Mechanismen der Aktivierung und Detoxifizierung von Aflatoxin B 1 in verschiedenen Leberzelltypen von Ratten, Mäusen und Waldmurmeltieren

Zusammenfassung: Die Applikation des Mykotoxins Aflatoxin B1 (AFB1) führt in der Ratte zu Lebertumoren hepatozellulären Ursprungs, während bisher keine transformierende Wirkung dieses Mykotoxins auf Kupffer- und Endothelzellen (Nichtparenchymzellen, NPC) nachgewiesen werden konnte. Diese Resistenzmechanismen der NPC gegenüber AFB1 wurden im ersten Teil dieser Arbeit untersucht. AFB1 ist per se inaktiv, wird jedoch durch Verstoffwechselung in den chemisch reaktiven, an DNA bindenden Metaboliten AFB1-8,9-Epoxid überführt. Daneben stellt die enzymatische Hydroxylierung von AFB1 am Kohlenstoff-9a zum Aflatoxin M1 eine Detoxifizierung dar. Durch HPLC-Analyse der AFB1-Metabolite konnte gezeigt werden, daß in Nichtparenchymzellen (NPC) das Verhältnis von 9a-Hydroxylierung zu 8,9-Epoxidierung höher als in Parenchymzellen (PC) ist. Die AFB1-9a-hydroxylase fördert insbesondere in den NPC der Leber die Bildung des weniger gentoxischen Metaboliten AFM1 und konkurriert daher um die Aktivierung von AFB1 zum mutagenen und kanzerogenen 8,9-Epoxid. Dieser metabolische Unterschied scheint also einen Beitrag zur Resistenz der NPC der Leber gegenüber der hepatokanzerogenen Wirkung von AFB1 zu leisten. Da ein Synergismus zwischen der AFB1-Exposition und einer Infektion mit dem Hepatitis B-Virus (HBV) beim Menschen bezüglich des Auftretens von hepatozellulären Karzinomen zu bestehen scheint, wurde im zweiten Teil dieser Arbeit untersucht, ob die metabolische Aktivierung von AFB1 durch eine HBV-Infektion verstärkt wird. In einem Vergleich der Biotransformation von AFB1 mit mikrosomalen Leberfraktionen von transgenen HBV-Mäusen und Kontrollmäusen wurde keine signifikanten Unterschiede festgestellt. Dagegen wurde bei Virus-infizierten Waldmurmeltieren eine deutlich reduzierte Bildung des AFB1-8,9-Epoxids beobachtet. Es konnte z.T. ein Zusammenhang zwischen den verschiedenen Stadien der Leberschädigung und den Metabolismusraten festgestellt werden, wobei die metabolische Aktivierung mit zunehmender Leberschädigung abzunehmen scheint. Auch hinsichtlich der Aktivitäten verschiedener Cytochrom P450 abhängiger Monooxygenasen wurde eine weitgehende Übereinstimmung mit den durch HPLC ermittelten Metabolitenprofilen des AFB1 beobachtet. Diese Studien mit subzellulären Leberfraktion der transgenen HBV-Mäusen und der Waldmurmeltieren zeigen, daß die Interaktion zwischen Hepatitis und AFB1 nicht mit der verstärkten metabolischer Aktivierung von AFB1 zu erklären ist. TGF-ß1, aus der Gruppe der Cytokine, wird als Mediator bei Entzündungsprozessen in der Leber so z.B. im Verlauf einer Virushepatitis freigesetzt. Aufgrund der besonderen Bedeutung des murinen CYP2A5 (ortholog zum humanen CYP2A6) bei der Aktivierung von AFB1 wurde der Einfluß von TGF-ß1 auf CYP2A5 in Primärkulturen von Maushepatozyten untersucht. Durch Messung der Aktivität der Cumarin-7-hydroxylase sowie durch Bestimmung der Proteinmenge von CYP2A5 mittels Western Blotting konnte zunächst die Induzierbarkeit des CYP2A5-Isoenzyms durch Phenobarbital in kultivierten Hepatozyten der Maus gezeigt werden. Nur bei einer niedrigen TGF-ß1-Konzentration wurde eine leicht erhöhte Expression von CYP2A5 festgestellt, ansonsten führte die Behandlung der kultivierten Maushepatozyten mit TGF-ß1 zu einer dosisabhängigen Verminderung der Expression von CYP2A5.

Valutazione dell'impatto della farmacogenetica in ambito di Sanità Pubblica. Analisi del polimorfismo genetico dell'enzima CYP2D6 metabolizzante xenobiotici.

