Metabolizem zdravilnih učinkovin

Transcript

1 Metabolizem zdravilnih učinkovin Iztok Grabnar Fakulteta za farmacijo, Univerza v Ljubljani UVD namen predavanja: zakaj je metabolizem pomemben? osnove metaboličnih reakcij reakcije, kje potekajo, s čim, kaj vse vpliva na te reakcije zahteve razumevanje principov, nekatere stvari tudi znati na pamet (tipični inhibitorji, induktorji) literatura Handbook of Drug Metabolism, 2 nd ed., ur. P.G. Pearson, L.C. Wienkers, 2009 Informa healthcare USA, ISBN-13: kviren načrt predstavitve 1830 Začetki organske kemije 1. Kratka zgodovina 2. Umestitev raziskav metabolizma 3. Metabolični encimi (I.,II. faza) 4. Regulacija ekspresije metaboličnih encimov 5. (III.faza) Metabolični encimi <--> prenašalci 6. Interakcije med zdravili 1828 Fredrich Woehler sinteza uree 1841 Alexander Ure izoliral prvi metabolit hipurno kislino Friedrich Friechs in Bernhard Naunyn odkrijeta organsko oksidacijo Murphy PJ. Xenobiotic metabolism: a look from the past to the future. DMD 29: ,2001 R.E. White, Drug R.E. White, Drug Metab Metab.. Disp Disp

2 Intenzivni razvoj organske kemije Kemična faza 1870 Marcell Nencki - Aromatske oksidacije Eugen Baumann izoliral fenol-sulfat iz urina swald Schmiedeberg izoliral glukuronid kafre 1887 Wilhelm His odkril metiliranje piridina 1931 Tecwyn Williams odkril strukturo glukuronske kisline 1936 Potter, Elvehjem metode homogenizacije 1941 Claude, Schneider - separacijsko centrifugiranje 1947 Bernard Brodie razvoj separacijskih metod 1949 Julius Axelrod odkril toksičnost acetanilida - večinoma deskriptivno, identifikacija metabolitov, - razvoj kromatografskih metod, HPLC -opazovanje masne bilance James konjugacija z glutationom 1964 mura in Sato odkrijeta Cyp razmah in vitro metod: mikrosomi 1999 kristalizacija CYP 450 Murphy PJ. Xenobiotic metabolism: a look from the past to the future. DMD 29: ,2001 R.E. White, Drug R.E. White, Drug Metab Metab.. Disp Disp danes Genetska faza - genotipiziranje in fenotipiziranje, kat. mehanizmi, QSAR, IN-SILIC predikcije - farmakogenetika, - farmakogenomika, - ugotavljanje regulacije in genske ekspresije gene chips Pomen metabolizma zdravil 1. Prenehanje učinka zdravila (najpomembnejša pot eliminacije) 2. Aktivacija predzdravila (npr. arsfenamin, protonsil, acetanilid, terfenadin) 3. Bioaktivacija (toksičnost) (npr. olefini, policiklični aromati, paracetamol -> kinonimin) 4. Karcinogeneza (elektrofili epoksidi, imini..) Murphy PJ. Xenobiotic metabolism: a look from the past to the future. DMD 29: ,2001 R.E. White, Drug R.E. White, Drug Metab Metab.. Disp Disp

3 FAKTRJI, KI VPLIVAJ NA METABLIZEM - 1 FAKTRJI, KI VPLIVAJ NA METABLIZEM Starost (novorojenčki, starejši) 2.Prehranjevalne navade (vegiji, žar..) 3.Zdravstveno stanje (kadilci, alkoholiki) 4.Spol 5.Genetski polimorfizmi 6. Razlike med rasami, vrstami 7.Kompeticija substratov 8.Encimska inhibicija 9.Encimska indukcija Cena razvoja novega zdravila USD Zakaj % zdravil v razvoju propade? = 40 X 39% LADME-TX 30% 11% 10% LADME-TX 5% % zdravil v razvoju propade! Za toliko denarja bi lahko kupili 40 ameriških lovcev F-16 Fighting Falcon Zakaj? Prentis Prentis, Br.J., Br.J.Clin Clin..Pharmacol Pharmacol , 387 (1988): : 7 pharmaceutical companies, 198 drugs. Kennedy T., Drug Disc.Today, 2, (1997) 3

