Allgemeine und spezielle Pharmakologie und Toxikologie 9. Auflage

Pharmakologie und Toxikologie, 9.A.

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. Allgemeine und spezielle Pharmakologie und Toxikologie

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Aktories/Förstermann/Hofmann/Starke Begründet von W. Forth, D. Henschler und W. Rummel Für Studenten der Medizin, Veterinärmedizin, Pharmazie, Chemie und Biologie sowie für Ärzte, Tierärzte und Apotheker 9., völlig überarbeitete Auflage Mit 730 Abbildungen und 303 Tabellen URBAN & FISCHER München • Jena 978-3-437-44490-6

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Zuschriften und Kritik an: Elsevier GmbH, Urban & Fischer Verlag, Lektorat Medizinstudium, Dr. Andrea Beilmann, Karlstraße 45, 80333 München Wichtiger Hinweis für den Benutzer Die Erkenntnisse in der Medizin unterliegen laufendem Wandel durch Forschung und klinische Erfahrungen. Herausgeber und Autoren dieses Werkes haben große Sorgfalt darauf verwendet, dass die in diesem Werk gemachten therapeutischen Angaben (insbesondere hinsichtlich Indikation, Dosierung und unerwünschten Wirkungen) dem derzeitigen Wissensstand entsprechen. Das entbindet den Nutzer dieses Werkes aber nicht von der Verpflichtung, anhand der Beipackzettel zu verschrei-bender Präparate zu überprüfen, ob die dort gemachten Angaben von denen in diesem Buch abweichen, und seine Verordnung in eigener Verantwortung zu treffen. Wie allgemein üblich wurden Warenzeichen bzw. Namen (z.B. bei Pharmapräparaten) nicht besonders gekennzeichnet. Bibliografische Information Der Deutschen Bibliothek Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet unter http://dnb.ddb.de abrufbar.

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. Alle Rechte vorbehalten 9. Auflage, 2005 © Elsevier GmbH, München Der Urban & Fischer Verlag ist ein Imprint der Elsevier GmbH. 05 06 07 08 09  5 4 3 2 1 0 Für Copyright in Bezug auf das verwendete Bildmaterial siehe Abbildungsnachweis. Der Verlag hat sich bemüht, sämtliche Rechteinhaber von Abbildungen zu ermitteln. Sollte dem Verlag gegenüber dennoch der Nachweis der Rechtsinhaberschaft geführt werden, wird das branchenübliche Honorar gezahlt. Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlages unzulässig und strafbar. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Um den Textfluss nicht zu stören, wurde bei Patienten und Berufsbezeichnungen die grammatikalisch maskuline Form gewählt. Selbstverständlich sind in diesen Fällen immer Frauen und Männer gemeint. Programmleitung: Dr. med. Dorothea Hennessen Teamleitung Klinik: Nathalie Blanck Lektorat: Dr. rer. nat. Andrea Beilmann, Nathalie Blanck, Dr. med. Konstanze Spring Redaktion: Ulrike Kriegel, München Herstellung: Cornelia Reiter Satz: abc.Mediaservice GmbH, Buchloe Druck und Bindung: Appl, Wemding Zeichnungen: Dr. Wolfgang Zettlmeier, Barbing Umschlaggestaltung: SpieszDesign, Neu-Ulm

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. Gedruckt auf 80 g Luxosamtoffset, mehrfach matt gestrichen mit 1,1fachem Volumen Printed in Germany ISBN 3-437-42521-8 Aktuelle Informationen finden Sie im Internet unter www.elsevier.com und www.elsevier.de

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. Vorspann 1 Allgemeine Pharmakologie und Toxikologie 2 Grundlagen der Pharmakologie des Nervensystems 3 Pharmakologie cholinerger Systeme 4 Pharmakologie noradrenerger und adrenerger Systeme – Pharmakotherapie des Asthma bronchiale – Doping 5 Pharmakologie des Serotonins - Pharmakotherapie primärer Kopfschmerzen 6 Pharmakologie des Histamins 7 Analgetika – Behandlung von Schmerzen 8 Lokalanästhetika 9 Narkose - Inhalationsanästhetika und Injektionsanästhetika 10 Pharmakotherapie von Schlafstörungen und Erregungszuständen 11 Antikonvulsiva, Konvulsiva–Pharmakotherapie der Epilepsien 12 Zentrale Muskelrelaxantien 13 Antiparkinsonmittel–Pharmakotherapie des Morbus Parkinson Allgemeine und spezielle Pharmakologie und Toxikologie

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. 14 Psychopharmaka - Pharmakotherapie psychischer Erkrankungen 15 Derivate des Arachidonsäurestoffwechsels 16 Antiphlogistika und Immuntherapeutika Pharmakotherapie der Entzündung und des Immunsystems 17 Pharmakologie des cardiovaskulären Systems - das Herz 18 Pharmakologie des cardiovaskulären Systems – die Blutgefäße – Behandlung von Hypertonie und Hypotonie 19 Plasmaersatzmittel – Therapie des peripheren Kreislaufversagens 20 Wasser und Elektrolyte – Therapie von Störungen des Wasser- und Elektrolythaushalts sowie des Säure-Basen-Gleichgewichts 21 Diuretika 22 Pharmakologie der Hämostase – antithrombotische und blutstillende Therapie 23 Pharmaka zur Beeinflussung der Funktionen von Magen, Dünn- und Dickdarm - Pharmakotherapie gastrointestinaler Erkrankungen 24 Pharmakologie des Energiehaushalts Allgemeine und spezielle Pharmakologie und Toxikologie

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. 25 Purinstoffwechsel, Uricostatika, Uricosurika-Pharmakotherapie der Gicht 26 Fettstoffwechsel; Lipidsenker-Pharmakotherapie be Fettstoffwechselstörungen 27 Pharmakologie des Glucosestoffwechsels – Antidiabetika – Antihypoglykämika – Antihyperglykämische Pharmakotherapie des Diabetes mellitus 28 Hypothalamische und hypophysäre Hormone 29 Nebennierenrindenhormone 30 Sexualhormone 31 Schilddrüsentherapeutika 32 Calciumstoffwechsel 33 Eisen – Pharmakotherapie des Eisenmangels 34 Vitamine und Spurenelemente Therapie des Vitaminmangels 35 Kontrastmittel und Radiopharmaka 36 Antibiotika und Chemotherapeutikaantiinfektiöse Therapie 37 Mittel zur Behandlung von Tumoren Tumorchemotherapie

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. 38 Wichtige Gifte und Vergiftungen Anhang

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Vorspann Vorwort zur 9. Auflage Die „Allgemeine und spezielle Pharmakologie und Toxikologie“ von Wolfgang Forth (München), Dietrich Henschler (Würzburg) und Walter Rummel (Homburg an der Saar) erschien zuerst 1975. In drei Jahrzehnten ist „der Forth“ ein Standardwerk geworden. In der 9. Auflage erscheint das Buch jetzt erstmals ohne die Gründungs-herausgeber. Eine neue Herausgebergruppe hat versucht, die Tradition weiterzuführen, Bewährtes bewahrend und Neues inkorporierend. Zu Beginn möchten wir den Gründern Anerkennung und Dank aussprechen. Zum Bewährten gehören die drei Prinzipien einer gründlichen Darstellung der Allgemeinen Pharmakolo-gie; einer Synopsis von Physiologie, Biochemie, patholo-gischer Physiologie und Biochemie, Pharmakologie und klinischer Nutzung; und einer ausführlichen Behandlung der Toxikologie. Zum Neuen gehören Inhaltliches und Formales. Inhalt-liches: Ein eigener Abschnitt diskutiert zum ersten Mal die medizinische Gentechnologie und Gentherapie. Fünfzehn Kapitel oder größere Abschnitte sind von jüngeren Autoren neu geschrieben worden. Autoren und Herausgeber hoffen, das Fach wieder aktuell, verständnisund praxisorientiert gewichtend – wo nötig, auch umfassend – und einprägsam dargestellt zu haben. Formales: Durch die Vereinheitlichung graphischer Symbole in den Abbildungen und die vermehrte Benutzung von Farbe für Gliederungen und Kodierungen hat das Buch ein neues Gesicht erhalten. Die von der Kultusministerkonferenz beschlossenen neuen Orthographieregeln wurden durch einen Mehrheitsbeschluss der Herausgeber übernommen. Es sei dahingestellt, ob Schreibweisen wie „quer ge-streifte Muskulatur“, „nieder potente Neuroleptika“ und „der erst behandelnde Arzt“ Lesen, Verstehen und Schrei-ben fördern. Eine Besonderheit des Buchs sind seit der 7. Auflage dichterische oder sonst historisch herausragende Motti über manchen Kapiteln. Die Leser haben sie – manche amüsiert – als hübsche Bereicherung empfunden. Warum dichterische Motti in einem Pharmakologiebuch? Es gibt etliche Gründe. Und wer wollte schon Friedrich Freiherrn von Hardenberg, genannt Novalis, widersprechen, der in seiner romantischen Enzyklopädie „Das Allgemeine Brouillon“ schreibt: „Arzeneymittel sind poëtisch.“

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. Bei der Vereinheitlichung und Neugestaltung der Abbildungen haben sich besonders Ulrich Förstermann und seine Mitarbeiterin Dr. Petra Schwarz engagiert. Dem Verlag, vor allem Nathalie Blanck, Dr. Andrea Beilmann und Dr. Konstanze Spring, danken wir für freund-lich-energische Mitwirkung. Freiburg im Breisgau, Mainz und München, im August 2004 Klaus Aktories Ulrich Förstermann Franz Hofmann Klaus Starke

Zur Einrichtung des Buchs Die Grundlagen der Pharmakotherapie sind jeweils bei den entsprechenden Stoffkapiteln abgehandelt. Die farbigen Winkel kennzeichnen folgendes: Pharmakokinetik und -dynamik Angaben zur Therapie Unerwünschte Wirkungen, Nebenwirkungen, Kontraindikationen und Vergiftungen

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Vorwort zur 8. Auflage Drei Darstellungsprinzipien kennzeichnen den „Forth/Henschler/Rummel“ seit seiner 1. Auflage vor gut 25 Jahren und kennzeichnen auch die 8. Auflage. Das erste Prinzip ist eine gründliche Erörterung der Allgemeinen Pharmakologie und Toxikologie, also jener allgemeinen Gesetze, nach denen sich Pharmaka im Körper bewegen und nach denen sie auf den Körper wirken. Die Kenntnis dieser allgemeinen Regeln erleichtert das Verständnis der Pharmakologie einzelner Sub-stanzen ungemein.

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. Das zweite Prinzip ist die Synopsis von Physiologie, Pathophysiologie, Pharmakologie und klinischer Nutzung bei jeder Stoffgruppe. Die Arzneimittelentwicklung verdankt einer solchen synoptischen Sicht viele Erfolge. Der Student wird Stoffgruppe für Stoff-gruppe und Therapieproblem für Therapieproblem von der vorklinischen Theorie zur klinischen Praxis geführt. Dem um Rationalität seines therapeutischen Handelns und Beratens bemühten Arzt und Apotheker kann die Synopsis Richtschnur sein. Das dritte Prinzip ist eine ausführliche Behandlung der Toxikologie. Mit den anthropogenen Schadstoffen hat ihre Bedeutung über die Jahre zugenommen. Sind diese Strukturmerkmale gleichgeblieben, so hat sich andererseits der Inhalt des Buches ständig verändert. Eine amerikanische Ärztezeitschrift verglich vor einigen Jahren die Zeitpunkte wissenschaftlicher Erkenntnisse über den Wert von Therapieverfahren mit den Zeitpunk-ten des Eingangs dieser Erkenntnisse in die Lehrbücher. Die Lehrbücher hinkten viele Jahre hinter den gesicherten Forschungsergebnissen her. Zum Beispiel fand sich noch zehn Jahre nach dem Nachweis, daß Plättchenaggre-gationshemmer dem Herzinfarkt vorbeugen, in den meisten Lehrbüchern kein Hinweis auf diese Prophylaxe. Die Autoren und Herausgeber des Forth/Henschler/Rummel versuchen nach wie vor, den aktuellen Kenntnisstand wiederzugeben. Für die 8. Auflage sind besonders die Neufassung des Kapitels Allgemeine Pharmakologie und Toxikologie und die Neufassung des Kapitels Toxikologie zu nennen. Neue Autoren gewährleisten einen hohen Grad an Kompetenz für alle Themen. Der arabische Arzt At-Tabari schrieb vor etwa 1200 Jahren: „Man soll in keinem Land wohnen, in dem es vier Dinge nicht gibt: eine gerechte Regierung, fließendes Wasser, brauchbare Heilmittel und einen gebildeten Arzt.“ Brauchbare Heilmittel: Dies Lehrbuch versucht, sie auszuwählen und mit ihren Leistungen und Gefahren zu beschreiben. Dem neuen Verlag, Urban & Fischer, danken wir für die tatkräftige Bewältigung des umfangreichen Werks. München, im Februar 2001 Wolfgang Forth Dietrich Henschler Walter Rummel

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Vorwort zur 1. Auflage Nach der neuen Approbationsordnung für Ärzte sind zur Vermittlung des Stoffes des Faches Pharmakologie und Toxikologie ein „Kurs der Allgemeinen Pharmakologie und Toxikologie“, ein „Kurs der Speziellen Pharmakologie“ sowie begleitende Vorlesungen und Seminare vorgesehen. Eine lückenlose Darstellung des Gebietes in Unterrichtsveranstaltungen läßt sich nicht verwirklichen und wäre aus didaktischen Gründen auch nicht wünschenswert. Der Student muß deshalb die Möglichkeit haben, sich das von ihm geforderte Wissen auch bei zeitweiliger Meidung des Hörsaales zu erwerben. Um mit diesem Buch die Voraussetzungen dafür zu schaffen, haben sich die Autoren bei der Abfassung ihres Kapitels an die Themen der Gegenstandskataloge gehalten. Eine kurze Erläuterung der Gliederung des Buches soll gleichzeitig als Anleitung zu seiner Benutzung dienen. 1. Im ersten Teil („Allgemeine Pharmakologie“) werden die für alle Pharmaka gültigen Gesetze bei der Wechsel-wirkung mit Organismen beschrieben. (Die hier benutzte Definition entspricht – abweichend von der Bezeichnungsweise der Approbationsordnung – dem internationalen Sprachgebrauch.) Die Kenntnis dieser Gesetzmäßigkeiten erleichtert das Verständnis der Pharmakologie der einzelnen im speziellen Teil beschriebenen Stoffgruppen. Die für den Arzt wichtigsten Gebiete der Toxikologie werden, sofern sie nicht schon Gegenstand anderer Kapitel sind, im Hinblick auf ihre rasch zunehmende Bedeutung im dritten Teil geschlossen dargestellt. 2. Die theoretischen Grundlagen der Pharmakotherapie, nach der Definition der neuen Approbationsord-nung „Spezielle Pharmakologie“ genannt, wurden ab-sichtlich nicht abgetrennt, sondern jeweils im Rahmen der einzelnen Stoffgruppen-Kapitel abgehandelt. Die Er-fahrung lehrt, daß die Erarbeitung des Wissens auf die-sem Teilgebiet erleichtert wird, wenn der systematische Zusammenhang gewahrt bleibt. Die Kennzeichnung die-ser Abschnitte durch rote Unterlegung ermöglicht es dem Studenten, der sich auf das Staatsexamen nach dem ersten klinischen Studienabschnitt vorbereitet, diesen Teil zunächst auszuklammern. (Die Auswahl der Beispie-le für die Handelsnamen einer

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. Substanz ist willkürlich. Sie bedeutet nicht, daß die genannten Präparate empfoh-len werden.) 3. Eine kurze Abhandlung der pathophysiologischen Grundlagen wurde den Kapiteln vorangestellt, weil sie eine elementare Voraussetzung für das Verständnis der Arzneimittelwirkungen sind. Da der Kurs der Allgemei-nen Pharmakologie und Toxikologie im ersten klinischen Studienjahr plaziert ist, fehlen dem Studenten oft noch die entsprechenden Kenntnisse. 4. Abbildungen und Tabellen enthalten einen großen Teil des Lehrstoffes. Die Illustrationen und ihre ausführ-lichen Untertexte sowie die tabellarischen Zusammen-fassungen sind so angelegt, daß sie auch losgelöst vom Haupttext verständlich sind. Sie ermöglichen so eine kon-zentrierte Wiederholung des Stoffes, ohne daß der Leser in jedem Fall auf den laufenden Text zurückgreifen muß. Die sorgfältige graphische Gestaltung der größtenteils zweifarbigen Abbildungen soll die Übersicht und Ver-ständlichkeit erhöhen. Für die unermüdliche Hilfe bei der Anfertigung der Manuskripte sind Autoren und Herausgeber den zahlrei-chen beteiligten Damen sehr zu Dank verpflichtet. Dem Verlag gilt unser Dank für die großzügige Ausstattung des Buches. Besondere Anerkennung verdient Herr Dr. E. Hundt für seine sachverständige koordinative Tätigkeit und Herr D. Kneifel für die graphische Gestaltung des umfangreichen Bildmaterials. Mannheim, im Juni 1975 Die Herausgeber

Adressenverzeichnis

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Herausgeber Prof. Dr. Dr. Klaus Aktories Albert-Ludwigs-Universität Institut für Experimentelle und Klinische Pharmakologie und Toxikologie Albertstr. 25 79104 Freiburg

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. Prof. Dr. Ulrich Förstermann Johannes-Gutenberg-Universität Institut für Pharmakologie Obere Zahlbacher Str. 67 55131 Mainz

Autoren Prof. Dr. Clemens Allgaier Universität Leipzig Rudolf-Boehm-Institut für Pharmakologie und Toxikologie Härtelstr. 16–18 04107 Leipzig Dr. Holger Barth Albert-Ludwigs-Universität Institut für Experimentelle und Klinische Pharmakologie und Toxikologie Albertstr. 25 79104 Freiburg Prof. Dr. Rolf Bass Bundesinstitut f. Arzneimittel und Medizinprodukte Kurt-Georg-Kiesinger-Allee 3 53175 Bonn Prof. Dr. Andreas Bechthold Albert-Ludwigs-Universität

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. Institut für Pharmazeutische Wissenschaften Lehrstuhl für Pharmazeutische Biologie und Biotechnologie Stefan-Meier-Str. 19 79104 Freiburg Prof. Dr. Martin Biel Ludwig-Maximilians-Universität Pharmakologie für Naturwissenschaften Zentrum für Pharmaforschung Butenandtstr. 5–13 81377 München Prof. Dr. Heinz Bönisch Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Institut für Pharmakologie und Toxikologie Reuterstr. 2b 53113 Bonn Prof. Dr. Franz Bernhard Hofmann Technische Universität München Institut für Pharmakologie und Toxikologie Biedersteiner Str. 29 80802 München Prof. Dr. Klaus Starke Albert-Ludwigs-Universität

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. Institut für Experimentelle und Klinische Pharmakologie und Toxikologie Albertstr. 25 79104 Freiburg Prof. Dr. Wolfgang Dekant Julius-Maximilians-Universität Institut für Pharmakologie und Toxikologie Versbacher Str. 9 97078 Würzburg Prof. Dr. Michel Eichelbaum Dr.-Margarete-Fischer-Bosch-Institut für Klinische Pharmakologie Auerbachstr. 112 70376 Stuttgart Prof. Dr. Bernd Elsenhans Walther-Straub-Institut für Pharmakologie und Toxikologie Nußbaumstr. 26 80336 München PD Dr. Hermann Ensinger St.-Josefs-Hospital Abteilung Anästhesie/Intensivmedizin Solmsstr. 15

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. 65189 Wiesbaden Prof. Dr. Thomas Eschenhagen Universitätsklinikum Hamburg-Eppendorf Zentrum für Experimentelle Medizin Institut für Experimentelle und Klinische Pharmakologie und Toxikologie Martinistr. 52 20246 Hamburg Prof. Dr. Thomas Feuerstein Universitätsklinikum Freiburg Neurologische Klinik Abt. Neurologie und Neurophysiologie Sektion Klinische Neuropharmakologie Breisacher Str. 64 79106 Freiburg Prof. Dr. Burckhard Fichtl

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Walther-Straub-Institut für Pharmakologie und Toxikologie Nußbaumstr. 26 80336 München Prof. Dr. Veit Flockerzi Universität des Saarlandes Experimentelle und Klinische Pharmakologie und Toxikologie

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. Gebäude 46 66421 Homburg/Saar Prof. Dr. Erika Glusa Friedrich-Schiller-Universität Jena Zentrum für Vaskuläre Biologie und Medizin Nordhäuser Str. 78 99089 Erfurt Prof. Dr. Manfred Göthert Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Institut für Pharmakologie und Toxikologie Reuterstr. 2b 53113 Bonn Prof. Dr. Wolfgang Gröbner Krankenanstalten des Zollernalbkreises Kreiskrankenhaus Abteilung Innere Medizin Tübinger Str. 30 72336 Balingen Prof. Dr. Thomas Gudermann Philipps-Universität Marburg Fachbereich Medizin Institut für Pharmakologie und Toxikologie Karl-von-Frisch-Str. 1 35043 Marburg

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. Prof. Dr. Karl G. Hofbauer Biozentrum Abt. Pharmakologie und Toxikologie Klingelbergstr. 50/70 CH-4056 Basel Dr. Dirk Hoffmeister Albert-Ludwigs-Universität Institut für Pharmazeutische Wissenschaften Stefan-Meier-Str. 19 79104 Freiburg Prof. Dr. Thomas Hohlfeld Heinrich-Heine-Universität Institut für Pharmakologie und Klinische Pharmakologie Moorenstr. 5 40225 Düsseldorf Prof. Dr. Peter Illes Universität Leipzig Rudolf-Boehm-Institut für Pharmakologie und Toxikologie Härtelstr. 16–18 04107 Leipzig Prof. Dr. Volkhard Kaever Med. Hochschule Hannover

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. Institut für Pharmakologie Carl-Neuberg-Str. 1 30625 Hannover Prof. Dr. Bernd Kaina Johannes-Gutenberg-Universität Institut für Toxikologie Abt. für Angewandte Toxikologie Obere Zahlbacher Str. 67 55131 Mainz Prof. Dr. Christiane Keller Ludwig-Maximilians-Universität Medizinische Poliklinik München Pettenkoferstr. 8a 80336 München Prof. Dr. Heinz Kilbinger Johannes-Gutenberg-Universität Institut für Pharmakologie Obere Zahlbacher Str. 67 55131 Mainz PD Dr. Hartmut Kleinert Johannes-Gutenberg-Universität Institut für Pharmakologie Obere Zahlbacher Str. 67 55101 Mainz

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. Prof. Dr. Willhart Knepel Georg-August-Universität Molekulare Pharmakologie Institut für Pharmakologie Robert-Koch-Str. 40 37075 Göttingen Prof. Dr. Hartmut Lode Freie Universität Berlin Zentralklinik Emil von Behring Institut für Pneumologie und Infektiologie Zum Heckeshorn 33 14109 Berlin Prof. Dr. Wolfgang Maier Klinik und Poliklinik für Psychiatrie und Psychotherapie Sigmund-Freud-Str. 25 53105 Bonn Prof. Dr. Dietrich Mebs Johann-Wolfgang-von-Goethe-Universität Zentrum der Rechtsmedizin Institut für Forensische Toxikologie Kennedyallee 104 60596 Frankfurt Prof. Dr. Hanns Möhler

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. Universität Zürich Institut für Pharmakologie und Toxikologie Winterthurerstr. 190 Gebäude Y17–J11 CH-8057 Zürich Prof. Dr. Uwe Panten

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Universität Braunschweig Institut für Pharmakologie und Toxikologie Mendelssohnstr. 1 38106 Braunschweig PD Dr. Gerhard Pindur Universitätskliniken des Saarlandes Abt. für Klinische Hämostaseologie und Transfusionsmedizin Kirrberger Str. 66424 Homburg/Saar Prof. Dr. Klaus Resch Med. Hochschule Hannover Institut für Pharmakologie Carl-Neuberg-Str. 1 30625 Hannover Prof. Dr. Ingo Rustenbeck Technische Universität Braunschweig Institut für Pharmakologie und Toxikologie

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. Mendelssohnstr. 1 38106 Braunschweig Prof. Dr. Eberhard Schlicker Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Institut für Pharmakologie und Toxikologie Reuterstr. 2b 53113 Bonn Prof. Dr. Karsten Schrör Heinrich-Heine-Universität Institut für Pharmakologie und Klinische Pharmakologie Moorenstr. 5 40225 Düsseldorf Prof. Dr. Rolf Schubert Albert-Ludwigs-Universität Institut für Pharmazeutische Wissenschaften Lehrstuhl für Pharmazeutische Technologie und Biopharmazie Hermann-Herder-Str. 9 79104 Freiburg Prof. Dr. Wolfgang Schütz Universität Wien Pharmakologisches Institut Währinger Str. 13a A-1090 Wien

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. PD Dr. Matthias Schwab Dr.-Margarete-Fischer-Bosch-Institut für Klinische Pharmakologie Auerbachstr. 112 70376 Stuttgart Prof. Dr. Dr. h. c. Hans-Günter Sonntag Ruprecht-Karls-Universität Institut für Hygiene Im Neuenheimer Feld 324 69120 Heidelberg Prof. Dr. Ulrich Speck Universitätsklinikum Charité Institut für Radiologie Schumannstr. 20–21 10098 Berlin Prof. Dr. Ralf Stahlmann Charité Universitätsmedizin Berlin Campus Benjamin Franklin Institut für Klinische Pharmakologie und Toxikologie Abt. Toxikologie Garystr. 5 14195 Berlin Prof. Dr. Klaus Turnheim Universität Wien

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. Pharmakologisches Institut Währinger Str. 13 a A-1090 Wien Prof. Dr. Clemens Unger Klinik für Tumorbiologie Klinik für Internistische Onkologie Breisacher Str. 117 79106 Freiburg Prof. Dr. Spiros Vamvakas European Agency for the Evaluation of Medicine Human Medicine Evaluation Unit 7 Westferry Circus, Canary Wharf London E14 4HB, GB Prof. Dr. Ingeborg Walter-Sack Universität Heidelberg Medizinische Universitätsklinik Abt. Innere Medizin VI Klinische Pharmakologie und Pharmakoepidemiologie Bergheimer Str. 58 69115 Heidelberg Prof. Dr. Siegfried Wolffram Christian-Albrechts-Universität Institut für Tierernährung und Stoffwechselphysiologie

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. Olshausenstr. 40 24098 Kiel Dr. Peter Wollenberg Universität des Saarlandes Experimentelle und klinische Pharmakologie und Toxikologie Gebäude 46 66421 Homburg/Saar

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. Abkürzungsverzeichnis

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. A A AC ACAT ACE ACh AChE ACTH ADA ADI ADP ADS AF Ag AGS Ak α-KG ALA ALL ALDH AMA AmB AMCHA AMG AMI AML AMP AMPA ANP AP APC APP APRTase APSAC aPTT AR ASA ASS ATP AUC AV AZT BAL BAT BDNF

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Ampere Adenylylcyclase Acyl-CoA-Cholesterin-O-acyltransferase Angiotensin-Converting-Enzym Acetylcholin Acetylcholinesterase adrenocorticotropes Hormon, Corticotropin, Corticotrophin(um) Adenosindesaminase acceptable daily intake, maximal tolerierbare Aufnahme eines Schadstoffe Adenosindiphosphat Aufmerksamkeitsdefizitsyndrom Transkriptions-Aktivierungsfunktion Antigen adrenogenitales Syndrom Antikörper α-Ketoglutarat Aminolävulinsäure akute lymphatische Leukämie Aldehyddehydrogenasen antimitochondriale Antikörper Amphotericin B Tranexamsäure, 4-Aminomethylcyclo-hexancarbonsäure Arzneimittelgesetz akuter Myocardinfarkt akute myeloische Leukämie Adenosinmonophosphat α-Amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazol-propionsäure atriales natriuretisches Peptid Aktionspotential aktiviertes Protein C Amyloid-Präcursor-Protein Adeninphosphoribosyltransferase Anistreplase (p-anisoylierter Plasminogen-Streptokinase-Aktivator-Komple aktivierte partielle Thromboplastinzeit Androgenrezeptor Aminosalicylsäure Acetylsalicylsäure Adenosintriphosphat Fläche unter der Konzentrations-Zeit-Kurve, area under the curve atrioventrikular Azidothymidin B British Anti Lewisite (Lewisite = arsenhaltiger Kampfstoff), Dimercaprol biologischer Arbeitsplatztoleranzwert brain derived neutrotrophic factor

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. BDNF BfArM BMI BNP Bq Btm BV BZD C c CA cal cAMP CBG CCK cDNA CE cGMP CGRP CK CL CLL CM Cmax

brain-derived neutrotrophic factor Bundesinstitut für Arzneimittel und Medizinprodukte Body mass index brain-type natriuretisches Peptid Becquerel Betäubungsmittel absolute Bioverfügbarkeit bei oraler Gabe Benzodiazepin

Cmin

minimale Konzentration

CML CMP CMV CNG CNP CoA COMT COPD COX CRBP CRH CSF CT CVLM CYP

chronisch myeloische Leukämie Cytidinmonophosphat Cytomegalievirus cyclic nucleotide-gated C-type natriuretisches Peptid Coenzym A Catechol-O-Methyltransferase chronic obstructive pulmonary disease Cyclooxygenase cellular retinal binding protein corticotropin releasing hormone, Corticorelin, Corticoliberin koloniestimulierender Faktor, colony stimulating factor Computer-Tomographie caudale ventro-laterale Medulla oblongata Cytochrom P450

D D d DA DAB DAG

Dalton, Einheit für Molekulargewicht Tag Dopamin Deutsches Arzneibuch Diacylglycerol, Diacylglycerin

Vorspann

Plasmakonzentration Carboanhydrase Kalorien cyclisches Adenosin-3′,5′-monophosphat Corticoid-bindendes Globulin, Transcortin Cholezystokinin komplementäre Desoxyribonukleinsäure Cholesterinester cyclisches Guanosin-3′,5′-monophosphat calcitonin gene-related peptide Creatinkinase totale Clearance chronische lymphatische Leukämie Chylomikronen maximale Konzentration

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. DDF DDT DEC DG DHE DHEA DHT DIC DMNA DNA DNPS DOM DOMA DOPA, Dopa DOPAC DOPEG DSPA dTMP dUMP E E EBV EC ECL ED EDRF EDTA EEG EGF EKG EMB EMEA EPMS EPO EPSP ER ERE EZR F FAD FC FdUMP FEV1

Diaminodiphenylsulfon, Dapson Dichlordiphenyltrichlorethan Diethylcarbamazin Diacylglycerol Dihydroergotamin Dihydroepiandrosteron Dihydrotestosteron disseminierte intravasale Coagulation Dimethylnitrosamin Desoxyribonucleinsäure Dimercaptopropansulfonsäure 2,5-Dimethoxy-4-methylamphetamin 3,4-Dihydroxymandelsäure 3,4-Dihydroxyphenylalanin 3,4-Dihydroxyphenylessigsäure 3,4-Dihydroxyphenylglycol Desmoteplase, Desmodus rotundus salivary plasminogen activator Desoxythymidinmonophosphat Desoxyuridinmonophosphat

FFA FGF FMN

freie Fettsäuren fibroblast growth factor Flavinmononucleotid

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Einheit Epstein-Barr-Virus effective concentration enterochromaffin-like cells Einzeldosis, Effektivdosis endothelium-derived relaxing factor Ethylendiamintetraessigsäure Elektroenzephalogramm epidermal growth factor (epidermaler Wachstumsfaktor) Elektrokardiogramm Ethambutol European Agency for the Evaluation of Medicinal Products, Europäische A extrapyramidal-motorische Symptome Erythropoietin erregendes postsynaptisches Potential Estrogenrezeptor Estrogen-responsives Element Extrazellularraum Flavinadenindinucleotid Flucytosin Fluor-Desoxyuridinmonophosphat forciertes Ausatemvolumen in der ersten Sekunde

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. FSH FU G g GABA GAP GC G-CSF GCp GDP GFR GGT GH Gi

follikelstimulierendes Hormon, Follitropin Fluorouracil

GIP Gln GLP Glu GLUT GM-CSF GMP GnRH Go

gastric inhibitory peptide Glutamin glucagon-like peptide Glutamat Glucosetransporter Granulocyten-Makrophagen-Colonie-stimulierender-Faktor Guanosinmonophosphat Gonadotropin releasing hormone, Gonadorelin heterotrimeres G-Protein, eine von mehreren Formen

GOT gp G-Protein GPT Gq

Glutamat-oxalacetat-Transaminase Glykoprotein Guaninnucleotid-bindendes Protein Glutamatpyruvat-Transaminase heterotrimeres G-Protein, eine von mehreren Formen

GRE GRH GRK Gs

Glucocorticoid-responsives Element growth hormone releasing hormone, Somatotropin, GHRH G-Protein-gekoppelte Rezeptorkinase stimulierendes heterotrimeres G-Protein

GSH GST GTP H h Hb HCG HCV HDL HES HETE HGH HHL HIT

Glutathion-Sulfhydryl, Glutathion Glutathion-S-Transferase Guanosin-5′-triphosphat

Vorspann

Gramm γ-Aminobuttersäure GTPase-aktivierendes Protein Guanylylcyclase Granulocyten-Colonie-stimulierender Faktor partikuläre (membrangebundene) Guanylylcylcase Guanosin-5′-diphosphat glomeruläre Filtrationsrate Gamma-Glutamyl-Transferase growth hormon, Wachstumshormon, Somatropin inhibitorisches heterotrimeres G-Protein

Stunde Hämoglobin human chorionic gonadotropin, Choriongonadotropin Heptatitis-C-Virus High-density-Lipoprotein Hydroxyethylstärke Hydroxytetraensäure human growth hormone, Somatotropin, STH (somatotropes Hormon) Hypophysenhinterlappen heparininduzierte Thrombocytopenie

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. HIT HIV HLA HMG HMG-CoA HPETE HPL HPRTase Hsp, HSP HSV 5-HT 5-HTP HVL HWZ Hz I i. a. IC50

heparininduzierte Thrombocytopenie humanes Immundefizienzvirus Histokompatibilitätsantigen, human leukocyte antigen humanes menopausales Gonadotropin Hydroxymethylglutaryl-Coenzym A Hydroperoxy-Eicosatetraensäure human placental lactogen, humanes placentares Lactogen Hypoxanthin-Guanin-Phosphoribosyltransferase Hitzeschockprotein Herpes-simplex-Virus 5-Hydroxytryptamin, Serotonin 5-Hydroxytryptophan Hypophysenvorderlappen Halbwertszeit Hertz

ICAM ICE IDL IE IF IFN Ig IGF IL i. m. IMP INH Inj. INN INR IP3

intercellular adhesion molecule Interleukin-converting-enzyme Intermediärpartikel Internationale Einheit intrinsic factor Interferon Immunglobulin Insulin-like growth factor Interleukin intramuskulär Inosinmonophosphat Isonicotinsäurehydrazid Injektion International nonproprietary name International normalized ratio Inositoltriphosphat

i. p. IRS ISDN ISMN i. th. i. v. IZR J J K kb Kd kD

intraperitoneal Insulinrezeptorsubstrat Isosorbid-2,5-dinitrat Isosorbid-5-mononitrat intrathekal intravenös Intrazellularraum

Vorspann

intraarteriell Pharmakonkonzentration, bei der 50% Hemmung erzielt wird, inhibitory co

Joule Kilobasen Dissoziationskonstante Kilodalton

Seite 24 von 29

Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. kD KG kg KHK KIE L L LC LCAT LD LDL LH LPL LPS LSD LT LVEDP LVEDV LWAR LX M M m MAC MAK MALT MAO MAPK MBK MCP MCS MDA MDMA MDR MDS ME MHC MHK min MM mmHg MODY MOPEG MPS MPS MRI mRNA

Vorspann

Kilodalton Körpergewicht Kilogramm koronare Herzkrankheit Kallikrein-Inhibitor-Einheit

Liter letale Konzentration Lecithin-Cholesterin-Acyltransferase letale Dosis Low-density-Lipoprotein luteinisierendes Hormon, Lutropin Lipoproteinlipase Lipopolysaccharide Lysergsäurediethylamid Leukotrien linksventrikulärer enddiastolischer Druck linksventrikuläres enddiastolisches Volumen langfristig wirksame Antirheumatika Lipoxine Molar Meter minimale alveoläre Konzentration maximale Arbeitsplatzkonzentration Mucosa-assoziiertes lymphatisches Gewebe Monoaminooxidase Mitogen-aktivierte Proteinkinase minimale bakterizide Konzentration Makrophagen-chemotaktisches Peptid multiple Chemikaliensensitivität, multiple chemical sensitivity 3,4-Methylendioxyamphetamin 3,4-Methylendioxymethamphetamin, „Ecstasy“ multiple Arzneimittelresistenz, multidrug resistance myelodysplastisches Syndrom Mega-Einheit Haupthistokompatibilitätskomplex, major histocompatibility complex minimale Hemmkonzentration Minute Molekularmasse Milimeter Quecksilbersäule Maturity Onset Diabetes of the Young 3-Methoxy-4-hydroxyphenylglycol myeloproliferatives Syndrom mononukleares Phagozytensystem Monoamin-Rückaufnahme-Inhibitor Messenger-Ribonucleinsäure

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. mRNA MRP MRSA MRT MSH MTD MTP MVO2

N NA NAD

Messenger Ribonucleinsäure multidrug resistance-associated protein methicillinresistenter Staphylococcus aureus (früher) oder multiresistenter Magnetresonanz-Tomographie Melanocyten-stimulierendes Hormon, Melanotropin maximal tolerierte Dosis mikrosomales Triglycerid-Transfer-Protein myocardialer Sauerstoffverbrauch Noradrenalin Nicotinamid-adenin-dinucleotid

+ +

NADP NAT NEP NF-κB NGF NHL NK-Zelle NMDA NMH NO NOS NPA NPY NSA NSAR NSMRI NYHA P Pa PAF PAH PAI PAK PAMBA pAVK PCB PCDD PCDF PDE PDGF PDK1 PEI PET PG PGI2

