Überprüfung der maßgerechten Übertragung (Scaling) von Schadstoffdosen aus Tierversuchen auf den Menschen (Interspeziesextrapolation)

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1 UMWELTFORSCHUNGSPLAN DES BUNDESMINISTERIUMS FÜR UMWELT, NATURSCHUTZ UND REAKTORSICHERHEIT, Aktionsprogramm Umwelt und Gesundheit Förderkennzeichen (UFOPLAN) Überprüfung der maßgerechten Übertragung (Scaling) von Schadstoffdosen aus Tierversuchen auf den Menschen (Interspeziesextrapolation) von Dr. Klaus Schneider Dr. Martin Hassauer Jan Oltmanns Forschungs- und Beratungsinstitut Gefahrstoffe GmbH (FoBiG) Werderring Freiburg i. Br. Leiter der Institution Dr. Fritz Kalberlah (Geschäftsführer) Im Auftrag des Umweltbundesamtes Freiburg, November 2002

2 1. Berichtsnummer UBA-FB 4. Titel des Berichts Berichts-Kennblatt Überprüfung der maßgerechten Übertragung (Scaling) von Schadstoffdosen aus Tierversuchen auf den Menschen (Interspeziesextrapolation) 5. Autor(en), Name(n), Vorname(n) 8. Abschlussdatum K. Schneider, M. Hassauer, J. Oltmanns, Durchführende Institution (Name, Anschrift) 9. Veröffentlichungsdatum Forschungs- und Beratungsinstitut Gefahrstoffe 10. UFOPLAN-Nr. (FoBiG) GmbH Werderring 16, D Freiburg 11. Seitenzahl 7. Fördernde Institution (Name, Anschrift) Umweltbundesamt 12. Literaturangaben Postfach , D Berlin 15. Zusätzliche Angaben (ohne Anhänge) 13. Tabellen und Diagramme 46 (ohne Anhänge) 14. Abbildungen 26 (ohne Anhänge) 16. Kurzfassung Diese Literaturauswertung untersucht quantitative Unterschiede zwischen Versuchstierspezies und dem Menschen. Anhand der in verschiedenen Datenauswertungen beobachteten Speziesunterschiede wird geprüft, inwieweit die allometrischen Konzepte des Scaling nach Körpergewicht bzw. des Scaling nach kalorischem Grundumsatz mit den Beobachtungen übereinstimmen. Folgende Datensätze mit Angaben zu mehreren Spezies unterschiedlicher Körpergröße wurden ausgewertet: pharmakokinetische Studien, Letaldosen, chronische Studien mit Pflanzenschutzmitteln sowie Angaben zur Toxizität von Zytostatika. Die beobachteten Speziesunterschiede zeigten überwiegend eine gute Übereinstimmung mit den Erwartungswerten für ein Scaling nach kalorischem Grundumsatz, während ein Scaling nach Körpergewicht im Widerspruch zu den berichteten Daten steht. Im Bericht werden die Konsequenzen für die Interspeziesextrapolation diskutiert und Vorschläge zur Anwendung des Scaling nach kalorischem Grundumsatz in der Risikobewertung gemacht. 17. Schlagwörter Interspeziesvariabilität, Scaling, Extrapolation, Risikobewertung, Versuchstier, Mensch, kalorischer Grundumsatz, Pharmakokinetik, Chemikalien, Pestizide, Zytostatika 18. Preis

3 Report Cover Sheet 1. Report No. UBA-FB 4. Report Title Evaluation of scaling doses from animal experiments to humans (interspecies extrapolation) 5. Autor(s), Family Name(s), First Name(s) 8. Report Date K. Schneider, M. Hassauer, J. Oltmanns, Performing Organisation (Name, Address) 9. Publication Date Forschungs- und Beratungsinstitut Gefahrstoffe 10. UFOPLAN-Ref. No. (FoBiG) GmbH Werderring 16, D Freiburg 11. No. of Pages Sponsoring Agency (Name, Address) Umweltbundesamt 12. No. of Reference Postfach , D Berlin 81 (without appendices) 15. Supplementary Notes 13. No. of Tables, Diagrams 46 (without appendices) 14. No. of Figures 26 (without appendices) 16. Abstract This literature study examines the quantitative differences between experimental animals and humans. Specifically, the extent to which allometric concepts of body weight scaling and caloric demand scaling, respectively, are in agreement with the species differences found in various data analyses is investigated. The following data sets with information on several species of different body sizes were included in this evaluation: pharmacokinetic studies, lethal doses, chronic pesticide studies, and toxicity data for antineoplastic drugs. The species differences observed were generally in good agreement with values expected from scaling according to caloric demand while those expected from scaling according to body weight contradicted the data reported. Finally, the report discusses the consequences for interspecies extrapolation and proposes a procedure for the application of caloric demand scaling in risk assessment. 17. Keywords Interspecies variability, scaling, extrapolation, risk assessment, experimental animal, human, caloric demand, pharmacokinetics, chemicals, pesticides, antineoplastic drugs 18. Price

4 4 Inhaltsverzeichnis 1 Hintergrund und Aufgabenstellung Konzepte zur Übertragung von tierexperimentellen Daten auf den Menschen Aufgabenstellung Allometrisches Scaling: theoretische Grundlagen und Erwartungswerte Theoretische Grundlagen des Scaling nach kalorischem Grundumsatz Theoretische Herleitung von Erwartungswerten für allometrische Exponenten bezüglich äquitoxischer Dosen Theoretische Herleitung von Erwartungswerten für allometrische Exponenten bezüglich toxikokinetischer Parameter Gleichgewichts-Plasmakonzentration C SS Maximale Plasmakonzentration C max Fläche unter der Plasmakonzentrations-Zeitkurve AUC ( area under the curve ) Gesamt-Clearance CL tot Halbwertszeit t 1/ Verteilungsvolumen V d Zusammenfassung der allometrischen Erwartungswerte Empirische Auswertungen Daten zur Kinetik von Pharmaka Ausgangsbasis Methodisches Vorgehen Kinetik von Muttersubstanzen Datenlage Ergebnisse Kinetik von Metaboliten Datenlage Ergebnisse Diskussion der Auswertungen pharmakokinetischer Studien... 44

5 5 3.2 Daten zur akuten Toxizität (LD 50 ) Ausgangsbasis Methodisches Vorgehen Ergebnisse Anzahl und Qualität der ausgewerteten Daten Auswertung der Speziesverhältnisse Regressionsanalyse Vergleich von Letaldosen bei Maus, Ratte und Mensch - Die MEIC Datenbasis Methodisches Vorgehen Ergebnisse Diskussion der Ergebnisse zu Letaldaten Daten zur chronischen Toxizität von Pestiziden im Tierversuch Ausgangsbasis Methodisches Vorgehen Ergebnisse Diskussion Akute Toxizität von Zytostatika Ausgangsbasis Methodisches Vorgehen Ergebnisse Regressionsanalyse Speziesverhältnisse Diskussion Diskussion und Schlussfolgerungen für die Regulation Diskussion Verteilungsfunktionen für die Interspeziesextrapolation Schlussfolgerungen und Vorschläge für die regulatorische Praxis

6 6 5 Zusammenfassung Hintergrund und Aufgabenstellung Datenauswertungen Pharmakokinetische Daten Daten zur akuten Letalität (LD 50 ) Chronische Daten zu Pflanzenschutzmitteln Toxizitätsdaten zu Zytostatika Schlussfolgerungen für die regulatorische Anwendung Summary Background and project task Data analyses Pharmacokinetic data Acute lethality data (LD 50 ) Chronic pesticide data Toxicity data on antineoplastic agents Conclusions for the regulatory application Literatur Anhang Anhang Anhang Anhang Anhang Anhang 6 - Teilnehmer des Fachgesprächs Anhang 7 - Verzeichnis der Tabellen und Abbildungen

