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Arzneimitteltoxikologie für Biochemiker

Dr. Gunter P. EckertPharmakologisches Institut für NaturwissenschaftlerUniversität [email protected]: 12.06.07

Die Vorlesungsunterlagen wurden nach bestem Wissen und Gewissen zusammengestellt, erheben aber nicht den Anspruch auf Vollständigkeit. Keine Gewähr für eventuelle Fehler!

Arzneimittel-Toxikologie

Definition:Toxikologie ist die Wissenschaft von den schädlichen bzw. unerwünschten Wirkungen chemischer Substanzen auf lebende Organismen, insbesondere auf den Menschen

Arzneimittel sind Stoffe und Zubereitungen ..., die dazu bestimmt sind, durch Anwendung am oder im Körper ...Krankheiten, Leiden, Körperschäden oder krankhafte Beschwerden zu heilen, zu lindern, zu verhüten oder zu erkennen, ...

Arzneimitteltoxikologie

Definition:

Arzneimitteltoxikologie:

o Präklinische Prüfung neuer Arzneistoffe auf Verträglichkeit im Tierversuch

o Schädliche Nebenwirkungen / unerwünschte Wirkungen bei bestimmungsgemäßen Gebrauch

o Folgen von Überdosierungen / Suizid

ArzneimitteltoxikologieEntwicklung eines Medikamentes

Präklinische Prüfung•Arzneimittelpharmakologie•Arzneimitteltoxikologie

Klinische Prüfung•Phasen I - IV

Zulassung•national•europäisch

Toxizität

Akute Toxizität: spezifische Phänomene, die bald nach Verabreichung auftreten, üblicherweise nach EinzeldosisChronische Toxizität: üblicherweise die Verabreichung multipler, nicht-letaler DosenLatenzzeit: Verzögert Auftretende Wirkung

Toxische Wirkung auf molekularer Ebene

Hemmung der ProteinbiosyntheseHemmung der NucleinsäuresyntheseHemmung des EnergiestoffwechselsStörung der HomöostaseStörung membranassoziierter Strukturen

Targets: z.B. Enzyme, Carrier, Rezeptoren

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Toxische Wirkung auf molekularer Ebene Toxische Wirkung auf zellulärer Ebene

Hemmung der ZellproliferationPraktisch alle Gifte zeigen ab einer bestimmten Konzentration eine Hemmwirkung auf Zellwachstum und Zellteilungsaktivität.Rückschlüsse auf Wirkmechanismus nicht unbedingt möglich

Toxische Wirkung auf zellulärer Ebene

Störung der Zellreifung/-differenzierungBesonders betroffen Gewebe mit hohem turn over und Stammzellen:

Knochenmark (Leukämie)Blutzellen (z.B. Erythropenie, Agranulozytose, Thrombozytopenie)

Beispiele: Methotrexat (Folsäureantagonist) beeinträchtigt Blutzellreifung, Phenothiazine (Neuroleptika) kann zur Agranulozytose führen, Antiphologistika (Entzündungshemmer) können zu Thrombozytopenien führen.

Agranulocytose -das Fehlen bestimmter weißer Blutzellen, der Granulocyten, die für die körpereigenen Abwehrvorgänge bedeutungsvoll sind; häufig ausgelöst durch Überempfindlichkeitsreaktion gegenüber Arzneimitteln

Thrombozytopenien –Beruhen auf Störungen der Speicherfähigkeit der Thrombozyten; können medikamenteninduziert sein. Zeichen: u.a. spontane Haut- oder Schleimhautblutungen


Hemmung der Zelladhäsion oder ZellaggregationMechanische und elektrische Kopplung der Zellen untereinander durch Proteine, die an der Plasmamembran verankert sind (Cadherine, Connexine, Integrine) oder im Cytosol (Mikrofilamente, Mikrotubuli) das Zytoskelett bilden. Wichtiger Faktor: Calciumionen!Bei Störungen gehen Zusammenhalt, die Polarität oder gar die Vitalität einzelner Zellen verloren

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Thalidomit (Contergan®)

Molekularer Mechanismus: Verminderung der Expression von Adhäsionsrezeptoren (z.B. Integrinen). Wichtig für Zell- Zell – Kontakte.Sehr geringe ToxizitätKritische Phase: 24-35 Tage nach Konzeption


Hemmung der SignalübertragungGifte können auf vielen Stufen der Signalverarbeitung eingreifen und eine Blockade oder Verfälschung des Signals bewirken!

