Metabolismus von Psychopharmaka durch das Cytochrom P450-Enzymsystem im Alter

Altern geht mit einer Reihe physiologischer Veränderungen einher. Da in höherem Lebensalter überdurchschnittlich viele Arzneistoffe eingenommen werden und häufig mehrere Erkrankungen gleichzeitig vorliegen, können Auffälligkeiten in den Arzneimittelkonzentrationen im Blut nicht nur altersbedingt, sondern auch krankheitsbedingt oder durch Arzneimittelwechselwirkungen verursacht sein.rnrnDie vorliegende Arbeit untersucht die Fragestellung, ob der Arzneimittelmetabolismus bei Alterspatenten generell, oder nur bei Patienten mit Multimorbidität und –medikation verändert ist, und in welchem Lebensalter diese Veränderungen einsetzen. Im Mittelpunkt stand dabei die Frage, ob die Aktivitäten distinkter Arzneimittel-abbauender Enzyme der Cytochrom P450-Enzym-Familie (CYP) verändert sind. Da viele Psychopharmaka nur bei Patienten im Alter zwischen 18 und 65 Jahren zugelassen sind, wurde die Hypothese geprüft, dass sich Patienten im Alter über und unter 65 Jahren in ihren Medikamentenspiegeln unterscheiden.rnrnFür die Untersuchungen wurde eine Datenbank aus Blutspiegelmessungen erstellt, die im Rahmen des pharmakotherapiebegleitenden TDM erhoben worden waren. Die Blutspiegel stammten von insgesamt 4197 Patienten, die mit Amisulprid, Aripiprazol, Citalopram, Clozapin, Donepezil, Escitalopram, Mirtazapin, Quetiapin, Risperidon, Sertralin, Venlafaxin oder Ziprasidon behandelt wurden. Die Messungen wurden ergänzt mit Angaben aus den TDM-Anforderungsscheinen bezüglich Tagesdosis, Begleitmedikamenten, Schweregrad der Erkrankung, Therapieerfolg und Verträglichkeit der Medikation. Zusätzlich wurden klinische Befunde der Leber- und Nierenfunktion einbezogen, sowie Angaben zur Berechnung des BMI. Die in vivo-CYP-Enzymaktivitäten wurden anhand von metabolischen Ratios (Serumkonzentrationen Metabolit/ Serumkonzentration Muttersubstanz) beurteilt.rnrnIm Mittel stieg der Schweregrad der Erkrankung mit dem Alter und der Therapieerfolg verschlechterte sich. Dies betraf im Einzelnen nur Patienten, die mit Amisulprid oder Clozapin behandelt worden waren. Ältere Patienten litten häufiger an Nebenwirkungen als jüngere.rnUnter Aripiprazol, Quetiapin, Sertralin und Venlafaxin erreichten Alterspatienten mit niedrigeren Tagesdosen gleiche Therapieerfolge wie jüngere Patienten.rnPatienten, die mit Clozapin oder Amisulprid behandelt wurden, zeigten im Alter schlechtere Behandlungserfolge bei gleicher (Clozapin) bzw. niedrigerer (Amisulprid) Tagesdosis.rnTherapieerfolg und mittlere Tagesdosis änderten sich bei Patienten, die Ziprasidon, Donepezil, Citalopram, Escitalopram und Mirtazapin einnahmen, nicht altersabhängig.rnrnAltersabhängige Unterschiede der Serumspiegel zeigten sich für Amisulprid, Aripiprazol, Donepezil, Mirtazapin, Desmethylmirtazapin, Quetiapin und DesmethylsertralinrnAllerdings lagen die Altersgrenzen außer bei Donepezil deutlich niedriger als die gängig angenommene, nämlich bei 35 Jahren (Aripiprazol), 70 Jahren (Donepezil), 55 Jahren (D-Sertralin), 41 Jahren (Amisulprid), 49 Jahren (Quetiapin) und 58 Jahren (Mirtazapin).rnEs bestand kein Zusammenhang zwischen dem Auftreten veränderter Serumspiegel im Alter und dem Verteilungsvolumen, der Plasmaproteinbindung oder der Eliminationshalbwertszeit der untersuchten Wirkstoffe.rnrnBei Patienten ohne Comedikation fand sich in keinem Fall eine altersabhängige Veränderung der Ratio. Es ergab sich daher kein Hinweis auf eine Veränderung der CYP-Aktivität im Alter. Die Einnahme von Comedikation nahm mit dem Alter zu, hierfür ließ sich eine Altersgrenze von 49 Jahren definieren. Unter Polytherapie wurden Veränderungen der CYP-Aktivität beobachtet.rnrnDer Einfluss veränderter Leber- oder Nierenfunktion auf die Biotransformation von Pharmaka wurde anhand von Serumspiegeln von Patienten, die mit Donepezil, Venlafaxin, Citalopram oder Escitalopram behandelt wurden, untersucht. rnBei keinem Wirkstoff wurden unter auffälligen Leber- oder Nierenparametern signifikant veränderte Serumspiegel gemessen.rnEine Abhängigkeit der Serumspiegel vom Körpergewicht wurde nur für Desmethylsertralin gefunden. Die Spiegel waren bei Patienten mit einem Body Mass Index unter 20 signifikant höher als bei Patienten mit einem Index über 20. Aufgrund der kleinen Fallgruppe und der Tatsache, dass der Serumspiegel der Muttersubstanz nicht stieg, konnte nicht zwingend von einem Alterseinfluss aufgrund der veränderten Körperzusammensetzung ausgegangen werden.rnInsgesamt ergaben sich aus den Untersuchungen Hinweise auf moderate altersabhängige Veränderungen der Pharmakokinetik. Es ließen sich allerdings keine allgemeinen Dosierempfehlungen für Alterspatienten ableiten. Es zeigte sich jedoch, dass mit altersabhängigen Veränderungen der Pharmakokinetik bereits nach dem 50. Lebensjahr zu rechnen ist. Weitere Untersuchungen sollten auch den Alterseffekt auf gastrointestinale Transporter einbeziehen, die die aktive Aufnahme von Arzneistoffen ins Blut bewerkstelligen. Unklar ist auch die Rolle des Alterns auf die Aktivität des P-Glykoproteins. rn

