Metabolismus und Toxikologie

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Metabolismus und Toxikologie
Wenn sich eine Verbindung im in vitro Experiment
als wirksam zeigt, heißt dies noch lange nicht,
daß diese ein geeigneter drug candidate ist. Die
allermeisten Substanzen unterliegen im Körper
biochemischen Umsetzungen (Metabolismus). Manche
dieser Reaktionen führen zu Abbauprodukten
(Metabolite) die giftig sind. Ziel ist es also,
ungeeignete Verbindungen möglichst frühzeitig zu
erkennen Fail early, fail fast, fail cheap
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Warum ist die Voraussage der ADME Parameter so
wichtig ?
Gründe die zum Fehlschlag eines
potentiellen Wirkstoffs führen
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Zu Risiken und Nebenwirkungen...
Nebenwirkungen werden als die 5.-6. häufigste
Todesursache eingeschätzt (USA 1994)
Häufigste Todesursache Herz-Kreislauf-Komplikatio
nen
Liste von zurückgezogenen Medikamenten
(unvollständig) Handelsname Nebenwirkung
Hersteller Zeitraum Rofecoxib Thrombosis,Stroke
Merck(USA) Sep 2004Cerivastatin Rhabdomyolysis
Bayer Aug 2001Alsostron Ischemic
Colitis GSK Nov 2000Cisopride Cardiac
Arrhythmia Janssen Jun 2000Pemoline Liver
Toxicity Warner-Lambert May 2000Mibefradil Dru
g/Drug Interaction Roche Jun
1998Terfenadine Cardiac Arrhythmia Höchst
Dec 1997Fenfluramine Heart Valve Disease
Wyeth Sep 1997Quelle J. Gut TheraSTrat AG,
Allschwil, CH (bis 2001)
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QT interval prolongation (I)
Zu den häufigsten Neben-wirkungen die zum
Fehlschlag eines Medikamentes (oft erst in Phase
III oder IV der klinischen Prüfung) führen,
gehören Herzrhythmusstörungen. Dabei wird
zumeist eine Verlängerung der sog. QT-Zeit im EKG
gemeßen.Die obere Schranke beträgt üblicherweise
440-470 msec bei einer Pulsfrequenz von 60
Schlägen pro Minute
QT-Intervall
Bildquelle http//medizinus.de/ekg.php
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QT interval prolongation (II)
Da die Pulsfrequenz variiert, normalisiert man
die QT-Zeit auf das sog. QTc interval mittels
Division durch die Wurzel des vorhergenden RR
Intervals (Bazett Korrektur) QTc QT /
RR1/2 Für eine Pulsfrequenz von 60 beträgt RR 1
sec
Der im EKG gemessene Strom während der QT-Zeit
rührt vorwiegend von der verzögerten Aktivität
des kardialen Kaliumkanals her. (outward
repolarizing current IKr)Dieser Kanal wird durch
das sog. Human ether-a-gogo related gene (hERG)
kodiert. Üblicherweise nutzen Antiarrhytmische
Präparate der Klasse III genau diesen
Effekt. Allerdings kann eine überlange QT-Zeit
wiederum zu teilweise fatalen Störungen des
Herzrhythmus führen.
Lit R.R.Shah Brit.J.Clin.Pharmacol. 54 (2002)
188.
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Historische Entwicklung in den USA
Als Reaktion auf ca. 100 Todesfälle durch
Vergiftung ausgelöst durch ein Elixier von
Sulphanilamide in 72 Diethylenglykol, enstand
der United States Federal Food, Drug and Cosmetic
Act von 1938 der die passive Zulassung von
Substanzen durch die Food and Drug Administration
(FDA) regelte. Demnach mußten die entsprechenden
Medikamente zumindest für den beabsichtigten
Zweck sicher sein. Für die Zulassung von
(chemischen) Substanzen die in größeren Mengen
produziert werden, ist dagegen die Environmental
Protecting Agency (EPA) zuständig.
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Historische Entwicklung in Deutschland
Bis 1961 gab es in (der damaligen Bundesrepublik)
Deutschland für den Verkehr mit Arzneimitteln
keine umfassende gesetzliche Regelung. Ausschlagge
bend für die Neuregelung war der sog.
Contergan-Skandal Der Wirkstoff Thalodomid
zeigte in den ursprünglichen Tierversuchen keine
Auffälligkeiten, stellte sich jedoch als
teratogen heraus.