4 Konkretni vzroki za neuspeh 2. Umestitev raziskav metabolizma pri razvoju novega zdravila - Nizka topnost: nepopolna absorpcija (II in IV razred BCS) -Visoka vezava na proteine Neustrezna c(p) na mestu delovanja -Velik učinek prvega prehoda potreben zelo visok odmerek, variabilnost F, c max, t -Encimska inhibicija DDI, variabilnost c(p), t 1/2 In vivo farmakološki modeli, farmakodinamične študije -Encimska indukcija DDI, variabilnost c(p), t 1/2 -Encimska avtoindukcija variabilnost t 1/2 -Genetski polimorfizmi variabilnost t 1/2 Prentis Prentis, Br.J., Br.J.Clin Clin..Pharmacol Pharmacol , 387 (1988): : 7 pharmaceutical companies, 198 drugs. Kennedy T., Drug Disc.Today, 2, (1997) Metabolizem zdravil Genetski dejavniki Dejavniki okolja Neaktiven/Aktiven//Toksičen/ Mutagen/Karcinogen Genetski dejavniki Dejavniki okolja Mehanizmi izločanja 200 najpogosteje predpisanih zdravil Faza I Faza II Faza III? UČINKVINA METABLIT KNJUGAT H glukuronid Razkrije ali uvede funkcionalno skupino za konjugacijo v Fazi II. Malo hidrofilnosti Konjugacija nukleofilnih Transport in funkcionalnih skupin nadaljnje pretvorbe konjugatov Veliko hidrofilnosti Prenehanje farmakološkega učinka, lahko pa nastane toksičen vpliv Hitrost in obseg metabolizma vpliva na velikost in pogostnost odmerkov potrebnih za zaželen terapevtski učinek zdravila Williams JA, Hyland R, Jones BC. et al. Drug Metab Disp., 2004; (32)11:

5 Biološka uporabnost Predsistemski metabolizem 100 mg 80 mg 60 mg Fa = mg 20 mg F g = mg Kakšen je biološki pomen tega učinka prvega prehoda? 30 mg F h = 0.50 F =.80 x.75 x.5 = 0.3 F = Fabs x Fg x Fh (x Fs) Metabolizem zdravil Ne-jetrni, mikrosomski metabolizem oksidacija - konjugacija Predvsem tanko črevo, pljuča, ledvica Ne-jetrni, ne-mikrosomski metabolizem Kri, intersticij, črevesni lumen -esteraze -glukuronidaze -sulfataze, -peptidaze. Jetrni mikrosomski metabolizem oksidacija -konjugacija Jetrni ne-mikrosomski metabolizem acetiliranje, -Sulfatiranje,, GSH, -Alkohol/aldehid DH -Hidroliza, ox., red. Udeležba metaboličnih encimov Encimi faze I Citokrom P450 (CYP450) Flavinske monooksigenaze (FM) Aldehidna oksidaza (A), Ksantinska oksidaza (X) Reakcije faze I ksidacija alkanov, alkenov, aromatov Hidroksilacija, redukcija (npr. azo barvil) Demetilacija heteroatomov Ciklizacija, odprtje obročev 5

