Metabolismus und Toxikologie

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“ 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 Modern Methods in Drug Discovery WS04/05

3. Zu Risiken und Nebenwirkungen... Nebenwirkungen werden als die 5.-6. 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 2004Cerivastatin Rhabdomyolysis Bayer Aug 2001Alsostron Ischemic Colitis GSK Nov 2000Cisopride Cardiac Arrhythmia Janssen Jun 2000Pemoline Liver Toxicity Warner-Lambert May 2000Mibefradil Drug/Drug Interaction Roche Jun 1998Terfenadine Cardiac Arrhythmia Höchst Dec 1997Fenfluramine Heart Valve Disease Wyeth Sep 1997Quelle: J. Gut TheraSTrat AG, Allschwil, CH (bis 2001) 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 440-470 msec bei einer Pulsfrequenz von 60 Schlägen pro Minute QT-Intervall Bildquelle: http://medizinus.de/ekg.php 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. 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. 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 Modern Methods in Drug Discovery WS04/05

8. 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) Modern Methods in Drug Discovery WS04/05

9. 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 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. Modern Methods in Drug Discovery WS04/05

11. 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. Modern Methods in Drug Discovery WS04/05

12. 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 58,000 compounds USAN <10,000 in clinical trial Von der FDA Aufwand für Forschung undzugelassene Medikamente Entwicklung (Firmen in USA) 1996 53 1980 2 Mrd US$1997 39 1985 4 Mrd US$1998 30 1990 8 Mrd US$1999 35 1995 15 Mrd US$2000 27 2000 26 Mrd US$2001 24 2001 30 Mrd US$2002 17 2002 geschätzt 32 Mrd US$ 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. Modern Methods in Drug Discovery WS04/05

14. Informationsfluß in einerdrug discovery pipeline Modern Methods in Drug Discovery WS04/05

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) Modern Methods in Drug Discovery WS04/05

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

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

18. 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 Discovery2 (2003) 192-204 Modern Methods in Drug Discovery WS04/05

19. 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 Hydrolysev.a. Cytochrom P450 Enzyme Phase II: Konjugation mit kleinen Molekülen (z.B. Glutamin) Phase III: Elimination durch Transporter Modern Methods in Drug Discovery WS04/05

20. Am Metabolismus beteiligte Enzyme Phase I: Oxidation, Reduktion und HydrolyseCytochrom P450 Enzyme (mehr in Vorlesung 10)Dihydropyrimidin-, Alkohol-, und Aldehyd DehydrogenasenEpoxid Hydrolasen,Esterasen und AminasenDT DiaphoraseFlavin Monoxygenasen Phase II: Konjugation mit kleinen Molekülen (z.B. Aminosäuren)N-Acetyltransferase, Glutathione S-transferaseUridinediphosphat-GlucuronosyltransferasenSulfotransferasen, Methyltransferasen Phase III: Elimination durch Transporte P-glycoprotein (MDR1) Alle diese Enzyme unterliegen teilweise starken individuellen Variationen Modern Methods in Drug Discovery WS04/05

21. Metabolismus (II) Experimentelle (in vitro) Methoden:Leber Mikrosomen vom Menschen, Hepatocyten und rekombinante P450 Isozyme 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 metabolischerArt sein. Lipophile Stoffe können über die Galle, hydrophile Stoffe über den Harn ausgeschieden werden. Allgemein gilt: MW <300 300-500 >500 Galle Galle & Harn Harn Modern Methods in Drug Discovery WS04/05

23. Metabolismus bei der Absoption (I) Transcytosis in den Absorptionszellen Ausschnitt aus der Darmwand 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 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 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) 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 OxidaseCytochrom P450 Enzymsuperfamilie Modern Methods in Drug Discovery WS04/05

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

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

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

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

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

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

34. Metabolisierung von Xenobiotica (III) Beispiel besonders ungünstiger Metabolite Toxisch Deshalb nicht mehr zugelassen 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 CytotoxischCardiatische Toxizität (hERG) Hepatotoxizität (PXR, CAR)NephrotoxizitätImmunogenizität (Sensibilisierung, Allergen)Neurotoxizität (Rezeptorbindung)Drug-Drug Wechselwirkungen (Cytochrom P450)GenotoxischCanerogen / MutagenTeratogen Modern Methods in Drug Discovery WS04/05

36. 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 http://www.chem.leeds.ac.uk/luk/ HazardExpert CompuDrug Ltd. TOPKAT Accelrys M-CASE Multicase iDEA Lion Bioscience Modern Methods in Drug Discovery WS04/05

37. ADMET-Modelle (III) Metabolische Aspekte Deskriptoren Biotransformation Chemische Struktur einzelner Metabolite anhand der sich ein decision tree aufstellen läßtphysico-chemische Eigenschaften Enzymbindung v.a. an Serumproteine Cytochrom P450 (siehe Vorlesung 10) Katalytische Reaktionen Reaktionsmechanismus Umsatzgeschwindigkeit Drug-Drug Interaction Inhibition bzw. Induktion Modern Methods in Drug Discovery WS04/05

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

39. 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. idem622 (2003) 23 Modern Methods in Drug Discovery WS04/05

40. Drug Safety Drug-Drug interactions: Wechselwirkungen mit anderen Medikamenten Drug Interaction Database http://depts.washington.edu/ventures/pfolio/didb.htmÖkotoxikologie: Wie verhalten sich ausgeschiedene Medikamente und deren Metabolite in der Umwelt ?  Biologische Abbaubarkeit Modern Methods in Drug Discovery WS04/05