Pharmakologie und Toxikologie

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1 Pharmakologie und Toxikologie Stephanie Negele Eine Zusammenfassung der Vorlesungen von Prof. Dr. U. Bartz aus dem 4. Semester Naturwissenschaftliche Forensik an der Hochschule Bonn-Rhein-Sieg

2 Inhaltsverzeichnis 1 Einführung Definitionen Das (L)ADME-Prinzip Pharmakokinetik Applikation Resorption Arzneimittelresorption (Ion trapping) Verteilung Eiweißbindung Die Verteilung beeinflussende Faktoren Biotransformation Phase I - Reaktionen Phase II - Reaktionen Praktikumsversuch: Metabolisiserung von Acetylsalicylsäure Ausscheidung Renale Ausscheidung Biliäre und intestinale Ausscheidung Pharmakokinetische Parameter Grundlagen und Definitionen Pharmakokinetische Modelle Kinetik nach i.v. Injektion (Einkompartiment-Modell) Kinetik nach i.v. Injektion (Zweikompartiment-Modell) Kinetik bei einmaliger oraler Gabe Kinetik bei wiederholter Gabe Nichtlineare Kinetik Übungen aus der Vorlesung Übungsaufgabe 1: Intravenöse Bolusinjektion Übungsaufgabe 2: Urindaten nach intravenöser Bolusinjektion Übungsaufgabe 3: Orale Applikation Pharmakokinetische Formelsammlung Pharmakodynamik 44 4 Pharmakogenetik 48 1

3 Kapitel 1 Einführung Anders als es die Bezeichnung des Moduls erahnen lässt, haben wir im Semester nur den Teil der Pharmakologie besprochen und da auch nur dieser Teil prüfungsrelevant ist, werde ich mich in meiner Zusammenfassung auf den Bereich der Pharmakologie beschränken. Grundlage dieser Zusammenfassung sind die Werke von Ernst Mutschler Arzneimittelwirkungen [1] und Arzneimittelwirkungen kompakt [2]. Das Nachfolgende erhebt keinen Anspruch auf Richtigkeit. Es ist eine Zusammenfassung der in den Vorlesungen und den Praktika besprochenen Inhalten und dient mir als Grundlage der Prüfungsvorbereitung. 1.1 Definitionen Wirkstoffe sind Substanzen, die in lebenden Organismen eine biologische Wirkung verursachen. Diese biologische Wirkung beschreibt die Gesamtheit der Veränderungen in einem biologischen System, die durch den Wirkstoff hervorgerufen wird. Bei diesen Wirkstoffen gibt es zum einen die Arzneistoffe, welche eine vorbeugende, lindernde oder heilende Wirkung haben und zur Erkennung von Krankheiten genutzt werden können. Sie haben eine eher positive Wirkung auf das biologische System. Die besondere Aufbereitung bzw. Zubereitung eines Arzneistoffs wird Arzneimittel genannt. Zum anderen gibt es das Gift, welches einen Schadstoff darstellt und somit auf das biologische System eine negative Wirkung hat. Bei Arzneistoffen ist die positive Wirkung stets abhängig von der Dosis, da ab einer gewissen Dosis Arzneimittel auch schädlich auf das biologische System wirken. Gifte hingegen sind im engeren Sinne ausschließlich schädlich. Die Wirk(ungs)stärke einer Substanz ist ein Maß für die Dosis oder Konzentration, die erforderlich ist, um die gewünschte Wirkung zu erzielen. Je größer die Wirkstärke, desto niedriger ist die notwendige Dosis (Konzentration). Die intrinsische Aktivität beschreibt den Maximaleffekt im biologischen System, der durch die Substanz erzielt werden kann. Die Wirksamkeit eines Arzneimittels beschreibt die Effektivität im biologischen System im Bezug auf die zu erzielende Wirkung. Der Begriff Pharmakon stellt ein Synonym zum Arzneistoff bzw. Arzneimittel dar, jedoch ohne den wertenden Aspekt, ob eine positive Wirkung im biologischen System erreicht wird. Somit gibt es für 2

4 den Begriff der Pharmakologie auch verschiedene Interpretationsmöglichkeiten. Sie kann enggefasst als Lehre von den Wirkungen der Arzneimittel an gesunden oder kranken Organismen oder weitergefasst als Lehre der Wechselwirkungen zwischen chemischen Substanzen und biologischen Systemen definiert werden. Dadurch entstehen fließende Übergänge zu anderen Fachgebieten, wie der Physiologie, Mikrobiologie etc. Gesetzmäßigkeiten, welche durch pharmakokinetische und -dynamische Untersuchungen erkannt wurden sind die Grundlagen der allgemeinen Pharmakologie. Zu ihren Aufgaben gehören neben der Entwicklung von Arzneistoffen, deren Prüfung und Entwicklung von Therapieansätzen auch die Verbesserung bereits entwickelter Pharmaka durch strukturelle Abwandlung, Optimierung der Anwendung aber auch die Aufklärung der Pharmakokinetik sowie die Suche nach Möglichkeiten zur Verhütung und Bekämpfung von Vergiftungen. Tierversuche dienen als Indikation für den Erfolg und der Einschätzung des Risikos von Humantests. Die Pharmakokinetik befasst sich mit den zeitabhängigen Konzentrationsveränderungen von Pharmaka im Organismus. Dabei wird die Resorption, die Verteilung, die Veränderung der Molekülstruktur und die Exkretion betrachtet, ebenso wie die mathematischen Bezüge, welche benötigt werden, um Modelle zu entwickeln, welche dann zur Auswertung genutzt werden können. Es wird beschrieben, was der Organismus mit dem Pharmakon macht. Die Pharmakodynamik hingegen beschäftigt sich mit der Wirkung der Pharmaka am Wirkort und wie diese Wirkung zustande kommt. Es wird beschrieben, was das Pharmakon mit dem Organismus macht. Die Molekularpharmakologie beschäftigt sich mit der Aufklärung von pharmakokinetischen und -dynamischen Aspekten auf molekularer Ebene. Die klinische Pharmakologie untersucht die Wirkung von bereits entwickelten Arzneimitteln am Menschen und entwickelt so Therapieansätze. Die Toxikologie ist die Lehre von den für Organismen und Umwelt schädlichen Eigenschaften von chemischen Substanzen. 1.2 Das (L)ADME-Prinzip Das (L)ADME Prinzip fasst die Vorgänge zusammen, welche durch die Applikation eines Pharmakons im Organismus auflaufen. Die Buchstaben stehen für die Abkürzungen von: L = Liberation Freisetzung des Wirkstoffs (nur bei oraler Applikation) A = Absorption Resorption, Aufnahme in die Blutbahn (S.6) D = Distribution Verteilung im Organismus (S.10) M = Metabolisation Verstoffwechselung des Stoffes (Phase I - II-Reaktionen auf S.12 und auf S.16.) E = Excetion Ausscheidung des Stoffes über Niere oder Leber (S.24 und S.28). Im Folgenden betrachte ich die Pharmakokinetik, darunter die einzelnen Bereiche des (L)ADME Prinzips und Pharmakokinetische Parameter. Anschließend werde ich die Pharmakodynamik behandeln, im speziellen dort die Pharmakon-Rezeptor-Interaktion. Da in den Vorlesungen die Pharmakogenetik nicht besprochen wurde, werde ich nur kurz darauf eingehen. Der Vollständigkeit wegen. 3

5 Kapitel 2 Pharmakokinetik Die Wirkung eines Arzneimittels ist das Ergebnis zahlreicher Vorgänge im Organismus, welche man grob in die drei Bereiche pharmazeutische, pharmakokinetische und pharmakodynamische Phase einteilen kann. Die pharmazeutische Phase beinhaltet bei den festen Arzneiformen den Zerfall und die Auflösung des Arzneimittels. Sie wird dadurch vorwiegend von den galenischen (physikalisch/chemisch) Eigenschaften des Arzneimittels bestimmt. Zur pharmakokinetischen Phase gehören die Teilprozesse der Resorption, Verteilung und Elimination. Man versteht unter der Resorption die Aufnahme des Arzneistoffes in den Organismus und unter der Verteilung den Stofftransport vom Blut in die Gewebe. Die Elimination hingegen bezeichnet alle Prozesse, die zur Konzentrationsabnahme des Arzneistoffes im Organismus führen, also sowohl die Biotransformation als auch die Ausscheidung. Der Organismus wird bei pharmakokinetischen Betrachtungen in der Regel als offenes oder Fließsystem vereinfacht. Dabei wird ein ständiger Stoff- und Energieaustausch impliziert. Ist die Bilanz von Zu- und Ausfuhr ausgeglichen, so spricht man vom Fließgleichgewicht oder Steady-State. Der Organismus ist stets darauf ausgerichtet, diesen Steady-State zu erreichen oder zu erhalten. Die Zufuhr eines Pharmakon bedeutet unweigerlich eine Störung dieses Gleichgewichts, sodass der Organismus die Ursache der Störung möglichst zügig beseitigen möchte. Zur pharmakodynamischen Phase rechnet man die Pharmakon- Rezeptor-Wechselwirkung sowie die sich anschließenden Vorgänge, die Rezeptor-Effektor-Kopplung, an deren Ende der pharmakologische Effekt steht (also die klinische oder toxikologische Wirkung). Die Arzneimittelwirkung hängt somit nicht nur von den pharmakodynamischen Eigenschaften ab, also was der Organismus gegen das Pharmakon bewirkt, sondern vor allem von Faktoren wie der Arzneiform, Art und Ort der Applikation, der Resorbierbarkeit bzw. der Resorptionsgeschwindigkeit, der Verteilung im Organismus, der Bindung und Lokalisation im Gewebe, der Metabolisierung (Biotransformation) und der Ausscheidbarkeit. Dies entspricht den pharmazeutischen und pharmakokinetischen Parametern. Um die Höhe der Einzeldosis und das Dosierungsintervall zu bestimmen, benötigt man pharmakokinetische Untersuchungen. In diesen Untersuchungen werden verschiedene Zubereitungen verglichen (Bioverfügbarkeit/Bioäquivalenz), das Resorptionsverhalten bestimmt, die erreichbaren Wirkstoffkonzentrationen ermittelt und die Biotransformationswege bzw. das Ausscheidungsverhalten erforscht. 4

