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The role of uptake and efflux transporters in the pharmacokinetics of ß1-receptor blocker talinolol
(2016)
Introduction: The β1-adrenergic receptor antagonist talinolol is a probe drug for P-glycoprotein (P-gp). It is absorbed erratically and incompletely from the gastrointestinal tract. However, its pharmacokinetics might also be influenced by further uptake and efflux transporters as concluded from interaction studies with naringin and verapamil in human. Additionally, the transcellular transport through the different tissues, including enterocytes, hepatocytes and kidney tubular cells, is not completely understood so far. Therefore, we aimed to measure the affinity of talinolol to drug transporting proteins (OCT1-3, PEPT1, OCTN2, ASBT, NTCP, MRP 1-3 and P-gp as well as OATP 1B1, 1B3, 2B1 and 1A2) and some of their genetic variants known to be of pharmacokinetic relevance (OATP1A2 *2 and*3 as well as OATP2B1 V201M, R312Q and S486F). In a further step, we retrospectively evaluated the impact of clinically relevant genetic polymorphisms of transporters on the pharmacokinetics of talinolol in healthy subjects. Materials and Methods: Time and concentration-dependent uptake assays with [3H]-talinolol were performed either in stable transfected HEK293 or MDCKII cells expressing OATP1A2 *1, *2 and *3, OATP1B1, OATP1B3, OATP2B1 (and its genetic variants p.V201M, p.R312Q and p.S486F), NTCP, ASBT, PEPT1, OCTN2, OCT 1-3 and the respective vector control or in inside-out lipovesicles expressing the efflux transporters MRP1-3 and P-gp. Talinolol was quantified by liquid scintillation counting. The transport rates were then corrected by the transporter proteomics measured in the cellular membrane. Regarding the pharmacogenomic evaluation, it was carried out retrospectively in 39 healthy subjects who had participated in former pharmacokinetic studies with talinolol. This evaluation included a variety of transporter related genetic variants, known to be of a clinical meaning for their substrates. Results: Among the uptake transporters, talinolol was shown to be a substrate of OATP1B3 (Km= 153 ± 137 μmol/l; Vmax= 168 ± 30.3 μmol/mgxmin), OATP1B1 (Km= 301 ± 133 μmol/l; Vmax= 1135 ± 348 μmol/mgxmin), OATP2B1 (Km= 459 ± 260 μmol/l; Vmax= 4.32 ± 1.33 μmol/mgxmin), OATP1A2 (Km= 477 ± 158 μmol/l; Vmax= 0.61 ± 0.1 μmol/mgxmin) and NTCP (Km= 2560 ± 781 μmol/l; Vmax= 15944 ± 3741 μmol/mgxmin) but not a substrate of OCT1-3, OCTN2, PEPT1 or ASBT. When it comes to the efflux transporters, talinolol was transported by both P-gp (Km = 175 ± 206 mol/l; Vmax = 14 ± 10.8 nmol/mgxmin) and MRP3 (Km= 86.8 ± 62.8 μmol/l; Vmax= 133 ± 51.5 μmol/mgxmin) but not by MRP2. The pharmacogenomic analysis supported the in-vitro results, as it showed a significant decrease in talinolol absorption (AUC and Cmax) in subjects with the loss of function variant MRP3 211C>T and in those with a decreased P-gp function due to having less than 5 T-allels in the haplotype P-gp 1236-2677-3435-TTT. No significant changes were found associated with other transporters’ genetic variants. Conclusion: Our in-vitro results suggested the vectorial transport of talinolol through the enterocytes to consist mainly of apical OATP2B1 and P-gp and basolateral MRP3. Additionally in the hepatocytes, apical OATP1B1, OATP1B3 and NTCP seem to be involved as well. This vectorial transport was demonstrated in-vivo for the first time by our pharmacogenomic analysis, where talinolol absorption was significantly influenced by both P-gp and MRP3 genetic variants.
