Arzneimitteltoxikologie für Biochemiker Toxizität

Arzneimittel-Toxikologie
Arzneimitteltoxikologie für Biochemiker
Die Vorlesungsunterlagen wurden
nach bestem Wissen und Gewissen
zusammengestellt, erheben aber nicht
den Anspruch auf Vollständigkeit.
Keine Gewähr für eventuelle Fehler!
Dr. Gunter P. Eckert
Pharmakologisches Institut für
Naturwissenschaftler
Universität Frankfurt
[email protected]
Stand: 12.06.07
Arzneimitteltoxikologie
„
„
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
Entwicklung eines Medikamentes
Definition:
Zulassung
•national
•europäisch
Arzneimitteltoxikologie:
o
Präklinische Prüfung neuer Arzneistoffe auf
Verträglichkeit im Tierversuch
o
Schädliche Nebenwirkungen / unerwünschte
Wirkungen bei bestimmungsgemäßen Gebrauch
o
Folgen von Überdosierungen / Suizid
Klinische Prüfung
•Phasen I - IV
Präklinische Prüfung
•Arzneimittelpharmakologie
•Arzneimitteltoxikologie
Toxizität
„
„
„
Akute Toxizität: spezifische Phänomene, die bald
nach Verabreichung auftreten, üblicherweise nach
Einzeldosis
Chronische Toxizität: üblicherweise die
Verabreichung multipler, nicht-letaler Dosen
Latenzzeit: Verzögert Auftretende Wirkung
Toxische Wirkung auf molekularer Ebene
„
Hemmung der Proteinbiosynthese
„
Hemmung der Nucleinsäuresynthese
„
Hemmung des Energiestoffwechsels
„
Störung der Homöostase
„
Störung membranassoziierter Strukturen
¯Targets: z.B. Enzyme, Carrier, Rezeptoren
1
Toxische Wirkung auf molekularer Ebene
Toxische Wirkung auf zellulärer Ebene
„
Hemmung der Zellproliferation
Praktisch 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/-differenzierung
Besonders 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 Zellaggregation
Mechanische 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
2
Toxische Wirkung auf zellulärer Ebene
Thalidomit (Contergan®)
„Hemmung
der Signalübertragung
Gifte können auf vielen Stufen der Signalverarbeitung eingreifen und eine
Blockade oder Verfälschung des Signals bewirken!
Beispiele:
Ouabain (Strophanthin)
Ouabain (Pflanzengift, hemmt Na+/K+-ATPase) [Verwendung in Neurowiss.]
Curare (Alkaloide [Tubocurarin, Toxiferin], blockiert Na+-Kanäle) [starke Affinität zu nAChRezeptoren, quartäre Gruppen blockieren die äußere Ach-Bindungsstelle am Kanal]
Molekularer
Mechanismus:
Verminderung
der
Expression von Adhäsionsrezeptoren (z.B. Integrinen).
Wichtig für Zell- Zell – Kontakte.Sehr geringe Toxizität
Kritische Phase: 24-35 Tage nach Konzeption
Nikotin (Tabak, Depolarisation vegetativer Synapsen durch Bindung an
nikotinische Acetylcholin-Rezeptoren)
Toxizitätsuntersuchungen
Arzneimitteltoxikologie
„
Arzneimitteltoxikologie:
o
Präklinische Prüfung neuer Arzneistoffe
auf Verträglichkeit im Tierversuch
o
Schädliche Nebenwirkungen / unerwünschte
Wirkungen bei bestimmungsgemäßen Gebrauch
o
Folgen von Überdosierungen / Suizid
Akute und chronische Toxizität
Endpunkte:Tod (z.B. LD50); Eintreten o. Ausbleiben einer gewissen Wirkung
Tests auf akute Toxizität am Tier: 24 Stunden – 14 Tage
Prüfung auf Unbedenklichkeit (NOAEL): lange Beobachtungszeiträume
Gentoxizität (Mutagenität)
In vitro Tests, Ergebnisse mit Unsicherheit behaftet.
