Plasma levels of the enantiomers of thioridazine, thioridazine 2-sulfoxide, thioridazine 2-sulfone, and thioridazine 5-sulfoxide in poor and extensive metabolizers of dextromethorphan and mephenytoin.

Concentrations of total (R) + (S) and of the enantiomers (R) and (S) of thioridazine and metabolites were measured in 21 patients who were receiving 100 mg thioridazine for 14 days and who were comedicated with moclobemide (450 mg/day). Two patients were poor metabolizers of dextromethorphan and one was a poor metabolizer of mephenytoin. Cytochrome P450IID6 (CYP2D6) is involved in the formation of thioridazine 2-sulfoxide (2-SO) from thioridazine and also probably partially in the formation of thioridazine 5-sulfoxide (5-SO), but not in the formation of thioridazine 2-sulfone (2-SO2) from thioridazine 2-SO. Significant correlations between the mephenytoin enantiomeric ratio and concentrations of thioridazine and metabolites suggest that cytochrome P450IIC19 could contribute to the biotransformation of thioridazine into yet-unknown metabolites, other than thioridazine 2-SO, thioridazine 2-SO2, or thioridazine 5-SO. An enantioselectivity and a large interindividual variability in the metabolism of thioridazine have been shown: measured (R)/(S) ratios of thioridazine, thioridazine 2-SO fast eluting (FE), thioridazine 2-SO slow eluting (SE), thioridazine 2-SO (FE+SE), thioridazine 2-SO2, thioridazine 5-SO(FE), and thioridazine 5-SO(SE) were (mean +/- SD) 3.48 +/- 0 .93 (range, 2.30 to 5.80), 0.45 +/- 0.22 (range, 0.21 to 1.20), 2.27 +/- 8.1 (range, 6.1 to 40.1), 4.64 +/- 0.68 (range, 2.85 to 5.70), 3.26 +/- 0.58 (range, 2.30 to 4.30), 0.049 +/- 0.019 (range, (0.021 to 0.087), and 67.2 +/- 66.2 (range, 16.8 to 248), respectively. CYP2D6 is apparently involved in the formation of (S)-thioridazine 2-SO(FE), (R)-thioridazine 2-SO(SE), and also probably (S)-thioridazine 5-SO(FE) and (R)-thioridazine 5-SO(SE).

Artifacts in the analysis of thioridazine and other neuroleptics.

Although the sensitivity to light of thioridazine and its metabolites has been described, the problem does not seem to be widely acknowledged. Indeed, a survey of the literature shows that assays of these compounds under light-protected conditions have been performed only in a few of the numerous analytical studies on this drug. In the present study, thioridazine, its metabolites, and 18 other neuroleptics were tested for their sensitivity to light under conditions used for their analysis. The results show that light significantly affects the analysis of thioridazine and its metabolites. It readily causes the racemization of the isomeric pairs of thioridazine 5-sulphoxide and greatly decreases the concentration of thioridazine. This sensitivity to light varied with the medium used (most sensitive in acidic media) and also with the molecule (in order of decreasing sensitivity: thioridazine > mesoridazine > sulforidazine). Degradation in neutral or basic media was slow, with the exception of mesoridazine in a neutral medium. Twelve other phenothiazines tested, as well as chlorprotixene, a thioxanthene drug, were found to be sensitive to light in acidic media, whereas flupenthixol and zuclopenthixol (two thioxanthenes), clozapine, fluperlapine, and haloperidol (a butyrophenone) did not seem to be affected. In addition to being sensitive to light, some compounds may be readily oxidized by peroxide-containing solvents.

Light-induced racemization: artifacts in the analysis of the diastereoisomeric pairs of thioridazine 5-sulfoxide in the plasma and urine of patients treated with thioridazine.

