1

Metabolizem zdravilnih učinkovin

Iztok GrabnarFakulteta za farmacijo, Univerza v Ljubljani

UVODnamen predavanja:

zakaj je metabolizem pomemben?osnove metaboličnih reakcijreakcije, kje potekajo, s čim,kaj vse vpliva na te reakcije

zahteverazumevanje principov, nekatere stvari tudi znati na pamet (tipični inhibitorji, induktorji)

literaturaHandbook of Drug Metabolism, 2nd ed., ur. P.G. Pearson, L.C. Wienkers, 2009 Informa healthcareUSA, ISBN-13:978-1-4200-7647-9http://medicine.iupui.edu/clinpharm/ddis/table.asp

Okviren načrt predstavitve

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

1830

Začetki organske kemije

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 29:779-780,2001R.E. White, Drug R.E. White, Drug Metab Metab. . Disp Disp. . 1998

2

1870 – Marcell Nencki - Aromatske oksidacijeEugen Baumann – izoliral fenol-sulfat iz urinaOswald Schmiedeberg – izoliral glukuronid kafre

1887 – Wilhelm His – odkril metiliranje piridina1931 – Tecwyn Williams – odkril strukturo glukuronske kisline1936 – Potter, Elvehjem – metode homogenizacije1941 – Claude, Schneider - separacijsko centrifugiranje1947 – Bernard Brodie – razvoj separacijskih metod1949 – Julius Axelrod – odkril toksičnost acetanilida

1850 - 1950 Intenzivni razvoj organske kemije 1950 – 1980

Kemična faza

- večinoma deskriptivno, identifikacija metabolitov,

- razvoj kromatografskih metod, HPLC

-opazovanje masne bilance

James – konjugacija z glutationom

1964 – Omura in Sato – odkrijeta Cyp 450

1980 – razmah in vitro metod: mikrosomi…

1999 – kristalizacija CYP 450

Murphy PJ. Xenobiotic metabolism: a look from the past to the future. DMD 29:779-780,2001R.E. White, Drug R.E. White, Drug Metab Metab. . Disp Disp. . 1998

1990 – danes

Genetska faza

- genotipiziranje in fenotipiziranje, kat. mehanizmi, QSAR, IN-SILICO

predikcije

- farmakogenetika,

- farmakogenomika,

- ugotavljanje regulacije in genske ekspresije – “gene chips”

Murphy PJ. Xenobiotic metabolism: a look from the past to the future. DMD 29:779-780,2001R.E. White, Drug R.E. White, Drug Metab Metab. . Disp Disp. . 1998

Pomen metabolizma zdravilPomen 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..)

3

FAKTORJI, KI VPLIVAJO NA METABOLIZEM - 1FAKTORJI, KI VPLIVAJO NA METABOLIZEM - 1

1.Starost (novorojenčki, starejši)

2.Prehranjevalne navade (vegiji, žar..)

3.Zdravstveno stanje (kadilci, alkoholiki)

4.Spol

5.Genetski polimorfizmi

FAKTORJI, KI VPLIVAJO NA METABOLIZEM - 2FAKTORJI, KI VPLIVAJO NA METABOLIZEM - 2

6. Razlike med rasami, vrstami

7.Kompeticija substratov

8.Encimska inhibicija

9.Encimska indukcija

Cena razvoja novega zdravila 800 000 000 USD

= 40 X

Za toliko denarja bi lahko kupili 40 ameriških lovcev F-16 Fighting Falcon

80-90 % zdravil v razvoju propade !

Zakaj?

Zakaj 80-90 % zdravil v razvoju propade ?

Prentis Prentis, Br.J. , Br.J.Clin Clin..Pharmacol Pharmacol..25 25, 387 (1988): : 7 pharmaceutical companies, 198 drugs.Kennedy T., Drug Disc.Today, 2, 436-444 (1997)

39%

30%

11%

10%5%

LADME-TOX

LADME-TOX

4

Konkretni vzroki za neuspeh

Prentis Prentis, Br.J. , Br.J.Clin Clin..Pharmacol Pharmacol..25 25, 387 (1988): : 7 pharmaceutical companies, 198 drugs.Kennedy T., Drug Disc.Today, 2, 436-444 (1997)

- 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, cmax, t

-Encimska inhibicija DDI, variabilnost c(p), t1/2

-Encimska indukcija DDI, variabilnost c(p), t1/2

-Encimska avtoindukcija variabilnost t1/2

-Genetski polimorfizmi variabilnost t1/2

2. Umestitev raziskav metabolizma –pri razvoju novega zdravila

In vivo farmakološki modeli, farmakodinamične študije

Metabolizem zdravil

UČINKOVINA METABOLIT KONJUGAT

Razkrije ali uvede funkcionalno Konjugacija nukleofilnihskupino za konjugacijo funkcionalnih skupinv Fazi II.Malo ⇑ hidrofilnosti 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

OH

Genetski dejavnikiDejavniki okolja

Neaktiven/Aktiven//Toksičen/Mutagen/Karcinogen

Genetski dejavnikiDejavniki okolja

Faza III ?Faza I Faza II

Transport in nadaljnje pretvorbe konjugatov

Oglukuronid

Mehanizmi izločanja 200 najpogosteje predpisanih zdravil

Williams JA, Hyland R, Jones BC. et al. Drug Metab Disp., 2004; (32)11: 1201-08..