7 7 1 Hintergrund und Aufgabenstellung 1.1 Konzepte zur Übertragung von tierexperimentellen Daten auf den Menschen Bei Fehlen geeigneter Humandaten sind tierexperimentelle Daten die wesentliche Basis für die Bewertung von Schadstoffwirkungen bezüglich ihrer gesundheitlichen Auswirkungen auf den Menschen. Bei der Bewertung nicht-kanzerogener Effekte erfolgt die Übertragung tierexperimenteller Ergebnisse auf den Menschen (Interspeziesextrapolation) üblicherweise mit Hilfe von Sicherheitsoder Extrapolationsfaktoren. Diese sollen das fehlende Wissen bei ungenügender Datenlage kompensieren, z.b. in eben solchen Fällen, in denen keine Beobachtungen für den Menschen, sondern nur tierexperimentelle Daten vorliegen. Ein dafür häufig angewendetes Konzept z.b. der US-amerikanischen Environmental Protection Agency (EPA, 2002) sieht einen Faktor bis zu 10 bei der Ableitung einer oralen reference dose (RfD) vor. Nach einem Vorschlag der Weltgesundheitsorganisation (WHO, 1994; 1999) wird der Faktor 10 in einen toxikokinetischen und einen toxikodynamischen Teilfaktor (4,0 respektive 2,5) aufgeteilt. Das European Centre for Ecotoxicology and Toxicology of Chemicals (ECETOC) schlägt Faktoren basierend auf einem Scaling nach kalorischem Grundumsatz vor, was zu unterschiedlichen Faktoren bei der Interspeziesextrapolation für Inhalation und bei oraler Aufnahme führt. Grundsätzlich betonen dabei alle bewertenden Organisationen, dass solche Standardannahmen, soweit möglich, bei Vorliegen spezifischer Informationen zu substituieren oder zu modifizieren sind. Die Methodik zur Ableitung von Arbeitsplatzrichtwerten (ARW) für Stoffe mit schlechter Datenlage sieht die Anwendung des Scalings nach kalorischem Grundumsatz zur Interspeziesextrapolation vor (o.v., 1998).

8 8 Tabelle 1-1: Konzepte verschiedener Organisationen zur Interspeziesextrapolation bei der Ableitung von Standards für die Allgemeinbevölkerung Organisation Faktor Quelle Weltgesundheitsorganisation (WHO) bis 10 (4,0 x 2,5 für Toxikokinetik resp. Toxikodynamik) Bundesamt für gesundheitlichen Verbraucherschutz und Veterinärmedizin (BgVV, DTA-Werte) WHO, 1994; 1999 bis 10 BgVV, 2001 Umweltbundesamt (UBA, TRD-Werte) Bis 10 Bundesanzeiger 161a, o.v US Environmental Protection Agency bis 10 EPA, 1993 (EPA) US Agency for Toxic Substances and Disease Registry (ATSDR) bis 10 Pohl und Abadin, 1995 European Centre for Ecotoxicology and Toxicology of Chemicals, (ECE- TOC) 4 (oral) bzw. 1 (inhalativ) ECETOC, 1995 Für einige wenige Substanzen liegen physiologisch basierte pharmakokinetische Modellrechnungen (PBPK-Modelle) vor. Diese Modelle verfolgen den Ansatz, durch eine quantitative Beschreibung der Toxikokinetik im Versuchstier und beim Menschen, die innere Konzentration im Zielorgan zu beschreiben. Dazu wird der Organismus schematisch in drei oder mehr Kompartimente unterteilt und Konzentrations-Zeitverläufe unter Berücksichtigung des Metabolismus in der jeweiligen Spezies modelliert (Andersen, 1995; Edler et al., 2002). Auch ohne PBPK-Modell bieten geeignete Daten zur Toxikokinetik und/oder Erkenntnisse aus in vitro-studien an verschiedenen Spezies die Möglichkeit, substanzspezifische und datengestützte Abschätzungen der Speziesunterschiede vorzunehmen (Walton et al., 1999; Gundert-Remy und Sonich-Mulllin, 2002). Die Ableitung substanzspezifischer Extrapolationsfaktoren ist eine wichtige Möglichkeit, um vorliegende stoffspezifische Erkenntnisse in die Risikobewertung einzubeziehen.

9 9 Die Anforderungen an das stoffspezifische Wissen als Voraussetzung für die Etablierung von PBPK-Modellen bzw. für die Ableitung substanzspezifischer Extrapolationsfaktoren sind hoch. Es ist daher notwendig, auch für zu beurteilende Stoffe ohne eine entsprechende Datenbasis biologisch plausible Konzepte anbieten zu können. Bezüglich der von der EPA oder WHO verwendeten Faktoren für die Interspeziesextrapolation wurde von Calabrese et al. (1992) bereits vor Jahren auf systematische Empfindlichkeitsunterschiede hingewiesen. Bezogen auf eine einheitliche Dosis in mg pro kg Körpergewicht erscheinen große Spezies empfindlicher als kleine (Davidson et al., 1986). Calabrese et al. merkten an, dass ein numerisch gleicher Faktor für alle Versuchstierspezies zu unterschiedlichen Schutzniveaus bei für den Menschen abgeleiteten Standards führt. Unter Berücksichtigung empirischer Erfahrungen wird bei der Übertragung von tierexperimentellen Ergebnissen aus Kanzerogenitätsstudien seit Jahrzehnten ein anderer Weg beschritten. Die EPA verwendete bis 1992 ein Scaling nach Körperoberfläche bei der Ableitung stoffspezifischer Krebsrisikoschätzungen. Es wurden Scalingfaktoren verwendet, deren Höhe je nach Größenunterschied der Versuchstierspezies zum Menschen unterschiedlich hoch waren. Diese Faktoren sollen den Einfluss der unterschiedlichen Körpergröße korrigieren. Nach dem Scaling nach Körperoberfläche wurde zur Übertragung von Daten aus Experimenten mit der Maus auf den Menschen ein Faktor 13 angewendet, für die Übertragung von der Ratte auf den Menschen ein Faktor 7. Scalingkonzepte beruhen auf der empirischen Beobachtung, dass zwischen anatomischen und physiologischen Größen P und dem Körpergewicht KG regelhafte Zusammenhänge bestehen. Diese Zusammenhänge zwischen anatomischen und physiologischen Parametern und dem Körpergewicht werden als allometrische Beziehungen bezeichnet. Sie lassen sich durch folgende, empirisch abgeleitete allometrische Grundgleichung ausdrücken.