Vorspann

Nicotinamid-adenin-dinucleotid-phosphat N-Acetyltransferasen neutrale Endopeptidase nuclear factor κB Nervenwachstumsfaktor Non-Hodgkin-Lymphom natürliche Killerzelle N-Methyl-D-aspartat niedermolekulares Heparin (engl.: low molecular weight heparins = LMWH Stickstoffmonoxid Stickstoffmonoxid-Synthase neutrales Protamin-Insulin Hagedorn Neuropeptid Y = NSAID, nicht-steroidales Antiphlogistikum nicht-steroidales Antirheumatikum nicht-selektiver Monoamino-Rückaufnahme-Inhibitor New York Heart Association Pascal plättchenaktivierender Faktor Paraaminohippursäure Plasminogenaktivatorinhibitor polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe p-Aminomethylbenzoesäure periphere arterielle Verschlusskrankheit polychlorierte Biphenyle polychlorierte Dibenzodioxine polychlorierte Dibenzofurane Phosphodiesterase plateled-derived growth factor Phosphatidylinositol-abhängige Proteinkinase 1

xxiii xxvi

Paul-Ehrlich-Institut Positronen-Emissions-Tomographie Prostaglandin Prostacyclin

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. PI3K PIP2

Phosphatidylinositol-3-Kinase Phosphatidylinosit-4,5-bisphosphat

PI-PLC PK PL p. o. POMC PPAR PPI PR PRPP PT PTCA PTH PTT PZA R RAAS RAR RBP RER RES RMP RNA r-PA RTK RVLM RXR S s SARM s. c. SCID SERM SH SHBG SLE SM SNRI SP SPRM SR SRS-A SSNRI SSRI SST

phosphatidylinositspezifische Phospholipase C Proteinkinase Phospholipase per os Pro-Opiomelanocortin Peroxisomen-Proliferator-aktivierter Rezeptor Protonenpumpeninhibitor Progesteronrezeptor 5-Phosphoribosylpyrophosphat Prothrombinzeit perkutane transluminale Coronarangioplastie Parathormon partielle Thromboplastinzeit Pyrazinamid

Vorspann

Renin-Angiotensin-Aldosteron-System retinoic acid receptor retinal binding protein raues endoplasmatisches Reticulum reticuloendotheliales System Rifampicin Ribonucleinsäure Reteplase (rekombinanter Plasminogenaktivator) Rezeptortyrosinkinase rostrale ventro-laterale Medulla oblongata Retinoid-X-Rezeptor Sekunde selektiver Androgenrezeptor-Modulator subcutaneus – subkutan severe combined immunodeficiency selektiver Estrogen-Rezeptor-Modulator Sulfonylharnstoffderivat Sexualhormon-bindendes Globulin systemischer Lupus erythematodes Streptomycin selektiver Noradrenalin-Rückaufnahme-Inhibitor Substanz P selektiver Progesteronrezeptor-Modulator Steroidrezeptor slow reacting substance of anaphylaxis selektiver Serotonin- und Noradrenalin-Rückaufnahme-Inhibitor selektiver Serotonin-Rückaufnahme-Inhibitor Somatostatin

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. SULT SUR T t1/2

Sulfotransferasen Sulfonylharnstoffrezeptor

T3

Triiodthyronin

T4

Thyroxin

TBG Tc

Thyroxin-bindendes Globulin cytotoxischer T-Lymphocyt

TCA TCDD TEA TEQ TETD TF TFPI TGF tgl. TH THC THF TIA tmax

tricyclische Antidepressiva Tetrachlordibenzodioxin Tetraethylammonium toxische Äquivalentfaktoren Tetraethylthiuramdisulfid Gewebsfaktor tissue factor pathway inhibitor transforming growth factor, transformierender Wachstumsfaktor täglich Helfer-T-Lymphocyt Tetrahydrocannabinol Tetrahydrofolsäure transitorische ischämische Attacke Zeit bis zum Erreichen maximaler Plasmaspiegel eines Pharmakons

TNF TNK-t-PA t-PA TRK TRH t-RNA TSH TTS TX U U UAW UDP UFH UGT u-PA UTP V V V, VD

Tumor-Nekrose-Faktor Tenecteplase Alteplase (tissue plasminogen activator – Gewebeplasminogenaktivator) technische Richtkonzentration Thyrotropin releasing hormone, Protirelin Transfer-Ribonucleinsäure thyrotropes Hormon, Thyrotropin transdermale therapeutische Systeme Thromboxan

VEGF VEGFR VIP

Vorspann

Halbwertszeit

Internationale Einheit unerwünschte Arzneimittelwirkung Uridindiphosphat unfraktioniertes Heparin Uridindiphosphat-Glucuronosyltransferasen Urokinase Uridintriphosphat Volt Verteilungsvolumen vascular endothelial growth factor vascular endothelial growth factor receptor vasoaktives intestinales Polypeptid

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. VLDL VMS VZV W WHO X XO

Vorspann

Very-low-density-Lipoprotein Vanillinmandelsäure Varicella-Zoster-Virus World Health Organisation Xanthinoxidase

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. 1

1 Allgemeine Pharmakologie und Toxikologie Es treten uns hier sogleich zwei Fragen in den Weg, nämlich 1) inwiefern werden die Arzneimittel von dem Organismus verändert und 2) inwiefern wirken dieselben auf den Organismus verändernd ein. Rudolf Buchheim: Jonathan Pereira's Handbuch der Heilmittellehre (1846) 1.1 Grundbegriffe 2 1.1.1 Die Pharmakologie 2 1.1.2 Pharmaka 3 1.1.3 Wechselwirkungen 3 1.1.4 Perspektiven 4 1.2 Wirkungen von Pharmaka auf den Organismus: allgemeine Pharmakodynamik 5 1.2.1 Rezeptorvermittelte und nicht-rezeptorvermittelte Pharmakawirkungen 5 1.2.2 Kinetik der Pharmakon-Rezeptor-Interaktion 10 Agonisten und Antagonisten 10 1.2.3 Pharmakonwirkungen am Menschen 14 Dosis-Wirkungs-Beziehung 14 Toxizität und therapeutische Breite 15 Biologische Determinanten der Arzneistoffwirkung 16 1.2.4 Rezeptor-Signal-Transduktion 16 Signaltransduktion durch heptahelikale Rezeptoren 18 Signaltransduktion durch liganden-gesteuerte Ionenkanäle 21 Signaltransduktion durch Rezeptorproteinkinasen 23 Interaktion von Signalkaskaden 23 Desensitisierung von heptahelikalen Rezeptoren 24

1 Allgemeine Pharmakologie und Toxikologie

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. 1.3 Medizinische Gentechnologie und Gentherapie 25 1.3.1 Von der klassisch pharmakologischen Therapie über gentechnisch hergestellte Arzneistoffe zur Gentherapie 25 Geschichte 26 Gentechnisch hergestellte Arzneistoffe 26 Somatische Gentherapie 26 Keimbahntherapie 26 1.3.2 Blockierung unerwünschter Genexpression 27 Antisense-Oligonucleotide, Antisense-Medikamente 27 Ribozyme 27 RNA-Interferenz, eine neue Methode der Gensuppression 29 1.3.3 Methoden und „Werkzeuge“ des Gentransfers in somatische Zellen 29 Virale Vektoren des Gentransfers 30 Nicht-virale Transfermethoden 31 1.3.4 Anwendungen der somatischen Gentherapie 31 Therapie „monogener“ Erkrankungen 31 Therapieansätze bei „polygenen“ Krankheiten 35 Gentherapie gegen Infektionskrankheiten 35 1.3.5 Regulation der Genexpression durch „klassische“ Pharmaka 35 Genregulation als Zusatzwirkung von Pharmaka mit etabliertem Wirkmechanismus 36 1.4 Wirkungen des Organismus auf Phar-maka: allgemeine Pharmakokinetik 36 1.4.1 Durchtritt von Pharmaka durch biologische Membranen 36 Membranstruktur und Permeation 36

1 Allgemeine Pharmakologie und Toxikologie

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. Mechanismen der Membranpermeation 37 1.4.2 Aufnahme von Pharmaka in den Organismus – Resorption 40 Parenterale Applikation 40 Resorption durch die Lunge 41 Resorption aus dem Verdauungstrakt 42 Resorption über andere Schleimhäute 44 Resorption über die Haut 45 1.4.3 Verteilung von Pharmakaxs 45 Verteilungsräume 45 Organdurchblutung und Verteilung 45 Bindung an Plasmaproteine 46 Bindung und Speicherung im Gewebe 47 1.4.4 Elimination von Pharmaka durch Metabolismus 47 Bedeutung des Metabolismus für Elimination und Wirkung 47 Enzyme und Reaktionen des Phase-I-Metabolismus 48 Enzyme und Reaktionen des Phase-II-Metabolismus 53 Extrahepatischer Metabolismus 56 Enzymhemmung 56 Enzyminduktion 57 1.4.5 Elimination von Pharmaka durch Exkretion 58

1 2

Renale Exkretion 59 Biliäre Exkretion 60 Intestinale Sekretion 60 1.4.6 Pharmakogenetik 61

1 Allgemeine Pharmakologie und Toxikologie

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. 1.5 Arzneistoffkonzentration im Organismus in Abhängigkeit von der Zeit: Pharmakokinetik im engeren Sinn 64 1.5.1 Pharmakokinetische Parameter 64 Bioverfügbarkeit 65 Verteilungsvolumen 67 Clearance 68 Halbwertszeit 69 1.5.2 Pharmakokinetische Modelle 70 1.5.3 Pharmakokinetik und Arzneistoffdosierung 72 Sättigungsdosis und Erhaltungsdosis 72 Bedeutung der Halbwertszeit 72 Wiederholte Gabe von Pharmaka 73 Bedeutung des Prinzips der Elimination 1. Ordnung für die Arzneistoffdosierung 74 Dosierung von Arzneistoffen nach Körpergewicht 74 Abweichungen von der normalen Pharmakokinetik 75 Stereoselektive Pharmakokinetik 77 Individuelle Dosierung von Arzneistoffen 77 1.5.4 Besondere Patientengruppen: Kinder, alte Menschen und Schwangere 78 Pharmakokinetik bei Kindern 78 Pharmakokinetik beim alten Menschen 79 Pharmakokinetik in der Schwangerschaft 81 1.6 Arzneiformen 81 1.6.1 Arbeitsgebiete der pharmazeutischen Technologie 81 1.6.2 Biopharmazie 82

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. Beeinflussung der Liberation 82 Beeinflussung der Absorption über den Applikationsweg 84 Beeinflussung der Distribution 86 1.7 Zulassung und Überwachung von Arzneimitteln 87 1.7.1 Entwicklung des Arzneimittelrechts 87 1.7.2 Zulassung von Arzneimitteln 88 1.7.3 Nutzen-Risiko-Abwägung bei der Zulassung 89 1.7.4 Klinische Prüfung vor der Zulassung 90 Ethische Regeln der biomedizinischen Forschung 90 Elemente und Ablauf der klinischen Prüfung 92 1.7.5 Arzneimittelzulassung und Therapiefreiheit 93 Anwendung nicht zugelassener Präparate („compassionate use“) 93 Anwendung außerhalb zugelassener Indikationen („off-label use“) 93 1.7.6 Pharmakovigilanz 93 1.8 Dogmatische Arzneitherapien 95 1.8.1 Kritische Empirie und Dogma 95 1.8.2 Homöopathie 95 Das Simile-Prinzip 95 Potenzierung 96 Anwendung 96 1.8.3 Phytotherapie 97 1.8.4 Anthroposophische Arzneitherapie 97 1.9 Pharmakokinetische Daten 98

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. 1.1 Grundbegriffe K. STARKE, FREIBURG I. BR.

1.1.1 Die Pharmakologie Die Pharmakologie ist die Wissenschaft von den Wechselwirkungen zwischen Stoffen und Lebewesen. Einen Stoff, insofern er mit Lebewesen wechselwirkt, nennt man Pharmakon (englisch meist „drug“). Die Pharmakologie betrachtet die Wechselwirkung von Stoffen und Lebewesen zunächst wertneutral, also unabhängig davon, ob die Wechselwirkung für das Lebewesen, in der Regel den Menschen, nützlich, belanglos oder schädlich ist. Entsprechend gilt das Wort „Pharmakon“ für alle mit Lebewesen in Kontakt tretenden Stoffe, unabhängig von ihrer Nützlichkeit oder Schädlichkeit. In einem zweiten Schritt kann man aber werten und unterscheidet dann zwischen Arzneiwirkungen und Schadwirkungen sowie zwischen Arzneistoffen und Giften. Die letztere Unterscheidung bildet allerdings die pharmakologische Wirklichkeit nicht getreu ab: Ein Arzneistoff kann auch schaden und ein gemeinhin als Gift bezeichneter Stoff zuweilen nützen (s. Kap. 1.1.2). Mit der Anwendung von Arzneistoffen beim Menschen beschäftigt sich die Klinische Pharmakologie. Sie prüft unter anderem neue Arzneistoffe auf die vom Gesetzgeber geforderte therapeutische Wirksamkeit. Sie hilft, für einen individuellen Patienten das richtige Arzneimittel in der richtigen Dosis auszusuchen. Schadwirkungen von Stoffen und praktische Konsequenzen daraus behandelt die Toxikologie (s. S. 961). Nach der Definition der Pharmakologie sind Toxikologie und Klinische Pharmakologie Teile der Pharmakologie. Sie sind essentielle Teile. In ihnen gewinnt die Pharmakologie für das menschliche Leben unmittelbare Relevanz. Einige weitere Unterscheidungen sind wichtig. Die Spezielle oder Systematische Pharmakologie betrachtet einzelne Pharmaka und versucht, ihre Wechselwirkungen mit Lebewesen möglichst vollständig zu beschreiben. Aus großen Serien solcher Untersuchungen leitet die Allgemeine Pharmakologie Gesetzmäßigkeiten ab, die für alle Pharmaka gelten. Sie liefert die Theorie der

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. Pharmakologie. Kenntnis der Allgemeinen Pharmakologie erleichtert das Verständnis der Speziellen Pharmakologie. Warum Alkalisierung des Harns die renale Exkretion von Salicylsäure steigert, sollte man auf der Basis der Allgemeinen Pharmakologie verstehen; es in der Speziellen Pharmakologie auswendig zu lernen wäre unökonomisch.

2 3

Besonderen Aspekten widmen sich z.B. die Neuropharmakologie, die Psychopharmakologie, die Biochemische Pharmakologie, die Molekulare Pharmakologie und die Pharmakogenetik. Im Unterschied zur Pharmakologie ist die Pharmazie die Wissenschaft von den chemisch-physikalischen Eigenschaften der Arzneistoffe, von ihrer Gewinnung, ihrer Analytik und ihrer Verarbeitung zu Arzneiformen wie Tabletten und Salben (s. Kap. 1.6, S. 81), bei pflanzlichen Arzneistoffen auch von ihrer Biosynthese und von den pflanzlichen Spendern. Wo Arzneistoffe mit Lebewesen in Wechselwirkung treten, beginnt die Pharmakologie. Selbstverständlich bedürfen die beiden Wissenschaften einander, wenn es um die Anwendung von Arzneistoffen bei Mensch und Tier geht.

1.1.2 Pharmaka Stoffe im Sinne der Pharmakologie, mit anderen Worten Pharmaka, können reine chemische Substanzen sein, aus der Natur gewonnen oder vom Menschen durch chemische Verfahren hergestellt. Sie können auch Gemische von Verbindungen sein, etwa Pflanzenteile und Pflanzenextrakte. Sie können körpereigen sein, wie Hormone und Gerinnungsfaktoren, oder normalerweise nicht im Körper vorhanden. Nur die als Nahrungsmittel aufgenommenen Eiweiße, Fette und Kohlenhydrate sowie Immunseren und Impfstoffe bleiben meist außerhalb des von der Pharmakologie betrachteten Stoffkreises. Wie oben dargestellt, führt eine Wertung der Pharmaka zur Unterscheidung von Arzneistoffen und Giften. Arzneistoffe sind Pharmaka, die (bei entprechender Dosierung) dem Menschen nützen, indem sie der Verhütung, Heilung, 1

Linderung oder Erkennung von Krankheiten dienen . Gifte sind Pharmaka, die (bei entsprechender Dosierung) dem Menschen schaden. Dass die Unterscheidung nicht scharf ist, wurde betont. Viele Pharmaka wirken je nach ihrer Dosis nützlich oder schädlich; zum Beispiel können 0,5 g Acetylsalicylsäure Schmerzen lindern, 20 g aber, auf einmal eingenommen,

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. einen Menschen töten. Selbst bei angemessener Dosierung kann jeder Arzneistoff neben der erwünschten Wirkung auch Schadwirkungen auslösen. Arzneistoffe, mit Hilfe der pharmazeutischen Technologie in eine zur Anwendung beim Menschen geeignete Arzneiform (Tabletten, Injektionslösungen oder Salben) gebracht, werden als Arzneimittel bezeichnet. Den Verkehr mit Arzneimitteln regelt in Deutschland das Arzneimittelgesetz (s. Kap. 1.7, S. 87). Nur selten werden heute Arzneimittel noch für einen bestimmten Patienten ad hoc in der Apotheke zubereitet. Viel häufiger sind Fertigarzneimittel, im Voraus hergestellt und in einer zur Abgabe an den Verbraucher bestimmten Verpackung in den Verkehr gebracht. Fertigarzneimittel bedürfen der Zulassung durch die zuständige Bundesbehörde, meist das Bundesinstitut für Arzneimittel und Medizinprodukte. Für die Zulassung müssen die pharmazeutische Qualität des Arzneimittels, seine therapeutische Wirksamkeit und seine Freiheit von schädlichen Wirkungen, die über ein nach den Erkenntnissen der medizinischen Wissenschaft vertretbares Maß hinausgehen, nachgewiesen werden. Homöopathische Fertigarzneimittel (s. Kap. 1.8, S. 95) bedürfen allerdings nicht der Zulassung, sondern nur einer „Registrierung“, für die pharmazeutische Qualität und Freiheit von unvertretbaren Schadwirkungen genügen. Chemisch definierte Arzneistoffe werden weltweit mit einem von der WHO festgelegten Freinamen (= generic name = international non-proprietary name = INN) bezeichnet. Diese Freinamen sollten bei allen wissenschaftlichen Erörterungen benützt werden. Die pharmazeutischen Unternehmen prägen oft ®

gesetzlich geschützte Markennamen, meist durch (registered) gekennzeichnet. ®

So ist Dolantin der Markenname der Firma Hoechst für das Analgetikum, dessen Freiname Pethidin ist. Häufig kommen Arzneimittel, wenn der Patentschutz abgelaufen ist, unter ihrem Freinamen in den Handel, billiger als unter dem Markennamen des Erstvertreibers. Solche Arzneimittel nennt man Generika. Den Weg vom Pharmakon zur Fertigarznei rekapituliert Abb. 1.1.

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. Abb. 1.1 Vom Pharmakon zum Fertigarzneimittel.

1.1.3 Wechselwirkungen In zwei Richtungen gehen die Wechselwirkungen zwischen Stoffen und Lebewesen: ■

Die Wirkungen des Pharmakons auf das Lebewesen fasst man unter dem Begriff Pharmakodynamik zusammen.

■

Die Wirkungen des Lebewesens auf das Pharmakon fasst man unter dem Begriff Pharmakokinetik zusammen.

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3

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A.

3

Abb. 1.2 Pharmakokinetik und Pharmakodynamik: eine Ubersicht.

4

Damit ein Stoff zum Pharmakon wird, muss er mit einem Lebewesen in Kontakt treten, sei es, indem er auf die Körpergrenzflächen gelangt (z.B. beim Schlucken einer Tablette auf das Epithel des Magen-Darm-Kanals), sei es, indem er direkt ins Milieu intérieur gelangt (z.B. durch intramuskuläre Injektion). Man bezeichnet das In-Kontakt-Bringen von Pharmakon und Lebewesen als Applikation. Mit der Applikation beginnen Pharmakokinetik und Pharmakodynamik. Das Pharmakon tritt in der Regel in die Blutbahn ein: Resorption. Das Blut transportiert es in alle Gewebe: Verteilung. Dabei kann es sich in bestimmten Kompartimenten anreichern: Speicherung. Die Summe dieser Vorgänge, durch die das Pharmakon die ihm aufgrund seiner chemisch-physikalischen Eigenschaften zustehenden Räume im Körper erreicht, wird als Invasion bezeichnet (blau). Schon während der Invasion wird das Pharmakon auch wieder aus dem Körper beseitigt. Es kann unverändert ausgeschieden werden: Exkretion. Es kann chemisch verändert werden: Biotransformation. Die Summe der beiden Vorgänge wird als Elimination bezeichnet (hellblau). Durch alle diese Prozesse wirkt der Organismus auf das Pharmakon; sie alle gehören zur Pharmakokinetik (blau und hellblau; s. Kap. 1.4 und 1.5). Mit der Verteilung gelangt das Pharmakon an die Orte seiner Wirkung. In der Regel wirken Pharmaka, indem sie sich primär an spezifische Makromoleküle binden, die die Wirkung vermitteln. Wir nennen diese Makromoleküle Rezeptoren. So ist das Makromolekül „β2-Adrenozeptor“

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. der Rezeptor, der die bronchospasmolytische Wirkung des Salbutamols vermittelt; das Makromolekül „Hämoglobin“ ist der Rezeptor, der für die Giftwirkung des Kohlenmonoxids verantwortlich ist. Manchmal wirken Pharmaka auch nicht über Rezeptoren. So löst Mannit Diurese nicht durch Bindung an spezifische Makromoleküle aus, sondern indem es als polarer, tubulär nicht rückresorbierbarer Stoff im Tubuluslumen osmotisch Wasser festhält; konzentrierte Salzsäure zerstört das Gewebe durch unspezifische Denaturierung von Proteinen. Durch alle diese Prozesse wirkt das Pharmakon auf den Organismus; sie alle gehören zur Pharmakodynamik (rot; s. Kap. 1.2). Schon Rudolf Buchheim, der die Pharmakologie zu einem selbständigen Fach machte (s. Kap. 1.1.4), hat diesen Doppelaspekt erkannt und in dem brillanten Satz formuliert, der das Motto des Kapitels bildet. Abbildung 1.2 zeigt den Doppelaspekt etwas konkreter und gibt eine Vorschau darauf, was in den nächsten Abschnitten des Kapitels Allgemeine Pharmakologie an Pharmakodynamik und Pharmakokinetik besprochen wird.

1.1.4 Perspektiven Die Pharmakologie im heutigen Sinne entstand im 19. Jahrhundert parallel zur Physiologie, physiologischen Chemie und Pathologie. Zum ersten Mal wollte man die Wechselwirkungen von Stoffen und Lebewesen als Ursachen-Wirkungs-Ketten verstehen und das Verstehen dem Menschen nutzbar machen. Pioniere waren Friedrich Wilhelm Sertürner (1783 bis 1841), der in Paderborn und Einbeck aus dem Opium das Morphin isolierte und als den wirksamen Bestandteil erkannte, und François Magendie (1783 bis 1855), der in Paris nachwies, dass die Angriffspunkte des Strychnins im Rückenmark liegen und dass Strychnin auf dem Blutweg dorthin gelangt. Sertürner war aber Apotheker und Magendie Physiologe. Eigentlicher Gründer der Pharmakologie als eines selbständigen Faches war Rudolf Buchheim (1820 bis 1879). Er richtete in Dorpat in Estland, dem heutigen Tartu, der Welt erstes Pharmakologisches Institut ein. Sein bedeutendster Doktorand war Oswald Schmiedeberg (1838 bis 1921), der später 46 Jahre lang, von 1872 bis 1918, das Pharmakologische Institut der Universität Straßburg leitete. Er isolierte das Muscarin aus dem Fliegenpilz und beobachtete die Ähnlichkeit seiner Herzwirkung mit der Wirkung des Nervus vagus, isolierte das Digitoxin aus dem Fingerhut und

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. entdeckte die Glucuronsäure und ihre Rolle als Kopplungspartner für Pharmaka. Schmiedeberg und der Internist Naunyn gründeten 1873 die erste, noch heute gedeihende pharmakologische Fachzeitschrift, das Archiv für experimentelle Pathologie und Pharmakologie, heute Naunyn-Schmiedeberg's Archives of Pharmacology. Mit Schmiedebergs etwa 120 Schülern aus 20 Ländern strahlte die Pharmakologie weltweit aus. Die Pharmakologie hat mitgeholfen, unser Leben zu verlängern und freier von Schmerz und anderen Krankheitssymptomen zu machen. Von 1900 bis 1999 nahm die Lebenserwartung bei Frauen in Deutschland um 31 und bei Männern um 28 Jahre zu, bei weitem nicht nur, aber doch auch dank der Pharmakologie. Konkretes beeindruckt oft mehr als Zahlen. So sei in willkürlicher Auswahl daran erinnert, dass die Pharmakologie und Toxikologie, hätte sie damals schon auf dem Stand von heute existiert, länger hätte leben lassen: ■

die vielen Menschen der Antike, die an Bleivergiftung zu Grunde gingen, weil Blei bei der Nahrungsmittelbereitung und für Wasserleitungen verwendet wurde;

■

die vielen Menschen, die sich im Mittelalter mit Mutterkorn-haltigem Getreide vergifteten;

■

Kaiser Heinrich VII., der 1313 der Malaria zum Opfer fiel;

■

Johann Wolfgang Goethes vier als Kinder verstorbene Geschwister (nur er und seine Schwester Cornelia erreichten das Erwachsenenalter);

■

Jane Austen, die 1817 an der Addison'schen Krankheit starb (und wahrscheinlich wie kaum ein Schriftsteller sonst anderen Menschen Freude bereitet hat);

■

Franz Schubert, den 1828 der Typhus hinwegraffte (wenn diese und die vorangehenden Paläo-Diagnosen stimmen);

■

Franz Kafka, der 1923 der Tuberkulose erlag;

■

Franklin Delano Roosevelt, der 1945 nach chronischem Bluthochdruck eine tödliche Hirnblutung erlitt.

4 5

Es sei daran erinnert, dass es ohne das pharmakologische Adjuvans der Narkose und Lokalanästhesie keine nennenswerte Chirurgie gäbe.

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. Ist das Ziel der ärztlichen Kunst ein langes, gesundes oder doch von Krankheit möglichst freies Leben, dann gibt es für die Pharmakologie noch viele ungelöste Probleme. Die Medizin sucht dringend neue Medikamente z.B. für: ■

die Infektionskrankheiten Malaria, chronische Hepatitis B und C, die HIV-Infektion, die Tuberkulose;

■

Malignome;

■

die Arteriosklerose (koronare Herzkrankheit, periphere arterielle Verschlusskrankheit, Cerebralsklerose);

■

Immunopathien einschließlich der Abstoßungsreaktionen nach allogenen Transplantationen;

■

chronisch-entzündliche Darmerkrankungen;

■

metabolische Krankheiten;

■

die neurodegenerativen Erkrankungen;

■

psychiatrische Krankheiten einschließlich der Suchtkrankheiten.

Neue Wege der Arzneistoffsuche, neue Wege der pharmazeutischen Produktion und neue Therapieansätze wie die somatische Gentherapie mögen helfen, einige Ziele zu erreichen. Die Angehörigen der Heilberufe können sich darüber freuen, dass es heute zahlreiche in kritisch-empirischer Prüfung für wirksam befundene Arzneistoffe gibt. Sie sollten andererseits wachsam beobachten, im Jahr 2004 mehr denn je, in welche Richtung sich die Entwicklung und die Anwendung von Arzneistoffen bewegen. Sie sollten ihr Teil dazu beitragen, dass Arzneien Arzneien bleiben und nicht von Ignoranz, Hybris oder Menschenverachtung missbraucht werden. Dass solches Engagement nötig ist, sei durch zwei Gedanken belegt. Der erste ist allgemeiner Art. Oben wurden zwei Teilziele ärztlicher Kunst genannt: das „lange“ und das „gesunde oder doch von Krankheitsleid möglichst freie“ Leben. Diese beiden Teilziele können in Konflikt geraten. Je länger das Leben, umso wahrscheinlicher das Siechtum. Die Angehörigen der Heilberufe werden sich mehr und mehr fragen müssen, ob nicht das zweite Teilziel, das

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. gesündere Leben, höheren Rang hat als das erste, das längere, das verlängerte Leben. Der zweite Gedanke ist spezieller Art. Die Pharmakologie, so erfolgreich im Vorbeugen, Lindern und Heilen, eröffnet auch Möglichkeiten der Manipulation von Menschen, Tieren und Pflanzen in einem Sinne, der unserer Humanität zuwiderläuft. Eine hohe Laufgeschwindigkeit, durch Aktivierung von Testosteron- und Erythropoetin-Rezeptoren erreicht, ist nicht eine sportliche Leistung, sondern deren Parodie (s. S. 208). Befriedigungen, durch pharmakokinetisch geschickte Blockade des neuronalen Dopamin-Transporters hervorgerufen, sind nicht Freude oder Glück, sondern deren Perversion (s. S. 199). Breit, tief und fragwürdig greift in unser Leben jene Pharmakologie ein, die die Sexualität umgibt, stimulierend, vollzugsfördernd, konzeptionsverhindernd und am Ende oft tötend. Als dies geschrieben wurde, war gerade der Progesteronrezeptor-Antagonist Mifepriston in Deutschland zum Schwangerschaftsabbruch zugelassen worden, eine Chemikalie, ohne Zweifel geistreich ersonnen und vieltausendfach tierexperimentell erprobt. Aber sie dient in aller Regel nicht der Vorbeugung, Heilung oder Linderung einer Krankheit, sondern der Tötung eines Embryos, und ihre Zulassung ist mit dem Arzneimittelgesetz nicht redlich und reinlich in Einklang zu bringen (s. Fußnote S. 3). Der Geist der Medicin ist leicht zu fassen; Ihr durchstudirt die groß' und kleine Welt Um es am Ende gehn zu lassen, Wie's Gott gefällt. Gewiss geht es am Ende so, wie es Gott gefällt. Jedoch hat es dem gefallen, die Menschen bemerkenswerte Pharmaka finden zu lassen, einige schlimm missbrauchbar, viele aber wirksame und nebenwirkungsarme Arzneistoffe, höchst hilfreich bei bestimmungsgemäßem Gebrauch, uns viel Leid ersparend im Vergleich mit der Zeit vor etwas über 225 Jahren, als Goethe die Verse schrieb.

1.2 Wirkungen von Pharmaka auf den Organismus: allgemeine Pharmakodynamik F. HOFMANN, MÜNCHEN Unter dem Begriff Pharmakodynamik werden die Wirkungen von Pharmaka auf den Organismus und ihre Wirkungsmechanismen zusammengefasst. Pharmaka können sowohl auf den menschlichen Organismus als auch auf Fremdorganismen wie Bakterien, Viren, Pilze und Protozoen sowie Würmer und andere Parasiten

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. wirken. Unabhängig vom Wirkort – menschlicher Organismus oder Fremdorganismus – beruhen Arzneimittelwirkungen auf den Gesetzen der Chemie und Physik, wobei die meisten Wirkungen rezeptorvermittelt sind.

1.2.1 Rezeptorvermittelte und nicht-rezeptorvermittelte Pharmakawirkungen Das klassische Rezeptorkonzept geht auf Paul Ehrlich (1854 bis 1915) und John Newport Langley (1852 bis 1926) zurück. Langley erklärte die Wirkung von Nicotin und Curare auf die quer gestreifte Muskulatur mit ihrer Bindung an eine „receptive substance“, die später als der Nicotinrezeptor der Muskelendplatte identifiziert wurde (s. S. 156, Kap. 3.3). Paul Ehrlich erklärte die Wirkung bakterieller Toxine auf Zellen mit einer Bindung an die „Seitenketten“ physiologisch wichtiger Moleküle. Später postulierte er für Arzneistoffe eine Bindung an „Chemorezeptoren“ und prägte 1913 den Satz „Corpora non agunt nisi fixata“, „Substanzen wirken nicht, es sei denn, sie sind gebunden“. Pharmakarezeptoren im weitesten Sinne können Enzyme, Hormon-, Neurotransmitter-, Wachstumsfaktor- und Cytokinrezeptoren, Transkriptionsfaktoren, liganden- und spannungsgesteuerte Ionenkanäle, Transporter, Strukturproteine, Lipide, mRNA und DNA sein. Tabelle 1.1 gibt einen Überblick. Die Mehrzahl der in Tab. 1.1 aufgeführten Pharmaka wirkt durch Bindung an ein spezifisches Protein und beeinflusst dadurch eine physiologische Funktion (rezeptorvermittelte Pharmakonwirkungen). Häufig wird der Begriff „Rezeptor“ jedoch einschränkend benutzt und umfasst dann nur membranständige und cytosolische Hormon-, Neurotransmitter-, Wachstumsfaktor- und Cytokinrezeptoren. Einige nicht-rezeptorvermittelte Pharmakonwirkungen sind ebenfalls in Tab. 1.1 aufgeführt.

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. Tabelle 1.1 Rezeptorvermittelte und nicht-rezeptorvermittelte Pharmakawirkungen: eine Auswahl

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Tabelle 1.1 Rezeptorvermittelte und nicht-rezeptorvermittelte Pharmakawirkungen: eine Auswahl (Fortsetzung)

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Die klassische Unterscheidung der Pharmakonwirkungen in nicht-rezeptorvermittelt und rezeptorvermittelt lässt sich bei neueren Arzneistoffen und mit zunehmender Kenntnis der molekularen Grundlagen der Wirkung häufig nicht mehr ohne weiteres anwenden. Virustatika wie Aciclovir, mRNA-Antisense-Pharmaka, Plasmide mit der cDNA für eine Proteinsequenz (Gentherapie), Enzyme (z.B. die Proteasen der Botulinus-Neurotoxine oder der

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Gewebeplasminogenaktivator) oder humanisierte Antikörper lassen sich nur schwer einer der beiden Kategorien zuordnen, obwohl diese Arzneistoffe nach Aufnahme in den Organismus an ein Protein („Rezeptor“) binden. Im Gegensatz zum klassischen Modell der rezeptorvermittelten Pharmakonwirkung wird aber durch diese Bindung keine direkte Pharmakonwirkung ausgelöst. Dafür zwei Beispiele: Bei Aciclovir führt die durch mehrere Enzyme katalysierte

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. Phosphorylierung des aufgenommenen Arzneistoffs Acycloguanosin (Aciclovir) zu Acycloguanosintriphosphat. Erst Acycloguanosintriphosphat ist der eigentliche Wirkstoff, weil es eine hohe Affinität zur viralen DNA-Polymerase hat und zum Kettenabbruch der viralen DNA führt. Die Virusspezifität von Acycloguanosin beruht auf dem Vorkommen von viraler Thymidinkinase, die den ersten Schritt zum Acycloguanosinmonophosphat katalysiert, und auf der hohen Affinität der viralen DNA-Polymerase für das Endprodukt Acycloguanosintriphosphat. Ähnlich kompliziert sind die Reaktionswege auch bei manchen älteren Pharmakonwirkungen. Die cholesterinsenkenden Statine hemmen die HMG-CoA-Reduktase, das Schlüsselenzym der Cholesterinbiosynthese (Tab. 1.1). Die cholesterinsenkende Wirkung kommt indirekt zu Stande, da die Verarmung an Cholesterin in der Leber zu vermehrter Synthese von LDL-Rezeptoren und dadurch erhöhter zellulärer Aufnahme von LDL-Cholesterin aus dem Blutplasma führt. In beiden Beispielen ist eine unmittelbare rezeptorvermittelte Pharmakonwirkung nicht vorhanden. Das Gemeinsame der beiden Pharmaka im Beispiel ist, dass sie spezifisch mit einem und nicht mit mehreren biologischen Molekülen reagieren. Nicht selten sind die therapeutisch zugeführten Substanzen nicht die eigentlichen Wirkstoffe (s.o. Aciclovir), sondern Vorstufen (Prodrugs), die erst im Körper zu den Wirkstoffen aktiviert werden. So sind mit Ausnahme von Captopril und Lisinopril (Tab. 1.1) alle anderen Angiotensin-Conversions-Enzymhemmstoffe (ACE-Inhibitoren) Prodrugs, die erst in der Leber durch Esterasen zu den aktiven Carbonsäuren metabolisiert werden. Die Unterscheidung der „aktivierenden Enzyme“ von den arzneistoffmetabolisierenden Enzymen ist fließend, da auch durch die Cytochrom P450 enthaltenden Enzyme, die klassischen arzneistoffmetabolisierenden Enzyme, pharmakologisch wirksame Metaboliten entstehen können.

1.2.2 Kinetik der Pharmakon-Rezeptor-Interaktion Die spezifische Bindung des Pharmakons an seinen Rezeptor ist die Voraussetzung der meisten Pharmakonwirkungen. Ihre mathematische Beschreibung beruht auf dem Massenwirkungsgesetz und auf den Vorstellungen von Leonar Michaelis und Maud Menten, die 1913 postulierten, dass ein Enzym (E) zunächst eine reversible Bindung mit dem Substrat (S) eingeht. Der gebildete Enzym-Substrat-Komplex (ES) wird katalytisch in den

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. Enzym-Metabolit-Komplex (EM) umgewandelt und zerfällt dann in das freie Enzym und das Reaktionsprodukt M: E+S ⇌ ES ⇌ EM ⇌ E+M

(1)

Wie aus Tab. 1.1 hervorgeht, binden viele Pharmaka an Enzyme und hemmen die biologische Enzymreaktion als kompetitiver oder nicht-kompetitiver Antagonist. Für sie gelten die allgemeinen Regeln der Enzymkinetik.

Agonisten und Antagonisten Historisch gesehen wurde der Grundsatz der rezeptorvermittelten Pharmakonwirkungen an den durch membranständige Hormon- und Neurotransmitterrezeptoren vermittelten Wirkungen erarbeitet. Da diese Rezeptoren metabolisch inaktiv sind, beschränkte sich die formale Behandlung der Interaktion meist auf die bimolekulare Reaktion, R+ P

k− 1

(2)

RP ⇌ k +1

wobei k+1 und k−1 die Geschwindigkeitskonstanten für die Hin- und Rückreaktion sind. Die zu Grunde liegende Vorstellung war, dass der freie Rezeptor (R) selbst inaktiv ist und erst durch Bindung des Pharmakons in eine aktive Konformation (RP) überführt wird, die ein Signal weiterleitet. In den zurückliegenden Jahren hat sich aber gezeigt, dass das bimolekulare Modell die Rezeptor-Pharmakon-Interaktion nur unvollkommen beschreibt. Die genauere Analyse der Wirkungen von Neurotransmittern und Pharmaka an ligandenaktivierten Ionenkanälen und die Überexpression von membranständigen Rezeptoren, die an trimerische GTP-bindende Proteine (G-Proteine) koppeln, ergab, dass der freie, ungebundene Rezeptor in der *

Regel in zwei Konformationen, R und R , vorliegt (Abb. 1.3). Die R-Konformation des Rezeptors ist inaktiv, die R*-Konformation aktiv. Die Bindung des Pharmakons an den Rezeptor kann zwei verschiedene Reaktionen auslösen: 1. Bindung des Pharmakons an seinen Rezeptor aktiviert eine dem Rezeptor zugeordnete Funktion. Substanzen, die die Rezeptorfunktion aktivieren, werden als Agonisten bezeichnet. 2. Bindung des Pharmakons an seinen Rezeptor aktiviert eine dem Rezeptor zugeordnete Funktion nicht, blockiert aber die Bindung des

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. Agonisten und damit die Agonist-induzierte Wirkung. Substanzen mit diesen Eigenschaften werden als kompetitive Antagonisten bezeichnet. Im Beispiel der Abb. 1.3A wird angenommen, dass im Gleichgewicht 90% der Rezeptoren in der inaktiven Form R und 10% in der aktiven Form R* vorliegen. Der Antagonist (Blocker, B) bindet mit gleicher Affinität an die Rund R*-Konformation und verschiebt dadurch das Gleichgewicht zwischen inaktivem und aktivem Rezeptor nicht (Abb. 1.3B). Durch Bindung an R und R* verhindert er die Bindung des Agonisten. Der Agonist (A) bindet mit hoher Affinität an R* und mit niedriger Affinität an R (Abb. 1.3C). Dadurch wird das Gleichgewicht zu Gunsten der aktiven Rezeptorkonformation verschoben.