• Das Arzneimittelgesetz regelt u.a.
• Anforderungen an klinische Studien
• Nachweis der Wirksamkeit
• Nachweis der nicht vorhandenen Humantoxizität

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Präklinische Phase

• Nach Abschlus der lead optimization folgen
  umfassende
• in vitro (Modellsystem aus Zellen, Zellverbänden)
  und in vivo (Tierversuch) Untersuchungen
• an dem bzw. den lead candidate(s).
• In diesem Stadium erfolgt auch die
  Patentanmeldung, wobei immer einer Reihe von
  Verbindungen eingebracht werden, um
• Sich nicht nur auf einen Wirkstoff festzulegen
  
• Ähnliche potentielle Wirkstoffe zu reservieren
• Nachahmungspräparate (me-too) zu erschweren

Verbindungen erhalten zumeist in diesem Stadium
einen United States Adopted Name (USAN)
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Klinische Studien (I)
Phase I Überprüfung ob das Tiermodell auf den
Menschen übertragbar ist. Erstellung von
Dosierrichtlinien(10-50 Probanden, healthy
male, keine Risikogruppe)
Phase II Prüfung der Wirksamkeit und relativen
Ungefährlichkeit an einigen Patienten
Phase III Nachweis der Wirksamkeit und
Unbedenklichkeit an einer Vielzahl von Patienten
(u.a. auch auf Nebenwirkungen mit anderen
Medikamenten)
Nach der Markteinführung Phase IV Wie Phase III,
aber umfassendere Anzahl von Patienten, Erfassen
von seltenen Nebenwirkungen, Langzeitstudien,
Nachweis der Kosteneffizienz
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Klinische Studien (II)
Zeitdauer (in Monaten) für die klinische und
prä-klinische Entwicklung
Lit P.Preziosi Nature Rev.Drug.Discov. 3 (2004)
521.
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Marktzulassung (I)

• In den USA entscheidet die Food and Drug
  Administration (FDA) über die Zulassung, für die
  EU nun zentral das Bundesinstitut für
  Arzneimittel und Medizinprodukte sowie das
  Deutsche Institut für medizinische Dokumentation
  und Information.
• Ein Medikament wird nur dann zugelassen wenn,
• Das Einsatzgebiet oder der Wirkmechanismus neu
  ist
• Es eine verbesserte Wirksamkeit als bestehende
  Wirkstoffe aufweist
• Es eine bessere Verträglichkeit, bzw. weniger
  Nebenwirkungen zeigt
• Es eine andere Darreichungsform (Galenik)
  aufweist

