General unknown screening procedure for the characterization of human drug metabolites: application to loratadine phase I metabolism.

This article describes the application of a recently developed general unknown screening (GUS) strategy based on LC coupled to a hybrid linear IT-triple quadrupole mass spectrometer (LC-MS/MS-LIT) for the simultaneous detection and identification of drug metabolites following in vitro incubation with human liver microsomes. The histamine H1 receptor antagonist loratadine was chosen as a model compound to demonstrate the interest of such approach, because of its previously described complex and extensive metabolism. Detection and mass spectral characterization were based on data-dependent acquisition, switching between a survey scan acquired in the ion-trapping Q3 scan mode with dynamic subtraction of background noise, and a dependent scan in the ion-trapping product ion scan mode of automatically selected parent ions. In addition, the MS(3) mode was used in a second step to confirm the structure of a few fragment ions. The sensitivity of the ion-trapping modes combined with the selectivity of the triple quadrupole modes allowed, with only one injection, the detection and identification of 17 phase I metabolites of loratadine. The GUS procedure used in this study may be applicable as a generic technique for the characterization of drug metabolites after in vitro incubation, as well as probably in vivo experiments.

A microarray-based system for the simultaneous analysis of single nucleotide polymorphisms in human genes involved in the metabolism of anti-malarial drugs

Background: In order to provide a cost-effective tool to analyse pharmacogenetic markers in malaria treatment, DNA microarray technology was compared with sequencing of polymerase chain reaction (PCR) fragments to detect single nucleotide polymorphisms (SNPs) in a larger number of samples. Methods: The microarray was developed to affordably generate SNP data of genes encoding the human cytochrome P450 enzyme family (CYP) and N-acetyltransferase-2 (NAT2) involved in antimalarial drug metabolisms and with known polymorphisms, i.e. CYP2A6, CYP2B6, CYP2C8, CYP2C9, CYP2C19, CYP2D6, CYP3A4, CYP3A5, and NAT2. Results: For some SNPs, i.e. CYP2A6*2, CYP2B6*5, CYP2C8*3, CYP2C9*3/*5, CYP2C19*3, CYP2D6*4 and NAT2*6/*7/*14, agreement between both techniques ranged from substantial to almost perfect (kappa index between 0.61 and 1.00), whilst for other SNPs a large variability from slight to substantial agreement (kappa index between 0.39 and 1.00) was found, e. g. CYP2D6*17 (2850C>T), CYP3A4*1B and CYP3A5*3. Conclusion: The major limit of the microarray technology for this purpose was lack of robustness and with a large number of missing data or with incorrect specificity.

Effects of cytochrome P450 enzyme inhibitors and inducers on the metabolism of S-ketamine

The human body eliminates foreign compounds primarily by metabolizing them to hydrophilic forms to facilitate effective excretion through the kidneys. Cytochrome P450 (CYP) enzymes in the liver and intestine contribute to the metabolism of many drugs. Pharmacokinetic drugdrug interactions occur if the activity of CYPs are inhibited or induced by another drug. Prescribing multiple drugs to the improve effectiveness of therapy or to treat coexisting diseases is a common practice in clinical medicine. Polypharmacy predisposes patients to adverse effects because of the profound unpredictability in CYP enzymatic-mediated drug metabolism. S-ketamine is a phencyclidine derivative which functions as an antagonist of the N-methyl-Daspartate (NMDA) receptor in the central nervous system. It is a unique anaesthetic producing “dissociative anaesthesia” in high doses and analgesia in low doses. Studies with human liver microsomes suggest that ketamine is metabolized primarily via CYP3A4 and CYP2B6 enzymes. In this thesis, in healthy volunteers, randomized and controlled cross-over studies were conducted to investigate the effects of different CYP inducers and inhibitors on the pharmacokinetics and pharmacodynamics of oral and intravenous S-ketamine. The plasma concentrations of ketamine and its metabolite, norketamine, were determined at different timepoints over a 24 hour period. Other pharmacodynamic variables were examined for 12 hours. Results of these studies showed that the inhibition of the CYP3A4 pathway by clarithromycin or grapefruit juice increased the exposure to oral S-ketamine by 2.6- and 3.0-fold. Unexpectedly, CYP3A4 inhibition by itraconazole caused no significant alterations in the plasma concentrations of oral S-ketamine. CYP3A4 induction by St. John´s wort or rifampicin decreased profoundly the concentrations of oral S-ketamine. However, after rifampicin, there were no significant differences in the plasma concentrations of S-ketamine when it was administered intravenously. This demonstrated that rifampicin inhibited the metabolism of Sketamine at the intestinal level. When CYP2B6 was inhibited by ticlopidine, there was a 2.4- fold increase in the exposure of S-ketamine. These studies demonstrated that low dose oral Sketamine is metabolized both via CYP3A4 and CYP2B6 pathways. The concomitant use of drugs that affect CYP3A4 or CYP2B6, during oral S-ketamine treatment, may cause clinically significant drug-drug interactions.

