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Zur Bedeutung von Arzneistofftransportern für die Therapie pulmonaler Infektionen mit Makrolidantibiotika und Rifampicin bei Fohlen

  • Der klinische Erfolg einer Arzneimitteltherapie wird maßgeblich durch pharmakokinetische Eigenschaften eines Arzneistoffes bestimmt. Dieser ist unter anderem vom Transport und der Verteilung des Arzneistoffes in die Zielkompartimente abhängig. Während der Einfluss intestinal exprimierter Transportproteine auf die Absorption eines Arzneistoffes nach oraler Gabe bereits umfassend untersucht wurde, ist die Beteiligung dieser Proteine bei der Verteilung von Xenobiotika in die jeweiligen Wirkkompartimente ist bisher weniger umfassend untersucht. Ein Beispiel ist die pulmonale Penetration eines oral verabreichten Arzneistoffes. Es gibt erste Hinweise, die auf eine Beteiligung von Transportproteinen an der Akkumulation von beispielsweise Makrolidantibiotika in der Lunge schließen lassen. Ziel dieser Arbeit war, die Expression von für den Arzneimitteltransport wichtigen Proteinen in unterschiedlichen Kompartimenten der Lunge und gleichzeitig den Einfluss dieser auf die Verteilung von Arzneistoffen in die pulmonale Epithelialflüssigkeit und die bronchoalveolären Lavagezellen zu untersuchen. Die klinisch indizierte Kombinationstherapie eines Makrolides mit Rifampicin zur Eradikation von Rhodococcus equi in Fohlen bietet eine geeignete Grundlage dafür. Zur Auswertung pharmakokinetischer Untersuchungen entwickelten und validierten wir eine Flüssigchromatographie-Tandemmassenspektrometrie (LC-MS/MS)-Methode. Diese ermöglichte die Quantifizierung von Clarithromycin, 14-Hydroxyclarithromycin, Rifampicin und dessen Hauptmetaboliten 25-O-Desacetylrifampicin sowohl in den Proben der tierexperimentellen Studien als auch in den Zelllysaten der in vitro-Untersuchungen. In zwei Interaktionsstudien an gesunden Fohlen sollte der Einfluss einer chronischen Komedikation von Rifampicin, einem Induktor der Genexpression von ABC-Transportern, auf die Verteilung der Makrolide Tulathromycin bzw. Clarithromycin in die pulmonalen Kompartimente untersucht werden. Hierbei stellten wir nach Rifampicingabe eine deutliche Abnahme der Akkumulation beider Makrolide in den pulmonalen Kompartimenten fest. Die mittels TaqMan®-Methoden durchgeführten Genexpressionsuntersuchungen ergaben den unerwarteten Befund einer fehlenden Induktion der mRNA von ABCB1 und ABCC2 durch Rifampicin. Für Clarithromycin ist bekannt, dass es ein Substrat von ABCB1 und ABCC2 ist. In in vitro-Transportstudien an überexprimierenden Zellmodellen sowie Vesikeln transfizierter Zellen zeigten wir, dass Tulathromycin keine Affinität zu den genannten Transportproteinen besitzt. Somit konnten die pulmonalen Auswärtstransporter nicht ursächlich sein für den Verlust an Makrolidkonzentration an ihrem Wirkort. Gleichzeitig sank die orale Bioverfügbarkeit von Clarithromycin signifikant um mehr als 90% wohingegen die Bioverfügbarkeit von Tulathromycin nur um 25% sank. Dieser drastische Verlust an Bioverfügbarkeit von Clarithromycin konnte weder allein mit einem gesteigerten intestinalen Efflux noch durch den gesteigerten hepatischen Metabolismus des CYP3A4-Substrates erklärt werden. Diese Ergebnisse weisen auf eine Beteiligung anderer intestinaler Aufnahmemechanismen hin. Die anschließend durchgeführte Studie zur Untersuchung der akuten Interaktion von Clarithromycin und Rifampicin erbrachte ähnliche Ergebnisse bezogen auf die pulmonalen Kompartimente. Die orale Absorption war jedoch um „nur“ 70% reduziert. Den Unterschied von etwa 20% in der Veränderung der oralen Absorption von Clarithromycin verglichen zur chronischen Therapie konnten wir mit der nach akuter Komedikation ausbleibenden Induktion von ABCB1, ABCC2 und dem Biotransformationsenzym CYP3A4 begründen. Auffallend waren die verdoppelten Verhältnisse der Konzentration von Clarithromycin in der Epithelialflüssigkeit verglichen zum Plasma sowohl nach chronischer als auch nach akuter Komedikation. Die weiteren Transportuntersuchungen an transfizierten Zellen zeigten einen inhibitorischen Einfluss von Clarithromycin auf alle Vertreter der organic anion transporting polypeptide (OATP-) Familie (OATP1B > OATP1B1 > OATP1A2 > OATP2B1). In den direkten Akkumulationsversuchen stellte sich Clarithromycin jedoch nicht als Substrat der genannten Transportproteine dar. Wir konnten somit verdeutlichen, dass die klinisch indizierte Kombinationstherapie aus Makroliden und Rifampicin zur Elimination des pathogenen R. equi mit einer drastischen Absorptionsminderung von Clarithromycin verbunden ist und die Akkumulation im pulmonalen Zielkompartiment deutlich beeinträchtigt ist. Dennoch werden in der pulmonalen Epithelialflüssigkeit und den bronchoalveolären Lavagezellen therapeutisch ausreichend hohe Konzentrationen erreicht. Wir konnten im Vergleich der akuten und der chronischen Interaktion der Antibiotika die Beteiligung von intestinalen Transportmechanismen, die durch Rifampicin modulierbar sind, nachweisen. Die detaillierte Aufklärung der beteiligten Transportproteine bietet Ansatzpunkte für zukünftige Forschungsarbeiten.