Mit dem Ausgang des Zulassungsverfahrens
entscheidet sich immer häufiger die finanzielle
Zukunft eines Unternehmens.
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Marktzulassung (II)
Eine neues Medikament wird auch als new chemical
entity (NCE) bezeichnet.
Investment per new chemical entity gt500,000
New chemical entities per year ca. 15
World Drug Index 58,000 compounds USAN
lt10,000 in clinical trial
Von der FDA Aufwand für Forschung
undzugelassene Medikamente Entwicklung (Firmen
in USA) 1996 53 1980 2 Mrd US1997 39
1985 4 Mrd US1998 30 1990 8 Mrd
US1999 35 1995 15 Mrd US2000 27
2000 26 Mrd US2001 24 2001 30 Mrd
US2002 17 2002 geschätzt 32 Mrd US
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Von der pipeline bis zur Marktzulassung
Rechnet man von den tatsächlich zugelassenen
neuen Medikamenten (new chemical enitity, NCE)
auf die Anzahl der in vitro gescreenten
Verbindungen zurück, so kommt man auf über 1000
pro Medikament. Ohne die verfügbaren
computerbasierten ADMET Filter würde diese Zahl
noch höher sein.
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Informationsfluß in einer drug discovery pipeline
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Optimierungsprozess vom lead candidate zum drug
candidate
Früher Zunächst Optimierung der Wirksamkeit,
danach Verbesserung des ADME-Tox Kriterien
Heute Simultane Optimierung von Wirksamkeit und
ADME-Tox Eigenschaften (erfordert in silico
AMDET-Modelle)
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eADMET Prediction
early Absorption Distribution Metabolism Eliminati
on Toxicology
Pharmacokinetic Bioavailability
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ADME-Tox Modelle
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ADMET-Modelle
... the modification of organic compounds by
the microsomal enzymes can be understood in terms
of physico-chemical constants in a quantitative
fashion. C. Hansch (1972)
Lit H. van de Waterbeemd, E. Gifford ADMET in
silico Modelling Towards Prediction Paradise ?
Nature Reviews Drug Discovery 2 (2003) 192-204
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Metabolismus (I)
(Bio-)chemische Reaktionen von Xenobiotica im
Körper
First pass effect Extensive Umsetzung von
vorwiegend lipophilen Molekülen, solchen mit
MWgt500, oder die eine spezifische Affinität zu
bestimmten Transportern haben,bei der ersten
Passage durch die Leber
Phase I Oxidation, Reduktion und Hydrolysev.a.
Cytochrom P450 Enzyme
Phase II Konjugation mit kleinen Molekülen
(z.B. Glutamin)
Phase III Elimination durch Transporter
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Am Metabolismus beteiligte Enzyme
Phase I Oxidation, Reduktion und
HydrolyseCytochrom P450 Enzyme (mehr in
Vorlesung 10)Dihydropyrimidin-, Alkohol-, und
Aldehyd DehydrogenasenEpoxid Hydrolasen,Esterasen
und AminasenDT DiaphoraseFlavin Monoxygenasen
Phase II Konjugation mit kleinen Molekülen
(z.B. Aminosäuren)N-Acetyltransferase,
Glutathione S-transferaseUridinediphosphat-Glucur
onosyltransferasenSulfotransferasen,
Methyltransferasen
Phase III Elimination durch Transporte
P-glycoprotein (MDR1)
Alle diese Enzyme unterliegen teilweise starken
individuellen Variationen
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Metabolismus (II)
Experimentelle (in vitro) MethodenLeber
Mikrosomen vom Menschen, Hepatocyten und
rekombinante P450 Isozyme
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Elimination / Exkretion
Unter Elimination werden alle Vorgänge
zusammengefaßt, die zur Entfernung eines Stoffes
aus einem Kompartiment führen. Diese können auch
metabolischer Art sein.
Lipophile Stoffe können über die Galle,
hydrophile Stoffe über den Harn ausgeschieden
werden.
Allgemein gilt MW lt300 300-500 gt500
Galle Galle Harn Harn
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Metabolismus bei der Absoption (I)
Transcytosis in den Absorptionszellen
Ausschnitt aus der Darmwand
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Prozesse der Phase I (I)
Hydrolyse (Formale Umsetzung mit Wasser) von
Ester und Amide durch Esterasen und Aminasen
Epoxide durch Epoxid-Hydrolasen
Acetale durch Glycosidasen
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Prozesse der Phase I (II)
Decarboxylierung (Freisetzung von CO2) von
Carboxylatgruppen von Aminosäuren usw.
Reduktion von Carbonylverbindungen durch
Alkohol-Dehydrogenasen oder Aldo-Keto-Reduktase
n Azoverbindungen (über Hydrazo-Verbindungen zu
