Block 3.2 - Metabolisierung_Phase I

• beschreibt die genetischen Variationen zwischen Individuen und deren Einfluss auf die Wirksamkeit und Nebenwirkungen von Arzneimitteln!!!

Beispiel:

• Menge an CYP P 450 ist interindividuell sehr unterschiedlich

  →Unterschiede in Wirkung und Wirkdauer von Arzneistoffen

• Ursachen:

  • Erbfaktoren: genetische Polymorphismen, z.B. für CYP2D6 und CYP2C19 beschrieben

  • Aktivität kann durch Induktion sowie Inhibition reguliert wird

• Metabolisierung erfolgt in der Leber (hauptsächlich) oder Niere

Metabolisierung = Biotransformation:

• Fremdstoffe (Xenobiotika), besonders Arzneistoffe, werden bei Körperpassagen in unterschiedlichem Ausmaß

  • biochemisch verändert

  • metabolisiert

  • biotransformiert

• einzelne Prozesse laufen meist in zwei Phasen ab

Bedeutung

Verbesserung der Exkretionsfähigkeit —> Hydrophilie steigern

• Substanzen mit lipophilem Charakter werden nach der glomerulären Filtration in den Nierentubuli weitgehend wieder rückresorbiert, sie können nur langsam renal eliminiert werden

  • Sofern solche Stoffe nicht chemisch verändert werden, besteht die Gefahr, dass sie im Körper verbleiben und sich insbesondere im Fettgewebe anreichern

• Die Eliminationsgeschwindigkeit fettlöslicher Stoffe hängt in hohem Maße davon ab, wie schnell sie im Organismus zu wasserlöslicheren Verbindungen metabolisiert werden7

  • s.a. Eliminationshalbwertszeit

Bedeutung

• Inaktivierung der Pharmaka (Entgiftung)

  • Arzneistoffe, die relativ schnell metabolisiert werden Bioverfügbarkeit?!

• Bioaktivierung

  • Wirkungsverstärkung

  • (Prodrug-Prinzip)

• Biotoxifizierung

  • Bildung toxischer Metabolite oder Intermediate

Wo wird metabolisiert?

• Vor allem in der Leber, untergeordnet z. B. im Darm, in der Niere, der Haut oder im Blut

Womit wird metabolisiert?

• Biotransformation durch Enzyme, die strukturgebunden hauptsächlich in den Membranen des endoplasmatischen Retikulums und z. T. auch in den Mitochondrien vorkommen

• Daneben strukturungebunden als lösliche Enzyme (z.B. Esterasen, Amidasen, Sulfotransferasen)

• Meist wenig substratspezifisch sie können Substrate unterschiedlicher chemischer Struktur umsetzen

• Nicht nur an der Biotransformation von Fremdstoffen, sondern auch an Stoffwechselprozessen körpereigener Stoffe (z.B. von Hormonen, Gallensäuren, Häm) beteiligt

• Auch die Darmflora leistet, insbesondere durch Reduktion und Hydrolyse, einen Beitrag zur Biotransformation

• Phase-I-Reaktion: Arzneistoff möglicht wasserlöslich machen

  • werden meistens von der Leber gemacht, seltener Niere oder Darm

  • Oxidation (hauptsächlich Leber), Reduktion (schon im Darm), Hydrolyse (Leber und z.T. Darm)

• Phase-II-Reaktionen: Hochgeladenen Teilchen werden angehängt, um löslichkeit in Wasser noch weiter zu verbessern

  • finden fast nur in Leber statt

—> Ausscheidung ermöglichen durch verbesserte Löslichkeit

Metabolisierung: Phase-I-Reaktion

• Biotransformationsreaktionen, bei denen das Pharmakon-Molekül oxidativ, reduktiv oder hydrolytisch verändert wird

  • Bildung neuer funktioneller Gruppen (z.B. –OH)