10 10 Parameter P = a KG n [Gleichung 1] mit P = anatomischer oder physiologischer Parameter KG = Körpergewicht a = Proportionalitätskonstante n = allometrischer Exponent. Beispielsweise zeigen die meisten Organgewichte eine einfache lineare Beziehung zum Körpergewicht, d.h. sie sind ihm direkt proportional, der allometrische Exponent n ist 1. In der Toxikologie wird häufig angenommen, dass eine Schadstoffdosis, bezogen auf 1 kg Körpergewicht, bei Spezies unterschiedlicher Größe vergleichbare Effekte verursacht. Auch diese Annahme geht von der Gültigkeit einer allometrischen Beziehung, nämlich Äquipotente Dosis (in mg/kg) = a KG 1 (Scaling nach Körpergewicht) aus. Das oben bereits genannte Scaling nach Körperoberfläche verwendet eine andere allometrische Beziehung. Da die Körperoberfläche im Vergleich zum Körpergewicht unterproportional zunimmt, ist die Körperoberfläche relativ zum Körpergewicht bei kleinen Spezies größer als bei großen. Die Körperoberfläche ist proportional zum Körpergewicht in der Potenz 2/3. Dies entspricht folgender allometrischer Beziehung: Äquipotente Dosis (in mg/kg) = a KG 2/3 (Scaling nach Körperoberfläche) Ein weiteres Scalingkonzept verwendet den Kalorienverbrauch einer Spezies im Ruhezustand, den kalorischen Grundumsatz. Für diese physiologische Größe wurde eine über viele Spezies und Größenordnungen von Körpergewichten gültige Beziehung festgestellt, nach der der kalorische Grundumsatz mit dem Körpergewicht in der Potenz ¾ korreliert (Davidson et al., 1986, siehe Abbildung 2-1). Daraus kann folgende Beziehung abgeleitet werden:

11 11 Äquipotente Dosis (in mg/kg) = a KG 3/4 (Scaling nach kalor. Grundumsatz) Auf der Grundlage theoretischer Plausibilität und empirischer Auswertungen, die dieses Konzept favorisiert erscheinen ließen, verständigten sich US-amerikanische Bundesbehörden 1992 darauf, für die Kanzerogenitätsbewertung einheitlich das allometrische Konzept des Scaling nach kalorischem Grundumsatz ( caloric demand scaling ) anzuwenden (EPA, 1992). Eine Beschreibung der Grundlagen dieses Konzepts und der bis dahin verfügbaren empirischen Überprüfungen findet sich auch im Forschungsbericht zum Vorhaben des Umweltbundesamtes (Kalberlah und Schneider, 1998). Inwieweit empirische Daten das allometrische Konzept des Scaling nach Grundumsatz unterstützen, wird nicht einheitlich gesehen. Beispielsweise fanden Rhomberg und Wolff (1998) im Gegensatz zu älteren Daten, z.b. von Krasovskij (1975), keine Übereinstimmung mit dem Scaling nach kalorischem Grundumsatz für Daten zur akuten Toxizität (LD 50 -Werte) in verschiedenen Spezies. Ihre Auswertung, die an einer großen Anzahl von Substanzen erhoben wurde, weckte Zweifel an der Gültigkeit des Scaling nach kalorischem Grundumsatz. 1.2 Aufgabenstellung Die Aufgabe des vorliegenden Forschungsberichtes ist es toxikokinetische Parameter, LD 50 -Werte, LOAEL/NOAEL-Werte bei verschiedenen Spezies oder sonstige Angaben, die einen quantitativen Vergleich zwischen den Spezies erlauben, zu erfassen, basierend auf diesen empirischen Daten Unterschiede zwischen den Spezies zu prüfen und statistisch auszuwerten sowie Widersprüche und Limitierungen der Auswertungen zu diskutieren, vorliegende allometrische Ansätze zur Interspeziesextrapolation (Scaling nach Körpergewicht sowie Scaling nach kalorischem Grundum-

12 12 satz) anhand der Datenauswertungen zu überprüfen und Empfehlungen zur Anwendung in der regulatorischen Praxis zu geben. Dazu werden durch eigene Auswertungen in drei der vier wichtigen Datenbereiche zur Prüfung allometrischer Beziehungen Verbesserungen der Datenlage herbeigeführt (siehe Kapitel 3.1 bis 3.3): 1. Vergleichende Auswertung von pharmakokinetischen Kenngrößen aus präklinischen Prüfungen und Humanstudien 2. Vergleichende Auswertung von LD 50 -Werten für Spezies unterschiedlicher Körpergröße 3. Vergleichende Auswertung von Toxizitätsdaten aus der chronischen Toxizitätsprüfung von Pestiziden Zu einer weiteren Datenbasis für die empirische Prüfung von Speziesunterschieden, der akuten Toxizität von Zytostatika bei Versuchstieren und beim Menschen, liegen Datenzusammenstellungen in der Literatur vor. Diese werden in geeigneter Form aufbereitet, um Vergleichbarkeit herzustellen und in die Diskussion einbezogen (Kapitel 3.4). Zunächst werden in Kapitel 2 die theoretischen Grundlagen verschiedener allometrischer Betrachtungsweisen erläutert und dargestellt, welche Speziesunterschiede theoretisch bei einem Scaling nach Körpergewicht bzw. nach kalorischem Grundumsatz zu erwarten wären. Diese Erwartungswerte werden nachfolgend genutzt, um die Übereinstimmung der Ergebnisse der empirischen Auswertungen mit den Scalingkonzepten zu überprüfen. Die Ergebnisse des Vorhabens wurden im Rahmen eines vom Umweltbundesamt am 22. Oktober 2002 in Frankfurt am Main veranstalteten Fachgesprächs zur Diskussion gestellt (siehe Anhang 6). Anregungen der Teilnehmer des Fachgesprächs wurden in diesen Bericht aufgenommen.

13 13 2 Allometrisches Scaling: theoretische Grundlagen und Erwartungswerte 2.1 Theoretische Grundlagen des Scaling nach kalorischem Grundumsatz Dieses Konzept beruht auf der Beobachtung, dass verschiedene physiologische Parameter in vergleichbarer Weise mit dem Körpergewicht korrelieren und einen allometrischen Exponenten von etwa ¾ oder 0,75 aufweisen (Ings, 1990; Travis, 1993; Lin, 1998; Singer, 2001). Dieses sind vor allem der Kalorienverbrauch im Ruhezustand der Sauerstoffverbrauch im Ruhezustand das Atemminutenvolumen der Blutausstoß des Herzens die glomeruläre Filtrationsrate. Andere Parameter wie Verteilungsvolumina oder Organgewichte korrelieren eher linear mit dem Körpergewicht hoch 1 (ILSI, 1994). Aus der Beobachtung, dass das Atemvolumen und die Blutzirkulation mit dem Körpergewicht in der ¾ Potenz korrelieren, kann abgeleitet werden, dass der Stofftransport im Blut und damit auch die durch glomeruläre Filtration über die Niere ausgeschiedene Menge sich analog verhält. Danach könnte für die innere Exposition gegenüber einem aufgenommenen Schadstoff eine ähnliche Korrelation erwartet werden. Dies entspricht theoretischen Betrachtungen zur Toxikokinetik in vivo, nach denen die metabolische Clearance in den Organen, insbesondere in der Leber, in Konkurrenz zum Antransport des Substrats mit dem Blut steht. Wenn die metabolische Umsetzungsrate, charakterisiert durch die intrinsische metabolische Clearance, groß ist im Vergleich zur Organdurchblutung, wird der Stofftransport mit dem Blut für die Entfernung des Stoffs aus dem Gesamtorganismus geschwindigkeitsbestimmend (Ito et al, 1998). Blutausstoß

14 14 des Herzens und die Organdurchblutung verhalten sich zwischen Spezies unterschiedlicher Größe entsprechend dem Scaling nach kalorischem Grundumsatz. Da die Organdurchblutung mit der renalen Clearance und, unter den obigen Randbedingungen, mit der metabolischen Clearance und diese wiederum mit der inneren Belastung (in Form der AUC ( area under the curve, Fläche unter der Plasmakonzentrations-Zeitkurve) oder der Plasmakonzentration) korrelieren, kann hypothetisch formuliert werden, dass die innere Belastung im Mittel ebenfalls einem Scaling nach kalorischem Grundumsatz folgt. Die Konsequenzen für die innere Belastung werden in der nachfolgenden Abbildung 2-1 verdeutlicht (EPA, 1992). Wenn eine Maus im Vergleich zum Menschen das 7-fache einer Dosis (in mg/kg) intravenös erhält, ist ihre Plasmakonzentration zum Zeitpunkt 0 auch 7-mal so groß wie die des Menschen. Die Elimination verläuft bei der Maus jedoch sehr viel schneller, mit dem Ergebnis, dass die AUC beim Menschen trotz der niedrigeren Anfangskonzentration gleich ist wie bei der Maus. Beim Menschen genügt also ein Siebtel der Dosis bei der Maus, um die gleiche AUC zu erzielen (Scalingfaktor 7 für Maus: Mensch).