6 2.1 Applikation Es gibt mehrere Möglichkeiten, eine Substanz in einen Organismus einzuführen. Man unterscheidet dabei grundlegend, ob es sich um eine Anwendung auf der Körperoberfläche oder mithilfe eines perforierten Instruments (Bsp. Injektion) in das Körperinnere handelt. Art und Ort der Applikation sowie die Arzeiform richten sich dabei nach den chemischen und physikalischen Eigenschaften des Arzneistoffs, dem gewünschten Wirkungseintritt und der Wirkungsdauer, dem Ort, an dem das Pharmakon wirken soll und nach dem Zustand des Patienten. Soll der Wirkungseintritt rasch erfolgen, so empfiehlt sich eine Applikation, bei der die Resorption wegfällt,wie der der intravasalen (in ein Gefäß) Injektion. Soll jedoch die Wirkung erst nach und nach oder nach einer bestimmten Zeit einsetzen, so empfiehlt sich eine Applikation, bei der die Resorption für die Verzögerung sorgt. Soll der Wirkstoff aber nur gezielt an einer Stelle wirken, so muss die Applikation auf einen Ort beschränkt sein und nicht systemweit wirken. Wird eine systemweite Wirkung benötigt, so muss der Arzneistoff direkt in die Blutbahn injiziert werden oder eine resorbierbare Form haben, sodass er über die Membranen des Organismus in die Blutbahn gelangt. Häufig muss man zudem den Zustand des Patienten beachten. Bei bewusstlosen Patienten wäre eine orale (durch den Mund) Applikation fatal, da der Schluckreflex im bewusstlosen Zustand nicht funktioniert. Patienten mit Problemen an der Magen- oder Darmschleimhaut sind ebenfalls problematisch bei oralen Applikationen. Andererseits haben orale Applikationen bei Angstpatienten und Kindern Vorteile, da man so die Spritzen vermeiden kann. Durch physikalisch-chemische Verfahren gelingt es bei vielen Substanzen alle Applikationsarten herzustellen. Schwer lösliche Substanzen können mithilfe von Lösungsvermittlern bei Vorhandensein von ionisierbaren Gruppen durch Salzbildung in eine lösliche Form überführt werden und können so injiziert werden. Säureempfindliche Substanzen können mit magensaftresistenten Überzügen der oralen Applikation zugänglich gemacht werden. Jedoch ist bei manchen Substanzen, wie den Peptiden, der Spielraum sehr begrenzt. Die Proteasen im Magendarmtrakt würden die Peptide unweigerlich zerstören, sodass sie nur parenteral oder nasal zugeführt werden können. Man unterscheidet vier verschiedene Applikationsorte und -arten. Zur topischen Applikation zählen neben der Lokalbehandlung von Hauterkrankungen auch die Anwendung von Aerosolen und die Injektion von Lokalanästetika in ein Gewebe (örtliche Betäubung). Durch die lokale Wirkung genügt eine geringere Dosis, da der Wirkstoff nicht systemisch wirken muss. Zugleich birgt die lokale Anwendung jedoch die Gefahr der Auslösung von Allergien insbesondere bei Applikation auf der Haut. Bei der parenteralen Applikation wird das Arzneimittel intravasal (in Gefäße, meist intravenös) als Injektion oder Infusion verabreicht. Die Dosierung kann dadurch sehr exakt eingestellt werden. Die Bioverfügbarkeit ist durch die direkte Einspritzung in die Gefäße in der Regel 100%. Das Blut sorgt für eine rasche Verdünnung des Arzneimittels und wirkt zugleich als Pufferlösung. Dadurch sind die Anforderungen an die Isotonie 1 und die Isohydrie 2 eher gering. Würde man in Muskelgewebe (intramuskulär) oder unter die Haut (subkutan) injizieren, müsste man diese Werte speziell anpassen, 1 Gleicher osmotischer Druck wie der Umgebung. 2 ph-wert des Arzneimittels muss gleich dem der Umgebung sein. 5

7 um eine lokale Unverträglichkeit zu vermeiden. Der wohl größte Vorteil ist, dass der Arzneistoff sehr schnell den Wirkort erreicht und nahezu augenblicklich systemisch wirken kann. Ist der Zeitfaktor entscheidend, so empfiehlt sich die intravasale Gabe. Ebenso bringt die i.v. Gabe auch Gefahren, z.b. wenn der Arzneistoff eine geringe therapeutische Breite 3 hat. Außerdem ist der Aufwand, Belastung und Risiko für den Patienten erheblich größer. Häufig haben Patienten Angst vor Spritzen, das Risiko ist erhöht, da eine Injektion neben eine Vene (paravenös) zum Verlust von Extremitäten, Keimverschleppung und Hämolyse 4 führen kann. Am häufigsten werden Arzneimittel oral appliziert. Die Herstellung dieser Arzneimittel ist leicht und die Verabreichungsform wird von den meisten Patienten bevorzugt. Gefahren bergen die schlechte Resorbierbarkeit des Arzneimittels aus dem Magen-Darm-Kanal oder Irritation der Magendarmschleimhaut. Manche Arzneimittel können in diesem Falle mit magensaftresistenten Überzügen versehen werden. Diese erhöhen die Verträglichkeit. Die rektale Applikation wird nur in seltenen Fällen angewandt. Die Resorptionsquote kann sehr variieren und ist im Vergleich zu den anderen drei Applikationsarten am niedrigsten. Sie wird meist angewandt, wenn ein bestimmter Wirkspiegel nicht notwendig ist und keine bedrohliche Situation vorliegt. So ist die Anwendung von Analgetika (Schmerzmittel) und Antipyretika (fiebersenkendes Mittel) bei Kleinkindern und Säuglingen sinnvoll, ebenso bei Patienten, die Probleme mit Erbrechen und Magenstörungen. Bei allen Applikationsformen, bei denen ein Resorptionsprozess stattfindet, tritt das Problem der Bioverfügbarkeit auf. Eine fehlerhafte Herstellung (chemisch-physikalisch: Teilchengröße, Kristallmodifikation, ungeeignete Hilfs- und Trägerstoffe, schlechte Zerfallbarkeit, etc.) wirkt sich ebenso negativ aus wie die Biotransformation beim Durchgang durch den Magen-Darm-Trakt und die Leber (Firstpass-Effekt (s auf S.21)). 2.2 Resorption Unter der Resorption eines Stoffes versteht man dessen Aufnahme über eine Körperoberfläche, sei es die Haut oder eine Schleimhaut, wie sie im Mund oder im Magen-Darm-Trakt vorliegt, sodass der Wirkstoff in die Blutbahn oder das Lymphgefäßsystem gelangt, um in den Gesamtorganismus verteilt zu werden. Ein Pharmakon kann nur dann wirksam werden, wenn es in einer bestimmten Konzentration am Wirkort angelangt. Deshalb ist eine ausreichende Resorption wichtig, um einen therapeutischen Effekt zu erzielen, wenn das Pharmakon nicht direkt am Wirkort appliziert wird. Der Wirkstoff muss dabei stets die Lipiddoppelschichten der Zellmembranen durchqueren. Diese werden hier Resorptionsbarrieren genannt. Handelt es sich um einen lipophilen Wirkstoff, so kann er die Membran entlang des Konzentrationsgefälles durchqueren. Ist er hydrophil (lipophob) 5, so muss er durch entsprechende Membranproteine durch die Lipiddoppelschicht geführt werden. Die Diffusion entlang des Konzentrationsgefälles wird auch als Permeation bezeichnet. Sie folgt dem Frickschen Gesetz: Bei der passiven Diffusion ist der Stofftransport direkt proportional dem Konzentrationsgradienten, der Membranoberfläche und dem Verteilungskoeffizienten der betreffenden 3 Abstand zwischen der therapeutischen Dosis und der toxisch wirkenden Dosis ist gering. 4 Auflösung der Erythrozyten nach einer verkürzten Lebensdauer. Führt nach einiger Zeit zur Blutarmut (Anämie), falls der Abbau der Erythrozyten größer ist als die Neubildung. 5 Hydrophil bedeutet wasserliebend. Der Stoff zeigt starke Wechselwirkungen mit Wasser. In der Regel ist er ionisch oder polar und kann sich gut in Wasser lösen. 6

8 Substanz und umgekehrt proportional der Membrandicke. Es gilt: Diffusionsrate q = Membranoberfläche A Membrandicke d Diffusionskoeffizient D Konzentrationsgradient (C 0 C i ) Ähnlich der rein passiven Diffusion funktioniert die erleichterte (faciliated diffusion) mithilfe von Carrier-Proteinen in den Membranen auch entlang des Konzentrationsgefälles zwischen Membraninnenund -außenseite. So können auch hydrophile Substanzen, die nur schwer durch die Lipiddoppelschicht gelangen ohne Zufuhr von Energie transportiert werden (Bsp. Fructose). Die Carrier-Proteine sind durch Inhibitoren beeinflussbar. Muss ein Stoff nun entgegen des Konzentrationsgefälles transportiert werden, so ist Energie notwendig, um den aktiven Transport zu ermöglichen. Die Membranproteine sind durch chemisch ähnliche Substanzen hemmbar. In der Regel funktioniert der Transport mit Natriumionen im Wechsel. Durch eine Natriumpumpe wird ein Konzentrationsgefälle in die Zelle hinein aufgebaut, wodurch ein Kotransport mit der hydrophilen Substanz ermöglicht wird. Als vierte Transportmöglichkeit gibt es die Pinozytose (für Flüssigkeiten) und Phagozytose (für Festpartikel), bei der sich Vesikel um die Substanz bilden und in die Membran eingestülpt werden. Man kann sich diesen Transportweg als Trojanisches Pferd vorstellen. Bei der Persorption werden feste Teilchen oder sogar ganze Zellen zwischen den Zellen der Haut hindurch geschleust. Diese Form kommt jedoch nur sehr selten vor. Saure und basische organische Arzneistoffe werden bevorzugt in der nichtionisierten und damit lipidlöslichen Form aufgenommen. Ein Beispiel dafür ist die Acetylsalicylsäure, welche im Magen zunächst in der ionisierten Form vorliegt, aufgrund des stark sauren Milieus protoniert wird und somit ungeladen vorliegt. In diesem ungeladenen Zustand ist die Acetylsalicylsäure lipophil, kann durch passiven Transport entlang des Konzentrationsgefälles transportiert werden und gelangt so in die Zellen der Magenschleimhaut. Dort liegt ein eher neutrales Milieu vor, sodass die Acetylsalicylsäure deprotoniert wird und in ihrer ursprünglichen Form vorliegt. Im Magen werden demnach schwache Säuren gut resorbiert, während schwache Basen dort nicht durch die Zellmembranen gelangen. Der resorbierte Wirkstoff wird mit dem Blut abtransportiert, sodass das Konzentrationsgefälle aufrecht erhalten wird. Liegt eine schlechte Durchblutung vor, so ist die Resorptionsgeschwindigkeit entsprechend niedrig. Gerade bei oraler Gabe sind die Eigenschaften der Magen- und Darmschleimhaut entscheidend. Saure bis neutrale Arzneistoffe werden im Magen resorbiert, während basische Stoffe erst im Darm aufgenommen werden. Dies ist in der folgenden Tabelle verdeutlicht. (2.1) 7