Unmittelbare, dauerhafte sowie evolutionäre Anpassung an Fremdstoffexpositionen

Eine der Hauptursachen für unerwünschte oder reduzierte Wirkungen von Medikamenten ist die Induktion von Enzymen und Transportern des Medikamentenstoffwechsels. Diese Induktion stellt ursprünglich eine physiologische Reaktion auf die Aufnahme von potentiell schädlichen Fremdstoffen aus der Umwelt dar und sichert so die Gesundheit und Fortpflanzungsfähigkeit von Lebewesen. Beim Menschen sowie anderen Säugetieren werden Fremdstoffe hauptsächlich von den nukleären Rezeptoren PXR und CAR in der Leber und im Dünndarm detektiert. Zu den Medikamenten, welche über PXR und CAR wirken, gehören unter anderem Antikonvulsiva, Statine, antiretrovirale Medikamente, Glucocorticoide sowie Antimykotika. Die durch Fremdstoffe aktivierten Transkriptionsfaktoren PXR und CAR steigern die Menge der Enzyme und Transporter des Fremdstoffmetabolismus. Hierzu zählen vor allem die Cytochrom P450-Enzyme (Cyp-Enzyme) mit breitem Substratspektrum oder der Transporter MDR1, welcher eine Vielzahl von Substraten über Membranen transportiert. Durch die Biotransformation werden die induzierenden, lipophilen Substanzen so modifiziert, dass sie leichter über den Urin oder die Galle ausgeschieden werden können. \r\nDie Dauer der Induktion sollte auf die Zeit der Fremdstoffexposition beschränkt sein, um Störungen des endogenen Stoffwechsels zu vermindern. In dieser Arbeit werden jedoch Hinweise auf dauerhafte und sogar generationsübergreifende Effekte von Medikamenten in Mäusen geliefert. Nachkommen von Müttern, welche bereits vor ihrer Verpaarung einmalig mit TCPOBOP, einem Liganden des murinen CAR, injiziert wurden, hatten eine ungefähr 100-fach gesteigerte Genexpression von Cyp2b10. Auch gab es Expressionsänderungen von Genen, deren Produkte eine Rolle im Lipidstoffwechsel sowie bei Immunkrankheiten spielen. Eine Hochdurchsatz-RNA-Sequenzierung der injizierten Elterngeneration ergab außerdem dauerhafte Expressionsveränderungen anderer Gene des Medikamentenstoffwechsels sowie von Genen mit Verbindung zum Energiemetabolismus. \r\nBerücksichtigt man die enge evolutionäre Verwandtschaft der nukleären Rezeptoren CAR und PXR, sind Langzeitveränderungen auch für PXR möglich und wurden im Verlauf dieser Arbeit ebenfalls untersucht. Eine Hochdurchsatz-Sequenzierung ergab für Mäuse, welche mit dem PXR-Aktivator PCN induziert wurden, dass selbst noch drei Monate nach der Exposition Gene verändert exprimiert waren, welche im Zusammenhang mit Lebernekrosen stehen. Bei Nachkommen von PCN-injizierten Müttern wurden Gene unterschiedlich exprimiert, welche eine Rolle bei der Energiehomöostase sowie im Glukosestoffwechsel spielen. Im Erwachsenenalter sind bei diesen Nachkommen darüber hinaus noch Gene unterschiedlich exprimiert, deren Produkte eine Funktion in der Immunantwort haben. \r\nDa