Liquid Chromatography-Mass Spectrometry in Studies of Drug Metabolism and Permeability

Poor pharmacokinetics is one of the reasons for the withdrawal of drug candidates from clinical trials. There is an urgent need for investigating in vitro ADME (absorption, distribution, metabolism and excretion) properties and recognising unsuitable drug candidates as early as possible in the drug development process. Current throughput of in vitro ADME profiling is insufficient because effective new synthesis techniques, such as drug design in silico and combinatorial synthesis, have vastly increased the number of drug candidates. Assay technologies for larger sets of compounds than are currently feasible are critically needed. The first part of this work focused on the evaluation of cocktail strategy in studies of drug permeability and metabolic stability. N-in-one liquid chromatography-tandem mass spectrometry (LC/MS/MS) methods were developed and validated for the multiple component analysis of samples in cocktail experiments. Together, cocktail dosing and LC/MS/MS were found to form an effective tool for increasing throughput. First, cocktail dosing, i.e. the use of a mixture of many test compounds, was applied in permeability experiments with Caco-2 cell culture, which is a widely used in vitro model for small intestinal absorption. A cocktail of 7-10 reference compounds was successfully evaluated for standardization and routine testing of the performance of Caco-2 cell cultures. Secondly, cocktail strategy was used in metabolic stability studies of drugs with UGT isoenzymes, which are one of the most important phase II drug metabolizing enzymes. The study confirmed that the determination of intrinsic clearance (Clint) as a cocktail of seven substrates is possible. The LC/MS/MS methods that were developed were fast and reliable for the quantitative analysis of a heterogenous set of drugs from Caco-2 permeability experiments and the set of glucuronides from in vitro stability experiments. The performance of a new ionization technique, atmospheric pressure photoionization (APPI), was evaluated through comparison with electrospray ionization (ESI), where both techniques were used for the analysis of Caco-2 samples. Like ESI, also APPI proved to be a reliable technique for the analysis of Caco-2 samples and even more flexible than ESI because of the wider dynamic linear range. The second part of the experimental study focused on metabolite profiling. Different mass spectrometric instruments and commercially available software tools were investigated for profiling metabolites in urine and hepatocyte samples. All the instruments tested (triple quadrupole, quadrupole time-of-flight, ion trap) exhibited some good and some bad features in searching for and identifying of expected and non-expected metabolites. Although, current profiling software is helpful, it is still insufficient. Thus a time-consuming largely manual approach is still required for metabolite profiling from complex biological matrices.