Beispiele:Ouabain (Pflanzengift, hemmt Na+/K+-ATPase) [Verwendung in Neurowiss.]

Curare (Alkaloide [Tubocurarin, Toxiferin], blockiert Na+-Kanäle) [starke Affinität zu nACh-Rezeptoren, quartäre Gruppen blockieren die äußere Ach-Bindungsstelle am Kanal]

Nikotin (Tabak, Depolarisation vegetativer Synapsen durch Bindung an nikotinische Acetylcholin-Rezeptoren)

Ouabain (Strophanthin)






Toxizitätsuntersuchungen

Akute und chronische ToxizitätEndpunkte:Tod (z.B. LD50); Eintreten o. Ausbleiben einer gewissen WirkungTests auf akute Toxizität am Tier: 24 Stunden – 14 TagePrüfung auf Unbedenklichkeit (NOAEL): lange Beobachtungszeiträume

Gentoxizität (Mutagenität)In vitro Tests, Ergebnisse mit Unsicherheit behaftet.

ReproduktionstoxizitätTeratogenitätsstudien (teratogene Wirkungen nur in bestimmtenEntwicklungperioden)

OrgantoxizitätBesondere Empfindlichkeit spezialisierter Strukturen


Akute und Chronische Toxizität

Prüfung auf Dosis Dauer Beispiel EndpunktAkute Toxizität einmal 24h-14d LD50-Test TodSubakute Toxizität mehrfach < 1 m OrganschädenSubchronische Toxizität mehrfach < 10% LE NOELChronische Toxizität mehrfach < 10% LE Neoplasien*

*Neubildung von Gewebe

nicht identisch mit LD50 - geht viel weiteraus der sorgfältigen Prüfung der akuten Toxizität lassen sich folgende Informationen erhalten:

VergiftungssymptomeZeitverlauf (Beginn, Abklingen, Reversibilität, verzögerter Verlauf)Dosis-Wirkungsbeziehunggeschlechtsspezifische Unterschiedebetroffene Organe, Gewebe, FunktionWirkungsweisehöchste nicht toxische (NOAEL), niedrigste toxische Dosismittlere tödliche Dosis (LD50)

Akute Toxizitätsprüfung

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Akute Toxizitätsprüfung

Einmaldosis, zumeist NagerWahl des Applikationsweges - Exposition des MenschenJe nach behördlicher Anforderung

Dosierungen, die zu deutlichen klinischenSchädigungen ohne Tod führenfür Einstufung von Chemikalien und PflanzenschutzmittelnLD50: Dosis im letalen Bereich (mg/kg KG)dient der Einteilung in Giftklassen:<25 sehr giftig25-200 giftig200-2000 mindergiftig >2000 nicht giftig

Akute ToxizitätsprüfungAcute Toxic Class-Test

Klassifizierung chemischer Stoffe in die Giftklassen der EU mit verminderter Tierzahl (Ersatz für LD50)Vorteil: 25 Tiere auf 7,5 Tiere im Mittel reduziertEinstufung mittels ATC vs. LD50-Methode:88% Übereinstimmunginternational validiert und von OECD akzeptiert

Weitere Toxizitätsprüfungen

wiederholte tägliche ApplikationPrüfung auf subakute Toxizität (28-Tage-Test)Prüfung auf subchronische Toxizität (90-Tage-Test) → NOAEL, KumulationPrüfung auf chronische Toxizität (Langzeitversuch) - Kanzerogenitätsstudien

Reproduktionstoxizität: Schädigung des Reproduktionsvorganges, die die Libido (Verpaarungsverhalten), den Ovulationszyklus, die Gonadenfunktion und die Fertilität (Nachkommenschaft) umfasst (Generationsstudien)und im weiteren Sinn auch die Embryonal- und Fetalphase und die peri- und postnatale Entwicklung umfasst (Embryotoxizität, Teratogenität (Mißbildungen), Mutagenität)

Reproduktions- und Embryotoxizität


Reproduktionstoxizität

http://www.med.uni-magdeburg.de/fme/zkh/mz/projekte/medikamente_und_schwangerschaft.pdf

