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Arzneimitteltoxikologie für Biochemiker
Dr. Gunter P. EckertPharmakologisches Institut für NaturwissenschaftlerUniversität FrankfurtG.P.Eckert@em.uni-frankfurt.deStand: 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
Toxische Wirkung auf zellulärer Ebene
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
Toxische Wirkung auf zellulärer Ebene
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)
Arzneimitteltoxikologie
Arzneimitteltoxikologie:
o Präklinische Prüfung neuer Arzneistoffe auf Verträglichkeit im Tierversuch
o Schädliche Nebenwirkungen / unerwünschte Wirkungen bei bestimmungsgemäßen Gebrauch
o Folgen von Überdosierungen / Suizid
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
Toxizitätsuntersuchungen
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
Toxizitätsuntersuchungen
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
Arzneimitteltoxikologie
Arzneimitteltoxikologie:
o Präklinische Prüfung neuer Arzneistoffe auf Verträglichkeit im Tierversuch
o Schädliche Nebenwirkungen / unerwünschte Wirkungen bei bestimmungsgemäßen Gebrauch
o Folgen von Überdosierungen / Suizid
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
Aufnahme (Resorption)
Verteilung (Distribution)
SpeicherungBindung
Elimination Biotrans-formationAusscheidung(Exkretion)
Durchblutung
Kapillartypen
Verteilung
ToxikokinetikBindung/Speicherung
Wirk-ort
Aufnahme (Resorption)
Verteilung (Distribution)
SpeicherungBindung
Elimination Biotrans-formationAusscheidung(Exkretion)
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
Aufnahme (Resorption)
Verteilung (Distribution)
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
Aufnahme (Resorption)
Verteilung (Distribution)
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)
Arzneimitteltoxikologie
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