Inhibition of rat microsomal lipid peroxidation by the oral administration of D002

The effect of D002, a defined mixture of higher primary alcohols purified from bee wax, on in vivo and in vitro lipid peroxidation was studied. The extent of lipid peroxidation was measured on the basis of the levels of thiobarbituric acid reactive substances (TBARS). When D002 (5-100 mg/kg body weight) was administered orally to rats for two weeks, a partial inhibition of the in vitro enzymatic and non-enzymatic lipid peroxidation was observed in liver and brain microsomes. Maximal protection (46%) occurred at a dose of 25 mg/kg. D002 behaved differently depending on both the presence of NADPH and the integrity of liver microsomes, which suggests that under conditions where microsomal metabolism was favored the protective effect of D002 was increased. D002 (25 mg/kg) also completely inhibited carbon tetrachloride- and toluene-induced in vivo lipid peroxidation in liver and brain. Also, D002 significantly lowered in a dose-dependent manner the basal level of TBARS in liver (19-40%) and brain (28-44%) microsomes. We conclude that the oral administration of D002 (5, 25 and 100 mg/kg) for two weeks protected rat liver and brain microsomes against microsomal lipid peroxidation in vitro and in vivo. Thus, D002 could be useful as a dietary natural antioxidant supplement. More studies are required before these data can be extrapolated to the recommendation for the use of D002 as a dietary antioxidant supplement for humans.

Caractérisation de la toxicocinétique de l’octylphénol chez le rat en vue d’une meilleure analyse de risque toxicologique des perturbateurs endocriniens

Le p-tert-octylphénol est un produit présent dans l’environnement et issu de la dégradation des alkylphénols éthoxylés. Ce composé a la capacité de se lier au récepteur œstrogénique et d’exercer ainsi un léger effet œstrogénique. Les objectifs de cette étude étaient de 1) développer une méthode d'identification de l'octylphénol dans le sang et les tissus à l'aide de la chromatographie en phase gazeuse jumelée à la spectrométrie de masse, 2) caractériser la toxicocinétique sanguine et tissulaire de l’octylphénol chez le rat Sprague-Dawley mâle et femelle et 3) développer un modèle toxicocinétique à base physiologique permettant de décrire la cinétique sanguine et tissulaire de l’octylphénol inchangé. Pour ce faire, des rats mâle et femelle Sprague-Dawley ont reçu des doses uniques d’octylphénol par les voies intraveineuse, orale et sous-cutanée. Deux autres groupes ont reçu des doses répétées d'octylphénol par voie orale pour une durée de 35 jours consécutifs pour les femelles ou 60 jours pour les mâles. Les concentrations sanguines et tissulaires d’octylphénol ont été mesurées à différents moments après administration à partir d’une méthode d’analyse développée dans nos laboratoires dans le cadre de ce projet. Les expériences impliquant des administrations uniques ont montré que les concentrations sanguines et tissulaires d'octylphénol étaient en général plus élevées chez les femelles que chez les mâles. Des expériences réalisées avec des microsomes hépatiques ont confirmé que ces différences étaient vraisemblablement reliées au métabolisme de l'octylphénol. Les expériences impliquant des administrations répétées ont montré qu'il n'y avait pas d'accumulation d'octylphénol dans l'organisme aux doses étudiées. Les résultats obtenus expérimentalement ont servi à développer et valider un modèle toxicocinétique à base physiologique. Ce modèle a permis de simuler adéquatement les concentrations sanguines et tissulaires d'octylphénol suite à des expositions intraveineuses, orales et sous-cutanées. En conclusion, cette étude a fourni des données essentielles sur la toxicocinétique de l'octylphénol. Ces données sont nécessaires pour établir la relation entre la dose externe et la dose interne et vont contribuer à une meilleure évaluation des risques liés à l'octylphénol.

