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Background: Unwanted drug-drug interactions (DDIs), as caused by the upregulation of clinically relevant drug metabolizing enzymes and transporter proteins in intestine and liver, have the potential to threaten the therapeutic efficacy and safety of drugs. The molecular mechanism of this undesired but frequently occurring scenario of polypharmacy is based on the activation of nuclear receptors such as the pregnane X receptor (PXR) or the constitutive androstane receptor (CAR) by perpetrator agents such as rifampin, phenytoin or St. John’s wort. However, the expression pattern of nuclear receptors in human intestine and liver remains uncertain, which makes it difficult to predict the extent of potential DDIs. Thus, it was the aim of this study to characterize the gene expression and protein abundance of clinically relevant nuclear receptors, i.e., the aryl hydrocarbon receptor (AhR), CAR, farnesoid X receptor (FXR), glucocorticoid receptor (GR), hepatocyte nuclear factor 4 alpha (HNF4α), PXR and small heterodimer partner (SHP), in the aforementioned organs. Methods: Gene expression analysis was performed by quantitative real-time PCR of jejunal, ileal, colonic and liver samples from eight human subjects. In parallel, a targeted proteomic method was developed and validated in order to determine the respective protein amounts of nuclear receptors in human intestinal and liver samples. The LC-MS/MS method was validated according to the current bioanalytical guidelines and met the criteria regarding linearity (0.1–50 nmol/L), within-day and between-day accuracy and precision, as well as the stability criteria. Results: The developed method was successfully validated and applied to determine the abundance of nuclear receptors in human intestinal and liver samples. Gene expression and protein abundance data demonstrated marked differences in human intestine and liver. On the protein level, only AhR and HNF4α could be detected in gut and liver, which corresponds to their highest gene expression. In transfected cell lines, PXR and CAR could be quantified. Conclusions: The substantially different expression pattern of nuclear receptors in human intestinal and liver tissue may explain the different extent of unwanted DDIs in the dependence on the administration route of drugs.
Intestinal transporter proteins are known to affect the pharmacokinetics and in turn the efficacy and safety of many orally administered drugs in a clinically relevant manner. This knowledge is especially well-established for intestinal ATP-binding cassette transporters such as P-gp and BCRP. In contrast to this, information about intestinal uptake carriers is much more limited although many hydrophilic or ionic drugs are not expected to undergo passive diffusion but probably require specific uptake transporters. A transporter which is controversially discussed with respect to its expression, localization and function in the human intestine is the organic cation transporter 1 (OCT1). This review article provides an up-to-date summary on the available data from expression analysis as well as functional studies in vitro, animal findings and clinical observations. The current evidence suggests that OCT1 is expressed in the human intestine in small amounts (on gene and protein levels), while its cellular localization in the apical or basolateral membrane of the enterocytes remains to be finally defined, but functional data point to a secretory function of the transporter at the basolateral membrane. Thus, OCT1 should not be considered as a classical uptake transporter in the intestine but rather as an intestinal elimination pathway for cationic compounds from the systemic circulation.
Die Bedeutung der Einschätzung von Interaktionen verschiedener Medikamente und der hiermit potentiell einhergehenden Nebenwirkungen nehmen aufgrund der stetigen Entwicklung neuer medikamentöser Therapieansätze und der hierdurch bedingt vermehrt auftretenden Polypharmazie kontinuierlich zu. Die Grundlage für das Verständnis dieser Interaktionen bilden die Pharmakokinetik und die Pharmakodynamik. Wichtige Einflussfaktoren im Hinblick auf die Regulation dieser beiden Prozesse sind die nukleären Rezeptoren CAR und PXR, die als ligandenabhängige Transkriptionsfaktoren entsprechend der anfallenden Metaboliten den Metabolismus mitbestimmen. Ein bekannter Induktor von CAR mit seinen Zielgenen in der Pharmakokinetik ist Efavirenz – ein wichtiger Bestandteil der HIV- Therapie. Hierauf basierend wurde in einer klinischen Studie mit 12 Probanden u.a. Gewebe (PBMCs und Intestinum) unter der kontrollierten Gabe von Efavirenz mit Ezetimib untersucht. Letzteres Medikament wurde zum einen als Parameter für den Metabolismus der zahlreichen Zielgene von CAR und zum anderen als eine mögliche Option zur Behandlung der Dyslipidämie – der Entstehung einer Dysbalance als vermeintliche Nebenwirkung von Efavirenz – eingesetzt. Diese klinische Studie ergab, dass Efavirenz keine Regulation im Intestinum auf die mRNA bewirken konnte, jedoch vereinzelt Induktionen auf Proteinebene. Im Modell der Caco2-Zellen ließ sich prinzipiell nach Exposition von Efavirenz eine Induktion feststellen. Auch im Kompartiment der PBMCs ließ sich generell – innerhalb der Studie und auch in vitro– eine Induktion detektieren. Dabei konnte jedoch weder eine relevante pharmakokinetische noch eine pharmakodynamische Interaktion zwischen Efavirenz und Ezetimib eindeutig nachgewiesen werden. Insgesamt scheinen gleiche Zielgene von CAR abhängig vom Kompartiment regulationsfähig zu sein. Ob letztendlich die Distribution von Efavirenz über die Induktion oder auch das Kompartiment und dessen Umstände an sich die Induktion beeinflussen bleibt offen. Die Feststellung grundlegender Schlussfolgerungen ist somit aufgrund der derzeit noch unklaren Confounder noch nicht möglich, weshalb weitere komplementäre Forschungsvorhaben erforderlich sind, um zusätzliche Erkenntnisse zu erzielen.