Aminen) durch NADPH-Cytochrom c Reduktase u.a.
Enzyme Nitroverbindungen
Reduktive Dehalogenierung von Aliphatischen
Verbindungen
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Prozesse der Phase I (III)
Oxidationsreaktionen von Alkoholen und Aldehyden
zu Carbonsäuren
Aliphatischen Ketten
Aromatischen Aminen
Tertiären Aminen
Sulfiden
Alkenen zu Epoxiden
Aromaten zu Phenolen (in para-Stellung)
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Prozesse der Phase I (IV)
Oxidative O- und N-Dealkylierung
Oxidative Deaminierung durch die Monoamin
Dehydrogenase (MAO)
Oxidative Desulfurierung
Zu den Oxidasen gehören außerdem noch Flavin
Monooxygenase Isoenzyme Aldehyd
OxidaseCytochrom P450 Enzymsuperfamilie
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Prozesse der Phase II (I)
Glucuronidierung z.B. von
Acetaminophen, Morphium, Diazepam,
Trichlorethanol
Sulfonierung von Phenolen,
Steroiden, Acetaminophen, Methyldopa
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Prozesse der Phase II (II)
Acetylierung z.B. von
Sulfonaminden, Isoniazid, Dapson,
Clonazepam
Bildung von Mercaptansäuren
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Prozesse der Phase II (III)
Konjugation mit Glycin z.B. von
Benzoesäure, Isonictotinsäure
Konjugation mit Glutamin z.B. von
Indolylessigsäure, Phenylessigsäure
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Prozesse der Phase II (IV)
O-, N-, und S-Methylierung z.B. von
Methadon, Nicotinamid, Norepinephrine
Catechloamine (durch Catechlol-O-Methyl
Transferase)
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Metabolisierung von Xenobiotica (I)
Ausscheidung im Harn
Giftung
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Metabolisierung von Xenobiotica (II)
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Metabolisierung von Xenobiotica (III)
Beispiel besonders ungünstiger Metabolite
Toxisch
Deshalb nicht mehr zugelassen
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Toxikologische Endpunkte
Auswirkungen auf den Körper Veränderungen am
Stoffwechsel (z.B. hormonell) an den Organen
am Verhalten
Allgemeine Toxizität, Akute Giftigkeit,Reizung
von Haut und Augen CytotoxischCardiatische
Toxizität (hERG) Hepatotoxizität (PXR,
CAR)NephrotoxizitätImmunogenizität
(Sensibilisierung, Allergen)Neurotoxizität
(Rezeptorbindung)Drug-Drug Wechselwirkungen
(Cytochrom P450)GenotoxischCanerogen /
MutagenTeratogen
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ADMET-Modelle (II)
Die Vielzahl möglicher Reaktionen macht eine
Voraussage der metabolischen/toxikologischen
Eigenschaften schwierig. Zusammenfassung von
charakterisierten Reaktionen spezifischer
Verbindungen in Datenbanken Sog. Expertensysteme
(Auswahl !)
DEREK, METEOR http//www.chem.leeds.ac.uk/luk/ Haz
ardExpert CompuDrug Ltd. TOPKAT Accelrys M-CAS
E Multicase iDEA Lion Bioscience
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ADMET-Modelle (III)
Metabolische Aspekte Deskriptoren Biotransformati
on Chemische Struktur einzelner Metabolite
anhand der sich ein decision tree aufstellen
läßt physico-chemische Eigenschaften Enzymbindu
ng v.a. an Serumproteine Cytochrom
P450 (siehe Vorlesung 10) Katalytische
Reaktionen Reaktionsmechanismus Umsatzgeschwi
ndigkeit Drug-Drug Interaction Inhibition bzw.
Induktion
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ADMET-Modelle (IV)
Deskriptoren in QSAR-Gleichungen
log(T) a(H) b(E) c(S) Konstante T Toxizit
ätH Hydrophobizität ? logPE Elektronische
FaktorenS Sterische Faktoren C. Hansch et al.
J.Am.Chem.Soc. 86 (1964) 1616
An dieser elementaren Gleichung hat sich im Lauf
der Zeit nichts geändert ! Die Dominanz einer
einzelnen Größe weist wie bei QSAR üblich auf den
Wirkungsmechanismus hin
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ADMET-Modelle (V)
Experimentelle Assaysaquatic
toxicity Einzeller (Tetrahymena
pyrifomis, Vibro fischeri) Mutagenizität
(AMES) Salmonella typhimurium
S9 (Leberenzyme) Hautreizung Meerschweinchen
(guinea pig) Augenreizung Kaninchenauge
Aktueller Stand von QSAR-Methoden zur
Toxikologie T.W. Schultz et al.
J.Mol.Struct.(THEOCHEM) 622 (2003) 1 T.W. Schultz
et al. idem 622 (2003) 23
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Drug Safety
Drug-Drug interactions Wechselwirkungen mit
anderen Medikamenten Drug Interaction Database
http//depts.washington.edu/ventures/pfolio/did
b.htmÖkotoxikologie Wie verhalten sich
ausgeschiedene Medikamente und deren Metabolite
in der Umwelt ? ? Biologische Abbaubarkeit