5

100 mg100 mg

20 mg20 mg

20 mg20 mg

80 mg80 mg 60 mg60 mg

30 mg30 mg

30 mg30 mg

F = .80 x .75 x .5 = 0.3F = .80 x .75 x .5 = 0.3

FFgg = 0.75= 0.75FFaa = 0.80= 0.80 FFhh = 0.50= 0.50

Biološka uporabnostPredsistemski metabolizem

Kakšen je biološki pomen tega učinka prvega prehoda?

F = Fabs x Fg x Fh (x Fs)

Metabolizem zdravil

Jetrni mikrosomskimetabolizem--------------------oksidacija-konjugacija

Ne-jetrni, mikrosomskimetabolizem------------------------------ oksidacija- konjugacija

Predvsem tanko črevo, pljuča, ledvica

Jetrni Jetrni nene--mikrosomskimikrosomskimetabolizemmetabolizem--------------------------------------------------acetiliranjeacetiliranje,,--SulfatiranjeSulfatiranje, GSH, , GSH, --Alkohol/aldehid Alkohol/aldehid DHDH--Hidroliza, Hidroliza, oxox., red.., red.

Ne-jetrni, ne-mikrosomskimetabolizem----------------------------------Kri, intersticij, črevesni lumen-esteraze-glukuronidaze-sulfataze,-peptidaze.

Udeležba metaboličnih encimovEncimi faze I

Citokrom P450 (CYP450)Flavinske monooksigenaze (FMO)Aldehidna oksidaza (AO), Ksantinska oksidaza (XO)

Reakcije faze IOksidacija alkanov, alkenov, aromatovHidroksilacija, redukcija (npr. azo barvil)

Demetilacija heteroatomovCiklizacija, odprtje obročev

6

Electron flow in microsomal drug oxidizing system

CO

hυCYP-Fe+2

Drug

CO

O2

e-

e-

2H+

H2O

Drug

CYPR-Ase

NADPH

NADP+

OHDrug

CYP Fe+3

PC Drug

CYP Fe+2

Drug

CYP Fe+2

Drug

O2

CYP Fe+3

OHDrug

Nomenklaturanpr. 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 encimeVeliko informacij o CYP encimih:http://drnelson.utmem.edu/human.P450.table.html

Polovica vseh zdravil se biotransformira s tem encimom.

NEKetokonazol,grenivkaeritromicin,klaritromicin, nefazodon,ritonavir

Midazolam, testosteron, pregesteron, več kot 50% vseh ZU

Rifampicin,deksametazon,karbamazepin,fenobarbiton,

efavirenz,St John

CYP3A4

Majhna vsebnost v jetrih! Velika frekvenca polimorizmov.

DAFluoksetin, paroksetin, kinidin, bupropion, kinidinamiodaron, ritonavirterbinafin

Beta blok., antiaritmikiantidepresivi TCA, SSRI, antipsihotoki, kodein,donepezil, tamoksifen,tramadol,setroni

Rifampicin,deksametazon2D6

Na novo spoznan pomen tega encima

DAkvercetintaksol, zopiklon,karbamazepin, verapamil,

Rifampicin, fenobarbiton

2C8

CYP2C19*2 DAPPI: Omeprazol,moklobemidfluvoksamin

S-mefenitoin, klopidogrelomeprazol, moklobemid

Rifampicin,vpliv alelov2C19

Metabolizira veliko klinično pomembnih kislih ZU

DAsulfafenazolflukonazolvalproat

NSAR, celekoksib, Svarfarin, fenitoin, mikonazol, sartani, sildenafil

Rifampicin,vpliv alelov2C9

Samo 1% vseh CYP*DAorfenadrinS-mefobarbitalDeksametazon,rifampicin,

fenobarbital

2B6

Nima endogenih substratov

DAKetokonazol, organska topila

Nikotin, kumarin, prokarcinogeni –aflatoksin B1,

nitrozamini, halotan

dioksin2A6

Največ v pljučih in v placenti. Velike interindividualnerazlike v aktivnosti

DAetnične sk. vendar:pomembnejši so induktorji in inhib.