Erwachsene aufgrund ihrer Lebensdauer sowie der absoluten Krankheitshäufigkeit wesentlich öfter Kontakt mit Fremdstoffen haben, war medizinisch von besonderem Interesse, ob anhaltende Genexpressionsänderungen auch bei Erwachsenen zu beobachten sind. So konnte im Rahmen dieser Arbeit gezeigt werden, dass auch einmalig exponierte Adulttiere Gene dauerhaft verändert exprimieren und die Veränderungen im Medikamentenstoffwechsel an die nächste Generation übertrugen. \r\n\r\nBisher sind klinische Studien zur Risikobewertung von Medikamenten (Pharmakovigilanz) nicht generationsübergreifend angelegt. Diese Arbeit gibt Anstöße dafür, dass dies in Zukunft für viel mehr Medikamente notwendig werden könnte. Neben Veränderungen im Medikamentenstoffwechsel ergeben sich Nebenwirkungen von PXR- und CAR-Liganden vor allem aus ihrer Beteiligung an endogenen Stoffwechselwegen. Nach Aktivierung von CAR, welcher viele metabolische Stoffwechselwege steuert, treten beispielsweise Störungen des Energiestoffwechsels auf. Ein tieferes Verständnis der Rezeptoraktivität von CAR samt einer gezielten Modulierung seiner Aktivität würde wichtige Beiträge zum Verständnis der Regulation des Fremdstoffmetabolismus sowie der Entstehung von Nebenwirkungen durch eine Behandlung mit CAR-Liganden leisten. Dauerhafte Veränderungen endogener Stoffwechselwege könnten dann möglicherweise über eine pharmakologische Modulierung der CAR-Aktivität reduziert werden. \r\nZu diesem Zweck wurden im Verlauf dieser Arbeit die CAR-Rezeptoren der Amphibien (Xenopus tropicalis, Xenopus laevis) und Reptilien (Anolis carolinensis) erstmals kloniert, als Proteine exprimiert und charakterisiert. Vergleiche zwischen Tierarten ermöglichen ein besseres Verständnis von humanen Proteinen. Funktionelle Analysen ergaben Ähnlichkeiten des Xenopus laevis-CAR mit dem PXR der Säugetiere: eine niedrige basale Aktivität sowie eine starke Induzierbarkeit durch Liganden. In weiteren funktionellen Analysen wurden die Determinanten der basalen Aktivität des Xenopus laevis-CAR untersucht. Die basale Aktivität war nicht abhängig von der subzellulären Lokalisation, sondern ergab sich aus der Proteinstruktur, welche nur beim CAR der Landvertebraten in einer aktiven Konformation fixiert ist. Ähnlich dem PXR der Säugetiere besitzt CAR der Amphibien eine Aktivierungsdomäne, welche erst durch Ligandenbindung in eine aktive Konformation gebracht wird. Mutationen einzelner Aminosäuren zum jeweils humanen Homolog erhöhten die basale Aktivität des Xenopus laevis-CAR auf die des humanen Rezeptors. Diese Mutanten mit erhöhter basalen Aktivität zeigten eine verstärkte Interaktion mit dem Kofaktor PGC-1a, einem Regulator des Energiestoffwechsels bei Säugetieren. Die hepatischen Zielgene des CAR der Amphibien überlappen zum Teil mit den humanen Zielgenen und spielen ebenfalls eine Rolle im Energiestoffwechsel.