The ring sulfoxidation of thioridazine (THD), a widely used neuroleptic agent, yields two diastereoisomeric pairs, fast- and slow-eluting (FE and SE) thioridazine 5-sulfoxide (THD 5-SO). Until now, studies in which concentrations of these metabolites were measured in THD-treated patients have revealed no significant differences in their concentrations. Preliminary experiments in our laboratory had shown that sunlight and, to a lesser extent, dim daylight led to racemization and probably also to photolysis of the diastereoisomeric pairs as measured by high-performance liquid chromatography. Similar results were also obtained with direct UV light (UV lamp). In appropriate light-protected conditions, THD, northioridazine, mesoridazine, sulforidazine, and FE and SE THD 5-SO were measured in 11 patients treated with various doses of THD for at least 1 week. Significantly higher concentrations of the FE stereoisomeric pair were found. The concentration ratios THD 5-SO (FE)/THD 5-SO (SE) ranged from 0.89 to 1.75 in plasma and from 1.15 to 2.05 in urine. Because it is known that the ring sulfoxide contributes to the cardiotoxicity of the drug even more potently than the parent compound does, these results justify further studies to determine whether there is stereoselectivity in the cardiotoxicity of THD 5-SO.

Determination of the enantiomers of thioridazine, thioridazine 2-sulfone, and of the isomeric pairs of thioridazine 2-sulfoxide and thioridazine 5-sulfoxide in human plasma.

Thioridazine is a commonly prescribed phenothiazine drug administered as a racemate and it is believed that its antipsychotic effect is mainly associated with (R)-thioridazine. A method based on high-performance liquid chromatography has been developed for the determination of the enantiomers of thioridazine and thioridazine 2-sulfone (THD 2-SO2 or sulforidazine) and of the enantiomers of the diastereoisomeric pairs of thioridazine 2-sulfoxide (THD 2-SO or mesoridazine) and thioridazine 5-sulfoxide (THD 5-SO) in the plasma of thioridazine-treated patients. The method involves sequential achiral and chiral HPLC. The limits of quantitation for total (R) + (S) concentrations were found to be 15 ng/ml for thioridazine and 5 ng/ml for its metabolites. The limits for the determination of the (R)/(S) ratios were found to be 60 ng/ml for racemic THD and 10 ng/ml for racemic THD 2-SO, THD 2-SO2, THD 5-SO (FE) and THD 5-SO (SE). The method has been used to determine the concentrations of the enantiomers of thioridazine and of its metabolites in the plasma of a patient treated with 100 mg of racemic thioridazine hydrochloride per os per day for 14 days. The results show a high enantioselectivity in the metabolism of this drug: the (R)/(S) ratios for THD, THD 2-SO (FE), THD 2-SO (SE), THD 2-SO2, THD 5-SO (FE) and THD 5-SO (SE) were found to be 3.90, 1.22, 6.10, 4.10, 0.09 and 28.0, respectively.

Chirality in the new generation of antidepressants: stereoselective analysis of the enantiomers of mirtazapine, N-demethylmirtazapine, and 8-hydroxymirtazapine by LC-MS.

Mirtazapine is an antidepressant that acts specifically on noradrenergic and sertonergic receptors. A LC-MS method was developed that allows the simultaneous analysis of the R-(-)- and S-(+)-enantiomers of mirtazapine (MIR), demethylmirtazapine (DMIR), and 8-hydroxymirtazapine (8-OH-MIR) in plasma of MIR-treated patients. The method involves a 3-step liquid-liquid extraction, an HPLC separation on a Chirobiotic V column, and MS detection in electrospray mode. The limit of quantification (LOQ) for all enantiomers was 0.5 ng/mL, and the intra- and interday CVs were within 3.3% to 11.7% (concentration ranges 5-50 ng/mL). A method is also presented for the quantitative analysis of glucuroconjugated MIR and 8-OH-MIR. S-(+)-8-OH-MIR is present in plasma mainly as its glucuronide. Preliminary data suggest that in all patients, except in those comedicated with CYP2D6 inhibitors such as fluoxetine and thioridazine, R-(-)-MIR concentrations were higher than those of S-(+)MIR. Moreover, fluvoxamine seems also to inhibit the metabolism of MIR. Therefore, this method seems to be suitable for the stereoselective assay of MIR and its metabolites in plasma of patients comedicated with MIR and other drugs for routine and research purposes.