Effects of oral calcium sensitizers on experimental heart failure

Suun kautta annosteltava kalsiumherkistäjä parantaa sydämen vajaatoimintaan liittyvää pumppausvajetta kokeellisissa sydämen vajaatoimintamalleissa Huolimatta viime vuosikymmenien lääketieteellisestä kehityksestä krooninen sydämen vajaatoiminta on silti edelleen vakava, elämänlaatua voimakkaasti rajoittava sairaus. Kalsiumherkistäjät ovat uusi, sydämen pumppausvoimaa lisäävä lääkeryhmä. Levosimendaani, kotimaista alkuperää oleva kalsiumherkistäjä, on kliinisessä käytössä akuutin vajaatoiminnan hoitoon suonensisäisesti ja lyhytaikaisesti annosteltavana valmisteena. Levosimendaanilla on aktiivinen metaboliitti, OR-1896, jonka oletetaan olevan vuorokauden mittaisen levosimendaani-infuusion jälkeen havaittujen useita päiviä kestävien hyödyllisisten vaikutuksisten takana. Levosimendaanin kroonisen, suun kautta tapahtuvan annostelun vaikutuksista tieto on vähäisempää, mutta sillä näyttää olevan positiivisia vaikutuksia potilaiden raportoimana. FM Marjut Louhelainen on selvittänyt väitöskirjassaan suun kautta annosteltavan levosimendaanin ja sen pitkäkestoisen aktiivisen metaboliitin vaikutuksia kroonisen vajaatoiminnan hoidossa käyttämällä sekä hypertensiivisen sydäntaudin että 2 tyypin diabeteksen komplisoimaan sydäninfarktin kokeellisia malleja. Tutkimuksessa selvitettiin lisäksi vajaatoimintaan johtavia molekyylitason tapahtumia sydänlihaksessa. Tutkimuksessa osoitettiin, että krooninen suun kautta annosteltu hoito sekä kalsiumherkistäjä levosimendaanilla että sen aktiivisella metaboliitilla estää hypertensiiviseen sydämen vajaatoiminnan aikaasaamaa sydämen uudelleenmuovaantumista ja siihen liittyvää kuolleisuutta. Nämä vaikutukset välittyivät vähentyneen sydänlihassoluhypertrofian, solukuolleisuuden ja neurohumaraalisen aktivaation kautta. Levosimendaanin ja OR-1896:n osoitettiin myös parantavan sydämen pumppausfunktiota tyyppi 2 diabeteksen komplisoimassa sydäninfarktissa. Ei-diabeettiseen tilanteeseen verrattuna diabetekseen liittyvä infarktin jälkeinen vajaatoiminnan kehitys oli yhteydessä lisääntyneeseen tulehdukseen, fibroosiin, solukuolemaan, neurohumoraaliseen aktivaatioon ja ennenaikaiseen kudoksen vanhenemiseen. Sekä levosimendaani, että OR-1869 vähensivät tulehduksen, fibroosin ja solukuoleman merkkejä ja vaimensi neurohumoraalista aktivaatiota. OR-1896 myös vähensi solujen vanhenemiseen liittyvien merkkiaineiden ilmentymistä. Väitöskirjassa todettiin, että suun kautta annosteltuna sekä levosimendaani, että sen aktiivinen metaboliitti OR-1896, omaavat terapeuttista potentiaalia sekä hypertensiivisen sydäntaudin hoitoon että sydäninfarktin jälkeisen vajaatoiminnan estoon. FM Marjut Louhelaisen farmakologian alaan kuuluva väitöskirja Effects of oral calcium sensitizers on experimental heart failure tarkastetaan Helsingin yliopiston Lääketieteellisessä tiedekunnassa perjantaina 29.01.2010 klo 12 (Biomedicum Helsinki, luentosali 2, Haartmaninkatu 8, Helsinki). Vastaväittäjänä toimii professori Raimo Tuominen, Helsingin yliopiston Farmasian tiedekunnasta ja kustoksena professori Eero Mervaala Helsingin yliopiston Lääketieteellisestä tiedekunnasta.

Effects of dairy proteins and calcium on diet-induced obesity in mice

Diet high in dairy products is inversely associated with body mass index, risk of metabolic syndrome and prevalence of type 2 diabetes in several populations. Also a number of intervention studies support the role of increased dairy intake in the prevention and treatment of obesity. Dairy calcium has been suggested to account for the effect of dairy on body weight, but it has been repeatedly shown that the effect of dairy is superior to the effect of supplemental calcium. Dairy proteins are postulated to either enhance the effect of calcium or have an independent effect on body weight, but studies in the area are scarce. The aim of this study was to evaluate the potential of dairy proteins and calcium in the prevention and treatment of diet-induced obesity in C57Bl/6J mice. The effect of dairy proteins and calcium on the liver and adipose tissue was also investigated in order to characterise the potential mechanisms explaining the reduction of risk for metabolic syndrome and type 2 diabetes. A high-calcium diet (1.8%) in combination with dietary whey protein inhibited body weight and fat gain and accelerated body weight and fat loss in high-fat-fed C57Bl/6J mice during long-term studies of 14 to 21 weeks. α-lactalbumin, one of the major whey proteins, was the most effective whey protein fraction showing significantly accelerated weight and fat loss during energy restriction and reduced the amount of visceral fat gain during ad libitum feeding after weight loss. The microarray data suggest sensitisation of insulin signalling in the adipose tissue as a result of a calcium-rich whey protein diet. Lipidomic analysis revealed that weight loss on whey protein-based high-calcium diet was characterised by significant decreases in diabetogenic diacylglycerols and lipotoxic ceramide species. The calcium supplementation led to a small, but statistically significant decrease in fat absorption independent of the protein source of the diet. This augments, but does not fully explain the effects of the studied diets on body weight. A whey protein-containing high-calcium diet had a protective effect against a high-fat diet-induced decline of β3 adrenergic receptor expression in adipose tissue. In addition, a high-calcium diet with whey protein increased the adipose tissue leptin expression which is decreased in this obesity-prone mouse strain. These changes are likely to contribute to the inhibition of weight gain. The potential sensitisation of insulin signalling in adipose tissue together with the less lipotoxic and diabetogenic hepatic lipid profile suggest a novel mechanistic link to explain why increased dairy intake is associated with a lower prevalence of metabolic syndrome and type 2 diabetes in epidemiological studies. Taken together, the intake of a high-calcium diet with dairy proteins has a body weight lowering effect in high-fat-fed C57Bl/6J mice. High-calcium diets containing whey protein prevent weight gain and enhance weight loss, α-lactalbumin being the most effective whey protein fraction. Whey proteins and calcium have also beneficial effects on hepatic lipid profile and adipose tissue gene expression, which suggest a novel mechanistic link to explain the epidemiological findings on dairy intake and metabolic syndrome. The clinical relevance of these findings and the precise mechanisms of action remain an intriguing field of future research.