Reproduktionstoxizität
Teratogenitätsstudien (teratogene Wirkungen nur in bestimmten
Entwicklungperioden)
Organtoxizität
Besondere Empfindlichkeit spezialisierter Strukturen
Toxizitätsuntersuchungen
Akute Toxizitätsprüfung
Akute und Chronische Toxizität
Prüfung auf
Akute Toxizität
Subakute Toxizität
Subchronische Toxizität
Chronische Toxizität
Dosis
einmal
mehrfach
mehrfach
mehrfach
Dauer
Beispiel
24h-14d LD50-Test
<1m
< 10% LE NOEL
< 10% LE
Endpunkt
Tod
Organschäden
Neoplasien*
*Neubildung von Gewebe
„
nicht identisch mit LD50 - geht viel weiter
„
aus der sorgfältigen Prüfung der akuten Toxizität lassen sich
folgende Informationen erhalten:
¯Vergiftungssymptome
¯Zeitverlauf (Beginn, Abklingen, Reversibilität, verzögerter Verlauf)
¯Dosis-Wirkungsbeziehung
¯geschlechtsspezifische Unterschiede
¯betroffene Organe, Gewebe, Funktion
¯Wirkungsweise
¯höchste nicht toxische (NOAEL), niedrigste toxische Dosis
¯mittlere tödliche Dosis (LD50)
3
Akute Toxizitätsprüfung
Acute Toxic Class-Test
Akute Toxizitätsprüfung
„
Einmaldosis, zumeist Nager
„
Wahl des Applikationsweges - Exposition des Menschen
„
Je nach behördlicher Anforderung
¯Dosierungen, die zu deutlichen klinischen
Schädigungen ohne Tod führen
¯für Einstufung von Chemikalien und Pflanzenschutzmitteln
LD50: Dosis im letalen Bereich (mg/kg KG)
dient der Einteilung in Giftklassen:
<25 sehr giftig
25-200 giftig
200-2000 mindergiftig
>2000 nicht giftig
„
Klassifizierung chemischer Stoffe in die Giftklassen der
EU mit verminderter Tierzahl (Ersatz für LD50)
„
Vorteil: 25 Tiere auf 7,5 Tiere im Mittel reduziert
„
Einstufung mittels ATC vs. LD50-Methode:
88% Übereinstimmung
„
international validiert und von OECD akzeptiert
Weitere Toxizitätsprüfungen
wiederholte tägliche Applikation
Reproduktions- und Embryotoxizität
„
Reproduktionstoxizität:
Prüfung auf subakute Toxizität (28-Tage-Test)
„
Schädigung des Reproduktionsvorganges,
„
Prüfung auf subchronische Toxizität (90-TageTest) → NOAEL, Kumulation
„
die die Libido (Verpaarungsverhalten), den Ovulationszyklus, die Gonadenfunktion
und die Fertilität (Nachkommenschaft) umfasst (Generationsstudien)
„
und im weiteren Sinn auch die Embryonal- und
„
Prüfung auf chronische Toxizität
(Langzeitversuch) - Kanzerogenitätsstudien
„
Fetalphase und die peri- und postnatale Entwicklung umfasst (Embryotoxizität,
Teratogenität (Mißbildungen), Mutagenität)
„
Toxizitätsuntersuchungen
Reproduktionstoxizität
http://www.med.uni-magdeburg.de/fme/zkh/mz/projekte/medikamente_und_schwangerschaft.pdf
4
Thalidomit (Contergan®)
Reproduktions- und Embryotoxizität
„
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 Abschluß
der Organogenese
Mechanismen und Variabilität der Medikamentenwirkung
Arzneimitteltoxikologie
„
Arzneimitteltoxikologie:
Pharmakokinetik
o
Präklinische Prüfung neuer Arzneistoffe auf
Verträglichkeit im Tierversuch
o
Schädliche Nebenwirkungen /
unerwünschte Wirkungen bei
bestimmungsgemäßen Gebrauch
o
Molekularer
Mechanismus:
Verminderung
der
Expression von Adhäsionsrezeptoren (z.B. Integrinen).