6 NADP + NADPH C CYP-Fe +2 Drug CYP R-Ase C hυ e - CYP Fe +2 Drug 2 PC CYP Fe +3 Drug 2 CYP Fe +2 Drug Electron flow in microsomal drug oxidizing system e - Drug Drug H CYP Fe +3 Drug 2H + H 2 H Nomenklatura npr. CYP 2D6 CYP450 = naddružina mikrosomskih hemoproteinov 40% Podobnosti v sekvenci -- družine (CYP 1, CYP 2, CYP 3) 55% podobnosti - Poddružine ABCD (CYP 2D) 97% podobnost izoforme npr. CYP 2D6 Aleli so označeni z * npr.cyp 2D6*1 Italics pisava označuje gene (CYP 1A2); navadni font pa encime Veliko informacij o CYP encimih: Encim CYP 1A2 2A6 2B6 2C9 2C19 2C8 2D6 CYP3A4 Induktorji Pečenomeso,cigar te, Ar-amini, (HAA),Ar. ogljikovodiki, dioksin dioksin Deksametazon, rifampicin, fenobarbit al Rifampicin, vpliv alelov Rifampicin, vpliv alelov Rifampicin, fenobarbit on Rifampicin, deksametazon Substrati Teofilin, kofein, olanzapin, ondansetron, fenacetin (in vitro) Nikotin, kumarin, prokarcinogeni aflatoksin B1, nitrozamini, halotan S-mefobarbital NSAR, celekoksib, Svarfarin, fenitoin, mikonazol, sartani, sildenafil S-mefenitoin, klopidogrel omeprazol, moklobemid taksol, zopiklon, karbamazepin, verapamil, Beta blok., antiaritmiki antidepresivi TCA, SSRI, antipsihotoki, kodein, donepezil, tamoksifen, tramadol,setroni Inhibitorji: rev. in irev Furafilin, fluvoksamin, kinoloni Ketokonazol, organska topila orfenadrin sulfafenazol flukonazol valproat PPI: meprazol, moklobemid fluvoksamin kvercetin Fluoksetin, paroksetin, kinidin, bupropion, kinidin amiodaron, ritonavir terbinafin Vpliv genotipa DA etnične sk. vendar:pomemb nejši so induktorji in inhib. DA Majhna vsebnost v jetrih! Velika frekvenca polimorizmov. Rifampicin, Midazolam, testosteron, Ketokonazol,grenivka NE Polovica vseh zdravil se deksametazon, pregesteron, več kot eritromicin, biotransformira s karbamazepin, 50% vseh ZU klaritromicin, nefazodon, tem encimom. fenobarbiton, ritonavir efavirenz, St John Swedish environmental classification of pharmaceuticals Facts for prescribers (Fakta för förskrivare) DA DA DA DA DA Posebnosti Največ v pljučih in v placenti. Velike interindividualne razlike v aktivnosti Nima endogenih substratov Samo 1% vseh CYP* Metabolizira veliko klinično pomembnih kislih ZU CYP2C19*2 Na novo spoznan pomen tega encima polimorfizmi 6

7 Pomnite: induktorji so v splošnem veliko manj selektivni, kot to velja za inhibitorje velja tako za sistemski kot za predsistemski metabolizem sumljenih 5 - Inhibitorji velja tako za sistemski kot za predsistemski metabolizem sumljenih 5 Induktorji Amiodaron Ketokonazol Cimetidin Ciprofloksacin (1A2) Diltiazem Eritro, klaritromicin (3A4) Etanol (akutno) Flukonazol (3A4) Fluoksetin (2C9, 2C19, 2D6) Fluvoksamin (1A2, 2C19, 3A4) Grenivka (3A4, P-gp) Itrakonazol (3A4) Metronidazol Mikonazol (3A4) Nefazodon (3A4) peroralni kontraceptivi Paroksetin (2D6) Fenilbutazon Kinidin (2D6) Sulfinpirazon Verapamil (P-GP, vse) Ciklosporin A (vse) Barbiturati (2B,3A) karbamazepin (2C19, 3A4/5/7) fenition jedi z žara, prekajeno, (1A2) Deksametazon Etanol (kroniki) (2E1) Grizeofulvin Izoniazid (2E1) Primidon (2B) Rifabutin (3A4) Rifampicin (2B6, 2CB, 2C19, 2C9, 2D6, 3A4/5/7) Tobak, dim (1A2) šentjanževka 7