Modulation du cytochrome P450 dans un modèle murin d'insuffisance rénale chronique

Introduction : Les modèles murins sont grandement utilisés dans l’étude des maladies rénales et des pathologies associées. La concentration de la créatinine sérique est un bon indicateur de la filtration glomérulaire et en présence d’insuffisance rénale chronique (IRC), les concentrations de créatinine sérique (et la clairance) reflètent la sévérité de l’IRC. De plus, il a été démontré que l’IRC modifie le métabolisme des médicaments en diminuant l’activité et l’expression des enzymes hépatiques du cytochrome P450 (CYP450). Afin d’étudier la modulation du P450 par l’IRC avec un modèle murin et de confirmer nos résultats chez le rat, nous devons 1) développer un modèle d’IRC chez la souris, 2) mettre au point une technique de dosage des marqueurs de l’IRC et, 3) évaluer l’expression protéique du CYP450 en présence IRC. Matériel et Méthode : Trois modèles chirurgicaux d’IRC chez la souris ont été développés. Une méthode du dosage de la créatinine par chromatographie liquide à haute performance (CLHP) a été mise au point chez la souris et l’expression protéique du P450 a été mesurée par immunobuvardage de type Western. Résultats : Plusieurs paramètres de CLHP comme le pH, la concentration et le débit de la phase mobile modifient le pic d’élution et le temps de rétention de la créatinine. Concernant le modèle expérimental, on observe une perte de poids et une augmentation de la concentration plasmatique de la créatinine chez les souris avec une IRC. De plus, l’expression protéique de plusieurs isoformes du cytochrome P450 est modulée par l’IRC. Nous observons une diminution du CYP 2D de 42% (p < 0,01), du CYP 3A11 de 60% et du CYP 1A de 37% (p <0,01) par rapport aux souris témoins. On ne dénote aucun changement significatif au niveau de l’isoforme 2E1. Conclusion : Il est possible d’induire une insuffisance rénale chronique chez la souris suite à une néphrectomie. La technique de dosage de la créatinine par CLHP est précise et exacte et permet de caractériser la sévérité de l’IRC chez la souris. L’expression protéique du CYP450 est régulée à la baisse dans le foie des souris atteintes d’IRC.

Étude des tachykinines et de leurs dérivés peptidiques associés à la douleur neuropathique grâce à l’utilisation de modèles animaux et de la chromatographie en phase liquide couplée à la spectrométrie de masse

Thèse réalisée en co-tutelle avec l'Université Claude Bernard de Lyon 1, en France.

Administration de [6]-gingérol intrathécal pour le traitement de la douleur neuropathique chez le rat mâle Sprague-Dawley