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Teratogenität: die Eigenschaft eines Stoffes, die während der Entwicklung des Keimes von der befruchteten Eizelle zum Embryo zu Störungen führen kann (v.a. Embryotoxizitätsstudie)Embryotoxizität: Schädigung des Embryos während der Organogenese(Absterben, Organdysfunktion, Mißbildung)Fetotoxizität: Schädigende Wirkung auf den Fetus (ab 12. Woche) nach Abschlußder Organogenese

Reproduktions- und Embryotoxizität Thalidomit (Contergan®)

Molekularer Mechanismus: Verminderung der Expression von Adhäsionsrezeptoren (z.B. Integrinen). Wichtig für Zell- Zell – Kontakte.Sehr geringe ToxizitätKritische Phase: 24-35 Tage nach Konzeption






Mechanismen und Variabilität der Medikamentenwirkung

Resorption

VerteilungSpeicherungAusscheidung

Biotransformation

Toxische WirkungWirksamkeit

Wirkort

Pharmakokinetik

Pharmakodynamik

ToxikokinetikResorption

Wirk-ort

Aufnahme (Resorption)

Verteilung (Distribution)

SpeicherungBindung

Elimination Biotrans-formationAusscheidung(Exkretion)

oral, inhalativ, dermal

Durchdringen der Deckgewebevon Darm, Lunge, Haut

Lipophilie

passiv

Resorption

ResorptionResorption durch:

Ingestion (Mund und Magen-Darm-Trakt)Inhalation (Lunge)Perkutane Resorption (Haut)

ResorptionsgeschwindigkeitResorptionsgeschwindigkeit abhängig von:

Aggregatzustand OberflächeDispersionsgrad IonisationsgradLöslichkeit Nahrungseinnahme

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ToxikokinetikVerteilung

Wirk-ort



SpeicherungBindung


Durchblutung

Kapillartypen

Verteilung

ToxikokinetikBindung/Speicherung

Wirk-ort



SpeicherungBindung


Plasmaproteine

Gewebe

Verteilung (Distribution)/Speicherung und Bindung

Stoff:Frei Frei in Blut, Plasma oder Lympheoder GebundenGebunden in Blut, Plasma oder LympheBindungBindung an Plasmaproteine oder Anreicherung in lipophilen Phasen (Lipoproteine)

Schutzbarrieren

Blut-Hirn-SchrankeBlut-Hoden-Schranke

ToxikokinetikElimination

Wirk-ort



SpeicherungBindung

Elimination BiotransBiotrans--formationformationAusscheidung(Exkretion)

Verminderung derLipidlöslichkeit zurVerbesserung derAusscheidung

2 Phasen der Biotransformation

Exkretion: renal, biliär

Biotransformation

Biotransformation:Metabolische Umwandlung von Xenobiotika(Fremdstoffe)

vorwiegend: Leber! (hepatische Elimination)daneben: Darmmukosa, Niere, Lunge, Haut, Plasma

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ToxikokinetikElimination von Fremdstoffen durch Stoffwechsel

Fremdstoff

Phase IMetabolit

Phase IIMetabolit

Funktionalisierung:Oxidation, Hydrolyse,

Reduktion

Konjugation mit:Glucuronsäure, Schwefelsäure, Carbonsäuren,

Aminosäuren, Glutathion

Polarität

Biotransformation Phase IOxidation durch Monooxygenasen

Monooxygenasen:Gruppe von EnzymenCytochrom P450 Superfamiliemolekularer Sauerstoff:

ein Sauerstoffatom auf Substrat (Oxidation)ein Sauerstoffatom → H2O (Reduktion)mischfunktionelle Oxygenase (ER-Membran)

NADPH + H+ O=O

NADP+ H2O

ROCH3

(ROCH2OH) ROH + HCHO

Bilanz der Oxidation, am Beispiel der O-Demethylierung

Polymorphisem der CYP-Enzyme funktionell bedeutsam, wenn mind. 30% der Dosis eines Medikaments durch dieses Enzym metabolisiert werden.

Bei Prodrugs: Wenn ein Anteil von 3-20% der Dosis, die durch ein CYP450-Enzym gebildet wird von therapeutischer Relevanz ist.