Die Expression und Regulation der CYP3A in menschlicher Haut

In Leber und Dünndarm bauen CYP3A-Enzyme eine Vielzahl von Fremdstoffen ab, die in den Körper gelangt sind. Zudem aber sind diese Enzyme auch in anderen Organen, wie der Haut exprimiert. Doch weder die genaue Zusammensetzung der CYP3A-Isozyme noch deren physiologische Rolle in der Haut sind bisher bekannt. Basierend auf begrenzten in vitro-Daten ist eine Rolle der CYP3A in der kutanen Vitamin D-Synthese denkbar. Auf der anderen Seite könnten die kutanen CYP3A auch lokal oder systemisch verabreichte Medikamente in der Haut verstoffwechseln und so zur Entstehung immunologischer und nicht-immunologischer unerwünschter Arzneimittelwirkungen beitragen, von denen sich bis zu 45 % in der Haut manifestieren.rnDie Arbeitshypothese dieses Projekts war, dass die CYP3A die kutane Synthese von Vitamin D regulieren. In dieser Funktion wurden sie zur Vermeidung von Vitamin D-Mangel-Erkrankungen wie Rachitis oder Osteomalazie in Europäern negativ selektiert. rnDie Expression und Regulation der CYP3A wurde in Hautbiopsien, einer Zelllinie epidermalen Ursprungs und primären Hautzellen wie auch in transgenen Mäusen untersucht. Die metabolische Aktivität der CYP3A gegenüber den kutanen Vitamin D-Vorstufen wurde mit Hilfe rekombinant exprimierter Enzyme untersucht. CYP3A5-mRNA war die häufigste der CYP3A in humanen Hautproben und überstieg die von CYP3A4 um das Dreifache, die von CYP3A7 um das 130-Fache. Damit entsprach diese 1,3 %, 0,01 % bzw. 0,01 % der jeweiligen hepatischen Genexpression. Die Expression von CYP3A43 war zu vernachlässigen. CYP3A5 zeigte eine bimodale Expression sowohl auf mRNA- als auch auf Proteinebene. So zeigten Träger der Wildtyp-Allels *1 eine 3,3-fach höhere mRNA- und 1,8-fach höhere Proteinmenge als homozygote Träger des Nullallels *3. CYP3A4/7- und CYP3A5-Protein wurde v. a. in den Keratinozyten der Epidermis und den Talgdrüsen, also den Bereichen der kutanen Vitamin D-Synthese lokalisiert. Die CYP3A5-Expression wurde ferner in der Haut transgener Mäusen gezeigt, die das Reportergen Luziferase unter Kontrolle des humanen CYP3A5-Promoters exprimieren. Verglichen mit der Leber war die kutane Expression des Vitamin D-Rezeptors (VDR) 100-fach höher, die der Xenosensoren CAR und PXR vergleichbar bzw. zu vernachlässigen. Dementsprechend erhöhte die Behandlung mit 1,25-Dihydroxyvitamin D, dem aktiven Vitamin D-Hormon, und dessen Vorstufen außer 7-Dehydrocholesterol, jedoch nicht der PXR-Ligand Rifampicin, die Expression der CYP3A. Wie in Zwei-Hybrid-Experimenten gezeigt, wurden die Effekte des 1,25-Dihydroxyvitamin D und dessen Vorstufen alleinig durch VDR vermittelt. Die Effektstärke hingegen war abhängig von Zellspender, Zellpassage und Zelltypus. Alle drei CYP3A-Isozyme metabolisieren Vitamin D zu einem oder mehreren unbekannten Metaboliten, jedoch nicht zu 25-Hydroxyvitamin D, dem direkten Vorläufer des aktiven Vitamin D. rnZusammengefasst legen die Daten nahe, dass die kutanen CYP3A, allen voran CYP3A5, die Vitamin D-Homöostase durch VDR-vermittelte Induktion des Abbaus von Vitamin D-Vorstufen regulieren. Dies zusammen mit Sequenzdaten liefert starke Indizien für Vitamin D als treibende Kraft der Selektion des CYP3A-Lokus in Europäern. Der Einfluss der CYP3A-Expression auf selektiv wirksame, klinisch relevante Knochenveränderungen wie Rachitis oder Osteomalazie müssen folgen.rn

