Metabolismus und Toxikologie

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1 Metabolismus und Toxikologie
Wenn 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“ 8. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery WS04/05

2 Warum ist die Voraussage der ADME Parameter so wichtig ?
Gründe die zum Fehlschlag eines potentiellen Wirkstoffs führen 8. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery WS04/05

3 Zu Risiken und Nebenwirkungen...
Nebenwirkungen werden als die häufigste Todesursache eingeschätzt (USA 1994) Häufigste Todesursache: Herz-Kreislauf-Komplikationen Liste von zurückgezogenen Medikamenten (unvollständig) Handelsname Nebenwirkung Hersteller Zeitraum Rofecoxib Thrombosis,Stroke Merck(USA) Sep 2004 Cerivastatin Rhabdomyolysis Bayer Aug 2001 Alsostron Ischemic Colitis GSK Nov 2000 Cisopride Cardiac Arrhythmia Janssen Jun 2000 Pemoline Liver Toxicity Warner-Lambert May 2000 Mibefradil Drug/Drug Interaction Roche Jun 1998 Terfenadine Cardiac Arrhythmia Höchst Dec 1997 Fenfluramine Heart Valve Disease Wyeth Sep Quelle: J. Gut TheraSTrat AG, Allschwil, CH (bis 2001) 8. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery WS04/05

4 QT interval prolongation (I)
Zu 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 msec bei einer Pulsfrequenz von 60 Schlägen pro Minute QT-Intervall Bildquelle: 8. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery WS04/05

5 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. 8. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery WS04/05

6 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. 8. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery WS04/05

7 Historische Entwicklung in Deutschland
Bis 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 8. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery WS04/05

8 Modern Methods in Drug Discovery WS04/05
Präklinische Phase Nach Abschlus der lead optimization folgen umfassende in vitro (Modellsystem aus Zellen, Zellverbänden) und in vivo (Tierversuch) Untersuchungen an 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) 8. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery WS04/05

9 Modern Methods in Drug Discovery WS04/05
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 Markteinführung Phase IV: Wie Phase III, aber umfassendere Anzahl von Patienten, Erfassen von seltenen Nebenwirkungen, Langzeitstudien, Nachweis der Kosteneffizienz 8. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery WS04/05

10 Klinische Studien (II)
Zeitdauer (in Monaten) für die klinische und prä-klinische Entwicklung Lit: P.Preziosi Nature Rev.Drug.Discov. 3 (2004) 521. 8. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery WS04/05

11 Modern Methods in Drug Discovery WS04/05
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. 8. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery WS04/05

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Marktzulassung (II) Eine neues Medikament wird auch als new chemical entity (NCE) bezeichnet. Investment per new chemical entity: >500,000 $ New chemical entities per year: ca. 15 World Drug Index ,000 compounds USAN <10,000 in clinical trial Von der FDA Aufwand für Forschung und zugelassene Medikamente Entwicklung (Firmen in USA) Mrd US$ Mrd US$ Mrd US$ Mrd US$ Mrd US$ Mrd US$ geschätzt 32 Mrd US$ 8. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery WS04/05

13 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. 8. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery WS04/05

14 Informationsfluß in einer drug discovery pipeline
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15 Optimierungsprozess vom lead candidate zum drug candidate
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) 8. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery WS04/05

16 Modern Methods in Drug Discovery WS04/05
eADMET Prediction early Absorption Distribution Metabolism Elimination Toxicology Pharmacokinetic Bioavailability 8. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery WS04/05

17 Modern Methods in Drug Discovery WS04/05
ADME-Tox Modelle 8. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery WS04/05

18 Modern Methods in Drug Discovery WS04/05
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) 8. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery WS04/05

19 Modern Methods in Drug Discovery WS04/05
Metabolismus (I) (Bio-)chemische Reaktionen von Xenobiotica im Körper 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 Phase I: Oxidation, Reduktion und Hydrolyse v.a. Cytochrom P450 Enzyme Phase II: Konjugation mit kleinen Molekülen (z.B. Glutamin) Phase III: Elimination durch Transporter 8. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery WS04/05

20 Am Metabolismus beteiligte Enzyme
Phase I: Oxidation, Reduktion und Hydrolyse Cytochrom P450 Enzyme (mehr in Vorlesung 10) Dihydropyrimidin-, Alkohol-, und Aldehyd Dehydrogenasen Epoxid Hydrolasen,Esterasen und Aminasen DT Diaphorase Flavin Monoxygenasen Phase II: Konjugation mit kleinen Molekülen (z.B. Aminosäuren) N-Acetyltransferase, Glutathione S-transferase Uridinediphosphat-Glucuronosyltransferasen Sulfotransferasen, Methyltransferasen Phase III: Elimination durch Transporte P-glycoprotein (MDR1) Alle diese Enzyme unterliegen teilweise starken individuellen Variationen 8. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery WS04/05

21 Modern Methods in Drug Discovery WS04/05
Metabolismus (II) Experimentelle (in vitro) Methoden: Leber Mikrosomen vom Menschen, Hepatocyten und rekombinante P450 Isozyme 8. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery WS04/05