Pharmacogenetic testing provides an outstanding opportunity to improve prescribing safety and efficacy. In Public health policy pharmacogenetics is relevant for personalized therapy and to maximize therapeutic benefit minimizing adverse events. CYP2D6 is known to be a key enzyme responsible for the biotransformation of about 25-30% of extensively used drugs and genetic variations in genes coding for drug-metabolizing enzymes might lead to adverse drug reactions, toxicity or therapeutic failure of pharmacotherapy. Significant interethnic differences in CYP2D6 allele distribution are well established, but immigration is reshaping the genetic background due to interethnic admixture which introduces variations in individual ancestry resulting in distinct level of population structure. The present thesis deals with the genetic determination of the CYP2D6 alleles actually present in the Emilia-Romagna resident population providing insights into the admixture process. A random sample of 122 natives and 175 immigrants from Africa, Asia and South America where characterized considering the present scenario of migration and back migration events. The results are consistent with the known interethnic genetic variation, but introduction of ethnic specific variants by immigrants predicts a heterogeneous admixed population scenario requiring, for drugs prescription and pharmacogenetics studies, an interdisciplinary approach applied in a properly biogeographical and anthropological frame. To translate pharmacogenetics knowledge into clinical practice requires appropriated public health policies, possibly guiding clinicians to evaluate prospectively which patients have the greatest probability of expressing a variant genotype.

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.

Enantioselective capillary electrophoresis for identification and characterization of human cytochrome P450 enzymes which metabolize ketamine and norketamine in vitro

Ketamine, a phencyclidine derivative, is used for induction of anesthesia, as an anesthetic drug for short term surgical interventions and in subanesthetic doses for postoperative pain relief. Ketamine undergoes extensive hepatic first-pass metabolism. Enantioselective capillary electrophoresis with multiple isomer sulfated -cyclodextrin as chiral selector was used to identify cytochrome P450 enzymes involved in hepatic ketamine and norketamine biotransformation in vitro. The N-demethylation of ketamine to norketamine and subsequently the biotransformation of norketamine to other metabolites were studied via analysis of alkaline extracts of in vitro incubations of racemic ketamine and racemic norketamine with nine recombinantly expressed human cytochrome P450 enzymes and human liver microsomes. Norketamine was formed by CYP3A4, CYP2C19, CYP2B6, CYP2A6, CYP2D6 and CYP2C9, whereas CYP2B6 and CYP2A6 were identified to be the only enzymes which enable the hydroxylation of norketamine. The latter two enzymes produced metabolic patterns similar to those found in incubations with human liver microsomes. The kinetic data of ketamine N-demethylation with CYP3A4 and CYP2B6 were best described with the Michaelis-Menten model and the Hill equation, respectively. This is the first study elucidating the individual enzymes responsible for hydroxylation of norketamine. The obtained data suggest that in vitro biotransformation of ketamine and norketamine is stereoselective.

A comprehensive understanding of thioTEPA metabolism in the mouse using UPLC-ESI-QTOFMS-based metabolomics

ThioTEPA, an alkylating agent with anti-tumor activity, has been used as an effective anticancer drug since the 1950s. However, a complete understanding of how its alkylating activity relates to clinical efficacy has not been achieved, the total urinary excretion of thioTEPA and its metabolites is not resolved, and the mechanism of formation of the potentially toxic metabolites S-carboxymethylcysteine (SCMC) and thiodiglycolic acid (TDGA) remains unclear. In this study, the metabolism of thioTEPA in a mouse model was comprehensively investigated using ultra-performance liquid chromatography coupled with electrospray ionization quadrupole time-of-flight mass spectrometry (UPLC-ESI-QTOFMS) based-metabolomics. The nine metabolites identified in mouse urine suggest that thioTEPA underwent ring-opening, N-dechloroethylation, and conjugation reactions in vivo. SCMC and TDGA, two downstream thioTEPA metabolites, were produced from thioTEPA from two novel metabolites 1,2,3-trichloroTEPA (VII) and dechloroethyltrichloroTEPA (VIII). SCMC and TDGA excretion were increased about 4-fold and 2-fold, respectively, in urine following the thioTEPA treatment. The main mouse metabolites of thioTEPA in vivo were TEPA (II), monochloroTEPA (III) and thioTEPA-mercapturate (IV). In addition, five thioTEPA metabolites were detected in serum and all shared similar disposition. Although thioTEPA has a unique chemical structure which is not maintained in the majority of its metabolites, metabolomic analysis of its biotransformation greatly contributed to the investigation of thioTEPA metabolism in vivo, and provides useful information to understand comprehensively the pharmacological activity and potential toxicity of thioTEPA in the clinic.