9 Region Länge (m) Oberfläche (m 2 ) ph-wert Verweilzeit Mikroorganismen Ösophagus >30 Sekunden nicht bekannt Magen Std. < 10 2 Duodenum >5 Min. < 10 2 Jejunum Std. < 10 2 Ileum Std. < 10 7 Colon Std. < Tabelle 2.1 Die Eigenschaften des Magen-Darm-Trakts Die großen Oberflächen in Jejunum und Ileum sind ideal für die Resorption von Arzneistoffen. Andererseits hat die Oberflächengröße der Substanz direkten Einfluss auf die Resorptionsgeschwindigkeit. Je kleiner die Partikel, desto schneller können sie resorbiert werden. Ebenso kann die Resorption durch Zugabe von viskositätserhöhenden Makromolekülen verlangsamt werden oder in dem man die Tabletten mit schwerlöslichen Überzügen versieht, sodass der Wirkstoff nur langsam frei wird. Problematisch bei der Depotwirkung ist, dass der Einfluss auf den Plasmaspiegel erheblich größer ist, wenn eine Gabe vergessen wird. Damit die Substanzen vollständig resorbiert werden können, ist es notwendig, dass sie sich in Wasser lösen. Gegebenenfalls werden die Substanzen im sauren oder basischen Milieu ionisiert, damit sie sich im Wasser lösen Arzneimittelresorption (Ion trapping) Grundlage für die Resorption von sauren oder basischen Substanzen ist die Betrachtung der Henderson- Hasselbalch-Gleichung. Für Säuren sieht sie wie folgt aus: pk a = ph + log( [HA] [A ] )oderph pk a = log( [A ] [HA] ) (2.2) Die Henderson-Hasselbalch-Gleichung beschreibt den Zusammenhang zwischen dem ph-wert einer Lösung und der Lage des Gleichgewichts einer Säure-Base-Reaktion zwischen einer Säure HA und ihrer korrespondierenden Base A. Am Beispiel der Acetylsalicylsäure gilt folgende Gleichung für die Dissotiation in wässriger Lösung: HA H + + A (2.3) wobei HA für die nicht-ionisierte Form steht, also nachdem die Protonierung im stark sauren Milieu des Magens stattgefunden hat. Aspirin hat einen pk a -Wert=4.5 und ist damit eine schwache Säure. Eine schwache Säure dissoziiert nur wenig, das bedeutet, dass das Gleichgewicht auf der Seite der 8

10 Säure liegt, hier auf der rechten Seite. In neutralem Wasser würde man demnach mehr Säure-Teilchen finden, als protonierte. Jetzt haben wir allerdings die besondere Situation, dass das Aspirin oral eingenommen wurde und somit unweigerlich im Magen gelandet ist. Im Magen sind sehr starke Säuren, die ganz viele Protonen abgeben wollen. Sie zwingen den Aspirin-Teilchen nun ihre Protonen auf, sodass das Aspirin-Teilchen nun nicht mehr als Säure, sondern als konjugierte Base vorliegt (also so, wie es auf der linken Seite des Gleichgewichts dargestellt ist). Da im Magen so viele starke Säuren vorhanden sind, kippt dadurch das Gleichgewicht auf die linke Seite um. Es liegen viel mehr protonierte Teilchen vor, als ionisierte. In dieser protonierten, ungeladenen Form können die Aspirin-Teilchen nun leicht durch die Zellmembranen diffundieren. In den Zellen bzw. im Blut herrscht ein eher neutrales bis basisches Milieu, sodass das Aspirin-Teilchen sein ungeliebtes H + wieder abgeben kann. Dadurch ist ihm der Rückweg durch die Zellmembranen in den Magen allerdings verwehrt. Diese komplette Geschichte kann man in der Henderson-Hasselbalch-Gleichung zusammenfassen. Hierfür runden wir den pk a -Wert des Aspirins auf 5 auf, damit die Rechnung einfacher ist. Als ph-wert im Magen nehmen wir 2 an. Außerdem nehmen wir an, dass es 1 Teilchen ionisiertes Aspirin gibt und 1000 Teilchen protoniertes. pk a = ph + log( [HA] [A ] ) 5 = 2 + log( ) 5 = 2 + log(10 3 ) 5 = Aber wie sieht das ganze jetzt aus, wenn wir eine schwache Base haben? Das ganze wieder von vorn: B + HCl BH + + Cl (2.4) Auch hier wird im wässrigen Medium gearbeitet, sodass genügt H + vorhanden sind. BH + stellt nun unser Pharmakon dar, beispielsweise Strychnin 6. Die Henderson-Hasselbalch-Gleichung lässt sich äquivalent auch für Basen aufstellen. Dann sieht sie wie folgt aus: pk b = ph + log( [BH+ ] [B] (2.5) wobei BH + die Base darstellt und B die konjugierte Säure. Im Falle von Strychnin, welches einen pk b -Wert von 9.5 hat, handelt es sich um eine schwache Base. Schwache Basen dissoziieren ebenso ungern wie schwache Säuren. In diesem Fall möchte das Strychnin sein Proton unbedingt behalten und mag es gar nicht abgeben. Im sauren Milieu des Magens sind auch schon so viele Protonen vorhanden, dass es für das Proton des Strychnins auch nicht besonders attraktiv erscheint, woanders hinzugehen. Aus diesem Grund liegen hier mal angenommen 10 7 Teilchen 6 Strychnin ist ein starkes Gift, welches Muskelerstarrung bewirkt. In sehr geringen Dosen wird es als Analeptikum verwendet, um das Nervensystem anzuregen oder einzelne Funktionsabschnitte wie das Atemzentrum. Es steht auf der Dopingliste. Früher wurde es auch als Rattengift verwendet. Beim Menschen wirkt es ab 30mg toxisch und hat deshalb eine geringe therapeutische Breite. 9

11 in der ionisierten Form, also mit dem Proton vor, aber nur ein einziges Teilchen, welches sein Proton abgegeben hat und damit nicht mehr geladen ist. Also stellen wir die Gleichung wieder auf: pk b = ph + log( [HB+ ] ) [B] 9 = 2 + log( ) 9 = 2 + log(10 7 ) 9 = Durch die saure Umgebung im Magen wird das Strychnin also seine positive Ladung nicht abgeben. Solange es dies aber nicht getan hat, kann es die Zellmembranen zu den Blutgefäßen nicht durchqueren, sodass es weiter in den Darm gelangt. Wie wir bereits oben in Tabelle 1 gesehen haben, liegt im Darm ein basisches Milieu vor, sodass das Strychnin erst im Duodenum resorbiert wird. Faustregel: Saure Arzneimittel werden am besten in saurem Milieu resorbiert. Basische Arzneimittel hingegen in basischem Medium. Außerdem werden für die passive Diffusion durch Membranen ungeladene Teilchen benötigt. Sie müssen gelöst vorliegen und dürfen nicht an Proteine gebunden werden, da sie dann zu groß für die passive Diffusion sind. Liegen sie proteingebunden vor, so herrscht stets ein Ungleichgewicht zwischen Gewebe und Umgebung. 2.3 Verteilung Die Verteilung ist als reversibler Substanztransport von einem Teil des Körpers in einen anderen definiert. Unter dem Verteilungsgleichgewicht versteht man den Zustand konstanter Konzentrationsverhältnisse in den verschiedenen Teilen des Körpers. Der Arzneistoff ist nun in die Blutbahn gelangt und wird vom Blutstrom durch das Gefäßsystem transportiert. Da nun die Arzneimittelkonzentration im Blut höher ist, als im umliegenden Gewebe, versucht die Substanz nun den Blutkreislauf zu verlassen. Dabei spielen Faktoren wie die Durchblutung der Organe und Gewebe ebenso eine Rolle wie die Durchlässigkeit der Membranen und die ph-differenz zwischen Plasma und Gewebe. Aber auch Eigenschaften wie Molekülgröße, die Bindung an Plasma- und Gewebeproteine, chemische Eigenschaften und die Löslichkeit der Substanz spielen eine entscheidende Rolle. Am einflussreichsten ist jedoch die Durchblutung der Organe und Gewebe, da der Blutstrom für die Verteilung sorgt. In stark kapillarisierten Organen wie Niere und Leber ist die Pharmakonkonzentration zu Beginn erheblich größer. Das Gleichgewicht mit den weniger stark durchbluteten Arealen wie der Skelettmuskulatur stellt sich erst nach einiger Zeit ein. Man teilt unter funktionellen Gesichtspunkten das Gesamtkörperwasser in die beiden Kompartimente Intrazellularraum und Extrazellularraum auf. Zum intrazellularen Kompartiment gehören vor allem die Zellflüssigkeiten (Intrazelluläre Flüssigkeit), zum extrazelluaren Kompartiment zählt man neben dem Plasmawasser auch den interstitiellen Raum (Zwischenraum zwischen den Zellen) und die 10

12 transzellulare Flüssigkeit (z.b. Schweiß, Kammerwasser im Auge). Der Unterschied zwischen der interstitiellen und transzellularen Flüssigkeit besteht darin, dass letzte ihre Zusammensetzung durch die Tätigkeit spezieller Zellen erhält. Man unterscheidet drei Arten von Arzneistoffen hinsichtlich ihrer Verteilung, solche, die sich nur im Plasma, im Plasma und im restlichen Extrazellularraum und solche, die sich sowohl im Extra- als auch im Intrazellularraum verteilen. Eine besonders leichte Verteilung hat man dort, wo das Kapillarendothel 7 größere oder kleinere Poren aufweist (z.b. in Leber oder Niere). Die Substanz wird in der Regel in zahlreichen Einstülpungen und Bläschen durch das Endothel in das Intestitium 8 transportiert. Dieser Transport ist im Gehirn durch die Gliazellen auf den Hirnkapillaren erschwert, da diese ein Permeationshindernis darstellen (Blut-Hirn-Schranke). Lipidlösliche Stoffe können durch die Membranen der Gliazellen hindurch diffundieren, hydrophile jedoch nicht, wenn sie nicht aktiv transportiert werden. Bei entzündlichen Prozessen nimmt die Permeabilität zu, sodass dann auch hydrophile Stoffe in die Hirnkapillaren gelangen. Ebenso ist dies beim Eintritt in den intrazellularen Raum, der durch die Membranen der Zellen auf gleiche Weise geschützt ist Eiweißbindung Sind Arzneistoffe an Plasma-, Gewebe- der Erythrozytenproteine gebunden, so hat dies Auswirkung auf die Verteilung des Pharmakons. An der Eiweißbindung können die verschiedensten Bindungen beteiligt sein, wodurch die Bandbreite an Stoffen, die an Eiweiße gebunden werden können, sehr groß ist. Die Bindung ist für körperfremde Stoffe unspezifisch und findet somit hauptsächlich an den wenigen Stellen statt, an denen gute Proteinbindung möglich ist (hohe Affinität). Die Eiweißbindung ist reversibel. Die Affinität von Substanzen zu verschiedenen Proteinen variiert, sodass jene Proteine mit der höchsten Affinität das Verteilungsgleichgewicht auf ihre Seite verschieben. Durch die Bindung an Plasmaproteine kann der Wirkstoff nicht diffundieren und bleibt proteingebunden im Blut. Nur der ungebundene Wirkstoff kann noch an den Wirkort gelangen. Erst, wenn die Konzentration des freien Wirkstoffs einen kritischen Punkt erreicht, werden die Proteinbindungen gelöst und der so gespeicherte Wirkstoff wird frei Die Verteilung beeinflussende Faktoren Sowohl Löslichkeit als auch Affinität 9 haben Einfluss auf die Verteilung und Anreicherung von Stoffen im Organismus. Ethanol ist aufgrund seiner alkoholischen Eigenschaft sehr gut wasserlöslich und ist ein kleines Molekül, welches gut durch Membranbarrieren diffundieren kann. Deshalb verteilt es sich rasch im Gesamtkörperwasser. Arsentrioxid beispielsweise reichert sich bevorzugt in keratinhaltigen Geweben (Haut, Nägel, Haare) an, da dort besonders viele SH-Gruppen vorhanden sind. 7 Als Endothel (lat. endothelium) bezeichnet man die zum Gefäßlumen hin gerichteten Zellen der innersten Wandschicht von Lymph- und Blutgefäßen (Tunica intima). Unabhängig von ihrem je nach Gefäßart unterschiedlichen Aufbau sind alle Gefäße aus dem Herz-Kreislauf-System mit einer einzelligen Lage von Endothelzellen ausgekleidet. 8 Intestitium: Raum zwischen dem organspezifischen Gewebe, in denen meist Blut-, Lymph- und Nervenbahnen liegen. 9 Im chemischen Sinne ist hier eine Art Bestreben von Molekülen gemeint, mit anderen Molekülen bestimmter Eigenschaften Wechselwirkungen einzugehen. 11