Le [6]-gingérol est un analogue structurel de la capsaïcine, une molécule agoniste au récepteurs TRPV1 et ayant des propriétés thérapeutiques connues dans le traitement de la douleur. Deux objectifs principaux ont été poursuivis lors de la réalisation de ce projet de recherche. D’abord, établir une meilleure caractérisation du métabolisme du [6]-gingérol chez le rat. Pour ce faire, une méthode sensible et spécifique pour la quantification du [6]-gingérol et ses métabolites par HPLC-ESI/MS/MS a été développée. Une étude de stabilité métabolique in vitro utilisant des microsomes hépatiques de rats a ensuite été réalisée. Les résultats démontrent une dégradation lente avec un temps de demi-vie de 163 minutes et une clairance intrinsèque relativement basse de 0.0043 mL/min. D’autres analyses ont ensuite été performées pour caractériser les métabolites in vitro et in vivo. Trois principaux métabolites de phase I et quatre métabolites de phase II ont été identifiés par HPLC-MS/MS et HPLC-MSD TOF. Les résultats suggèrent que le principal métabolite excrété dans l’urine est un glucuronide du [6]-gingérol hydroxylé. Le second objectif de ce projet était de déterminer l’effet central du [6]-gingérol sur la douleur neuropathique lorsqu’injecté par voie intrathécale. La distribution de la molécule a d’abord été évaluée suite à une administration intra-péritonéale de 40 mg/kg de [6]-gingérol et les ratios des concentrations cerveau-plasma et moelle épinière-plasma (0.73 et 1.7, respectivement) suggèrent que le [6]-gingérol se distribue efficacement au niveau du système nerveux central. Une injection intrathécale de 10 μg de [6]-gingérol à été performée chez les rats suite à l’induction de douleur par la pose de ligatures au niveau du nerf sciatique. Les résultats suggèrent une réduction significative de l’allodynie mécanique et de l’hyperalgésie thermique à 30 min, 2 h et 4 h suivant l’injection (p < 0.05, p < 0.01 et p < 0.001). Le [6]-gingérol se distribue donc adéquatement au niveau du système nerveux central des rats, permettant une action au niveau des récepteurs TRPV1. Ainsi, le [6]-gingérol pourrait soulager la douleur neuropathique en agissant centralement au niveau de la moelle épinière.

Assessment of the stereoselective fungal biotransformation of albendazole and its analysis by HPLC in polar organic mode

A high-performance liquid chromatographic method using polar organic mode was developed to analyze albendazole (ABZ), albendazole sulfone (ABZSO(2)) and the chiral and active metabolite albendazole sulfoxide (ABZSOX, ricobendazole) that was further applied in stereoselective fungal biotransformation studies. The chromatographic separation was performed on a Chiralpak AS column using acetonitrile:ethanol (97:3, v/v) plus 0.2% triethylamine and 0.2% acetic acid as the mobile phase at a flow rate of 0.5 mL min(-1). The present study employed hollow fiber liquid-phase microextraction as sample preparation. The method showed to be linear over the concentration range of 25-5000 ng mL(-1) for each ABZSOX enantiomer, 200-10,000 ng mL(-1) for ABZ and 50-1000 ng mL(-1) for ABZSO(2) metabolite with correlation coefficient (r)> 0.9934. The mean recoveries for ABZ, rac-ABZSOX and ABZSO(2) were, respectively, 9%, 33% and 20% with relative standard deviation below 10%. Within-day and between-day precision and accuracy assays for these analytes were studied at three concentration levels and were lower than 15%. This study opens the door regarding the possibility of using fungi in obtaining of the active metabolite ricobendazole. Nigrospora sphaerica (Sacc.) E. W. Mason (5567), Pestalotiopsis foedans (VR8), Papulaspora immersa Hotson (SS13) and Mucor rouxii were able to stereoselectively metabolize ABZ into its chiral metabolite. Among them, the fungus Mucor rouxii was the most efficient in the production of (+)-ABZSOX. (C) 2011 Elsevier B.V. All rights reserved.

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.

Mikrosomale Biotransformation von Benzo[ghi]perylen, einem mutagenen polyaromatischen Kohlenwasserstoff ohne das Strukturelement der Bay-Region des kanzerogenen Benzo[a]pyrens

