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Genome-wide association studies have identified an association between isobutyrylcarnitine (IBC) and organic cation transporter 1 (OCT1) genotypes. Higher IBC blood concentrations in humans with active OCT1 genotypes and experimental studies with mouse OCT1 suggested an OCT1-mediated efflux of IBC. In this study, we wanted to confirm the suggested use of IBC as an endogenous biomarker of OCT1 activity and contribute to a better understanding of the mechanisms behind the association between blood concentrations of carnitine derivatives and OCT1 genotype. Blood and urine IBC concentrations were quantified in healthy volunteers regarding intra- and interindividual variation and correlation with OCT1 genotype and with pharmacokinetics of known OCT1 substrates. Furthermore, IBC formation and transport were studied in cell lines overexpressing OCT1 and its naturally occurring variants. Carriers of high-activity OCT1 genotypes had about 3-fold higher IBC blood concentrations and 2-fold higher amounts of IBC excreted in urine compared to deficient OCT1. This was likely due to OCT1 function, as indicated by the fact that IBC correlated with the pharmacokinetics of known OCT1 substrates, like fenoterol, and blood IBC concentrations declined with a 1 h time delay following peak concentrations of the OCT1 substrate sumatriptan. Thus, IBC is a suitable endogenous biomarker reflecting both, human OCT1 (hOCT1) genotype and activity. While murine OCT1 (mOCT1) was an efflux transporter of IBC, hOCT1 exhibited no IBC efflux activity. Inhibition experiments confirmed this data showing that IBC and other acylcarnitines, like butyrylcarnitine, 2-methylbutyrylcarnitine, and hexanoylcarnitine, showed reduced efflux upon inhibition of mOCT1 but not of hOCT1. IBC and other carnitine derivatives are endogenous biomarkers of hOCT1 genotype and phenotype. However, in contrast to mice, the mechanisms underlying the IBC-OCT1 correlation in humans is apparently not directly the OCT1-mediated efflux of IBC. A plausible explanation could be that hOCT1 mediates cellular concentrations of specific regulators or co-substrates in lipid and energy metabolism, which is supported by our in vitro finding that at baseline intracellular IBC concentration is about 6-fold lower alone by OCT1 overexpression.
Die Magnetresonanztomographie mit Einsatz eines entsprechenden Kontrastmittels bietet eine potentielle Möglichkeit Transportvorgänge in vivo nicht invasiv zu charakterisieren. In vorherigen Arbeiten gelang es, die Organspezifität des Leberkontrastmittels Gadoxetat (Primovist®) sowie den Einfluss genetischer Varianten der beteiligten Transporterproteine, in vivo darzustellen. Basierend darauf wurden weitere strukturähnliche, gadoliniumhaltige MRT-Kontrastmittel ausgewählt, um sie hinsichtlich ihrer Affinität zu intestinalen und hepatischen Aufnahme- und Effluxtransportern zu charakterisieren. Hierzu zählten die klinisch verwendeten Kontrastmitten Gadofosveset (Ablavar®), Gadoversetamid (Optimark®) und Gadobenat Dimeglumin (Multihance®XL). Ziel dabei war es ein Kontrastmittel zu identifizieren, das nach oraler Applikation den Absorptionsweg über die Enterozytenmembran, das Pfortaderblut bis hin zur hepatischen bzw. renalen Exkretion visualisiert. Anhand von Kompetitionsassays in stabil transfizierten Zellen, die die verschiedenen intestinalen und hepatischen Aufnahmetransporter überexprimierten, konnte gezeigt werden, dass alle drei untersuchten Kontrastmittel lediglich auf den leberspezifischen Transporter OATP1B3 einen, teils signifikanten, hemmenden Einfluss besaßen. In den durchgeführten Aufnahmeassays konnte ausschließlich für Gadofosveset eine Affinität zu den Aufnahmetransportern OATP1B1, OATP1B3 und OATP2B1 sowie zu dem Effluxtransporter MRP2 dargestellt werden. Hinsichtlich der Affinitäten zeigten sich keine Unterschiede, jedoch wurde für den Effluxtransporter eine vergleichsweise deutlich erhöhte intrinsische Clearance beobachtet. Aus vorangegangenen Arbeiten ist bekannt, dass sich Gadofosveset nach i.v. Applikation u.a. in der Gallenblase und den extrahepatischen Gallenwegen anreichert. In den Hepatozyten kommt es hingegen zu keiner Anreicherung des Kontrastmittels. Basierend auf den klinischen Beobachtungen und den in vitro gewonnenen Daten, kann auf einen vektoriellen Transport geschlossen werden, bei dem die hepatozelluläre Aufnahme des Kontrastmittels durch hepatische OATP-Transporter erfolgt und sich an der kanalikulären Membran der MRP2-vermittelte Effluxtransport der Substanz in die Gallenkanälchen unmittelbar anschließt. Ob sich Gadofosveset als probe drug zur Visualisierung der oralen Absorption, der Distribution und der Elimination eignet, ist in Abhängigkeit der Affinität von Gadofosveset zu MRP3 zu beurteilen. Die erforderlichen Untersuchungen konnten in der vorliegenden Arbeit jedoch nicht durchgeführt werden und sollten Gegenstand weiterführender Forschungsarbeiten sein.