13 2.4 Biotransformation Die Umwandlungsprozesse von Fremdsubstanzen, wie es Arzneimittel sind, werden als Biotransformation bezeichnet. Diese erfolgt vor allem in der Leber und untergeordnet in anderen Organen wie Darm, Niere, Lunge, Milz, Muskulatur, Haut oder im Blut. Man unterscheidet zweierlei Arten von Enzymen, die an der Biotransformation beteiligt sind. Zum einen die strukturgebundenen Enzyme, welche beispielsweise in Zellmembranen (endoplasmatisches Retikulum, Mitochondrien) gebunden sind und zum anderen die strukturungebundenen Enzyme, welche als lösliche Enzyme vorhanden sind. Letztere sind wenig substratspezifisch, wodurch sie viele unterschiedliche Substrate umsetzen können. Die Enzyme sind neben der Biotransformation von Pharmaka (oder allgemeiner Xenobiotika 10 ) auch noch am Stoffwechsel von körpereigenen Stoffen beteiligt. Die Darmflora trägt neben den Organen durch Reduktion und Hydrolyse zur Biotransformation bei. Man kann die Biotransformation in die folgenden Vorgänge einteilen: Abbildung 2.1 Die wichtigsten Vorgänge bei der Biotransformation Phase I - Reaktionen Wie in Abb. 2.1 zu sehen ist durchläuft ein Pharmakon die Metabolisation in zwei Schritten. In der ersten Phase wird es entweder oxidiert, reduziert oder hydrolysiert, um dann in der zweiten Phase an eine andere Substanz gekoppelt zu werden. In vielen Fällen ist die Phase I-Reaktion notwendig, um die Kopplung an eine andere Substanz erst zu ermöglichen. Die folgenden Reaktionen sind klausurrelevant, bieten jedoch nur einen limitierten Einblick in die Reaktionsmechanismen, welche in der ersten Phase stattfinden können. 10 Xenobiotika: körperfremde Stoffe 12

14 Reaktion Reaktionsgleichung Substrate Oxidation von Alkoholen und Aldehyden Benzylalkohol, Pyridoxin Aliphatische Hydroxilierung Barbiturat Oxidative N-Dealkylierung Ephedrin, Methamphetamine, Lidocain Phenacetin, Codein, Mescalin, Papaverin Aldehyd Reduktion Oxidative O-Dealkylierung Chloralhydrat Hy- Ester drolyse Acetylsalicylsäure, Cocain, Procain, Pethidin Tabelle 2.2 Biotransformationswege von Pharmaka in Phase I 13

15 Oxidationsreaktionen, an denen Oxidasen 11 beteiligt sind, kommt bei der Biotransformation eine besondere Bedeutung zu. Mono- und Dioxygenasen oxidieren, in dem sie einem Substrat Wasserstoff oder Elektronen entziehen. Durch Monooxygenasen wird ein Sauerstoffatom von einem Sauerstoffmolekül in das Substrat eingebaut und das andere zu Wasser reduziert 12. Bei den Dioxygenasen werden sogar beide Sauerstoff-Atome in das Substrat eingebaut. Monooxygenasen liegen in gelöster Form in Vesikeln (Mikrosomen) vor. Einige dieser Monooxygenasen enthalten das Hämprotein Cytochrom P Enzyme sind substratspezifisch und induzierbar 14 aufgrund ihrer Aminosäuresequenzen. Dennoch gibt es Proteine, die sich in ihrer Sequenz und Funktion ähnlich sind, weshalb man sie klassifiziert und in Isoenzym-Familien einteilt, welche wiederum in Unterfamilien untergliedert werden (s. Kapitel 4). Die folgende Abbildung zeigt den Reaktionsmechanismus mit dem Hämprotein Cytochrom P-450. Abbildung 2.2 Der Mechanismus der Oxidation eines Pharmakons (P) durch Cytochrom P Oxidasen sind Enzyme, welche Reaktionen katalysieren, bei denen Wasserstoff von einem Substrat auf ein Sauerstoff übertragen wird. 12 Reduktion: Aufnahme eines Elektrons (oder Wasserstoffs). 13 Hämproteine enthalten als prosthetische Gruppe (nicht aus Aminosäuren bestehend) Eisen. Man nennt diese Proteine konjugierte Proteine. Die Bezeichnung Cytochrom P-450 beruht auf der starken Absorption von Licht der Wellenlänge 450nm. 14 Induzierbarkeit: Ausgelöst durch einen Induktor (chemische Substanz, Licht, Temperatur) kann die Bildung von Enzymen beeinflusst werden. 14

16 Die Reaktionskette lässt sich wie folgt zusammenfassen: NADP H + H + + O 2 + R H NADP + + H 2 O + R OH (2.6) Durch die Reaktion mit Cytochrom P-450 erhält das Pharmakon eine OH-Gruppe, was sich bioaktivierend oder -deaktivierend auswirken kann. Der Organismus verstoffwechselt das Pharmakon, um es ausscheiden zu können. Manche Pharmaka werden dadurch zerstört, sodass sie nicht mehr wirken können. Andere werden durch die Oxidationsreaktion erst in einen Zustand versetzt, in dem sie im biologischen System eine Wirkung erzielen können. Die wohl wichtigste Reduktionsreaktion ist die beim Abbau von Alkohol stattfindende. Das Enzym Alkoholdehydrogenase kann sowohl Alkohol in Aldehyde und Ketone umwandeln, als auch andersherum. Beim Abbau von Alkohol in Lebewesen wird Ethanol unter Energieverbrauch zu Acetaldehyd reduziert: CH 3 CH 2 OH + NAD + CH 3 CHO + NADH + H + Dieses ist jedoch toxisch und wird von Aldehyd-Dehydrogenasen zu Acetat oxidiert: CH 3 CHO + NAD + CH 3 COOH + NADH + H + Zu den wichtigsten Biohydrolysen gehören die Spaltung von Estern und Amiden zu Säuren und Alkoholen oder zu Aminen, wenn Esterasen (Amidasen) beteiligt sind. Die beteiligten Enzyme für die Spaltung von Estern und Amiden sind die gleichen, allerdings läuft die Spaltungsreaktion bei Estern wesentlich schneller ab. Die Enzyme können sowohl intra- (mikrosomal gebunden) als auch extrazellulär (gelöst) vorkommen. Bei der Metabolisierung (oder Biotransformation) von Xenobiotika treten vor allem die Pseudocholin-Esterasen, Ali-Esterasen (Spaltung von aliphatischen Estern und Amiden) und Aryl-Esterasen (für aromatische Restgruppen) auf. Ein Beispiel für eine solche Ester-Hydrolyse ist die Bildung von Salicylsäure aus Acetylsalicylsäure. Abbildung 2.3 Esterhydrolyse von Acetylsalicylsäure zu Salicylsäure und Essigsäure In Gegenwart von Wasser werden die Acetat-Ionen abgespalten. Durch die Hydrolyse entsteht Salicylsäure. Ein Beispiel für die Amid-Hydrolyse ist Lidocain, ein in der Medizin eingesetztes Betäubungsmittel. Abbildung 2.4 Nachdem am Lidocain-Molekül eine N-Desalkylierung stattgefunden hat, wird das übriggebliebene Molekül hydrolysiert und anschließend oxidiert. 15

17 Zusammenfassung: Das Hämprotein Cytochrom P-450 katalysiert kleine Moleküle zu polareren Verbindungen. Zur ihr gehören die Oxidation aliphatischer Ketten, die Oxidative (N-,O-,S-) Desalkylierung, die (N-,S-) Oxidation, die Oxidative Desaminierung und die Dehalogenierung. Reaktionen, welche Cytochrom P-450 als Katalysator benötigen, werden Monooxygenierungen genannt. Charakteristisch für diese Reaktionen ist das Einfügen eines Sauerstoffs in das Substrat und die Bildung von Wasser. Bei den Dealkylierungen ist es unbedingt notwendig, dass die Alkylgruppe in Verbindung zu einem Sauerstoff oder Stickstoff steht Phase II - Reaktionen Nachdem das Pharmakon in der Phase I in ein polareres Molekül mit einer OH-Gruppe reagiert wurde kann es nun mit einer körpereigenen Substanz gekoppelt werden. Katalysiert durch Transferasen können Konjugationsreaktionen mit energiereichen körpereigenen Substanzen ablaufen oder Konjugationen, bei denen der Fremdstoff erst aktiviert wird und anschließend mit einer (nicht aktivierten) körpereigenen Substanz verbunden wird. Mithilfe der Konjugationsreaktion entstehen Metabolite, welche gut wasserlöslich sind und durch aktive Sekretion renal 15 ausgeschieden werden können. Die wichtigsten Phase II - Reaktionen sind in der untenstehenden Tabelle zusammengefasst. 15 Substanzen werden über die Niere (lat. ren ) ausgeschieden. 16

18 Reaktion Reaktionsgleichung Substrat mit aktivierter Glucuronsäure Alkohole, Phenole, Amine, Sulfonamide mit aktiviertem Sulfat Phenole, aromatische Amine, Sulfonamine mit Glycin Benzoesäure*, Isonicotinsäure* (als Metabolit von Isoniazid) mit Glutamin Phenylessigsäure*, Indolylessigsäure* mit aktivierter Essigsäure Sulfonamide, Isoniazid N-Methylierung Adenosylmethionin) (mit Noradrenalin, Nicotinamid, Methadon O-Methylierung Adenosylmethionin) (mit Catecholamine * Der Konjugation geht eine Aktivierung der Säure mittels ATP und Coenzym A voraus. Tabelle 2.3 Biotransformationswege von Pharmaka in der Phase II. 17