Wichtig für Zell- Zell – Kontakte.Sehr geringe Toxizität
Kritische Phase: 24-35 Tage nach Konzeption
Resorption
Biotransformation
Speicherung
Verteilung
Ausscheidung
Pharmakodynamik
Wirkort
Folgen von Überdosierungen / Suizid
Wirksamkeit
Toxikokinetik
Resorption
Resorption
Aufnahme (Resorption)
oral, inhalativ, dermal
Verteilung (Distribution)
Durchdringen der Deckgewebe
von Darm, Lunge, Haut
Wirkort
Speicherung
Bindung
Elimination Biotransformation
Ausscheidung
(Exkretion)
Toxische Wirkung
Lipophilie
passiv
Resorption durch:
Ingestion (Mund und Magen-Darm-Trakt)
Inhalation (Lunge)
Perkutane Resorption (Haut)
Resorptionsgeschwindigkeit abhängig von:
Aggregatzustand
Dispersionsgrad
Löslichkeit
Oberfläche
Ionisationsgrad
Nahrungseinnahme
5
Toxikokinetik
Verteilung
Verteilung
Aufnahme (Resorption)
Durchblutung
Verteilung (Distribution)
Wirkort
Speicherung
Bindung
Kapillartypen
Elimination Biotransformation
Ausscheidung
(Exkretion)
Toxikokinetik
Verteilung (Distribution)/Speicherung und Bindung
Bindung/Speicherung
Aufnahme (Resorption)
Plasmaproteine
Verteilung (Distribution)
Speicherung
Bindung
Wirkort
Gewebe
Schutzbarrieren
Stoff:
Frei in Blut, Plasma oder Lymphe
Blut-Hirn-Schranke
oder
Blut-Hoden-Schranke
Gebunden in Blut, Plasma oder Lymphe
Bindung an Plasmaproteine oder Anreicherung in
lipophilen Phasen (Lipoproteine)
Elimination Biotransformation
Ausscheidung
(Exkretion)
Toxikokinetik
Biotransformation
Elimination
Aufnahme (Resorption)
Verteilung (Distribution)
Speicherung
Bindung
Elimination
BiotransBiotransformation
Ausscheidung
(Exkretion)
Wirkort
Verminderung der
Lipidlöslichkeit zur
Verbesserung der
Ausscheidung
2 Phasen der
Biotransformation
„
Biotransformation:
Metabolische Umwandlung von Xenobiotika
(Fremdstoffe)
„
vorwiegend: Leber! (hepatische Elimination)
daneben: Darmmukosa, Niere, Lunge, Haut, Plasma
Exkretion: renal, biliär
6
Toxikokinetik
Biotransformation Phase I
Elimination von Fremdstoffen durch Stoffwechsel
Oxidation durch Monooxygenasen
Funktionalisierung:
Glucuronsäure,
Schwefelsäure,
Carbonsäuren,
Aminosäuren, Glutathion
Metabolit
Metabolit
Oxidation, Hydrolyse,
Reduktion
Fremdstoff
Phase I
„
Monooxygenasen:
Gruppe von Enzymen
Cytochrom P450 Superfamilie
„
molekularer Sauerstoff:
Konjugation mit:
¯ ein Sauerstoffatom auf Substrat (Oxidation)
¯ ein Sauerstoffatom → H2O (Reduktion)
¯ mischfunktionelle Oxygenase (ER-Membran)
Phase II
NADPH + H+
NADP+
Polarität
O=O
ROCH3
H 2O
(ROCH2OH)
Toxikokinetik
Bedeutung von CYP450 Polymorphismen
Elimination
Aufnahme (Resorption)
Polymorphisem der CYP-Enzyme funktionell bedeutsam,
wenn mind. 30% der Dosis eines Medikaments durch dieses
Enzym metabolisiert werden.
Verteilung (Distribution)
Bei Prodrugs: Wenn ein Anteil von 3-20% der Dosis, die
durch ein CYP450-Enzym gebildet wird von therapeutischer
Relevanz ist.