15 15 Abbildung 2-1: Theoretische Plasmakonzentrations-Zeitkurve entsprechend dem Scaling nach kalorischem Grundumsatz: gleiche AUC beim Menschen bei 1/7 der Dosis bei der Maus (aus EPA, 1992) Die Tatsache, dass das Atemminutenvolumen selbst mit dem Kalorienverbrauch im Ruhezustand korreliert, führt zu der Schlussfolgerung, dass gleiche Atemluftkonzentrationen bei Spezies unterschiedlicher Größe zur gleichen inneren Belastung führen (Kalberlah und Schneider, 1998). Nach diesen theoretischen Überlegungen führen also gleiche Atemluftkonzentrationen, nicht aber gleiche orale Dosen in mg/kg Körpergewicht bei verschiedenen Spezies zu gleicher innerer Belastung. Für inhalative Exposition wären danach geringere Scalingfaktoren sinnvoll als für orale Exposition. Im Folgenden werden aus den grundlegenden allometrischen Gleichungen für ein Scaling nach Körpergewicht und nach kalorischem Grundumsatz theoreti-

16 16 sche Erwartungswerte für den allometrischen Exponenten n hergeleitet (Kap. 2.2 und 2.3). Diese Erwartungswerte entsprechen den Steigungen von Geraden, die durch logarithmische Auftragung verschiedener Parameter wie äußere Dosis oder kinetische Größen (Clearance etc.) gegen das Körpergewicht erhalten werden. Die dazu notwendigen Daten können aus verschiedenen empirischen Quellen erhalten werden (Kap. 3). Damit ist es möglich, die vorliegenden Scalingkonzepte anhand der empirischen Daten zu beurteilen. 2.2 Theoretische Herleitung von Erwartungswerten für allometrische Exponenten bezüglich äquitoxischer Dosen Bei wirkungsbezogenen Vergleichen zwischen verschiedenen Spezies (siehe empirische Auswertungen in Kapitel 3.2 und 3.3) werden die speziesspezifischen Dosierungen gegenübergestellt, die zu gleichen Effekten führen (z.b. LD 50Spezies1 zu LD 50Spezies2, jeweils in mg/kg Körpergewicht). Für die Korrelation zwischen toxischer Dosis D und dem Körpergewicht werden nun zur Überprüfung allometrischer Prinzipien Erwartungswerte hergeleitet. Dabei wird von der Annahme ausgegangen, dass bei verschiedenen Spezies die gleiche Effektstärke dann zu erwarten ist, wenn die innere Exposition identisch ist. Anders ausgedrückt: es wird von einer im Mittel identischen toxikodynamischen Empfindlichkeit ausgegangen. Annahme: gleiche toxikodynamische Empfindlichkeit, d.h.: gleiche innere Exposition (C ss, Plasmakonzentration im steady state und/oder AUC für verschiedene Spezies gleich) führt zu gleicher Effektstärke

17 17 Theoretische Herleitung: D = a KG n D KG = D/KG = a KG n /KG = a KG (n-1) D KG = a KG (n-1) [Gleichung 2] mit D = absolute Dosis in mg D KG = körpergewichtsbezogene Dosis in mg/kg n = allometrischer Exponent (dimensionslos) KG = Körpergewicht in kg a = Proportionalitätskonstante Um eine lineare Korrelation (Geradengleichung) zu erzeugen, muss Gleichung 2 logarithmiert werden: log D KG = log a + b log KG mit der Steigung b der Geraden = n-1. Ein Scaling nach Körpergewicht (mit n=1) setzt voraus, dass die äquipotente Dosis vom Körpergewicht unabhängig ist. Eine Dosis in mg/kg führt danach bei Spezies unterschiedlicher Größe zu Effekten in gleicher Stärke. Hingegen ist nach dem Scaling nach kalorischem Grundumsatz (mit n=0,75) zu erwarten, dass äquipotente Dosen negativ mit dem Körpergewicht korrelieren (Steigung - 0,25), d.h. je größer das Körpergewicht, umso kleiner muss die Dosis (in mg/kg) sein, um gleiche Effektstärke zu erreichen (Abbildung 2-2).

18 18 Tabelle 2-1: Erwartungswerte für die Steigung der Auftragung log Dosis zu log Körpergewicht für das Scaling nach Körpergewicht und nach Grundumsatz Erwartungswert für Steigung b aus log D KG = a + b log KG D KG (körpergewichtsbezogene Dosis in mg/kg) D KG = a KG (n-1) bei Scaling nach Körpergewicht: n=1 0-0,25 bei Scaling nach Grundumsatz: n=0,75 Ergebnisbeschreibung: Scaling nach Körpergewicht: Effektstärke bei gegebener Dosis D KG unabhängig vom Körpergewicht Scaling nach Grundumsatz: effektive äußerer Dosis D KG nimmt mit Körpergewicht ab 10 Maus Ratte Mensch Dosis (mg/kg) 1 Scaling nach Körpergewicht Scaling nach Grundumsatz 0,1 0,01 0, Körpergewicht (kg) Abbildung 2-2: Erwartungswerte für äquitoxische Dosen (normiert für Maus=1) in Abhängigkeit vom Körpergewicht bei allometrischem Scaling nach Körpergewicht oder nach Grundumsatz

19 19 Die Berechnung von Scalingfaktoren bzw. Erwartungswerten für Vergleiche zwischen zwei bestimmten Spezies (siehe verschiedene Auswertungen in Kap. 3) kann ebenfalls ausgehend von Gleichung 2 erfolgen. Ein Scaling nach Körpergewicht sagt für alle Vergleiche von äquipotenten Dosen ein Speziesverhältnis von 1 voraus, d.h. kein Unterschied zwischen den äquipotenten Dosen bei Spezies unterschiedlicher Größe. Hingegen resultiert mit n=0,75 für das Scaling nach kalorischem Grundumsatz aus Gleichung 2: D KG = a KG -0,25 und für den Vergleich der äquipotenten Dosen für Spezies S1 bzw. S2: D KG-S1 / D KG-S2 = (KG S1 / KG S2 ) -0,25 mit D KG-Sx = äquipotente körpergewichtsbezogene Dosis (in mg/kg) für Spezies X und KG Sx = Körpergewicht der Spezies X. Tabelle 2-2 gibt für gebräuchliche Versuchstierspezies die Scalingfaktoren für Körpergewichtsscaling bzw. Scaling nach kalorischem Grundumsatz an. Tabelle 2-2: Theoretische Scalingfaktoren Tier/Mensch für verschiedene Versuchstierspezies (für den Menschen angenommenes Körpergewicht: 70 kg) mittleres Körpergewicht (Tierspezies) nach EPA (1986) Scaling nach Körpergewicht Scaling nach Grundumsatz Maus/ Mensch Ratte/ Mensch Kaninchen/ Mensch Affe/ Mensch Hund/ Mensch 30 g 350 g 3,8 kg 8 kg 12 kg ,0 3,8 2,1 1,7 1,6