Enantiomers' potential in psychopharmacology--a critical analysis with special emphasis on the antidepressant escitalopram

Stereochemistry is now influencing most areas of pharmacotherapy, with a growing awareness in the field of psychiatry and, more specifically, depression. This is due to the fact that the enantiomers of many chiral drugs may have distinct pharmacological, pharmacokinetic and/or pharmacogenetic profiles. Consequently, in some instances there may be an advantage in using a single enantiomer over the racemic form-thus providing a basis for the development of new therapeutic agents, as well as the potential to improve current treatments. This review highlights some of the potential advantages and disadvantages that using single enantiomers might offer. The principles are exemplified through reference to the stereoselective properties of several established chiral psychotropic drugs, including thioridazine, methadone, trimipramine, mianserin, mirtazapine, fluoxetine and citalopram. Emphasis is given to the treatment of depression and how the potential of one pure enantiomer-escitalopram, the S-enantiomer of the selective serotonin reuptake inhibitor citalopram-appears to be fulfilling its preclinical promise in the clinic.

Selectivity in the binding of psychotropic drugs to the variants of alpha-1 acid glycoprotein.

The S- and F-forms of alpha-1 acid glycoprotein (AAG) variants have been isolated by isoelectric focusing with immobilines from commercially available AAG. In equilibrium dialysis experiments using a multicompartmental system, a higher affinity for various basic drugs has been found with S- in comparison with F-AAG: Amitriptyline, nortriptyline, imipramine, desipramine, trimipramine, methadone, thioridazine, clomipramine, desmethylclomipramine, and maprotiline. The selectivity (binding to S- vs. F-AAG) is the most pronounced for methadone and the lowest for thioridazine, while it is absent for the acidic drug mephenytoin.

Marked increase of venlafaxine enantiomer concentrations as a consequence of metabolic interactions: a case report.

On three occasions, unusually high trough plasma concentrations of venlafaxine were measured in a patient phenotyped and genotyped as being an extensive CYP2D6 metabolizer and receiving 450 mg/day of venlafaxine and multiple comedications. Values of 1.54 and of 0.60 mg/l of venlafaxine and O-desmethylvenlafaxine, respectively, were determined in the first blood sample, giving an unusually high venlafaxine to O-desmethylvenlafaxine ratio. This suggests an impaired metabolism of venlafaxine to O-desmethylvenlafaxine, and is most likely due to metabolic interactions with mianserin (240 mg/day) and propranolol (40 mg/day). Concentration of (S)-venlafaxine measured in this blood sample was almost twice as high as (R)-venlafaxine ((S)/(R) ratio: 1.94). At the second blood sampling, after addition of thioridazine (260 mg/day), which is a strong CYP2D6 inhibitor, concentrations of venlafaxine were further increased (2.76 mg/l), and concentrations of O-desmethylvenlafaxine decreased (0.22 mg/l). A decrease of the (S)/(R)-venlafaxine ratio (-20%) suggests a possible stereoselectivity towards the (R)-enantiomer of the enzyme(s) involved in venlafaxine O-demethylation at these high venlafaxine concentrations. At the third blood sampling, after interruption of thioridazine, concentrations of venlafaxine and O-desmethylvenlafaxine were similar to those measured in the first blood sample. This case report shows the importance of performing studies on the effects of either genetically determined or acquired deficiency of metabolism on the kinetics of venlafaxine.

Métabolisme d'antidépresseurs dans différentes espèces : aspects méthodologiques et pharmacogénétiques, perspectives cliniques