Furafilin, fluvoksamin, kinoloni

Teofilin, kofein, olanzapin, ondansetron, fenacetin(in vitro)

Pečenomeso,cigarte, Ar-amini,(HAA),Ar.ogljikovodiki,

dioksin

1A2

PosebnostiVpliv genotipa

Inhibitorji:rev. in irev

SubstratiInduktorjiEncimCYP

Swedish environmental classification of pharmaceuticals Facts for prescribers (Fakta för förskrivare) http://www.fass.se/LIF/produktfakta/fakta_lakare_artikel.jsp?articleID=18352

polimorfizmi

7

Pomnite: induktorji so v splošnem veliko manj selektivni,kot to velja za inhibitorje

“Osumljenih 5” - InhibitorjiAmiodaronKetokonazolCimetidinCiprofloksacin (1A2)DiltiazemEritro, klaritromicin(3A4)Etanol (akutno)Flukonazol (3A4)Fluoksetin (2C9, 2C19, 2D6)Fluvoksamin (1A2, 2C19, 3A4)Grenivka (3A4, P-gp)

Itrakonazol (3A4)MetronidazolMikonazol (3A4)Nefazodon (3A4)peroralni kontraceptiviParoksetin (2D6)FenilbutazonKinidin (2D6)SulfinpirazonVerapamil (P-GP, vse)Ciklosporin A (vse)

velja tako za sistemski kot za predsistemski metabolizem

“Osumljenih 5” – Induktorji

Barbiturati (2B,3A)karbamazepin (2C19, 3A4/5/7)fenitionjedi z žara, prekajeno, (1A2)DeksametazonEtanol (kroniki) (2E1)Grizeofulvin

Izoniazid (2E1)Primidon (2B)Rifabutin (3A4)Rifampicin (2B6, 2CB, 2C19, 2C9, 2D6, 3A4/5/7)Tobak, dim (1A2)šentjanževka

velja tako za sistemski kot za predsistemski metabolizem

8

OTHER36%

CYP2D62%

CYP2E17%

CYP 2C17%

CYP 1A212%

CYP 3A4-526%

Relativna vsebnost CYP encimov v jetrih

Relativna vloga posamičnih izoform pri metabolizmu

zdravil

CYP encimi v jetrih

CYP 1A214%

CYP 2C914%

CYP 2C1911%

CYP2D623%

CYP2E5%CYP 3A4-5

33%

Pomembne ne-citokromske metaboličnereakcije

Oksidacije (FMO, MAO, AO, XO)

Hidrolize (npr. esteraze)

Konjugacije (Faza 2)Glavne reakcije konjugacije:

Glukuronidiranje (visoka kapaciteta) Sulfatiranje (nizka kapaciteta) Acetiliranje (variabilna kapaciteta) Primeri: Prokainamid, Izoniazid

Ostale reakcije konjugacije: O-Metilirianje, S-Metiliranje, AK-konjugiranje (glicin, tavrin, glutation)

Etanol

Non-CYP oksigenaze

Monoaminska oksidaza (MAO),

je v mitohondrijih

oksidativno deaminira endogene substrate (dopamin, serotonin, A, NA );

Alkohol in Aldehidna dehidrogenaza –nespecifični, nemikrosomski encimi; etanol

Ksantinska oksidaza (XO)– pretvarja hipoksantinv ksantin in potem v urat. Zdravila: teofilin, 6-MP, alopurinol (hkrati inhibitor).

II. Faza metabolizma

konjugacija prek:OH, COOH, NH2, SH

tvorba hidrofilnih produktov –> izločanje!neaktivnih produktov

-δ

9

Glavna pot izločanja: morfin, raloksifen, entecapon, ketoprofen, kodein, naproksen, paracetamol (50%)etinilestradiol (40%)...

INTERINDIVIDUALNE RAZLIKE V AKTIVNOSTI UGT

adenozin 3'-fosfat 5'-sulfatofosfat sulfotransferaza

10

Primeri: Prokainamid, izoniazid, sulfanilimid, histamin

NAT najdemo v različnih tkivih...

Ar NH2

R SH

R OH

R NH2+

Ar NCH3

O

H

Acetyl transferase

CoA SO

R NO

CH3H

R OO

CH3

R SO

CH3

11

Prenašalni proteini udeleženi pri farmakokinetiki

Vloga prenašalcev

A … para.absorpcijaB… facilitiranaabsorpcija

C…efluks absorbiranih snoviD…izločanje iz krvi

E… absorpcija in metabolizemF… 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:10.1124/dmd.107.019273]

12

Sklopitev transporta in metabolizma

Gre za funkcionalno (in smiselno) povezavo - kot sistem tekočega traku v tovarni.