20 Theoretische Herleitung von Erwartungswerten für allometrische Exponenten bezüglich toxikokinetischer Parameter Bei der Auswertung toxiko- oder pharmakokinetischer Studien werden kinetische Parameter wie die maximale Plasmakonzentration (C max ), Verteilungsvolumen (V d ), Plasma-Halbwertszeit (t 1/2 ), Area under the curve (AUC) und/oder die Gesamt-Clearance (CL tot ) bestimmt (siehe empirische Auswertungen in Kapitel 3.1). Entweder werden in Studien zur Kinetik von Fremdstoffen bei verschiedenen Spezies gleiche Dosen D KG verwendet oder die Daten lassen eine Normierung auf eine einheitliche Dosis zu. Die Auswertungen in Kapitel 3.1 beinhalten, soweit nicht bereits von den Autoren eine einheitliche Bezugsbasis gewählt wurde, eine Normierung auf 1 mg/kg. Gedankliche Voraussetzung für die nachfolgenden theoretischen Betrachtungen: Dosisnormierung (die körpergewichtsbezogene zugeführte Dosis D KG ist bei verschiedenen Spezies konstant) Gleichgewichts-Plasmakonzentration C SS Die Plasmakonzentration unter Gleichgewichtsbedingungen C SS als ein Maß der inneren Exposition war in Gleichung 1 konstant angenommen worden und damit ein Bestandteil der Proportionalitätskonstanten a. Bei pharmakokinetischen Studien wird nun D KG über die Spezies konstant gehalten, bzw. auf eine einheitliche applizierte Dosis (in mg/kg) normiert. Die allometrische Beziehung kann wie folgt formuliert werden:

21 21 D = a 1 C SS KG n C SS = (D/a 1 ) (1/KG n ) und mit D = D KG KG C SS = (D KG /a 1 ) (KG/KG n ) und mit D KG /a 1 = a 2 C SS mit = a 2 KG (1-n) C SS = Plasmakonzentration im Gleichgewicht (steady state), in mg/l D = absolute Dosis in mg D KG = körpergewichtsbezogene Dosis in mg/kg n = allometrischer Exponent (dimensionslos) KG = Körpergewicht in kg a 1 und a 2 = numerisch nicht bestimmte Proportionalitätskonstanten. Für den Fall des Scaling nach Körpergewicht (n=1) wäre zu erwarten, dass die Plasmakonzentration bei gleicher äußerer Dosis (in mg/kg) bei Spezies verschiedener Größe gleich ist. Währenddessen wäre die innere Exposition (in Form der Gleichgewichts-Plasmakonzentration) nach dem Prinzip des Scaling nach kalorischem Grundumsatz (n=0,75) bei gleicher äußerer Dosis (in mg/kg) bei größeren Spezies höher.

22 22 Tabelle 2-3: Erwartungswerte für die Steigung der Auftragung log C SS zu log Körpergewicht für das Scaling nach Körpergewicht und nach Grundumsatz Erwartungswert für Steigung b aus log C SS = a + b log KG bei Scaling nach Körpergewicht: n=1 C SS = a KG (1-n) 0 0,25 bei Scaling nach Grundumsatz: n=0,75 Ergebnisbeschreibung: Scaling nach Körpergewicht: Plasmakonzentration (innere Exposition) bei konstanter äußerer Dosis D KG unabhängig vom Körpergewicht Scaling nach Grundumsatz: Plasmakonzentration (innere Exposition) nimmt bei konstanter äußerer Dosis D KG mit Körpergewicht zu 10 Css (mg/l) 1 Maus Ratte Mensch Scaling nach Körpergewicht Scaling nach Grundumsatz 0,1 0,01 0, Körpergewicht (kg) Abbildung 2-3: Plasmakonzentration C SS (normiert für Maus=1) bei gleicher applizierter Dosis in Abhängigkeit vom Körpergewicht: Erwartungswerte nach allometrischem Scaling nach Körpergewicht oder nach kalorischem Grundumsatz

23 Maximale Plasmakonzentration C max Bei einer einmaligen Gabe einer Substanz sind zunächst die Geschwindigkeit der Aufnahme und das Verteilungsvolumen bestimmend für die sich einstellende maximale Plasmakonzentration. Bei intravenöser Gabe wird die maximale Plasmakonzentration praktisch unmittelbar erreicht. Das absolute Verteilungsvolumen V d (in l) ist wie andere Körpervolumina abhängig von der Körpergröße und damit nicht über alle Spezies konstant. Das körpergewichtsbezogene Verteilungsvolumen V d (in l/kg) jedoch kann für eine bestimmte Substanz für verschiedene Spezies als konstant angenommen werden, soweit keine relevanten speziesspezifischen Unterschiede (z.b. in der Proteinbindung der Substanz) vorliegen (siehe Kap ). Wenn das relative Verteilungsvolumen (in l/kg Körpergewicht) sich von Spezies zu Spezies nicht unterscheidet, sollte sich bei Gabe einer gleichen intravenösen Dosis D KG (in mg/kg) bei verschiedenen Spezies die gleiche maximale Plasmakonzentration (in mg/l) einstellen, da die Elimination keinen Einfluss auf die Konzentration zum Zeitpunkt t=0 hat. Die Plasmakonzentration nach i.v.-gabe ist unabhängig von der Art des Scaling und bei gleicher äußerer Dosis D KG konstant (n=0) (siehe Abbildung 2-1). Bei Applikationsarten mit endlicher Aufnahmegeschwindigkeit (z.b. oraler Exposition) tritt die Aufnahme in Konkurrenz mit der Elimination. Je langsamer die Aufnahme, umso deutlicher wird dieser Einfluss ausfallen. Wenn die Elimination einer allometrischen Beziehung nach kalorischem Grundumsatz folgt, wird diese abhängig vom Applikationspfad mehr oder weniger deutlich C max beeinflussen: bei intravenöser Gabe wird kein Einfluss auf C max zu beobachten sein, bei langsamer Aufnahme wird sich ein Unterschied im Scalingprinzip bemerkbar machen können: Beim Scaling nach Körpergewicht beträgt der Erwartungswert für die Steigung in jedem Fall (analog zu C SS, siehe oben) 0, d.h. C max ist bei gegebener äußerer Dosis D KG bei allen Spezies gleich.

24 24 Beim Scaling nach kalorischem Grundumsatz wird die Steigung für die maximale Plasmakonzentration zwischen 0 (Extremfall intravenöse Gabe, kein Einfluss der Elimination) und 0,25 (Extremfall Gleichgewichtsbedingungen), liegen, je nach Einfluss der Elimination. Tabelle 2-4: Erwartungswerte für die Steigung der Auftragung log C max zu log Körpergewicht für das Scaling nach Körpergewicht und nach Grundumsatz Erwartungswert für Steigung b aus log C max = a + b log KG i.v.-gabe: orale Gabe: bei Scaling nach Körpergewicht: n=1 0 0 bei Scaling nach Grundumsatz: n=0,75 0 keine Abhängigkeit von der Elimination 0-0,25 je nach Verhältnis Aufnahmezu Eliminationsgeschwindigkeit Fläche unter der Plasmakonzentrations-Zeitkurve AUC ( area under the curve ) Die Fläche unter der Plasmakonzentrations-Zeitkurve AUC ( area under the curve ) wird bestimmt durch Aufnahme und Elimination, im Gleichgewichtszustand ist sie proportional zur Plasmakonzentration, C ss ; für sie gelten dieselben Erwartungswerte (siehe Tabelle 2-3).