Pharmacogenomic considerations in opioid analgesia

Translating pharmacogenetics to clinical practice has been particularly challenging in the context of pain, due to the complexity of this multifaceted phenotype and the overall subjective nature of pain perception and response to analgesia. Overall, numerous genes involved with the pharmacokinetics and dynamics of opioids response are candidate genes in the context of opioid analgesia. The clinical relevance of CYP2D6 genotyping to predict analgesic outcomes is still relatively unknown; the two extremes in CYP2D6 genotype (ultrarapid and poor metabolism) seem to predict pain response and/or adverse effects. Overall, the level of evidence linking genetic variability (CYP2D6 and CYP3A4) to oxycodone response and phenotype (altered biotransformation of oxycodone into oxymorphone and overall clearance of oxycodone and oxymorphone) is strong; however, there has been no randomized clinical trial on the benefits of genetic testing prior to oxycodone therapy. On the other hand, predicting the analgesic response to morphine based on pharmacogenetic testing is more complex; though there was hope that simple genetic testing would allow tailoring morphine doses to provide optimal analgesia, this is unlikely to occur. A variety of polymorphisms clearly influence pain perception and behavior in response to pain. However, the response to analgesics also differs depending on the pain modality and the potential for repeated noxious stimuli, the opioid prescribed, and even its route of administration.

Prediction of codeine toxicity in infants and their mothers using a novel combination of maternal genetic markers

Substantial variation exists in response to standard doses of codeine ranging from poor analgesia to life-threatening central nervous system (CNS) depression. We aimed to discover the genetic markers predictive of codeine toxicity by evaluating the associations between polymorphisms in cytochrome P450 2D6 (CYP2D6), UDP-glucuronosyltransferase 2B7 (UGT2B7), P-glycoprotein (ABCB1), mu-opioid receptor (OPRM1), and catechol O-methyltransferase (COMT) genes, which are involved in the codeine pathway, and the symptoms of CNS depression in 111 breastfeeding mothers using codeine and their infants. A genetic model combining the maternal risk genotypes in CYP2D6 and ABCB1 was significantly associated with the adverse outcomes in infants (odds ratio (OR) 2.68; 95% confidence interval (CI) 1.61-4.48; P(trend) = 0.0002) and their mothers (OR 2.74; 95% CI 1.55-4.84; P(trend) = 0.0005). A novel combination of the genetic and clinical factors predicted 87% of the infant and maternal CNS depression cases with a sensitivity of 80% and a specificity of 87%. Genetic markers can be used to improve the outcome of codeine therapy and are also probably important for other opioids sharing common biotransformation pathways.

Antinociceptive effects, metabolism and disposition of ketamine in ponies under target-controlled drug infusion

Ketamine is widely used as an anesthetic in a variety of drug combinations in human and veterinary medicine. Recently, it gained new interest for use in long-term pain therapy administered in sub-anesthetic doses in humans and animals. The purpose of this study was to develop a physiologically based pharmacokinetic (PBPk) model for ketamine in ponies and to investigate the effect of low-dose ketamine infusion on the amplitude and the duration of the nociceptive withdrawal reflex (NWR). A target-controlled infusion (TCI) of ketamine with a target plasma level of 1 microg/ml S-ketamine over 120 min under isoflurane anesthesia was performed in Shetland ponies. A quantitative electromyographic assessment of the NWR was done before, during and after the TCI. Plasma levels of R-/S-ketamine and R-/S-norketamine were determined by enantioselective capillary electrophoresis. These data and two additional data sets from bolus studies were used to build a PBPk model for ketamine in ponies. The peak-to-peak amplitude and the duration of the NWR decreased significantly during TCI and returned slowly toward baseline values after the end of TCI. The PBPk model provides reliable prediction of plasma and tissue levels of R- and S-ketamine and R- and S-norketamine. Furthermore, biotransformation of ketamine takes place in the liver and in the lung via first-pass metabolism. Plasma concentrations of S-norketamine were higher compared to R-norketamine during TCI at all time points. Analysis of the data suggested identical biotransformation rates from the parent compounds to the principle metabolites (R- and S-norketamine) but different downstream metabolism to further metabolites. The PBPk model can provide predictions of R- and S-ketamine and norketamine concentrations in other clinical settings (e.g. horses).