Effects of dietary phosphorus and calcium-to-phosphorus ratio on calcium and bone metabolism in healthy 20- to 43-year-old Finnish women

Dietary habits have changed during the past decades towards an increasing consumption of processed foods, which has notably increased not only total dietary phosphorus (P) intake, but also intake of P from phosphate additives. While the intake of calcium (Ca) in many Western countries remains below recommended levels (800 mg/d), the usual daily P intake in a typical Western diet exceeds by 2- to 3-fold the dietary guidelines (600 mg/d). The effects of high P intake in healthy humans have been investigated seldom. In this thesis healthy 20- to 43-year-old women were studied. In the first controlled study (n = 14), we examined the effects of P doses, and in a cross-sectional study (n = 147) the associations of habitual P intakes with Ca and bone metabolism. In this same cross-sectional study, we also investigated whether differences exist between dietary P originating from natural P sources and phosphate additives. The second controlled study (n = 12) investigated whether by increasing the Ca intake, the effects of a high P intake could be reduced. The associations of habitual dietary calcium-to-phosphorus ratios (Ca:P ratio) with Ca and bone metabolism were determined in a cross-sectional study design (n = 147). In the controlled study, the oral intake of P doses (495, 745, 1245 and 1995 mg/d) with a low Ca intake (250 mg/d) increased serum parathyroid hormone (S-PTH) concentration in a dose-dependent manner. In addition, the highest P dose decreased serum ionized calcium (S-iCa) concentration and bone formation and increased bone resorption. In the second controlled study with a dietary P intake of 1850 mg/d, by increasing the Ca intake from 480 mg/d to 1080 mg/d and then to 1680 mg/d, the S-PTH concentration decreased, the S-iCa concentration increased and bone resorption decreased dose-dependently. However, not even the highest Ca intake could counteract the effect of high dietary P on bone formation, as indicated by unchanged bone formation activity. In the cross-sectional studies, a higher habitual dietary P intake (>1650 mg/d) was associated with lower S-iCa and higher S-PTH concentrations. The consumption of phosphate additive-containing foods was associated with a higher S-PTH concentration. Moreover, habitual low dietary Ca:P ratios (≤0.50, molar ratio) were associated with higher S-PTH concentrations and 24-h urinary Ca excretions, suggesting that low dietary Ca:P ratios may interfere with homeostasis of Ca metabolism and increase bone resorption. In summary, excessive dietary P intake in healthy Finnish women seems to be detrimental to Ca and bone metabolism, especially when dietary Ca intake is low. The results indicate that by increasing dietary Ca intake to the recommended level, the negative effects of high P intake could be diminished, but not totally prevented. These findings imply that phosphate additives may be more harmful than natural P. Thus, reduction of an excessively high dietary P intake is also beneficial for healthy individuals.

Associations of gene polymorphisms and nutrition with calcium homeostasis and bone mineral density : Studies on skeletal nutrigenetics

Heredity explains a major part of the variation in calcium homeostasis and bone strength, and the susceptibility to osteoporosis is polygenetically regulated. Bone phenotype results from the interplay between lifestyle and genes, and several nutritional factors modulate bone health throughout life. Thus, nutrigenetics examining the genetic variation in nutrient intake and homeostatic control is an important research area in the etiology of osteoporosis. Despite continuing progress in the search for candidate genes for osteoporosis, the results thus far have been inconclusive. The main objective of this thesis was to investigate the associations of lactase, vitamin D receptor (VDR), calcium sensing receptor (CaSR) and parathyroid hormone (PTH) gene polymorphisms and lifestyle factors and their interactions with bone health in Finns at varying stages of the skeletal life span. Markers of calcium homeostasis and bone remodelling were measured from blood and urine samples. Bone strength was measured at peripheral and central bone sites. Lifestyle factors were assessed with questionnaires and interviews. Genetic lactase non-persistence (the C/C-13910 genotype) was associated with lower consumption of milk from childhood, predisposing females in particular to inadequate calcium intake. Consumption of low-lactose milk and milk products was shown to decrease the risk for inadequate calcium intake. In young adulthood, bone loss was more common in males than in females. Males with the lactase C/C-13910 genotype may be more susceptible to bone loss than males with the other lactase genotypes, although calcium intake predicts changes in bone mass more than the lactase genotype. The BsmI and FokI polymorphisms of the VDR gene were associated with bone mass in growing adolescents, but the associations weakened with age. In young adults, the A986S polymorphism of the calcium sensing receptor gene was associated with serum ionized calcium concentrations, and the BstBI polymorphism of the parathyroid gene was related to bone strength. The FokI polymorphism and sodium intake showed an interaction effect on urinary calcium excretion. A novel gene-gene interaction between the VDR FokI and PTH BstBI gene polymorphisms was found in the regulation of PTH secretion and urinary calcium excretion. Further research should be carried out with more number of Finns at varying stages of the skeletal life span and more detailed measurements of bone strength. Research should concern mechanisms by which genetic variants affect calcium homeostasis and bone strength, and the role of diet-gene and gene-gene interactions in the pathogenesis of osteoporosis.