25 25 C SS ~ AUC = a 3 KG (1-n) mit C SS = Gleichgewichts-Plasmakonzentration, in mg/l AUC = area under the curve, in (mg min)/l n = allometrischer Exponent (dimensionslos) KG = Körpergewicht in kg a 3 = nicht numerisch bestimmte Proportionalitätskonstante Gesamt-Clearance CL tot Definitionsgemäß steht die Clearance über CL tot = D/AUC in Beziehung zur absoluten Dosis und zur AUC (Marquardt und Schäfer, 1994). Mit D = D KG KG ergibt sich CL tot = (D KG KG)/AUC. Mit AUC = a 3 KG (1-n) und D KG = konstant (für dosisnormierte pharmakokinetische Studien) ergibt sich CL tot = a 4 KG/KG (1-n) = a 4 KG n

26 26 Tabelle 2-5: Erwartungswerte für die Steigung der Auftragung log Gesamt- Clearance zu log Körpergewicht für das Scaling nach Körpergewicht und nach Grundumsatz Erwartungswert für Steigung b aus log C max = a + b logkg bei Scaling nach Körpergewicht: n=1 CL tot = a 4 KG n 1 0,75 bei Scaling nach Grundumsatz: n=0,75 Interpretation: Scaling nach Körpergewicht: Clearance bei konstanter äußerer Dosis D KG direkt proportional zum Körpergewicht Scaling nach Grundumsatz: Clearance nimmt bei konstanter äußerer Dosis D KG langsamer zu als das Körpergewicht (bezogen auf ein kg Körpergewicht ist die Clearance bei großen Spezies kleiner als bei kleinen Spezies) Clearance (ml/min) 100 Scaling nach Körpergewicht Scaling nach Grundumsatz 10 Maus Ratte Mensch 1 0,01 0, Körpergewicht (kg) Abbildung 2-4: Gesamt-Clearance CL tot (für die Abbildung normiert auf Maus=1) bei gleicher applizierter Dosis in Abhängigkeit vom Körpergewicht: Erwartungswerte nach allometrischem Scaling nach Körpergewicht oder nach Grundumsatz

27 Halbwertszeit t 1/2 Die Plasma-Halbwertszeit t 1/2 ist umgekehrt proportional zur Gesamt-Clearance (Marquardt und Schäfer, 1994). t 1/2 mit = (ln2 V d )/CL tot t 1/2 = Plasma-Halbwertszeit V d = Verteilungsvolumen (in l) CL tot = Gesamt-Clearance Das absolute Verteilungsvolumen V d (in l) ist, wie gesagt, abhängig von der Körpergröße und damit nicht über alle Spezies konstant. Hingegen kann das körpergewichtsbezogene Verteilungsvolumen V d (in l/kg) für eine bestimmte Substanz für verschiedene Spezies als konstant angenommen werden, wenn keine speziesspezifischen Besonderheiten das Verteilungsvolumen beeinflussen (z.b. Unterschiede in der Proteinbindung zwischen den Spezies). Damit ergibt sich mit CL tot = a 4 KG n und mit V d = V d KG t 1/2 = (ln2 V d KG)/a 4 KG n = a 5 KG (1-n) Damit ergeben sich für die Halbwertszeit dieselben Erwartungswerte wie für die steady state-plasmakonzentration.

28 28 Tabelle 2-6: Erwartungswerte für die Steigung der Auftragung log t 1/2 zu log Körpergewicht für das Scaling nach Körpergewicht und nach Grundumsatz Erwartungswert für Steigung b aus log t 1/2 = a + b log KG bei Scaling nach Körpergewicht: n=1 t 1/2 = a KG (1-n) 0 0,25 bei Scaling nach Grundumsatz: n=0,75 Ergebnisbeschreibung: Scaling nach Körpergewicht: Halbwertszeit bei konstanter äußerer Dosis D KG unabhängig vom Körpergewicht Scaling nach Grundumsatz: Halbwertszeit nimmt bei konstanter äußerer Dosis D KG mit Körpergewicht zu Verteilungsvolumen V d Das Verteilungsvolumen steht wie andere Volumina oder Organgewichte in linearer Beziehung zum Körpergewicht, wenn nicht speziesspezifische Besonderheiten, z.b. bezüglich der Proteinbindung, vorliegen. Beide allometrischen Konzepte sehen eine lineare Beziehung zum Körpergewicht vor. Wird das Verteilungsvolumen in der Dimension Liter (l) dargestellt, so resultiert ein Erwartungswert von ungefähr 1 (siehe Tabelle 2-7), d.h. das Verteilungsvolumen ändert sich direkt linear mit dem Körpergewicht. Wird das Verteilungsvolumen bereits auf das Körpergewicht bezogen ausgedrückt (Einheit l/kg) würde ein Erwartungswert von 0 für den allometrischen Exponenten resultieren Zusammenfassung der allometrischen Erwartungswerte Nach den obigen theoretischen Ausführungen ergeben sich nach den jeweiligen allometrischen Konzepten folgende Erwartungswerte für die allometrischen Exponenten (d.h. für die Steigungen der jeweiligen Regressionsgeraden der doppelt-logarithmierten Werte).

29 29 Tabelle 2-7: Erwartungswerte für die allometrischen Exponenten bezüglich der Dosis D KG sowie bezüglich pharmakokinetischer Parameter für ein Scaling nach Körpergewicht bzw. kalorischem Grundumsatz Parameter bei Scaling nach Körpergewicht bei Scaling nach Grundumsatz Äquipotente Dosis D KG 0-0,25 max. Plasmakonzentration C max 0 0 bis 0,25 Gleichgewichts-Plasmakonz. 0 0,25 Area under the curve AUC 0 0,25 Clearance CL tot 1 0,75 Halbwertszeit t 1/2 0 0,25 Verteilungsvolumen V d (in l) 1 1

30 30 3 Empirische Auswertungen 3.1 Daten zur Kinetik von Pharmaka Ausgangsbasis Aus der präklinischen Untersuchung pharmazeutischer Wirkstoffe liegen in erheblichem Umfang Daten zur Pharmakokinetik von Stoffen an verschiedenen Spezies einschließlich des Menschen vor. Erfasst werden üblicherweise einer oder mehrere der folgenden Parameter: Gesamt-Clearance (CL tot ), maximale Plasmakonzentration (C max ), Verteilungsvolumen (V d ), Plasma-Halbwertszeit (t 1/2 ), Area under the curve (AUC), teilweise auch Bioverfügbarkeit und kinetische Parameter für Metaboliten. Der Vergleich dieser Parameter zwischen Spezies unterschiedlichen Körpergewichts erlaubt die Prüfung allometrischer Prinzipien in Bezug auf das kinetische Verhalten von Fremdstoffen. Peters-Vollenberg et al. (1994) verwendeten die Anmeldungsdossiers zu 26 Pharmaka, um zu prüfen, ob die kinetischen Daten eher mit einem Scaling nach Körpergewicht (allometrischer Exponent 1) oder nach Grundumsatz (allometrischer Exponent 0,75) übereinstimmten. Die Autoren geben die jeweilige Anzahl von Datensätzen an, für die nach den beiden Methoden Überschätzungen oder Unterschätzungen der wirksamen Dosis im Vergleich zu den pharmakokinetischen Daten resultierten. Allerdings wird in der Veröffentlichung keine quantitative Analyse der beobachteten Unterschiede gezeigt. Eine quantitative Auswertung der Unterschiede für Indikatoren der inneren Belastung ermöglicht es, zu analysieren, ob eine Abhängigkeit vom Körpergewicht der untersuchten Spezies vorliegt. Dazu können die in Kap. 2.3 theoretisch abgeleiteten Erwartungswerte zum Vergleich heran gezogen werden. Nachfolgend werden Studien zur Kinetik von Pharmaka beim Menschen und im Versuchstier hinsichtlich der speziesspezifisch erhaltenen Werte für kinetische Parameter ausgewertet. In einem weiteren Auswerteschritt wurden Studien gesucht und ausgewertet, in denen kinetische Parameter für Metaboliten der verabreichten

