Metabolismus und Toxikologie

7. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery WS05/06 1

Metabolismus und ToxikologieWenn sich eine Verbindung im in vitro Experiment als wirksam zeigt, heißt dies noch lange nicht, daß diese ein geeigneter drug candidate ist.Die allermeisten Substanzen unterliegen im Körper biochemischen Umsetzungen (Metabolismus).Manche dieser Reaktionen führen zu Abbauprodukten (Metabolite) die giftig sind. Ziel ist es also, ungeeignete Verbindungen möglichst frühzeitig zu erkennen:

„Fail early, fail fast, fail cheap“


Warum ist die Voraussage der ADME Parameter so wichtig ?

Gründe die zum Fehlschlag eines potentiellenWirkstoffs führen


Zu Risiken und Nebenwirkungen...Nebenwirkungen werden als die 5.-6. häufigste Todesursache eingeschätzt (USA 1994)

Häufigste Todesursache: Herz-Kreislauf-Komplikationen

Liste von zurückgezogenen Medikamenten (unvollständig)Handelsname Nebenwirkung Hersteller ZeitraumRofecoxib Thrombosis,Stroke Merck(USA) Sep 2004Cerivastatin Rhabdomyolysis Bayer Aug 2001Alsostron Ischemic Colitis GSK Nov 2000Cisapride Cardiac Arrhythmia Janssen Jun 2000Pemoline Liver Toxicity Warner-Lambert May 2000Mibefradil Drug/Drug Interaction Roche Jun 1998Terfenadine Cardiac Arrhythmia Höchst Dec 1997Fenfluramine Heart Valve Disease Wyeth Sep 1997

Quelle: J. Gut TheraSTrat AG, Allschwil, CH (bis 2001)


QT interval prolongation (I)

QT-Intervall

Bildquelle: http://medizinus.de/ekg.php

RR-IntervallZu den häufigsten Neben-wirkungen die zum Fehlschlag eines Medikamentes (oft erst in Phase III oder IV der klinischen Prüfung) führen, gehören Herzrhythmusstörungen. Dabei wird zumeist eine Verlängerung der sog. QT-Zeit im EKG gemeßen.Die obere Schranke beträgt üblicherweise 440-470 msec bei einer Pulsfrequenz von 60 Schlägen pro Minute


QT interval prolongation (II)Da die Pulsfrequenz variiert, normalisiert man die QT-Zeit auf das sog. QTc interval mittels Division durch die Wurzel des vorhergenden RR Intervals (Bazett Korrektur):

QTc = QT / RR1/2

Für eine Pulsfrequenz von 60 beträgt RR 1 sec

Der im EKG gemessene Strom während der QT-Zeit rührt vorwiegend von der verzögerten Aktivität des kardialen Kaliumkanals her. (outward repolarizing current IKr)Dieser Kanal wird durch das sog. Human ether-a-gogo related gene (hERG) kodiert.Üblicherweise nutzen Antiarrhytmische Präparate der Klasse III genau diesen Effekt.Allerdings kann eine überlange QT-Zeit wiederum zu teilweise fatalen Störungen des Herzrhythmus führen.

Lit: R.R.Shah Brit.J.Clin.Pharmacol. 54 (2002) 188.


Der hERG Kaliumkanal (I)

Der hERG Kanal ist für die schnelle (Kr rapid) Kalium Komponente des repolarisierenden Stroms I während des QT-Intervalls zuständig

Lit: M.Recanatini et al. Med.Res.Rev. 25 (2005) 133.


Der hERG Kaliumkanal (II)

Der hERG Kanal besteht aus einem TetramerLit: M.Recanatini et al. Med.Res.Rev. 25 (2005) 133.


hERG blocking drugs

In Zusammenhang mit QT-Intervallverlängerung vom Markt genommene Medikamente: Alle weisen eine hohe Affinität zum hERG Kaliumkanal auf.Lit: A.M.Aronov Drug Discov. Today 10 (2005) 149.