Clinical and biochemical consequences of p450 oxidoreductase deficiency

Patients with P450 oxidoreductase (POR) deficiency typically present with adrenal insufficiency, genital anomalies and bony malformations resembling the Antley-Bixler craniosynostosis syndrome. Since our first report in 2004, more than 40 POR mutations have been identified in over 65 patients. POR is the obligate electron donor to all microsomal P450 enzymes, including the steroidogenic enzymes CYP17A1, CYP21A2 and CYP19A1. POR deficiency may cause disordered sexual development manifested as genital undervirilization in 46, XY newborns as well as overvirilization in those who are 46, XX. This may be explained by impaired aromatization of fetal androgens that may cause maternal virilization and low urinary estriol levels during pregnancy. In addition, the alternate 'backdoor' pathway of androgen biosynthesis, which leads to dihydrotestosterone production bypassing androstenedione and testosterone, may also play a role. Functional assays studying the effects of POR mutations on steroidogenesis showed that several POR variants impaired CYP17A1, CYP21A2 and CYP19A1 activities to different degrees, indicating that each POR variant must be studied separately for each potential target P450 enzyme. POR variants may also affect skeletal development and drug metabolism. As most drugs are metabolized by hepatic microsomal P450 enzymes, studies of the impact of POR mutations on drug-metabolizing P450s are particularly important.

Stereoselective determination of drugs and metabolites in body fluids, tissues and microsomal preparations by capillary electrophoresis (2000-2010)

During the past two decades, chiral capillary electrophoresis (CE) emerged as a promising, effective and economic approach for the enantioselective determination of drugs and their metabolites in body fluids, tissues and in vitro preparations. This review discusses the principles and important aspects of CE-based chiral bioassays, provides a survey of the assays developed during the past 10 years and presents an overview of the key achievements encountered in that time period. Applications discussed encompass the pharmacokinetics of drug enantiomers in vivo and in vitro, the elucidation of the stereoselectivity of drug metabolism in vivo and in vitro, and bioanalysis of drug enantiomers of toxicological, forensic and doping interest. Chiral CE was extensively employed for research purposes to investigate the stereoselectivity associated with hydroxylation, dealkylation, carboxylation, sulfoxidation, N-oxidation and ketoreduction of drugs and metabolites. Enantioselective CE played a pivotal role in many biomedical studies, thereby providing new insights into the stereoselective metabolism of drugs in different species which might eventually lead to new strategies for optimization of pharmacotherapy in clinical practice.

Comparative human-horse sequence analysis of the CYP3A subfamily gene cluster

Cytochrome P450 enzymes (CYP450s) represent a superfamily of haem-thiolate proteins. CYP450s are most abundant in the liver, a major site of drug metabolism, and play key roles in the metabolism of a variety of substrates, including drugs and environmental contaminants. Interaction of two or more different drugs with the same enzyme can account for adverse effects and failure of therapy. Human CYP3A4 metabolizes about 50% of all known drugs, but little is known about the orthologous CYP450s in horses. We report here the genomic organization of the equine CYP3A gene cluster as well as a comparative analysis with the human CYP3A gene cluster. The equine CYP450 genes of the 3A family are located on ECA 13 between 6.97-7.53 Mb, in a region syntenic to HSA 7 99.05-99.35 Mb. Seven potential, closely linked equine CYP3A genes were found, in contrast to only four genes in the human genome. RNA was isolated from an equine liver sample, and the approximately 1.5-kb coding sequence of six CYP3A genes could be amplified by RT-PCR. Sequencing of the RT-PCR products revealed numerous hitherto unknown single nucleotide polymorphisms (SNPs) in these six CYP3A genes, and one 6-bp deletion compared to the reference sequence (EquCab2.0). The presence of the variants was confirmed in a sample of genomic DNA from the same horse. In conclusion, orthologous genes for the CYP3A family exist in horses, but their number differs from those of the human CYP3A gene family. CYP450 genes of the same family show high homology within and between mammalian species, but can be highly polymorphic.