T-type calcium channel:from physiological function to therapeutical targeting – Exploring neuronal development

Tämän tutkimuksen tarkoitus oli tutkia T-tyypin kalsiumkanavan toimintaa ja sen mahdollista roolia neuronaalisten kantasolujen migraatiossa. T-tyypin kalsiumkanavan tehtävän kehittyneissä aivoissa tiedetään olevan elektroenkefalografisten oskillaatioiden tuottaminen. Nämä taas ovat eräiden fysiologisten ja patofysiologisten tapahtumien säätelyssä avainasemassa. Tällaisia tapahtumia ovat uni, muisti, oppiminen ja epileptiset poissaolokohtaukset. Näiden lisäksi T-tyypin kalsiumkanavalla on myös periferaalisia vaikutuksia, mutta tämä tutkielma keskittyy sen neuronaalisiin toimintoihin. Tämän matalan jännitteen säätelemän kanavan toiminta neurogeneesin aikana on vähemmän tutkittua ja tunnettua kuin sen vaikutukset kehittyneissä aivoissa. T-tyypin kalsiumkanavan tiedetään edistävän kantasolujen proliferaatiota ja erilaistumista neurogeneesiksen aikana, mutta vaikutukset niiden migraatioon ovat vähemmän tunnetut. Tämä tutkimus näyttää T-tyypin kalsiumkanavan todennäköisesti osallistuvan neuronaaliseen migraatioon hiiren alkion subventrikkeli alueelta eristetyillä kanta- tai progeniittorisoluilla tehdyissä kokeissa. Selektiiviset T-tyypin kalsiumkanavan antagonistit, etosuksimidi, nikkeli ja skorpionitoksiini, kurtoxin hidastivat migraatiota erilaistuvissa progeniittorisoluissa. Tämä tutkimus koostuu kirjallisuuskatsauksesta ja kokeellisesta osasta. Tämän tutkimuksen toinen tarkoitus oli esitellä vaihtoehtoinen lähestymistapa invasiiviselle kantasoluterapialle, joka vaatii kantasolujen viljelyä ja siirtämistä ihmiseen. Tämä toinen tapa on endogeenisten kantasolujen eiinvasiivinen stimulointi, jolla ne saadaan migratoitumaan kohdekudokseen, erilaistumaan siellä ja tehtävänsä suoritettuaan lopettamaan jakaantumisen. Non-invasiivinen kantasoluterapia on vasta tiensä alussa, ja tarvitsee farmakologista osaamista kehittyäkseen. Joitain onnistuneita ei-invasiivisia hoitoja on jo tehty selkärangan vaurioiden korjaamisessa. Vastaavanlaisia menetelmiä voitaisiin käyttää myös keskushermoston vaurioiden ja neurodegeneratiivisten sairauksien hoidossa. Näiden menetelmien kehittäminen vaatii endogeenisten kantasoluja inhiboivien ja indusoivien mekanismien tuntemista. Yksi tärkeä kantasolujen erilaistumista stimuloiva tekijä on kalsiumioni. Jänniteherkät kalsiumkanavat osallistuvat kaikkiin neurogeneesiksen eri vaiheisiin. T-tyypin kalsiumkanava, joka ekspressoituu suuressa määrin keskushermoston kehityksen alkuvaiheessa ja vähenee neuronaalisen kehityksen edetessä, saattaa olla oleellisessa asemassa progeniittorisolujen ohjaamisessa.