Résumé pour large public Unité de Biochimie et Psychopharmacologie Clinique, Centre de neurosciences Psychiatrique, Département de Psychiatrie Adulte, Faculté de Biologie et de Médecine, Université de Lausanne Lors de la prise d'un médicament, celui-ci va passer par différentes étapes que sont l'absorption, la distribution, le métabolisme et enfin l'élimination. Ces quatre étapes sont regroupées sous le nom de pharmacocinétique. A noter que ces quatre paramètres sont dynamiques et en constante évolution. Durant cette thèse, nous avons investigué différents aspects de la pharmacocinétique, tout d'abord par une revue de la littérature sur la glycoprotéine-P (Pgp). Récemment découverte, cette protéine de membrane est située aux endroits stratégiques de l'organisme comme la barrière hématoencéphalée, le placenta ou les intestins où elle influencera l'entrée de différentes substances, en particulier les médicaments. La Pgp serait impliquée dans les phénomènes de résistances aux agents thérapeutiques en oncologie. La Pgp influence donc l'absorption des médicaments, et son impact en clinique, en termes d'efficacité de traitement et de toxicité prend chaque jour plus d'importance. Ensuite nous avons mis au point une méthode d'analyse quantitative d'un antidépresseur d'une nouvelle génération : la mirtazapine (Remeron®). La nouveauté réside dans la façon dont la mirtazapine interagit avec les neurotransmetteurs impliqués dans la dépression que sont la sérotonine et la noradrénaline. Cette méthode utilise la chromatographie liquide pour séparer la mirtazapine de ses principaux métabolites dans le sang. La spectrométrie de masse est utilisée pour les détecter et les quantifier. Les métabolites sont des substances issues de réactions chimiques entre la substance mère, la mirtazapine, et généralement des enzymes hépatiques, dans le but de rendre cette substance plus soluble en vue de son élimination. Cette méthode permet de quantifier la mirtazapine et ses métabolites dans le sang de patients traités et de déterminer la variation des taux plasmatiques chez ces patients. Puis nous avons étudié le métabolisme d'un autre antidépresseur, le citalopram, qui a un métabolisme complexe. Le citalopram est un racémate, c'est-à-dire qu'il existe sous forme de deux entités chimiques (R-(-) et S-(+) citalopram) qui ont le même nombre d'éléments mais arrangés différemment dans l'espace. La voie métabolique cérébrale du citalopram est sous le contrôle d'une enzyme, la monoamine oxydase (MAO), conduisant à une forme acide du citalopram (l'acide propionique du citalopram). La MAO existe sous deux formes : MAO-A et MAO-B. Nous avons utilisé des souris déficientes d'un gène, celui de la MAO-A, pour mieux en comprendre le métabolisme en les comparants à des souris sauvages (sans déficience de ce gène). Nous avons utilisé le citalopram et deux de ses métabolites (le déméthylcitaloprarn et le didéméthyícitalopram) comme substrats pour tester la formation in vitro de l'acide propionique du citalopram. Nos résultats montrent que la MAO-A favorise la formation de l'entité R-(-) et présente une plus grande affinité pour le citalopram, tandis que la MAO-B métabolise préférentiellement l'entité S-(+) et a une plus grande affinité pour les deux métabolites déméthylés. De plus, la déficience en MAO-A est partiellement compensée parla MAO-B chez les souris déficientes du gène de la MAO-A. Enfin, nous avons étudié une deuxième voie métabolique du citalopram qui s'est avérée toxique chez le chien Beagle. Celle-ci est catalysée par une autre famille d'enzymes, les cytochromes P-450, et mène aux métabolites déméthylés et didéméthylés du citalopram. Nous avons utilisé des tissus hépatiques de chiens Beagle. Plusieurs cytochromes P-450 sont impliqués dans le métabolisme du citalopram menant à sa forme déméthylée, ceci tant chez l'homme que chez le chien. Par contre, dans le métabolisme de la forme déméthylée menant à 1a forme didéméthylée, un seul cytochrome P-450 serait impliqué chez l'Homme, tandis qu'ils seraient plusieurs chez le chien. L'activité enzymatique produisant la forme didéméthylée est beaucoup plus importante chez le chien comparé à l'homme. Cette observation soutien l'hypothèse que des taux élevés de la forme didéméthylée participent à la toxicité spécifique du