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Eine wesentliche Kennzahl eines Pharmakons ist demnach seine Affinität zum Rezeptor, die durch die Dissoziationskonstante KD bestimmt wird. Durch Umwandlung von Gleichung 2 ergibt sich aufgrund des Massenwirkungsgesetzes [ R]f ⋅ [ P]f [ RP]

k− 1

=k

+1

(3)

= KD

wobei [ ]f für die freie Konzentration steht. Der KD-Wert wird in mol/L oder M angegeben. Er kann in Membranfraktionen relativ einfach bestimmt werden und eignet sich für den Vergleich der Affinität mehrerer Pharmaka für einen Rezeptor. Für viele Arzneistoffe liegt er zwischen 0,1 und 1000 nM. Je kleiner der KD-Wert ist, desto höher ist die Affinität des Pharmakons zum Rezeptor. Gleichung 3 zeigt, dass dann, wenn die freie Konzentration des Pharmakons gleich KD ist, d.h. KD = [P]f, die Hälfte aller Rezeptoren mit Pharmakon besetzt, also [R]f = [RP], ist. Bei Anwesenheit mehrerer Liganden, z.B. eines exogenen Pharmakons und eines endogenen Neurotransmitters, bestimmen die individuellen KD-Werte die relative Sättigung des Rezeptors.

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. Abb. 1.3 Allosterisches Modell der Rezeptor-Pharmakon-Interaktion.

Links ist die relative Besetzung des inaktiven Rezeptors (R) und des aktiven Rezeptors (R*) (Teil A) durch einen Antagonisten (B für Blocker; Teil B), Agonisten (A; Teil C), partiellen Agonisten (pA; Teil D) und inversen Agonisten (iA; Teil E) dargestellt. Die Länge der Pfeile gibt die Größe der jeweiligen Geschwindigkeitskonstanten wieder. Umrandet und braun hinterlegt ist jeweils der Komplex (in A die Konformation), der (die) im Gleichgewicht überwiegt. In Teil D ist ein partieller Agonist mit der intrinsischen Aktivität 0,5 dargestellt. Rechts ist das relative Verhältnis des inaktiven und aktiven Rezeptors sowohl als Zahl als auch als Waage dargestellt.

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Partielle Agonisten Bei der Untersuchung von verschiedenen Pharmaka wurde beobachtet, dass es Substanzen gibt, die selbst in hohen Konzentrationen nur eine kleine Wirkung am Rezeptor auslösen, kleiner als die Wirkung (reiner) Agonisten. Man nennt sie partielle Agonisten (pA). Sie binden mit ähnlicher Affinität an R und R*, wobei aber die Affinität zu R* etwas höher ist als die zu R (Abb. 1.3D). Die relative Affinität zu R und R* bestimmt ihre intrinsische Aktivität (a), die ein Maß für ihre maximale Wirkungsstärke ist. Die Begriffe Effizienz oder efficacy werden synonym zu intrinsischer Aktivität gebraucht. Ist die intrinsische Aktivität a = 1, handelt es sich um einen (reinen) Agonisten, während Substanzen mit a = 0 an R und R* mit gleicher Affinität binden, keine eigene Wirkung hervorrufen und deswegen (reine) Antagonisten sind. Alle Substanzen, die einen a-Wert zwischen 0 und 1 haben, sind partielle Agonisten. Partielle Agonisten vermindern die Wirkung eines (reinen) Agonisten, da sie einen Teil der Rezeptoren in den inaktiven R-Zustand überführen. Die partiellen Agonisten werden deshalb auch als partielle Antagonisten bezeichnet. Partieller Agonismus spielt z.B. bei β-Adrenozeptoren eine Rolle (s. S. 196, Kap. 4.7).

Inverse Agonisten Substanzen, die das Gegenteil der üblichen Agonistenwirkung bewirken, nennt man inverse Agonisten. Der inverse Agonist (iA) bindet mit hoher Affinität an R und mit niedriger Affinität an R* (Abb. 1.3E) und schiebt dadurch das Gleichgewicht noch stärker als im Grundzustand (Abb. 1.3A) zur inaktiven Rezeptorkonformation. Gut charakterisiert ist die Wirkung von Agonist, inversem Agonist und Antagonist an der Benzodiazepin-Bindungsstelle des GABAA-Rezeptors, der ein durch GABA regulierter Chloridkanal ist (Tab. 1.1 und Abb. 14.3, S. 333). Das Benzodiazepin Diazepam ist ein Agonist an der Benzodiazepin-Bindungsstelle. Es bindet an die Benzodiazepin-Bindungsstelle, ohne den Kanal zu öffnen, erhöht aber die Bindung von GABA und dadurch die Offenwahrscheinlichkeit der Chloridkanäle und den GABA-regulierten Chloridstrom. Auf diesem allosterischen Mechanismus beruht die angstlösende Wirkung der Benzodiazepine. β-Carboline, z.B. Ethyl-β-Carbolin-3-Carboxylat (β-CCE), sind inverse Agonisten an der Benzodiazepin-Bindungsstelle des

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. GABAA-Rezeptors. Durch ihre Bindung vermindern sie die Bindung von GABA und dadurch die Offenwahrscheinlichkeit der Chloridkanäle und den GABA-regulierten Chloridstrom. Auf diese Weise wirken sie angstverstärkend. Sowohl die Wirkung des Agonisten Diazepam als auch die des inversen Agonisten β-CCE werden durch den reinen Antagonisten Flumazenil aufgehoben.

Rezeptorreserve Die bisherigen Ausführungen beschränkten sich auf die Beschreibung der Interaktion zwischen Rezeptor und Pharmakon. Dabei wurde vernachlässigt, dass der aktive Rezeptor (R* und PR*) zur Signalweiterleitung einen weiteren Partner, den Effektor (E), benötigt. Der Effektor hat eine hohe Affinität zur R*- bzw. PR*-Konformation und keine oder eine geringe Affinität zur R-Konformation des Rezeptors. Gleichung (4) gibt diesen Sachverhalt wieder: R

* *

*

*

+ E ⇌ R E sowie PR + E ⇌ PR E ; *

R E und PR E

→ → Wirkung

(4)

Aufgrund von Gleichung 4 sollte der Agonist (P) eine maximale Wirkung erreichen, wenn alle Rezeptormoleküle entweder als R* oder PR* vorliegen. Das setzt allerdings voraus, dass eine 1:1-Beziehung zwischen der Zahl der aktiven Rezeptoren (R* bzw. PR*) und der Stärke der Wirkung besteht. Diese Annahme gilt dann, wenn die Wirkung direkt eine Eigenschaft des Rezeptors ist, z.B. bei Enzymen. Dagegen ist die Annahme nur bedingt richtig bei Hormon- und Neurotransmitterrezeptoren der Plasmamembran, die an einen Effektor, z.B. ein G-Protein, koppeln. Einer großen Zahl von aktiven Rezeptoren (R* + PR*) steht in einigen Zellen nur eine kleine Zahl von G-Proteinen zur Verfügung, durch die die Agonistenwirkung vermittelt wird. Deshalb ist es möglich, dass die maximale Wirkung durch Koppelung nur eines kleinen Teils von (R* + PR*) an den Effektor erzielt wird. Die Rezeptoren, die nicht an der Koppelung beteiligt sind, werden als Rezeptorreserve bezeichnet. Die Rezeptorreserve kann 90% und mehr betragen. Da die Affinität des Agonisten für alle Rezeptoren R* gleich ist und nur R* und PR*-Komplexe Effektoren, d.h. G-Proteine, binden können, wird dann die maximale Wirkung des Pharmakons bereits erreicht, wenn nur 10% oder noch weniger der Rezeptoren als (R* + PR*) vorliegen.

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. Abbildung 1.4 zeigt, dass bei einer 90%igen Rezeptorreserve die Pharmakonkonzentration, die eine halbmaximale Wirkung auslöst (effective concentration, EC50), und die Konzentration, die die Hälfte der Rezeptoren besetzt (KD), 20fach auseinander liegen können (EC50 << KD). Klinisch-pathophysiologisch hat die Rezeptorreserve erhebliche Bedeutung, da durch Variation der Rezeptorreserve die Empfindlichkeit einer Zelle gegenüber einem Pharmakon erhöht oder erniedrigt wird.

Abb. 1.4 Beziehung zwischen Bindung (B) und Wirkung (W) einer Substanz A bei einer 90%igen Rezeptorreserve.

Kurve B zeigt die Bindung der Substanz A an einen Rezeptor nach Gleichung 3. Die Dissoziationskonstante (= KD) ist 1 μM. Kurve W gibt die Wirkung von A wieder, wenn die halbmaximale Wirkung bereits bei einer Besetzung von 5% der Rezeptoren erzielt wird (s.a. Gleichung 4). Der EC50-Wert (effective concentration, bei der 50% der Wirkung erreicht werden) ist 50 nM.

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Abb. 1.5 Konzentrations-Wirkungs-Beziehungen von zwei Agonisten A und B und einem Antagonisten C.

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Teil A: Konzentrations-Wirkungs-Beziehung für Substanz A und B. EC50, effective concentration, bei der 50% der Wirkung erreicht werden. Teil B: Inhibition der Wirkung von Substanz A durch Substanz C. IC50, inhibitory concentration, bei der 50% der Wirkung von Substanz A aufgehoben sind.

Konzentrations-Wirkungs-Beziehungen Konzentrations-Bindungs-Kurven wie in Abb. 1.4 sind die Grundlage, um die Wirksamkeit und den Wirkungsmechanismus eines Stoffes zu erarbeiten. Bindungskurven werden an gereinigten Proteinen, Enzymen und Membranbruchstücken bestimmt. Dabei ist bei derjenigen Konzentration des Agonisten oder Antagonisten, die KD entspricht, nach Gleichung 3 die Hälfte der Rezeptoren mit der Substanz A besetzt (Abb. 1.4). Bei der Wirkung auf komplexe biologische Systeme sind aber die Wirksamkeit und der Wirkungsmechanismus oft nicht direkt aus der Bindungskurve ableitbar. Für viele Arzneistoffe, z.B. für alle Pharmaka, die den Blutdruck beeinflussen, ergibt sich die biologische Wirkung erst in Konzentrations-Wirkungs-Kurven an isolierten Organen im Organbad oder im Versuch am intakten Tier. Die gefäßkontrahierende Wirkung einer Substanz (z.B. des α1-Adrenozeptor-Agonisten Phenylephrin) kann im

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. Organbad durch Messung der Kontraktion eines Blutgefäßes, z.B. eines Aortenstreifens, bestimmt werden. In Abb. 1.5A ist die Beziehung zwischen der Konzentration von zwei blutdrucksteigernden Substanzen A und B und deren Wirkung dargestellt. Zum Vergleich der Wirksamkeit wird die EC50 herangezogen. Sie ist für Substanz B 100-mal größer als für Substanz A. EC50-Werte können für alle Wirkstoffe angegeben werden, unabhängig davon, ob es sich um Agonisten oder Antagonisten handelt. Für Antagonisten wurde eine zweite Vergleichsgröße eingeführt, die inhibitory concentration, bei der 50% Hemmung erzielt wird (IC50). In Abb. 1.5B ist die Wirkung eines Antagonisten C dargestellt (in unserem Beispiel etwa Prazosin, ein α1-Adrenozeptor-Antagonist). Im Organbadversuch wird zunächst der Aortenstreifen durch Phenylephrin kontrahiert (100%ige Wirkung). Durch Zugabe von steigenden Konzentrationen des Antagonisten C wird die Kontraktion des Aortenstreifens vermindert, bis sie bei hohen Konzentrationen von C verschwunden ist. Die IC50-Werte können zum Vergleich der relativen Wirksamkeit von zwei Antagonisten dienen.

Kompetitive, nicht-kompetitive und funktionelle Antagonisten Oben wurde der kompetitive Antagonismus definiert, bei dem der Antagonist mit dem Agonisten um den gleichen Bindungsplatz am Rezeptor konkurriert. Zahlreiche Beispiele sind in Tab. 1.1 erwähnt. Nicht-kompetitive Antagonisten binden unabhängig von dem Agonisten-Bindungsplatz an den gleichen Rezeptor wie der Agonist und hemmen dadurch die Rezeptorfunktion. So blockieren manche Antagonisten am NMDA-Rezeptor, einem durch Glutamat aktivierten Kationenkanal, nicht den Glutamatbindungsplatz, sondern die Kanalpore; Beispiele sind Ketamin und Memantin (s. S. 279 und S. 311). Der in Abb. 1.5B dargestellte Versuch erlaubt keine Aussage darüber, ob die Hemmung der Wirkung von Substanz A auf einem kompetitiven oder einem nicht-kompetitiven Mechanismus beruht. Zur Unterscheidung wird das in Abb. 1.6 dargestellte Verfahren benutzt. Es wird eine komplette Konzentrations-Wirkungs-Beziehung für den Agonisten A in Abwesenheit der Antagonisten D oder E und in Anwesenheit steigender Konzentrationen von D oder E registriert. Ist D ein kompetitiver Antagonist zu A, so verschiebt er die Konzentrations-Wirkungs-Beziehung von A parallel zu

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. höheren Konzentrationen (Abb. 1.6A). Die EC50 steigt. In diesem Fall kann durch Steigerung der Konzentration des Agonisten A immer 100% der Wirkung erreicht werden. Anders verhält es sich bei dem nicht-kompetitiven Antagonisten E. In seiner Anwesenheit wird immer die maximale Wirkung des Agonisten vermindert, ohne dass sich die EC50 ändern muss (Abb. 1.6B).

Abb. 1.6 Kompetitiver und nicht-kompetitiver Antagonismus.

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Teil A: Substanz D, ein kompetitiver Antagonist, verschiebt die Konzentrations-Wirkungs-Beziehung für Substanz A parallel. Die Verschiebung hängt von der Konzentration von Substanz D ab. A+0, Konzentrations-Wirkungs-Kurve für den Agonisten A in Abwesenheit von D. A+1×D, A+10×D, A+100×D, Konzentrations-Wirkungs-Kurven für den Agonisten A in Anwesenheit des Antagonisten D in Konzentrationen von 1×KD, 10× KD und 100×KD. KD ist die Dissoziationskonstante des Antagonisten D. Teil B: Substanz E, ein nicht-kompetitiver Antagonist, vermindert die maximale Wirkung von Substanz A. A+0, Konzentrations-Wirkungs-Kurve für den Agonisten A in Abwesenheit von E. A+0,5×E, A+1×E, A+2×E, A+4×E, A+8×E, Konzentrations-Wirkungs-Kurven für den Agonisten A in Anwesenheit des Antagonisten E in Konzentrationen von 0,5×KD, 1× KD, 2×KD, 4×KD und 8×KD. KD ist die Dissoziationskonstante des Antagonisten E.

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. Kurvenänderungen wie in Abb. 1.6 sind aber nicht für kompetitiven bzw. nicht-kompetitiven Antagonismus beweisend. Eine parallele Rechtsverschiebung kann auch resultieren, wenn zwei Agonisten, die verschiedene Rezeptoren aktivieren, entgegengesetzte Wirkungen auslösen. Man spricht dann von funktionellem Antagonismus. Am Aortenstreifen wäre Adenosin, das über den Adenosin-A2-Rezeptor relaxierend wirkt, ein funktioneller Antagonist des über α1-Adrenozeptoren vasokonstriktorisch wirkenden Phenylephrins. Ein weiterer funktioneller Antagonismus besteht zwischen Phenylephrin und den Calciumkanalblockern (Amlodipin, Nifedipin). Für eine lang anhaltende Kontraktion eines Widerstandsgefäßes durch den α1-Adrenozeptor muss Calcium durch den LTyp-Calciumkanal in die glatte Muskelzelle einströmen. Die Calciumkanalblocker hemmen diesen Calciumkanal und bringen dadurch den Gefäßmuskel zur Erschlaffung, d.h., sie sind funktionelle Antagonisten von Phenylephrin.

Irreversible Wirkungen Die bisherigen Betrachtungen über die Kinetik der Pharmakon-Rezeptor-Interaktion gelten nur, sofern die Bindung an den Rezeptor reversibel ist, d.h., sofern das Pharmakon bei Abnahme seiner Konzentration vom Rezeptor dissoziiert (s. Gleichung 2 und 3). Für die große Mehrzahl der Arzneistoffe gilt in der Tat, dass sie sich reversibel an den jeweiligen Rezeptor binden. Manche Pharmaka verändern aber den Rezeptor durch Ausbildung einer kovalenten Bindung dauerhaft. Eine kovalente Bindung ist immer mit einer irreversiblen Bindung gleichzusetzen. So gibt es irreversible Antagonisten an Neurotransmitterrezeptoren, wie z.B. Phenoxybenzamin, das α-Adrenozeptoren irreversibel blockiert (s. S. 191). Die Organophosphate, z.B. die Nervengase Tabun und Sarin, sind irreversible Inhibitoren der Cholinesterase. Durch Hemmung der Cholinesterase steigt die Konzentration von Acetylcholin an der Muskelendplatte, in parasympathisch innervierten Organen und im Gehirn an und führt zur lang anhaltenden Aktivierung der Cholinozeptoren. Ähnliches gilt für die irreversiblen Monoaminoxidase-Hemmstoffe Selegilin und Tranylcypromin, die die Konzentration von Noradrenalin, Dopamin und Serotonin im Gehirn steigern (s. S. 200). Weitere irreversible Inhibitoren sind Allopurinol für die Xanthinoxidase und Acetylsalicylsäure für die Cyclooxygenase. Acetylsalicylsäure acetyliert ein Serin im katalytischen

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. Zentrum der Cyclooxygenase I und inaktiviert dadurch das Enzym. Im Unterschied zu den reversibel bindenden Arzneistoffen wird die Wirkung der irreversibel bindenden erst durch Neusynthese des Enzyms bzw. des Rezeptors aufgehoben.

1.2.3 Pharmakonwirkungen am Menschen Dosis-Wirkungs-Beziehung Vor dem allgemeinen therapeutischen Einsatz eines Arzneistoffs bei Patienten muss zweierlei nachgewiesen sein: seine Wirksamkeit und die Konzentration (Dosis), bei der die erwünschte Wirkung eintritt. Die im Organbad oder im Tierversuch bestimmte Konzentrations-Wirkungs-Beziehung kann nicht ohne eine weitere Prüfung auf den Menschen übertragen werden. Deswegen wird bei ausgewählten Patienten die Dosis-Wirkungs-Beziehung bestimmt. Bei Kenntnis der Resorption, der Verteilung in den verschiedenen Körperkompartimenten, der Elimination und des Wirkortes ließe sich die Konzentration eines Arzneistoffs am menschlichen Rezeptor errechnen. Nur in den wenigsten Fällen liegen aber genügende Angaben zu den einzelnen Parametern vor. Deswegen wird für jeden Arzneistoff die Beziehung zwischen der Wirkung, z.B. Steigerung des Blutdrucks, und der oral zugeführten Dosis untersucht. In Organbadversuchen kann die molare Konzentration für Pharmakon A angegeben werden. Diese Konzentrationsangabe ist bei In-vivo-Untersuchungen nicht möglich. Deswegen werden die Medikamentendosen in g/kg Körpergewicht (KG) angegeben. Dabei werden statt EC50 die Kürzel ED50, ED10, ED95 benutzt.

14 15

ED steht für Einzeldosis und der Index gibt die prozentuale Wirkung an. ED50 wäre also die Einzeldosis, bei der 50% der maximalen Wirkung erreicht werden. Im klinischen Gebrauch wird die Angabe der Medikamentendosierung in g/kg KG selten benutzt. In der onkologischen 2

Therapie und in der Kinderheilkunde wird meistens in g/m Körperoberfläche dosiert (s. S. 78). In der Erwachsenentherapie wird die Dosis für ein durchschnittliches Körpergewicht von 70 kg (g/70 kg KG) angegeben.

Toxizität und therapeutische Breite Mit dem bisherigen Wissen kann noch keine Therapie am Patienten mit einem neuen Medikament begonnen werden: Als wesentlicher Parameter fehlt noch eine Aussage dazu, bei welchen Dosen der Arzneistoff unerwünschte

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. Wirkungen auslöst. Zunächst werden hierzu Tierversuche herangezogen. Neben der akuten Toxizität ist die chronische Toxizität einer Substanz ein wesentlicher Parameter. Ziel der Untersuchungen zur akuten Toxizität ist die Ermittlung der Giftwirkung einer Substanz bei einmaliger Applikation relativ hoher Dosen. Dabei wird oft die Dosis geschätzt, bei der 50% der Tiere sterben (LD50, letale Dosis für 50% der Tiere). Dagegen ist das Versuchsziel bei der chronischen Toxizität, bei wiederholter Applikation relativ niedriger Dosen eines Wirkstoffes Nebenwirkungen auf verschiedene Merkmale wie Körpermasse, hämatologische und klinisch-chemische Parameter, Organmassen sowie die Histologie verschiedener Gewebe zu erheben. Hinzu kommen vor einer klinischen Prüfung die Reproduktionstoxizität, d.h. Teratogenitätsuntersuchungen, Mutagenitätsstudien, z.B. Ames-Test, und Kanzerogenitätsstudien (s.a. S. 973, Kap. 38.1). Die Versuchsmethodik der Kanzerogenitätsuntersuchungen ähnelt der zur Untersuchung der chronischen Toxizität. Der Wirkungsnachweis erfolgt hierbei durch den Vergleich mit der spontanen Tumorinzidenz in unbehandelten Kontrollgruppen und durch den Vergleich der Überlebenszeiten, d.h., die wesentlichen Endpunkte der Kanzerogenitätsstudien sind Tumorinzidenz und Mortalität. Diese Daten erlauben eine erste Abschätzung des Risikoprofils einer neuen Substanz. Wie oben ausgeführt, lassen sich am Tier Dosis-Wirkungs-Kurven mit einer Maximalwirkung, der ED50 und der LD50 bestimmen. Abbildung 1.7 zeigt für ein Pharmakon A die Dosis-Wirkungs-Beziehung sowohl für eine gewünschte Wirkung (ED) als auch für den Tod der Versuchstiere (LD). In dem gewählten Beispiel liegen die beiden Kurven nur um eine Zehnerpotenz auseinander, d.h., 50% der Tiere sterben bereits bei einer Dosis von A, die nur 10fach über der ED50 liegt. Eine therapeutisch wirksame Dosierung im Bereich zwischen ED75 und ED95 (braun schattierter Bereich in Abb. 1.7) würde zum Tod von 20 bis 70% der Tiere führen. Bei einer Dosierung im Bereich der ED50 wären immer noch in 10% Todesfälle zu erwarten. Übertragen wir diese Daten auf den Patienten, so bedeuten sie, dass die therapeutische Breite von A, quantifiziert als LD50/ED50, gering ist. Therapeutisch nutzbar wäre Substanz A nur, wenn durch Nichtbehandlung erheblich mehr Patienten stürben, z.B. bei einem malignen Tumor, als durch Gabe von A.

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. Abb. 1.7 Dosis-Wirkungs-Beziehungen für erwünschte und unerwünschte Wirkungen einer Substanz A.

ED: Einzeldosis, die bei 0 bis 100% der Versuchstiere zu einer erwünschten Wirkung führt. LD: Dosis, die bei 0 bis 100% der Versuchstiere zum Tod führt. Die Letalitätskurve (LD) ist nur um eine Zehnerpotenz von der Kurve der erwünschten Wirkung (ED) nach rechts verschoben. Der Bereich zwischen ED75 und ED95 ist rosa unterlegt. Die Verabreichung von Substanz A in diesem „therapeutischen“ Dosisbereich wäre wegen der unerwünschten Wirkungen zu gefährlich. Für die meisten Arzneistoffe ist nicht die Beziehung zwischen Dosis und Letalität wichtig, sondern die Beziehung zwischen der Dosis und dem Auftreten von erheblichen unerwünschten Wirkungen. Je nach Art der erheblichen unerwünschten Wirkung kann diese Beziehung am Tier oder nur am Patienten bestimmt werden. Zur Veranschaulichung: Ersetzt man in Abb. 1.7 die Letalitätskurve gedanklich durch eine Kurve für unerwünschte Wirkungen (wobei zu berücksichtigen ist, dass Tod als die unerwünschte Wirkung der Endpunkt vieler klinischer Studien ist), besagen die in Abb. 1.7 dargestellten Beziehungen, dass bei der ED50 bereits 10% der Tiere oder Patienten unter erheblichen unerwünschten Wirkungen leiden würden. Da die Dosis-Wirkungs-Beziehung für erwünschte und unerwünschte Wirkungen oft nicht parallel verlaufen, erlaubt der therapeutische Index, der

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. Quotient von LD5/ED95, eine bessere Abschätzung der Sicherheit einer Substanz. Je größer er ist, um so größer ist die therapeutische Breite eines Medikaments. Bezogen auf therapiebedingte Todesfälle liegt der therapeutische Index bei modernen Arzneistoffen bei mindestens 1000. Der therapeutische Index wird im Wesentlichen tierexperimentell bestimmt. Sein Vorhersagewert für den Menschen ist in den letzten Jahren erheblich zurückgegangen, da Medikamente, die schwere unerwünschte Wirkungen bewirken können, z.B. den Tod, selten in die Therapie eingeführt werden. Statt einer kompletten Dosis-unerwünschte-Wirkungs-Kurve wird gewöhnlich beim Patienten die Zahl der unerwünschten Wirkungen bei therapeutischer Dosis registriert. Sie liegt für leichte unerwünschte Wirkungen häufig bei 1% der behandelten Patienten und für schwere unerwünschte Wirkungen erheblich niedriger. Ermittelt werden diese Zahlen in klinischen Studien der Phasen III und IV. Dabei wird die Wahrscheinlichkeit des Auftretens von erwünschten und unerwünschten Wirkungen im Verhältnis zu einer Placebo-Therapie oder einer bereits eingeführten Therapie angegeben. Statistisch gesicherte Unterschiede auf dem 5%-Niveau erfordern eine große Zahl von Patienten (häufig bis zu 10000), die nur in multizentrischen Studien eingeschlossen werden können (s.a. S. 89f., Kap. 1.7).

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Biologische Determinanten der Arzneistoffwirkung Die meisten Systeme des Körpers unterliegen einem Tag-Nacht-Rhythmus. Der übergeordnete Zeitgeber ist im Nucleus suprachismaticus lokalisiert, der die endogene Uhr mit dem Tag-Nacht-Rhythmus abgleicht. Früher wurde die Gabe von Glucocorticoiden an den endogenen Sekretionsrhythmus angepasst, d.h., morgens wurden ⅔ der Tagesdosis verabreicht. Inzwischen ist dies aufgegeben worden, da ein über 24 Stunden möglichst gleichmäßiger Arzneistoffspiegel meist wichtiger ist als die Anpassung des Spiegels an den biologischen Rhythmus. Untersuchungen hierzu werden unter dem Begriff Chronopharmakologie zusammengefasst. Bei wiederholter Gabe eines Pharmakons kann die Wirkung allmählich abnehmen. Um eine gleich starke Wirkung zu erreichen, muss dann die Dosis fortlaufend erhöht werden. Man spricht von der Entwicklung einer Toleranz. Sie ist reversibel, denn nach einem einnahmefreien Intervall kehrt die ursprüngliche Empfindlichkeit zurück. Die Entstehung von Toleranz kann zwei Ursachen haben:

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. 1. Das Pharmakon induziert die verstärkte Neusynthese des inaktivierenden Enzyms und wird infolgedessen schneller eliminiert (pharmakokinetische Toleranz). Dieser Vorgang ist in der Pharmakotherapie von großer Bedeutung (s. S. 57f.). 2. Durch Einnahme des Pharmakons wird der Rezeptor, an den das Pharmakon bindet, oder der nachgeschaltete Reaktionsweg unempfindlicher (pharmakodynamische Toleranz). Auch diese Regulationsmöglichkeit wird bei vielen Arzneistoffen beobachtet. Sie ist besonders ausgeprägt bei der Morphintoleranz, kommt aber genauso bei der Behandlung mit positiv inotrop wirksamen Catecholaminen oder einem erhöhten Sympathikustonus vor. Grundlage ist meist eine Verminderung der Zahl oder Funktion der Rezeptoren (Desensitisierung). Die Mechanismen werden weiter unten besprochen (s. S. 24f.). Weiterhin ist zu berücksichtigen, dass Arzneistoffe nicht bei allen Menschen gleich wirken. Wirkungsbestimmend sind unter anderem Alter, Vorerkrankungen und individuelle Genpolymorphismen. Sie beeinflussen weniger die Pharmakodynamik als vielmehr vor allem die Pharmakokinetik. Ihre Bedeutung für Arzneistoffwirkung wird deshalb in den Pharmakokinetik-Abschnitten besprochen (s. S. 61).

1.2.4 Rezeptor-Signal-Transduktion Pharmaka greifen meist modulierend in die erst teilweise verstandenen, komplexen Signaltransduktionswege des Organismus und der Zelle ein. Diese Signalkaskaden kontrollieren Zellwachstum, Zellteilung, Metabolismus, die Sekretion von Enzymen, von Proteinen und von extrazellulären Signalmolekülen, Kontraktion, Zellmotilität, Membranerregbarkeit und am Ende auch Gedächtnis und Gefühle. Lipophile Pharmaka und Hormone wie Gluco- und Mineralocorticoide, Testosteron, Gestagene und Östrogene, Trijodthyronin, Calcitriol, Retinoide und Fettsäuremetaboliten, die die Plasmamembran ohne Carrier passieren, binden entweder im Cytosol oder im Kern an Transkriptionsfaktoren und regulieren die Expression spezifischer Gene (Abb. 1.8). Viele hydrophile Pharmaka und Hormone binden an G-Protein-gekoppelte, heptahelikale Rezeptoren der Plasmamembran, die durch Aktivierung eines G-Proteins einen Effektor aktivieren, der ein zweites intrazelluläres Signal, einen second messenger,

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. synthetisiert (Abb. 1.8). Intrazelluläre Signalmoleküle sind cAMP, cGMP, Diacylglycerol (DG), Inositol-1,4,5-trisphosphat (IP3) und Calcium (Abb. 1.9). Einige Neurotransmitter aktivieren ligandengesteuerte Ionenkanäle, die oft 2+

direkt oder indirekt die intrazelluläre Ca -Konzentration erhöhen (Abb. 1.8). Einen Sonderfall stellen die Guanylylcyclasen dar, die als cytosolische und membrangebundene Enzyme vorkommen. Die cytosolische Guanylylcyclase wird durch NO aktiviert, während die membrangebundenen Guanylylcyclasen durch Peptide wie atrionatriuretisches Peptid (ANP) aktiviert werden (Abb. 1.8 und im Einzelnen Abb. 1.10). Wachstumshormone, Neurotrophine (z.B. nerve growth factor = NGF) und Cytokine binden an einen Rezeptor-Signaltransduktionskomplex in der Plasmamembran, der aus einem extrazellulär gelegenen Rezeptorteil und einer intrazellulären Proteinkinase besteht. Zu diesen Rezeptorproteinkinasen zählen Rezeptortyrosinkinasen, Rezeptor-assoziierte Tyrosinkinasen und Rezeptor-Serin/Threoninkinasen (Abb. 1.11). Bindung des Agonisten führt zur Bildung von Rezeptordimeren oder tetrameren und dadurch zur Aktivierung der intrazellulären Proteinkinase. Der Insulinrezeptor, eine Rezeptortyrosinkinase, liegt bereits in Abwesenheit von Insulin als α2β2-Tetramer vor. Ein weitgehend gemeinsames Signalelement in allen intrazellulären Signalkaskaden sind Proteinkinasen, die durch die zweiten Signale aktiviert werden und Tyrosin, Serin oder Threonin in regulatorischen Proteinen 2+

phosphorylieren (Abb. 1.8). Ca aktiviert nicht nur Proteinkinasen, sondern auch die Proteinphosphatase Calcineurin. Calcineurin und andere Proteinphosphatasen dephosphorylieren die regulatorischen Proteine. Durch die reversible Phosphorylierung von Proteinen wird eine anpassungsfähige Steuerung zellulärer Funktionen erreicht. Zelluläre Funktionen werden sowohl direkt durch Änderung des Phosphorylierungsgrades von Regulatorproteinen gesteuert als auch indirekt durch Änderung des Phosphorylierungsgrades von Transkriptionsfaktoren, die die Expression spezifischer Gene regeln (Abb. 1.8).

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. Abb. 1.8 Rezeptorvermittelte Regulation zellulärer Funktionen: eine Übersicht.

Oben links Regulation durch einen G-Protein-gekoppelten Rezeptor mit Gαβγ, dem trimeren G-Protein-Komplex, Gα, der G-Protein-α-Unter-einheit, Gβγ, der G-Protein-βγ-Untereinheit, und RGS, den Regulatoren der G-Protein-Signaltransduktion. Oben rechts Regulation durch einen ligandengesteuerten Kationenkanal, dessen Öffnung die Membran depolarisiert; dadurch wird ein spannungsgesteuerter Calciumkanal geöffnet. Rechts Regulation durch NO, das die lösliche Guanylylcyclase, GCs, aktiviert. Links der Weg von einem Steroidrezeptor, SR, zum Zellkern.

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. Abb. 1.9 Fünf häufige intrazelluläre Signalmoleküle.

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Abb. 1.10 Synthese und Rezeptoren von cGMP.

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NO stimuliert die lösliche Guanylylcyclase (GCs), während atrio natriuretisches Peptid (ANP), brain-type natriuretisches Peptid (BNP), C-type natriuretisches Peptid (CNP) und Guanylin verschiedene partikuläre (membrangebundene) Guanylyl cyclasen (GCp) stimulieren. Funktionen von cGMP: 1. cGMP kann die Aktivität mehrerer cAMP hydrolysierender Phosphodiesterasen (PDE) regulieren und damit über die cAMP-Signalkaskade zelluläre Funktionen steuern. 2. In vielen Zellen wird durch cGMP die cGMP-abhängige Proteinkinase I oder II (cGMP-Kinase) aktiviert. Aktivierte cGMP-Kinase I senkt erhöhte Calciumspiegel im glatten Muskel. cGMP moduliert also unter anderem die Konzentration 2+

der intrazellulären Signale cAMP und Ca . 3. Im Riechsystem und in der Retina werden durch cGMP verschiedene cyclic nucleotide-gated (CNG) Kationenkanäle geöffnet. Mittels dieser CNG-Kanäle sehen Sie diese Abbildung. Im Folgenden werden die Grundzüge der Signalkaskaden, die den heptahelikalen Rezeptoren, Ionenkanälen und Rezeptorproteinkinasen nachgeschaltet sind, dargestellt. Diese allgemeine Darstellung kann nur bedingt auf die verschiedenen Organsysteme übertragen werden, da die Organe für ihre unterschiedlichen Aufgaben abgewandelte, spezialisierte Signalkaskaden entwickelt haben. Nicht alle Signaltransduktionswege sind in jeder Zelle aktiv. Pharmaka, die an einen Rezeptor binden, können aufgrund der vielfältigen Kombinationsmöglichkeiten in jeder Zelle eine andere Antwort

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. auslösen. Deswegen müssen die hier dargestellten Prinzipien durch die in den späteren Kapiteln des Buches beschriebenen Wirkmechanismen der verschiedenen Pharmakagruppen ergänzt werden.

Signaltransduktion durch heptahelikale Rezeptoren Die Genfamilie der heptahelikalen Rezeptoren hat weit über 500 Mitglieder. Bei Nichtvertebraten sollen 5% aller Gene für heptahelikale Rezeptoren codieren. Strukturell gemeinsam ist ihnen, dass sie sieben transmembranäre α-Helices haben und dass der Aminoterminus extrazellulär und der Carboxyterminus intrazellulär liegt. Den charakteristischen sieben Transmembranhelices verdanken sie ihren Namen. Kleine, teilweise hydrophobe Liganden binden meist innerhalb der Lipidschicht in einer Tasche, die durch die Transmembranhelices gebildet wird. Stark hydrophile Liganden wie Glutamat und Peptidhormone binden an den extrazellulären Teil. Heptahelikale Rezeptoren koppeln auf der Innenseite der Plasmamembran an trimerische GTP-hydrolysierende Proteine, kurz G-Proteine genannt (Abb. 1.8). Sie werden deshalb auch als G-Protein-gekoppelte Rezeptoren bezeichnet. G-Proteine bestehen aus drei Untereinheiten, einer α-Untereinheit, die GTP bindet und zu GDP hydrolysiert, und der β- und γ-Untereinheit. Im inaktiven Zustand hat der trimere Komplex GDP gebunden. Nach Bindung eines Agonisten beschleunigt der Rezeptor den Austausch von GDP durch GTP an der α-Untereinheit im Gαβγ-Komplex. Nach dem Austausch von GDP durch GTP dissoziiert der Gαβγ-GTP-Komplex in die Gα-GTP- und die Gβγ-Untereinheit, die jeweils unabhängig verschiedene membranständige Effektoren aktivieren (Abb. 1.8). Durch die GTPase-Aktivität der Gα-Untereinheit wird GTP zu GDP hydrolysiert. Die Gβγ-Untereinheit reassoziiert dann mit Gα-GDP und inaktiviert damit die Signaltransduktion. Die Hydrolyse von GTP kann beschleunigt werden durch eine Familie von Proteinen, die als Regulatoren der G-Protein-Signaltransduktion (RGS) bezeichnet werden (Abb. 1.8). Die G-Proteine sind also Relaismoleküle, die durch ihre Gα- und Gβγ-Untereinheiten eine Information auf getrennte Effektoren übertragen. Der Übertragungsvorgang inaktiviert sich innerhalb von wenigen Sekunden durch die Hydrolyse des GTP von selbst.