  • Transformation vorhandener Gruppen (z.B. O-, S- oder N-Dealkylierung

• Zahl freier Elektronenpaare sowie Hydrophilie wird erhöht

• Zu viele Elektronenpaare auch nicht gut, weil sonst zu polar

  • passive Duffusion durch Darmwand nicht mehr möglich

Oxidationsreaktionen:

• Von besonderer Bedeutung für die Biotransformation sind Oxidationsreaktionen, an denen:

  • Oxidasen

    oxidieren durch Entzug von Wasserstoff bzw. Elektronen

  • Monooxygenasen (besonders Hydroxylasen)

    wird ein Sauerstoffatom von einem Sauerstoffmolekül in den Fremdstoff eingebaut und das andere zu Wasser reduziert

    Tetrahydrobiopterin —> Wasserstofflieferant für Aromaten

    Vitamin C —> für Alipahtische Verbindungen

  • Dioxygenasen beteiligt sind

    nehmen 2 O-Atome und öffnen aromatischen Ring und hängen beide dran

    (führen dagegen beide Atome eines Sauerstoffmoleküls in das Xenobiotikum ein)

—> Stoffe werden polarer gemacht

Aus einem primären Alkohol entsteht ein Aldehyd im ersten Schritt

Oxidation von Pyridoxin:

Von oral oder intravenös verabreichtem Losartan werden etwa 14% zu dem aktiven Carboxylsäure-Metaboliten E3174 umgewandelt. Die Metabolisierung von Losartan zu E3174 erfolgt durch Cytochrom P450 2C9 und 3A4

Resorption:

• Nach oraler Einnahme wird Losartan gut resorbiert, unterliegt aber einem beträchtlichen First-pass-Metabolismus

• systemische Bioverfügbarkeit von Losartan-Filmtabletten beträgt ca. 33%

Wirkungseintritt:

• blutdrucksenkende Wirkung einer Einzeldosis setzt innerhalb der ersten Stunde nach Einnahme ein und erreicht ihr Maximum nach 5 bis 6 Stunden

• maximale blutdrucksenkende Wirkung wird etwa 3 bis 6 Wochen nach Therapiebeginn erreicht

• Zeit bis zum Erreichen der maximalen Plasmakonzentration:

  • Nach oraler Einnahme werden maximale Plasmakonzentrationen von Losartan nach 1 Stunde, von dem aktiven Metaboliten nach 3 bis 4 Stunden erreicht

—> Rezeptorgewöhnung bei Blutdruckesenkern

• Oxidation der Alkylgruppen mit Hilfe von Vitamin C durch Monooxygenasen (Hydroxylasen)

  • katalysieren hauptsächlich den Einbau eines Sauerstoffatoms in Form einer Hydroxylgruppe in ihr Substrat katalysieren

  • können auch ganze Teile der aliphatischen Kette abspalten

• wird eine Alkylgruppe (z. B. Methyl, Ethyl) von einem Stickstoffatom (N) entfernt wird

• Reaktion wird häufig von Enzymen wie Cytochrom-P450-Monooxygenasen katalysiert

• Am Ene bekommt man Ethanol und Aminogruppe (NH2)

• eine Aminogruppe (-NH₂) wird von einer organischen Verbindung entfernt

• Dabei wird die Aminogruppe in Ammoniak (NH₃) oder ein verwandtes Produkt umgewandelt, und die ursprüngliche Verbindung wird oxidiert

• Stickstoff wird z.B. durch OH-Gruppe ausgetauscht

• Ammoniak kann z.B. durch Harnstoff entsorgt werden (Harnstoffzyklus)

Oxidative O-Desalkylierung:

• eine Alkylgruppe (z. B. Methyl, Ethyl) wird von einem Sauerstoffatom entfernt wird

  • werden zu CO2 und es entsteht OH-Gruppe

N-Oxidation

• Sauerstoffeinheit enzymatisch oder chemisch an ein Stickstoffatom (N) gebunden wird