Wirkort
Speicherung
Bindung
Elimination
Biotransformation
Ausscheidung
(Exkretion)
Elimination durch Exkretion
„
„
Niere (→ Harn) - renale Exkretion
Galle (Leber-Galle-Darm → Fäzes)
biliäre Exkretion
„
Lunge (→ Atemluft)
„
Mund - Speicheldrüsen → Speichel
„
Brust - Milchdrüsen → Milch
„
Haut - Schweißdrüsen → Schweiß, Haare
ROH + HCHO
Bilanz der Oxidation, am Beispiel der O-Demethylierung
Verminderung der
Lipidlöslichkeit zur
Verbesserung der
Ausscheidung
2 Phasen der
Biotransformation
Exkretion: renal, biliär
Biotransformation
„
First-Pass-Metabolismus: Sonderfall der hepatischen
Elimination
7
Toxikodynamik
Dosis - Wirkungskurven
Toxikologische 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
Dosis:
z.B mg/kg Körpergewicht
„
LDL0: Letale Dosis low:
niedrigste publizierte Dosis, die zum Tod eines Versuchstieres
führte
Therapeutische Breite
LD50 / ED 50
¾Im Beispiel gering
¾Pharmakon zur Tumorbehandlung?
„
Atemluft
Wirkung (%)
Konzentration: z.B.mg/l
Therapeutischer Index (TI)
¾LD5/ED95
¾Bessere Abschätzung der Sicherheit
¾TI bei modernen Arzneistoffen > 1000
Für Arzneistoffe wichtiger:
Beziehung zw. Dosis und Auftreten
erheblicher unerwünschter Wirkungen
Zahl unerwünschter Wirkungen bei
therapeutischer Dosis
¾Häufig bei 1% für leichte UAW
¾Ermittlung in Phase III und IV
ICx (Hemmkonzentration)
Subklassifizierung von Patienten hinsichtlich
der Medikamentenwirkung
Mechanismen Pharmakogenetischer Phänomene
Genetic profile for
toxicity with usual
dose of drug X
Mutationen in Genen, die die Synthese arzneistoffab-bauender
Enzyme regulieren
A
B
Treat with lower dose
of drug X or
alternative drug
C
Genetic profile
for favorable
response to
drugs X and Y
Genetic profile
for favorable
response to
drugs Z and [
Mechanismen Pharmakogenetischer Phänomene
Beispiel CYP450 2D6 Polymorphismus
Mutationen in Genen, die die Synthese arzneistoffab-bauender
Enzyme regulieren
Beispiele
Enzym
CYP 2A6 (Cytochorm P450)
CYP 2D6 (Cytochorm P450)
ADH 2 (Alkoholdehydrogenase)
ALDH 2 (Aldehyddehydrogenase)
GST (Glutathiontransferase)
NAT II (N-Acetyl-Transferease)
TPMT (Thiopurin-S-Methyl-Transf.)
Häufigkeit
1-2 %
5-10 %
5-20 %
in Asien bis 50%
30-60 %
ca. 50%
0,3 %
Genduplikation
8
Beispiel N-Acetyltransferase-II-Polymorphismus
Arzneimitteltoxikologie
Spezieller Teil - Fallbeispiele:
•Schnell- und Langsam-Acetylierer
•In Europa ca. 50 % Langsam-Acetylierer
•Chinesen, Japaner und Eskimos 90 % Schnell-Acetylierer
Paracetamol
Appetitzügler
•25 beschriebene Mutationen
Herzglykoside
•Wichtig für Nebenwirkungen
Parasympatholytika
•Beispiele für Substrate
Isoniazid ( Antituberkulotikum) , Hydralazin (Vasodilator,
Herzmittel), Procainamid (Lokalanesthtikum), Sulfamerazin
(Antibiotikum)
Barbiturate / Benzodiazepine
Beispiel: Paracetamol
Indikationen:
¾Schmerzzustände
¾Fieber
Colchizin
BoTox
Beispiel: Benzodiazepine
LD: 8-15 g
Beispiel: Parasympatholytika
(Alkaloide)
Indikation:
Hemmung der Drüsensekretion