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Zellen besitzen in aller Regel nicht nur mehrere verschiedene heptahelikale Rezeptoren, die G-Proteine aktivieren, sondern auch mehrere verschiedene trimerische G-Proteine. Sie werden nach ihren α-Unter-einheiten in Klassen eingeteilt. Aktivierung von G-Proteinen reguliert die Aktivität verschiedener

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. Effektoren, z.B. Phosphodiesterase 6, Adenylylcyclasen, die Phospholipasen A2, C und D, rezeptorregulierte Kaliumkanäle, neuronale Calciumkanäle, Phosphatidylinositol-3-Kinase und das monomerische (kleine) G-Protein Rho. Abbildung 1.12 gibt einen Überblick.

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. Abb. 1.11 Signalumwandlung an Rezeptorproteinkinasen.

Teil A, Rezeptortyrosinkinase: Die Bindung eines Liganden, z.B. epidermal growth factor (EGF), führt zur Rezeptordimerbildung, Aktivierung der Rezeptorkinase und Phosphorylierung von Tyrosinen des Rezeptors selbst und anderer Substrate. Hier sind also Rezeptor und Proteinkinase dasselbe Protein. Teil B, Rezeptor-assoziierte Tyrosinkinase: Die Bindung eines Liganden, z.B. Erythropoetin, führt zur Rezeptordimerbildung, Assoziierung und Aktivierung einer vom Rezeptor verschiedenen Tyrosinkinase und Phosphorylierung von Tyrosinen des Rezeptors selbst und anderer Substrate. Hier sind also Rezeptor und Proteinkinase separate Proteine. Teil C, Rezeptor-Serin/Threoninkinase: Die Bindung eines Liganden, z.B. transforming growth factor β (TGFβ), führt zur Rezeptortetramerbildung, Aktivierung der Rezeptorkinase und Phosphorylierung von Serinen des Rezeptors selbst und anderer Substrate. Hier sind also wie in A Rezeptor und Proteinkinase dasselbe Protein.

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Abb. 1.12 Regulation zellulärer Funktionen durch G-Proteine.

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Aktivierung von Rhodopsin oder einem heptahelikalen Rezeptor führt zur Dissoziation eines spezifischen G-Proteins in seine Gα- und Gβγ-Untereinheit. Hierdurch werden zahlreiche zellspezifische Signalkaskaden gesteuert, die sich im Bild von oben nach unten verfolgen lassen. G-Proteine: Gt, Transducin; Golf, olfaktorisches G-Protein; Gs, stimulierendes G-Protein; Gi/Go inhibitorisches und anderes (other) G-Protein. Gi und Go sind verschiedene G-Proteine, die aber meist den gleichen Effektor stimulieren; dasselbe gilt für Gq und G11 und für G12 und 13. Effektoren: PDE 6, +

Phosphodiesterase-Isoenzym 6; AC, Adenylylcyclase; K -Kanäle, +

2+

G-Protein-regulierte K -Kanäle; nCa -Kanäle, neuronale spannungsgesteuerte Calciumkanäle; PI3K, Phosphatidylinositol-3-Kinase; PLCβ1–4, Phospholipase-C-Isoenzyme. Second messenger: cGMP, Guanosin-3',5'-monophosphat; cAMP, Adenosin-3',5'-monophosphat; DG, 1,2-Diacylglycerol; IP3, Inositol-1,4,5-trisphosphat. Nachgeschaltete Strukturen: CNG-Kanal, ein cyclic nucleotide-gated Kationenkanal; PI3,5P2, Phosphatidylinositol-3,5-phosphat; PDK1, phoshatidylinositol-dependent protein kinase 1; PKB, Protein kinase B; PKC, Protein kinase C; IP3-R, Rezeptor für IP3, ein IP3-gesteuerter intrazellulärer Calciumkanal.

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Gαt, auch Transducin genannt, ist essentiell für die Lichtwahrnehmung im Auge (Abb. 1.12). Gαt stimuliert die Phosphodiesterase (PDE 6), die in der Retina cGMP hydrolysiert. Dadurch kommt es zur Schließung des CNG-Kanals im Außensegment von Zapfen und Stäbchen. Die folgende Membranhyperpolarisation und die Abnahme der intrazellulären Kalziumkonzentration werden als elektrisches Signal weitergeleitet und verursachen schlussendlich in der Sehrinde die Wahrnehmung eines Bildes.

■

Gαolf stimuliert die Adenylylcyclase des Riechepithels. Das gebildete cAMP aktiviert im Riechepithel einen CNG-Kanal und führt zur Depolarisation der Riechzelle. Die Weiterleitung des Signals in den Bulbus olfactorius führt zur Geruchswahrnehmung.

■

Gαs stimuliert die Adenylylcyclase ubiquitär und erhöht dadurch die cAMP-Konzentration. Mit Ausnahme des Seh- und Riechorgans wird durch cAMP eine cAMP-abhängige Proteinkinase aktiviert, die verschiedenste Proteine an Serin oder Threonin phosphoryliert und dadurch eine Konformationsänderung bzw. Aktivitätsänderung bewirkt.

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■

Gαi hemmt die Adenylylcyclase.

■

Dagegen hat die Gβγ-Untereinheit, die in vielen Zellen durch Aktivierung von Gi und Go freigesetzt wird, mehrere Partner wie + (ACh)-Kanäle),

acetylcholinregulierte Kaliumkanäle (K

neuronale

spannungsgesteuerte Calciumkanäle, die Phosphatidylinositol-3-Kinase (PI3K) und die Phospholipase-C(PLC) 3

-Isoenzyme β2 und β . Bindet Gβγ an PLCβ, so kommt es zur Hydrolyse von Phosphatidylinositol-4,5-phosphat(PIP2) zu Diacylglycerol (DG) und Inositol-1,4,5-trisphosphat (IP3). DG aktiviert verschiedene Isoenzyme der Proteinkinase C (PKC). IP3 setzt Calcium aus intrazellulären Speichern frei. Die Aktivierung der PI3K führt zur Phosphorylierung der Inositol-3-Hydroxylgruppe. Dabei entstehen verschieden stark phosphorylierte PI3-P Produkte, unter anderem PI3,5P2 und PI3,4,5P3. PI3,5P2 und PI3,4,5P3 sind membrangebundene Bindungspartner, an die die Phosphatidylinositol-abhängige Proteinkinase 1 (PDK1) und Proteinkinase B (PKB) binden. Durch

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. die Membranlokalisation wird PDK1 aktiviert. PDK1 phosphoryliert PKB, die dadurch und durch Phosphorylierung mittels einer weiteren Proteinkinase aktiviert wird. PKB reguliert multiple Zellfunktionen, unter anderem ist sie in die antiapoptotische Zellregulation eingebunden (Abb. 1.12). ■

Gαq und Gα11, die Gα-Untereinheiten der G-Proteine Gq und G11, aktivieren die Isoenzyme β1 und β4 der PLC, wodurch ebenfalls die Bildung von DG und IP3 mit nachgeschalteter Freisetzung von Calcium gesteigert wird (Abb. 1.12).

■

Dagegen aktivieren Gα12 und Gα13 das kleine GTP-bindende und -hydrolysierende Protein Rho. Hierbei kommt es wiederum zum Austausch von GDP durch GTP. Rho-GTP stimuliert die Rho-Kinase, die unter anderem in vielen Zellen bewirkt, dass die Myosinphosphatase phosphoryliert und inaktiviert wird. Dies führt zu einer verstärkten Phosphorylierung der leichten Kette des Myosins und zu einer erhöhten Kontraktilität des Cytoskeletts und des glatten Gefäßmuskels.

Abb. 1.13 Regulation zellulärer Funktionen durch Ionenkanäle.

Rechts die erregende Signalkaskade vom Nicotinrezeptor über spannungsabhängige Natrium- und Calciumkanäle und unter Umständen eine calciuminduzierte Calciumfreisetzung aus dem endobzw. sarcoplasmatischen Reticulum (ER/SR) zur Steuerung spezifischer Zellfunktionen. Links drei Hemmmechanismen, nämlich durch Kaliumkanäle, GABAA- bzw. Glycinrezeptor-Chloridkanäle und Gi/Go-gekoppelte Muscarinrezeptoren

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. Signaltransduktion durch ligandengesteuerte Ionenkanäle Ligandengesteuerte Ionenkanäle werden auch als ionotrope Rezeptoren bezeichnet. Ihre Öffnung und Schließung wird durch Bindung von Hormonen oder Neurotransmittern reguliert. Im Beispiel der Abb. 1.13 wird der Nicotinrezeptor durch Acetylcholin aktiviert, worauf Natrium in die Zelle einströmt. Der Anstieg der subplasmalemmalen Natriumkonzentration depolarisiert die Membran lokal und öffnet spannungsgesteuerte Natriumkanäle, die die Depolarisation entlang der gesamten Membran ausbreiten und dadurch spannungsgesteuerte Calciumkanäle öffnen. Durch den Einstrom von Calcium, und unter Umständen zusätzlich über eine calciuminduzierte Calciumfreisetzung aus dem endo- bzw. sarcoplasmatischen Reticulum, kommt es zum Anstieg der cytosolischen Calciumkonzentration. Das cytosolische Calcium wiederum bindet an calciumspezifische Rezeptoren wie Kalium- oder Chloridkanäle, Calmodulin, 2+

Troponin C oder Ca -ATPasen und führt über recht komplizierte Signaltransduktionswege zur Expression spezifischer Gene, zur Sekretion von Neurotransmittern, Hormonen und anderen Proteinen oder zur Kontraktion des Herz-, Skelett- und glatten Muskels.

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Abb. 1.14 Signalkaskaden von Rezeptorproteinkinasen zum Zellkern

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Die ersten Schritte wurden in Abb. 1.11 dargestellt. Ihnen schließen sich bis zur Steuerung der Expression wachstums- und differenzierungsspezifischer Gene die hier gezeigten Reaktionen an. Alle bestehen aus Kaskaden von Proteinkinasen, deren Aktivität durch Proteinphosphatasen gegengesteuert wird. Links: Rezeptortyrosinkinasen. Über Rezeptortyrosinkinasen wirken Insulin und Wachstumsfaktoren wie IGF1 (insulin-like growth factor 1), EGF (epidermal growth factor), VEGF (vascular endothelial growth factor), PDGF (platelet-derived growth factor), FGF (fibroblast growth factor), NGF (nerve growth factor) und BDNF (brain-derived nerve growth factor). Im intrazellulären Teil besitzt das Rezeptorprotein Tyrosinkinaseaktivität (s. Abb. 1.11). Bindung des Agonisten an den extrazellulären Teil führt zur Dimerisierung der monomeren Rezeptoren oder – beim tetrameren Insulinrezeptor – zur Änderung von dessen quaternärer Struktur. Hierdurch kommt es in einem autokatalytischen Prozess zur Phosphorylierung spezifischer Tyrosine des cytoplasmatischen Teils der Rezeptortyrosinkinasen. Die Phosphorylierung steigert einerseits die Tyrosinkinaseaktivität, andererseits wird durch sie eine hoch affine Bindungstasche für andere Signalproteine gebildet, die eine Phosphotyrosin-Erkennungsdomäne

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. besitzen, z.B. die Src-Homologie-2(SH2)-Domäne oder die Phosphotyrosinbindungs(PTB)-Domäne. Rezeptortyrosinkinasen koppeln an die Ras-Kaskade (von Ratten sarkomvirus). Durch Ras wird die Zellproliferation gesteuert. Bei etwa 30% der menschlichen Tumoren werden aktivierende Mutationen von Ras gefunden. Ras ist ein kleines Guaninnucleotid-bindendes Protein, das an die cytosolische Seite der Plasmamembran assoziiert ist. Seine biologische Aktivität wird durch den Austausch von GDP gegen GTP reguliert. Der Guaninnucleotid-Austauschfaktor Sos (son of sevenless, ein Ausdruck aus der Drosophila-Genetik) fördert diesen Austausch, wodurch aktives GTP-Ras gebildet wird. Ras wird deaktiviert durch Stimulation seiner GTPase-Aktivität, z.B. durch das GTPase-aktivierende Protein (GAP) Nf1 (Neurofibromin; Mutation dieses Gens führt zur Neurofibromatose von Recklinghausen), das die Hydrolyse von GTPRas zu inaktivem GDP-Ras beschleunigt. Die Aktivierung von Ras durch Rezeptortyrosinkinasen benötigt noch zwei Adapterproteine, SHC und Grb2, die mit ihren SH2-Domänen an verschiedene Phosphotyrosinbindungsplätze der aktivierten Rezeptortyrosinkinase binden. Im nächsten Schritt bindet GTP-Ras an den Aminoterminus der Serin/Threoninkinase Raf (Ras-activated factor). Hierdurch wird die im Carboxyterminus von Raf liegende Kinase aktiviert und Mek (MAP/Erk-phosphorylierende Kinase) phosphoryliert. Mek ist eine zweifach spezifische Proteinkinase, die Erk1/2 (extracellular receptor-stimulated kinase) an Threonin und Tyrosin phosphoryliert und dadurch aktiviert. Aktivierte Erks sind Serin-/Threoninkinasen, die weitere Proteinkinasen phosphorylieren können oder in den Zellkern wandern und dort Transkriptionsfaktoren, z.B. Elk-1, phosphorylieren. Durch Rezeptortyrosinkinasen werden auch PLCγ und PI3K aktiviert (s. Abb. 1.15). Mitte: Rezeptorassoziierte Tyrosinkinasen. Über rezeptorassoziierte Tyrosinkinasen wirken viele Cytokine wie Erythropoetin, G-CSF (Granulozyten-Colonie-stimulierender Faktor), Interferon β und γ, IL6 (Interleukin 6) und LIF (Leukämie-inhibierender Faktor). Bindung des Cytokins an den extrazellulären Teil führt entweder zum Homodimer der cytokinspezifischen Untereinheit oder (IL6, LIF) zu einem Heterodimer, bestehend aus der cytokinspezifischen Untereinheit und einer gemeinsamen Untereinheit GP130 (Glyko protein mit dem

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. Molekulargewicht 130 kD; so im Bild). Die intrazellulären Teile dieser Rezeptoren besitzen selbst keine Tyrosinkinase-Aktivität (s. Abb. 1.11). Rezeptorassoziierte Tyrosinkinasen koppeln an die Jak/Stat-Kaskade (von just another kinase und signal transduction and activation of transcription). Zwar ist der Rezeptor, wie gesagt, nicht selbst enzymatisch aktiv, nach seiner Homo- oder Heterodimerisierung lagert er aber die intrazelluläre Tyrosinkinase Jak an und aktiviert sie. Jak phosphoryliert dann den Rezeptor, an den phosphorylierten Rezeptor bindet Stat, und Stat wird schließlich seinerseits von Jak phosphoryliert. Das phosphorylierte Stat dimerisiert über SH2-Domänen mit einem zweiten Phospho-Stat. Der Komplex wandert in den Kern und stimuliert die Expression von Differenzierungsgenen. Rechts: Rezeptor-Serin-/Threoninkinasen. Über sie wirken andere Cytokine wie TGFβ (transforming growth factor β) und BMP2 (bone morphogenetic protein 2). Es gibt zwei Untereinheiten des Rezeptors, I und II. Beide besitzen eine intrazelluläre Serin-/ThreoninkinaseDomäne. Bindung des Agonisten an II führt zur Tetramerbildung (2· I + 2 · II) und zur Serinphosphorylierung und dadurch Aktivierung der Kinase von I (s. Abb. 1.11). Rezeptor-Serin-/Threoninkinasen koppeln an die Smad-Kaskade (Kunstname; das Wirbeltierhomolog für Sma [C. elegans] und Mad [Drosophila]). Die phosphorylierte Untereinheit I des Tetramers bindet und phosphoryliert das Signalprotein Smad1. Das phosphorylierte Smad1 oligomerisiert mit Smad4. Der Oligomer wandert in den Kern und aktiviert dort spezifische Gene. Die bisher beschriebene Signalkaskade würde keine optimale Regulation zellulärer Funktionen erlauben: Durch eine einmalige Erregung wird die Zellmembran depolarisiert, und die spannungsgesteuerten Natrium- und Calciumkanäle werden nach kurzer Öffnung inaktiviert. Die Zelle kann erst wieder erregt werden, wenn die Membranspannung zu negativen Potentialen zurückgekehrt ist. Bei negativem Membranpotential werden die Natrium- und Calciumkanäle in den geschlossenen Zustand überführt, von dem aus sie wieder geöffnet werden können. Eine Vielzahl von Regulationsmöglichkeiten dient dazu, die Membran zu repolarisieren. Neurotransmitter können die Membran nicht nur erregen, sondern auch weniger erregbar machen, indem sie Chloridkanäle aktivieren (GABAA-, Glycinrezeptor). Durch das

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einströmende Chlorid wird die Membran hyperpolarisiert und die Erregungsausbreitung gehemmt (Abb. 1.13). Die Öffnung von

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. Kaliumkanälen ist eine weitere wesentliche Steuerungsmöglichkeit (Abb. 1.13). Kaliumkanäle bilden eine sehr große Genfamilie. Einzelne Mitglieder 2+

werden durch das Membranpotential, durch Ca , durch die Gβγ-Untereinheit der G-Proteine (Abb. 1.12), durch das ATP/ADP-Verhältnis oder durch eine Kombination dieser Faktoren reguliert. Die durch Natrium bewirkte Depolarisation öffnet spannungsgesteuerte Kaliumkanäle direkt (Abb. 1.13). Der Anstieg der cytosolischen Calciumkonzentration öffnet calciumaktivierte Kaliumkanäle (Abb. 1.13). So wird die Membran repolarisiert, und die Natrium- und Calciumkanäle, die während der Depolarisation inaktiviert wurden, werden in die geschlossene Konformation überführt. Die geschlossenen Kanäle können durch erneute Depolarisation wieder geöffnet werden, d.h., durch die Repolarisation der Zellmembran ist die Zelle wieder erregbar geworden. Acetylcholin kann nicht nur durch Öffnung des Nicotinrezeptors erregend, sondern auch durch Aktivierung eines Muscarinrezeptors hemmend wirken (Abb. 1.13). Muscarinrezeptoren sind heptahelikale Rezeptoren. Bindung von Acetylcholin aktiviert Go- und Gi-Proteine und führt zur Freisetzung ihrer Gαund Gβγ-Untereinheiten. Die Gβγ-Untereinheiten binden an die + (ACh)-Kanäle

G-Protein-regulierten K

(s.o.) und öffnen sie. Durch die

folgende Hyperpolarisation der Membran werden spannungsabhängige Calciumkanäle geschlossen, der cytosolische Calciumspiegel sinkt durch die gleichzeitige Aufnahme von Calcium in die Speichervesikel, und die Aktivierung der Signalkaskade wird beendet.

Signaltransduktion durch Rezeptorproteinkinasen Eine Einteilung der Rezeptorproteinkinasen wurde bereits oben gegeben (s. Abb. 1.11). Eine wesentliche Funktion dieser Signaltransduktionswege ist die Regulation von Zellproliferation und Zelldifferenzierung, die durch die Transkription spezifischer Gene gesteuert werden. Es gibt mehrere intrazelluläre Kaskaden, die zwischen der Plasmamembran und dem Kern Signale übermitteln. Die Rezeptortyrosinkinasen bedienen sich der Ras-Kaskade, die rezeptorassoziierten Tyrosinkinasen der Jak/Stat-Kaskade und die Rezeptor-Serin-/Threoninkinasen der Smad-Kaskade (s. Abb. 1.14). Zwei weitere, in Abb. 1.14 nicht gezeigte Membran-Kern-Signalkaskaden werden durch NFκB und Caspasen vermittelt. Die Aktivierung von NFκB führt nach seiner Translokation in den Kern zur Expression von Genen, die bei Entzündungen aktiviert werden. Die Aktivierung von Caspasen durch so

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. genannte death-Liganden und -Rezeptoren löst den geregelten Zelltod (Apoptose) aus.

Interaktion von Signalkaskaden Bisher wurden in diesem Abschnitt die verschiedenen Signaltransduktionswege meist getrennt dargestellt. Eine solche Trennung gibt es in einer lebenden Zelle nicht. Die verschiedenen Signaltransduktionswege beeinflussen sich gegenseitig, wobei sie sich verstärken oder abschwächen können. Dieser Crosstalk ist für die Zelle notwendig, um die Information von verschiedenen extrazellulären Signalen zu einer adäquaten Zellantwort zu verarbeiten. Ein Beispiel war die Interaktion zwischen hemmenden Muscarin- und erregenden Nicotinrezeptoren (Abb. 1.13). Andererseits kann ein und derselbe Signalweg auch durch unterschiedliche Rezeptoren aktiviert werden. Dies soll am Beispiel des Stoffwechsels von Phosphatidylinositol und seiner Beeinflussung durch heptahelikale Rezeptoren einerseits und Rezeptortyrosinkinasen (RTK) andererseits erläutert werden (Abb. 1.15). Der Anteil von Phosphatidylinositol (PI), der Vorstufe für alle Phosphoinositole, an den Gesamtlipiden der Zellmembrane liegt bei unter 10%. Ungefähr 5% des PI ist Phosphatidylinositol-4,5-Phosphat (PIP2 oder PI4,5P2). Weniger als 0,25% aller Inositol enthaltenden Phospholipide sind in 3-Position des Inositolrings phosphoryliert. PIP2 wird durch Phospholipase C (PLC) zu DG und IP3 hydrolysiert (Abb. 1.15 links), während Phosphatidylinositol-3-Kinase (PI3K) durch Phosphorylierung in 3-Position zu Bildung von Phosphatidylinositol-3,4,5-phosphat (PI3,4,5P3) führt (Abb. 1.15 rechts; und auch zur Bildung von Phosphatidylinositol-3,5-phosphat [PI3,5P2] [s. Abb. 1.12 oben]). Sowohl PI3,5P2 als auch PI3,4,5P3 sind nur in minimalen Konzentrationen in der cytosolischen Seite der Plasmamembran vorhanden. Ihre Bedeutung liegt darin, dass sie die Anlagerung der Proteinkinase B (PKB) an die Membran und ihre Phosphorylierung durch phosphatidylinositol-dependent protein kinase 1 (PDK1) und eine weitere Proteinkinase ermöglichen. Die Phosphorylierung aktiviert die PKB, durch die zahlreiche wachstumsrelevante Prozesse reguliert werden. PIP2 ist also das Zielmolekül für die PLC und die PI3K. Diese beiden regulatorischen Enzyme, PLC und PI3K, kommen nun in mehreren Isoenzymformen vor, die jeweils durch heptahelikale

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. Rezeptoren/G-Proteine (Gβγ bzw. Gαq) und durch Rezeptortyrosinkinasen aktiviert werden können: Die Signalwege der heptahelikalen Rezeptoren und der Rezeptortyrosinkinasen konvergieren auf dieselben Ziele (Abb. 1.15). Die Ausstattung einer Zelle mit drei PLC-Isoenzymen (Gβγ-, Gαq- und RTK-reguliert) und mindestens zwei PI3K-Isoenzymen (Gβγ- und RTK-reguliert) variiert von Organ zu Organ. Nicht nur die zellspezifische Ausstattung mit diesen Isoenzymen, sondern auch das zellspezifische Vorkommen von Isoenzymen der nachgeordneten Signalkaskaden wie PKC (es gibt über zehn verschiedene Isoenzyme der PKC) ermöglicht, dass in verschiedenen Zellen durch die Aktivierung dieser zwei Enzymfamilien unterschiedliche Funktionen gesteuert werden.

23 24

Abb. 1.15 Rezeptor-Crosstalk: Regulation des Phosphatidylinositolstoffwechsels durch einerseits heptahelikale Rezeptoren und andererseits Rezeptortyrosinkinasen.

Die Isoenzyme der Phospholipase C (PLC) werden durch beide Rezeptortypen reguliert (links). Dasselbe gilt für die Isoenzyme der Phosphatidylinositol-3-Kinase (PI3K; rechts). Durch beide Rezeptortypen werden deshalb gleiche oder ähnliche intrazelluläre Signalkaskaden aktiviert. Phosphatidylinositol-3,4,5-trisphosphat (PI3,4,5P3) bleibt im inneren Teil der Membran und bindet dort PKB (Proteinkinase B), die dann von PDK (phosphatidylinositol-dependent protein kinase) phosphoryliert und aktiviert wird. PI4,5P2: Phosphatidylinositol-4,5-phosphat. Andere Abkürzungen s. Abb. 1.12.

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. Desensitisierung von heptahelikalen Rezeptoren Längere Aktivierung von heptahelikalen Rezeptoren führt regelmäßig zur Abnahme der Rezeptorantwort, d.h., der Rezeptormechanismus wird unempfindlich, er desensitisiert. Zahlreiche Mechanismen regeln auf verschiedenen Ebenen – Transkription, Translation oder Rezeptorproteinabbau – die Zahl der Rezeptoren und damit die Stärke der Antwort (Herauf- oder Herunterregelung, Up- oder Down-Regulation). Damit wird die Rezeptorkonzentration langfristig an den Bedarf des Organismus angepasst. Diese Anpassungregulation benötigt Stunden bis Tage. Zusätzlich gibt es drei weitere Regulationen, die innerhalb von Sekunden bis Minuten stattfinden. Beteiligt sind daran die durch ein zweites Signal (einen second messenger) regulierten Proteinkinasen (cAMP-Kinase, PKC; s. a. Abb. 1.8), die G-Protein-gekoppelten Rezeptor kinasen (GRK) und die Arrestine (Abb. 1.16). 1. Phosphorylierung des Rezeptors durch die zugehörige Effektorkinase. Als Beispiel dient der β2-Adrenozeptor. Die zugehörige Effektorkinase ist die cAMP-Kinase (PKA). Wenn sie aktiviert ist, phosphoryliert sie (außer anderen Zielproteinen) den β2-Adrenozeptor an einem Serin in der dritten cytoplasmatischen Schleife und im C-Terminus (Abb. 1.16). Durch diese Phosphorylierung wird die Konformation des Rezeptors so geändert, dass seine Interaktion mit dem Gs-Protein vermindert und die Interaktion mit Gi erhöht wird. Durch die Bindung von Gi wird die katalytische Aktivität der Adenylylcyclase gehemmt. Analoges gilt für Gq-gekoppelte Rezeptoren, die die PKC aktivieren: Die PKC phosphoryliert und inaktiviert Gq-gekoppelte Rezeptoren. In beiden Fällen werden durch die cAMP-Kinase bzw. die PKC alle Rezeptoren phosphoryliert, die den cAMP-Kinase- bzw. PKC-Signalweg aktivieren. Die Phosphorylierung durch die Effektorkinasen ermöglicht also sowohl eine homologe Desensitisierung als auch eine Kreuz- oder heterologe Desensitisierung von Rezeptoren. 2. Phosphorylierung des Rezeptors durch eine spezifische G-Protein-gekoppelte Rezeptorkinase (GRK). Dies ist der wesentliche Mechanismus, der zu einer schnellen, agonist- und

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. rezeptorspezifischen Desensitisierung von aktivierten heptahelikalen Rezeptoren führt. Er benötigt zwei Schritte (Abb. 1.16): a) An die R*- bzw. AR*-Konformation des Rezeptors (s. S. 10) bindet eine rezeptorspezifische GRK, im Falle des β2-Adrenozeptors β-AdrenozeptorKinase (= βARK), und phosphoryliert den Rezeptor. Die Phosphorylierung des β2-Adrenozeptors durch βARK erhöht seine Affinität für das cytoplasmatische Protein β-Arrestin 10- bis 30fach. b) Die Bindung von β-Arrestin verhindert sterisch die Bindung und Aktivierung von Gs. Der entscheidende Schritt dieser Regulation, die Aktivierung der GRK, erfolgt durch eine Interaktion des Enzyms mit Gβγ und PIP2. Ihrer Spezifität wegen vermitteln die GRKs nur eine homologe Desensitisierung. 3. Intrazelluläre Sequestrierung des Rezeptors. Dabei wird der Rezeptor durch Verlagerung ins Zellinnere der Wirkung des Agonisten entzogen (Abb. 1.16). Bei einigen, aber nicht allen Rezeptoren erfolgt die Sequestrierung nach der Bindung von β-Arrestin. β-Arrestin bindet auch an Clathrin, ein Membranprotein, das die Endocytose der Rezeptors fördert. Nach endocytotischer Aufnahme wird der Rezeptor-β-Arrestin-Komplex im sauren Milieu des Vesikels dephosphoryliert. Hierdurch dissoziieren β-Arrestin und der Ligand vom Rezeptor, und der Rezeptor kann in die Plasmamembran zurückkehren. Der wieder eingebaute Rezeptor besitzt die ursprüngliche Affinität für Agonist und G-Protein und kann nach Aktivierung durch einen Agonisten wieder eine normale Zellantwort auslösen.

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. Abb. 1.16 Modell der Desensitisierung eines heptahelikalen Rezeptors.

Als Beispiel wurde der β2-Adrenozeptor gewählt. ① Phosphorylierung durch die Effektorkinase des β2-Adrenozeptors, also die cAMP-Kinase (PKA). Durch die Phosphorylierung nimmt die Affinität des Rezeptors für Gs ab und die Affinität für das inhibitorische Gi zu. Gαi hemmt dann die Adenylylcyclase (Kreis am mittleren β2-Rezeptor). β-Arrestin ist nicht beteiligt. ② Phosphorylierung durch eine spezifische „G-Protein-gekoppelte Rezeptorkinase“ (GRK), die β-Adrenozeptor-Kinase. Diese Phosphorylierung (an anderen Stellen als durch die cAMP-Kinase) erhöht die Affinität zu β-Arrestin. ③ Intrazelluläre Sequestrierung. β-Arrestin bindet an Clathrin und führt dadurch zur Endocytose des Rezeptorkomplexes. Bei niedrigem pH im Vesikel wird der Rezeptor dephosphoryliert, resensitisiert und in die Plasmamembran reinkorporiert.

1.3 Medizinische Gentechnologie und Gentherapie U. FÖRSTERMANN, MAINZ, UND H. KLEINERT, MAINZ

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. …the whole business was like a child's toy that you could buy at the dime store, all built in this wonderful way that you could explain in Life magazine so that really a five-year-old can understand what's going on …This was the greatest surprise for everyone. Max Delbrück (1906–1981) über Genetik

1.3.1 Von der klassisch pharmakologischen Therapie über gentechnisch hergestellte Arzneistoffe zur Gentherapie Klassische Pharmaka (mit Ausnahme antimikrobieller Substanzen und Cytostatika) greifen im Wesentlichen an vier präexistenten Proteinstrukturen menschlicher Zellen an (s. Kap. 1.2.1): ■

an Rezeptoren für Hormone und Neurotransmitter (z.B. Antihypertensiva, Neuroleptika, Tranquillantien, Opiatanalgetika, Histamin-H2-Rezeptor-Antagonisten, Steroidhormone),

■

an Ionenkanälen (z.B. Lokalanästhetika, Calcium-Antagonisten, Antiepileptika),

■

an Transportern (z.B. Diuretika, Antidepressiva, Cocain) oder

■

an Enzymen (nicht-steroidale Analgetika/Antiphlogistika, Protonenpumpen-Inhibitoren, Herzglykoside, Statine).

Sind jedoch diese Proteine selbst defekt oder fehlen sie gar, so ist mit klassischen Pharmaka kein therapeutisches Ergebnis erzielbar. Hier haben in den letzten drei Jahrzehnten die Fortschritte der Molekularbiologie und Gentechnologie die Behandlungsmöglichkeiten der Medizin deutlich erweitert. So werden heute nicht nur zahlreiche Arzneistoffe gentechnisch hergestellt, die moderne Gentechnologie erlaubt es auch, defekte Gene im Organismus zu ersetzen oder unerwünschte Genprodukte auszuschalten.

25 26

Geschichte Als Geburtsjahr der Gentechnologie gilt das Jahr 1973. Damals gelang es den amerikanischen Wissenschaftlern Stanley Cohen und Herbert Boyer erstmals, mittels eines Plasmids ein Gen von einem Organismus in einen anderen zu transferieren. Sie verwendeten hierzu spezielle Enzyme, die

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. Desoxyribonucleinsäure (DNA) schneiden, und andere, die sie wieder verbinden (sog. Restriktionsendonucleasen und Ligasen). Diese waren ein Jahr zuvor von der Gruppe von Paul Berg beschrieben worden. Diese Arbeiten legten den Grundstein für die heutige gentechnische Herstellung rekombinanter, humaner Proteine. Im Jahr 1978 nutzten Wissenschaftler die Gentechnik erstmals, um Bakterien (Escherichia coli) in „Miniatur-Arzneimittelfabriken“ zur Produktion von menschlichem Insulin zu verwandeln. Dieses erste gentechnisch hergestellte (rekombinante) Insulin kam im Jahr 1982 auf den Markt und machte Diabetespatienten von dem bislang aus Bauchspeicheldrüsen von Schweinen und Rindern gewonnenen Insulin unabhängig.

Gentechnisch hergestellte Arzneistoffe Im Jahr 2003 waren in Deutschland etwa 80 gentechnisch hergestellte Arzneimittel mit etwa 60 verschiedenen Wirkstoffen zugelassen. Zur großtechnischen Herstellung dieser Proteine werden Bakterien (meist Escherichia coli) mit einem geeigneten Expressionsvektor transfiziert. Sie exprimieren dann das gewünschte Gen und produzieren das entsprechende Protein. Gelingt die Expression in Bakterien nicht oder stellen Bakterien kein korrekt gefaltetes Protein her, so exprimiert man das gewünschte Gen in Hefen oder kultivierten Säugerzellen. Die Molekularbiologie erlaubt darüber hinaus, humane Proteine zur Erhöhung ihres therapeutischen Nutzens zu verändern, man spricht von „Muteinen“ (mutierten Proteinen). Man kann auch chimäre Proteine herzustellen (z.B. Proteine mit Anteilen von Maus und Mensch). Zu den wichtigsten gentechnisch produzierten Wirkstoffen zählen heute: ®

■

Humaninsuline einschließlich Insulin lispro (Humalog ),

■

Glucagon,

■

Hypophysenhormone: Gonadotropine, Somatotropin, Thyrotropin,

■

Erythropoetin = Epoetin-α und -β,

■

Cytokine: Interferon-α, -β und -γ; Interleukin-2; „granulocyte colony-stimulating factor“; „granulocyte-macrophage colony-stimulating factor“ u.a.,

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. ■

®

Anticytokine“: Etanercept (Enbrel ), künstlicher ®

TNF-α-Rezeptorantagonist; Infliximab (Remicade ), humanisierter monoklonaler Antikörper gegen TNF-α, Anakinra (Kineret™), rekombinante Version des kompetitiven menschlichen Interleukin-1-RezeptorAntagonisten (IL-1Rα), ■

®

r-Hirudin = Lepirudin (Refludan ) und das Hirudinderivat Desirudin ®

(Revasc ), ■

Fibrinolytika, Gewebeplasminogenaktivatoren: t-PA, Alteplase ®

(Actilyse ) sowie mutierte Plaminogenaktivatoren, wie r-PA, Reteplase ®

®

(Rapilysin ); TNK-tPA, Tenecteplase (Metalyse ), n-PA, Lanoteplase, ■

menschliche Gerinnungsfaktoren (Faktoren VII, VIII und IX),

■

der Thrombozytenaggregationshemmer Abciximab (ReoPro ),

■

Impfstoffe (Hepatitis A, B und C, Diphtherie, Tetanus, Pertussis, Polio u.a.),

■

humanisierte Antikörper (mit geringerer Immunogenität, z.B.

®

®

Trastuzumab (Herceptin ) zur Behandlung des Mammakarzinoms oder ®

Palivizumab (Synagis ) zur Prophylaxe der „respiratory syncytial virus “(RSV)-Infektion bei Frühgeborenen und immungeschwächten Säuglingen. Ähnliche molekularbiologische Techniken, wie diejenigen, die die Expression spezifischer Proteine in Säugerzellen in vitro ermöglichen, lassen sich auch im Menschen anwenden. Dies ist die methodische Basis für die Gentherapie.

Somatische Gentherapie Gentherapie bezeichnet das Einbringen von Genen (sog. Transgenen) in Zellen mit dem Ziel eines therapeutischen Nutzens für den Organismus. Somatische Zellen sind alle Körperzellen, die nicht an der Reproduktion eines Individuums beteiligt sind. Daher beschränken sich die Auswirkungen der somatischen Gentherapie auf das behandelte Individuum und werden nicht auf die Nachkommen übertragen. Die somatische Gentherapie dient dem Ziel, in den behandelten Zellen das gewünschte Protein zu exprimieren und durch

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. dessen Funktion einen therapeutischen Nutzen zu erzielen. Es ist gleichsam die Herstellung rekombinanter Proteine in vivo. Gelingt es, ein Gen spezifisch in einen bestimmten Zelltyp oder ein bestimmtes Gewebe einzubringen und nur dort zu exprimieren, so kann das Genprodukt lokal und ohne systemische Nebenwirkungen seine Wirkung entfalten.

Keimbahntherapie Eine Behandlung von Erbkrankheiten auch für Folgegenerationen setzt gentherapeutische Eingriffe in die Keimbahn voraus. Hier müsste das korrekte Gen in ein genetisch defektes Individuum so eingebracht werden, dass es dieses und auch seine Nachkommen von der Krankheit befreit. Das klingt attraktiv, jedoch gibt es derzeit kein Verfahren, das erlaubt, in einen Organismus genau eine Kopie eines Gens ohne unerwünschte Nebeneffekte einzubringen. Bei verschiedenen Tierspecies ist es dagegen gelungen, Gene einzuschleusen. Doch bedarf auch bei diesen Tieren eine erfolgreiche Genbehandlung mehrerer Generationen und einmalige Erfolge gehen mit großen Zahlen an nicht gelungenen Versuchen einher. Ein solches Szenario ist beim Menschen ethisch inakzeptabel. Die Keimbahntherapie beim Menschen ist daher in vielen Ländern – so auch in Deutschland, Österreich und der Schweiz – gesetzlich verboten.