Bedeutung von CYP450 PolymorphismenToxikokinetik

Elimination

Wirk-ort



SpeicherungBindung

Elimination Biotrans-formationAusscheidungAusscheidung(Exkretion)(Exkretion)

Verminderung derLipidlöslichkeit zurVerbesserung derAusscheidung

2 Phasen der Biotransformation

Exkretion: renal, biliär

Elimination durch Exkretion

Niere (→ Harn) - renale ExkretionGalle (Leber-Galle-Darm → Fäzes)biliäre ExkretionLunge (→ Atemluft)Mund - Speicheldrüsen → SpeichelBrust - Milchdrüsen → MilchHaut - Schweißdrüsen → Schweiß, Haare

Biotransformation

First-Pass-Metabolismus: Sonderfall der hepatischenElimination

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ToxikodynamikToxikologische Kenngrößen

EDx (effektive Dosis) bzw. ECx (effektive Konz.)

ED50 (effektive Dosis für 50% Wirkung) LDx (letale Dosis) bzw. LCx (letale Konz.)

LD50: Einzeldosis, bei der ein Absterben von 50% der Versuchstiere erwartet wird

LDL0: Letale Dosis low:niedrigste publizierte Dosis, die zum Tod eines Versuchstieres führte

ICx (Hemmkonzentration)

Dosis: z.B mg/kg KörpergewichtKonzentration: z.B.mg/l Atemluft

Therapeutische BreiteLD50 / ED 50

Im Beispiel geringPharmakon zur Tumorbehandlung?

Wir

ku

ng

(%

) Therapeutischer Index (TI)LD5/ED95Bessere Abschätzung der SicherheitTI bei modernen Arzneistoffen > 1000

Für Arzneistoffe wichtiger:Beziehung zw. Dosis und Auftreten erheblicher unerwünschter Wirkungen

Zahl unerwünschter Wirkungen beitherapeutischer Dosis

Häufig bei 1% für leichte UAWErmittlung in Phase III und IV

Dosis - Wirkungskurven

Subklassifizierung von Patienten hinsichtlichder Medikamentenwirkung

Genetic profile fortoxicity with usual

dose of drug

Treat with lower doseof drug or

alternative drug

Genetic profilefor favorableresponse to

drugs and

Genetic profilefor favorableresponse to

drugs and

A

B

C

Mechanismen Pharmakogenetischer Phänomene

Mutationen in Genen, die die Synthese arzneistoffab-bauender Enzyme regulieren

Mechanismen Pharmakogenetischer Phänomene

BeispieleEnzym HäufigkeitCYP 2A6 (Cytochorm P450) 1-2 %CYP 2D6 (Cytochorm P450) 5-10 %ADH 2 (Alkoholdehydrogenase) 5-20 %ALDH 2 (Aldehyddehydrogenase) in Asien bis 50%GST (Glutathiontransferase) 30-60 %NAT II (N-Acetyl-Transferease) ca. 50%TPMT (Thiopurin-S-Methyl-Transf.) 0,3 %

Mutationen in Genen, die die Synthese arzneistoffab-bauender Enzyme regulieren

Beispiel CYP450 2D6 Polymorphismus

Genduplikation

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Beispiel N-Acetyltransferase-II-Polymorphismus

•Schnell- und Langsam-Acetylierer

•In Europa ca. 50 % Langsam-Acetylierer•Chinesen, Japaner und Eskimos 90 % Schnell-Acetylierer

•25 beschriebene Mutationen

•Wichtig für Nebenwirkungen

•Beispiele für SubstrateIsoniazid ( Antituberkulotikum) , Hydralazin (Vasodilator, Herzmittel), Procainamid (Lokalanesthtikum), Sulfamerazin(Antibiotikum)


Spezieller Teil - Fallbeispiele:

Paracetamol

Appetitzügler

Herzglykoside

Parasympatholytika

Barbiturate / Benzodiazepine

Colchizin

BoTox

Beispiel: Paracetamol

Indikationen: SchmerzzuständeFieber

LD: 8-15 g

Beispiel: Benzodiazepine

Indikationen: SedationMuskelrelaxation

Beispiel: Parasympatholytika(Alkaloide)