¾Prämedikation vor Inhalationsnarkose
Indikationen:
¾Sedation
¾Muskelrelaxation
Beispiel: BoTox
Indikationen:
¾Sedation
¾Muskelrelaxation
Erschlaffung glatter Muskulatur
¾Mydriatika
Beschleunigung der Herzaktion
¾Vermeidung von reflektorischem Herzstillstand
LD: 10-20 mg/kg KG
9
Beispiel: Herzglykoside
Beispiel: Colchizin
Indikation: chron. Herzinsuffizienz & Vorhof-Flimmern
Indikationen:
¾ aktuter Gichtanfall Gicht
Beispiel: Mutterkornalkaloide
Literatur
„Toxikologie
Indikationen:
¾ Migräne
¾Hemmung von Nachgeburtsblutungen
¾Druchblutungsstörungen
– Eine Einführung für Chemiker, Biologen und Pharmazeuten
¯Dekant/Vamvakas
Spektrum Verlag, 2. Auflage, 2005
„Lehrbuch der Toxikologie
¯Markquardt/Schäfer
Wissenschaftliche Verlagsgesellschaft, 2. Auflage, 2004
„Allg. und spezielle Pharmakologie und Toxikologie
¯Aktoris/Förstermann/Hofmann/Starke
Urban & Fischer, 9. Auflage, 2005
der Toxikologie
„Taschenatlas
¯Reichl
Thieme Verlag, 2. Auflage, 2002
der Pharmakologie
„Taschenatlas
¯Lüllmann/Mohr/Hein
Thieme Verlag, 5. Auflage, 2004
Referat
10
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 Tag
„
Teratogen ! > 2000 Mißgebildete Kinder / a (Contagan:
2000 insgesamt!)
„
Beteiligung bei tödlichen Autounfällen (50%) und Suizid
(30%)
Alkohol
„
Häufigste Suchtmittel: EtOH
„
Bier (50g/l), Wein (120g/l), Schnaps (400-600 g/l)
„
Resorption: fast zu 100% im GIT
„
Verteilung: in alle Körpergewebe, ~ prozentualer Wassergehalt
„
Elimination: 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
Alkohol
Toxizität
„
Veränderung der Membranviskosität und Ionenpermeabilität (GABAA-Rezeptor)
„
zunächst hemmende Neurone stärker gehemmt, dann aktivierende
„
akut: v.a. ZNS
¯ Euphorie, Rausch → Dämpfung, Koordinationsstörungen
¯ bei sehr hohen Konzentrationen: Schlaf, Koma → Atemstörungen
„
chronisch:
¯ internistisch: Leberzirrhose, Kardiomyopathie, Gastritis, Zungen- und Ösophagus-Karzinom
¯ neurologisch: periphere Neuropathie, Muskelatrophie und Myopathie, Enzephalopathie,
dementielle Syndrome
ADH alkohol dehydrogenase
Sättigbar > Kinetik 0. Ordnung (Polizeikontrolle)
MOES mikrosomales ethanol oxidierendes System
Bei chronischem Alkoholkonsum aktivierbar (Kinketik 1. Ordnung)
„
EtOH als Teratogen: Alkohol-Embryopathie → Mikroenzephalie des Kindes
11
Alkohol
Toxizität
„
Alkohol
Toxizität
akut: v.a. ZNS
„
¯Euphorie, Rausch → Dämpfung, Koordinationsstörungen
¯bei sehr hohen Konzentrationen: Schlaf, Koma → Atemstörungen
Alkohol
Toxizität
chronisch:
¯internistisch: Leberzirrhose, Kardiomyopathie, Gastritis, Zungen- und
Ösophagus-Karzinom
¯neurologisch: periphere Neuropathie, Muskelatrophie und Myopathie,
Enzephalopathie, dementielle Syndrome
Alkohol
Toxizität
GPT Glutamat-Pyruvat-Transaminase
GT Glutamyl-Transpeptidase
MCV mittlerer corpuskuläre Vlumen
CDT Carbohydrate Deficient Transferrin
Clomethiazol: Anxiolytisch, sedierend
Chlorpothixen: Neuroleptikum
Alkohol
Toxizität
Methanol
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