19 In den ersten vier Reaktionen, die man in Tabelle 2.3 sieht, wird immer eine saure Gruppe in das Molekül eingeführt (Glucuronsäure, Sulfonsäure beim aktivierten Sulfat, Glycin und Glutamin als Aminosäure). Durch die Einführung dieser Gruppe wird die Hydrophilie durch Salzbildung entscheidend erhöht 16. Der einzige Ausscheidungsweg ist über den Urin und der ist eine wässrige Lösung. Die sauren Konjugate können jetzt renal und biliär 17 ausgeschieden werden. Die obenstehenden Phase II-Reaktionen haben eine Bioinaktivierungs- und Entgiftungsfunktion, da die Konjugationsprodukte meist biologisch inaktiv 18 sind. Durch die Konjugation können jedoch auch reaktive Stoffe entstehen, welche sich durch irreversible Bindung an körpereigene Stoffe toxisch auswirken. Werden Substanzen über die Galle durch den Darm ausgeschieden, so werden die Konjugate in der Regel zurück in die Ausgangsverbindung hydrolysiert. Konjugation mit aktivierter Glucuronsäure Vor allem sekundäre und tertiäre Alkohole werden in der Phase II mit aktivierter Glucuronsäure (auch UDP-Glucuronsäure 19 ) konjugiert. Ebenso Phenole, Carbonsäuren und Amine. Glucuronsäure ist eine starke Säure, welche zusätzlich noch drei alkoholische OH-Gruppen hat und dadurch sehr hydrophil ist. Das aktivierende Enzym UDP-Glucuronyltranferase findet sich in den Zellmembranen von Leber, Niere und Darm. Zunächst liegt ein Glucose-I-phosphat vor, welches während der Glykolyse mit UDP-Glucose Pyrophosphorylase mit Uridin-Diphosphat verbunden wird. Nun liegt UDP-Glucose vor, welches durch das Enzym UDP-Glucose Dehydrogenase unter Energieverbrauch von 2NAD + zu UDP-Glucuronsäure oxidiert wird. In diesem Zustand ist es ein bioaktives Molekül, welches nun vom nucleophilen Pharmakon attakiert werden kann. Alkohole haben ein ein elektronegatives Sauerstoff, ebenso wie Phenole und Carbonsäuren. Amine haben ein elektronegatives Stickstoff, sodass sie als Nucleophil das Kohlenstoff, an dem die UDP-Gruppe gebunden ist, attackieren. Es entsteht ein Pharmakon-Glucose-Konjugat, welches seine UDP-Gruppe abgespalten hat. Dies geschieht in den Leberzellen, von wo die nun löslichen Stoffe ins Plasma gelangen, um dann über die Niere ausgeschieden zu werden. Ebenso können Glucuroniden von der Galle in den Duodenum freigesetzt werden, wo der Pharmakon-Komplex dann über den Darm ausgeschieden wird. Über die im Darm vorhandene β-glucuronidase wird die Glucuronsäure zurückgewonnen. Diese Reaktion wird Cleavage genannt. 16 Salze sind geladene Moleküle (Ionen), welche durch ihre Ladung mit dem Dipol Wasser wechselwirken können und somit Hydrathüllen bilden. Das macht sie wasserlöslich. 17 über die Galle 18 Bioaktivität: Damit wird der Effekt von pharmakologischen Substanzen auf lebendes Gewebe beschrieben. Die biologische Aktivität ist von den (L)ADME Bedingungen abhängig. 19 UDP: Uridin-di-Phosphat. Uridin ist ein Nukleosid, welches aus der Nukleinsäure Uracil gebildet wird. Es ist ein Bestandteil der RNA. 18

20 Abbildung 2.5 Schematisch vereinfachte Darstellung der Glucuronisierung in den Leberzellen und die anschließenden Ausscheidungswege. Konjugation mit aktivierter Schwefelsäure (Sulfat) Vor allem Phenole bilden Konjugate mit aktiviertem Sulfat. Es entstehen Schwefelsäurehalbester, die über den Urin ausgeschieden werden. Die Reaktion findet im Cytosol verschiedener Gewebe mit Phenolen, Alkoholen, Aminen und Thiolen statt. Für die Bioaktivierung werden Sulfotransferasen benötigt, welche das Phosphoadenosine-Phosphosulfat mit dem Pharmakon konjugieren. Konjugation mit Glycin Carbonsäuren, welche oxidativ nicht weiter abbaubar sind, können mit Glycin konjugiert werden. Beispiele für solche Konjugate sind Hippursäure (aus Benzoesäure) und Salicylursäure (aus Salicylsäure). Die Reaktion wird mittels Transacylase katalysiert. Bildung von Mercaptursäure-Derivaten (Konjugation mit Gluthation) Durch eine mehrstufige Reaktion, welche z.t. spontan erfolgt, in der Regel jedoch durch Gluthation- S-Transferasen (GST) katalysiert wird, entstehen Mercaptursäure-Derivate. Gluthation ist ein körpereigenes Tripeptid, welches mit eigentlich toxischen Metaboliten weniger toxische Konjugate bildet. Die Substrate sind durch Phase I-Reaktionen sehr elektrophil. Die für die Konjugationsreaktion notwendigen Gluthation-S-Transferasen sind im Cytosol von Leber-, Nierenund Darmzellen vorhanden, welche die Konjugate dann über Galle und Niere ausscheiden. 19

21 Abbildung 2.6 Schematische Darstellung der Gluthation Reaktion. Durch die Reaktion mit multifunktionellen Oxidasen (Bsp. Cytochrom P450) in der Phase I- Reaktion wird der aromatische Ring einer Verbinung geöffnet, sodass ein Epoxid entsteht. In der Phase II-Reaktion wird mittels Gluthation-S-Transferase Gluthation, ein Tripeptid aus Glycin, Glutamin und Cystein an das Epoxid gebunden, sodass ein Gluthation-Konjugat entsteht. Durch das Enzym Gluthationase wird nur die Aminosäure Glycin im nächsten Schritt abgespalten, bevor das Enzym Peptidase die Aminosäure Glycin isoliert. Dadurch entsteht das Cystein-Konjugat, welches durch N- Acetylase acetyliert wird und so zu einem Mercaptursäure Derivat wird. Dieses Derivat ist wie die anderen Konjugate der Phase II-Reaktion sehr hydrophil und dadurch leicht ausscheidbar. In der folgenden Abbildung sieht man die Gluthationkonjugation am Beispiel von Naphthalin, welches zur Herstellung von Lösungsmitteln, Kunst- und Kraftstoffen verwendet wird. Abbildung 2.7 Schematische Darstellung der Gluthation Konjugation am Beispiel Naphthalen. 20

22 Während der Reaktion mit Cytochrom P450 in der Phase I entsteht eine für den Organismus toxische Verbindung, ein Epoxid. Diese Verbindung wirkt sich erbgutschädigend aus. Durch die Gluthation- S-Transferase werden im nächsten Schritt eine Schwefel-Glutamin-Verbindung und drei Wasserstoffe eingebaut. Anstelle des Glutamins werden dann die beiden Aminosäuren Glycin und Cystein eingefügt, wovon im nächsten Schritt das Glycin wieder entfernt wird, wodurch eine acetylierte Cysteingruppe übrig bleibt, die Premercaptursäure. Durch Abspaltung von Wasser im nächsten Schritt entsteht dann die 1-Naphthylmercaptursäure. Acetylierung Pharmaka mit Aminogruppen, welche sich nicht oxidativ abbauen lassen, werden häufig mittels Acetyltransferasen acetyliert (Konjugation einer COCH 3 -Gruppe). Zu den Substraten gehören aromatische Amine und Alkylamine (Aminogruppe an tertiärem Kohlenstoff). Wird ein Sulfonamid acetyliert, so nimmt die Hydrophilie ab und es ist schlecht ausscheidbar, wodurch es zu Komplikationen kommen kann. Zugleich wird durch die Acetylierung die biologische Aktivität reduziert, da die Aminogruppe verdeckt wird. Methylierung Die Methylierungsreaktionen an Sauerstoff und Stickstoffatomen geschieht relativ selten. Beim Abbau von Nicotinamid 20 wird durch die Methylierung N-Methylnicotinamid synthetisiert, welches hydrophil ist und damit gut ausgeschieden werden können. First-pass-Effekt Oral applizierte Pharmaka lösen sich im Magen-Darm-Trakt und gelangen durch die Magen-Darm- Schleimhaut in das Venensystem um die Organe, von wo aus das Blut zur Pfortader gelangt, welche in die Leber führt. Bevor das Pharmakon den Lungen- oder Körperkreislauf erreicht, muss es die Leber passieren. Beim Durchtritt durch die Schleimhäute von Magen und Darm können die Reaktionen der Phase I stattfinden, sodass in der Leber die Metabolisierung der Phase II geschehen kann. Die Auswirkung dieser Metabolisierung auf die Wirksamkeit des Pharmakon nennt man First-pass-Effekt. Es ist der Anteil des Stoffes, der bei dieser ersten Passage metabolisiert und von der Leber dem System durch die Ausscheidung vorenthalten wird. Beispiele für Substanzen, bei denen der First-pass-Effekt verhältnismäßig hoch ist sind Propanolol und Alprenolol (Betablocker 21 ), Lidocain (Lokalanästhetikum) und Glyceroltrinitrat (Koronartherapeutikum 22 ) Solche Pharmaka werden vor allem aufgrund ihres hohen First-pass-Effekts intravasal oder perlingual 23 verabreicht, um den Metabolismus durch die Leber zu umgehen. Den First-pass-Effekt kann man jedoch auch im Darmlumen antreffen, da auch dort Enzyme vorhanden sind, welche Konjugationsreaktionen katalysieren und so für eine präsystemische Elimination sorgen (Bsp. Sexualhormone und Morphin). 20 Nicotinamid ist Bestandteil des Coenzyms NADH und NADPH, welche maßgeblich an Redoxreaktionen des Stoffwechsels beteiligt sind 21 Betablocker hemmen im Körper β-adrenozeptoren, wodurch die Wirkung des Stresshormons Adrenalin und des Neurotransmitters Noradrenalin gehemmt wird. Man kann die Ruhefrequenz des Herzens und den Blutdruck senken. 22 Koronartherapeutika weiten die Gefäße, insbesondere die Herzgefäße. 23 über die Mund- und Zungenschleimhaut. 21