1.3.2 Blockierung unerwünschter Genexpression

26 27

Antisense-Oligonucleotide, Antisense-Medikamente Während bei der Gentherapie zusätzliche genetische Information in die Zelle eingefügt wird, zielt die Anwendung von Antisense-Oligonucleotiden auf eine spezifische Hemmung der Bildung von Zielproteinen. Als Antisense-Oligonucleotide bezeichnet man kurze DNA- oder RNA-Fragmente (15 bis 25 Bausteine), die aus der komplementären Sequenz einer mRNA bestehen. Es ist auch möglich, die Antisense-Sequenzen in den Zielzellen selbst von eingeschleusten Genen synthetisieren zu lassen. Gelingt es, ein solches Oligonucleotid in eine Zelle einzubringen (oder dort synthetisieren zu lassen), so bilden das Oligonucleotid und die mRNA einen Doppelstrangbereich. Diese Komplexe werden schnell von der Rnase H abgebaut. Darüber hinaus kann das Ablesen der mRNA an den Ribosomen blockiert werden. So kann in der Zelle gezielt die Bildung eines bestimmten Genprodukts (Protein) verhindert werden (Abb. 1.17A).Die Methode lässt

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. sich zur Hemmung/Ausschaltung wichtiger Virusproteine, Tumorwachstumsfaktoren oder zelleigener Entzündungsmediatoren einsetzen. Auch monogen-dominante Erkrankungen erfordern ein Abschalten des schädlichen Gens. Obwohl Erfolge mit der Antisense-Technologie erzielt wurden, tragen auch unspezifische Mechanismen zu ihrer Wirkung bei und machen die Ergebnisse manchmal schwer interpretierbar. ®

Das Antisense-Oligonucleotid Fomivirsen (Vitravene ) ist das erste Antisense-Medikament auf dem deutschen Markt. AIDS-Patienten, die an einer Cytomegalievirus(CMV)-assoziierten Retinitis leiden, können mit diesem Medikament behandelt werden. Es handelt sich um ein DNA-21-mer, das gegen das wichtigste „immediate early gene“ des Cytomegalievirus gerichtet ist. Das entsprechende Protein ist für die Vermehrung des Virus notwendig. Die Bindung von Fomivirsen an die Ziel-mRNA unterbricht die Proteinsynthese und unterdrückt somit die Virusreplikation. Weltweit wird die Antisense-Technologie als eine der Kerntechnologien für die Entwicklung neuer biotechnologischer Medikamente angesehen. Weitere Antisense-Medikamente befinden sich in verschiedenen Phasen der klinischen Entwicklung. Tabelle 1.2 zeigt einige Beispiele.

Ribozyme Eine interessante Alternative zu Antisense-Oligonucleotiden sind sog. katalytische RNAs oder Ribozyme. Ribozyme sind entwicklungsgeschichtlich sehr alt; bevor die Natur Proteinenzyme entwickelte, existierte bereits das Prinzip katalytischer RNAs. Die Arbeitsweise ist ähnlich wie bei Proteinen; durch Sequenzelemente wird eine Struktur stabilisiert, die ein aktives Zentrum schafft, in dem dann Phosphatesterhydrolyse katalysiert ablaufen kann (Abb. 1.17B). In der Theorie ist dies ein faszinierender Ansatz, die praktische Anwendung am Menschen wird gegenwärtig für verschiedene Präparate geprüft; nachstehend zwei Beispiele: Die Verbindung Heptazyme™ ist ein chemisch synthetisiertes Ribozym, das sich in den USA in Phase II der klinischen Prüfung befindet. Es schneidet spezifisch Hepatitis-C(HCV)-Virus-RNA und verhindert so die virale Replikation. Es wird erwartet, dass Heptazyme™ gegen alle Genotypen des HCV wirksam ist, da es gegen eine konservierte Region der HCV-RNA gerichtet ist, die von Mutationen selten betroffen ist.

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. Angiozyme™ ist ein weiteres synthetisches Ribozym, das spezifisch die RNA des „vascular endothelial growth factor receptor-1“ (VEGFR-1) schneidet. Vorklinische Daten haben gezeigt, dass es durch Hemmung der Angiogenese das Wachstum von Primärtumoren unterdrücken kann und auch die Metastasierung hemmt. Die Substanz befindet sich ebenfalls in Phase I/II der klinischen Prüfung.

Tabelle 1.2 Beispiele für Antisense-Medikamente (eingeführt und in Entwicklung) Zu hemmendes (Geplanter) Produkt Zielgen ApplikationsmodusEinsatz Fomivirsen virales Intraokular CMV-Retinitis (ehemals „immediate early ISIS 2922; gene“ des ® Vitravene ) Cytomegalievirus (CMV)

ISIS 3521 ISIS 2302

 

Entwicklungsphase Eingeführt

1)

2) Malignome Phase III Proteinkinase Cα Parenteral Adhäsionsmolekül Enteral Colitis Phase II 3) (Einlauf)/parenteral ulcerosa/Morbus ICAM1 Crohn, rheumatoide Arthritis   topisch Psoriasis  

1)

Gen, das zur Replikation des Virus essentiell ist.

2)

Proteinkinase-Cα ist ein wichtiges Signaltransduktionsenzym, das eine bedeutende Rolle bei Zelldifferenzierung und Zellwachstum zu spielen scheint. ISIS 3521 hat Wirksamkeit bei der Behandlung von Blasen-, Lungen-, Dickdarm-, Mamma- und Hirntumoren gezeigt.

3)

ICAM-1 (intercellular adhesion molecule-1) ist ein Protein, das von Endothelzellen bei entzündlichen Prozessen exprimiert wird. ICAM-1 dient als Dockingmolekül für Immunzellen, die nach Kontakt durch die Gefäßwand migrieren, um am Zielort mit dem Antigen zu interagieren. Das therapeutische Potential von ISIS 2302 wird gegenwärtig bei verschiedenen entzündlichen Erkrankungen untersucht.

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Abb. 1.17 Methoden der Blockierung unerwünschter Genexpression.

A: Wirkung von Antisense-Oligonucleotiden. Einzelsträngige DNA-Antisense-Oligonucleotide können in Zellen an die mRNA eines Gens binden und die Expression dieses Gens verhindern. Dabei werden verschiedene Mechanismen diskutiert. Einmal führt die Bildung des Komplexes aus DNA-Antisense-Oligonucleotid und der mRNA zu der Aktivierung der Rnase H, die spezifisch die mRNA in einem RNA-DNA-Hybrid zerschneidet. Dadurch wird diese mRNA zerstört und kann nicht in Protein umgeschrieben werden. Anderseits kann die Bindung der DNA-Antisense-Oligonucleotide an die mRNA auch direkt

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. die Initiation und Elongation der Translation hemmen und so die Proteinsynthese unterdrücken. B: Ribozyme. Ribozyme sind katalytisch aktive RNA-Moleküle, die z.B. bei Pflanzenviroiden gefunden werden. Man kann aber auch Ribozyme herstellen, die an eine spezifische menschliche mRNA binden und diese zerschneiden. Auf diese Weise kann die Expression des entsprechenden Gens gehemmt werden. Die Abbildung zeigt ein so genanntes „Hammerhead“-(Hammerkopf-)Ribozym, eine von mehreren bekannten Ribozymstrukturen. C: Wirkung von siRNAs – RNAi. Die RNA-Interferenz (RNAi) bezeichnet einen komplexen Vorgang, der die Genexpression durch Zerstörung der mRNA hemmt. Bei der RNA-Interferenz werden kleine (21–23 bp), so genannte siRNAs („small interfering RNA“) eingesetzt. Diese siRNAs werden entweder chemisch synthetisiert und dann in die Zellen transfiziert oder in Zellen selbst nach Transfektion mit siRNA-Vektoren erzeugt. Die siRNAs binden in den Zellen an einen Enzymkomplex, der RISC („RNA-induced silencing complex“) genannt wird. In diesem RISC-Komplex wird die siRNA entwunden. Der so aktivierte RISC-Komplex wird dann durch spezifische Basenpaarbindung zwischen siRNA und Ziel-mRNA an diese herangeführt, um dann die Ziel-mRNA endonucleolytisch zu spalten. Dadurch wird die Translation der Ziel-mRNA verhindert und die Expression des Gens verhindert.

28 29

RNA-Interferenz, eine neue Methode der Gensuppression In den letzten Jahren ist ein neues Verfahren zum Ausschalten von Genprodukten Gegenstand intensiver Untersuchungen. Bei dieser als „RNA-Interferenz (RNAi)“ bezeichneten Technologie wird die Expression eines Gens durch die Zerstörung der zugehörigen mRNA verhindert. Hierzu dienen kurze doppelsträngige RNA-Fragmente (so genannte „small interfering RNA“, siRNA), die spezifisch mit Nucleotidsequenzen in der mRNA interferieren. Eine siRNA besteht aus 21 bis 23 Basenpaaren. Sie degradiert zusammen mit Enzymen im so genannten „RISC“-Komplex („RNA-induced silencing complex“) hoch effizient und spezifisch eine bestimmte Ziel-mRNA und verhindert so die Synthese des entsprechenden Proteins (Abb. 1.17C).

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. siRNAs konnten in Zellkulturexperimenten und bei Versuchstieren die Proteinexpression von Genen spezifisch unterdrücken. Die denkbaren Anwendungsgebiete dieser Methode sind vielfältig. Besonders die Bekämpfung viraler Infektionskrankheiten (Influenza, Hepatitis C und HIV) könnte durch die siRNA-Technologie in Zukunft revolutioniert werden. Durch spezifische siRNAs (oder virale Vektoren, die die Synthese von siRNAs in Zellen induzieren) kann die Vermehrung verschiedener Viren (HIV-1, HCV und Influenza) unterdrückt werden. Für zahlreiche Infektionsund auch Tumorerkrankungen ließen sich so neue Behandlungsmethoden entwickeln.

RNAi, ein antivirales Prinzip bei Pflanzen und Insekten In Pflanzen und bei der Fruchtfliege Drosophila erfolgt die Bildung von siRNA endogen durch ATP-abhängige Endonucleasen (sog. „Dicer“ = „Zerhacker“) aus doppelsträngiger RNA und ist dort ein ganz natürlicher Vorgang der spezifischen Regulation der Genexpression. In ausdifferenzierten menschlichen Zellen sind solche „Dicer“ noch nicht gefunden worden. Da doppelsträngige RNAs oft Intermediate bei der Vermehrung von Viren sind, kann die siRNA-Strategie als ein spezifisches Prinzip von Pflanzen und Insekten zur Abwehr pathogener Viren angesehen werden. RNAi wird vermutlich bereits durch sehr wenige doppelsträngige RNA-Moleküle in der Zelle ausgelöst. Die Zelle reagiert also sehr empfindlich. Interessanterweise kann sich die RNAi-Antwort im Organismus ausbreiten. Injektion doppelsträngiger RNA an einer bestimmten Stelle eines Organismus führt schrittweise zum Abbau der spezifischen Ziel-mRNA überall.

1.3.3 Methoden und „Werkzeuge“ des Gentransfers in somatische Zellen Grundsätzlich unterscheidet man zwei Strategien der somatischen Gentherapie, die Ex-vivo- und die In-vivo-Behandlung (Abb. 1.18). Bis heute wurde der Gentransfer in den meisten Fällen ex vivo (in vitro) durchgeführt. Bei dieser Behandlung werden die Zielzellen (zum Beispiel Lymphocyten, hämatopoetische Stammzellen, Leberzellen) aus dem Organismus isoliert, in Zellkultur mit dem gewünschten Gen transduziert und anschließend in den

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. Organismus reimplantiert. Durch Ex-vivo-Gentransfer kann ein möglicher Gentransfer in Keimbahnzellen sicher ausgeschlossen werden. Die Anwendbarkeit der Ex-vivo-Gentherapie ist aber beschränkt auf jene Zellen, die relativ leicht aus dem Körper isoliert und in genügenden Mengen gezüchtet werden können. Zudem gelingt die Reimplantation der in vitro transfizierten Zellen in den Körper oft nur unvollständig und/oder die Expression des Transgens geht in vivo relativ rasch wieder verloren. Andererseits sind In-vitro-Gentransfermethoden generell effizienter als die bis heute zur Verfügung stehenden In-vivo-Methoden.

Abb. 1.18 Die zwei Strategien der somatischen Gentherapie.

Bei Ex-vivo-(In-vitro-)Gentherapie werden die Zielzellen (Tumorzellen, Fibroblasten, hämatopoetische Stammzellen) aus dem Organismus isoliert, in Zellkultur mit dem gewünschten Gen transduziert und anschließend in den Organismus reimplantiert. Bei der In-vivo-Behandlung wird das gesunde Gen direkt in die von der Krankheit betroffenen Körperzellen (z.B. Lungenzellen, Leberzellen) eingeführt. Dazu sind Vektorsysteme notwendig, die spezifisch nur die zu treffenden Zellen mit dem therapeutischen Gen transduzieren. Diese zellspezifische Gentherapie kann noch durch zellspezifische Promotoren unterstützt werden.

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Tabelle 1.3 Wichtige Vektoren für die Gentherapie Vektor

Retroviren (Lentiviren)

Adenoviren

Adenoassoziierte „Nackte“ Viren (AAV, DNA 1 Parvoviren) (Plasmid /Liposomen)

Bis 30 kb

Bis 4,7 kb

30

  2

Insert

Bis 7,5 kb RNA

Genom

3

Einzelsträngige DNA Ja, teilweise Chromosom 19 (Locus 19q 13-qter) Gut Variabel Nicht notwendig Nicht notwendig

Integration in das menschliche Genom

Ja

Transduktionseffizienz Zellteilung

Genexpression

Gut Notwendig bei Oncovirusab-kömmlingen, nicht notwendig bei Lentivirusabkömmlingen Stabil Transient

Hauptvorteile

Stabile Genexpression

Hauptnachteile/Gefahren Insertionsmutagenese4

Unbegrenzt

Doppelsträngige DNA Nein

Stabil/transient

Relativ hohe Transduktion

Relativ hohe Transduktion ohne eine starke Immunantwort Hauptsächlich Hauptsächlich Transduktion Transduktion epithelialer epithelialer Zellen, häufig Zellen, Immunantworten, Herstellung des nicht für Vektors Blutzellen kompliziert geeignet

RNA oder DNA Nein (selten ja)

Gering/mäßig Nicht notwendig

Meist transient Sicher und preiswert

Niedrige Effizienz

1

Plasmide sind sich autonom vermehrende „Minichromosomen“.

2

kb = Kilobasen (1000 Basen); ein menschliches Gen ist im Durchschnitt etwa 3 kb.

3

Das Genom des Menschen enthält eine Vielzahl retroviraler Sequenzen, die als HERVs (humane endogene Retroviren) bezeichnet werden. Schätzungen zufolge ist zwischen 0,6 und 1% des menschlichen Genoms retroviralen Ursprungs.

4

Das Gen wird an einem beliebigen Platz im Erbmaterial der Zelle eingebaut. Dabei lässt sich nicht ausschließen, dass sich das Gen zufällig inmitten einer wichtigen Erbanlage der Zelle insertiert und diese zerstört. Auch genetische Steuerungssignale könnten bei einer solchen Integration geschädigt werden und die Zellen dann

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. beispielsweise zu erhöhter Teilungsaktivität und damit zum Krebswachstum anregen. Die Wahrscheinlichkeit für derartige Ereignisse ist gering, bedenkt man, dass Erbanlagen nur etwa 1,5% des menschlichen Erbguts ausmachen und der größte Teil aus nicht-kodierenden Bereichen besteht. Solange man mit der Gentherapie schwerkranke Patienten behandelt, für die es keine anderen Heilungschancen gibt, dürfte der Nutzen die Risiken in aller Regel weit übertreffen. Bei der In-vivo-Behandlung wird das gesunde Gen direkt in die von der Krankheit betroffenen Körperzellen (z.B. Lungenzellen, Leberzellen) dirigiert. Der In-vitro- und der In-vivo-Gentransfer ist im Prinzip eine Fortentwicklung der Herstellung rekombinanten Proteins und beruht auf dem Einsatz ähnlicher molekularbiologischer Verfahren. In naher Zukunft ist der weitere Fortschritt der somatischen Gentherapie vor allem abhängig von der Entwicklung von sicheren und leicht anwendbaren In-vivo-Gentransfermethoden, welche eine effiziente und stabile Genexpression in bestimmten Zielorganen erlauben. Um genetisches Material in Zellen einzuschleusen, muss es in ein Vehikel (Vektor) verpackt werden. Bei menschlichen Zellen sind die Vektoren häufig Viren, seltener nichtvirale Vektoren (Tab. 1.3).

Virale Vektoren des Gentransfers Viren haben während der Evolution die Fähigkeit erworben, ihre Gene effizient in die von ihnen infizierten Zellen einzuschleusen, da sie für ihre eigene Vermehrung auf die Maschinerie der infizierten Zelle angewiesen sind. Für die Gentherapie werden Viren mit molekularbiologischen Mitteln verändert. Typischerweise entfernt oder zerstört man Virusgene, die zur Vermehrung des Virus benötigt werden. In diese vermehrungsunfähigen Viren bringt man dann das zu übertragende Gen ein. Es entsteht ein rekombinantes Virus, das man nun zur Gentherapie einsetzen kann. Um die gentherapeutischen Viren herzustellen, werden dann so genannte Helferzellen verwendet, die die Gene zur viralen Vermehrung enthalten und so die Proteine für die Verpackung des rekombinanten Virus liefern. Da also die Proteine von Genen geliefert werden, die nicht in dem rekombinanten Virus vorhanden sind, scheint die Entstehung replikationskompetenter Viren unmöglich (Sicherheitsaspekt). In neueren Studien werden die Hüllen/Kapside der rekombinanten Viren dann noch mit spezifischen Oberflächenproteinen versehen, womit eine genauere Spezifität (Tropismus) der Infektion der gewünschten Zielzellen erreicht werden soll. Die wesentlichen Virusvektoren

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. sind in Tab. 1.3 dargestellt. Über 75% aller Gentherapiestudien wurden und werden mit Viren durchgeführt. Obwohl eine Vielzahl von Viren auf ihren potentiellen Nutzen in der Gentherapie hin untersucht worden sind, werden z.Zt. am häufigsten replikationsdefiziente Retro- und Adenoviren verwendet. Retrovirale Vektoren (Tab. 1.3 und Abb. 1.19) haben den Vorteil, dass sie das gewünschte Gen in das Genom von sich teilenden Zielzellen integrieren. Allerdings geschieht die Integration an einer zufälligen Stelle, mit der Gefahr der „Beschädigung“ anderer Gene (Insertionsmutagenese). Retroviren haben damit das Potential, zu stabiler Genexpression in Mutter- und Tochterzellen zu führen, sind aber ineffizient in Zellen, die sich nur selten teilen (z.B. Endothelzellen oder glatte Muskelzellen im Gefäßsystem). Die sich aus dem AIDS-Virus (HIV) ableitenden retroviralen Vektoren (lentivirale Vektoren) können auch sich nicht teilende Zellen infizieren. Mit adenoviralen Vektoren (Tab. 1.3 und Abb. 1.20) können auch nicht-proliferierende Zielzellen effizient transfiziert werden. Das gewünschte Gen wird aber nicht in das Genom integriert, die Genexpression bleibt transient. Die Effizienz wird auch häufig durch eine antiadenovirale Immunantwort limitiert. Nicht selten besitzt der Patient bereits präformierte Antikörper gegen das Adenovirus. Neu entwickelte „high capacity“ adenoviralen Vektoren, bei denen alle virale kodierende Sequenz entfernt wurde, zeigen in Tierversuchen eine geringere Toxizität und Immunogenität bei gleichzeitig erhöhter Aufnahmekapazität für die therapeutische Fremd-DNA. Recht große Erwartungen werden auch in adenoassoziierte Viren (AAV, Tab. 1.3) gesetzt. Diese nicht-menschenpathogenen Viren haben eine gute Transduktionseffizienz und integrieren das gewünschte Gen an einer definierten Stelle (im Chromosom 19) in das Chromatin der Zielzelle. Dies ist eine gute Voraussetzung für eine langfristige, dauerhafte Genexpression. Da AAV keine bekannte humane Erkrankung auslöst, scheint diese chromosomale Integration nicht pathogen zu sein. Ein Nachteil von AAV sind die noch großen Schwierigkeiten bei der Herstellung dieser Vektoren und die relativ geringe Aufnahmefähigkeit für exogene DNA (max. 4 kb).

Nicht-virale Transfermethoden Transiente Genexpression kann auch mit einer Reihe nicht-viraler Transfermethoden erreicht werden (s. Tab. 1.3). Dabei wird das zu exprimierende Gen durch verschiedene Methoden in die Zielzellen eingebracht. Man kann „nackte“ DNA (in Form eines Plasmids) in das

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. Gewebe (z.B. Muskulatur oder Schilddrüse) injizieren; die Transduktionseffizienz ist aber meist schlecht. Zur Verbesserung der Transduktionseffizienz kann man die DNA an negativ geladene Liposomen (feine Fetttröpfchen) assoziieren oder an Polykationen wie Poly-L-Lysin binden (Bindung zwischen den positiven Ladungen der Aminogruppen und den negativen Ladungen der Phosphatgruppen der DNA). Diese Lipoplexe oder Polyplexe werden dann von Zellen besser aufgenommen. Schließlich kann man die DNA an spezifische Proteine oder an Nanopartikel kondensieren und per rezeptorvermittelter Endocytose aufnehmen lassen. Die letztere Methode ermöglicht einen zielgerichteten In-vivo-Gentransfer in spezielle Zellen und Organe. So kann zum Beispiel DNA durch Komplexierung mit Asialoglykoprotein (ASGP) über den leberzellspezifischen ASGP-Rezeptor spezifisch in Leberzellen eingeschleust werden. Eine weitere Möglichkeit zur gewebsspezifischen Genexpression ist die Verwendung von gewebsspezifischen Promotoren (= Genabschnitte, die die Transkription kontrollieren). So wird beispielsweise α-Fetoprotein beinahe ausschließlich durch Leberzellkarzinome gebildet. Durch Kopplung mit dem α-Fetoprotein-Promotor kann erreicht werden, dass ein gewünschtes Gen ausschließlich in hepatozellulären Karzinomzellen exprimiert wird. Man kann auch winzige Metallteilchen aus Wolfram oder Gold mit Erbgut beschichten und dann in das Zielgewebe hineinschießen („Genkanone“). Diese Technik wird u.a. zur Genimpfung eingesetzt (vgl. unten).

1.3.4 Anwendungen der somatischen Gentherapie Anwendungsmöglichkeiten der somatischen Gentherapie ergeben sich vor allem auf drei Gebieten: ■

bei den klassischen Erbkrankheiten mit isoliertem Einzelgendefekt,

■

bei multifaktoriellen genetischen Erkrankungen (z.B. Tumoren, Herz- und Kreislaufkrankheiten) und

■

bei bestimmten erworbenen Erkrankungen (z.B. chronischen Infektionskrankheiten).

Gegenwärtig laufen weltweit über 600 gentherapeutische Studien. Die bei weitem meisten Studien finden in den Vereinigten Staaten statt; aber auch in mehreren europäischen Ländern wird die Behandlung mit Genen an Patienten erprobt.

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. Therapie „monogener“ Erkrankungen Man kennt bis heute über 1000 menschliche Krankheitsgene. Diese sind verantwortlich für ein Drittel der vermuteten 3000 monogenen Erbkrankheiten. Die Vorstellung, durch den Ersatz eines kranken Gens eine Krankheit heilen zu können, klingt verlockend und in der Tat sind hier Erfolge der Gentherapie zu verzeichnen. Das eigentliche Therapieziel wäre dabei der Genersatz für das defekte oder fehlende Gen, das heißt, das Defektgen müsste selektiv aus dem Genom herausgeschnitten und das normale Gen an exakt der gleichen Stelle eingesetzt werden können. Nur ein solchermaßen durch homologe Rekombination rekonstruiertes Gen würde der normalen Genregulation unterliegen. Leider ist effizienter Genersatz durch homologe Rekombination bis heute nicht möglich. Die gegenwärtig verfügbaren Gentransfermethoden erlauben lediglich eine Genaddition mit transienter (oder im Falle retroviraler Vektoren zufällig integrierter) Genexpression.

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Abb. 1.19 Herstellung rekombinanter Retroviren (rRV) für die Gentherapie.

A: Das therapeutische Gen wird in ein Plasmid eingefügt, das folgende Sequenzen enthält: die Sequenz für die Integration der retroviralen DNA in die chromosomale DNA der Zielzelle (LTR-Sequenz, „long terminal repeat“), ein retrovirales Verpackungsignal und einen starker Promotor zur Transkription des Gens. B: Dieses Plasmid wird dann in eine „Verpackungszelle“ transfiziert, die Proteine liefern, die zur Herstellung des rekombinanten Retrovirus notwendig sind. C: In diesen Zellen kommt es zur Synthese einer rekombinanten Retrovirus(RV)-RNA, die dann durch die reverse Transkriptase in eine doppelsträngige rekombinante Retrovirus-DNA umgewandelt wird (siehe B). Nach Integration dieser rekombinanten DNA-Moleküle in das Genom der Verpackungszelle werden rekombinante Retroviren gebildet, die aus dem Überstand der Zellen geerntet werden können. D: Diese rekombinanten Retroviren können Zielzellen dann mit dem therapeutischen Gen transduzieren. Dabei integriert sich die rekombinante Retrovirus-DNA in das Genom der Zielzelle und es kommt nur zur Expression des gewünschten Proteins. Da die zur Virusherstellung notwendigen retroviralen Proteine fehlen, können in der Zielzelle keine Retroviren entstehen.

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Beeindruckende Erfolge bei der Behandlung seltener erblicher Immundefekte

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Die wohl größte Erfolgsgeschichte ist die Behandlung des schweren kombinierten Immundefekts („severe combined immunodeficiency“, SCID). SCID stellt eine Gruppe seltener (Inzidenz 1:100.000) kongenitaler Störungen dar, die durch wenig oder gar keine Immunantwort gekennzeichnet sind. Allen gemeinsam ist ein Defekt im T- und B-lymphozytären System, so dass die Patienten viralen, bakteriellen und Pilzinfektionen hilflos ausgesetzt sind. Unbehandelt sterben viele vor dem Ende des ersten Lebensjahrs. Eingreifende Maßnahmen wie Knochenmarksoder Stammzelltransplantation können heute Patienten retten. In etwa der Hälfte der SCID-Fälle ist der Defekt X-chromosomal lokalisiert, wird von der Mutter übertragen und betrifft fast nur männliche Kinder. X-Chromosom-vermitteltes SCID beruht auf einer Mutation im Interleukin-2-Rezeptor-γ-Gen, das für die „γ-Kette“ kodiert, die vielen Interleukin-Rezeptoren gemeinsam ist. Der Interleukin-2-Rezeptor γ aktiviert ein wichtiges Signalmolekül, die Januskinase 3 (JAK3). Eine Mutation der JAK3, deren Gen auf Chromosom 19 lokalisiert ist, kann ebenfalls zu SCID führen. In beiden Fällen ist die Differenzierung der T-Lymphozyten gestört. Eine weitere Form von SCID beruht auf einem Defekt des Enzyms Adenosindeaminase (ADA), eines wichtigen „Entgiftungsenzyms“, dessen Gen auf Chromosom 20 liegt. Durch die toxischen Wirkungen der akkumulierten Substrate der ADA, der (Deoxy-)Adenosinnucleotide, wird die Ausreifung der Lymphozyten verhindert.

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. Abb. 1.20 Herstellung rekombinanter Adenoviren (rADV) für die Gentherapie.

A: Das therapeutische Gen wird in ein Plasmid eingefügt, das folgende Sequenzen enthält: die zur Rekombination mit einem partiellen adenoviralen Genom notwendigen Sequenzen (ADV-ITR, ADV-Arme), ein adenovirales Verpackungssignal, einen starken Promotor zu Expression des Gens und eine Schnittstelle für die Restriktionsendonuclease Pac I. B: Das so entstehende Plasmid wird gemeinsam mit einem zweiten Plasmid, das ein partielles adenovirales Genom enthält, in Bakterien eingebracht. In den Bakterien kommt es zur Rekombination der Plasmide, so dass nach Linearisierung der DNA mit Pac I doppelsträngige, rekombinante, adenovirale DNA isoliert werden kann. C: Diese DNA wird in eine „Verpackungszelle“ eingebracht. Diese Zelle liefert die fehlenden adenoviralen Proteine, die für die Virussynthese notwendig sind. Aus dem Überstand der Zellen kann dann das rekombinante Adenovirus aufgereinigt werden. D: Nach Infektion der Zielzellen mit diesen rekombinanten Adenoviren kommt es zur Expression des therapeutischen Proteins. Da in den Zielzellen wesentliche adenovirale Proteine nicht gebildet werden können, kommt es nicht zur Ausbildung infektiöser Adenoviren.

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Abb. 1.21 Ex-vivo-Gentransduktion von Leukocyten am Beispiel des Adenosin-Deaminase(ADA)-Gens.

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Einem Kind mit „severe combined immunodeficiency“ (SCID), −

bedingt durch einen Defekt im ADA-Gen (ADA SCID), wird Blut entnommen. Daraus werden Leukozyten isoliert, mit einem retroviralen Vektor, der das intakte ADA-Gen enthält, infiziert, in Kultur expandiert und anschließend dem Patienten reinfundiert Die erste Gentherapie wurde von amerikanischen Ärzten im September 1990 an der vierjährigen Aschanti DeSilva vorgenommen, die an dem ADA-Gendefekt litt. Aus dem Blut der Patientin wurden Leukozyten isoliert. Diese wurden in vitro mit einem intakten ADA-Gen transduziert und in Kultur expandiert. Anschließend wurden dem Kind die gentechnisch veränderten Zellen durch Infusion wieder zurückgegeben (Abb. 1.21). Das Ergebnis dieser und einiger weiterer Gentherapien bei jungen Patienten mit derselben Erbkrankheit verlief ermutigend: Während vor der Behandlung schon jede Erkältungskrankheit für die Kinder lebensbedrohlich war, waren sie nun gegen Infektionen gefeit und konnten sogar öffentliche Schulen besuchen. Die Gentherapie muss allerdings einige Male im Jahr wiederholt werden, da die weißen Blutzellen nur eine begrenzte Lebensdauer besitzen. Bisher starben alle Kinder mit diesem Defekt bis zum zweiten Lebensjahr.

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. Dank der Gentherapie bei Aschanti DeSilva lebt dieses Mädchen noch und wird im Jahr 2004 18 Jahre alt. Im April 2000 berichteten französische Ärzte über ermutigende Erfolge bei der Behandlung der X-Chromosom-verknüpften SCID mittels Gentherapie. Bei zwei 8 und 11 Monate alten Säuglingen wurde eine fast vollständige Wiederherstellung des Immunsystems nach Gentherapie beobachtet.

Therapieansätze bei weiteren monogenen Erkrankungen Die Mukoviszidose (zystische Fibrose) tritt etwa bei einem von 2000 Neugeborenen auf. Ursache ist ein Gendefekt im „cystic-fibrosis-transmembrane-conductance-regulator“ (CFTR)-Gen. Die bisherigen klinischen Ergebnisse mit adenoviralen Vektoren sowie nichtviralen, liposomalen Vektoren waren eher ernüchternd. Die Hämophilien sind ein attraktives Modell zur Entwicklung gentherapeutischer Ansätze, die Gene sind kloniert und verfügbar, es gibt gute Tiermodelle für die Erkrankung. In den vergangenen Jahren wurden mehrere klinische Studien zur Behandlung der Hämophilie B begonnen. Sie alle verwenden die intramuskuläre Injektion eines adenoassoziierten Virus-AAV-Vektors, der mit dem Faktor-IX-Gen bestückt ist. Die Ergebnisse der ersten Patientenstudien sind ermutigend in Bezug auf Verträglichkeit und therapeutischen Effekt. Auch für die Hämophilie A gibt es erfolgversprechende präklinische Studien. Nur mäßig eindrücklich waren bisher die Resultate bei der familiären Hypercholesterinämie (Defekt im „low density lipoprotein“, LDL-Rezeptor in der Leber). Auch für die kongenitale Form des Lungenemphysems (ererbtes Fehlen des Schutzproteins α1-Antitrypsin) gibt es erste erfolgreiche Versuche zur liposomalen Transfektion der Nasenschleimhaut mit α1-Antitrypsin-cDNA. Weitere Erkrankungen, bei denen Gentherapie versucht wird, sind Thalassämien (Defekte im Proteinanteil des Hämoglobins), Phenylketonurie (Defekt des in der Leber gebildeten Enzyms Phenylalanin-Hydroxylase), der Morbus Gaucher (Defekt des Enzyms Glucocerebrosidase in Makrophagen und Leucozyten).

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Therapieansätze bei „polygenen“ Krankheiten

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Ein-Gen-Erbkrankheiten sind vergleichsweise selten. Ärzte sind verständlicherweise an der Behandlung der viel häufigeren, mit zahlreichen Genen verknüpften, „polygenen“ Krankheiten interessiert. Analysen multifaktorieller Krankheiten haben sich aber als extrem schwierig erwiesen. Es sind viele Milliarden Dollar/Euro ausgegeben worden, um Gene komplexer genetischer Erkrankungen wie etwa Alzheimer oder Schizophrenie zu identifizieren – bisher ohne großen Erfolg. Auch bei den genetischen Ursachen von Krebserkrankungen liegt noch vieles im Dunklen.

Neue Strategien gegen Krebs Von den weltweit etwa 3500 Patienten, die eine Gentherapie erhielten, wurden die meisten (etwa 70%) wegen eines Malignoms behandelt. Der gentherapeutische Ansatz ist bei Erkrankungen, die mit vielen Genen verknüpft sind, ein anderer als bei „monogenen“ Erkrankungen. Wissenschaftler erproben derzeit vor allem vier Wege, wie man Krebspatienten mit einer Gentherapie helfen könnte: ■

Immunpotenzierung/Tumorvakzinierung,

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molekulare Chemotherapie (gentechnische Sensibilisierung von Tumorzellen gegen tumorizide Pharmaka, Einführung von Selbstmordgenen),

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Einführung tumorrevertierender und zelltodauslösender Gene oder

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Inaktivierung von Onkogenprodukten.

Mit den verschiedenen Ansätzen sind bei einzelnen Patienten Erfolge erzielt worden, ein wirklicher therapeutischer „Durchbruch“ blieb aber bisher aus. Ziel der Immunpotenzierung ist es, die Antwort des Immunsystems auf Krebszellen zu erhöhen und so zu ihrer Zerstörung beizutragen; diese Ansätze werden auch Tumorvakzinierung genannt. Bei einer anderen Form der Gentherapie nutzt man die Aktivität eines übertragenen Gens, um in den malignen Zellen eine Selbstzerstörung einzuleiten (Selbstmordgen). Ein Beispiel für ein solches Gen ist die Thymidinkinase des Herpes-simplex-Virus. Diese konvertiert das Virustatikum Ganciclovir zu dem toxischen Metaboliten

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. Ganciclovir-Triphosphat, der bei sich teilenden Zellen zu DNA-Strangbrüchen führt; ruhenden Zellen schadet er nicht. Bei Ratten und Mäusen hat das Verfahren zu erstaunlich guten, langfristigen Heilungen von Hirntumoren geführt, im Menschen waren die ersten Behandlungsversuche von Hirntumoren weniger spektakulär. Trotz unterschiedlicher Ursachen und genetischer Abnormalitäten von Tumoren kann die Ausstattung entarteter Zellen mit einem Tumorsuppressorgen wie etwa p53 oder BRCA1sv zur Apoptose (programmierter Zelltod) führen und das Tumorwachstum hemmen. Auch wirkt die Ausstattung von Tumorzellen mit p53 synergistisch mit Chemotherapeutika wie z.B. Cisplatin. Diese Methode hatte sich als effektiv genug erwiesen, um in einer Reihe klinischer Studien erprobt zu werden, leider mit mäßigem Erfolg. Die Onkogeninaktivierung verwendet die gleichen Techniken, die für die Inaktivierung anderer unerwünschter Gene eingesetzt werden (vgl. Antisense- und Ribozym-Technologie). Verschiedene Onkogene (besonders bcl-2, c-raf-1, Proteinkinase-C und H-ras) sind als therapeutische Ziele für Antisense-Oligodeoxynucleotide in klinischen Studien der Phasen I und II untersucht worden. Dramatische Tumorregressionen waren aber die Ausnahme.

Gentherapie gegen Infektionskrankheiten Ein neuartiger Ansatz zur Bekämpfung von Aids beruht auf einer Impfung mit Genen des HI-Virus. Das Gen, das für die Herstellung des HIV-Hülleiweißes verantwortlich ist, wird direkt in den Muskel des Kranken gespritzt. Dort wird das Hülleiweiß dann in sehr geringen Mengen über einen längeren Zeitraum produziert. Der Geimpfte ist so sein eigener Impfstoffproduzent. Bisher sind die klinischen Ergebnisse aber eher ernüchternd. Weltweit sind Anstrengungen im Gange, auch gegen andere Krankheitserreger Genimpfungen zu entwickeln, so gegen Hepatitis-C-Viren, Genitalwarzenviren, Herpesviren, Malariaplasmodien oder Mycobacterium tuberculosis.

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. 1.3.5 Regulation der Genexpression durch „klassische“ Pharmaka Nicht zur Gentherapie im engeren Sinne rechnet man die durch klassische Pharmaka ausgelösten Änderungen der Genexpression in Zellen. Das Prinzip ist nicht neu; alle Wirkstoffe, die über nukleäre Rezeptoren wirken, sind pharmakologische Genregulatoren. Sie stimulieren und/oder inhibieren die Expression verschiedener Gene (man spricht von Transaktivierung oder Transrepression). Die ligandenbesetzten Rezeptoren werden zu Transkriptionsfaktoren, oder sie fördern oder hemmen andere Transkriptionsfaktoren. Zu dieser Substanzgruppe gehören die Steroidhormone (Glucocorticoide, Mineralocorticoide, Östrogene und Gestagene), Thyroidhormone sowie Vitamin D3 und Retinsäure. Glucocorticoide z.B. wirken antiinflammatorisch, antiproliferativ und immunsuppressiv, Wirkungen, die im Wesentlichen durch Transrepression von Entzündungsgenen ausgelöst werden (vgl. Kap. 16.2.2). Der therapeutische Einsatz der Glucocorticoide wird aber limitiert durch die Transaktivierung metabolischer Gene des Zucker-, Fettund Proteinstoffwechsels (vgl. Kap. 29). Diese „physiologischen“ Wirkungen der Glucocorticoide werden in der Therapie zu unerwünschten „Neben “-Wirkungen. Ein weiteres Beispiel sind pharmakologische Stimulantien des Peroxysom-Proliferator-aktivierten Rezeptors (PPAR). Von diesem Zellkernrezeptor, der erst vor zehn Jahren entdeckt worden ist, sind inzwischen mehrere Isoformen bekannt. Der bekannteste Rezeptor ist PPAR-γ. Als Transkriptionsfaktor steuert er u.a. die Transkription von Genen, die an der Differenzierung von Präadipozyten und an der insulinvermittelten Glucoseaufnahme peripherer Gewebe beteiligt sind. So wird z.B. die Expression von „adipocyte lipid-binding protein“ (aP2) und der Glucosetransporter GLUT-1 und GLUT-4, die für den erleichterten Transport von Glucose in Adipozyten und Skelettmuskel verantwortlich sind, erhöht. Pharmakologisch ®

wird PPAR-γ durch Glitazone (Proglitazon, Actos und Rosiglitazon, ®

Avandia ) aktiviert (vgl. Kap. 27). Diese Präparate vermindern die Hyperinsulinämie und verstärken die Insulinsensitivität bei Diabetikern mit Insulinresistenz. PPAR-γhemmt aber auch inflammatorische Zytokine und die Proliferation aktivierter T-Zellen. PPAR-γ hat darüber hinaus Einfluss auf das Zellwachstum und auf die Zelldifferenzierung; Glitazone können die Proliferation maligner Zellen hemmen. Schließlich sind auch

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. antiarteriosklerotische Wirkungen für PPAR-γ und seine Glitazon-Agonisten berichtet worden.