8 CYP encimi v jetrih Pomembne ne-citokromske metabolične reakcije Relativna vsebnost CYP encimov v jetrih CYP2D6 2% CYP 2C 17% CYP 1A2 12% CYP2E1 7% CYP 3A4-5 26% THER 36% CYP 2C9 14% CYP 1A2 14% Relativna vloga posamičnih izoform pri metabolizmu zdravil CYP 2C19 11% CYP 3A4-5 33% CYP2D6 23% CYP2E 5% ksidacije (FM, MA, A, X) Hidrolize (npr. esteraze) Konjugacije (Faza 2) Etanol Glavne reakcije konjugacije: Glukuronidiranje (visoka kapaciteta) Sulfatiranje (nizka kapaciteta) Acetiliranje (variabilna kapaciteta) Primeri: Prokainamid, Izoniazid stale reakcije konjugacije: -Metilirianje, S-Metiliranje, AKkonjugiranje (glicin, tavrin, glutation) Non-CYP oksigenaze Monoaminska oksidaza (MA), je v mitohondrijih oksidativno deaminira endogene substrate (dopamin, serotonin, A, NA ); Alkohol in Aldehidna dehidrogenaza nespecifični, nemikrosomski encimi; etanol Ksantinska oksidaza (X) pretvarja hipoksantin v ksantin in potem v urat. Zdravila: teofilin, 6-MP, alopurinol (hkrati inhibitor). II. Faza metabolizma konjugacija prek: H, CH, NH2, SH tvorba hidrofilnih produktov > izločanje! neaktivnih produktov -δ 8

9 INTERINDIVIDUALNE RAZLIKE V AKTIVNSTI UGT Glavna pot izločanja: morfin, raloksifen, entecapon, ketoprofen, kodein, naproksen, paracetamol (50%) etinilestradiol (40%)... adenozin 3'-fosfat 5'-sulfatofosfat sulfotransferaza 9

10 Ar NH 2 R NH 2 + CoA S Ar N H CH 3 R CH 3 R R H SH Acetyl transferase R N H CH 3 R S CH 3 Primeri: Prokainamid, izoniazid, sulfanilimid, histamin NAT najdemo v različnih tkivih... 10

11 Prenašalni proteini udeleženi pri farmakokinetiki Vloga prenašalcev A para.absorpcija B facilitirana absorpcija C efluks absorbiranih snovi D izločanje iz krvi E absorpcija in metabolizem F absorpcija, metabolizem in izločanje Položaj in smer prenosa različnih prenašalnih proteinov v enterocitih in hepatocitih, prirejeno po [Ito,2005], [Jeong,2005], [Chan,2004], [Tian,2008:doi: /dmd ] 11

12 Sklopitev transporta in metabolizma Interakcije zdravil Gre za funkcionalno (in smiselno) povezavo - kot sistem tekočega traku v tovarni. Distribucija (Izpodrivanje iz plaz.proteinov) MTB reakcija in transport prek membrane sta sklopljena takrat, ko transport vpliva na metabolično reakcijo in obratno. Sprememba v hitrosti enega procesa povzroči spremembo v hitrosti izločanja metabolitov 1. Farmakokinetične Naproksen, indometacin) Metabolizem (indukcija, inhibicija) antiepileptiki, azolski antimikotiki Sproščanje (ph, motiliteta) loperamid Absorpcija (kelati, adsorpcija) holestiramin Eliminacija (ph urina, prenašalci) probenecid 2. Farmakodinamične Zelo močno povečani učinki teofilina Teofilin + Kinoloni*: ciprofloksacin, norfloksacin, pefloksacin Močno povečane koncentracije teofilina (do 470%) Povečani učinki glukokortikoidov Glukokortikoidi (peroralni, inhalirani in i.v.) + Azolski antimikotiki, Povečan AUC glukokortikoidov za 135 % Konvulzije in smrt Mehanizem: Kako ukrepati? Kinoloni inhibirajo CYP450 1A2 in 3A4 Zmanjšati odmerek teofilina * Ne velja za: ofloksacin, prulifloksacin, fleroksacin, flumekin, gemifloksacin, levofloksacin, lomefloksacin, nalidiksinsko kislino, rufloksacin, sparfloksacin in trovafloksacin. Mehanizem: Kako ukrepati? Te učinkovine so močni inhibitorji CYP450 3A4 Spremljati koncentracije glukokortikoidov in zmanjšati odmerek za 50% 12