The pharmacokinetic profile of fesoterodine: similarities and differences to tolterodine

BACKGROUND: Fesoterodine is a new antimuscarinic agent developed for the treatment of overactive bladder. Fesoterodine itself is inactive and is rapidly and extensively converted by ubiquitous esterases to its principal active moiety, 5-hydroxymethyl tolterodine (5-HMT). 5-HMT is formed via biotransformation of both fesoterodine and tolterodine, albeit by different metabolising enzymes, viz. esterases and CYP2D6 respectively. Tolterodine is a potent muscarinic receptor antagonist and has been used for the treatment of overactive bladder for over ten years. The objective of this study was to establish the pharmacokinetic profile of fesoterodine and to highlight ist potential pharmacokinetic advantages over tolterodine. DESIGN: Single-centre, open-label, randomised, 4-way crossover study in a total of 24 healthy male volunteers. Single oral doses of 4, 8, or 12 mg fesoterodine were administered after an overnight fast. In addition, the 8 mg dose was also administered after a standard high-fat and high-calorie breakfast. Blood and urine samples for the analysis of 5-HMT were collected before and multiple times after drug administration for pharmacokinetic analysis. RESULTS: The mean peak plasma concentration (Cmax) of 5-HMT and the mean area under the time versus concentration curve (AUC) increased proportionally with the fesoterodine dose. These two parameters were some 2-fold higher in CYP2D6 poor metabolisers, whereas the time to peak plasma concentration (tmax) and half life (t1/2) were not influenced by the dose or the CYP2D6 metaboliser status. If fesoterodine was taken following a high-fat breakfast, we observed small increases in Cmax and AUC. In spite of these modest genetic influences and food effects on the pharmacokinetics of fesoterodine, the overall interindividual variability in Cmax levels was relatively little compared to previously published reports using tolterodine. CONCLUSIONS: Due to the esterase-mediated cytochrome P450-independent formation of 5-HMT and involvement of multiple metabolic and renal excretion pathways in the elimination of 5-HMT, the effects of patient-intrinsic and -extrinsic factors on the pharmacokinetics of fesoterodine are only modest, with some 2-fold higher 5-HMT exposure. Therefore, in contrast to tolterodine, no reduction of fesoterodine dosage is required under conditions of reduced elimination. In most cases of drug interaction or renal/hepatic impairment, the fesoterodine dose may be increased to 8 mg/day based on individual patients' response, or patients may be required to remain at the initial recommended dose of 4 mg/day.

Incorporation of 2,4,6-trinitrotoluene (TNT) transforming bacteria into explosive formulations

Pseudomonas putida GG04 and Bacillus SF have been successfully incorporated into an explosive formulation to enhance biotransformation of TNT residues and/or explosives which fail to detonate due to technical faults. The incorporation of the microorganisms into the explosive did not affect the quality of the explosive (5 years storage) in terms of detonation velocity while complete biotransformation of TNT moieties upon transfer in liquid media was observed after 5 days. The incorporated microorganisms reduced TNT sequentially leading to the formation of hydroxylaminodinitrotoluenes (HADNT), 4-amino-2,6-dinitrotoluenes; 2-amino-4,6-dinitrotoluenes, different azoxy compounds; 2,6-diaminonitrotoluenes (2,4-DAMNT) and 2,4-diaminonitrotoluenes (2,6-DAMNT). However, the accumulation of AMDNT and DAMNT (major dead-end metabolites) was effectively prevented by incorporating guaiacol and catechol during the biotransformation process.

The state of in vitro science for use in bioaccumulation assessments for fish

Through the concerted evaluations of thousands of commercial substances for the qualities of persistence, bioaccumulation, and toxicity as a result of the United Nations Environment Program's Stockholm Convention, it has become apparent that fewer empirical data are available on bioaccumulation than other endpoints and that bioaccumulation models were not designed to accommodate all chemical classes. Due to the number of chemicals that may require further assessment, in vivo testing is cost prohibitive and discouraged due to the large number of animals needed. Although in vitro systems are less developed and characterized for fish, multiple high-throughput in vitro assays have been used to explore the dietary uptake and elimination of pharmaceuticals and other xenobiotics by mammals. While similar processes determine bioaccumulation in mammalian species, a review of methods to measure chemical bioavailability in fish screening systems, such as chemical biotransformation or metabolism in tissue slices, perfused tissues, fish embryos, primary and immortalized cell lines, and subcellular fractions, suggest quantitative and qualitative differences between fish and mammals exist. Using in vitro data in assessments for whole organisms or populations requires certain considerations and assumptions to scale data from a test tube to a fish, and across fish species. Also, different models may incorporate the predominant site of metabolism, such as the liver, and significant presystemic metabolism by the gill or gastrointestinal system to help accurately convert in vitro data into representative whole-animal metabolism and subsequent bioaccumulation potential. The development of animal alternative tests for fish bioaccumulation assessment is framed in the context of in vitro data requirements for regulatory assessments in Europe and Canada.

