Lack of Enantioselectivity in the SULT1A3-catalyzed Sulfoconjugation of Normetanephrine Enantiomers: An In Vitro and Computational Study.

(1R)-Normetanephrine is the natural stereoisomeric substrate for sulfotransferase 1A3 (SULT1A3)-catalyzed sulfonation. Nothing appears known on the enantioselectivity of the reaction despite its potential significance in the metabolism of adrenergic amines and in clinical biochemistry. We confronted the kinetic parameters of the sulfoconjugation of synthetic (1R)-normetanephrine and (1S)-normetanephrine by recombinant human SULT1A3 to a docking model of each normetanephrine enantiomer with SULT1A3 and the 3'-phosphoadenosine-5'-phosphosulfate cofactor on the basis of molecular modeling and molecular dynamics simulations of the stability of the complexes. The K(M) , V(max) , and k(cat) values for the sulfonation of (1R)-normetanephrine, (1S)-normetanephrine, and racemic normetanephrine were similar. In silico models were consistent with these findings as they showed that the binding modes of the two enantiomers were almost identical. In conclusion, SULT1A3 is not substrate-enantioselective toward normetanephrine, an unexpected finding explainable by a mutual adaptability between the ligands and SULT1A3 through an "induced-fit model" in the catalytic pocket. Chirality, 00:000-000, 2012.© 2012 Wiley Periodicals, Inc.

The permeability P-glycoprotein: a focus on enantioselectivity and brain distribution.

IMPORTANCE OF THE FIELD: The permeability glycoprotein (P-gp) is an important protein transporter involved in the disposition of many drugs with different chemical structures, but few studies have examined a possible stereoselectivity in its activity. P-gp can have a major impact on the distribution of drugs in selected organs, including the brain. Polymorphisms of the ABCB1 gene, which encodes for P-gp, can influence the kinetics of several drugs. AREAS COVERED IN THIS REVIEW: A search including publications from 1990 up to 2009 was performed on P-gp stereoselectivity and on the impact of ABCB1 polymorphisms on enantiomer brain distribution. WHAT THE READER WILL GAIN: Despite stereoselectivity not being expected because of the large variability of chemical structures of P-gp substrates, structure-activity relationships suggest different P-gp-binding sites for enantiomers. Enantioselectivity in the activity of P-gp has been demonstrated by in vitro studies and in animal models (preferential transport of one enantiomer or different inhibitory potencies towards P-gp activity between enantiomers). There is also in vivo evidence of an enantioselective drug transport at the human blood-brain barrier. TAKE HOME MESSAGE: The significant enantioselective activity of P-gp might be clinically relevant and must be taken into account in future studies.

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).

Enantioselective transformation of alpha-hexachlorocyclohexane by the dehydrochlorinases LinA1 and LinA2 from the soil bacterium Sphingomonas paucimobilis B90A.

Sphingomonas paucimobilis B90A contains two variants, LinA1 and LinA2, of a dehydrochlorinase that catalyzes the first and second steps in the metabolism of hexachlorocyclohexanes (R. Kumari, S. Subudhi, M. Suar, G. Dhingra, V. Raina, C. Dogra, S. Lal, J. R. van der Meer, C. Holliger, and R. Lal, Appl. Environ. Microbiol. 68:6021-6028, 2002). On the amino acid level, LinA1 and LinA2 were 88% identical to each other, and LinA2 was 100% identical to LinA of S. paucimobilis UT26. Incubation of chiral alpha-hexachlorocyclohexane (alpha-HCH) with Escherichia coli BL21 expressing functional LinA1 and LinA2 S-glutathione transferase fusion proteins showed that LinA1 preferentially converted the (+) enantiomer, whereas LinA2 preferred the (-) enantiomer. Concurrent formation and subsequent dissipation of beta-pentachlorocyclohexene enantiomers was also observed in these experiments, indicating that there was enantioselective formation and/or dissipation of these enantiomers. LinA1 preferentially formed (3S,4S,5R,6R)-1,3,4,5,6-pentachlorocyclohexene, and LinA2 preferentially formed (3R,4R,5S,6S)-1,3,4,5,6-pentachlorocyclohexene. Because enantioselectivity was not observed in incubations with whole cells of S. paucimobilis B90A, we concluded that LinA1 and LinA2 are equally active in this organism. The enantioselective transformation of chiral alpha-HCH by LinA1 and LinA2 provides the first evidence of the molecular basis for the changed enantiomer composition of alpha-HCH in many natural environments. Enantioselective degradation may be one of the key processes determining enantiomer composition, especially when strains that contain only one of the linA genes, such as S. paucimobilis UT26, prevail.