Genregulation als Zusatzwirkung von Pharmaka mit etabliertem Wirkmechanismus Neueste Forschungsergebnisse zeigen, dass auch andere Pharmaka zusätzlich zu ihrem etablierten Wirkmechanismus genregulatorische Eigenschaften haben, die z.T. ihr Wirkspektrum ergänzen. So reguliert Angiotensin II Gene herauf, die am „Remodeling“ des insuffizienten Herzens beteiligt sind. Dieser Prozess wird von ACE-Hemmern und AT1-Rezeptor-Antagonisten unterbrochen, was zu deren günstigen Wirkungen bei der Herzinsuffizienz beiträgt (vgl. Kap. 17). Statine (HMG-CoA-Reduktase-Hemmer) haben schützende Wirkungen auf das Herz-Kreislauf-System, die schon in Dosen auftreten, die keine Cholesterinsenkung bewirken (vgl. Kap. 26). Ursache ist wahrscheinlich eine vermehrte Expession der endothelialen NO-Synthase (vgl. Kap. 18). So gibt es auch hier multiple Forschungsanstrengungen, die das Ziel haben, mit kleinen Molekülen spezifisch das Genexpressionsmuster von Zellen zu verändern. Die Erfolgschancen erscheinen nicht schlecht und wir werden wahrscheinlich auch in diesem Bereich in der Zukunft neue Therapeutika sehen.

1.4 Wirkungen des Organismus auf Pharmaka: allgemeine Pharmakokinetik B. FICHTL, MÜNCHEN (KAP. 1.4.1–1.4.3), M. EICHELBAUM UND M. SCHWAB, STUTTGART (KAP. 1.4.4–1.4.6) Die Pharmakokinetik beschreibt und erklärt die Wirkung des Körpers auf Pharmaka, ihr Schicksal im Körper. In den folgenden Abschnitten werden die einzelnen Schritte der Pharmakokinetik näher besprochen. In der Regel gelangt ein Pharmakon nach der Applikation zunächst ins Blutplasma, sei es direkt durch intravasale Injektion, sei es durch Resorption (Abschnitt 1.4.2). Die Verteilung im Organismus erfolgt durch das Blut. Dabei ist die an den eigentlichen Wirkort gelangende Menge meist gering. Erhebliche Anteile können zudem im Plasma und in den Körpergeweben gebunden oder gespeichert werden (Abschnitt 1.4.3). Der Eintritt eines Pharmakons in den Körper und seine Verteilung werden auch als Invasion zusammengefasst: die Summe aller Vorgänge, durch die eine Substanz

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. die ihr aufgrund ihrer Eigenschaften zugänglichen Verteilungsräume erreicht (Abb. 1.30). Die Elimination von Pharmaka erfolgt durch metabolische Umwandlung (Biotransformation; Abschnitt 1.4.4) und/oder Ausscheidung (Exkretion; Abschnitt 1.4.5). In der biologischen Realität laufen Invasion und Elimination von Anfang an stets gleichzeitig ab (s. Abb. 1.2). Der Konzentrationsverlauf am Wirkort resultiert aus dem Zusammenspiel von Invasion und Elimination. Daher können alle Faktoren, die diese Vorgänge beeinflussen, auch die Wirkung eines Pharmakons beeinflussen. Von besonderer Bedeutung ist dabei die Fähigkeit eines Pharmakons, biologische Membranen zu durchdringen. Sowohl bei der Resorption (z.B. Permeation durch die Darmschleimhaut) als auch bei der Verteilung (z.B. Verlassen der Blutbahn durch die Kapillarwand) und bei der Elimination (z.B. Filtration in den Glomeruli der Niere oder Aufnahme in die Leberzellen) muss ein Pharmakon biologische Membranen permeieren. Darum ist der Besprechung der einzelnen Schritte eine Darstellung der Gesetze der Membranpermeation vorangestellt (Abschnitt 1.4.1).

1.4.1 Durchtritt von Pharmaka durch biologische Membranen Membranstruktur und Permeation Biologische Membranen wie Endothelien und Epithelien sind ein- oder mehrschichtige Zellverbände. Die Zellmembran besteht aus einem bimolekularen Lipidfilm mit eingelagerten Proteinen. Während lipophile Substanzen durch die Lipiddoppelschicht diffundieren können, ist diese für polare Verbindungen (hydrophile Nichtelektrolyte, ionisierte Moleküle) weitgehend impermeabel. Nur kleine polare Moleküle können die Zellmembran durchdringen, woraus man auf die Existenz von hydrophilen „Poren“ in der Membran geschlossen hat. Beispielsweise hat man für die Epithelzellen des Dünndarms mit Hilfe von Testmolekülen einen scheinbaren mittleren Porenradius von 0,3 bis 0,4 nm ermittelt. Hydrophile Nichtelektrolyte wie Harnstoff (MM 60; Molekülradius 0,2 nm) und Erythritol (MM 122; Molekülradius 0,3 nm) können so transzellulär permeieren. Dagegen kann Mannit (MM 182; Molekülradius 0,4 nm) oder Lactose (MM 342; Molekülradius 0,5 nm) das Epithel nur noch durch Lücken zwischen den Zellen (parazellulär)

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. passieren. Auch die meisten Arzneistoffe sind so groß, dass sie – sofern sie die Lipidschicht nicht durchdringen können – auf den parazellulären Weg oder spezielle Transportprozesse (s.u., S. 40) angewiesen sind. Der effektive „Poren“-Radius für die parazelluläre Permeation hängt von der Struktur der Zell-Zell-Kontakte (Zonula occludens, „tight junctions“) ab und differiert zwischen den einzelnen Biomembranen des Organismus erheblich. So hat man für die Kapillaren der Skelettmuskulatur Porenradien von 1 bis 4 nm errechnet. Allerdings macht die Fläche dieser „Poren“ nur etwa 0,2% der gesamten Endothelfläche aus, d.h., für die Permeation lipophiler Substanzen steht eine 500-mal größere Fläche zur Verfügung. Besonders große Lücken (50 bis 100 nm) finden sich in der Kapillarmembran der Nierenglomeruli. Hier werden Moleküle mit einer Molekülmasse unter 20 kD praktisch frei filtriert. Die Ausschlussgrenze liegt bei der Molekülmasse des Albumins (69 kD), das normalerweise nur in Spuren im Harn vorkommt. In den Kapillaren der Leber sind die „Poren“ so weit, dass sogar Albumin und andere in der Leber synthetisierte Makromoleküle durchtreten können.

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Abb. 1.22 Die Permeabilität der Blut-Hirn-Schranke.

Wie gut eine Substanz durch die Blut-Hirn-Schranke permeiert, hängt von ihrer Lipidlöslichkeit ab. Manche Stoffe, die vom Gehirn benötigt werden, wie Glucose oder Aminosäuren, wären zu polar, um in ausreichendem Maß die Blut-Hirn-Schranke zu durchdringen. Sie werden über aktive Transportprozesse aufgenommen. Strukturverwandte Pharmaka können ebenfalls transportiert werden. Dies erklärt, warum die Aminosäure L-Dopa die Blut-Hirn-Schranke besser permeiert als das lipophilere Dopamin (nach Oldendorf: Proc. Soc. Exp. Biol. Med. 147, 813; 1974).

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. Dagegen sind die Kapillaren des Gehirns für hydrophile Moleküle, die größer als Harnstoff (MM 60; Molekülradius 0,2 nm) sind, praktisch impermeabel. Das morphologische Substrat dieser so genannten Blut-Hirn-Schranke ist vor allem darin zu sehen, dass die Endothelzellen der Kapillaren im Gehirn dichter als in anderen Geweben aneinander anschließen. Hinzu kommt, dass die Hirnkapillaren von einer dicht anliegenden Schicht von Gliazellen eingehüllt sind. Das Gehirn wird daher vom Blut aus in der Regel nur von lipophilen Pharmaka erreicht (Abb. 1.22). Eine Verringerung der lipophilen Eigenschaften eines Pharmakons vermindert daher auch seine zentralen Wirkungen. So kann durch Quaternierung des Stickstoffs im Scopolaminmolekül mittels Einführung einer Butyl-Gruppe (Scopolamin → N-Butylscopolamin) eine unerwünschte zentrale Wirkung des Scopolamins verhindert werden (s. S. 152). Für hydrophile Substanzen, die für die Funktion des Gehirns benötigt werden, wie z.B. D-Glucose und Aminosäuren, existieren spezielle Transportmechanismen, über die auch strukturverwandte Pharmaka aufgenommen werden können. Man macht sich das bei der Therapie des Morbus Parkinson mit L-Dopa zunutze (Abb. 1.22). Eine Barriere mit ähnlichen Eigenschaften wie die Blut-Hirn-Schranke (geringe Permeation hydrophiler Substanzen) existiert zwischen Blut und Hodengewebe (Blut-Hoden-Schranke). Dies ist von Bedeutung für die Anwendung von Chemotherapeutika und Cytostatika bei Hodenerkrankungen, aber auch für die Frage, ob mutagene Gifte Erbschäden auslösen können. Die Plazentarschranke zwischen mütterlichem und fetalem Blut wird von lipophilen Pharmaka rasch durchquert. Auch hydrophile Substanzen, z.B. quartäre Ammoniumbasen wie Suxamethonium oder (+)-Tubocurarin, können durch Poren der Plazentarschranke permeieren, der Konzentrationsausgleich zwischen mütterlichem und fetalem Blut erfolgt aber langsamer als bei lipophilen Substanzen. Hydrophile Moleküle mit einer Masse von 1000 passieren die Plazentarschranke nur noch langsam, noch größere Moleküle so gut wie nicht. Aus diesem Grunde kann man in der Schwangerschaft durch Umstellung von einem oralen Antidiabetikum (MM 250 bis 500) auf Insulin (MM ≈ 6000) eine antidiabetische Wirkung, durch Umstellung von Phenprocoumon (MM = 280) auf Heparin (MM 6000 bis 20000) eine gerinnungshemmende Wirkung bei der Mutter erreichen, ohne dass der Fetus „mitbehandelt“ wird. Trotz des suggestiven Namens sollte man sich darüber im Klaren sein, dass die „Plazentarschranke“ für die Mehrzahl der therapeutisch angewandten Pharmaka, deren Molekülmasse meist unter 1000

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. liegt, keine Barriere darstellt. Neben dem Weg durch die Placenta können Pharmaka auch über die Amnionflüssigkeit vom Fetus aufgenommen werden. Indem der Fetus Amnionflüssigkeit verschluckt, gelangen die Pharmaka auch in seinen Organismus. Ein solcher transamnialer Übergang wurde bei Antibiotika, β-Blockern und Morphin beobachtet.

Mechanismen der Membranpermeation Tabelle 1.4 Beziehung zwischen der Diffusionsstrecke und der Zeit, die nötig ist, bis bei 20 °C Stoffe wie Harnstoff 99% des Verteilungsgleichgewichts durch Diffusion erreichen Strecke Zeit 10 mm 12,7 h 1 mm 7,6 min 100 μm 4,6 s 10 μm 0,05 s 1 μm 0,0005 s Beispiele für Diffusionsstrecken im Organismus: Kapillarwand 0,2–0,4 μm Alveolarwand 0,2–1,4 μm Stratum corneum der Rückenhaut 10 μm

In Abb. 1.23 sind die Mechanismen zusammengestellt, mit deren Hilfe Pharmaka biologische Membranen permeieren können. Sowohl beim Durchtritt durch die Lipidphase als auch bei der Passage durch die wässrigen Poren der Membran ist die Diffusion entlang einem Konzentrationsgradienten in der Regel die treibende Kraft. Weitere Möglichkeiten sind die Filtration durch (parazelluläre) Membranporen oder spezielle Transportsysteme (carriervermittelter Transport, vesikulärer Transport).

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. Abb. 1.23 Möglichkeiten des Durchtritts von Substanzen durch eine biologische Membran.

Diffusion Da die Diffusionszeit proportional zum Quadrat des Diffusionswegs ist, erfolgt ein Konzentrationsausgleich über größere Strecken nur langsam. Bei der geringen Dicke biologischer Membranen erfolgt der Konzentrationsausgleich durch Diffusion aber sehr rasch (Tab. 1.4).

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. Die Diffusionsgeschwindigkeit lipophiler Pharmaka durch biologische Membranen ist umso größer, je höher der Verteilungskoeffizient (VK) des Pharmakons zwischen den Membranlipiden und der umgebenden Flüssigkeit ist. Der Verteilungskoeffizient sollte eigentlich aus der Verteilung zwischen den Membranlipiden und dem Gewebewasser bestimmt werden. Da dies praktisch nicht umzusetzen ist, bestimmt man den VK in organischen Lösungsmitteln wie z.B. Octanol (Abb. 1.24). Einige Beispiele sind in Tab. 1.5 aufgeführt.

Abb. 1.24 Bestimmung des Verteilungskoeffizienten (VK).

In einem Gefäß befinden sich Wasser und ein organisches Lösungsmittel (z.B. Octanol). Da der VK bei Elektrolyten vom pH beeinflusst wird, besteht die Wasserphase meist aus einem Puffer. Die zu untersuchende Substanz wird in den Flüssigkeitsphasen gelöst, und durch Schütteln wird dafür gesorgt, dass sich die Konzentration in der Wasserphase mit der in der Lipidphase ins Gleichgewicht setzt. Der Verteilungskoeffizient ergibt sich dann aus dem Verhältnis der Konzentration in der Lipidphase (cL) zur Konzentration in der Wasserphase (cW). In dem gewählten Beispiel ist VK = 10.

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Abb. 1.25 pH-abhängige Verteilung eines ionisierbaren Pharmakons („Ionenfallen-Prinzip“).

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Eine Säure (pKa = 3; z.B. Salicylsäure) verteilt sich zwischen zwei Flüssigkeitsräumen mit pH = 7 (z.B. Magenschleimhautzelle) und pH = 3 (z.B. Magensaft). Die beiden Räume sind durch eine Lipidmembran (Zellmembran der Schleimhautzelle) getrennt. Bei pH = 7 ist die Säure zu 99,99% ionisiert, bei pH = 3 nur zu 50%. Im Gleichgewicht häuft sich die Substanz in der „Magenzelle“ massiv an. Das Beispiel dient zur Veranschaulichung der Größenordnungen der durch das „ion trapping“ möglichen Konzentrationsdifferenzen und setzt eine völlige Impermeabilität der Lipidmembran für Ionen voraus. In der Realität dürfte der Effekt nicht ganz so ausgeprägt sein. Die Diffusion durch eine Lipidmembran hängt außerdem vom Ionisationsgrad einer Substanz ab. Durch zunehmende Ionisation werden die lipophilen Eigenschaften stark verringert. Die Tatsache, dass organische Basen bzw. Säuren bevorzugt im nichtionisierten Zustand durch Lipidmembranen diffundieren, hat zu der Bezeichnung „nichtionische Diffusion“ (non-ionic diffusion) geführt. Der Ionisationsgrad einer +

Substanz wird durch die H -Ionen-Konzentration der Lösung und ihre Dissoziationskonstante bestimmt. Nach der Gleichung von Henderson und Hasselbalch gilt für ein saures Pharmakon:

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[

Nicht-Ionen] [ Ionen]

= 10

pKa − pH

(5)

pH − pKa

(6)

Für ein basisches Pharmakon gilt:

[

Nicht-Ionen] [ Ionen]

= 10

Liegt z.B. der pH-Wert um eine Einheit über (saures Pharmakon) bzw. unter (basisches Pharmakon) dem pKa, so beträgt der Anteil der nichtionisierten Moleküle nur 9%. Die pH-Abhängigkeit der Lipidlöslichkeit von Säuren und Basen hat auch erhebliche Konsequenzen für die Verteilung zwischen Flüssigkeitsräumen mit unterschiedlichem pH-Wert. Ein Konzentrationsausgleich kann sich nur zwischen den zur Membranpermeation fähigen Nicht-Ionen ausbilden. Die Gesamtkonzentration (ionisierte + nichtionisierte Form) ist daher auf der Seite der stärkeren Ionisation größer als auf der Seite der geringeren Ionisation (Abb. 1.25). Basische Pharmaka häufen sich in dem Raum mit +

der höheren H -Konzentration und saure Pharmaka in dem Raum mit der +

niedrigeren H -Konzentration an. Man spricht vom Ionenfallen-Prinzip (ion trapping). Es ist von großer Bedeutung für die Verteilung ionisierbarer Pharmaka zwischen Mageninhalt und den Zellen der Magenschleimhaut sowie Tubulusharn und Blut (s. S. 59), da an diesen Stellen besonders große pH-Unterschiede auftreten können.

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. Tabelle 1.5 Octanol/Wasser-Verteilungskoeffizienten von Pharmaka Decamethonium* Tubocurarin* Morphin Acetylsalicylsäure Digoxin Phenobarbital Clonidin Atropin Digitoxin Penicillin V Halothan Oxacillin Propicillin Estradiol Thiopental Chlorpromazin

*

< 0,002 0,008 5 17 18 30 60 63 70 110 200 220 450 490 1200 > 100 000

quartäre Verbindung Mit Ausnahme der quartären Verbindungen beziehen sich die Werte auf die nichtionisierte Substanz. Daten aus Hansch und Leo: Substituent Constants for Correlation Analysis in Chemistry and Biology, John Wiley, New York 1979.

Filtration Während bei der Diffusion nur die gelösten Teilchen in Bewegung sind, wandert bei der Filtration das Lösungsmittel zusammen mit den gelösten Teilchen durch die Membran (s. Abb. 1.23). Soweit diese Teilchen die Membran frei passieren können, entspricht ihre Konzentration im Filtrat der Konzentration der Ausgangslösung. Die Flüssigkeitsbewegung wird durch unterschiedlich hohen hydrostatischen Druck oder unterschiedlich hohe Osmolarität auf den beiden Seiten der Membran ausgelöst. Beide Kräfte können, wie z.B. an den Kapillaren, einander entgegengerichtet sein, so dass es beim Überwiegen der hydrostatischen Kräfte im arteriellen Teil zu einem Nettotransfer von Flüssigkeit aus dem Gefäß und beim Überwiegen der kolloidosmotischen Kräfte im venösen Teil zu einem Rückfluss kommt (s. Abb. 20.7, S. 501).

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. Die Filtration im Glomerulus der Niere ist der erste Schritt bei der renalen Ausscheidung eines Pharmakons. Auch hierbei ist die Molekülgröße von entscheidender Bedeutung, da der Transport durch „Poren“ zwischen den Endothelzellen erfolgen muss. Die „Poren“ sind aber so groß, dass auch relativ große Teilchen filtriert werden können (s. S. 59f.).

Carriervermittelter Transport Viele von Zellen benötigte hydrophile Substanzen, wie z.B. Hexosen und Aminosäuren, sind zu groß, um durch „Poren“ der Zellmembran permeieren zu können. Sie werden an spezielle Trägermoleküle (Carrier, Transporter) gebunden und mit ihnen durch die Zellmembran transportiert. Wenn die treibende Kraft ein Konzentrationsgradient ist, wie z.B. beim Transport von Glucose durch die Erythrocytenmembran oder die kontraluminale Membran der Enterocyten, so bezeichnet man dies als erleichterte Diffusion (facilitated diffusion). Erfolgt der Transport „bergauf“, d.h. unter Energieverbrauch entgegen einem Konzentrationsgradienten, wie z.B. durch die luminale Membran der Enterocyten, so spricht man von einem aktiven Transport (s. Abb. 1.23). Ein carriervermittelter Transport ist sättigbar und weist oft eine hohe strukturelle Spezifität auf, z.B. für eines von zwei Enantiomeren. Eine strukturelle Ähnlichkeit zwischen einer zum Transport vorgesehenen körpereigenen Substanz und einem Arzneistoff ist selten (z.B. Uracil und das Cytostatikum 5-Fluorouracil, S. 939; vgl. auch Abb. 1.22, S. 37). Größere praktische Bedeutung hat dieser Mechanismus aber dort, wo die Spezifität des Carriers nicht sehr hoch ist. Dies ist z.B. der Fall beim Transport indirekt wirkender Sympathomimetika in noradrenerge Axone (s. Abb. 4.6, S. 186). Weitere Beispiele sind die Sekretionsmechanismen der Nierentubuli (s. S. 59) und der gallebildenden Leberzellen (s. S. 60). Von besonderem Interesse für die Pharmakokinetik sind sog. ABC-Transporter wie das vom MDR1-Gen codierte P-Glykoprotein (Pgp), die im Abschnitt 1.4.5 genauer besprochen werden. Diese sind nicht nur an der intestinalen, renalen und biliären Elimination von Pharmaka beteiligt, sondern auch an ihrer Verteilung. Das Vorkommen von Pgp in Hirnkapillaren erklärt die früher nicht so recht verständliche Tatsache, dass manche lipophile Pharmaka wie z.B. Loperamid (s. S. 250) die Blut-Hirn-Schranke nicht nennenswert durchdringen: sie werden nach Diffusion in die Endothelzelle durch Pgp wieder ins Kapillarlumen zurücktransportiert! Angemerkt sei

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. schließlich noch, dass eine Konkurrenz an Transportern wie Pgp wahrscheinlich bei vielen Arzneimittelinteraktionen (mit) beteiligt ist.

Vesikulärer Transport Von der Zellmembran können sich unter ATP-Verbrauch Vesikel abschnüren und in das Zellinnere wandern (Endocytose) (s. Abb. 1.23). Durch Endocytose können auch sehr große Moleküle in die Zelle gelangen. Umgekehrt können intrazelluläre Vesikel mit der Zellmembran fusionieren und dabei die in ihnen enthaltenen Moleküle nach außen freigeben (Exocytose). Ein transzellulärer Transport, d.h. Aufnahme durch Endocytose an der einen Zellwand und Abgabe durch Exocytose an der gegenüberliegenden Zellwand, wird auch als Transcytose bezeichnet. Von besonderer physiologischer Bedeutung ist die rezeptorvermittelte Endocytose, z.B. von Lipoproteinen (LDL) oder Transferrin, die eine Bindung der zu transportierenden Substanz an Membranrezeptoren mit hoher Spezifität voraussetzt. Wegen ihrer relativ niedrigen Transportkapazität spielen vesikuläre Transportmechanismen für die Aufnahme von Pharmaka nur eine geringe Rolle. Bedeutung haben sie unter Umständen für die Aufnahme großer Moleküle, für deren Wirkung bereits sehr kleine Mengen ausreichen (z.B. Allergene, Botulinustoxin).

1.4.2 Aufnahme von Pharmaka in den Organismus – Resorption Um systemisch wirken zu können, muss ein Pharmakon zunächst in die Blutbahn gelangen und von dort aus zu seinen Wirkorten transportiert werden. Nur bei intravasaler Gabe gelangt ein Pharmakon direkt ins Blutplasma. Bei allen anderen Applikationsformen muss es vom Applikationsort erst ins Blutplasma aufgenommen werden. Dieser Vorgang wird als Resorption bezeichnet. Die Resorption von Pharmaka wird nicht nur von den für die Permeation biologischer Membranen beschriebenen Gesetzmäßigkeiten bestimmt. Eine wichtige Rolle für Ausmaß und Geschwindigkeit der Resorption spielt auch die Arzneiform (s. Abschnitt 1.6).

Parenterale Applikation Als „parenterale“ Gabe wird üblicherweise die Injektion eines Pharmakons bezeichnet, obwohl der Darm (griechisch ɛντɛρoν) auch bei anderen Applikationsarten als Resorptionsort umgangen wird. Wenn ein Arzneistoff

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. nicht genügend aus dem Darm resorbiert wird oder gegenüber Magensäure bzw. Enzymen des Verdauungstrakts nicht beständig ist, kann eine parenterale Gabe angezeigt sein. Dies gilt auch bei Erbrechen, starker Diarrhö oder bei bewusstlosen Patienten. Die parenterale Anwendung ist außerdem unabhängig von der Verlässlichkeit des Patienten bei der Einnahme (Compliance).

Intravenöse Injektion Wird ein Pharmakon i.v. verabreicht, steht die gesamte Menge unmittelbar im Organismus zur Verfügung und kann so unter Umständen bereits wenige Sekunden nach Injektion ihre Wirkung entfalten. Grundsätzlich sollte eine i.v. Injektion nicht zu schnell erfolgen. Die bei einer Injektion „im Schuss“ entstehende hohe Konzentrationswelle (Bolus) im Blut kann zu unerwünschten Wirkungen führen. Nach der Injektion ist der Konzentrationsverlauf im Blut nicht mehr beeinflussbar, sondern wird von Verteilung und Ausscheidung bestimmt. Eine bessere Steuerbarkeit der Konzentration im Blut lässt sich mit einer i.v. Infusion erreichen. Durch Veränderung der Infusionsgeschwindigkeit kann die Zufuhr dem Bedarf angepasst werden.

Abb. 1.26 A) Intravenöse und B) intraarterielle Injektion eines Pharmakons.

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Bei A) wird das Pharmakon durch das zuströmende venöse Blut sehr schnell verdünnt. Bei B) gelangt das Pharmakon in hoher, u.U. endothelschädigender Konzentration in die arteriellen Endgefäße.

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. Erfolgt eine i.v. Injektion langsam genug, so werden auch Pharmaka, die stark gewebereizend sind, erstaunlich gut vertragen. Der Grund liegt in der schnellen Verdünnung, die das venöse Blut auf seinem Weg zum Herzen durch Zustrom aus einmündenden Venenästen erfährt (Abb. 1.26). Wird jedoch ein solches Pharmakon intraarteriell (i.a.) injiziert, so gelangt es in unverändert hoher Konzentration in die Endstrombahn. Bei versehentlicher i.a. Injektion von Thiobarbituraten kann es z.B. zu einer Nekrose der betreffenden Extremität kommen.

Intraarterielle Injektion Die intraarterielle Injektion wird angewandt, wenn das Pharmakon gezielt in bestimmte Gefäßgebiete gebracht werden soll. Dies ist z.B. der Fall bei der Gefäßdarstellung durch Röntgenkontrastmittel (s. Kap. 35). Auch Cytostatika werden manchmal in eine Arterie, die den Tumor versorgt, injiziert. Damit will man unerwünschte Wirkungen auf andere Körperzellen verringern.

Intramuskuläre und subkutane Injektion Nach i.m. oder s.c. Injektion muss ein Pharmakon von der Injektionsstelle aus erst zu den Kapillaren diffundieren; die Wirkung tritt daher langsamer ein als nach i.v. Gabe. Wichtige Determinanten der Resorptionsgeschwindigkeit sind darüber hinaus die Löslichkeit des Pharmakons am Injektionsort und die lokale Durchblutung. Besonders rasch erfolgt die Resorption aus wässrigen Lösungen. Umgekehrt kann man die Resorption verzögern, indem man das Pharmakon in einer wenig wasserlöslichen Form injiziert. Beispiele dafür sind Procain-Penicillin oder Zink-Insulin. Ein über mehrere Wochen anhaltender Depoteffekt lässt sich durch Injektion lipophiler Pharmaka in öliger Lösung erzielen, etwa bei Fettsäureestern der Sexualhormone (vgl. S. 684). Bei schlechter Durchblutung des Gewebes am Injektionsort kann die Resorption erheblich verzögert sein. So hat man beobachtet, dass im cardiogenen Schock nach Herzinfarkt s.c. verabreichtes Morphin „unwirksam“ sein kann. Nach i.m. und s.c. Injektion werden auch größere hydrophile Moleküle wie Heparin (MM ≈ 20 000) in die Blutbahn aufgenommen. Die

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. Geschwindigkeit des Durchtritts verringert sich allerdings stark mit zunehmender Molekülgröße. So ist die Permeabilität der Muskelkapillaren für Plasmaalbumin (MM 69 000) 10 000-mal kleiner als für Glucose (MM 180). Während ein Pharmakon bei i.v. Injektion rasch verdünnt wird (Abb. 1.26), bleibt es bei i.m. und s.c. Injektion unter Umständen längere Zeit in hoher Konzentration am Injektionsort. Die Gefahr einer lokalen Reizung bzw. Schädigung ist daher wesentlich größer. Zur i.v. Injektion bestimmte Lösungen dürfen nicht ohne weiteres auch i.m. oder s.c. injiziert werden. Die Lösungen sollten ausdrücklich für diesen Verwendungszweck deklariert sein, denn vor allem bei s.c. Injektion können schon relativ kleine +

Abweichungen von der Isotonie oder der physiologischen H -Konzentration zu Gewebeschädigungen und Nekrosen führen. Umgekehrt dürfen Depotpräparate, die Suspensionen fester Teilchen oder ölige Lösungen enthalten, niemals i.v. oder i.a. injiziert werden, da sie kleine Gefäße verlegen würden (Mikroembolien). Diese Gefahr besteht auch, wenn durch unsachgemäßes Vorgehen bei der i.m. Injektion versehentlich in ein Blutgefäß injiziert wird.

Resorption durch die Lunge Über die Lungen können nicht nur gasförmige, sondern auch feste und flüssige Stoffe resorbiert werden, wenn sie in fein verteilter Form als Aerosol (fest = Staub, flüssig = Nebel) vorliegen. Dabei spielt die Größe der Teilchen eine wichtige Rolle. Teilchen mit einem Durchmesser von > 10 μm erreichen nur die oberen Atemwege. Teilchen mit einem Durchmesser von 2 bis 10 μm gelangen in die kleinen Bronchien sowie in die Bronchiolen, und Teilchen unter einem Durchmesser von 2 μm dringen bis in die Alveolen vor. Der Stoffaustausch in der Lunge erfolgt an der Alveolarmembran. Die 2

gesamte Alveolarfläche wird auf etwa 90 m geschätzt. Wegen dieser großen Austauschfläche und der starken Durchblutung können Pharmaka in der Lunge rasch resorbiert werden. Auch die Diffusionswege sind sehr kurz, da die Alveolarmembran nur aus Alveolarepithel und Kapillarendothel besteht (s.o., Tab. 1.4, S. 37). Die Wirkung kann daher sehr rasch einsetzen, vergleichbar dem Wirkungseintritt nach i.v. Injektion. Ein berüchtigtes Beispiel ist die Resorption von Cocain beim Rauchen als „Crack“ (s. S. 344). Auch wenn nur eine lokale Therapie im Bereich der Bronchien beabsichtigt ist, können nach Inhalation von Pharmaka systemische Wirkungen auftreten.

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Weitere Faktoren, die die Geschwindigkeit der Aufnahme von Gasen in der Lunge bestimmen, werden auf S. 265ff. diskutiert.

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Resorption aus dem Verdauungstrakt Allgemeine Gesichtspunkte Die einzelnen Abschnitte des Verdauungstrakts unterscheiden sich erheblich im Hinblick auf die für die Resorption zur Verfügung stehenden Oberflächen (Abb. 1.27). Aufgrund der Morphologie der Schleimhaut (Falten, Zotten, Mikrovilli) steht besonders im Dünndarm eine enorm große effektiv resorbierende Fläche zur Verfügung. Der Übertritt in die Blut- und Lymphgefäße durch die Mucosa hindurch erfolgt in der Hauptsache passiv durch Diffusion und wird vorwiegend von den lipophilen Eigenschaften der Pharmaka bestimmt. Die Diffusion hydrophiler Substanzen durch „Poren“ ist nur begrenzt möglich. Das erklärt z.B., warum südamerikanische Indianer das Fleisch der mit ihren Pfeilen tödlich vergifteten Beutetiere unbeschadet essen können. Das Pfeilgift Curare wirkt nach dem „parenteralen“ Pfeilschuss tödlich, wird aber als positiv geladenes hydrophiles Molekül (MM 771; Tab. 1.5) aus dem „oral“ zugeführten Steak nur in sehr kleinen, toxikologisch unbedeutenden Mengen resorbiert.

Resorption aus der Mundhöhle Lipophile Pharmaka werden rasch über die Mundschleimhaut resorbiert, wobei das Pharmakon unmittelbar in den Kreislauf gelangt, ohne vorher die Leber zu passieren. Wegen der kleinen Oberfläche ist die Resorptionskapazität der Mundschleimhaut jedoch begrenzt (Abb. 1.27). Daher eignet sich dieser Zufuhrweg nur für Pharmaka, die bereits in kleinen Dosen wirksam sind. Eine Zufuhr über die Mundschleimhaut kommt vor allem in Betracht, wenn die Aufnahme in das systemische Blut aus dem Darm durch eine „präsystemische“ Metabolisierung (S. 44) unzureichend ist (z.B. Glyceroltrinitrat).

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. Abb. 1.27 Resorbierende Fläche in den Abschnitten des Verdauungstrakts

(Schätzwerte nach Scheler: Allgemeine Pharmakologie, G. Fischer, Jena 1969).

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. Tabelle 1.6 Die enterale Resorption von Pharmaka beeinflussende Faktoren 1. Substanzeigenschaften Wasserlöslichkeit Lipophilie (Verteilungskoeffizient) Molekülmasse Säure-/Basencharakter, pKa 2. Galenik Zerfall der Arzneiform (Desintegrationszeit) Löslichkeit und Lösungsgeschwindigkeit Galenische Hilfsstoffe 3. Anatomie, Physiologie Oberfläche des Magen-Darm-Trakts Durchblutung des Magen-Darm-Trakts pH-Verhältnisse im Magen-Darm-Trakt Magenentleerungszeit Passagezeit im Darm „Präsystemischer“ Metabolismus in Darm und Leber 4. Beeinflussung der Resorption durch andere Stoffe Andere Pharmaka Nahrungsaufnahme

Eine besonders rasche Resorption lässt sich durch Zerbeißkapseln erreichen, die den Wirkstoff in gelöster Form enthalten (z.B. Glyceroltrinitrat-Kapseln). Die Kapsel wird vom Patienten zerbissen und der flüssige Inhalt möglichst lange im Mund behalten. Langsamer erfolgt die Resorption aus Sublingual- bzw. Buccaltabletten, kleinen Tabletten, die unter die Zunge oder zwischen Wangenschleimhaut und Oberkiefer gelegt werden und sich dort langsam auflösen.

Resorption nach oraler Gabe Am häufigsten werden Pharmaka „oral verabreicht“ (gemeint ist: geschluckt), so dass sie aus dem Magen-Darm-Trakt resorbiert werden müssen. Ausmaß und Geschwindigkeit der enteralen Resorption hängen von einer Vielzahl von Faktoren ab (Tab. 1.6). Resorption aus dem Magen: Da Ionen nicht lipophil sind, können Pharmaka, die im sauren Magensaft ionisiert sind, nur beschränkt resorbiert werden. Dies betrifft vor allem stärker basische Pharmaka und starke Säuren. Saure Pharmaka können sich nach oraler Gabe infolge der

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. pH-Differenz zwischen Magensaft und Mucosazelle in der Schleimhaut anreichern (s.o., Abb. 1.25). Dies ist neben der Hemmung der Cyclooxygenase (S. 235f.) mit verantwortlich für die bei Salicylsäure und anderen Säuren aus der Gruppe der nichtsteroidalen Antirheumatika beobachtete Schädigung der Magenschleimhaut. Manche Pharmaka, wie

42 43

+

z.B. die nicht-säurebeständigen Penicilline, werden durch die hohe H -Konzentration im Magensaft zerstört.

Tabelle 1.7 Beeinflussung der Magenentleerung Verlangsamt durch Fettreiche Kost

Beschleunigt durch Große Flüssigkeitsmengen

Feste Nahrung

Liegen auf der rechten Seite Duodenalulcus

Sehr warme Nahrung Übergewicht Liegen auf der linken Seite Migräne Herzinfarkt Wehen Trauma, Schmerzen Pharmaka (Beispiele) Muscarinrezeptor-Antagonisten

Parasympathomimetika

Tricyclische Antidepressiva

Metoclopramid

Opiate Aluminiumhydroxid

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. Abb. 1.28 Magenentleerung und Resorption I.

Der Anstieg der Plasmakonzentration nach oraler Verabreichung von Paracetamol erfolgt parallel zur Magenentleerung (oberes Bild). Wird die Magenentleerung verlangsamt, wie hier durch Pethidin (unteres Bild), so verzögert sich auch die Resorption von Paracetamol (nach Nimmo et al.: Brit. J. Clin. Pharmacol. 2, 509; 1975).

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. Abb. 1.29 Magenentleerung und Resorption II.

Bei einer Patientin wurden nach oraler Gabe von Acetylsalicylsäure die Plasmakonzentrationen während zweier Migräneattacken und an zwei beschwerdefreien Tagen gemessen. Im akuten Migräneanfall ist die Magenentleerung verzögert, entsprechend steigt die Salicylat-Plasmakonzentration nur langsam an. Bei einer anderen Migräneattacke erhielt die Patientin zusätzlich Metoclopramid i.m. Dadurch wurde die Magenentleerung gefördert, und es ließen sich praktisch die gleichen Plasmakonzentrationen messen wie im beschwerdefreien Intervall (nach Volans: Brit. J. Clin. Pharmacol. 2, 57; 1975). Wegen der relativ kleinen Resorptionsfläche (Abb. 1.27) und der im Vergleich zum Dünndarm wesentlich geringeren Vaskularisation ist die Resorption von Pharmaka aus dem Magen quantitativ von geringerer Bedeutung. Je schneller der Mageninhalt weitertransportiert wird, desto schneller gelangt das Pharmakon in den für die Resorption wichtigeren Dünndarm. Eine große Rolle für die Schnelligkeit des Wirkungseintritts spielt daher die Entleerungszeit des Magens, die durch viele Faktoren beeinflusst wird (Tab. 1.7). Pharmaka, die die Magenentleerung verlangsamen, können daher auch die Resorption eines anderen Pharmakons erheblich verlangsamen (Abb. 1.28). Umgekehrt lässt sich die Förderung der Magenentleerung durch Metoclopramid dazu ausnützen, die Resorption anderer Pharmaka zu beschleunigen (Abb. 1.29).