citalopram chez le chien. Nous pouvons conclure que plusieurs famille d'enzymes sont impliquées tant au niveau cérébral qu'hépatique dans la métabolisation de médicaments psychotropes. Sachant que les enzymes peuvent être stimulées ou inhibées, il importe de pouvoir suivre au plus prés les taux plasmatiques des différents psychotropes et de leurs métabolites. Résumé Unité de Biochimie et Psychopharmacologie Clinique, Centre de neurosciences Psychiatrique, Département de Psychiatrie Adulte, Faculté de Biologie et de Médecine, Université de Lausanne La plupart des médicaments subissent une transformation enzymatique dans l'organisme. Les substances issues de cette métabolisation ne sont pas toujours dotées d'une activité pharmacologique. Il s'est avéré par conséquent indispensable de suivre les taux plasmatiques d'une substance et de ses métabolites et d'établir ou non l'existence d'une relation avec l'effet clinique observé. Ce concept nommé « therapeutic drag monitoring » (TDM) est particulièrement utile en psychiatrie ou un manque de compliance des patients est fréquemment observé. Les médicaments psychotropes ont un métabolisme principalement hépatique (cytochromes P-450) et parfois cérébral (monoamines oxydases), comme pour le citalopram par exemple. Une méthode stéréosélective de chromatographie liquide couplée à la spectrométrie de masse a été développée pour analyser les énantiomères R-(-) et S-(+) d'un antidépresseur agissant sur les récepteurs noradrénergiques et sérotoninergiques, la mirtazapine et de ses métabolites déméthylmirtazapine et 8-hydroxymirtazapine. Les données préliminaires obtenues dans les plasmas dosés suggèrent que les concentrations de R-(-)-mirtazapine sont plus élevées que celles de S-(+)-mirtazapine, à l'exception des patients qui auraient comme co-médication des inhibiteurs du CYP2D6, telle que la fluoxétine ou la thioridazine. Il y a une enantiosélectivité du métabolisme de la mirtazapine. En particulier pour la 8-hydroxymirtazapine qui est glucuroconjuguée et pour laquelle le ratio S/R varie considérablement. Cette méthode analytique présente l'avantage d'être utilisable pour le dosage stéréosélectif de la mirtazapine et de ses métabolites dans le plasma de patients ayant d'autres substances en co-médication. La glycoprotéine P fonctionne comme une pompe transmembranaire transportant les xénobiotiques depuis le milieu intracellulaire vers le milieu extracellulaire. Son induction et son inhibition, bien que moins étudiées que pour les cytochromes P-450, ont des implications cliniques importantes en termes d'efficacité de traitement et de toxicité. Cette glycoprotéine P a fait l'objet d'une recherche bibliographique. Nous avons étudié le métabolisme du citalopram, un antidépresseur de la classe des inhibiteurs spécifiques de la recapture de la sérotonine chez la souris et chez le chien. Cette substance subit un métabolisme complexe. La voie de métabolisation conduisant à la formation de l'acide propionique du citalopram, catalysée par les monoamines oxydases, a été étudiée in vitro dans les mitochondries cérébrales chez la souris déficiente du gène de la MAO-A (Tg8). La monoamine oxydase A catalyse la formation de l'énantiomère R-(-) et présente une plus grande affinité pour les amines tertiaires, tandis que la monoamine oxydase B favorise la formation de la forme S-(+) et a une affinité plus marquée pour les amines secondaires et primaires. L'étude du citalopram chez la souris Tg8 adulte a montré que la monoamine oxydase B compense la déficience de la monoamine oxydase A chez ces souris génétiquement modifiées. Une autre voie de métabolisation du citalopram conduisant à la formation de didéméthylcitalopram, catalysée par les cytochromes P-450, a été étudiée in vitro dans des microsomes hépatiques de chiens Beagle. Nos études ont montré que les cinétiques de N-déméthylation du citalopram sont biphasiques chez le chien. Les orthologues canins impliqués dans la première N-déméthylation semblent être identiques aux cytochromes P-450 humains. Par contre, dans la deuxième Ndéméthylation, un seul cytochrome P-450 semble être impliqué chez l'homme (CYP2D6), tandis qu'on retrouve jusqu'à cinq orthologues chez le chien. Le CYP2D15, orthologue canin du CYP2D6, est majoritairement impliqué. De plus, l'activité