22 Elimination / Exkretion
Unter 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 < >500 Galle Galle & Harn Harn 8. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery WS04/05

23 Metabolismus bei der Absoption (I)
Transcytosis in den Absorptionszellen Ausschnitt aus der Darmwand 8. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery WS04/05

24 Prozesse der Phase I (I)
Hydrolyse (Formale Umsetzung mit Wasser) von Ester und Amide durch Esterasen und Aminasen Epoxide durch Epoxid-Hydrolasen Acetale durch Glycosidasen 8. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery WS04/05

25 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 8. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery WS04/05

26 Prozesse der Phase I (III)
Oxidationsreaktionen von Alkoholen und Aldehyden zu Carbonsäuren Aliphatischen Ketten Aromatischen Aminen Tertiären Aminen Sulfiden Alkenen zu Epoxiden Aromaten zu Phenolen (in para-Stellung) 8. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery WS04/05

27 Prozesse der Phase I (IV)
Oxidative O- und N-Dealkylierung Oxidative Deaminierung durch die Monoamin Dehydrogenase (MAO) Oxidative Desulfurierung Zu den Oxidasen gehören außerdem noch Flavin Monooxygenase Isoenzyme Aldehyd Oxidase Cytochrom P450 Enzymsuperfamilie 8. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery WS04/05

28 Prozesse der Phase II (I)
Glucuronidierung z.B. von Acetaminophen, Morphium, Diazepam, Trichlorethanol Sulfonierung von Phenolen, Steroiden, Acetaminophen, Methyldopa 8. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery WS04/05

29 Prozesse der Phase II (II)
Acetylierung z.B. von Sulfonaminden, Isoniazid, Dapson, Clonazepam Bildung von Mercaptansäuren 8. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery WS04/05

30 Prozesse der Phase II (III)
Konjugation mit Glycin z.B. von Benzoesäure, Isonictotinsäure Konjugation mit Glutamin z.B. von Indolylessigsäure, Phenylessigsäure 8. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery WS04/05

31 Prozesse der Phase II (IV)
O-, N-, und S-Methylierung z.B. von Methadon, Nicotinamid, Norepinephrine Catechloamine (durch Catechlol-O-Methyl Transferase) 8. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery WS04/05

32 Metabolisierung von Xenobiotica (I)
Ausscheidung im Harn Giftung 8. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery WS04/05

33 Metabolisierung von Xenobiotica (II)
8. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery WS04/05

34 Metabolisierung von Xenobiotica (III)
Beispiel besonders ungünstiger Metabolite Toxisch Deshalb nicht mehr zugelassen 8. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery WS04/05

35 Toxikologische Endpunkte
Auswirkungen auf den Körper: Veränderungen am Stoffwechsel (z.B. hormonell) an den Organen am Verhalten Allgemeine Toxizität, Akute Giftigkeit, Reizung von Haut und Augen Cytotoxisch Cardiatische Toxizität (hERG) Hepatotoxizität (PXR, CAR) Nephrotoxizität Immunogenizität (Sensibilisierung, Allergen) Neurotoxizität (Rezeptorbindung) Drug-Drug Wechselwirkungen (Cytochrom P450) Genotoxisch Canerogen / Mutagen Teratogen 8. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery WS04/05

36 Modern Methods in Drug Discovery WS04/05
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 HazardExpert CompuDrug Ltd. TOPKAT Accelrys M-CASE Multicase iDEA Lion Bioscience 8. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery WS04/05

37 Modern Methods in Drug Discovery WS04/05
ADMET-Modelle (III) Metabolische Aspekte Deskriptoren Biotransformation Chemische Struktur einzelner Metabolite anhand der sich ein decision tree aufstellen läßt physico-chemische Eigenschaften Enzymbindung v.a. an Serumproteine Cytochrom P (siehe Vorlesung 10) Katalytische Reaktionen Reaktionsmechanismus Umsatzgeschwindigkeit Drug-Drug Interaction Inhibition bzw. Induktion 8. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery WS04/05

38 Modern Methods in Drug Discovery WS04/05
ADMET-Modelle (IV) Deskriptoren in QSAR-Gleichungen log(T) = a(H) + b(E) + c(S) + Konstante T: Toxizität H: Hydrophobizität  logP E: Elektronische Faktoren S: 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 8. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery WS04/05

39 Modern Methods in Drug Discovery WS04/05
ADMET-Modelle (V) Experimentelle Assays: aquatic toxicity: Einzeller (Tetrahymena pyrifomis, Vibro fischeri) Mutagenizität (AMES): Salmonella typhimurium + S9 (Leberenzyme) Hautreizung: Meerschweinchen (guinea pig) Augenreizung: Kaninchenauge 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 8. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery WS04/05

40 Modern Methods in Drug Discovery WS04/05
Drug Safety Drug-Drug interactions: Wechselwirkungen mit anderen Medikamenten Drug Interaction Database Ökotoxikologie: Wie verhalten sich ausgeschiedene Medikamente und deren Metabolite in der Umwelt ?  Biologische Abbaubarkeit 8. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery WS04/05