13 Prenehanje delovanja klopidogrela Toksični učinki statinov Klopidogrel omeprazol lansoprazol esomeprazol ni učinka klopidogrela Statini + klaritromicin eritromicin troleandomicin rabdomioliza Mehanizem: Kako ukrepati? inhibitorji PPI inhibirajo CYP2C19, ki aktivira klopidogrel. pantoprazol, rabeprazol imata manj izraženo inhibicijo lovastatin simvastatin atorvastatin cerivastatin Mehanizem: Kako ukrepati? ti makrolidni antibiotiki so močni inhibitorji Cyp3A4 prekiniti zdravljenje s statini ali uvesti drug antibiotik. Indinavir - Šentjanževka (indukcija!) Mean plasma concentration time course of indinavir. After St. John s Wort zaradi šentjanževke AUC indinavirja manjši za 57% 13

14 Učinek grenivkinega soka na plazemsko koncentracijo felodipina Dejstva o grenivkinem soku (GS) 5mg tablet with juice GS ali G, limete, nekatere pomaranče in sok močno povečajo cmax, ne pa eliminacijo( t 1/2 ) Cl Cl H CH 3 2 C C 2 CH 3 CH 3 N CH 3 H 3A4 Cl Cl CH 3 2 C C 2 CH 3 CH 3 N CH 3 without GS povzroči 62% zmanjšanje vsebnosti CYP 3A4 in 3A5 v enterocitih; jetra ostanejo relativno neprizadeta - i.v. PK se ne spremni učinek GS traja ~4 h do 24 ur, potrebna je nova sinteza encima celokupni učinek je celo do 5 kratno povečanje Cmax učinek zelo različen med posamezniki odvisen od bazalnega nivoja ekspresije CYP3A4 Review- D.G. Bailey, et al.; Br J Clin Pharmacol 1998, 46: Paracetamol Acetaminophen and p-aminophenols HN CCH 3 HN CCH 3 Acetanilid 1886 naključno odkritje antipiretičnih lastnosti; toksičnost (methemoglobinemia); testiranje para-aminofenola in drugih derivatov. Fenacetin odkrit 1887, pogosto uporabljan analgetik (nefropatije) dkritje metabolita paracetamol (1899) Brodie in Axelrod ugotovita, da je methemoglobinemijo povzroča acetanilid, analgezijo pa paracetamol 1955 uporaba paracetamola za analgezijo Acetanilid ( toksičen) 70-90% NH 2 NH 2 C 2 H % HN CCH 3 C 2 H 5 Fenacetin, 1887 (nefrotoksičnost, methemoglobinemija) H Paracetamol 14

15 Acetaminophen (paracetamol)toxicity Metabolizem paracetamola HN CCH 3 Acetaminophen overdose results in more calls to poison control centers in the United States than overdose with any other pharmacologic substance. The American Liver Foundation reports that 35% of cases of severe liver failure are caused by acetaminophen poisoning which may require organ transplantation. N-acetyl cysteine is an effective antidote, especially if administered within 10 h of ingestion [NEJM 319: , 1988] Management of acetaminophen overdose [Trends Pharm Sci 24: , 2003 HN CCH 3 H H C 2 H H ~60% ~35% H CYP2E1* CYP1A2 CYP3A11 CCH N 3 Vezava na proteine Toksičnost NAPQI N-acetil-p-benzokinon imin HN CCH 3 S 3 H *indukcija z etanolom Vezava na proteine HN CCH 3 CCH N 3 CYPs HS-Protein H H 2 N-Protein Protein S CCH N 3 HN CCH 3 HN CCH 3 H S Protein NH Protein H S.D. Nelson, Drug Metab. Rev. 27: (1995) K.D. Welch et al., Chem Res Toxicol 18: (2005) 15