Single-dose pharmacokinetics and tolerability of oral delta-9- tetrahydrocannabinol in patients with amyotrophic lateral sclerosis

Cannabinoids exert neuroprotective and symptomatic effects in amyotrophic lateral sclerosis (ALS). We assessed the pharmacokinetics (PK) and tolerability of delta-9-tetrahydrocannabinol (THC) in ALS patients.

Liver kidney microsomal type 1 antibodies reduce the CYP2D6 activity in patients with chronic hepatitis C virus infection

Liver kidney microsomal type 1 (LKM-1) antibodies have been shown to decrease the CYP2D6 activity in vitro and are present in a minority of patients with chronic hepatitis C infection. We investigated whether LKM-1 antibodies might reduce the CYP2D6 activity in vivo. All patients enrolled in the Swiss Hepatitis C Cohort Study and tested for LKM-1 antibodies were assessed (n = 1723): 10 eligible patients were matched with patients without LKM-1 antibodies. Patients were genotyped for CYP2D6 variants to exclude individuals with a poor metabolizer genotype. CYP2D6 activity was measured by a specific substrate using the dextromethorphan/dextrorphan metabolic ratio to classify patients into four activity phenotypes. All patients had a CYP2D6 extensive metabolizer genotype. The observed phenotype was concordant with the CYP2D6 genotype in most LKM-negative patients, whereas only three LKM-1 positive patients had a concordant phenotype (six presented an intermediate and one a poor metabolizer phenotype). The median DEM/DOR ratio was sixfold higher in LKM-1 positive than in LKM-1 negative patients (0.096 vs. 0.016, P = 0.004), indicating that CYP2D6 metabolic function was significantly reduced in the presence of LKM-1 antibodies. In chronic hepatitis C patients with LKM-1 antibodies, the CYP2D6 metabolic activity was on average reduced by 80%. The impact of LKM-1 antibodies on CYP2D6-mediated drug metabolism pathways warrants further translational studies.

NADPH-cytochrome P450 oxidoreductase: roles in physiology, pharmacology, and toxicology

This is a report on a symposium sponsored by the American Society for Pharmacology and Experimental Therapeutics and held at the Experimental Biology 2012 meeting in San Diego, California, on April 25, 2012. The symposium speakers summarized and critically evaluated our current understanding of the physiologic, pharmacological, and toxicological roles of NADPH-cytochrome P450 oxidoreductase (POR), a flavoprotein involved in electron transfer to microsomal cytochromes P450 (P450), cytochrome b(5), squalene mono-oxygenase, and heme oxygenase. Considerable insight has been derived from the development and characterization of mouse models with conditional Por deletion in particular tissues or partial suppression of POR expression in all tissues. Additional mouse models with global or conditional hepatic deletion of cytochrome b(5) are helping to clarify the P450 isoform- and substrate-specific influences of cytochrome b(5) on P450 electron transfer and catalytic function. This symposium also considered studies using siRNA to suppress POR expression in a hepatoma cell-culture model to explore the basis of the hepatic lipidosis phenotype observed in mice with conditional deletion of Por in liver. The symposium concluded with a strong translational perspective, relating the basic science of human POR structure and function to the impacts of POR genetic variation on human drug and steroid metabolism.

3,4-Dehydrodebrisoquine, a novel debrisoquine metabolite formed from 4-hydroxydebrisoquine that affects the CYP2D6 metabolic ratio