N

N N

N

F

O

H

N

N

N

O

H

NCl

F

N

OH

OH

N

N

O

F

O

O

NH2

Cl

O

H

N

OOH

F

N

N

H

O

Astemizole

AntihistaminicSertindole

AntipsychoticTerfenadine

Antihistaminic

Cisapride

Gastroprokinetic

Grepafloxacin

Antibiotic


Historische Entwicklung in den USA

Als Reaktion auf ca. 100 Todesfälle durch Vergiftung ausgelöst durch ein Elixier von Sulphanilamide in 72% Diethylenglykol, enstand der United States Federal Food, Drug and Cosmetic Act von 1938 der die passive Zulassung von Substanzen durch die Food and Drug Administration (FDA) regelte.Demnach mußten die entsprechenden Medikamente zumindest für den beabsichtigten Zweck sicher sein.

Für die Zulassung von (chemischen) Substanzen die in größeren Mengen produziert werden, ist dagegen die Environmental Protecting Agency (EPA) zuständig.


Historische Entwicklung in DeutschlandBis 1961 gab es in (der damaligen Bundesrepublik) Deutschland für den Verkehr mit Arzneimitteln keine umfassende gesetzliche Regelung.Ausschlaggebend für die Neuregelung war der sog. Contergan-Skandal: Der Wirkstoff Thalodomid zeigte in den ursprünglichen Tierversuchen keine Auffälligkeiten, stellte sich jedoch als teratogen heraus.

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


Präklinische PhaseNach Abschlus der lead optimization folgen umfassendein vitro (Modellsystem aus Zellen, Zellverbänden) und in vivo (Tierversuch) Untersuchungenan dem bzw. den lead candidate(s).

In diesem Stadium erfolgt auch die Patentanmeldung, wobei immer einer Reihe von Verbindungen eingebracht werden, um• Sich nicht nur auf einen Wirkstoff festzulegen • Ähnliche potentielle Wirkstoffe zu reservieren• Nachahmungspräparate („me-too“) zu erschweren

Verbindungen erhalten zumeist in diesem Stadium einen United States Adopted Name (USAN)


Klinische Studien (I)Phase I: Überprüfung ob das Tiermodell auf den Menschen übertragbar ist. Erstellung von Dosierrichtlinien(10-50 Probanden, „healthy male“, keine Risikogruppe)

Phase II: Prüfung der Wirksamkeit und relativen Ungefährlichkeit an einigen Patienten

Phase III: Nachweis der Wirksamkeit und Unbedenklichkeit an einer Vielzahl von Patienten (u.a. auch auf Nebenwirkungen mit anderen Medikamenten)

Nach der MarkteinführungPhase IV: Wie Phase III, aber umfassendere Anzahl von Patienten, Erfassen von seltenen Nebenwirkungen, Langzeitstudien, Nachweis der Kosteneffizienz


Klinische Studien (II)Zeitdauer (in Monaten) für die klinische und prä-klinische Entwicklung

Lit: P.Preziosi Nature Rev.Drug.Discov. 3 (2004) 521.


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

Mit dem Ausgang des Zulassungsverfahrens entscheidet sich immer häufiger die finanzielle Zukunft eines Unternehmens.


Marktzulassung (II)Eine neues Medikament wird auch als new chemical entity (NCE) bezeichnet.

World Drug Index 58,000 compoundsUSAN <10,000 in clinical trial

Investment per new chemical entity: >500,000 $New chemical entities per year: ca. 15

Von der FDA Aufwand für Forschung undzugelassene Medikamente Entwicklung (Firmen in USA)1996 53 1980 2 Mrd US$1997 39 1985 4 Mrd US$1998 30 1990 8 Mrd US$1999 35 1995 15 Mrd US$2000 27 2000 26 Mrd US$2001 24 2001 30 Mrd US$2002 17 2002 geschätzt 32 Mrd US$


Von der pipeline bis zur Marktzulassung

Rechnet man von den tatsächlich zugelassenen neuen Medikamenten (new chemical enitity, NCE) auf die Anzahl der in vitro gescreenten Verbindungen zurück, so kommt man auf über 1000 pro Medikament. Ohne die verfügbaren computerbasierten ADMET Filter würde diese Zahl noch höher sein.