Kanzerogene polyaromatische Kohlenwasserstoffe (PAKs), wie Benzo[a]pyren, besitzen eine Bay-Region mit ortho-kondensiertem Benzoring. Dadurch ist die enzymatische Bildung von Bay-Region-Dihydrodiolepoxiden (Oxiranylring in der sterisch abgeschirmten Molekülbucht) möglich, die als ultimal kanzerogene Metaboliten der PAKs gelten. Diese lösen durch DNA-Modifikation Primärläsionen aus, die, sofern sie nicht enzymatisch repariert werden, bei der DNA-Replikation Fehler verursachen (Mu-tationen). Der Mehrstufenprozeß der Kanzerogenese (Promotion und Progression) führt schließlich zur neoplastischen Entartung der Zelle. Benzo[ghi]perylen (BghiP) repräsentiert eine Gruppe von PAKs, die keine „klassische“ Bay-Region besitzen und daher keine vicinalen Dihydrodiolepoxiden bilden können. Trotzdem ist BghiP mutagen, z. B. in den Stämmen TA98 und TA100 von Salmonella typhimurium (1,3- bzw. 4,3 his+-Revertanten/nmol) nach metabolischer Aktivierung mit der postmitochondrialen Fraktion von Ratten nach Behandlung mit 3-Methylcholanthren. Hemmung der mikrosomalen Epoxidhydrolase (mEH) mit 1,1,1-Trichlor-2-propenoxid (TCPO) steigert die bakterielle Mutagenität von BghiP im Stamm TA98 um das 4-fache, was Arenoxide als ultimale Mutagene wahrscheinlich macht. Dieses Ergebnis wird au-ßerdem durch Untersuchung der DNA-Bindung mit dem Verfahren des 32P-Postlabelings bestätigt (Dr. Fickler, Institut für Toxikologie, Universität Mainz). Danach bildete mikrosomal aktiviertes BghiP drei Addukte (ein Hauptaddukt, zwei Nebenaddukte), die durch Hemmung der mEH mit TCPO verstärkt wurden (das Hauptaddukt um 29%). Um den für die bakterielle Mutagenität von BghiP verantwortlichen Metaboliten zu identifizieren, wurde die mikrosomale Biotransformaton von BghiP aufgeklärt. Umsetzung von BghiP mit Lebermikrosomen von Ratten nach Behandlung mit Aroclor 1254 lieferte 17 mit Ethylacetat extrahierbare Metaboliten. Zwölf dieser Metaboliten konnten durch eine Kombination von chromatographischen, spektroskopi-schen und biochemischen Methoden identifiziert werden. Daraus ergeben sich zwei Biotransformati-onswege: Weg I beginnt mit einem Angriff von Cytochrom P450-abhängigen Monooxygenasen an Position 7 und der Bildung des 7-Phenols. Dieses wird dann in das 7,8- bzw. 7,10-Diphenol überführt, die schließlich zu den mehrkernigen Chinonen an der 7,8- bzw. 7,10-Position oxidiert werden. Im Bio-transformationsweg II werden die K-Regionen von BghiP durch Cytochrom P450 funktionalisiert. Zu-nächst entstehen das auf indirektem Weg identifizierte 3,4-Oxid und das 3,4,11,12-Bisoxid, die in mikrosomalen Umsetzungen von BghiP nur nach Hemmung der mEH gebildet werden. Enzymatische Hydrolyse des 3,4-Oxides ergibt das trans-3,4-Dihydrodiol, das zum 3,4-Chinon oxidiert wird. Ebenso entsteht aus dem 3,4,11,12-Bisoxid das trans-3,4-trans-11,12-Bisdihydrodiol, aus dem durch Oxidati-on das trans-3,4-Dihydrodiol-11,12-Chinon hervorgeht. Untersuchung der stereoselektiven enzymati-schen Bildung der K-Region-trans-Di¬hydrodiole ergaben eine präferentielle Entstehung der 3R,4R- bzw. 3R,4R,11R,12R-Enantiomere. Untersuchungen der bakteriellen Mutagenität der Hauptmetaboliten 3,4-Dihydrodiol und dem 7-Phenol machte deutlich, dass beide Biotransformationswege I und II von BghiP zur bakteriellen Mutagenität beitragen. Das 7-Phenol aus Weg I ist ein proximales Mutagen, was auch von Phenolen anderer PAKs bekannt ist. Das 3,4-Dihydrodiol aus Weg II wird so schwach zu Mutagenen aktiviert, dass dem vermutlich gebildete 3,4-Dihydrodiol-11,12-oxid keine große Bedeutung als ultimales Mutagen von BghiP zukommt. Die Bestimmung der direkten mutagenen Aktivität (ohne metabolische Aktivierung) der mutmaßlich ultimal mutagenen Arenoxide von BghiP ergab, dass die des 3,4,11,12-Bisarenoxides sehr gering war (1,3 his+-Revertanten/nmol im Stamm TA98). Das 3,4-Oxid hingegen bewirkte einen deutlichen gentoxischen Effekt in den Stämmen TA98 und TA100 (5,5 bzw. 10 his+-Revertanten/nmol). Dies wurde durch die Bestimmung der DNA-Bindung mit dem 32P-Postlabeling, in dem das 3,4-Oxid für das Hauptaddukt von BghiP verantwortlich gemacht werden konnte, bestätigt. Daher kommt dem 3,4-Oxid als ultimales Mutagen die größte Bedeutung für die Gentoxizität von BghiP zu. Die Ergebnisse dieser Arbeit lassen bei PAKs ohne Bay-Region auf Arenoxide schließen, die eine notwendige Voraussetzung für DNA-Bindung und Mutagenität sind.