Considerable unexplained intersubject variability in the debrisoquine metabolic ratio (urinary debrisoquine/4-hydroxydebrisoquine) exists within individual CYP2D6 genotypes. We speculated that debrisoquine was converted to as yet undisclosed metabolites. Thirteen healthy young volunteers, nine CYP2D6*1 homozygotes [extensive metabolizers (EMs)] and four CYP2D6*4 homozygotes [poor metabolizers (PMs)] took 12.8 mg of debrisoquine hemisulfate by mouth and collected 0- to 8- and 8- to 24-h urines, which were analyzed by gas chromatography-mass spectrometry (GCMS) before and after treatment with beta-glucuronidase. Authentic 3,4-dehydrodebrisoquine was synthesized and characterized by GCMS, liquid chromatography-tandem mass spectrometry, and (1)H NMR. 3,4-Dehydrodebrisoquine is a novel metabolite of debrisoquine excreted variably in 0- to 24-h urine, both in EMs (3.1-27.6% of dose) and PMs (0-2.1% of dose). This metabolite is produced from 4-hydroxydebrisoquine in vitro by human and rat liver microsomes. A previously unstudied CYP2D6*1 homozygote was administered 10.2 mg of 4-hydroxydebrisoquine orally and also excreted 3,4-dehydrodebrisoquine. EMs excreted 6-hydroxydebrisoquine (0-4.8%) and 8-hydroxydebrisoquine (0-1.3%), but these phenolic metabolites were not detected in PM urine. Debrisoquine and 4-hydroxydebrisoquine glucuronides were excreted in a highly genotype-dependent manner. A microsomal activity that probably does not involve cytochrome P450 participates in the further metabolism of 4-hydroxydebrisoquine, which we speculate may also lead to the formation of 1- and 3-hydroxydebrisoquine and their ring-opened products. In conclusion, this study suggests that the traditional metabolic ratio is not a true measure of the debrisoquine 4-hydroxylation capacity of an individual and thus may, in part, explain the wide intragenotype variation in metabolic ratio.

Biochemical analysis of mutations in P450 oxidoreductase

All microsomal P450s require POR (cytochrome P450 reductase) for catalytic activity. Most of the clinically used drugs are metabolized by a small number of P450s and polymorphisms in the cytochrome P450s are known to cause changes in drug metabolism. We have recently found a number of POR missense mutations in the patients with disordered steroidogenesis. Our initial report described five missense mutations (A284P, R454H, V489E, C566Y and V605F) identified in four patients. We built bacterial expression vectors for each POR variant, purified the membranes expressing normal or variant POR and characterized their activities with cytochrome c and P450c17 assays. We have recently completed an extensive study of the range of POR mutations and characterized the mutants/polymorphisms A112V, T139A, M260V, Y456H, A500V, G536R, L562P, R613X, V628I and F643del from sequencing of patient DNA. We also studied POR variants Y179D, P225L, R313W, G410S and G501R that were available in databases or the published literature. We analysed the mutations with a three-dimensional model of human POR that was based on an essentially similar rat POR with known crystal structure. The missense mutations found in patients with disordered steroidogenesis mapped to functionally important domains of POR and the apparent polymorphisms mapped to less crucial regions. Since a variation in POR can alter the activity of all microsomal P450s, it can also affect the drug metabolism even with a normal P450. Understanding the genetic and biochemical basis of POR-mediated drug metabolism will provide valuable information about possible differences in P450-mediated reactions among the individuals carrying a variant or polymorphic form of POR.

Penetration of ASM 981 in canine skin: a comparative study

ASM 981 has been developed for topical treatment of inflammatory skin diseases. It specifically inhibits the production and release of pro-inflammatory cytokines. We measured the skin penetration of ASM 981 in canine skin and compared penetration in living and frozen skin. To make penetration of ASM 981 visible in dog skin, tritium labelled ASM 981 was applied to a living dog and to defrosted skin of the same dog. Using qualitative autoradiography the radioactive molecules were detected in the lumen of the hair follicles until the infundibulum, around the superficial parts of the hair follicles and into a depth of the dermis of 200 to 500 microm. Activity could not be found in deeper parts of the hair follicles, the dermis or in the sebaceous glands. Penetration of ASM 981 is low in canine skin and is only equally spread in the upper third of the dermis 24 hours after application. Penetration in frozen skin takes even longer than in living canine skin but shows the same distribution.