Informationsfluß in einer drug discovery pipeline


Optimierungsprozess vom lead candidate zum drug candidate

Wirkungsamkeit

ADME-ToxEigenschaften

Wirkungsamkeit

ADME-ToxEigenschaften

Früher: Zunächst Optimierung der Wirksamkeit, danach Verbesserung des ADME-Tox Kriterien

Heute: Simultane Optimierung von Wirksamkeit und ADME-Tox Eigenschaften (erfordert in silico AMDET-Modelle)


eADMET Prediction

earlyAbsorptionDistributionMetabolismEliminationToxicology

PharmacokineticBioavailability


ADME-Tox Modelle


ADMET-Modelle

„ ... the modification of organic compounds by the microsomal enzymes can be understood in terms of physico-chemical constants in a quantitative fashion.“

C. Hansch (1972)

Lit: H. van de Waterbeemd, E. Gifford „ADMET in silico Modelling: Towards Prediction Paradise ?“ Nature Reviews Drug Discovery 2 (2003) 192-204


Metabolismus (I)(Bio-)chemische Reaktionen von Xenobiotica im Körper

Phase I: Oxidation, Reduktion und Hydrolyse

v.a. Cytochrom P450 Enzyme

Phase III:Elimination durch Transporter

Phase II: Konjugation mit kleinen Molekülen (z.B. Glutamin)

First pass effect:Extensive Umsetzung von vorwiegend lipophilen Molekülen,

solchen mit MW>500, oder die eine spezifische Affinität zu bestimmten Transportern haben,bei der ersten Passage durch die Leber


Am Metabolismus beteiligte EnzymePhase I: Oxidation, Reduktion und Hydrolyse

Cytochrom P450 Enzyme (mehr in Vorlesung 10)Dihydropyrimidin-, Alkohol-, und Aldehyd DehydrogenasenEpoxid Hydrolasen,Esterasen und AminasenDT DiaphoraseFlavin Monoxygenasen

Phase II: Konjugation mit kleinen Molekülen (z.B. Aminosäuren)

N-Acetyltransferase, Glutathione S-transferaseUridinediphosphat-GlucuronosyltransferasenSulfotransferasen, Methyltransferasen

Phase III:Elimination durch Transporte P-glycoprotein (MDR1)

Alle diese Enzyme unterliegen teilweise starken individuellen Variationen


Metabolismus (II)

Experimentelle (in vitro) Methoden:Leber Mikrosomen vom Menschen, Hepatocyten und rekombinante P450 Isozyme


Elimination / ExkretionUnter Elimination werden alle Vorgänge zusammengefaßt, die zur Entfernung eines Stoffes aus einem Kompartiment führen. Diese können auch metabolischer Art sein.

Lipophile Stoffe können über die Galle, hydrophile Stoffe über den Harn ausgeschieden werden.

Allgemein gilt:MW <300 300-500 >500 Galle Galle & Harn Harn


Metabolismus bei der Absoption (I)Transcytosis in den Absorptionszellen

Ausschnitt aus der Darmwand

A

A

B

B C

C D

D'

A Transcellulär (passive Diffusion)

B Paracellulär

C Aktiver Transport

D Transcytosis


Prozesse der Phase I (I)Hydrolyse (Formale Umsetzung mit Wasser) von Ester und Amide durch Esterasen und Aminasen

O

O

R1R2 OH

O

R1 OH R2

NH

O

R1R2

NH2

O

R1 OH R2

+Esterasen

Aminasen+

Epoxide durch Epoxid-Hydrolasen

Acetale durch Glycosidasen

O

R2R1

OH

R2R1

OHEpoxid-Hydrolasen

R1 C

OR2

R3

OR2

R1 C R3

OGlucosidasen+ 2 R2OH


Prozesse der Phase I (II)Decarboxylierung (Freisetzung von CO2) von

Carboxylatgruppen von Aminosäuren usw.