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. Resorption aus dem Darm: Der Hauptresorptionsort für Pharmaka nach oraler Gabe ist wegen seiner großen Oberfläche (Abb. 1.27) und seiner starken Vaskularisation der Dünndarm. Die Resorption im Dickdarm hat wegen seiner kleineren resorbierenden Oberfläche quantitativ nur geringe Bedeutung. Außerdem gelangen viele Pharmaka nach oraler Anwendung kaum noch in den Dickdarm, weil sie bereits im Dünndarm fast vollständig resorbiert werden. Eine Sonderstellung nehmen die Retardformen ein, aus denen auch im Dickdarm noch größere Mengen der Pharmaka freigesetzt werden können. Auch wenn die Passage im Dünndarm beschleunigt ist (z.B. durch Diarrhö oder Laxantien), kann die Resorption im Dickdarm an Bedeutung gewinnen. Werden Pharmaka im Verhältnis zur Passagezeit des Dünndarms (ca. 7 Stunden mit erheblichen interindividuellen Unterschieden) rasch resorbiert, ist die resorbierte Menge praktisch unabhängig von der Passagezeit im Darm. Bei Retardzubereitungen, aus denen ein Pharmakon nur langsam in Lösung geht und langsam resorbiert wird, kann das Ausmaß der Resorption dagegen erheblich durch unterschiedliche Passagezeiten beeinflusst werden.

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Tabelle 1.8 Beispiele von Pharmaka, die präsystemisch metabolisiert werden Substanz Acetylsalicylsäure Ciclosporin Dihydroergotamin L-Dopa Ergotamin Estradiol Glyceroltrinitrat Hydralazin Imipramin Isoprenalin Isosorbiddinitrat Lidocain Metoprolol Medazepam Norfenefrin Nortriptylin Pentazocin Pethidin Propranolol Tacrolimus Verapamil

hepatisch + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +

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gastrointestinal + +       +       +                   + +

Nach Klotz: Einführung in die Pharmakokinetik, Govi-Verlag, 1988. Präsystemische Elimination und First-pass-Effekt: Beim Durchtritt durch die Mucosa von Magen und Dünndarm können Pharmaka in erheblichem Ausmaß metabolisiert werden (intestinaler First-pass-Effekt). Nach Durchtritt durch die Mucosa gelangt ein Pharmakon mit dem Pfortaderblut in die Leber. Manche Pharmaka werden von der Leber so rasch aufgenommen und metabolisiert, dass ein großer Anteil bereits bei der ersten Passage („first pass“) durch die Leber weitgehend aus dem Blut entfernt wird (hepatischer First-pass-Effekt). Bei solchen Pharmaka gelangt auch bei vollständiger Resorption aus dem Darm ins Pfortaderblut nur ein Bruchteil der oral zugeführten Dosis in den systemischen Kreislauf. So erklärt es sich, dass beispielsweise die orale Dosis von Propranolol um ein Vielfaches höher sein muss als die parenterale. Durch Erhöhung der oralen Dosis lässt sich ein First-pass-Effekt allerdings nicht immer überspielen.

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. Um trotz des hepatischen First-pass-Effekts therapeutisch wirksame Konzentrationen im systemischen Blut zu erreichen, müsste man Lidocain per os in so hohen Dosen verabreichen, dass zu hohe Konzentrationen toxischer Metaboliten entstehen würden. Weitere Beispiele von Pharmaka mit präsystemischer Elimination sind in Tab. 1.8 zusammengestellt. Einfluss von Magen- und Darminhalt: Gleichzeitige Nahrungsaufnahme wirkt sich durch Verzögerung der Magenentleerung und Adsorption an Nahrungsbestandteile oft hemmend auf die Resorptionsgeschwindigkeit von Pharmaka aus (Tab. 1.7). Andererseits kann die Resorption lipophiler Pharmaka, die wegen geringer Wasserlöslichkeit nur schlecht resorbiert werden, durch Einnahme mit fettreicher Nahrung erheblich zunehmen. 2+

2+

2+

Tetracycline bilden mit polyvalenten Kationen (Ca , Mg , Fe ) schwer lösliche Komplexe. Daher wird ihre Resorption bei gleichzeitiger Einnahme von Antazida oder Eisenpräparaten erheblich vermindert. Auch Milch hemmt die Resorption einiger Tetracycline, was durch Chelatbildung mit 2+

den in der Milch enthaltenen Ca -Ionen erklärt wird. Die Resorption der neueren Tetracycline Doxycyclin und Minocyclin wird aber durch Milch nicht beeinträchtigt. Diese Beispiele zeigen, dass die Resorption von Pharmaka nach oraler Gabe einer Vielzahl von Einflussfaktoren unterworfen ist, deren Auswirkung im Einzelfall schwer abzuschätzen ist. Grundsätzlich lassen sich solche Interaktionen vermeiden, wenn das Pharmakon in genügendem zeitlichem Abstand (ca. 2 Stunden) von der Nahrungsaufnahme bzw. anderen Pharmaka eingenommen wird. Allerdings werden viele Pharmaka bei Einnahme auf nüchternen Magen schlecht vertragen.

Resorption aus dem Rektum Wegen der geringen resorbierenden Oberfläche des Rektums (Abb. 1.27) und schwer kontrollierbarer Einflussfaktoren wie Füllungszustand und Defäkation ist die Resorption aus dem Rektum unzuverlässig. Damit ist diese Applikationsform ungeeignet für Arzneistoffe, bei denen es auf eine exakte Dosierung ankommt, wie z.B. Arzneistoffe mit geringer therapeutischer Breite. Eine ausreichende und reproduzierbare Resorption ist am ehesten bei lipophilen Pharmaka in geeigneter galenischer Zubereitung zu erwarten. Wenn die orale Einnahme z.B. wegen Erbrechen oder Übelkeit nicht möglich ist, kann eine rektale Applikation sinnvoll sein.

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. Da das venöse Blut aus den unteren Abschnitten des Rektums nicht durch die Leber fließt, lässt sich ein hepatischer First-pass-Effekt (s.o.) durch rektale Applikation (teilweise) umgehen.

Resorption über andere Schleimhäute Auch über andere Schleimhäute als die des Gastrointestinaltrakts werden lipophile Substanzen gut resorbiert. Dies ist z.B. bei der Anwendung von Augentropfen zu bedenken. Auch wenn nur die lokale Anwendung beabsichtigt ist, muss mit einer systemischen Wirkung gerechnet werden, zumal die Resorption nicht nur über die Conjunctiva, sondern – nach Passage des Tränenkanals – auch über die stark vaskularisierte Nasenschleimhaut erfolgt. Zwar sind die in den Konjunktivalsack eingebrachten Flüssigkeitsmengen von 1 bis 2 Tropfen recht gering, doch wegen zum Teil sehr hoher Konzentrationen sind in diesem Volumen oft erhebliche Wirkstoffmengen enthalten (Tab. 1.9). Blutdrucksenkungen wurden bei der Anwendung von Clonidin-Augentropfen beobachtet, Bradycardien sowie Asthmaanfälle bei der Anwendung von Timolol-Augentropfen, Asthmaanfälle auch bei Pilocarpin-Tropfen.

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Tabelle 1.9 Vergleich des Wirkstoffgehalts von Augentropfen und anderen Zubereitungen Wirkstoff   Atropin

Zubereitung und Wirkstoffgehalt Augentropfen Tabletten Ampullen 5–10 mg/mL (0,5–1 0,5 mg 0,5–2 mg/mL mg) Clonidin 1,25–5 mg/mL 0,075–0,3 mg 0,1 mg/mL (0,125–0,5 mg) Timolol 1–5 mg/mL (0,1–0,5 10 mg   mg) Pilocarpin 5–40 mg/mL (0,5–4     mg) Die Wirkstoffkonzentration in Augentropfen ist meist sehr hoch, so dass in dem üblichen Applikationsvolumen von 1–2 Tropfen beträchtliche Mengen enthalten sind. Cave: akzidentelle Intoxikation bei Kindern! Die Zahlen in Klammern ergeben sich für den Wirkstoffgehalt in 2 Tropfen unter der Annahme, dass 20 Tropfen 1 mL entsprechen.

Systemische Wirkungen können ebenfalls bei lokaler Anwendung an der Nasenschleimhaut eintreten. Aus diesem Grund werden ja Cocain und Tabak

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. geschnupft. Auch schleimhautabschwellende Nasentropfen können vor allem bei Säuglingen systemische Wirkungen haben (s. S. 186). Interessanterweise permeieren selbst hydrophile Substanzen mit höherem Molekulargewicht die Nasenschleimhaut in gewissem Ausmaß. Bei Versuchen mit intranasal appliziertem Insulin (MM < 6000) hat man festgestellt, dass je nach verwendeten galenischen Hilfsstoffen zwischen 2 und 60% resorbiert werden. Als praktikabel hat sich die Zufuhr über die Nasenschleimhaut bei der Therapie mit bestimmten Peptidhormonen erwiesen (Oxytocin, Desmopressin, Gonadorelin, Buserelin u.a.). Auch über die Schleimhaut der Harnblase können Pharmaka resorbiert werden. Wenn bei Blasenspülungen die Spülflüssigkeit nicht vollständig entleert wird, kann es zu systemischen Wirkungen kommen. Tödliche Vergiftungen wurden bei der Verwendung von Borsäurelösungen als Spülflüssigkeit beobachtet. Zur Oberflächenanästhesie von Schleimhäuten angewandt, werden Lokalanästhetika unter Umständen in toxischer Menge resorbiert; Maximaldosen sind daher auch bei dieser Applikationsweise zu berücksichtigen (s. S. 260, Tab. 8.3).

Resorption über die Haut Lipophile Pharmaka können auch über die Haut resorbiert werden. Man hat sich dies durch die Einführung so genannter transdermaler therapeutischer Systeme zunutze gemacht (vgl. Abschn. 1.6). Hydrophile und höhermolekulare Pharmaka werden aber kaum oder gar nicht aufgenommen. Die Wirkung von hydrophilen Desinfektionsmitteln, z.B. der Invertseifen, bleibt auf die Hautoberfläche beschränkt, während die lipophilen Phenole resorbiert werden und damit toxische Wirkungen im Organismus verursachen können. Im Vergleich zu den Schleimhäuten ist die Resorption durch die Haut wesentlich geringer. Haupthindernis ist das verhornte Epithel (Stratum corneum) mit seinem relativ geringen Wassergehalt von 5 bis 10% gegenüber 70% im Corium. Ist das Epithel z.B. bei einer Verbrennung beseitigt, kann die Resorption stark zunehmen. Auch bei erythematösen oder exfoliativen Veränderungen ist die Permeabilität der Haut um ein Vielfaches erhöht. Durch Abdecken der Haut mit wasserundurchlässigen Salben oder Folien (Okklusivverbände) lässt sich der Wassergehalt der oberen Hautschicht vermehren und die Resorption verbessern. Als weitere Möglichkeit bietet sich

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. die Anwendung hyperämisierender Substanzen (z.B. Benzylnicotinat) oder von „Schleppersubstanzen“ (DMSO = Dimethylsulfoxid) an.

1.4.3 Verteilung von Pharmaka Verteilungsräume Ist ein Pharmakon durch intravasale Applikation oder durch Resorption ins Blut gelangt, so hat es Gelegenheit, sich mit dem Blutstrom im Körper zu verteilen. In welche Verteilungsräume es dabei eintritt, das hängt einerseits von seinen physikalisch-chemischen Eigenschaften wie Molekülgröße und Lipophilie, andererseits von den Eigenschaften der begrenzenden biologischen Membranen ab. Von prinzipieller Bedeutung sind dabei der intravasale, der interstitielle und der intrazelluläre Raum (Abb. 1.30). Lipophile Pharmaka können den Intravasalraum rasch verlassen. Von besonderen Fällen (Blut-Hirn-, Blut-Hoden-Schranke) abgesehen, können auch hydrophile Pharmaka das Kapillarendothel passieren, wobei größere Moleküle (MM > 90–120) auf den parazellulären Weg angewiesen sind, auf dem auch Moleküle mit einer MM von 80 000 (z.B. Transferrin) permeieren können. Die meisten Pharmaka können sich somit zumindest im extrazellulären Flüssigkeitsraum verteilen.

Organdurchblutung und Verteilung Nach einer i.v. Injektion gelangt ein Pharmakon mit dem Blutstrom zunächst bevorzugt in die am stärksten durchbluteten Organe (Abb. 1.31). Handelt es sich um ein Pharmakon, das rasch in die Gewebe permeieren kann, so wird es initial in den gut durchbluteten Organen weit höhere Konzentrationen erreichen als in den weniger gut durchbluteten. Erst in der späteren Phase der Verteilung kommt es zum Ausgleich. Das bedeutet, dass im Anschluss an die initiale Verteilung eine Umverteilung aus den gut durchbluteten in die weniger gut durchbluteten Organe stattfindet. Besitzen die weniger gut durchbluteten Gewebe eine größere Speicherkapazität für das Pharmakon, kann die Verschiebung so beträchtlich werden, dass eine initial in den stark durchbluteten Geweben aufgetretene Wirkung durch Umverteilung schnell aufhört, obwohl von der verabfolgten Dosis noch kaum etwas eliminiert wurde. Eine solche Umverteilung ist z.B. für die rasche Beendigung der Narkosewirkung nach i.v. Injektion von Thiobarbituraten verantwortlich (vgl. Abb. 9.11, S. 276).

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. Abb. 1.30 Relative Größe der Verteilungsräume in % des Körpergewichts.

Setzt man die Konzentration eines Pharmakons, das sich nur im Plasmaraum verteilt, (c1) = 100%, so ergibt sich für die Verteilung der gleichen Dosis auf Plasmaraum + interstitieller Raum eine Konzentration (c2) von 25%. Sie erniedrigt sich auf ca. 8% (c3), wenn die gleiche Dosis auf den ganzen Körperwasserraum verteilt wird.

Bindung an Plasmaproteine Die meisten Pharmaka werden im Plasma in mehr oder weniger hohem Ausmaß reversibel an Proteine gebunden. Eine besondere Rolle kommt hierbei dem Albumin zu, das vor allem für saure Pharmaka wie Phenprocoumon, Phenylbutazon und Salicylsäure eine hohe Affinität besitzt.

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. Pharmaka können aber auch an andere Proteine des Plasmas gebunden werden. Für die Bindung von lipophilen basischen Pharmaka wie Chinidin, Propranolol, Imipramin spielt vor allem das saure α1-Glykoprotein eine Rolle.

Abb. 1.31 Durchblutung verschiedener Organe sowie Anteil dieser Organe am Körpergewicht.

−1

−1

Organdurchblutung in mL · min · kg (schwarze Zahlen). Der prozentuale Anteil am Herzminutenvolumen ist daneben in Klammern aufgeführt. Die roten Zahlen neben den Organbezeichnungen geben den Anteil des Organs am Körpergewicht wieder. Die grauen Flächen veranschaulichen die relativen Größenverhältnisse. Die Werte wurden aus stark voneinander abweichenden Literaturangaben gemittelt und können daher nur ein ungefähres Bild der Größenordnungen vermitteln. Die Darstellung zeigt, dass im großen Kreislauf über 60% des Herzzeitvolumens durch gut durchblutete Organe wie Herzmuskel, Nieren, Gehirn, Milz, Leber und Magen-Darm-Trakt fließen, obwohl diese Organe zusammen nur 6% des Körpergewichts ausmachen. Dagegen fließen durch die weniger gut durchbluteten Organe Haut, Skelettmuskel, Fett- und Bindegewebe, die über 70% des Körpergewichts ausmachen, nur 23% des Herzzeitvolumens.

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. Die Bindung an Proteine lässt sich durch Assoziationskonstanten und maximale Bindungskapazitäten charakterisieren. Bei der Mehrzahl der Pharmaka ist der gebundene Anteil im therapeutischen Konzentrationsbereich praktisch konstant. Für praktische Zwecke begnügt man sich daher häufig mit der Angabe des gebundenen Anteils (in Prozent). Einige Beispiele finden sich in Tab. 1.10. Der an Proteine gebundene Anteil stellt gleichsam ein „Reservoir“ dar. Der große, wenig lipophile Protein-Pharmakon-Komplex kann biologische Membranen kaum permeieren und daher im Allgemeinen weder zum Wirkort gelangen noch ausgeschieden werden. Eine hohe Plasmaproteinbindung kann daher die Elimination eines Pharmakons verlangsamen. Da sich das Gleichgewicht zwischen gebundenem und freiem Anteil aber sehr rasch (innerhalb von Millisekunden) einstellt, werden bei einer Abnahme der freien Konzentration gebundene Pharmakonmoleküle wieder aus der Bindung freigesetzt. Pharmaka, die sehr schnell aus dem Leberblut in die Leberzellen aufgenommen (First-pass-Effekt) oder in den Nierentubuli sezerniert werden, werden daher trotz hoher Plasmaproteinbindung rasch ausgeschieden. So wird z.B. Verapamil, das im Plasma zu 90% an Proteine gebunden ist, bei der Leberpassage zu 80% aus dem Blut entfernt. Oxacillin wird trotz einer Plasmaproteinbindung von 90% sehr rasch über die Niere ausgeschieden.

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Tabelle 1.10 Plasmaproteinbindung von Pharmaka Pharmakon Phenprocoumon Diazepam Phenylbutazon Digitoxin Propranolol Phenytoin Chinidin Disopyramid Phenobarbital Digoxin Gentamicin

*

Gebundener Anteil (in%) 99 98 90–98* 95 95 90 80 28–68* 50 25 < 10

Gebundener Anteil konzentrationsabhängig

Das Ausmaß der Plasmaproteinbindung kann durch eine Reihe von Faktoren verändert werden. Eine verringerte Bindung vieler Pharmaka findet man beispielsweise bei Neugeborenen und bei Erkrankungen der Nieren und der

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. Leber. Die Konzentration des sauren α1-Glykoproteins und damit die Bindung lipophiler Basen kann bei Entzündungen, Tumoren und Herzinfarkt zunehmen. Außerdem können sich Pharmaka gegenseitig aus ihrer Bindung verdrängen. Auf die sich aus einer Änderung der Plasmaproteinbindung ergebenden Konsequenzen wird später eingegangen (s. S. 75f.).

Bindung und Speicherung im Gewebe Außer an Plasmaproteine können Pharmaka auch erheblich an Gewebe gebunden werden. Berücksichtigt man, dass allein die Muskulatur ca. 40% des Körpergewichts ausmacht, so ist klar, dass der Gewebebindung theoretisch eine größere quantitative Bedeutung zukommt als der Plasmaproteinbindung. Da sich die Gewebebindung aber zumindest beim Menschen experimentell nur schwer bestimmen lässt, ist nicht viel darüber bekannt. Es hat sich gezeigt, dass die Bindung der meisten Pharmaka im Gewebe nicht durch eine Bindung an das extravaskuläre Albumin, das 50 bis 60% des gesamten Albuminpools ausmacht, erklären lässt. Pharmaka können an eine Vielzahl von Gewebeproteinen (z.B. kontraktile Proteine der Muskulatur; Glutathion-S-Transferase der Leber; s. S. 55) und an Membranphospholipide (Zellmembranen, endoplasmatisches Reticulum) gebunden werden. Rückschlüsse von der Plasmaprotein- auf die Gewebebindung sind daher meist nicht möglich. Lipophile Substanzen können im Fettgewebe hohe Konzentrationen erreichen. Halogenierte Kohlenwasserstoffe wie das Insektizid DDT (Chlorfenotan) akkumulieren im Fettgewebe. Dies kann innerhalb der biologischen Nahrungskette zu einer Anreicherung um mehrere Zehnerpotenzen führen (s. S. 1028). Im Knochengewebe können Substanzen wie Blei (s. S. 1016) oder Strontium gespeichert werden, die sich chemisch ähnlich wie Calcium verhalten oder wie die Tetracycline mit dem Calcium Chelate bilden.

1.4.4 Elimination von Pharmaka durch Metabolismus Bedeutung des Metabolismus für Elimination und Wirkung Der Mensch nimmt mit der Nahrung neben den für Aufbau und Energiegewinnung notwendigen Nährstoffen ca. 10 000 nicht verwertbare chemische Verbindungen (Fremdstoffe oder Xenobiotika) auf. Allein im

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. Kaffee sind mehr als 300 Substanzen identifiziert worden. Substanzbelastung und mögliche Gesundheitsgefährdung durch diese Fremdstoffe sind erheblich, da allein die tägliche Nahrung etwa 1,5 g natürliche, aus Pflanzen stammende Pestizide (z.B. Pflanzenphenole, Flavonoide, Saponine) und natürliche Karzinogene (z.B. Aflatoxine, Pyrrolizidinalkaloide, D-Limonen) enthält. In der Regel handelt es sich bei diesen Substanzen um unpolare, d.h. lipophile Verbindungen. Aufgrund ihrer Fettlöslichkeit werden sie im Gastrointestinaltrakt sehr gut resorbiert, können jedoch in unveränderter Form nur sehr langsam renal oder biliär ausgeschieden werden. Ohne chemische Veränderung würden sie daher wegen ihrer langsamen Exkretion kumulieren und den Organismus schädigen. Warum Pflanzen eine so große Zahl von Stoffen synthetisieren, die für den eigenen Energiestoffwechsel und das Wachstum bedeutungslos sind, lässt sich so erklären, dass diese Substanzen als Fraßgifte (so genannte Phytoalexine) dienen, die andere Lebewesen davon abhalten sollen, sie zu verzehren. Als Reaktion darauf haben alle Lebewesen, die auf Pflanzen als Nahrung angewiesen sind, Abwehrmechanismen in Form von Enzymsystemen entwickelt, um die mit der Nahrung aufgenommenen Phytoalexine durch Biotransformation in weniger toxische Stoffwechselprodukte zu überführen und schneller ausscheiden zu können. Wegen der unterschiedlichen chemischen Strukturen der Phytoalexine müssen die sie abbauenden Enzyme eine sehr breite Substratspezifität haben. Ihre breite Substratspezifität versetzt sie auch in die Lage, Arzneistoffe und eine Vielzahl synthetischer chemischer Verbindungen abzubauen. Deshalb werden sie als fremdstoffmetabolisierende Enzyme bezeichnet.

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. Abb. 1.32 Schema des Phase-I- und Phase-II-Arzneistoffmetabolismus.

In einer durch Cytochrom-P450-Enzyme katalysierten Oxidationsreaktion wird in den Benzolring eines lipophilen Arzneistoffs eine Hydroxygruppe eingeführt. Die Einführung dieser Hydroxygruppe ist Voraussetzung für die anschließende Konjugation mit Glucuronsäure. Aufgrund der hohen Polarität kann der glucuronidierte Metabolit im Gegensatz zur Ausgangssubstanz und zum unkonjugierten phenolischen Metaboliten renal sehr gut eliminiert werden. UGT = Uridindiphosphat-Glucuronosyltransferase Bei den durch fremdstoffmetabolisierende Enzyme katalysierten Biotransformationsreaktionen wird zwischen Phase-I- und Phase-II-Reaktionen unterschieden. ■

Die Phase-I-Reaktionen sind Funktionalisierungsreaktionen. Sie führen funktionelle Gruppen in das unpolare Molekül ein oder legen entsprechende funktionelle Gruppen frei. Wichtige Phase-I-Reaktionen sind Oxidation, Reduktion, Hydrolyse und Hydratisierung.

■

Die Phase-II-Reaktionen sind Konjugationsreaktionen, die durch Transferasen katalysiert werden. Im Rahmen dieser Phase-II-Reaktionen werden funktionelle Gruppen z.B. mit sehr polaren, negativ geladenen endogenen Molekülen gekoppelt. Wichtige Phase-II-Reaktionen sind Glucuronidierung, Sulfatierung, Methylierung, Acetylierung sowie die Konjugation mit Aminosäuren und Glutathion.

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. Die in Phase-I-Reaktionen katalysierte Einführung funktioneller Gruppen ist häufig Voraussetzung dafür, dass Arzneistoffe Substrate für Phase-II-Reaktionen sind. Besitzt allerdings ein Arzneistoff bereits für die Konjugation geeignete funktionelle Gruppen, kann auch ohne vorgeschaltete Phase-I-Reaktion eine direkte Konjugation erfolgen. In der Regel sind Phase-II-Metaboliten unwirksam. Die entstehenden Konjugate sind sehr polar, damit gut wasserlöslich und können somit schneller renal und biliär ausgeschieden werden (Abb. 1.32). Modellrechnungen haben ergeben, dass bei alleiniger renaler Ausscheidung sich die Elimination lipophiler Arzneistoffe über Monate erstrecken würde. Die Richtigkeit dieser theoretischen Überlegungen kann man bei bestimmten Patientengruppen experimentell belegen. Dafür ein Beispiel: Einige Arzneistoffe, wie das für die Behandlung der Angina pectoris 4

eingesetzte Perhexilin , werden nahezu ausschließlich über das Cytochrom-P450-2D6 verstoffwechselt. Doch 5 bis 10% der Bevölkerung in Europa besitzen aufgrund genetischer Defekte kein funktionsfähiges Cytochrom-P450-2D6 (s. S. 61f.). Da Perhexilin bei den davon Betroffenen nur in sehr geringem Umfang hydroxyliert wird und somit mangels geeigneter funktioneller Gruppen Phase-II-Reaktionen nicht möglich sind, stellt die renale Ausscheidung der unveränderten Substanz den einzigen Eliminationsweg dar. Bedingt durch die sehr hohe Lipophilie ist die renale Clearance des Perhexilins aber sehr niedrig. Aus diesem Grunde ist die Eliminationshalbwertszeit, die normalerweise 30 bis 50 Stunden beträgt, bei Patienten mit Cytochrom-P450-2D6-Mangel auf 800 bis 1000 Stunden verlängert. Durch Ausfall des Metabolismus dauert somit die Elimination der Substanz aus dem Organismus ca. 7 Monate. Bei vorhandenem Metabolismus erfolgt die vollständige Elimination innerhalb von 6 bis 10 Tagen (Abb. 1.33). Der Phase-I- und Phase-II-Metabolismus ist somit entscheidend für die schnelle Elimination von lipophilen Arzneistoffen und Fremdstoffen. Darüber hinaus stellt der Metabolismus ein Entgiftungs- und Inaktivierungssystem dar, da viele Metaboliten entweder unwirksam sind oder deutlich abgeschwächt wirken. Allerdings sind eine Reihe von Phase-I-Metaboliten selbst pharmakologisch wirksam, oder der Metabolit stellt das eigentliche Wirkprinzip dar. Man bezeichnet die Ausgangssubstanz dann als „Prodrug “ (vgl. S. 10). So wird die analgetische Wirkung von Codein ausschließlich durch dessen Metaboliten Morphin vermittelt.

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. Enzyme und Reaktionen des Phase-I-Metabolismus Cytochrom-P450-Enzyme Für den oxidativen Phase-I-Metabolismus sind die mischfunktionellen Monooxygenasen die zentralen Enzyme. Sie führen eine Vielzahl von Funktionalisierungsreaktionen durch (Tab. 1.11). Die charakteristischen Bestandteile sind Hämoproteine mit einem Molekulargewicht zwischen 45 und 55 kD, die in der Membran des endoplasmatischen Reticulums verankert sind und als Cytochrom-P450-Enzyme bezeichnet werden. Der Name leitet sich davon her, dass das Cytochrom im reduzierten Zustand und nach Begasung mit CO ein Differenzspektrum mit einem Absorptionsmaximum bei 450 nm zeigt. Die Reaktionen benötigen außer Cytochrom P450 molekularen Sauerstoff und NADPH, ferner NADPH-Cytochrom-P450-Reductase und Phospholipide, insbesondere Phosphatidylcholin. Im Rahmen dieser Reaktion wird ein Sauerstoffatom aus molekularem Sauerstoff auf das Substrat übertragen. Das andere Sauerstoffatom wird zu Wasser reduziert (Abb. 1.34).

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Abb. 1.33 Bedeutung des Metabolismus für die Elimination von Arzneistoffen am Beispiel des Perhexilins.

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Perhexilin wird normalerweise hydroxyliert und anschließend glucuronidiert. Seine Halbwertszeit beträgt dann 30 bis 50 Stunden (links). Im Falle von Patienten, die einen angeborenen Defekt im Metabolismus des Perhexilins aufweisen, stellt die renale Ausscheidung der unveränderten Substanz den einzigen Eliminationsweg dar. Die Halbwertszeit beträgt dann zwischen 800 und 1000 Stunden (rechts).

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. Tabelle 1.11 Grundtypen der Cytochrom-P450-katalysierten Reaktionen

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Abb. 1.34 Schematischer Ablauf der mikrosomalen Monooxygenasereaktionen.

Mikrosomen sind subzelluläre Partikel, die aus dem glatten endoplasmatischen Reticulum bei der Aufarbeitung von Gewebe und anschließender Zentrifugation entstehen. Der Reaktionszyklus besteht aus folgenden Schritten: 1) Cytochrom P450 im oxidierten Zustand bindet das lipophile Substrat; 2) das Flavoprotein NADPH-P450-Oxidoreductase überträgt ein einzelnes Elektron auf das 3+

2+

Häm-Fe , das in Fe übergeht. Dieser Häm-Eisen-Komplex bindet molekularen Sauerstoff als sechsten Liganden. 3) Nach Übertragung eines zweiten Elektrons durch die NADPH-P450-Oxidoreductase oder auch durch Cytochrom b5 entstehen aktivierter Sauerstoff und H2O. Der aktivierte Sauerstoff wird auf das Substrat übertragen. 4) Als Reaktionsprodukte entstehen ein Molekül Wasser und das oxidierte 2+

3+

Substratmolekül; dabei geht Fe wieder in Fe über, und ein neuer Zyklus kann beginnen. FAD = Flavin-Adenin-Dinucleotid; FMN = Flavin-Mononucleotid Die Cytochrom-P450-Enzyme kommen ubiquitär vor, in Bakterien, Pflanzen und Tieren. Die nahezu 500 bisher bekannten Cytochrom-P450-Gene haben sich in der Evolution aus einem gemeinsamen Vorläufergen entwickelt, das vor 3 bis 3,5 Milliarden Jahren entstanden sein dürfte. Die Einteilung der Gene in Genfamilien, Subfamilien und innerhalb einer Subfamilie in die entsprechenden Isoformen erfolgt aufgrund der Sequenzhomologie. Als

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. Abkürzung für Cytochrom P450 wird dabei CYP verwendet. Entsprechend dem Grad der Homologie in der Aminosäurensequenz werden alle Enzyme, die eine Sequenzhomologie von > 40% haben, einer Familie zugeordnet (z.B. der Familie CYP 2). Innerhalb einer Genfamilie werden die Enzyme Subfamilien (z.B. der Subfamilie CYP 2C) zugeordnet, wobei die Sequenzhomologie der Isoformen innerhalb einer Subfamilie > 55% ist (z.B. die Isoformen CYP 2C8, 2C9, 2C19 usw.). Beim Menschen sind bisher über 50 unterschiedliche funktionelle CYP-Gene identifiziert worden, die in 18 Familien und 43 Subfamilien eingeteilt werden (http://drnelson.utmem.edu/CytochromeP450.html). Die für den Arzneimittelstoffwechsel relevanten 12 Isoformen gehören 7 Subfamilien der Genfamilien 1, 2 und 3 an (Abb. 1.35). Die übrigen CYP-Enzyme aus 11 verschiedenen Genfamilien sind an Synthese und Metabolismus von Thromboxan, Prostacyclin, Cholesterin, Vitamin D3, Gallensäuren und Steroidhormonen beteiligt. Charakteristisch für die am Arzneimittelmetabolismus beteiligten CYP-Enzyme ist ihre breite Substratspezifität, so dass Arzneistoffe mit sehr unterschiedlicher chemischer Struktur durch ein und dasselbe Enzym verstoffwechselt werden. Häufig ist auch ein Arzneistoff Substrat für mehrere P450-Enzyme. Dabei können aus dem Arzneistoff unterschiedliche Metaboliten entstehen, die durch ein oder mehrere P450-Enzyme gebildet wurden (Abb. 1.36).

Abb. 1.35 Systematik der menschlichen Cytochrom-P450-Enzyme.

Arzneistoffe werden durch Enzyme der Genfamilien 1, 2 und 3 metabolisiert. Für einige therapeutisch häufig eingesetzte Arzneistoffe sind die für ihren Abbau relevanten Isoformen aufgeführt. Die Enzyme der anderen Genfamilien katalysieren die Biotransformation endogener Substrate.

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. Die Leber ist das Organ mit dem höchsten P450-Enzym-Gehalt des Organismus. Sie enthält 90 bis 95% des gesamten P450. Dabei entfallen 60 bis 65% ihres P450-Gehalts auf Enzyme, die den Arzneistoffmetabolismus katalysieren. Mit ca. 30% des P450-Gehalts ist CYP 3A4 das wichtigste Cytochrom P450. 60% aller therapeutisch eingesetzten Arzneistoffe sind CYP-3A4-Substrate. Die Isoformen der 2C-Familien machen 30%, CYP 1A2 etwa 10%, CYP 2A6, CYP 2B6 und CYP 2D6 zusammen etwa 10 bis 15% und CYP 2E1 etwa 5% des P450-Gehalts aus. Im Falle der CYP-Enzyme 2B6, 2C19 und 2D6 ist der Gehalt sehr variabel, da sie einen genetischen Polymorphismus aufweisen (s. S. 61f.). Aber auch bei der Expression von CYP 3A4 werden bis zu 50fache interindividuelle Unterschiede beobachtet. Da die Geschwindigkeit, mit der ein Arzneistoff abgebaut wird, im Wesentlichen von der Enzymmenge abhängt, erklären sich so interindividuelle Unterschiede in der Eliminationsgeschwindigkeit von Arzneistoffen, die Substrat für diese CYP-Enzyme sind. Die Kenntnis der am Abbau von Arzneistoffen beteiligten Enzyme erlaubt darüber hinaus eine Aussage über Interaktionsmöglichkeiten im Sinne einer Induktion oder Hemmung. Bestimmte CYP-Isoenzyme sind durch Nahrungsbestandteile, Genussmittel und Arzneistoffe induzierbar, andere nicht. Dabei ist eine gewisse Selektivität in der Induktion bestimmter Isoenzyme zu beobachten. So führen Inhaltsstoffe des Zigarettenrauchs vornehmlich zu einer Induktion von CYP 1A2, während Enzyme der CYP-2C-Subfamilie und CYP 3A4 nicht durch Rauchen induziert werden. Im Gegensatz dazu kommt es durch Rifampicin zu einer sehr ausgeprägten Induktion von CYP 3A4 und Enzymen der 2C-Subfamilie.

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Abb. 1.36 Multiplizität der am Phase-I-Metabolismus eines Arzneistoffs beteiligten P450-Isoenzyme,

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dargestellt am Beispiel des Verapamils

Nicht-P450-Oxidationsenzyme Neben den mischfunktionellen Monooxygenasen sind weitere Enzyme an der Oxidation von Arzneistoffen im Rahmen des Phase-I-Metabolismus beteiligt. Die meisten davon dienen auch wesentlich der Verstoffwechslung endogener Substrate. Als Erstes seien die Alkoholdehydrogenasen (ADH) genannt. Sie dehydrieren primäre und sekundäre Alkohole zu Aldehyden und Ketonen. Sie sind dimere cytosolische Enzyme und vor allem in der Leber, den Nieren und der Lunge lokalisiert. Die durch ADH-Enzyme katalysierten Reaktionen sind NAD-abhängig (Abb. 1.37).

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. Abb. 1.37 Oxidation von Ethanol zu Acetaldehyd.

Die Oxidation erfolgt überwiegend in der Leber, und zwar zu 95% durch Alkoholdehydrogenasen der Subfamilie I. Die menschliche Genfamilie der ADH wird in die Subfamilien I–VI eingeteilt. Es sind derzeit 12 verschiedene Gene bekannt, die die Synthese der entsprechenden ADH-Isoenzyme kodieren. Die Isoenzyme der Subfamilie I (ADH 1, 2 und 3) sind wesentlich an der Oxidation von Ethanol beteiligt. Für die ADH 2 wurde ein genetischer Polymorphismus beschrieben (s. Tab. 1.15, S. 61). Aldehyde können im Intermediärmetabolismus durch verschiedene Enzyme oxidiert werden, z.B. durch die Aldehyddehydrogenasen (ALDH). Aufgrund der breiten Substratspezifität der ALDH-Enzyme werden aliphatische und aromatische Aldehyde oxidiert, in der Regel zu der korrespondierenden Carbonsäure (Abb. 1.38). Die Reaktion ist meist NAD-, seltener NADP-abhängig. Es sind derzeit 12 menschliche ALDH-Gene bekannt, die die Synthese der entsprechenden Isoenzyme kodieren. Die ALDH-Enzyme unterscheiden sich teilweise erheblich in ihrer Aminosäurensequenz. Sie sind in der Zelle mikrosomal, cytosolisch und mitochondrial lokalisiert. Die ALDH 1 (= cytosolisch) und die ALDH 2 (= mitochondrial) kommen hauptsächlich in der Leber vor. Für die ALDH 2 wurde ein genetischer Polymorphismus beschrieben (s. Tab. 1.15, S. 61), der für das Flushsyndrom (Palpitationen, Schweißausbruch, Hautrötung, Übelkeit, Erbrechen) nach Genuss von Ethanol verantwortlich ist. Dieser genetische Defekt, bei Europäern sehr selten, findet sich in der asiatischen Bevölkerung in bis zu 50%.

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. Abb. 1.38 Oxidation von Acetaldehyd,

dem kurzlebigen Intermediärmetaboliten beim Abbau von Ethanol, zu Essigsäure mittels der Aldehyddehydrogenase (ALDH 2). Die Xanthinoxidase oxidiert Arzneistoffe mit Xanthinstruktur, wie z.B. Coffein, Theophyllin, Theobromin und Purin-Analoga einschließlich endogener Purine, zu ihren korrespondierenden Harnsäurederivaten (Hypoxanthin s. Abb. 25.1, S. 592; 6-Mercaptopurin s. S. 938).

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Bei den Aminoxidasen handelt es sich um eine heterogene Enzymgruppe. Man unterscheidet zwischen Monoaminoxidasen, Diaminoxidasen und flavinhaltigen Monooxygenasen. Monoaminoxidasen verstoffwechseln neben endogenen Catecholaminen und endogenem Serotonin auch exogen mit der Nahrung zugeführte Amine, z.B. das in Käse enthaltene Tyramin. Sie finden sich mitochondrial vor allem in monoaminergen Nervenendigungen und in der Leber. Im Gegensatz dazu erfolgt die Metabolisierung des strukturverwandten Amphetamins und seiner Derivate über das Cytochrom-P450-Enzymsystem. Die Diaminoxidase metabolisiert nahezu ausschließlich endogene Substrate, wie z.B. Histamin (s. S. 224). Auch die flavinhaltigen Monooxygenasen (FMO) oxidieren hauptsächlich Amine, und zwar am Stickstoff. Deshalb sind sie hier eingereiht. Durch die FMO werden jedoch auch die S-Oxide von Thiolen, Thioamiden und Disulfiden gebildet.