• Ergebnis ist eine stickstoffhaltige Verbindung, die eine zusätzliche Sauerstoffgruppe trägt, typischerweise als N-Oxid

• Entsteht eine Nitro-Gruppe (NO2)

S-Oxidierung:

• ein Schwefelatom (S) wird oxidiert, indem ein oder mehrere Sauerstoffatome an den Schwefel gebunden werde

Desulfulierung:

• ein Schwefelatom (S) wird aus einer organischen Verbindung entfernt

Epoxidierung:

• chemische Reaktion, bei der ein Epoxid gebildet wird

  • Epoxid ist ein dreigliedriger Ring, der aus einem Sauerstoffatom und zwei Kohlenstoffatomen besteht

• Die Epoxierung erfolgt durch die Addition von Sauerstoff an eine Doppelbindung (C=C) in einer ungesättigten Verbindung, wie etwa einem Alken

Hydroxylierung von Aromaten:

• Hydroxylgruppe (−OH) wird an einen aromatischen Ring eingeführt

Hydroxylierung von Aliphaten:

• ein Wasserstoffatom wird in einer aliphatischen Verbindung (also einer nicht-aromatischen Kohlenwasserstoffkette) durch eine Hydroxylgruppe (−OH) ersetzt

• Größte Bedeutung für die oxidative Biotransformation besitzen Monooxygenasen, die Hämproteine vom Typ des Cytochrom P-450 (CYP) enthalten

• Mehrere CYP-Enzyme, unterscheiden sich in:

  • Substratspezifität

  • vorhandenen Menge sowie

  • weiterer Charakteristika Induzierbarkeit; Inhibition

• genetische Polymorphismen → schnelle und langsame Metabolisierer (s.a. Pharmakogenetik)

  • unterschiedliche Enzymausstattungen bei Populationen

• Substrat wird zunächst an Cytochrom P-450 mit dreiwertigem Eisen gebunden

• Dann erfolgt die Übertragung eines Elektrons auf das Eisen, unter Oxidation von NADPH, wodurch Eisen im CYP zweiwertig wird

• Nach Anlagerung von molekularem Sauerstoff und Aufnahme eines weiteren Elektrons über eine zweite Transferkette zerfällt der ternäre Komplex unter Regeneration von CYP mit dreiwertigem Eisen in das hydroxylierte Substrat und Wasser

• HämhaltigeSuperfamilie von Enzymen

• Cytochrom P-450-Enzyme (CYP) werden anhand ihrer Aminosäuresequenzen in verschiedene CYP Familien eingeteilt, die durch eine arabische Zahl charakterisiert sind

• Wichtigste CYP-Enzym ist CYP3A4, das an der Oxidation einer Vielzahl häufig verwendeter Arzneistoffe beteiligt ist

  • relativ unspezifisch, Häm-Molekül liegt sehr gut zugänglich

• 17 CYP-Familien mit 50 Isoenzymen im menschlichen Genom charakterisiert (stand vor 5 Jahren)

• Größte Menge an CYP-Enzymen: in der Leber

• Vorkommen von CYP-Enzyme auch in anderen Organen:

  • im GIT-Trakt, Lunge, Gehirn

  • im Dünndarm (Lokalisation im apikalen Bereich der Enterozyten) → kann die Bioverfügbarkeit oral verabreichter Substanzen minimieren

• SNPs können sich, wenn sie in regulatorischen DNA Sequenzen liegen, auf die Expression des vom entsprechenden Gen kodierten Proteins auswirken

Die genetische Untersuchung von Arzneimittel metabolisierenden Enzymen, z.B. von CYP2C19 oder CYP2D6 ist indiziert:

• Die Wirkung eines Medikamentes bleibt aus

• Unerwünschte Arzneimittelwirkungen treten auf

• Familienmitglieder sind von einem entsprechenden Enzym-Polymorphismus betroffen

  
  

Linked SNPs:

• befinden sich ausßerhlab des Gens

• Haben keinen Einfluss auf die Protein-Produktion und Funktion

Causative SNPs:

• befinden sich innerhalb des Gens

• Non-coding SNP:

  • verändert Menge der Proteinproduktion

• Coding SNP:

  • verändert die Aminosäuresequenz und damit ggf die Funktion des Proteins

Enzyminduktion

• Zahlreiche Arzneistoffe, insbesondere gut lipidlösliche Verbindungen mit langer Verweildauer in der Leber, können eine vermehrte Bildung von Enzymen, die an der Biotransformation beteilig sind, induzieren

  —> Wichtig, wenn mehrere Antibiotika gleichzeitig eingenommen werden

Enzyminduktoren z.B.:

• Glucocorticoide, Calcitriol, Rifampicin, Ritonavir

Konsequenzen für die medikamentöse Therapie

• Bei einer längerdauernden Medikation mit Enzyminduktoren kommt es zu einer Erniedrigung, der zu Beginn der Behandlung mit einer bestimmten Dosis erreichbaren Arzneistoffkonzentration im Plasma

• Abbauprodukte:

  • weniger aktiv als die Ausgangssubstanz

    —> Wirkung vermindert

  • Besitzen stärkere Effekte als die Ausgangssubstanz

    —> Wirkung verstärkt

Enzyminhibition

• Arzneistoffe können Biotransformationsprozesse hemmen.

  • Wirkungsverlängerung und -steigerung anderer Arzneistoffe

• verminderte Synthese oder verstärkten Abbau von Enzymen oder

• Konkurrenz um die Bindungsstelle der Enzyme und damit zu einer kompetitiven Hemmung des Abbaus

Gefahr: Erreichen eines toxischen Bereichs

—> Runterdosieren des Medikaments erforderlich

• Alkoholdehydrogenase (ADH)

  • zu 95% verantwortlich für primären Ethanolabbau

• Aldehyddehydrogenase (ALDH)

  • verantwortlich für weiteren Ethanolabbau zu Essigsäure 

• Xanthinoxidase (z.B. Coffein, Harnsäureproduktion)

• Monoaminoxidasen (z.B. endogene Catecholamine, Tyramin im Käse)

• Reduktasen, Dehydrogenasen, Esterasen, Epoxidhydrolase

Reduktionen

• Im Vergleich mit den Oxidationen spielen Reduktionen bei der Biotransformation nur eine untergeordnete Rolle

• Toxikologisch bedeutsam: reduktive Dehalogenierung

• gesamte venöse Blut des Magen-Darm-Kanals und damit auch alle darin enthaltenen Substanzen

  —> gelangen Pfortader und durch diese in die Leber

• Bevor also ein durch die Magen- oder Dünndarmschleimhaut resorbiertes Pharmakon das Herz und von dort aus den Lungen-und Körperkreislauf erreicht, muss es die Leber passieren

…weitere Metabolisierungen, neben dem Abbau in der Leber:

• Metabolisierung im Lumen oder in der Wand des Gastrointestinaltrakts

  • Oxidationsreaktionen durch CYP450-abhängige Monooxygenasen

• P-Glykoprotein(Pgp, MDR): Effluxtransporter(ABC Transporter) Bem.: Wirkung von Loperamid!!!

• MDR-Inhibitor –z.B. Verapamil, Ciclosporin

• MDR-Induktor –z.B. Rifampicin, Johanniskraut

—> MDR: multi drug resistance, transportiert die Stoffe wieder raus

Wichtig für die Wirksamkeit:

• ob und in welchem Umfang wird bei der ersten Passage durch die Schleimhaut des Magen-Darm Kanals der (Arznei-)Stoff metabolisiert sowie durch die Leber extrahiert und/oder biochemisch umgewandelt = First-pass-Effekt

• Anteil eines Stoffes, der bei dieser ersten Passage metabolisiert oder von der Leber zurückgehalten wird

—> Applikation muss dementsprechend angepasst werden