Reduktion von Carbonylverbindungen durch Alkohol-Dehydrogenasen oder Aldo-Keto-Reduktasen Azoverbindungen (über Hydrazo-Verbindungen zu Aminen) durch NADPH-Cytochrom c Reduktase u.a. Enzyme Nitroverbindungen

Reduktive Dehalogenierung von Aliphatischen Verbindungen


Prozesse der Phase I (III)Oxidationsreaktionen von Alkoholen und Aldehyden zu Carbonsäuren

RCH2OH RCHO RCOOH

Aliphatischen Ketten RCH2CH3 RCH(OH)CH3

Aromatischen Aminen ArNH2 ArNHOH ArN=O

Tertiären Aminen R1 N R3

R2R1 N

+R3

R2

O

Sulfiden R1 S R2 R1 SO R2 R1 SO2 R2

Alkenen zu EpoxidenO

R2R1R2R1

Aromaten zu Phenolen (in para-Stellung)

R R OH


Prozesse der Phase I (IV)Oxidative O- und N-Dealkylierung

Oxidative Deaminierung durch die Monoamin Dehydrogenase (MAO)

Oxidative Desulfurierung

R1 X CH2 R2 R1 X H CHOR2+ X=O, NH

RCH2NH2 RCHO

R1 C R2

S

R1 C R2

O

Zu den Oxidasen gehören außerdem noch

Flavin Monooxygenase Isoenzyme Aldehyd OxidaseCytochrom P450 Enzymsuperfamilie


R O S

O

O

OH

O

OHO

O N

N

N

N

NH2

P OHO

OH

P

O

O

OH

S

O

OH

O

RXH +

PAPS

+ PAP

Prozesse der Phase II (I)

Glucuronidierung z.B. von Acetaminophen, Morphium, Diazepam, Trichlorethanol allgemein Phenolgruppen

Sulfonierung von Phenolen, Steroiden, Acetaminophen, Methyldopa

O

COOH

OH O UDP

OH

OH

O

COOH

OH

OROH

OH

+ ROH + UDP


Prozesse der Phase II (II)

Acetylierung z.B. von Sulfonaminden, Isoniazid, Dapson, Clonazepam

Bildung von Mercaptansäuren

CoA S

O

CH3RNH

O

CH3RNH2 + + CoA-SHAcetyl-Transferase

O

R2R1

OH

R2R1

S Cys

Glu

Gly OH

R2R1

SCOOH

NH2

GlutathionS-Transferase


Prozesse der Phase II (III)

Konjugation mit Glycin z.B. von Benzoesäure, Isonictotinsäure

Konjugation mit Glutamin z.B. von Indolylessigsäure,

Phenylessigsäure

NH2

R

COOH

N

R

COOH

O

R1

H

R1-COOH

1. Aktivierung durchATP und CoA

2. Glycin R=H

NH2

R

COOH

R= -(CH2)2-CONH2


Prozesse der Phase II (IV)

O-, N-, und S-Methylierung z.B. von Methadon, Nicotinamid, Norepinephrine

Catechloamine (durchCatechlol-O-Methyl Transferase)

R1N

R2

H

R1N

R2

CH3

Adenosin-Methionin

NR

N+ CH3

R

ROH

OH

RH3CO

OH


Metabolisierung von Xenobiotica (I)

CH3 COOH

Toluol

Phase I

Benzoesäure

O N

H

COOH

Phase II

Hippursäure

Ausscheidung im Harn

O

H

HBenzol

Konjugation mit Makromolekülen Giftung

Cl Cl

CCl3

Cl Cl

CCl2

DDTDDE (antiandrogen)


Metabolisierung von Xenobiotica (II)Br

O

H

H

Br

Brombenzol

Phase I

CYP P450NADPHO2

Br

OH

Umlagerung

Br

OH

OH

Epoxid-Hydratase

Br

OH

OH

Oxidation

spontaneKonjugation

Kovalente Bindungan Makromoleküle

Br

OH

S Cys

Glu

Gly

GlutathionS-Transferase

Br

OH

S

NH

COOH

O

CH3

2. Acetyl-Transferase

1. Elimination von Gly und Glu


Metabolisierung von Xenobiotica (III)Beispiel besonders ungünstiger Metabolite

OEt

N

O

CH3

H

phenacetin

OH

N

O

CH3

H

paracetamol(wirksamerMetabolit)

Aktivierung

-CH3CHO

OEt

N

O

CH3

OH

O

N

O

CH3

Phase I

CYP P450NADPHO2

N-hydroxy- undQuinone Metabolite(Hepato- und Nephrotoxisch)

OEt

NH2

phenetidine(Bildung vonMethemoglobin)

Toxisch

Deshalb nicht mehr zugelassen


Metabolisierung von Xenobiotica (IV)