Determination of intestinal permeability in healthy horses using the contrast medium iohexol

Tämä lisensiaatin tutkielma koostuu kolmesta osasta; kirjallisuuskatsauksesta, kokeellisesta osasta ja liitteistä. Iohexol on ionisoitumaton, trijodattu ja vesiliukoinen röntgenvarjoaine. Iohexolia on hyödynnetty lääketieteessä useita vuosia. Iohexolia on käytetty muun muassa angio- ja myelografiassa, lisäksi iohexolia on hyödynnetty arvioitaessa munuaiskerästen suodattumisnopeutta sekä suoliston läpäisevyyden muutoksia. Hevosen tulehduksellisessa suolistosairaudessa (Inflammatory bowel disease, IBD) suoliston rakenne ja sen läpäisevyys muuttuu; tyypillistä on tulehdussolujen kertyminen suoliston seinämään ja myös sidekudosmuodostusta saattaa esiintyä. Suolisto muutoksia saatetaan havaita sekä ohut- että paksusuolessa. IBD aiheuttaa hevoselle laihtumista, johtuen ravintoaineiden puutteellisesta imeytymisestä ja proteiinien menetyksestä suoleen suoliston häiriötilan yhteydessä. Tällä hetkellä IBD:n diagnostiikka perustuu tyypillisiin oireisiin, kliiniseen tutkimukseen, verinäytteisiin, glukoosin imeytymistestiin ja peräsuolesta otettuun koepalaan. IBD:n diagnostiikka on kuitenkin erittäin haastavaa ja tutkimusmenetelmiin liittyy lukuisia ongelmia, jotka vähentävät niiden luotettavuutta IBD:n diagnostiikassa. Tutkimuksemme tarkoituksena on kehittää hevosen IBD:n diagnostiikkaa entistä helpompaan, luotettavampaan ja turvallisempaan suuntaan. Tämän alustavan tutkimuksen tavoitteet olivat: (1) tutkia voidaanko iohexol havaita hevosen seerumissa oraalisen annostelun jälkeen ja (2) muodostaa iohexolin pitoisuuskuvaaja ajan funktiona terveillä hevosilla. Materiaalimme koostui kymmenestä terveestä hevosesta, joilla ei ollut havaittu laihtumista tai ripulia. Ennen iohexolin annostelua hevosille suoritettiin kliininen tutkimus ja verinäytteet otettiin maha-suolikanavan sairauden poissulkemiseksi. Hevosille suoritettiin myös mahalaukun tähystys. 16 tunnin paaston jälkeen 1 ml/kg Iohexolia annosteltiin 10 % -liuoksena nenämahaletkulla suoraan mahaan ja verinäytteet otettiin 0, 30, 60, 120, 180, 240, 300 ja 360 minuuttia annostelun jälkeen. Iohexolin pitoisuus määritettiin käyttämällä korkean erotuskyvyn nestekromatografiaa. Iohexolin pitoisuuksista tietyillä ajanhetkillä muodostettiin kuvaaja. Hevosilla ei havaittu maha-suolikanavan sairauksia. Kaikki hevoset olivat hyvässä kuntoluokassa ja mahalaukun tähystyksessä ei havaittu merkittäviä muutoksia. Verinäytteiden tulokset olivat viiterajoissa. Kaikki hevoset sietivät iohexolia hyvin ja haittavaikutuksia ei havaittu. Iohexol oli havaittavissa seerumissa 60 minuutin kuluttua annostelusta. Kuvaajassa voitiin havaita kaksi huippua. Statistiset menetelmät tukivat löydöksiä. Iohexol testi oli yksinkertainen suorittaa ja siihen ei liittynyt haittavaikutuksia. Annos 1ml/kg oli havaittavissa seerumissa. Iohexolin pitoisuuskuvaaja muodosti kaksi huippua, ja tämänkaltainen ilmiö on kuvattu kirjallisuudessa aikaisemmin useiden lääkkeiden tapauksessa. Hevosella ilmiö liittyy todennäköisesti maha-suolikanavan rakenteellisiin ja fysiologisiin eroavaisuuksiin ja lisätutkimuksia ilmiön varmistamiseksi tarvitaan. Iohexol näyttää olevan potentiaalinen merkkiaine suoliston läpäisevyyden arviointiin ja lisätutkimuksia IBD:tä sairastavien hevosten seerumin iohexolin pitoisuuksista verrattuna terveiden hevosten seerumin iohexolin pitoisuuksiin on suunnitteilla.