst Abuse 2017;38(4):504‐07

Dunroe Patients with suspected urine adulteration had significantly lower Norbup:Bup

Bup ≥700 ng/mL best for discriminating between adulterated and non‐adulterated specimens

Accurso Norbup:Bup ≤0.2 (rather than 0.02) may indicate adulterated teurine sample

Suzuki All of the samples suspected of spiking contained Bup >2000 ng/mL, with a mean norbuprenorphine level of 11.9 ng/mL.

• Window of detection• Time to obtain results (availability of POCT)• Ease of collection (need for trained personnel, collection facilities)• Invasiveness/unpleasantness of collection• Availability of the sample (e.g., renal health, shy bladder, baldness, dry mouth)

• Susceptibility of the sample to tampering

Drugs and metabolites are concentrated in urineCan compare to creatinine

Drugs are found in much lower concentrations Easy to observe

Drugs and metabolites incorporated into hairConcentrations of drugs low with sporadic use

Invasive and expensive to testMore direct relationship to impairment

Easy to collect and observeEssentially limited to ethanol

Prospective collection, 1‐2 weeksInter and intraindividual variability

67 68

69 70

71 72

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ASAM Appropriate Use of Drug Testing in Clinical Addiction Medicine, 2017

Specimen validity testing

• Medical or forensic toxicologist• Staff at the testing laboratory• A physician with MRO certification

Where Can I Get Help with Interpretation? 1. Nelson LS, Howland MA, Lewin NA, Smith SW, Goldfrank LS, Hoffman RS. 

Goldfrank’s Toxicologic Emergencies, 11th Edition. New York, McGraw Hill, 2019.  

2. Hayhurst CJ, Durieux ME. Differential Opioid Tolerance and Opioid‐induced Hyperalgesia: A Clinical Reality. Anesthesiology. 2016;124(2):483‐488. 

3. Oldendorf WH. Some Relationships Between Addiction and Drug Delivery to the Brain. NIDA Research Monograph 120: Bioavailability of drugs to the brain and the blood brain barrier. 1992.

4. ASAM Appropriate Use of Drug Testing in Clinical Addiction Medicine, 2017

[email protected]@LNelsonMD

A.ChargeB. LipophilicityC.Molecular weight

D. Potency

What property of fentanyl accounts for its enhanced psychoactive effects compared to morphine?

73 74

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A patient started on opioids requires increasing doses of medication to get adequate pain relief. At the same time, painful stimuli elicit more pain that they previously did. What does this represent?

A.YperalgesiaB. Pharmacodynamic tolerance

C.Pharmacokinetic tolerance

D.Withdrawal 

Which of the following drug screening tests is associated with the lowest rate of false positive results?

A. Amphetamine

B. Cocaine

C. Opioids

D.Phencyclidine

79 80