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

Interakcije zdravil

1. Farmakokinetične

2. Farmakodinamične

Distribucija(Izpodrivanje iz plaz.proteinov)

Naproksen, indometacin)

Metabolizem(indukcija, inhibicija) antiepileptiki, azolski antimikotiki

Sproščanje(pH, motiliteta) loperamid

Absorpcija(kelati, adsorpcija) holestiramin

Eliminacija(pH urina, prenašalci)

probenecid

Zelo močno povečani učinki teofilina

Teofilin

Kinoloni*: ciprofloksacin, norfloksacin, pefloksacin

Močno povečane koncentracije teofilina (do 470%)

+

Mehanizem: Kinoloni inhibirajo CYP450 1A2 in 3A4

Kako ukrepati? Zmanjšati odmerek teofilina

Konvulzije in smrt

* Ne velja za: ofloksacin, prulifloksacin, fleroksacin, flumekin, gemifloksacin, levofloksacin, lomefloksacin, nalidiksinsko kislino, rufloksacin, sparfloksacin in trovafloksacin.

Povečani učinki glukokortikoidov

Glukokortikoidi(peroralni, inhalirani

in i.v.)

Azolskiantimikotiki,

Povečan AUC glukokortikoidov za 135 %

+

Mehanizem: Te učinkovine so močni inhibitorji CYP450 3A4

Kako ukrepati? Spremljati koncentracije glukokortikoidov in zmanjšati odmerek za 50%

13

Prenehanje delovanja klopidogrela

Klopidogrel

Mehanizem: inhibitorji PPI inhibirajo CYP2C19, ki aktivira klopidogrel.

Kako ukrepati? pantoprazol, rabeprazol imata manj izraženo inhibicijo

omeprazollansoprazolesomeprazol ni učinka

klopidogrela

Toksični učinki statinov

Statini+

Mehanizem: ti makrolidni antibiotiki so močni inhibitorji Cyp3A4

Kako ukrepati? prekiniti zdravljenje s statini ali uvesti drug antibiotik.

klaritromicineritromicintroleandomicin rabdomioliza

lovastatinsimvastatinatorvastatincerivastatin

After St. John’s Wort

Mean plasma concentration time course of indinavir.

Indinavir - Šentjanževka (indukcija !)

zaradi šentjanževkeAUC indinavirjamanjši za 57%

14

5mg tablet with juice

without

Review- D.G. Bailey, et al.; Br J Clin Pharmacol 1998, 46:101-110

N

CO 2CH3CH3O2C

CH3 CH3H

H

Cl

Cl3A4

N

CO 2CH3CH3O2C

CH3 CH3

Cl

Cl

Učinek grenivkinega soka na plazemsko koncentracijo felodipina

GS ali G, limete, nekatere pomaranče in sok močno povečajo cmax, ne pa eliminacijo( t1/2)

GS povzroči 62% zmanjšanje vsebnosti CYP3A4 in 3A5 v enterocitih; jetra ostanejo relativno neprizadeta - i.v. PK se ne spremniučinek GS traja ~4 h do 24 ur, potrebna je nova sinteza encimacelokupni učinek je celo do 5 kratno povečanje Cmaxučinek zelo različen med posamezniki –odvisen od bazalnega nivoja ekspresije CYP3A4

Dejstva o grenivkinem soku (GS)

Paracetamol

Acetanilid – 1886 – naključno odkritje antipiretičnih lastnosti; toksičnost (methemoglobinemia); testiranje para-aminofenola in drugih derivatov. Fenacetin odkrit 1887, pogosto uporabljan analgetik(nefropatije)Odkritje metabolita – paracetamol (1899)1948-49 Brodie in Axelrod ugotovita, da je methemoglobinemijo povzroča acetanilid, analgezijo paparacetamol1955 uporaba paracetamola za analgezijo

Acetaminophen and p-Aminophenols

Acetanilid ( toksičen)

Fenacetin, 1887(nefrotoksičnost, methemoglobinemija)

Paracetamol

70-90% 75-80%

HNCOCH 3

OH

HNCOCH 3

OC 2H5

NH2

OC 2H5

HNCOCH 3

NH2

15

•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 319:1557-1562, 1988]•Management of acetaminophen overdose [Trends Pharm Sci 24:154-157, 2003

Acetaminophen (paracetamol)Toxicity Metabolizem paracetamola

~60% ~35%

CYP2E1*CYP1A2CYP3A11

NAPQIN-acetil-p-benzokinon imin

*indukcija z etanolom

Vezava na proteineToksičnost

HNCOCH 3

OH

HNCOCH 3

OSO 3H

HNCOCH 3

OO CO 2H

OHOH

HON

O

COCH 3

Vezava na proteine

CYPsHS-Protein

H2N-Protein

S.D. Nelson, Drug Metab. Rev. 27: 147-177 (1995)K.D. Welch et al., Chem Res Toxicol 18:924-33 (2005)

HNCOCH 3

OH

N

O

COCH 3

HN

COCH 3

OHS Protein

HNCOCH 3

OHNH Protein

O

COCH 3NSProtein