31 31 Muttersubstanz im Speziesvergleich bestimmt wurden. Damit soll der Frage nachgegangen werden, ob in Abhängigkeit von der Metabolisierung unterschiedliche allometrische Zusammenhänge sichtbar werden Methodisches Vorgehen In der Datenbank Medline (PUBMED) wurden Veröffentlichungen recherchiert, die kinetische Parameter zu mindestens drei Säugerspezies beschrieben (siehe die detaillierte Beschreibung in Anhang 3). Folgende Spezies wurden in die Auswertung einbezogen: Mensch, Hund, Affe (verschiedene Spezies, Daten zusammengefasst), Kaninchen, Katze, Hamster, Meerschweinchen, Ratte, Maus. Vereinzelt waren auch Angaben zu seltener verwendeten Versuchstierspezies, wie z.b. der Wüstenrennmaus, vorhanden. Da die Gesamtmenge dieser Daten jedoch keine statistisch tragfähigen Aussagen zuließ, wurden diese selten eingesetzten Spezies nicht in die Auswertung einbezogen (Ausnahme: Daten zu Metaboliten, siehe unten). In mehreren Studien werden zum Vergleich mit den experimentell ermittelten Versuchstierdaten Humandaten aus anderen Quellen herangezogen, manchmal auch Daten von weiteren Spezies aus der Literatur ergänzt (z.b. Grene-Lerouge et al. (1996) mit kinetischen Untersuchungen an Maus, Ratte und Kaninchen zu Digoxin-spezifischen Antikörper-Fragmenten und Vergleich mit Humandaten aus der Literatur, siehe Anhang 3). Diese wurden üblicherweise in die Auswertung einbezogen, soweit die gemachten Angaben einen Vergleich zuließen (z.b. musste bei Angaben zu C max oder AUC ersichtlich sein, ob eine Dosisnormierung durchgeführt wurde bzw. es mussten Angaben zur Dosierung vorliegen). Andere Arbeiten fassen in einer Übersicht die bestehenden Daten zur Kinetik einer Substanz zusammen und verwenden dazu Daten aus verschiedenen Veröffentlichungen (z.b. Übersichtsarbeit von Chiou und Choi (1995) zu Theophyllin). Diese Datenzusammenstellungen wurden ebenfalls in die Auswertung übernommen.

32 32 Bezüglich des Applikationsweges oder der Applikationsdauer wurden bei der Studienauswahl keine Einschränkungen gemacht. Verschiedentlich wurden in Abhängigkeit von der Spezies unterschiedliche Applikationswege verwendet. Z.B. applizierte Cherkofsky (1995) die Prüfsubstanz bei der Maus intravenös, bei den anderen Spezies jedoch intraperitoneal (siehe Kap ). In der statistischen Auswertung wurden folgende Parameter erfasst: Maximale Plasmakonzentration C max Fläche unter der Konzentrations-Zeitkurve AUC Plasma-Halbwertszeit t 1/2 Verteilungsvolumen V d Gesamt-Clearance CL. Für die Untersuchung allometrischer Zusammenhänge bei Metaboliten wurden dieselben Kriterien angewendet, zusätzlich war gefordert, dass in der Untersuchung einer oder mehr der oben angegebenen kinetischen Parameter für die Metaboliten bestimmt wurde. Soweit nicht von den Autoren bereits durchgeführt, wurden die Angaben zu C max und AUC auf die Dosis 1 mg/kg Körpergewicht normiert. Ein Datensatz besteht aus Angaben zu einem der oben genannten kinetischen Parameter zu einer Substanz. Die Daten wurden in Excel -Tabellen überführt. Für jeden Datensatz wurde eine Korrelationsrechnung zur Abhängigkeit des kinetischen Parameters vom Körpergewicht der untersuchten Spezies durchgeführt. Soweit in den Publikationen Körpergewichte zu den verwendeten Tieren nicht angegeben waren, wurden Standardwerte nach EPA (1986) verwendet (siehe Tabelle 3-8). Zusätzlich wurden Studien gesucht und ausgewertet, die für mindestens 2 Spezies einen der genannten Parameter für einen Metaboliten der verabreichten Substanz bestimmten. Da die Literatursuche ergab, dass nur wenig Daten zu

33 33 Metaboliten vorliegen, wurden die ausgewerteten Spezies nicht auf die oben genannten (wichtigsten) beschränkt, sondern die Daten zu allen untersuchten Spezies einbezogen. Die ausgewerteten Daten umfassen pharmakologisch aktive Substanzen aus verschiedenen Klassen: organische lipophile Wirkstoffe, organische Säuren, Proteine (siehe Anhang 3). Statistische Auswertungen wurden im Programm Excel unter Verwendung des Zusatzmoduls Analyse-it (Analyse-it Software Ltd., Version 1.63) durchgeführt (Einstichproben-t-Test, zweiseitig, Bestimmung des Vertrauensintervalls zum Median, Konfidenzniveau jeweils 95%) Kinetik von Muttersubstanzen Datenlage Es wurden 50 Veröffentlichungen zu 71 Substanzen ausgewertet, in denen pharmakokinetische Daten zur verabreichten Substanz für drei oder mehr Spezies berichtet werden. In diesen Untersuchungen wurden teilweise mehrere der oben genannten Parameter bestimmt, es ergeben sich die folgenden Anzahlen von Datensätzen. Tabelle 3-1: Anzahl von Datensätzen für die verschiedenen pharmakokinetischen Parameter Parameter Anzahl Datensätze Maximale Plasmakonzentration C max 10 Area under the curve, AUC 16 Gesamt-Clearance CL tot 74 Plasma-Halbwertszeit t 1/2 46 Verteilungsvolumen V d 54 Eine Kurzbeschreibung der ausgewerteten Studien findet sich in Anhang 3.

34 Ergebnisse Regressionsanalyse Abbildung 3-1 stellt beispielhaft die Auswertung anhand von Korrelationsrechnungen für den Datensatz von Cherkofsky (1995) dar. Der Autor untersuchte die Kinetik von 1-Aminocyclopropancarbonsäure (APCP). APCP ist ein Agonist des N-Methyl-D-Aspartat-Rezeptors im zentralen Nervensystem und bindet an die Glycin-Bindungsstelle. Die Substanz hat eine pharmakologische Wirkung als Antikonvulsivum und Antidepressivum. Die Studie enthält Daten zu Verteilungsvolumen (steady state), Clearance (Plasma) und Halbwertszeit für die Spezies Maus, Ratte, Affe (Cynomolgus), Hund und Mensch. Die folgende Abbildung gibt die Daten aus der Publikation wieder. Zusätzlich werden die Geraden gezeigt, die sich aus einer linearen Regressionsanalyse der logarithmierten Körpergewichte versus logarithmierter kinetischer Parameter ergeben.