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.

Steady State Concentrations of the Enantiomers of Mianserin and Desmethylmianserin in Poor and in Homozygous and Heterozygous Extensive Metabolizers of Debrisoquine.

AB Summary: Steady state concentrations of (S)- and (R)-mianserin and desmethylmianserin were measured in 21 homozygous extensive metabolizers (as determined by genotyping for mutations 3 [or A] and 4 [or B]), in seven heterozygous extensive metabolizers and in one poor metabolizer of debrisoquine, as well as in one patient receiving very high doses of mianserin (360 mg/day) and fluoxetine (160 mg/day), a strong cytochrome P450IID6 inhibitor. The mean dose of mianserin was (mean +/- SD, range: 67 +/- 63, 10 to 360 mg/day). High dispersions of the (S)/(R)-mianserin and desmethylmianserin ratios were observed (mean +/- SD, range: 2.10+/- 1.01, 0.64 to 4.76, and 0.29 +/- 0.14, 0.08 to 0.57, respectively). The highest (S)/(R)-mianserin ratio was calculated for the poor metabolizer (4.76) agreeing with those results of a single-dose study with poor and extensive metabolizers of debrisoquine, in that the cytochrome P450IID6 is probably involved in the metabolism of mianserin with an enantioselectivity for the (S)-enantiomer. Nevertheless, the mean concentration-to-dose ratios for (S)- or (R)-mianserin or desmethylmianserin were not significantly different between homozygous and heterozygous extensive metabolizers, and no particular values were measured in the poor metabolizer nor in the patient receiving fluoxetine. Furthermore, the(S)/(R)-mianserin ratio measured in the PM was only slightly higher than the second highest ratio (3.85) of an homozygous extensive metabolizer, whereas no particular value (2.92) was calculated for the patient taking fluoxetine. Finally, no significant differences in (S)/(R)-mianserin or(S)/(R)-desmethylmianserin were calculated between homozygous and heterozygous extensive metabolizers. Although the number of patients included in this study is too low to allow definite conclusions, the results suggest that the debrisoquine genotype has only a moderate influence on the steady state concentrations of the enantiomers of mianserin and desmethylmianserin. (C) Lippincott-Raven Publishers

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.

Development of an enantioselective assay for simultaneous separation of venlafaxine and O-desmethylvenlafaxine by micellar electrokinetic chromatography-tandem mass spectrometry: Application to the analysis of drug-drug interaction.

To-date, there has been no effective chiral capillary electrophoresis-mass spectrometry (CE-MS) method reported for the simultaneous enantioseparation of the antidepressant drug, venlafaxine (VX) and its structurally-similar major metabolite, O-desmethylvenlafaxine (O-DVX). This is mainly due to the difficulty of identifying MS compatible chiral selector, which could provide both high enantioselectivity and sensitive MS detection. In this work, poly-sodium N-undecenoyl-L,L-leucylalaninate (poly-L,L-SULA) was employed as a chiral selector after screening several dipeptide polymeric chiral surfactants. Baseline separation of both O-DVX and VX enantiomers was achieved in 15min after optimizing the buffer pH, poly-L,L-SULA concentration, nebulizer pressure and separation voltage. Calibration curves in spiked plasma (recoveries higher than 80%) were linear over the concentration range 150-5000ng/mL for both VX and O-DVX. The limit of detection (LOD) was found to be as low as 30ng/mL and 21ng/mL for O-DVX and VX, respectively. This method was successfully applied to measure the plasma concentrations of human volunteers receiving VX or O-DVX orally when co-administered without and with indinivar therapy. The results suggest that micellar electrokinetic chromatography electrospray ionization-tandem mass spectrometry (MEKC-ESI-MS/MS) is an effective low cost alternative technique for the pharmacokinetics and pharmacodynamics studies of both O-DVX and VX enantiomers. The technique has potential to identify drug-drug interaction involving VX and O-DVX enantiomers while administering indinivar therapy.