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.

Validated capillary electrophoresis assay for the simultaneous enantioselective determination of propafenone and its major metabolites in biological samples

A robust, inexpensive, and fully validated CE method for the simultaneous determination of the enantiomers of propafenone (PPF), 5-hydroxy-propafenone (5OH-PPF) and N-despropyl-propafenone (NOR-PPF) in serum and in in vitro media is described. It is based upon liquid-liquid extraction at alkaline pH followed by analysis of the reconstituted extract by CE in presence of a pH 2.0 running buffer composed of 100 mM sodium phosphate, 19% methanol, and 0.6% highly sulfated beta-CD. For each compound, the S-enantiomers are shown to migrate ahead of their antipodes, and the overall run time is about 30 min. Enantiomer levels between 25 and 1000 ng/mL provide linear calibration graphs, and the LOD for all enantiomers is between 10 and 12 ng/mL. The assay is shown to be suitable for the determination of the enantiomers of PPF and its metabolites in in vitro incubations comprising human liver microsomes or single CYP450 enzymes (SUPERSOMES). Incubations with CYP2D6 SUPERSOMES revealed, for the first time, the simultaneous formation of the enantiomers of 5OH-PPF and NOR-PPF with that enzyme. CE data can be used for the evaluation of the enzymatic N-dealkylation and hydroxylation rates.

Analysis of lorazepam and its 30-glucuronide in human urine by capillary electrophoresis: evidence for the formation of two distinct diastereoisomeric glucuronides

Lorazepam (LOR) is a 3-hydroxy-1,4-benzodiazepine that is chiral and undergoes enantiomerization at room temperature. In humans, about 75% of the administered dose of LOR is excreted in the urine as its 30-glucuronide. CE-MS with negative ESI was used to confirm the presence of LOR-30-glucuronide in urines that stemmed from a healthy individual who ingested 1 or 2 mg LOR, whereas free LOR could be detected in extracts prepared from enzymatically hydrolyzed urines. As the 30-glucuronidation reaction occurs at the chiral center of the molecule, two diastereoisomers can theoretically be formed, molecules that can no longer interconvert. The stereoselective formation of LOR glucuronides in humans and in vitro was investigated. MEKC analysis of extracts of the nonhydrolyzed urines suggested the presence of the two different LOR glucuronides in the urine. The formation of the same two diastereoisomers was also observed in vitro employing incubations of LOR with human liver microsomes in the presence of uridine 5'-diphospho-glucuronic acid as coenzyme. The absence of other coenzymes excluded the formation of phase I or other phase II metabolites of LOR. Both results revealed a stereoselectivity, one diastereoisomer being formed in a higher amount than the other. After enzymatic hydrolysis using beta-glucuronidase, these peaks could not be detected any more. Instead, LOR was monitored. Analysis of the extracts prepared from enzymatically hydrolyzed urines by MEKC in the presence of 2-hydroxypropyl-beta-CD revealed the enantiomerization process of LOR (observation of two peaks of equal magnitude connected with a plateau zone). The data presented provide for the first time the evidence of the stereoselectivity of the LOR glucuronidation in humans.

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

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