enzymatique, reflétée par les clairances intrinsèques, dans la première N-déméthylation est jusqu'à 45 fois plus élevée chez le chien comparé à l'homme. Ces différentes observations soutiennent l'hypothèse que des taux élevés de didéméthylcitalopram sont responsables de la toxicité du citalopram chez le chien. Nous pouvons conclure que plusieurs famille d'enzymes sont impliquées tant au niveau cérébral qu'hépatique dans la métabolisation de médicaments psychotropes. Sachant -que les enzymes peuvent être induits ou inhibés, il importe de pouvoir suivre au plus près les taux plasmatiques des différents psychotropes et de leurs métabolites. Summary Most of the drugs are metabolized in the organism. Substances issued from this metabolic activity do not always show a pharmacological activity. Therefore, it is necessary to monitor plasmatic levels of drugs and their metabolites, and establish the relationship with the clinical effect. This concept named therapeutic drug monitoring is very useful in psychiatry where lack of compliance is commonly observed. Antidepressants are mainly metabolized in the liver (cytochrome P-450) and sometimes in the brain (monoamine oxidase) like the citalopram, for exemple. A LC-MS method was developed, which allows the simultaneous analysis of R-(-) and S-(+) enantiomers of mirtazapine, an antidepressant acting specifically on noradrenergic and serotonergic receptors, and its metabolites demethylmirtazapine and 8-hydroxymirtazapine in plasma of mirtazapine treated patients. Preliminary data obtained suggested that R-(-) mirtazapine concentrations were higher than those of S-(+) mirtazapine, except in patients comedicated with CYP2D6 inhibitors such as fluoxetine or thioridazine. There is an enantioselectivity in the metabolism of mirtazapine. In particular for the 8-hydroxymirtazapine, which is glucuroconjugated and S/R ratio varies considerably. Therefore this method seems to be suitable for the stereoselective assay of mirtazapine and its metabolites in plasma of patients comedicated with mirtazapine and other drugs for routine and research purposes. P-glycoprotein is working as an efflux transporter of xenobiotics from intracellular to extracellular environment. Its induction or inhibition, although less studied than cytochrome P-450, has huge clinical implications in terms of treatment efficacy and toxicity. An extensive literature search on P-glycoprotein was performed as part of this thesis. The study of citalopram metabolism, an antidepressant belonging to the class of selective serotonin reuptake inhibitors. This substance undergoes a complex metabolism. First metabolization route leading to citalopram propionic acid, catalyzed by monoamine oxidase was studied in vitro in mice brain mitochondria. Monoamine oxidase A catalyzed the formation of R-(-) enantiomer and showed greater affinity for tertiary amines, whereas monoamine oxidase B triggered the formation of S-(+) enantiomer and demonstrated higher affinity for primary and secondary amines. citalopram evaluation in adult Tg8 mice showed that monoamine oxidase B compensated monoamine oxidase A deficiency in those genetically transformed mice. The second metabolization route of citalopram leading to didemethylcitalopram and catalyzed by cytochrome P-450 was studied in vitro in Beagle dog's livers. Our results showed that citalopram N-demethylation kinetics are biphasic in dogs. Canine orthologs involved in the first N-demethylation seemed to be identical to human cytochromes P-450. However, in the second N-demethylation only one cytochrome P-450 seemed to be involved in human (CYP2D6), whereas up to five canine orthologs were found in dogs. CYP2D15 canine ortholog of CYP2D6 was mainly involved. In addition, enzymatic activity reflected by intrinsic clearance in the first N-demethylation was up to 45 fold higher in dogs compared to humans. Those observations support the assumption that elevated rates of didemethylcitalopram are responsible for citalopram toxicity in dogs. We can conclude that several enzymes groups are involved in the brain, as well as in the liver, in antidepressant metabolization. Knowing that enzymes may be induced or inhibited, it makes sense to closely monitor plasmatic levels of antidepressants and their metabolites.