23 Bioaktivierung und Bioinaktivierung Die vorher beschriebenen Biotransformationsreaktionen geschehen im Organismus unabhängig davon, ob die gebildeten Metaboliten wirksam oder unwirksam, schädlich oder unschädlich für den Organismus sind, wodurch eine wirkungsabschwächende Wirkung (bis zur vollständigen Inaktivierung/Entgiftung) oder eine wirkungssteigernde (Aktivierung) Wirkung erreicht wird. Bei der Bioaktivierung kann es, wenn der Metabolit anschließend toxischer ist als die Ausgangssubstanz (Bsp. Epoxidbildung) zu einer Giftung führen. Durch die Untersuchung der Biotoxifikationsvorgänge kann man Arzneimittel so konstruieren, dass die Bildung von toxischen Verbindungen verhindert wird. Toxische Metabolite treten vor allem bei Überdosierung auf, wenn die Kapazität der Biotransformationsreaktionen überstiegen wird. Durch Reduktions- und Oxidationsreaktionen können reaktive Intermediate entstehen (Radikale, Elektrophile), welche bei Überlastung des Systems nicht mehr vollständig durch Inaktivierungswege 24 unschädlich gemacht werden können. Zur Vermeidung der Bildung toxischer Metabolite kann man Pharmaka entwickeln, welche erst gar nicht oder in sehr geringer Menge oxidativ abgebaut werden. Dies kann durch Hinzufügen von Restgruppen geschehen, welche an die Stellen angehangen werden, die oxidiert werden würden. Dadurch erhalten diese Pharmaka eine längere Plasmazeit, welches sowohl Vor- als auch Nachteile haben kann. Eine weitere Möglichkeit bietet die Entwicklung sogenannter Soft-Drugs (Antedrugs). Solche Pharmaka werden erst durch die Phase I-Reaktion aktiviert oder können an einer gewünschten Stelle nicht oxidativ biotransformiert werden. So kann man Pharmaka herstellen, welche nicht durch Oxidationen abbaubar sind und folglich keine reaktiven Stoffe hervorrufen. Ebenso kann man Pharmaka herstellen, welche in der Phase I-Metabolisierung aktiviert werden, durch die Phase II-Reaktion jedoch wieder in ihren unwirksamen Ausgangszustand zurückgebracht werden. Unter Prodrugs versteht man Substanzen, welche selbst biologisch inaktiv sind, im Organismus jedoch in eine aktive Form umgewandelt werden können. Man kann sich das Prodrug-Konzept als Trojanisches Pferd vorstellen, bei der der Wirkstoff verdeckt wird und so die Membranbarrieren überwinden kann, was er ohne die Prodrug nicht schaffen würde. Während der Metabolisierung wird dann die Pro-Gruppe abgespalten und der Wirkstoff wird freigesetzt. Durch das Prodrug-Konzept lässt sich die Pharmakokinetik (Verteilung in den Organen, Wasserlöslichkeit, Resorbierbarkeit, First-pass-Effekt), aber auch sensorische Eigenschaften (Geschmack), Toxizität und Wirkungsselektivität beeinflussen Praktikumsversuch: Metabolisiserung von Acetylsalicylsäure Lipophile Substanzen können nur langsam renal ausgeschieden werden, da sie immer wieder resorbiert werden. Wenn nicht chemisch verändert werden, würden sie sich rasch im Fettgewebe anreichern. Um dies zu vermeiden, setzt der Organismus Enzyme ein, um die Hydrophilie der Substanzen zu erhöhen, sodass sie in höherem Maße renal ausgeschieden werden können. Acetylsalicylsäure liegt im stark sauren Milieu des Magen protoniert und damit ungeladen vor, sodass das Molekül durch die Schleimhaut des Magens diffundieren kann. Im neutralen Milieu des Bluts wird es deprotoniert und es in Gegenwart von Wasser findet die Ester-Hydrolyse statt, welche als Phase I-Reaktion der vorbereitende Schritt zur Phase II-Reaktion ist. Die Salicylsäure gelangt über das Blut in die Leber. Dort kann die entstandene Salicylsäure unter Katalyse durch Cytochrom P-450 oxidiert werden, oder mit Aminosäuren konjugiert werden. Die Oxidation durch das Cytochrom zählt noch zur Phase I-Reaktion, wohingegen 24 Inaktiverungswege sind beispielsweise der Abbau durch Katalyse, Superoxiddismutase, Vitamin C und E, Gluthation. 22

24 die Konjugation zur Phase II gezählt wird. Alle Reaktionen sind im folgenden Schaubild dargestellt: Durch die Konjugation mit Aminosäuren steigt die Hydrophilie der Moleküle, wodurch ihre Löslich- Abbildung 2.8 Die Metabolismusschritte beim Abbau von Acetylsalicylsäure. Die Phase I und II - Schritte sind farbig markiert. keit in Wasser zunimmt. Im Praktikum wurde eine Festphasenextraktion (SPE) durchgeführt. Je nach Polarität der in der Probe enthaltenen Komponenten findet eine Wechselwirkung mit der festen Phase statt, sodass die Komponenten entsprechend von den anderen Bestandteilen der Probe getrennt werden. Anschließend wurde zur Komponentendifferenzierung eine Dünnschichtchromatographie (TLC) durchgeführt, bei der die Komponenten entsprechend ihrer Polarität durch Interaktion zwischen mobiler und fester Phase aufgetrennt werden. Die aufgetrennten Komponenten ließ man sodann mit eine FeCl 3 -Lösung reagieren. Nur jene Komponenten, die eine freie OH-Gruppe haben (Salicylsäure, Gentisinsäure, Salicylursäure und das Glucuronid-Acylal) werden eine Reaktion mit der Eisenchlorid-Lösung zeigen, sodass man die Ausgangssubstanz Acetylsalicylsäure von ihren Metaboliten unterscheiden kann. Gentisinsäure hat zwei Hydroxylgruppen, sodass die Färbung hier noch intensiver auftreten wird. Die Mengen der Metaboliten wurden über eine HPLC bestimmt. Die Glucuroniden konnten mit dieser Methode ebenso wenig bestimmt werden, wie die Gentisinsäure. Letztere tritt in einer so geringen Konzentration auf, dass sie auf diesem Wege nicht nachweisbar ist. 23

25 Salicylsäure und Salicylursäure lassen sich jedoch gut nachweisen. Salicylursäure ist der Hauptmetabolit, welcher über den Urin ausgeschieden werden kann. Dies ist durch der aktiven Sekretion aufgrund der Salzbildung im distalen Tubulus der Niere zu erklären. 2.5 Ausscheidung Die Ausscheidung eines Pharmakons führt, wie auch die Biotransformation, zur Wirkstoffkonzentrationsabnahme im Körper. Abhängig von ihren physikalisch-chemischen Eigenschaften (Molekulargewicht, pk a -Wert, Löslichkeit und Dampfdruck) der Substanz kann diese renal mit dem Urin, biliär und instestinal mit dem Fäzes oder pulmonal mit der Atmungsluft ausgeschieden werden. Die Ausscheidung über die Haut ist vernachlässigbar, wohingegen die Gefahr der Intoxifikation durch die Ausscheidung über die Muttermilch einer stillenden Frau durchaus zu beachten ist Renale Ausscheidung Die wohl wichtigsten Ausscheidungsorgane sind die Nieren. Schnelligkeit und Ausmaß der renalen Ausscheidung wird durch die glomeruläre Filtration, die tubuläre Rückresorption und die tubuläre Sektretion bestimmt. Zunächst betrachten wir zur besseren Übersicht und zur Einführung in die Funktionsweise der Nieren den allgemeinen Aufbau. Abbildung 2.9 Übersicht über die Lage der Nieren und ihre Verbindung über den Harnleiter zur Harnblase. Wie man in Abbildung 2.9 sehen kann, sind die Nieren über den Harnleiter mit der Harnblase verbunden. Die Nieren liegen unterhalb des Zwerchfells, frontal gesehen vor der Wirbelsäule, jedoch außerhalb des Bauchraums. Sie haben eine bohnenförmiges Aussehen und sind als Paar links und rechts der Wirbelsäule angeordnet. Das renale System beinhaltet die Nieren, Harnleiter, Harnblase und Harnröhre. Die Nieren sind von einer nur wenig dehnbaren Bindegewebshülle umgeben (Nierenkapsel). Die einzelne Niere besteht aus 6-9 gleichartigen Einheiten (in Abbildung 2.10 sind es sechs), den sogenannten Nierenlappen, die in Nierenmark und Nierenrinde unterteilt werden. Da die Form des Nierenmarks stark an Pyramiden erinnert, spricht man auch von den Markpyramiden. Die Spitze einer jeden Pyramide ragt als Nierenpapille in die Nierenkelche, welche in ihrer Gesamtheit das Nierenbecken bilden. 24

26 Abbildung 2.10 Detailansicht einer Niere Im Nierenmark befinden sich die dunkelroten Sammelrohre der Nierentubuli als Markstrahlen. Die Blutversorgung geschieht über die Arteriae Renales (Nierenarterie) und die Venae Renales (Nierenvene). Das Blut gelangt über die Arterien in die Niere, wird dort gereinigt und von der Vene anschließend abtransportiert. Das Filtrat wird über den Harnleiter abgeleitet. Die Niere besteht aus insgesamt ca Millionen Nephronen, in denen der Harn gebildet wird. Das Nephron selbst, so wie man es in Abbildung 2.11 sehen kann, besteht aus den Nierenkörperchen, den Glomeruli und einem Tubulusapperat. Am Nierenkörperchen befinden sich zwei arterielle Gefäße, durch die das Blut einfließen (afferente Arteriole) und wieder ausfließen (efferente Arteriole) kann. Im Nierenkörperchen ist ein Kapillarschlingensystem. Diese Kapillaren sind von Podozyten umgeben, welche zugleich auch die innere Schicht der Bowmanschen Kapsel bilden. Das komplexe System aus Kapillarendothel, Podocyten und Filtrationsschlitzen, welches den Filter darstellt, nennt man Blut-Harn-Schranke. Im Lumen der Kapsel, welche in der obrigen Abbildung als leerer Raum mit Wassertröpfchen dargestellt ist, sammelt sich der Primärharn und wir durch den proximalen Tubulus abgeleitet. Das Kapillarenendothel bildet die erste Filtrationsstufe. Hier sind die Lücken zwischen den Epithelzellen noch relativ groß, jedoch zu groß für Blutzellen und Makromoleküle, welche von der Basallamina zurückgehalten werden. Die Podocyten bilden die Filtrationsschlitze, welche unterschiedlich groß sind und kleinere Proteine zurückhält. Der Primärharn gelangt nun in den proximalen Tubulus, in dem nicht zurückgehaltene Proteine abgebaut werden. Außerdem wird hier zwei Drittel des Wassers und NaCl, ebenso wie ein Großteil von Elektrolyten und Glukose rückresorbiert. Hier werden Harnstoff 25, Harnsäure, Kreatinin 26, Aminosäuren und Elektrolyte aus dem Blut in das Tubulussystem sekretiert. Die Oberfläche des proximalen Tubulus besteht aus einer Art Bürstensaum aus Plattenepithelzellen. 25 Harnstoff und Harnsäure sind Abbauprodukte von stickstoffhaltigen Verbindungen, wie z.b. das toxische Ammoniak. Beides wird in der Leber synthetisiert. 26 Kreatinin ist das Abbauprodukt von Kreatin, einem reversiblen Energiespeicher. 25

27 Abbildung 2.11 Ansicht eines Nephrons und des Nierenkörperchens Der proximale Tubulus geht nun in den intermediären Tubulus über. Dieser lässt sich in den ab- und aufsteigenden Ast unterteilen zwischen denen die Henle-Schleife liegt. Hier ist die Oberfläche des Tubulus sehr glatt. Es gibt kaum Zellorganellen und dadurch nur wenig aktiven Stofftransport. Durch den osmotischen Druck diffundiert hier Wasser aus dem Tubulus hinaus in die umliegenden Kapillaren, sodass der Harn aufkonzentriert wird. Der distale Tubulus bildet das Verbindungsstück zum Sammelrohr. Auch hier ist die Oberfläche der Tubulus sehr glatt und die Zellen haben nur eine geringe Anzahl an Zellorganellen. Die Zellmembranen sind mit Natriumpumpen ausgestattet, sodass dem Harn hier aktiv NaCl entzogen wird, welches durch das Nierenmark zurück ins Blut gelangt. Durch den aktiven Natriumtansport wird im Zwischenraum der Henle-Schleife ein Konzentrationsgefälle aufgebaut, sodass durch den osmotischen Druck das Wasser aus dem absteigenden Ast diffundiert. Der Sekundärharn gelangt nun über das Sammelrohr, welches mehrere Nephrone verbindet in die Nierenpapillen und über diese in die Nierenkelche. Proteingebundene Pharmaka können durch renale Filtration nicht ausgeschieden werden und verbleiben im Blut. Pharmaka, die filtriert wurden und nun im Primärharn gelöst vorliegen, können je nach Löslichkeit passiv wieder in die Blutgefäße zurückdiffundieren. Lipidlösliche Substanzen können das Plattenepithel des Tubulus leicht durchdringen und werden in hohem Maße rückresorbiert. Hydrophile Stoffe hingegen werden mit dem Urin ausgeschieden, da diese die Membranen des Tubulus nicht durchdringen können. Bei der tubulären Sekretion liegt ein aktiver Prozess vor, da hier vor allem Säuren aktiv gegen das Konzentrationsgefälle in das Tubulussystem geleitet werden. Basen werden in 26