35 35 2,5 2 1,5 log [Parameter] 1 0,5 0-0,5 AUC Vd Cl Cmax T1/2-1 -1,5-2 log KG Abbildung 3-1: Kinetische Daten und Korrelationsgeraden für 5 Spezies (von links nach rechts: Maus, Ratte, Affe, Hund, Mensch) zu 1- Aminocyclopropancarbonsäure (Daten aus Cherkofsky, 1995) Die Regressionsanalyse ergibt die Steigung der Geraden sowie die Qualität der Korrelation (durch den Korrelationskoeffizienten): Analog zu diesem Beispiel wurde für jeden auswertbaren Parameter aus jedem Datensatz die Steigung b der Regressionsgeraden nach der Beziehung log Parameter P = a + b log KG berechnet. Die Gesamtmenge der Ergebnisse zu jedem ausgewerteten Parameter ist in der folgenden Tabelle zusammengestellt. Die Erwartungswerte (siehe Kap. 2.3) für ein Scaling nach Körpergewicht bzw. Grundumsatz sind zum Vergleich aufgeführt. Geometrische Mittelwerte konnten wegen des Auftretens negativer Steigungen nicht errechnet werden.

36 36 Tabelle 3-2: Ergebnis der Regressionsanalyse pharmakokinetischer Daten: Anzahl der Datensätze, Steigung b (Mittelwert mit Standardabweichung, Median sowie 5-95-Perz.), Median der Korrelationskoeffizienten sowie zum Vergleich Erwartungswerte des Scaling nach Körpergewicht bzw. kalorischem Grundumsatz C max AUC CL tot t 1/2 V d Anzahl n AM 0,06 0,22 a 0,77 a 0,19 a, b 0,96 c SD 0,19 0,17 0,18 0,13 0,15 Median 0,10 d 0,24 d 0,77 e 0,21 d 0,96 5-Perzentil -0,24-0,01 0,50-0,01 0,71 95-Perzentil 0,18 0,45 1,10 0,40 1,23 Median der Korrelationskoeffizienten 0,71 0,77 0,98 0,79 0,99 Erwartungswerte (siehe Kap. 2.3): Scaling nach Körpergewicht Grundumsatz 0-0,25 0,25 0,75 0,25 1 a statistisch signifikant von Erwartungswert nach Körpergewicht verschieden (Einstichproben-t-Test, zweiseitig, p<0,0001) b statistisch signifikant von Erwartungswert nach kalorischem Grundumsatz verschieden (Einstichproben-t-Test, zweiseitig, p<0,005) c grenzwertig signifikant von Erwartungswert 1 verschieden (Einstichproben-t-Test, zweiseitig, p=0,046) d 95% Vertrauensintervall des Medians > jeweiliger Erwartungswert für Scaling nach Körpergewicht e 95% Vertrauensintervall des Medians < 1 (Erwartungswert für Scaling nach Körpergewicht) Die Auswertungsergebnisse in Tabelle 3-2 ergeben folgendes Bild: Maximale Plasmakonzentration C max : Erwartungsgemäß zeigt die Plasmakonzentration keine deutliche Abhängigkeit vom Körpergewicht. Das arithmetische Mittel liegt bei 0,06, der Median ist 0,10. Da in die Mehrzahl der Studien die Verabreichung parenteral (in der Regel intravenös) erfolgte, ist ein Steigungsmaß zwischen 0 und 0,25 plausibel (siehe Kap ). Werden die Studien mit oraler Applikation allein betrachtet, ergibt sich auf Basis von nur 3 Werten ein Median von 0,11 (Tabelle 3-3).

37 37 Area under Curve, AUC: Obwohl nur 16 ausgewertete Studien AUC-Angaben lieferten, zeigt sich eine deutliche Abhängigkeit vom Körpergewicht: Die AUC nimmt bei gleicher Dosis mit dem Körpergewicht zu. Die Steigung (AM: 0,22, Median: 0,24) liegt nahe bei dem Erwartungswert von 0,25 für eine allometrische Beziehung zum Grundumsatz: Die AUC-Steigungswerte weichen signifikant vom Erwartungswert 0 für ein Scaling nach Körpergewicht ab. Gesamt-Clearance CL tot : Für die Clearance liegen die meisten Werte vor. Auch für diesen Parameter ist eine hohe Übereinstimmung mit dem Erwartungswert 0,75 für ein Scaling nach kalorischem Grundumsatz erkennbar: arithmetisches Mittel und Median liegen bei 0,77. Die Werte sind wiederum statistisch nicht mit einem Scaling nach Körpergewicht vereinbar (Erwartungswert 1). Plasma-Halbwertszeit t 1/2 : Im Mittel ist eine Verlängerung der Halbwertszeit mit zunehmendem Körpergewicht erkennbar. Der arithmetische Mittelwert von 0,19 liegt nahe beim Erwartungswert von 0,25 nach Scaling nach Grundumsatz, weicht aber noch statistisch signifikant ab (p=0,0037). Der Median von 0,21 ist nicht statistisch signifikant vom Erwartungswert von 0,25 verschieden (Vertrauensintervall 0,13-0,26). Die Abweichung vom Erwartungswert für ein Scaling nach Körpergewicht ist deutlich (p<0,0001). Verteilungsvolumen V d : Erwartungsgemäß steigt das Verteilungsvolumen linear mit dem Körpergewicht (AM und Median: 0,96). Die Abweichung vom gemeinsamen Erwartungswert 1 ist trotz der hohen Übereinstimmung im Einstichproben-t-Test grenzwertig signifikant.

38 38 Güte der Korrelationen: Insgesamt wurden für die einzelnen Datensätze gute Korrelationen (log Parameter versus log Körpergewicht) festgestellt (siehe Medianwerte für die für alle Datensätze und Parameter erhaltenen Korrelationskoeffizienten). Für die Clearance und das Verteilungsvolumen lagen die Korrelationskoeffizienten im Median sogar bei 0,98 bzw. 0,99. Für Steigungen im Bereich nahe dem Wert 0 wären niedrige Korrelationskoeffizienten zu erwarten gewesen. Einfluss des Applikationspfades: Insgesamt liegen 8 Studien vor, in denen Pharmaka oral verabreicht wurden (siehe Anhang 3). Tabelle 3-3 gibt eine separate Auswertung dieser Studien an. Tieren wurden die Substanzen in diesen Studien per Schlundsonde verabreicht, Versuchspersonen nahmen die Wirkstoffe in Kapselform oder in Lösungen auf. Statistische Aussagen sind auf Basis dieser wenigen Datensätze nicht sinnvoll. Allerdings lassen die Werte keine relevante Abweichung von der Gesamtauswertung erkennen. Zwar ist wahrscheinlich, dass durch speziesspezifische Besonderheiten in der Bioverfügbarkeit die Daten bei oraler Exposition stärker streuen als bei parenteraler Gabe. Im Mittel sind aber übereinstimmende Werte zu erwarten, was durch Tabelle 3-3 in der Tendenz bestätigt wird. Tabelle 3-3: Ergebnis der Regressionsanalyse pharmakokinetischer Daten: Auswertung von Studien mit ausschließlich oraler Applikation C max AUC CL tot t 1/2 V d Anzahl n AM -0,07 0,16 0,67 0,23 0,95 Median 0,11 0,17 0,66 0,26 0,96 Erwartungswerte (siehe Kap. 2.3): Scaling nach Körpergewicht Grundumsatz 0-0,25 0,25 0,75 0,25 1