Moderne Arzneistoffentwicklungsprogramme erbringen in zunehmendem Maße schwer wasserlösliche Arzneistoffe. Dies bringt pharmazeutisch-technologische und biopharmazeutische Probleme für deren Formulierung mit sich. Eine ausreichende Löslichkeit ist notwendig für die Herstellung von intravenös zu applizierenden Zubereitungen und die Durchführung von in vitro Untersuchungen z.B. im Rahmen der Arzneistoffentwicklung. Eine schlechte Löslichkeit kann die Resorption verzögern und so die Bioverfügbarkeit von oral verabreichten Arzneistoffen beeinträchtigen. Lösungsvermittler bieten eine Möglichkeit, die Wasserlöslichkeit von Arzneistoffen zu verbessern und finden breite Anwendung in vielen zugelassenen Arzneimitteln und v.a. in der präklinischen und klinischen Entwicklung. Trotz des Anspruchs der pharmakologischen Inaktivität wurde in der Literatur für verschiedene Lösungsvermittler jedoch ein Einfluss auf die Pharmakokinetik von Arzneistoffen beschrieben. Die Absorption, Verteilung und Elimination eines Arzneistoffes wird zu großen Teilen von Transportproteinen und metabolisierenden Enzymen bestimmt. Als Ursache für die pharmakokinetischen Veränderungen wurde eine Interaktion der Hilfsstoffe mit dem Effluxtransporter P-Glykoprotein (ABCB1) und dem metabolisierenden Enzym Cytochrom P450 (CYP) 3A4 erkannt. Zum Einfluss auf Aufnahmetransporter gab es bisher nur wenige Erkenntnisse für Cremophor EL. Da sie dem Metabolismus und Efflux vorgelagert sind, spielen Aufnahmetransporter eine besondere Rolle. Daher gab es einen speziellen Bedarf an Wissen über den Einfluss von Lösungsvermittlern auf Aufnahmetransporter. In der vorliegenden Arbeit wurde der Einfluss der Lösungsvermittler Polyethylenglykol (PEG) 400, Hydroxypropyl-β-cyclodextrin (HPCD), Solutol HS15 (SOL) und Cremophor EL (CrEL) auf die Aufnahmetransporter organic anion transporting polypeptide (OATP) 1A2, OATP1B1, OATP1B3, OATP2B1 und Na+ / taurocholate cotransporting polypeptide (NTCP) an zellulären Transportermodellen untersucht. PEG 400 hemmte selektiv OATP1A2. HPCD hemmte bei allen Transportern nur die Aufnahme von Substraten mit Sterangrundgerüst vermutlich durch Komplexbildung, stimulierte jedoch die NTCP-abhängige Aufnahme von Bromosulfophthalein (kein Steran). SOL und CrEL hemmten alle Transporter. Für OATP1B1 und NTCP (Hemmung oberhalb der kritischen Mizellbildungskonzentration (CMC)) ist ein mizellares trapping als Ursache wahrscheinlich. Für OATP1A2, OATP1B3 und OATP2B1 (Hemmung unterhalb der CMC) müssen spezifische Mechanismen involviert gewesen sein. Pharmakokinetische Interaktionen mit Hilfsstoffen können also auch auf Ebene der Aufnahmetransporter stattfinden. Im zweiten Teil der Arbeit wurde die in vivo Relevanz der Befunde überprüft. In einer Studie wurde der Einfluss von PEG 400, HPCD und SOL auf die Pharmakokinetik der Modellarzneistoffe Paracetamol, Talinolol, Colchicin und Ciclosporin A nach intravenöser Applikation an Ratten untersucht. Dabei erwies sich keiner der Hilfsstoffe als vollständig inert. Es wurde eine Vielzahl unterschiedlicher Effekte beobachtet. Häufig traten Veränderungen in der AUC, der Halbwertzeit und der Verteilung auf. Grundsätzlich schienen alle in Frage kommenden Mechanismen auch in vivo eine Rolle zu spielen. Die in der Literatur beschriebene Hemmung von Effluxtransport und Phase I Metabolismus konnte bestätigt werden. Die in vitro beobachtete Hemmung von Aufnahmetransportern konnte in vivo belegt werden. Auch unspezifische Mechanismen wie Komplexbildung und mizellares trapping schienen in vivo relevant zu sein. Durch die Überlagerung verschiedener Mechanismen ergab sich jedoch ein sehr komplexes Bild, das sowohl von den Eigenschaften des jeweiligen Hilfsstoffes als auch von denen des Arzneistoffes geprägt war. Daher konnten in den meisten Fällen nur allgemeine Hypothesen zu den möglichen Ursachen der Interaktion aufgestellt werden. Aus demselben Grund ist keine Extrapolation der Daten auf andere Lösungsvermittler und Arzneistoffe im Sinne einer Vorhersage möglich, da die wenigsten Substanzen ausreichend gut charakterisiert sind. Dennoch lässt sich schlussfolgern, dass Lösungsvermittler ein gewisses Interaktions-potenzial besitzen, das sich nicht nur auf ABCB1 und CYP3A4 beschränkt. Damit können sie an Arzneimittelinteraktionen beteiligt sein. Diese Effekte sollten somit auch in der Arzneimittelentwicklung berücksichtigt werden.