28 geringerem Maße sezerniert. Der nicht proteingebundene Wirkstoff gelangt durch die Filtration in das Tubulussystem, wodurch die Wirkstoffkonzentration im Blutgefäß abnimmt. Dadurch dissoziieren die proteingebundenen Wirkstoffe teilweise, sodass auch dieser neu freigewordene Wirkstoff ausgeschieden wird. Nur der verbleibende proteingebundene Wirkstoff gelangt zurück in den Blutkreislauf und kann zur therapeutischen Wirkung beitragen. Wissenswertes aus der Vorlesung: Inulin ist ein Fructose Polysaccharid und somit ein verhältnismäßig großes Molekül, welches deshalb nicht passiv durch die Tubulusepithelzellen passieren kann. Es wird durch den hohen Blutdruck in den Nierenkörperchen in den proximalen Tubulus gepresst und kann dort nicht mehr in die Blutbahn zurücktransportiert werden, weshalb es vollständig renal ausgeschieden wird. Inulin wird häufig zur Messung der glomerlären Filtrationsrate (GFR) eingesetzt, in dem man die Inulin-Clearance misst. Da keine Rückresorbtion und Sekretion mit Inulin geschieht, entspricht die Inulin Clearance der GFR. Glucose ist ein Monosaccharid und somit ein kleines Molekül. Es gibt in den Epithelzellen des Tubulus viele Glucose-Carrier, welche durch aktiven Transport die Glucosemoleküle zurück ins Blut transportieren. Erst ab einem Schwellwert (wird z.b. bei Diabetes oft erreicht) wird ein Teil der Glucose renal ausgeschieden, weil dann die Kapazitäten der Carrier überstiegen werden. Penicillin ist ein Antibiotika, welches die Zellmembranbildung von sich vermehrenden Bakterien verhindert und diese so indirekt abtötet. Zunächst wird ein Teil des Penicillins im Glomerulus in den Primärharn filtriert. Der andere Teil verbleibt im Blut. Nun ist die Wirkstoffkonzentration im Primärharn höher als in den umliegenden Blutgefäßen, weshalb ein Teil des Wirkstoffs aus dem Primärharn durch passive Diffusion wieder ins Blut zurückgelangt. Penicillin ist ein Beispiel für einen Wirkstoff, der durch die Tubulusmembran diffundieren kann. Durch die aktive Sekretion im distalen Tubulus nimmt die Wirkstoffkonzentration im Blut trotz der passiven Diffusion ab, da immer ein Teil ausgeschieden wird und ein Teil ins Blut zurückgelangt. Setzt man Probenicid ein, so lässt sich die aktive Sekretion hemmen, wodurch weniger Penicillin ausgeschieden wird und die Halbwertszeit verlängert wird. Harnstoff (Urea) ist ein organisches Endprodukt des Stoffwechsels von Stickstoffverbindungen. Es gelangt durch glomeruläre Filtration in den Primärharn, wo es durch passive Diffusion zur Hälfte wieder im proximalen Tubulus mit dem Wasser rückresorbiert wird. Die Durchlässigkeit der Tubuluswand ist hier für Harnstoff relativ hoch. In der Henle-Schleife wird Harnstoff sezerniert, sodass im distalen Tubulus eine hohe Harnstoffkonzentration vorliegt. Durch diesen Mechanismus wird im Nierenintestitium ein osmotisches Gefälle aufgebaut, welches für den Entzug von Wasser aus dem Nephronlumen entscheidend ist. Die hohe Harnstoffkonzentration im Lumen des Nephrons versucht die Umgebungskonzentration zu erreichen und diffundiert mit dem Wasser durch die Membranen des Sammelrohrs. Der Harn wird weiter aufkonzentriert. Bezüglich der Glomerulären Filtrationsrate (GFR), welche im direkten Vergleich mit der Inulin- Clearance ermittelt wird, gilt: Cl P harmakon = Cl Inulin Es findet eine vollständige Filtration statt. Cl P harmakon < Cl Inulin Es findet eine teilweise Rückresorption statt. Cl P harmakon > Cl Inulin Es findet eine aktive Sekretion statt. 27

29 2.5.2 Biliäre und intestinale Ausscheidung Mit der Galle werden vor allem solche Stoffe ausgeschieden, die ein Molekulargewicht über 500 haben oder ein solches durch Metabolisierung erhalten. Kleinere Moleküle können über den Harn ausgeschieden werden. Solch große Moleküle können jedoch die Membranen der Nierentubuli nicht passieren und verbleiben im Blut. Oral appilizierte Pharmaka gelangen über den Ösophagus in den Magen und von dort in den Darm, wo sie über die Schleimhäute ins Blut resorbiert werden. Das Blut mit den resorbierten Stoffen gelangt direkt über die Pfortader (Vena portae) in die Leber. Das venöse Blut von den unteren Baucheingeweiden (Magen, Duodenum, Jejunum, Ileum) gelangt so in die Leber und von dort in die Leberkapillaren (Lebersinusoide), welche im direkten Kontakt zu den Leberläppchen stehen. Durch Resorption gelangt der Wirkstoff nun in die Gallenkapillaren, wo er mit der dort vorhandenen Galle 27 reagiert. Teilweise finden hier noch Phase I-Reaktionen statt, wenn diese nicht bereits im Magen oder Darm stattgefunden haben. Vor allem geschehen hier jedoch die Konjugationsreaktionen der Phase II. Es findet die Entgiftung statt, welche eine Erhöhung der Hydrophilie der auszuscheidenden Stoffe bezweckt. Die Galle wird im Darm später nahezu vollständig rückresorbiert und gelangt ebenfalls über die Vena Portae zurück in die Leber. In manchen Fällen können die transformierten Stoffe nun von dort ins Blut zurückresorbiert werden, wenn Enzyme den Wirkstoffkomplex spalten und so lipohile Moleküle entstehen. In diesem Fall durchlaufen sie den Kreislauf erneut. Durch längere Zirkulation im Enterohepatischen Kreislauf verzögert sich der Wirkeintritt. Ein Beispiel für einen solchen Enterohepatischen Kreislauf sind die Glucuronsäure-Konjugate (s. Abschnitt 2.4.2, S. 18). Über die sezernierten β-glucuroniden können die Glucuronsäure-Komplexe gespalten werden und der Wirkstoff gelangt zurück ins Blut. 2.6 Pharmakokinetische Parameter Die Pharmakokinetik befasst sich mit den zeitabhängigen Konzentrationsverläufen von Pharmaka im Organismus. Dabei werden die Resorption, Verteilung, Veränderungen der Molekülstruktur und die Exkretion betrachtet, ebenso wie die mathematischen Bezüge, welche benötigt werden, um Modelle abzuleiten, die dann zur Auswertung von Experimenten genutzt werden können (vgl. Definition der Pharmakokinetik, Kapitel 1.1, S. 3). g mol Grundlagen und Definitionen AUC ist die Area Under the Curve, also die Fläche unter der Konzentrations-Zeit-Kurve (meist eine Plasmaspiegel-Kurve). Sie ist ein Maß für die Substanzmenge im Organismus und kann näherungsweise über die Trapezformel bestimmt werden: Fläche eines Trapezes = (t n+1 t n ) (c n + c n+1 ) (2.7) 2 Zur Berechnung dieses Parameters wird die Wirkstoffkonzentration im Plasma (Plasmakonzentration) gegen die Zeit aufgetragen. Die AUC entspricht der Menge an Wirkstoff, die über den Messzeitraum im Organismus verfügbar ist. Das Integral der entstehenden Kurve entspricht der AUC und ist gleich 27 Die Galle oder Gallenflüssigkeit, welche in der Leber in den Leberläppchen synthetisisert wird, enthält neben anorganischen Ionen vor allem Gallensäuren, Gallenfarbstoffe, Cholesterol, Phospholipide und zahlreiche Enzyme. 28

30 der Bioverfügbarkeit. Die Bioverfügbarkeit F eines Arzneimittels versteht man Ausmaß und Geschwindigkeit, mit der ein therapeutisch wirksamer Bestandteil aus einer Arzneiform freigesetzt wird, resorbiert und am Wirkort verfügbar wird. Bei intravenöser Applikation entspricht sie 100%, da hier Freisetzung und Resorption umgangen werden. Sowohl die Geschwindigkeit und die prozentuale Wirkstofffreisetzung, als auch die Resorptionsgeschwindigkeit bzw. die Resorptionsquote des freigesetzten Wirkstoff und das Ausmaß des First-pass- Effekts haben Auswirkungen auf die Bioverfügbarkeit. Der Wissenschaftler Dorst zeigte, dass die Integrale von intravenöser (i.v.) Injektion und oraler Applikation der gleichen Dosis identisch sind 28. Somit kann man die Bioverfügbarkeit nach beliebiger Applikationsart 29 bestimmen. Angenommen, die Bioverfügbarkeit sei 100% bei i.v. Injektion(AUC i.v. ). Die Plasmaspiegelkurve wird erstellt und anschließend mit der Kurve der gleichen Dosis anderer Applikationsart (AUC x ) verglichen: F = AUC x AUC i.v. 100[%] (2.8) Der Wirkstoff darf nicht an Proteine (Plasma-, oder Gewebsproteine) gebunden sein. Er muss vollständig gelöst vorliegen, um in die Bioverfügbarkeit eingehen zu können. Bei der Bioäquivalenz handelt es sich um Präparate mit identischen Wirkstoffen. Sie sind wirkungsgleich und ohne Gefahr für den Patienten austauschbar, wenn sie sich in ihrer Bioverfügbarkeit nicht oder nur gering (<20%) unterscheiden. Die Plasmakonzentrations-Zeit-Kurven sind nahezu deckungsgleich und auch die interindividuellen Schwankungen in den Wirkstoffkonzentrationen sind ähnlich. Das bedeutet, die maximale Plasmakonzentration C max muss identisch sein, ebenso wie der Zeitpunkt t max, zu der diese Maximalkonzentration auftritt. Unter dem Verteilungsvolumen V (auch V app ) versteht man die Größe des Raumes, in dem sich eine Substanz verteilt. Man nimmt an, dass sich die Substanz stets gleichmäßig in dem gesamten ihr zur Verfügung stehenden Raum verteilt und das sich der gesamte Organismus als ein großer Verteilungsraum verhält. Bei einer raschen intravenösen Injektion (Bolusinjektion) berechnet sich das Verteilungsvolumen wie folgt: V = D C 0 [L] (2.9) Wobei D der applizierten Dosis entspricht (z.b. in mg) und C 0 der (theoretischen) Anfangskonzentration, welche in der Regel nur fiktiv ist, da sich die Substanz nicht augenblicklich homogen im gesamten Organismus verteilen kann. Das Verteilungsvolumen kann identisch sein mit dem Plasmavolumen, der extrazellulären Flüssigkeit oder dem Gesamtkörperwasser. In der Regel ist es jedoch eine theoretische Größe, die in manchen Fällen das Gesamtkörperwasser deutlich übersteigt. Ist dies der Fall, so kann man davon ausgehen, dass die Substanz im Gewebe angereichert wird. Die Größe des Verteilungsvolumens beeinflusst die Plasmakonzentration maßgeblich. 28 Dorst setzt eine vollständige Resorption des Wirkstoffs ins Blut voraus. 29 Hier kommen nur Applikationsarten mit systemischer Wirkung in betracht. Topisch applizierte Pharmaka können auf die Weise nicht untersucht werden. 29