  • The clinical outcome of o drug therapy is mainly influenced by the pharmacokinetic characteristics of the drug. Besides absorption, metabolism and elimination transport processes are of major interest as well. While the impact of intestinal efflux transporters has already been investigated, only little knowledge exists concerning intestinal uptake carriers or carriers responsible for the distribution of the drug into target compartments. One example are pulmonary infections. There is some evidence that drug transporters might play a role for the accumulation of drugs such as macrolides within the lung. Therefore the aim of this thesis was to investigate the expression profile of pulmonary drug transporters in the lung and in addition to that to elaborate their impact on the distribution of drugs within the different compartments of the lung, namely the epithelial lining fluid and broncho-alveolar lavage cells . Clinically used combination therapy of Rhodococcus equi in foals resembles a useful tool for these questions. Firstly we describe the development and validation of a LC-MS/MS method for the simultaneous determination of clarithromycin, rifampicin and their main metabolites in horse plasma, epithelial lining fluid and broncho-alveolar cells and also in cell lysates from in vitro studies. Secondly we conducted a couple of studies to investigate the impact of rifampicin, an inductor of gene expression of ABCB1 and ABCC2, on the plasma pharmacokinetics and pulmonary distribution of tulathromycin and clarithromycin after chronic comedication. Both studies revealed a drastic decrease in pulmonary accumulation of the respective macrolide. Opposite to our expectations gene expression of pulmonary ABCB1 and ABCC2 was not induced. While it is known from the literature that clarithromycin is a substrate of both of these transporters we were able to show that tulathromycin does not have any affinity to ABCB1 nor to ABCC2 using stable transfected cell lines and vesicles of stable transfected cells. Therefore ABCB1 and ABCC2 can not be responsible for the loss of both macrolides in the pulmonary compartment. At the same time we found a huge loss of bioavailability of clarithromycin after comedication resulting in 90% loss of oral bioavailability whereas bioavailability of tulathromycin was decreased by 25% only. This drastic decrease of clarithromycin bioavailability can not be explained by increase of efflux or metabolism only but rather points to the existence of an intestinal uptake mechanism. Similar results were obtained in our short time interaction study with clarithromycin. The only difference was the loss of bioavailability which was only “70%” after three day comedication. This 20% difference can be explained by absence of induction of efflux transporters at the intestinal membrane and absence of induction of hepatic metabolism. Interestingly, in both studies with clarithromycin we saw a doubling of the ratio of the concentration of clarithromycin in epithelial lining fluid to plasma. To further identify the responsible drug transporters we conducted in vitro experiments with stable transfected cells and clarithromycin did inhibit the transport of probe drugs via members of the organic anion transporting polypeptide (OATP) family (OATP1B > OATP1B1 > OATP1A2 > OATP2B1). Nevertheless, it was not a substrate itself. In summary, we were able to show in this thesis that the combination therapy of clarithromycin and rifampicin leads to dramatic decrease of oral bioavailability of the macrolide resulting also in lowered pulmonary accumulation. Still therapy seems not to be endangered. Comparing the results of the short time with the chronic administration of both drugs it becomes evident that intestinal drug transporters that are inhibitible by rifampicin must play a role in the absorption of an orally given macrolide. Clarifying which transporters are responsible remains for further research projects.

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Metadaten
Author: Jette Peters
URN:urn:nbn:de:gbv:9-001148-6
Title Additional (English):About the relevance of drug transporters for therapy of infectious pulmonary diseases with macrolides and rifampicin in foals
Advisor:Prof. Dr. med. Werner Siegmund
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Date of Publication (online):2011/12/22
Granting Institution:Ernst-Moritz-Arndt-Universität, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät (bis 31.05.2018)
Date of final exam:2011/12/05
Release Date:2011/12/22
Tag:Alveolarmakrophage, bronchoalveoläre Lavage, intrazellulär
Rhodococcus equi, Rifampicin, clarithromycin, intracellular, pulmonary disease
GND Keyword:Clarithromycin, Genexpression, Induktion, Inhibition, Makrolidantibiotikum, Pharmakokinetik, Rhodococcus equi, Rifampicin, Tuberkelbakterium
Faculties:Universitätsmedizin / Institut für Pharmakologie
DDC class:600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 610 Medizin und Gesundheit