Activation of T cells by carbamazepine and carbamazepine metabolites

BACKGROUND: T-cell-mediated hypersensitivity is a rare but serious manifestation of drug therapy. OBJECTIVES: To explore the mechanisms of drug presentation to T cells and the possibility that generation of metabolite-specific T cells may provoke cross-sensitization between drugs. METHODS: A lymphocyte transformation test was performed on 13 hypersensitive patients with carbamazepine, oxcarbazepine, and carbamazepine metabolites. Serial dilution experiments were performed to generate drug (metabolite)-specific T-cell clones to explore the structural basis of the T-cell response and mechanisms of antigen presentation. 3-Dimensional energy-minimized structures were generated by using computer modeling. The role of drug metabolism was analyzed with 1-aminobenzotriazole. RESULTS: Lymphocytes and T-cell clones proliferated with carbamazepine, oxcarbazepine, and some (carbamazepine 10,11 epoxide, 10-hydroxy carbamazepine) but not all stable carbamazepine metabolites. Structure activity studies using 29 carbamazepine (metabolite)-specific T-cell clones revealed 4 patterns of drug recognition, which could be explained by generation of preferred 3-dimensional structural conformations. T cells were stimulated by carbamazepine (metabolites) bound directly to MHC in the absence of processing. The activation threshold for T-cell proliferation varied between 5 minutes and 4 hours. 1-Aminobenzotriazole, which inhibits cytochrome P450 activity, did not prevent carbamazepine-related T-cell proliferation. Substitution of the terminal amine residue of carbamazepine with a methyl group diminished T-cell proliferation. CONCLUSION: These data show that carbamazepine and certain stable carbamazepine metabolites stimulate T cells rapidly via a direct interaction with MHC and specific T-cell receptors. CLINICAL IMPLICATIONS: Some patients with a history of carbamazepine hypersensitivity possess T cells that cross-react with oxcarbazepine, providing a rationale for cross-sensitivity between the 2 drugs.

Modulation of human CYP19A1 activity by mutant NADPH P450 oxidoreductase

Mutations in NADPH P450 oxidoreductase (POR) cause a broad spectrum of human disease with abnormalities in steroidogenesis. We have studied the impact of P450 reductase mutations on the activity of CYP19A1. POR supported CYP19A1 activity with a calculated Km of 126 nm for androstenedione and a Vmax of 1.7 pmol/min. Mutations R457H and V492E located in the FAD domain of POR that disrupt electron transfer caused a complete loss of CYP19A1 activity. The A287P mutation of POR decreased the activities of CYP17A1 by 60-80% but had normal CYP19A1 activity. Molecular modeling and protein docking studies suggested that A287P is involved in the interaction of POR:CYP17A1 but not in the POR:CYP19A1 interaction. Mutations C569Y and V608F in the NADPH binding domain of POR had 49 and 28% of activity of CYP19A1 compared with normal reductase and were more sensitive to the amount of NADPH available for supporting CYP19A1 activity. Substitution of NADH for NADPH had a higher impact on C569Y and V608F mutants of POR. Similar effects were obtained at low/high (5.5/8.5) pH, but using octanol to limit the flux of electrons from POR to CYP19A1 inhibited activity supported by all variants. High molar ratios of KCl also reduced the CYP19A1 supporting activities of C569Y and V608F mutants of POR to a greater extent compared to normal POR and A287P mutant. Because POR supports many P450s involved in steroidogenesis, bone formation, and drug metabolism, variations in the effects of POR mutations on specific enzyme activities may explain the broad clinical spectrum of POR deficiency.

P450 oxidoreductase deficiency - a new form of congenital adrenal hyperplasia

Patients with adrenal insufficiency, genital anomalies and bony malformations resembling the Antley- Bixler syndrome (a craniosynostosis syndrome), are likely to have P450 oxidoreductase (POR) deficiency. Since our first report in 2004, about 26 recessive POR mutations have been identified in 50 patients. POR is the obligate electron donor to all microsomal (type II) P450 enzymes, including the steroidogenic enzymes CYP17A1, CYP21A2 and CYP19A1. POR deficiency may cause disordered sexual development manifested as genital undervirilization in 46,XY newborns as well as overvirilization in those who are 46,XX. This may be explained by impaired aromatization of fetal androgens which may also lead to maternal virilization and low urinary estriol levels during pregnancy. A role for the alternate 'backdoor' pathway of androgen biosynthesis, leading to dihydrotestosterone production bypassing androstenedione and testosterone, has been suggested in POR deficiency but remains unclear. POR variants may play an important role in drug metabolism, as most drugs are metabolized by hepatic microsomal P450 enzymes. However, functional assays studying the effects of specific POR mutations on steroidogenesis showed that several POR variants impaired CYP17A1, CYP21A2 and CYP19A1 activities to different degrees, indicating that each POR variant must be studied separately for each potential target P450 enzyme. Thus, the impact of POR mutations on drug metabolism by hepatic P450s requires further investigation.