N

NCH3

CH3

N

N+

CH3

CH3

O

Imipramine Imipramine N-Oxide

Beispiele in denen Metabolite ebenfalls pharmakologisch wirksam sind

S

N

NCH3

SCH3

S

N

NCH3

SCH3

O

S

N

NCH3

S CH3

O

O

Thioridazine Mesoridazine Sulforidazine


Verbesserte metabolische Stabilität

OO O

P

O O

O

OO

S OP

O O

O

NO H

Cmax = 465 ng ml-1 Cmax = 3261 ng ml-1

4% Absorption 90% Absorption

Erhöhung der Bioverfügbarkeit durch:

Ersatz der Esterbindung durch eine Amidgruppe

Lit: A.-E.Nassar et al. Drug Discov. Today 9 (2004) 1020

Vermeidung der N-Oxidierung

NO

O

N

H O

N

H OH

N

H

O

O

N

O

O

N

H O

N

H OH

N

H

O

O

S

N N

S

26% Absorption 47% Absorption

Ritonavir


Toxikologische Endpunkte

Allgemeine Toxizität, Akute Giftigkeit,Reizung von Haut und Augen

CytotoxischCardiatische Toxizität (hERG) Hepatotoxizität (PXR, CAR)NephrotoxizitätImmunogenizität (Sensibilisierung, Allergen)Neurotoxizität (Rezeptorbindung)Drug-Drug Wechselwirkungen (Cytochrom P450)GenotoxischCanerogen / MutagenTeratogen

Auswirkungen auf den Körper: Veränderungen

am Stoffwechsel (z.B. hormonell) an den Organen am Verhalten


ADMET-Modelle (II)Die Vielzahl möglicher Reaktionen macht eine Voraussage der metabolischen/toxikologischen Eigenschaften schwierig.

Zusammenfassung von charakterisierten Reaktionen spezifischer Verbindungen in Datenbanken

Sog. Expertensysteme (Auswahl !)

DEREK, METEOR http://www.chem.leeds.ac.uk/luk/

HazardExpert CompuDrug Ltd.

TOPKAT Accelrys

M-CASE Multicase

iDEA Lion Bioscience


ADMET-Modelle (III)

Metabolische Aspekte Deskriptoren

Biotransformation Chemische Struktur einzelnerMetabolite anhand der sichein decision tree aufstellen läßtphysico-chemische Eigenschaften

Enzymbindung v.a. an SerumproteineCytochrom P450 Enzyme(siehe Vorlesung 9)

Katalytische Reaktionen ReaktionsmechanismusUmsatzgeschwindigkeit

Drug-Drug Interaction Inhibition bzw. Induktion


ADMET-Modelle (IV)Deskriptoren in QSAR-Gleichungen

log(T) = a(H) + b(E) + c(S) + Konstante

T: ToxizitätH: Hydrophobizität logPE: Elektronische FaktorenS: Sterische Faktoren

C. Hansch et al. J.Am.Chem.Soc. 86 (1964) 1616

An dieser elementaren Gleichung hat sich im Lauf der Zeit nichts geändert !

Die Dominanz einer einzelnen Größe weist wie bei QSAR üblich auf den Wirkungsmechanismus hin


ADMET-Modelle (V)Experimentelle Assays:

aquatic toxicity: Einzeller (Tetrahymena pyrifomis,Vibro fischeri)

Mutagenizität (AMES): Salmonella typhimurium + S9(Leberenzyme)

Hautreizung: Meerschweinchen (guinea pig)

Augenreizung: Kaninchenauge

in vivo ADMET: Zebrafisch

Aktueller Stand von QSAR-Methoden zur Toxikologie:

T.W. Schultz et al. J.Mol.Struct.(THEOCHEM) 622 (2003) 1

T.W. Schultz et al. idem 622 (2003) 23


Drug Safety

Drug-Drug interactions:

Wechselwirkungen mit anderen Medikamenten Drug Interaction Database http://depts.washington.edu/ventures/pfolio/didb.htm

Ökotoxikologie:

Wie verhalten sich ausgeschiedene Medikamente und deren Metabolite in der Umwelt ?

Biologische Abbaubarkeit

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