Indikation: Hemmung der Drüsensekretion

Prämedikation vor Inhalationsnarkose

Erschlaffung glatter MuskulaturMydriatika

Beschleunigung der HerzaktionVermeidung von reflektorischem Herzstillstand

LD: 10-20 mg/kg KG

Beispiel: BoTox

Indikationen: SedationMuskelrelaxation

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Beispiel: Herzglykoside

Indikation: chron. Herzinsuffizienz & Vorhof-Flimmern

Beispiel: Colchizin

Indikationen: aktuter Gichtanfall Gicht

Beispiel: Mutterkornalkaloide

Indikationen: MigräneHemmung von NachgeburtsblutungenDruchblutungsstörungen

LiteraturToxikologie – Eine Einführung für Chemiker, Biologen und Pharmazeuten

Dekant/VamvakasSpektrum Verlag, 2. Auflage, 2005

Lehrbuch der ToxikologieMarkquardt/SchäferWissenschaftliche Verlagsgesellschaft, 2. Auflage, 2004

Allg. und spezielle Pharmakologie und ToxikologieAktoris/Förstermann/Hofmann/StarkeUrban & Fischer, 9. Auflage, 2005

Taschenatlas der ToxikologieReichlThieme Verlag, 2. Auflage, 2002

Taschenatlas der PharmakologieLüllmann/Mohr/HeinThieme Verlag, 5. Auflage, 2004

Referat

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Alkohol

Organschäden werden bei Männern bei regelmäßigem Genuß von ca. 80g EtOH pro Tag (1,5 l Bier oder 0,6 l Wein)Bei Frauen liegt die Grenze bei 60g EtOH pro TagTeratogen ! > 2000 Mißgebildete Kinder / a (Contagan: 2000 insgesamt!)Beteiligung bei tödlichen Autounfällen (50%) und Suizid (30%)

AlkoholHäufigste Suchtmittel: EtOHBier (50g/l), Wein (120g/l), Schnaps (400-600 g/l)Resorption: fast zu 100% im GITVerteilung: in alle Körpergewebe, ~ prozentualer WassergehaltElimination: 90% metabolisiert (Leber und GIT)im Zytoplasma: Dehydrogenasen: EtOH→ Acetaldehyd → Acetat (NAD+ als Kofaktor); sättigbar, geringe EtOH-Spiegel: lineare Kinetik (0. Ordnung)im ER der Hepatozyten: mikrosomales Ethanol oxidierendes System (MEOS): EtOH→ Acetaldehyd → Acetat (NADPH, O2); nicht absättigbar, hohe EtOH-Spiegel: Kinetik 1. Ordnung

Alkohol Alkohol

Alkohol

ADH alkohol dehydrogenaseSättigbar > Kinetik 0. Ordnung (Polizeikontrolle)MOES mikrosomales ethanol oxidierendes SystemBei chronischem Alkoholkonsum aktivierbar (Kinketik 1. Ordnung)

AlkoholToxizität

Veränderung der Membranviskosität und Ionenpermeabilität (GABAA-Rezeptor)zunächst hemmende Neurone stärker gehemmt, dann aktivierende

akut: v.a. ZNSEuphorie, Rausch → Dämpfung, Koordinationsstörungenbei sehr hohen Konzentrationen: Schlaf, Koma → Atemstörungen

chronisch:internistisch: Leberzirrhose, Kardiomyopathie, Gastritis, Zungen- und Ösophagus-Karzinomneurologisch: periphere Neuropathie, Muskelatrophie und Myopathie, Enzephalopathie, dementielle Syndrome

EtOH als Teratogen: Alkohol-Embryopathie → Mikroenzephalie des Kindes

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AlkoholToxizität

akut: v.a. ZNSEuphorie, Rausch → Dämpfung, Koordinationsstörungenbei sehr hohen Konzentrationen: Schlaf, Koma → Atemstörungen

AlkoholToxizität

chronisch:internistisch: Leberzirrhose, Kardiomyopathie, Gastritis, Zungen- und Ösophagus-Karzinomneurologisch: periphere Neuropathie, Muskelatrophie und Myopathie, Enzephalopathie, dementielle Syndrome

AlkoholToxizität

GPT Glutamat-Pyruvat-TransaminaseGT Glutamyl-TranspeptidaseMCV mittlerer corpuskuläre VlumenCDT Carbohydrate Deficient Transferrin

AlkoholToxizität

Clomethiazol: Anxiolytisch, sedierendChlorpothixen: Neuroleptikum

AlkoholToxizität

Methanol

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