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. Abb. 1.39 N-Oxidation von Imipramin durch flavinhaltige Monooxygenasen (FMO).

Die FMO-Enzyme sind mikrosomal lokalisierte polymerische Proteine, die Flavin-Adenin-Dinucleotid enthalten und deshalb auch als Flavoproteine bezeichnet werden. Der höchste Gehalt findet sich in der Leber. Die durch FMO katalysierten Reaktionen benötigen NADH oder NADPH. Aufgrund der breiten Substratspezifität wird der Abbau zahlreicher Xenobiotika und Arzneistoffe, wie Phenothiazine, Ephedrin und Methamphetamin, katalysiert. Aus Imipramin entsteht z.B. das Aminoxid (Abb. 1.39). Bisher wurden 5 Isoformen als unterschiedliche Genprodukte identifiziert. Für die FMO 3 wurde beim Menschen ein seltener genetischer Defekt beschrieben (s. Tab. 1.15, S. 61), der Ursache für das so genannte Fish-odor-Syndrom ist. Bei Trägern des Defekts kann das im endogenen Stoffwechsel entstehende oder mit der Nahrung zugeführte, nach Fisch riechende Trimethylamin nicht in das geruchlose N-Oxid umgewandelt werden. Inwieweit auch Arzneistoffe davon betroffen sind, ist unbekannt.

Reductasen Durch jene mischfunktionellen Monooxygenasen, die oben als Oxidationsenzyme beschrieben sind (s. S. 48f.) und zu denen Cytochrom-P450-Enzyme, NADPH-Cytochrom-P450-Reductase und Phospholipide zählen, werden auch zahlreiche Reduktionsreaktionen katalysiert. Durch Sauerstoff werden diese Reduktionsreaktionen gehemmt, sie laufen daher in der Leber vor allem unter hypoxischen Bedingungen ab. Hypoxiegefährdete Bereiche in der Leber befinden sich vor allem zentrolobulär, wo der niedrigste Sauerstoffpartialdruck herrscht. Tabelle 1.12 listet Beispiele für Reduktionsreaktionen im Phase-I-Metabolismus auf.

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. Tabelle 1.12 Typische Substrate für Reduktionsreaktionen im Arzneistoffmetabolismus Substanzgruppe Azo-Verbindungen Nitro-Verbindungen Polyhalogenierte Kohlenwasserstoffe

Substanzen Sulfasalazin, Sulfachrysoidin Chloramphenicol, Nitrazepam, Nitrofurantoin CCl4, Halothan

Polyhalogenierte Kohlenwasserstoffe werden in erster Linie durch die Cytochrom-P450-2B-Subfamilie reduziert. Bei den Reaktionen entstehen Radikale, die mit Proteinen, Lipiden und der DNA reagieren und dadurch die Zelle schädigen können. Die reduktive Dehalogenierung von Halothan (Abb. 1.40) wird als eine Ursache für die „Halothan-Hepatitis“ (s. S. 274) angesehen.

Abb. 1.40 Reduktive Abspaltung von Fluorid aus Halothan unter hypoxischen Bedingungen in der Leber.

Im Darmlumen werden Reduktionsreaktionen von bakteriellen Enzymen katalysiert (Nitrobenzol, Azo-Verbindungen, z.B. Sulfasalazin und seine Abkömmlinge).

Esterasen und Epoxidhydrolasen Ester, Amide und Epoxide werden im Organismus enzymatisch hydrolysiert. Die bei der Hydrolyse von Estern und Amiden beteiligten Enzyme besitzen häufig sowohl Esterase- als auch Amidaseaktivität. Sie sind hauptsächlich im endoplasmatischen Reticulum der Leber lokalisiert. Die Acetylcholinesterase, das klassische synaptische Enzym, weist dagegen eine hohe Substratspezifität auf. Die Pseudocholinesterase (= Butyrylcholinesterase; s. S. 126) kommt außer in der Leber auch im

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. Blutplasma vor. Für dieses Enzym wurde beim Menschen ein seltener genetischer Defekt beschrieben, der für eine lang andauernde Atemlähmung nach Gabe der Muskelrelaxantien Suxamethonium und Mivacurium (s. Tab. 1.15, S. 61†und S. 162) verantwortlich sein kann. Weitere Substrate für die Pseudocholinesterase im Plasma sind Procain (Abb. 1.41) und Acetylsalicylsäure.

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Abb. 1.41 Hydrolyse von Procain durch Plasmaesterasen.

Epoxide sind reaktive elektrophile Verbindungen, die durch Epoxidhydrolasen (manchmal auch als Epoxidhydratasen bezeichnet) bevorzugt zu trans-Diol-Isomeren hydrolysiert werden. Diese Art der Reaktion ist eine besondere Form der Hydrolyse, im engeren Sinne eine Hydratisierung, da es nach einem Einbau von Wasser zu keiner Spaltung des Moleküls kommt. Die Leber weist den höchsten Gehalt an Epoxidhydrolasen auf. Sie sind vorzugsweise mikrosomal lokalisiert. Daneben existiert eine cytosolische Epoxidhydrolase. Die mikrosomale Epoxidhydrolase kommt in Form eines Multienzymkomplexes mit Cytochrom-P450-Enzymen vor und ermöglicht so eine schnelle Inaktivierung der durch Cytochrom-P450-Enyzme gebildeten (s. Tab. 1.11, S. 49) reaktiven und damit zellschädigenden Epoxide. Substrate sind neben endogenen Verbindungen die Epoxide von Arzneistoffen (Abb. 1.42) und anderen Xenobiotika wie dem Präkarzinogen (7R,8S) -Benzo(a)pyren-7,8-Oxid.

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. Abb. 1.42 Hydratisierung von Carbamazepin-Epoxid durch mikrosomale Epoxidhydrolase (mEH).

Enzyme und Reaktionen des Phase-II-Metabolismus Glucuronosyltransferasen (UGT) sind eine Superfamilie von Enzymen, die die kovalente Bindung von Glucuronsäure an funktionelle Gruppen lipophiler Verbindungen katalysieren. Diese Enzyme übertragen aktivierte Glucuronsäure auf Hydroxy-, Carboxy-, Amino- und SH-Gruppen. Substrate sind Bilirubin, Steroidhormone, Gallensäuren, biogene Amine, fettlösliche Vitamine, Umweltgifte und Arzneistoffe (Abb. 1.43). UGT-Enzyme spielen eine zentrale Rolle bei der Entgiftung und Elimination dieser Substanzen, da die Reaktionsprodukte in der Regel biologisch inaktiv sind und aufgrund ihrer Polarität sehr viel schneller als die Ausgangssubstanzen aus dem Organismus ausgeschieden werden können. Die UGT-Enzyme werden in einer Vielzahl von Organen – Leber, Darm, Nieren, Lunge, Prostata, Haut und Gehirn – exprimiert, wobei die Leber den höchsten Gehalt aufweist. Sie sind im endoplasmatischen Reticulum lokalisiert.

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. Abb. 1.43 Glucuronidierung von Paracetamol mittels aktivierter Glucuronsäure (UDPGA).

Die Anwesenheit homologer Sequenzen in den UGT-Genen von Pflanzen, Bakterien und Tieren deutet darauf hin, dass die verschiedenen Formen aus einem gemeinsamen Vorläufergen entstanden sind. Bisher sind 17 menschliche UGT-Isoformen identifiziert worden. Die Einteilung in Genfamilien erfolgt anhand der Sequenzhomologie, wobei UGT-Enzyme mit einer Sequenzhomologie von mehr als 50% zu einer Genfamilie gerechnet werden. Analog der Nomenklatur für Cytochrom-P450-Enzyme steht die erste Zahl für die Genfamilie, der Buchstabe für die Subfamilie und die Zahl nach dem Buchstaben für das individuelle Gen bzw. Enzym innerhalb einer Subfamilie, z.B. UGT 1A1. Die 17 menschlichen UGTIsoformen gehören zu den Genfamilien 1 und 2. In der Genfamilie 1 ist bisher nur eine Subfamilie A mit 10 Isoformen (UGT 1A1–10) identifiziert und hinsichtlich der Substratspezifität charakterisiert worden. Die Isoformen werden durch differentielles Splicing aus einem Gen gebildet, das auf dem Chromosom 2 lokalisiert ist und aus 16 Exons besteht. Substrate für die UGT-1A-Isoformen sind Bilirubin, planare Phenole, halogenierte Alkylphenole und Steroide. Mutationen der UGT 1A1 (s. Tab. 1.15, S. 61) sind Ursache für das Crigler-Najjar-Syndrom Typ I und II sowie das Meulengracht-Gilbert-Syndrom. Beim Crigler-Najjar-Syndrom Typ I tragen beide Gene des Chromosomensatzes inaktivierende Mutationen, die zum völligen Funktionsverlust des Enzyms führen. Daraus resultiert eine schwere Hyperbilirubinämie, die bei

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. Säuglingen zur Bilirubinenzephalopathie mit schweren neurologischen Störungen und zum Tod der betroffenen Kinder führt. Beim Crigler-Najjar-Syndrom Typ II wird ein Enzym mit herabgesetzten katalytischen Eigenschaften synthetisiert, das in geringem Umfang Bilirubin glucuronidieren kann. Für das Meulengracht-Gilbert-Syndrom, das mit einer Häufigkeit von 2 bis 5% in der Bevölkerung vorkommt, sind mehrere Mutationen der UGT 1A1 beschrieben worden, die alle zu einer leichteren Form der unkonjugierten Hyperbilirubinämie ohne Krankheitswert führen.

Tabelle 1.13 Grundtypen Glutathion-S-Transferaseabhängiger Reaktionen Reaktionstyp Substitution von Halogen-, Nitro-, Sulfat-Resten

Halogen-, Nitro-Resten

Nitrat-Rest Hydroxyl-Rest Addition an α-, β-ungesättigte Carbonyl-Verbindungen kleine Ringe (Abb. 1.44)

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Substratgruppe Beispiel aktivierte Benzylchlorid aliphatische Kohlenstoffatome aktivierte 1,2-Dichlor-4-nitrobenzol aromatische Kohlenstoffatome organische Nitroglycerin Nitrate Hydroperoxide Lipidhydroperoxide Chinone, Chinonimine Epoxide

Paracetamol Benzolepoxid, Naphthalinepoxid

Innerhalb der UGT-2-Familie existieren beim Menschen die Subfamilien 2A und 2B. UGT 2A ist in der Nasenschleimhaut an der Inaktivierung bestimmter Duftstoffe beteiligt. Endogene Substrate für die UGT-2B-Isoformen sind Steroide und deren Metaboliten sowie Gallensäuren. UGT 2B7 ist das wesentliche Enzym für die Bildung von Morphin-6- und Morphin-3-Glucuronid. Morphin-6-Glucuronid stellt eine Ausnahme von der Regel dar, dass Glucuronide pharmakologisch unwirksam sind: Morphin-6-Glucuronid ist als μ-Agonist stärker wirksam als die Ausgangssubstanz Morphin.

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. Glutathion-S-Transferasen Die Glutathion-S-Transferasen (GST) sind eine Familie vornehmlich cytosolischer Enzyme, die in allen Geweben vorhanden sind. Ihre höchste Konzentration findet sich in den Hepatocyten. Sie katalysieren die Konjugation einer Vielzahl von elektrophilen Verbindungen unterschiedlicher Struktur mit dem endogenen Tripeptid Glutathion (Tab. 1.13).

Abb. 1.44 Epoxidierung und anschließende Konjugation eines aromatischen Kohlenwasserstoffs (Naphthalin) mit Glutathion (GSH) und Abbau des Konjugats zur Mercaptursäure.

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Viele Glutathionkonjugate unterliegen einer enzymatisch katalysierten Modifikation ihres Peptidanteils. In einem ersten Schritt wird dabei der Glutamatteil durch eine Glutathionase (γ-Glutamyltranspeptidase) und anschließend Glycin durch eine Aminopeptidase entfernt. Die beiden

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. Enzyme sind sowohl in der Leber als auch im Gastrointestinaltrakt und in der Niere zu finden. In einem letzten Schritt wird die Aminogruppe des Cysteins durch eine hepatische N-Acetylase acetyliert, was zur Bildung der entsprechenden Mercaptursäure führt (Abb. 1.44). Die Glutathionkonjugation ist als ein physiologischer Schutz gegenüber potentiell toxischen, elektrophilen Metaboliten anzusehen. Glutathion-S-Transferasen wirken nicht nur als Enzyme. Sie binden auch eine Anzahl endogener und exogener Substrate (Bilirubin, Tetracyclin, Penicillin, Etacrynsäure), ohne eine entsprechende Konjugationsreaktion zu katalysieren (vgl. S. 47). Bei den löslichen GST-Enzymen des Menschen sind bisher 6 Familien beschrieben worden. Die Zuordnung erfolgt wieder auf Basis der Sequenzhomologie. Innerhalb einer GST-Familie besitzen die unterschiedlichen Enzyme mindestens eine 40%ige Aminosäurenidentität. 5

Beim Menschen sind die Familien α, μ, κ, π, ϑund ζnachgewiesen worden. π ist die häufigste Form.

Für mehrere GST-Enzyme existieren genetische Polymorphismen (s. Tab. 1.15, S. 61). Im Fall von GST M1 besitzen 30 bis 60% der europäischen Bevölkerung kein funktionsfähiges Enzym. Träger der Defektvarianten haben ein erhöhtes Lungen- und Blasenkarzinomrisiko. Dies zeigt, dass die GST-Enzyme eine zentrale Rolle bei der Entgiftung reaktiver kanzerogener Substanzen spielen. Für die Behandlung von Karzinomen mit alkylierenden Chemotherapeutika wie Melphalan, Cyclophosphamid, Busulfan und Chlorambucil ist von Bedeutung, dass Resistenzen bestimmter Tumorzellen gegenüber diesen Cytostatika mit einer Zunahme bestimmter GST-Enzyme assoziiert sind.

N-Acetyltransferasen Acetylierungsreaktionen sind für viele aromatische Amine und Sulfonamide ein wichtiger Metabolisierungsschritt. Katalysiert werden die Reaktionen durch Acetyltransferasen, die als Cofaktor Acetyl-Coenzym A benötigen. Die N-Acetyltransferasen sind cytosolische Enzyme, die in höchster Konzentration in der Leber vorkommen. Für das Tuberkulostatikum Isoniazid stellt die N-Acetylierung den Hauptmetabolisierungsweg dar (Abb. 1.45). Das Produkt dieser Reaktion, das N-Acetylisoniazid, wirkt nicht mehr tuberkulostatisch. Beim Menschen sind zwei Formen bekannt,

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. die N-Acetyltransferase I und II (NAT I und NAT II). Isoniazid ist ein Substrat der NAT II. Die NAT II war das erste Beispiel für ein arzneistoffabbauendes Enzym, für das genetisch bedingte Unterschiede beschrieben wurden (s. Tab. 1.15, S. 61). Typische Substrate für die NAT I sind para-Aminobenzoesäure und para-Aminosalicylsäure. Auch für die NAT I gibt es eine Vielzahl von Mutationen, die mit einer veränderten Aktivität des Enzyms einhergehen.

Abb. 1.45 N-Acetylierung von Isoniazid in einer Acetyl-CoA-abhängigen Reaktion (N-Acetyltransferase II, NAT II).

Sulfotransferasen Sulfotransferasen (SULT) katalysieren die Konjugation des Sulfat-Restes von 3'-Phosphoadenosin-5'-phosphosulfat mit Phenolen, Alkoholen und Aminen. Zahlreiche endogene und exogene Substrate, wie Steroidphenole (Schilddrüsen- und Sexualhormone), Gallensäuren, Monoaminneurotransmitter und Benzylalkohole, wurden identifiziert (Abb. 1.46). Da der Sulfatpool im Menschen beschränkt ist und Sulfat aus schwefelhaltigen Aminosäuren gewonnen werden muss, kann bei hohem Fremdstoffumsatz die Sulfatierung von endogenen Substraten, z.B. Steroidhormonen, gehemmt werden. Die cytosolischen Enzyme kommen in vielen Geweben vor, vor allem in der Leber, den Nieren und dem Gastrointestinaltrakt. In der SULT-Genfamilie wurden beim Menschen bis jetzt mindestens 5 Enzyme mit unterschiedlicher chromosomaler Lokalisation identifiziert.

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. Abb. 1.46 Konjugation mit Sulfat am Beispiel von Isoprenalin.

Methyltransferasen Methyltransferasen katalysieren N-, O- oder S-Methylierungsreaktionen. Dabei wird eine aktivierte Methyl-Gruppe in Form von S-Adenosylmethionin verwendet. Beim Menschen werden 5 Methyltransferasen unterschieden, die cytosolisch oder membranständig lokalisiert sind und hauptsächlich in der Leber exprimiert werden. Aliphatische und aromatische Amine, stickstoffhaltige Heterocyclen, Phenole und Catechole sowie Mercaptane sind die Substrate. Nach ihren Substraten nennt man die Enzyme z.B. Catechol-O-Methyltransferase (COMT; s. S. 129), Histamin-N-Methyltransferase (s. S. 224) oder Thiopurin-S-Methyltransferase (TPMT). Für alle 5 Methyltransferasen gibt es seltene genetische Defekte. Klinisch relevant ist dies vor allem für die Therapie mit Thiopurinen (Azathioprin, 6-Mercaptopurin, Thioguanin), den Substraten der TPMT. Bei 1 von 300 Personen fehlt die TPMT-Aktivität (s. Tab. 1.15), bei ca. 11% der europäischen Bevölkerung ist sie herabgesetzt. Bei den Betroffenen entwickeln sich unter Standarddosierung mit Thiopurinen schwere, z.T. lebensbedrohliche Pancytopenien.

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Konjugation mit Aminosäuren Die Konjugation mit Aminosäuren ist eine besondere Form der N-Acylierung, wobei der Arzneistoff selbst und nicht der endogene Cofaktor aktiviert wird. Körperfremde Carbonsäuren werden durch die Bindung an Coenzym A aktiviert und auf endogene Aminosäuren übertragen. Die Aminosäuren-N-Acyltransferasen kommen mitochondrial vor allem in Leber und Niere vor. Bevorzugte Kopplungspartner sind bei Säugern die Aminosäuren Glycin und Glutamin. Die Glycinkonjugation der

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. Benzoesäure zur renal ausgeschiedenen Hippursäure (Abb. 1.47) gilt als die erstentdeckte Reaktion im Fremdstoffmetabolismus. Sie wurde in einem Selbstversuch von Wilhelm Keller, einem Schüler von Friedrich Wöhler, 1842 nachgewiesen.

Abb. 1.47 Glycinkonjugation von Benzoesäure zu Hippursäure.

Extrahepatischer Metabolismus Die Bioverfügbarkeit vieler Arzneistoffe ist trotz vollständiger Resorption niedrig, da sie während der Passage durch Darmwand und Leber ausgiebig metabolisiert werden (First-pass-Metabolismus oder präsystemische Elimination; s. Tab. 1.8, S. 44). Lange ist man davon ausgegangen, dass bei Arzneistoffen mit ausgeprägter präsystemischer Elimination die Leber die entscheidende Rolle spielt. Dem Metabolismus durch die Darmwand wurde nur geringe Bedeutung beigemessen, da ihr Gehalt an arzneistoffabbauenden Enzymen, insbesondere Cytochrom-P450-Enzymen, im Vergleich zur Leber sehr niedrig ist und auch nicht alle Cytochrom-P450-Enzyme, die in der Leber exprimiert sind, in der Darmwand vorkommen. Die Leber enthält, wie oben erwähnt, ca. 90 bis 95% des Gesamtkörpergehalts an Cytochrom P450, der Darm lediglich 1 bis 2%. Inzwischen hat man jedoch erkannt, dass im Falle der Immunsuppressiva Ciclosporin und Tacrolimus sowie des HIV-Proteasehemmers Saquinavir die präsystemische Elimination durch die Darmwand mehr zum First-pass-Metabolismus beträgt als die Leber. Auch bei nahezu allen Calciumkanalblockern und einigen HMG-CoA-Reductasehemmern ist die niedrige orale Bioverfügbarkeit auf

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. eine erhebliche präsystemische Elimination in der Darmwand zurückzuführen. CYP 3A4 ist das relevante Enzym, da 70% vom gesamten Cytochrom P450 im Darm auf diese Isoform entfallen. Daneben sind in vielen anderen Geweben Cytochrom-P450-Enzyme nachweisbar. Verglichen mit Leber und Darm ist die Expression jedoch so niedrig, dass in der Regel der Beitrag dieser Organe zum Gesamtmetabolismus gering sein dürfte.

Enzymhemmung Da die meisten Arzneistoffe durch Biotransformation aus dem Organismus eliminiert werden, sind pharmakokinetische Interaktionen aufgrund von Hemmung oder Induktion des Arzneimittelmetabolismus häufig.

Tabelle 1.14 Klinisch wichtige CYP-3A4-Inhibitoren und -Induktoren Reversible Inhibition Cimetidin

Clarithromycin Ciclosporin Danazol Diltiazem Erythromycin Fluoxetin Itraconazol Indinavir Ketoconazol Mibefradil Nefazodon Ritonavir Saquinavir Verapamil

Irreversible Inhibition Grapefruitsaft

Induktion

Barbiturate (z.B. Phenobarbital) Bergamottin Carbamazepin DihydroxybergamottinDexamethason   Phenytoin   Rifampicin                                        

Es gibt drei Typen der Hemmung des Fremdstoffmetabolismus durch andere Pharmaka. Bei der kompetitiven Hemmung konkurrieren zwei Substrate um ein Enzym, und das eine Substrat kann das andere vom Enzym verdrängen. Bei nicht-kompetitiver Hemmung bindet der Inhibitor an das Enzym, ist aber nicht selbst Substrat. Eine besondere Form stellt die Enzymhemmung durch so genannte Suizidinhibitoren dar. Dabei wird der Inhibitor durch das

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. Enzym in einen reaktiven Metaboliten überführt, der irreversibel an das Enzym bindet und zu dessen Funktionsverlust führt. Die Affinität von zwei konkurrierenden Substraten zu einem Enzym kann über einen Vergleich der enzymspezifischen Inhibitorkonstante Ki abgeschätzt werden. Der Ki-Wert ist ein Maß für die Potenz eines Substrats, als kompetitiver Hemmer eines Enzyms zu agieren und es in seiner Funktion für andere Substrate zu hemmen. Hohe Ki-Werte bedeuten, dass hohe Konzentrationen zur Enzyminhibition notwendig sind, umgekehrt weist ein niedriger Ki-Wert auf eine große inhibitorische Potenz hin. Wichtig ist zudem, ob ein oder mehrere Enzyme am Metabolismus eines Arzneistoffs beteiligt sind. Wird ein Arzneistoff über mehrere Enzyme verstoffwechselt, jedoch lediglich ein Enzym durch den Hemmstoff blockiert, so sind die Konsequenzen wesentlich geringer als im Falle einer Substanz, die nahezu ausschließlich über ein Enzym biotransformiert wird. Das Interaktionspotential und die möglichen Konsequenzen hängen außerdem davon ab, ob der Inhibitor lediglich Substrat für ein oder für mehrere P450-Enzyme ist. Verapamil ist Substrat für CYP 1A2, CYP 2C8, CYP 2C9, CYP 2C18 und CYP 2C19 sowie für CYP 3A4 (s. Abb. 1.36, S. 51). Interaktionen mit anderen Arzneistoffen, die ebenfalls Substrate für diese Isoenzyme sind (Theophyllin, Warfarin und Carbamazepin), wurden beobachtet. Die Mehrzahl klinisch bedeutsamer Interaktionen im Arzneistoffmetabolismus sind für Substrate des CYP 3A4 beschrieben worden (Tab. 1.14). Am Beispiel des HMG-CoA-Reductasehemmers Simvastatin sollen die Konsequenzen einer Hemmung von CYP 3A4 dargestellt werden (Abb. 1.48). Von einer klinisch üblichen Dosis von 10 mg Simvastatin werden nach oraler Applikation 80%, d.h. 8 mg, aus dem Darmlumen in die Enterocyten aufgenommen. Insgesamt gelangen aber nur 0,5 mg in die systemische Zirkulation; der Rest wird bereits präsystemisch in Darmwand und vor allem Leber über CYP 3A4 metabolisiert (mit anderen Worten: Die orale Bioverfügbarkeit von Simvastatin beträgt 0,5 mg von 10 mg, also 5%). Verabreicht man nun zusätzlich einen Arzneistoff, der CYP 3A4 in Leber und Darm nahezu komplett hemmt (ca. 95% Hemmung), wird fast die gesamte in die Darmmucosa aufgenommene Menge systemisch verfügbar (7,5 mg). Dies

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. bedeutet eine Steigerung der Bioverfügbarkeit um den Faktor 7,5: 0,5 = 15 (Abb. 1.48).

Abb. 1.48 Einfluss der Hemmung des CYP-3A4-Metabolismus auf die Bioverfügbarkeit und die Plasmakonzentration von Simvastatin.

Nahezu komplette Hemmung (ca. 95%) von CYP 3A4 steigert die orale Bioverfügbarkeit von 5 auf 75%. Das Ausmaß der Nebenwirkungen der Statine, besonders der Myotoxizität, hängt von ihrer Konzentration im systemischen Blut ab. Wird CYP 3A4 gehemmt, muss mit mehr Nebenwirkungen gerechnet werden, und zwar besonders bei jenen Statinen (wie Simvastatin), deren orale Bioverfügbarkeit trotz nahezu vollständiger Aufnahme aus dem Darmlumen in die Enterocyten wegen ausgedehnter präsystemischer Elimination in Darmwand und Leber niedrig ist.

Enzyminduktion Auch im Falle der Enzyminduktion sind die meisten klinisch relevanten Interaktionen für CYP-3A4-Substrate beschrieben worden (Tab. 1.14). Unter Enzyminduktion versteht man eine Zunahme der Enzymmenge. Die Zunahme ist entweder auf eine vermehrte Gentranskription oder auf einen verminderten Enzymabbau zurückzuführen. Man hat mehrere Mechanismen aufgeklärt. Ein Beispiel: Bei der toxikologisch wichtigen Induktion des Cytochrom-P450-1A1-Isoenzyms durch polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe wie Benzpyren und Dioxin reagiert der Induktor primär mit einem cytosolischen Rezeptor, dem so genannten Arylhydrocarbon(Ah)

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. -Rezeptor. Der Induktor-Rezeptor-Komplex steigert dann im Zellkern die Transkription des CYP-1A1-Gens. Unter den Arzneistoffen ist das Antibiotikum Rifampicin der stärkste Induktor. Es induziert sowohl Phase-I-Enzyme (CYP 3A4, CYP 2C8, CYP 2C9 und CYP 2C19) als auch Phase-II-Enzyme (UGT). Die durch Rifampicin hervorgerufene Induktion von CYP 3A4 ist besonders stark in der Darmwand ausgeprägt. Darum wird die Bioverfügbarkeit von z.B. Ciclosporin und Verapamil, zwei Substraten von CYP 3A4, durch Rifampicin dramatisch herabgesetzt.

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1.4.5 Elimination von Pharmaka durch Exkretion Für die Exkretion von Arzneistoffen und Metaboliten durch die Leber, die Niere und den Darm spielen aktive Transportprozesse eine wichtige Rolle. Dabei bestimmt neben den physikochemischen Eigenschaften das Molekulargewicht eines Stoffs, ob die Exkretion renal oder biliär erfolgt. Generell werden Substanzen mit einem Molekulargewicht von < 400 bis 500 vornehmlich renal, solche mit einem Molekulargewicht > 400 bis 500 vornehmlich biliär ausgeschieden. Die Bedeutung von organischen Anionen- und Kationentransportern für die biliäre und renale Exkretion ist lange bekannt. Von beiden Transporterklassen existieren mehrere Formen. Zusätzlich ist in den vergangenen Jahren eine weitere Familie von Transportproteinen identifiziert worden, die von erheblicher Bedeutung für die biliäre, intestinale und renale Exkretion von Arzneistoffen und Metaboliten sind: die so genannten ABC-Transporter (ATP-binding cassette). Ein typischer ABC-Transporter besteht aus vier Untereinheiten mit zwei in der Membran liegenden Domänen, die je 6 transmembranäre Segmente und 2 ATP-bindende Domänen besitzen, wobei durch die Hydrolyse des ATP die für den Transport notwendige Energie bereitgestellt wird. Für die Sekretion von Arzneistoffen wichtige ABC-Transporter sind MDR1 und MRP. Die Bezeichnung MDR (multi drug resistance; auch P-Glykoprotein genannt) leitet sich davon ab, dass dieser Transporter in Tumorzellen mit Cytostatikaresistenz entdeckt wurde. Seine Überexpression in der Tumorzelle ist Ursache für die Resistenz, da sie zu einem verstärkten Transport der Cytostatika aus der Zelle führt. MDR wird aber auch physiologischerweise in einer Reihe von Geweben (Darm, Gehirn, Leber, Niere) exprimiert. Was seine physiologische Bedeutung anbelangt, so wird neben einer Schutzfunktion gegen exogen zugeführte toxische Substanzen eine Beteiligung am Transport von Cortisol und Aldosteron

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. angenommen. Typische Substrate sind lipophile und basische Arzneistoffe mit planarem Ringsystem und einem Molekulargewicht > 400. Aber auch neutrale Arzneistoffe wie Digoxin sind Substrate von MDR. Eine Reihe von Arzneistoffen, z.B. Chinidin und Verapamil, hemmen MDR. Analog zu MDR1 wurden auch MRP-Transporter (multidrug resistance-associated protein) zunächst als Ursache für die Resistenz gegen Cytostatika in Tumorzellen identifiziert. Später fand man, dass MRP physiologisch in Darm, Leber und Niere exprimiert wird. Inzwischen sind 6 menschliche Isoformen identifiziert worden. Von Bedeutung für den Transport von Arzneistoffen ist MRP2, das organische Anionen und Glucuronide transportiert. In Enterocyten und Tubuluszellen wird es in der apikalen Membran und in Hepatocyten in der kanalikulären Membran exprimiert. Natürliche Substrate sind Leukotrien C4 und reduziertes Glutathion.

Abb. 1.49 Die für die renale Exkretion von Arzneistoffen relevanten Prozesse.

−

+

OA : organisches Anion, OC : organisches Kation, α-KG: α-Ketoglutarat, OAT1/2/3/4: organische Anionentransporter, OAT P1: organisches Anionentransport-Protein, OCT1/2/3 und OCTN1/2: organische Kationentransporter, MRP1/2/3/4/5: multidrug resistance-associated proteins, MDR1: multidrug resistance protein 1

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Renale Exkretion Die Niere ist das wichtigste Organ für die Ausscheidung von polaren, wasserlöslichen Fremdstoffen mit einem Molekulargewicht von < 400 bis 500. Für lipophile Arzneistoffe stellt die renale Exkretion dagegen einen sehr ineffizienten Eliminationsweg dar, da sie aufgrund ihrer Lipophilie durch tubuläre Reabsorption nahezu komplett wieder in den Organismus aufgenommen werden. Die renale Elimination eines Arzneistoffs wird durch glomeruläre Filtration, tubuläre Sekretion und tubuläre Reabsorption bestimmt. Über die Ermittlung der renalen Clearance eines Arzneistoffs Ae

(7)

CL R =AUC (Ae: kumulativ im Urin ausgeschiedene unveränderte Arzneistoffmenge, AUC: Fläche unter der Konzentrations-Zeit-Kurve) kann bei Kenntnis seiner Plasmaproteinbindung (fu = unbound fraction =

nicht-proteingebundene Fraktion im Plasma) abgeschätzt werden, ob er nur glomerulär filtriert, zusätzlich tubulär sezerniert oder tubulär rückresorbiert wird. Ist die renale Clearance eines Arzneistoffs gleich dem Produkt aus GFR · fu (GFR = glomeruläre Filtrationsrate), so wird er ausschließlich glomerulär filtriert. Eine aktive tubuläre Sekretion liegt dann vor, wenn die renale Clearance größer als das Produkt GFR · fu ist. Kommt es zu einer tubulären Rückresorption, so ist die renale Clearance kleiner als das Produkt GFR · fu. Abbildung 1.49 gibt einen Überblick.

Glomeruläre Filtration Das Ausmaß der glomerulären Filtration eines Arzneistoffs hängt entscheidend von seiner Bindung an Plasmaproteine ab. Da die für die Bindung von Arzneistoffen relevanten Plasmaproteine (Albumin, α-Glykoprotein) die glomeruläre Membran nicht passieren, kann der an Protein gebundene Arzneistoffanteil nicht filtriert werden. Nur die freie Fraktion (fu) wird glomerulär filtriert. Die Arzneistoffkonzentration im Glomerulusfiltrat entspricht deshalb der freien Arzneistoffkonzentration im Plasma. Darüber hinaus bestimmen die funktionelle Integrität der

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. Glomerula, die Molekülgröße des Arzneistoffs, das Schlagvolumen und der renale Plasmafluss die glomeruläre Filtration.

Tubuläre Sekretion Die renal-tubuläre Sekretion beinhaltet den Transport von endogenen Substanzen sowie von Arzneistoffen und ihren Metaboliten aus dem peritubulären Raum in die Tubuluszelle und aus der Zelle in das Tubuluslumen. Im proximalen und distalen Tubulus der Nieren gibt es Transportsysteme für organische Kationen und Anionen, und zwar für organische Anionen wie für organische Kationen jeweils mehrere Transporter. Die Sekretion basischer und saurer Arzneimoleküle erfolgt in 3 Schritten: 1) Aufnahme des Arzneistoffs aus dem Blut durch Transporter in der basolateralen Membran, 2) Diffusion des Arzneistoffs durch das Cytosol, 3) Effluxtransport des Arzneistoffs durch Transporter in der Bürstensaummembran der Tubuluszellen in das Lumen. Die basolaterale Aufnahme von organischen Säuren in die Tubuluszelle +

erfolgt durch mindestens zwei Systeme, einen Na -abhängigen und einen +

+

Na -unabhängigen Anionentransporter. Der Na -abhängige Transport ist +

gekoppelt an den Cotransport von α-Ketoglutarat und Na und den anschließenden Austausch von α-Ketoglutarat gegen organische Anionen durch den organic anion transporter OAT1. Auf der luminalen Seite erfolgt der Efflux organischer Säuren entweder über die Transporter OATP1 und OAT4 oder, im Falle von Glucuroniden, durch die ABC-Transporter MRP2/4 (Abb. 1.49). Die basolaterale Aufnahme von organischen Kationen mit primärer, sekundärer, tertiärer oder quaternärer Aminstruktur wird membranpotentialabhängig durch OCT, organic cation transporter, vermittelt, vor allem OCT1. Auf der luminalen Seite existieren mindestens +

zwei organische Kationen-H -Antiporter. Darüber hinaus ist der in der luminalen Membran des proximalen Tubulus lokalisierte ABC-Transporter MDR1 an der Sekretion lipophiler basischer und auch neutraler Substanzen

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. (z.B. Anthracycline, Vincaalkaloide, Taxane, Chinidin und Digoxin) beteiligt. Transporter können eine Rolle bei der Nephrotoxizität bestimmter Arzneistoffe spielen. Die durch Cephaloridin, eine organische Säure, ausgelöste akute Tubulusnekrose kommt dadurch zu Stande, dass dieses Cephalosporin durch einen basolateralen Transporter in die Tubuluszelle aufgenommen wird. Da aber der Transport auf der luminalen Seite viel geringer ist, kumuliert die Substanz in der Tubuluszelle und führt zur Nekrose. Wegen seiner Nephrotoxizität wird dieses Cephalosporin nicht mehr eingesetzt. Organische Anionen- und Kationentransporter haben eine breite Substratspezifität. Bei gleichzeitiger Gabe mehrerer Arzneistoffe, die Substrate für diese Transporter sind, kann es durch Kompetition zu Interaktionen kommen. Für Cimetidin sind neben der Hemmung des Metabolismus (s. Tab. 1.14, S. 56) Interaktionen auf der Ebene der renalen Transportprozesse beschrieben worden, z.B. eine Hemmung der Zidovudin-Clearance.

Tubuläre Reabsorption Durch die Konzentrierung des Primärharns im proximalen Tubulus entsteht ein Konzentrationsgefälle in Richtung Interzellularraum und Gefäßlumen, und lipophile Stoffe werden passiv – und unter Umständen komplett – reabsorbiert. Bei Säuren und Basen hängt die Reabsorption von ihrem pKa-Wert und dem pH des Urins ab. Durch Änderung des Urin-pH kann man somit die renale Ausscheidung von sauren und basischen Arzneistoffen beeinflussen. Diese hat man sich bei der Behandlung von Vergiftungen zunutze gemacht. Im Falle von organischen Säuren führt die Alkalisierung des Harns durch Zufuhr von Natriumbicarbonat und bei organischen Basen die Ansäuerung des Harns durch Ammoniumchlorid zu einer Zunahme der renalen Elimination: Durch Überwiegen der ionisierten Arzneistoffe nimmt deren passive tubuläre Rückdiffusion ab. In der Vergangenheit war dieses Prinzip zusammen mit der Zufuhr großer Flüssigkeitsmengen zur Steigerung des Urinflusses in der Vergiftungsbehandlung wichtig (so genannte forcierte Diurese). Heute stehen mit Hämodialyse und Hämofiltration sehr viel effektivere und sicherere Eliminationsverfahren zur Verfügung.

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Pharmakologie und Toxikologie, 9.A. Biliäre Exkretion Mit den täglich produzierten 500 bis 1000 ml Galle werden endogene Substanzen wie Bilirubin und Gallensäuren ausgeschieden. 95% der Gallensäuren werden im Dünndarm reabsorbiert. Für die Aufnahme dieser Substanzen in die Hepatocyten und die Exkretion in die Gallengänge verfügt die Leber analog den Nieren über eine Reihe von aktiven Transportprozessen, für die auch Arzneistoffe und deren Metaboliten Substrate sind. Abbildung 1.50 zeigt eine Übersicht.

Abb. 1.50 Basolaterale und kanalikuläre Transporterproteine in den Hepatocyten.

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OC : organisches Kation, OA : organisches Anion, BA : Gallensäure, OCT1: organic cation transporter 1, OATP: organic anion transporting +

polypeptide, NTCP: Na -taurocholate cotransporting polypeptide, SPGP: sister of P-glyco protein, MDR1: multi drug resistance transporter 1, MRP2: multidrug resistance-associated protein 2 Wichtige Transporterproteine, die durch ihre Lokalisation an der basolateralen Membran der Hepatocyten für die Aufnahme