31 Beispiel: 300mg einer Substanz wurden intravenös verabreicht. Nun gibt es drei Möglichkeiten, wie sich die Substanz verhält: a) Sie verteilt sich ausschließlich im Plasma. Dann ist C 0 =100mg/L. b) Sie verteilt sich im Gesamtkörperwasser. Dann ist C 0 =5mg/L c) Sie wird im Gewebe des Körpers angereichert. Dann ist C 0 =1mg/L. Nun berechnen wir das Verteilungsvolumen anhand der Gleichung 2.9: V a) = 300mg 100mg/L = 3L bzw. V b) = 300mg 5mg/L = 60L bzw. V c) = 300mg 1mg/L = 300L Diese Angaben repräsentieren das scheinbare Verteilungsvolumen V app. Durch Proteinbindung und andere Faktoren ist das reale Verteilungsvolumen geringer. Mithilfe des scheinbaren Verteilungsvolumen kann man nun aber die Dosis berechnen, die für das Erreichen einer gewissen Wirkstoffkonzentration notwendig ist. Hier nehmen wir mal 30mg/L an: a) 30mg/L 3L = 90mg b) 30mg/L 60L = 1800mg c) 30mg/L 300L = 9000mg Hier zeigt sich, dass Pharmaka, welche nicht im Gewebe angereichert werden, sich also nur im Gesamtkörperwasser oder gar nur im Plasma anreichern, deutlich geringer dosiert werden müssen. Kennt man die Höhe der Dosis und das Verteilungsvolumen, so kann man andersherum auch C 0 bestimmen, indem man die applizierte Dosis durch das Verteilungsvolumen teilt (Extrapolation). Die Resorptionskonstante k a beschreibt die Geschwindigkeit, mit der ein Stoff resorbiert, also in die Blutbahn aufgenommen wird. Je größer der Wert, desto höher die Geschwindigkeit. Mit hohen Resorptionsgeschwindigkeiten erhält man ein höheres und früheres Konzentrationsmaximum, welches jedoch kürzer anhält als bei geringeren Resorptionsgeschwindigkeiten, da hier eine Art Depot-Wirkung eintritt. Der Wirkstoff gelangt nur langsam in den Körper. Für die Berechnung von k a s. Abschnitt auf S.34. Mit der Clearance ist das virtuelle Plasmavolumen gemeint, das pro Zeiteinheit von der betreffenden Substanz befreit ( geklärt ) wird. Die Gesamtkörperclearance CL wird bestimmt, in dem man die Dosis (D) durch die AUC teilt oder im Falle der Dauerinfusion durch das Verhältnis von Infusionsrate (k 0 ) und Maximalkonzentration (C ss,max ): CL = dc dt = D AUC = k 0 C ss,max = V app k el (2.10) Die Clearance hat entscheidenden Einfluss auf die höhe des mittleren (average) Plasmaspiegels im Steady-State bei Dauermedikation. Ist die Clearance erniedrigt, so steigt dieser mittlere Plasmaspiegel an, was bei einer geringen therapeutischen Breite eines Pharmakons zu Intoxikationen führen kann. Die Eliminationshalbwertszeit (Plasmahalbwertszeit) ist die Zeit, in der die Plasmakonzentration auf die Hälfte des ursprünglichen Wertes abfällt. Man berechnet sie wie folgt: t 1/2 = ln(2) 0, 693 = (2.11) k el k el 30

32 wobei k el die Eliminationsgeschwindigkeitskonstante ist, welche durch Umstellung der Gleichung 2.11 berechnet werden kann: k el = ln(2) t 1/2 = ln(c) dt (2.12) Sie beschreibt die Änderung der Plasmakonzentration in Abhängigkeit der Zeit. In der Regel wird die Eliminationshalbwertszeit jedoch graphisch aus dem Kurvenverlauf des Plasmaspiegels ermittelt. Die Eliminationshalbwertszeit dient der Einteilung in kurz-, mittel- und langfristig wirkende Pharmaka und wird zur Grundlage der Berechnung von Dosierung und Dosierungsintervall benötigt. Die Plateauzeit gibt das Zeitintervall an, in dem der Plasmaspiegel über einem festgelegten Wert, z.b. der minimalen therapeutischen Wirkstoffkonzentration liegt Pharmakokinetische Modelle Unter einem pharmakokinetischen Modell versteht man eine mathematische Beziehung, die die Konzentrations- Zeit-Verläufe im zu untersuchenden System wiedergibt. Es ist eine Modellvorstellung, die die komplexen Geschehen vereinfacht, die einem Pharmakon in einem biologischen System widerfahren. Das biologische System lässt sich in unterschiedliche Verteilungsräume (Kompartimente) unterteilen, in denen die Konzentration jeweils gleich ist, die jedoch im Austausch mit anderen Kompartimenten stehen können. Ein Einkompartiment-Modell liegt vor, wenn sich ein Pharmakon sofort gleichmäßig im ihm zugänglichen Verteilungsraum verteilt. Sind Eliminationsvorgänge möglich, so spricht man von einem offenen System. Es findet keine weitere Verteilung in andere Kompartimente statt. Abbildung 2.12 Blockdiagramm zur Darstellung des Einkompartiment-Modells. Beim Zwei- oder Mehrkompartiment-Modell stehen der Substanz mehrere Verteilungsräume zur Verfügungen, in denen die Verteilung jedoch mit unterschiedlicher Geschwindigkeit geschieht. Das zentrale Kompartiment C 1 entspricht hier beispielsweise dem Blut, das periphere Kompartiment C 2 Gewebe oder der extrazellulare Raum. Ist die Transfergeschwindigkeit zwischen den beiden Kompartimenten langsam, so spricht man beim peripheren Kompartiment von einem tiefen Komartiment. In der Regel sind die Kompartimente in diesen Modellen nicht direkt anatomisch definierte Verteilungsräume im Organismus, sondern viel mehr operationale Größen. 31

33 Abbildung 2.13 Blockdiagramm zur Darstellung des Zweikompartiment-Modells Kinetik nach i.v. Injektion (Einkompartiment-Modell) Eine Substanz wird einmalig intravenös injiziert und verteilt sich direkt gleichmäßig in der Blutbahn. Die Elimination folgt der Kinetik 1. Ordnung: Solange die Sättigung des Systems durch die Konzentration der Substanz nicht erreicht wird, ist die pro Zeiteinheit eliminierte Menge proportional der Konzentration (k el C) und der eliminierte Anteil ist konstant. Je höher die Konzentration, desto schneller die Elimination. Liegt ein Einkompartiment-Modell vor, so erhält man für die Abnahmegeschwindigkeit des Plasmaspiegels folgende Gleichung, da die Eliminationsgeschwindigkeit gleich der Abnahme der Plasmakonzentration pro Zeit ist (negative Steigung): v el = Eliminationsgeschwindigkeit k el = Eliminationskonstante C = Plasmaspiegel zur Zeit t v el = dc dt = k el C (2.13) Zur Bestimmung des Plasmaspiegels in Abhängigkeit von der Zeit wird die Gleichung 2.13 nun integriert: C = C 0 e k el t (2.14) Man erhält eine Exponentialfunktion, welche halblogarithmisch aufgetragen eine Gerade durch die y-achse ergibt. Diese Gerade hat die folgende Funktionsgleichung: ln(c) = ln(c 0 ) k el t (2.15) 32

34 Abbildung 2.14 Linerare Darstellung der Plasmakonzentration in Abhängigkeit von der Zeit. Die Kurve entspricht der Exponentialgleichung aus Gleichung 2.14 Aus dieser Geradengleichung lässt sich nun über die Steigung die Eliminationsgeschwindigkeit ermitteln, da sie die Form f(x) = mx + b hat und somit k el der Geradensteigung entspricht. Je größer die Steigung, desto schneller die Elimination. Ebenso lässt sich über den y-achsenabschnitt die theoretische Anfangskonzentration C 0 ablesen und darüber die Halbwertszeit t 1/2. Abbildung 2.15 Lineare Darstellung der logarithmierten Gleichung Über den y-achsenabschnitt kann man die theoretische Anfangskonzentration (hier ln(c)=0.5047[ln(mg/ml)] entspricht 1,66mg/mL) und die Eliminationshalbwertszeit (hier 8,35min) bestimmen Kinetik nach i.v. Injektion (Zweikompartiment-Modell) Die Verteilung in einem Kompartiment, wie sie im vorangegangenen Abschnitt beschrieben ist, tritt in der Form nur relativ selten auf. Meist verteilt sich der Wirkstoff auf zwei oder mehrere Kompartimente auf. In halblogarithmischer Darstellung sieht man, dass die Plasmakonzentration zunächst rasch abnimmt, dann jedoch auf einer weniger steilen Gerade liegen. Die Gleichung für die Plasmaspiegelkurve ist: C = C 1 e λ 1 t + C 2 e λz t (2.16) 33

35 Abbildung 2.16 Abnahme des Plasmaspiegels nach einmaliger i.v. Injektion bei Vorliegen eines Zweikompartiment-Modells. Beim rechten Bild handelt es sich um eine halblogarithmische Darstellung. C1 und C2 sind y-achsenabschnitte und ergeben zusammen C0. Mit λ sind Geschwindigkeitskonstanten dargestellt, welche sowohl Verteilungs(λ1 )- als auch Eliminationsvorgänge(λz ) beinhalten. Die Kurve ist einmal auf linearer und daneben auf halblogarithmischer Achse gezeigt (Abb. 2.16). Der Zeitraum, in der die Plasmakonzentration im linearen Bereich der rechten Kurve halbiert wird, entspricht der Eliminationshalbwertszeit t1/2 und kann über die Kurve ermittelt werden Kinetik bei einmaliger oraler Gabe Anders als bei den intravasalen Injektionen laufen bei oral applizierten Pharmaka noch Resorptionsprozesse ab. Die Verteilungs- und Eliminationsprozesse bleiben jedoch gleich. Im pharmakokinetischen Modell muss daher ein Eingangskompartiment mit Substanzdepot enthalten sein. Für dieses Modell wird angenommen, dass die Verteilung im Vergleich zur Resorption erheblich schneller verläuft und sich dadurch das Gleichgewicht zwischen zentralem und peripheren Kompartiment schnell einstellt. Abbildung 2.17 Blockdiagramm zur Darstellung eines Dreikompartiment-Modells nach oraler Gabe Die Resorptionsgeschwindigkeit va kann man dann mithilfe der folgenden Gleichung bestimmen: 34