Ziel der vorliegenden Arbeit war es, den Ort der Wirkstofffreisetzung als eine wichtige Einflussgröße für die Absorption von Arzneistoffen zu charakterisieren. Bezugnehmend auf die unterschiedliche Expression von Transportproteinen in den einzelnen Abschnitten des Magen-Darm-Traktes sollten Erkenntnisse über die regioselektive Absorption des P-gp-Substrates Talinolol nach Gabe verschiedener Arzneizubereitungsformen gewonnen werden. Dazu wurde in einer kontrollierten, randomisierten klinischen Studie an acht gesunde, männliche Probanden je eine konventionelle Hartkapsel, eine magensaft-resistente Kapsel und ein Suppositorium verabreicht. Jede Arzneiform enthielt neben Talinolol auch noch Paracetamol, das als Referenzsubstanz für die Bestimmung des Zeitpunktes der Wirkstoffliberation diente. Paracetamol wurde nach Gabe aller drei Arzneiformen in gleichem Umfang absorbiert. Es zeigte in jedem Fall regelmäßige Peaks und war ein zuverlässiger Indikator für die Freisetzung des Wirkstoffes aus der Arzneiform. Der Verlauf der Serumkonzentrations-Zeit-Kurven von Talinolol war insgesamt weitaus weniger regelmäßig als der von Paracetamol. Im interindividuellen Vergleich fielen insbesondere nach Gabe der magensaftstabilen Kapsel und des Suppositoriums erhebliche Schwankungen auf. Dabei sank die relative Bioverfügbarkeit nach Gabe der magensaftstabilen Kapsel auf 50%, nach Gabe des Suppositoriums sogar auf 20% des Wertes nach Einnahme einer konventionellen Hartkapsel. Die Auflösung von magensaftstabilen Zubereitungsformen erfolgt vorrangig im distalen Jejunum oder Ileum. Nach Aussage mehrerer Autoren ist hier die P-gp-Expression im Vergleich zum Duodenum deutlich erhöht. Dies könnte unserer Meinung nach die verminderte Bioverfügbarkeit des P-gp-Substrates Talinolol nach Einnahme einer magensaftresistenten Kapsel erklären. Der noch stärkere Abfall des AUC-Wertes nach Gabe eines Suppositoriums kann indes nur teilweise auf die rektale Expression von P-gp zurückgeführt werden, die zwar höher als im Duodenum, aber nicht höher als im Jejunum/Ileum ist. Hauptursache für die schlechte Absorption scheint hier die im Vergleich zu Paracetamol schlechte Löslichkeit von Talinolol zu sein, die wohl auf die Bedingungen der rektalen Zufuhr des nicht gelösten Arzneistoffes zurückzuführen ist. In der vorliegenden Arbeit konnte gezeigt werden, dass Talinolol in tieferen Darmabschnitten schlechter absorbiert wird. Eine solche regioselektive Absorption wurde auch bei anderen Wirkstoffen beobachtet. Dies ist bei der Entwicklung von Arzneizubereitungsformen bedeutsam, welche den Arzneistoff in einem bestimmten Abschnitt des Magen-Darm-Traktes freisetzen sollen.