Biovolatilisation: a poorly studied pathway of the arsenic biogeochemical cycle

It has been known for over a hundred years that microorganisms can produce volatile arsenic (As) species, termed “arsines”. However, this topic has received relatively little attention compared to As behaviour in soils and biotransformation through the trophic level in the marine and terrestrial environment. We believe this is due to long-standing misconceptions regarding volatile As stability and transport as well as an absence, until recently, of appropriate sampling methods. First and foremost, an attempt is made to unify arsines' designations, notations and formulas, taking into account all the different terms used in the literature. Then, the stability of As volatile species is discussed and new analytical developments are explored. Further, the special cases of diffuse low-level emissions (e.g. soil and sediment biovolatilisation), and point sources with high-level emissions (geothermal environments, landfills, and natural gas) are comprehensively reviewed. In each case, future possible areas of research and unknown mechanisms are identified and their importance towards the global As biogeochemical cycle is explored. This review gathers new information regarding mechanisms, stability, transport and sampling of the very elusive arsines and shows that more research should be conducted on this important process.

In vitro metabolism of testosterone in the horse liver and involvement of equine CYPs 3A89, 3A94 and 3A95

Testosterone (TES) 6-β-hydroxylation is a significant metabolic step in the biotransformation of TES in human liver microsomes and reflects cytochrome P450 (CYP) 3A4/5 specific metabolic activity. Several CYP3A enzymes have been annotated in the horse genome, but functional characterization is missing. This descriptive study investigates TES metabolism in the horse liver in vitro and the qualitative contribution of three CYP3A isoforms of the horse. Metabolism of TES was investigated by using equine hepatocyte primary cultures and liver microsomes. Chemical inhibitors were used to determine the CYPs involved in TES biotransformation in equine microsomes. Single CYPs 3A89, 3A94, and 3A95, recombinantly expressed in V79 hamster lung fibroblasts, were incubated with TES and the fluorescent metabolite 7-benzyloxy-4-trifluoromethylcoumarin (BFC). The effect of ketoconazole and troleandomycin was evaluated on single CYPs. Testosterone metabolites were analyzed by HPLC and confirmed by GC/MS. In hepatocyte primary cultures, the most abundant metabolite was androstenedione (AS), whereas in liver microsomes, 6-β-hydroxytestosterone showed the largest peak. Formation of 6-β-hydroxytestosterone and 11-β-hydroxytestosterone in liver microsomes was inhibited by ketoconazole, troleandomycin, and quercetin. Equine recombinant CYP3A95 catalyzed 11-β-hydroxylation of testosterone (TES). Metabolism of BFC was significantly inhibited by ketoconazole in CYP3A95, whereas troleandomycin affected the activities of CYP3A94 and CYP3A95. Both inhibitors had no significant effect on CYP3A89. Metabolic reactions and effects of inhibitors differed between the equine CYP3A isoforms investigated. This has to be considered in future in vitro studies.

Drug metabolism in human brain: high levels of cytochrome P4503A43 in brain and metabolism of anti-anxiety drug alprazolam to its active metabolite.

Cytochrome P450 (P450) is a super-family of drug metabolizing enzymes. P450 enzymes have dual function; they can metabolize drugs to pharmacologically inactive metabolites facilitating their excretion or biotransform them to pharmacologically active metabolites which may have longer half-life than the parent drug. The variable pharmacological response to psychoactive drugs typically seen in population groups is often not accountable by considering dissimilarities in hepatic metabolism. Metabolism in brain specific nuclei may play a role in pharmacological modulation of drugs acting on the CNS and help explain some of the diverse response to these drugs seen in patient population. P450 enzymes are also present in brain where drug metabolism can take place and modify therapeutic action of drugs at the site of action. We have earlier demonstrated an intrinsic difference in the biotransformation of alprazolam (ALP) in brain and liver, relatively more alpha-hydroxy alprazolam (alpha-OHALP) is formed in brain as compared to liver. In the present study we show that recombinant CYP3A43 metabolizes ALP to both alpha-OHALP and 4-hydroxy alprazolam (4-OHALP) while CYP3A4 metabolizes ALP predominantly to its inactive metabolite, 4-OHALP. The expression of CYP3A43 mRNA in human brain samples correlates with formation of relatively higher levels of alpha-OH ALP indicating that individuals who express higher levels of CYP3A43 in the brain would generate larger amounts of alpha-OHALP. Further, the expression of CYP3A43 was relatively higher in brain as compared to liver across different ethnic populations. Since CYP3A enzymes play a prominent role in the metabolism of drugs, the higher expression of CYP3A43 would generate metabolite profile of drugs differentially in human brain and thus impact the pharmacodynamics of psychoactive drugs at the site of action.