Sustained-release formulations for compounds underlying intestinal drug efflux

ZusammenfassungDie Sekretion von Arzneistoffen aus Darmzellen zurück ins Darmlumen, die durch intestinale Transporter wie P-Glykoprotein (P-GP) vermittelt wird, stellt eine bekannte Quelle für unvollständige und variable Bioverfügbarkeiten und für Interaktionen mit anderen Arzneimitteln und Nahrungsbestandteilen dar. Dennoch liegen bisher keine Veröffentlichungen vor, die sich mit daraus resultierenden Konsequenzen für die Entwicklung neuer peroraler Darreichungsformen befassen. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, deutlich zu machen, dass dem Auftreten von intestinalen Sekretionsphänomenen bei der Entwicklung von Retardarzneimitteln Rechnung getragen werden muss.Dazu wurden effektive Permeabilitäten für den Modellarzneistoff Talinolol in unterschiedlichen Darmabschnitten anhand eines Rattendarmperfusionsmodells bestimmt.Des weiteren wurde eine Retardformulierung für den Modellarzneistoff Talinolol entwickelt. Dabei wurde gezeigt, dass die Verwendung unterschiedlicher Puffer als Wirkstofffreisetzungmedien zur Ausbildung unterschiedlicher Talinolol-Kristallstrukturen führt.Die neu entwickelten Retardmatrixtabletten wurden mit Hilfe des Pharmakokinetik-Computersoftwareprogrammes Gastro Plus® evaluiert. Das Zusammenspiel von verlangsamter Wirkstofffreigabe aus der Arzneiform und intestinaler Sekretion führte zu einer deutlich verringerten Bioverfügbarkeit der Modellsubstanz Talinolol aus der Retardformulierung im Vergleich zu schnellfreisetzenden Arzneiformen.Daher sollte der Einfluß intestinaler sekretorischer Transporter wie P-GP bei der Entwicklung von Retardarzneiformen unbedingt berücksichtigt werden.

Effects of different nutritional strategies on intestinal inflammation in pigs

Intestinal health is essential for the health of the body since the gastro-intestinal mucosa is the main site of interaction with the external environment, as well as the major area colonized by the microbiota. Intestinal health relies on proper barrier function, epithelial integrity and related mechanisms of protection (mucous layer, tight junctions, immune and inflammatory system). In pigs, during the weaning transition, intestinal inflammation and barrier integrity play a crucial role in regulating intestinal health and, consequently, pig’s health, growth and productivity. The aim of the project was to assess the impact of different nutritional strategies on the intestinal health of weaning piglets with reference to the inflammatory status and epithelial integrity. Therefore, in vivo trials were conducted to test the in-feed supplementation with zinc, tributyrin, or organic acids and nature-identical compounds (NIC) to weaning piglets. All the dietary interventions positively impacted the intestinal inflammatory status and, as a consequence, improved epithelial integrity by modulating tight junctions proteins (zinc or tributyrin) or by enhancing barrier properties measured with Ussing chambers (organic acids and NIC). These findings highlight that intestinal inflammation and barrier function are strictly linked, and that the control of inflammation is essential for adequate barrier function. In addition, in zinc trial and organic acids and NIC trial, better intestinal health could successfully result in better growth performance, as aimed for pig production improvement. To conclude, this work shows that dietary supplementation with bio-active substances such as zinc, tributyrin or organic acids and NIC may improve intestinal health of weaning piglets modulating intestinal inflammatory stress and barrier integrity and allowing better piglet’s health, growth and productivity.

Misregulation of the tumour suppressor gene CYLD drives hyperactivation of T cells leading to intestinal pathology

The tumour suppressor gene cyld is mutated in familial cylindromatosis, an autosomal-dominant condition that predisposes to multiple skin tumours. The deubiquitinase CYLD acts as a negative regulator of NF-κB signaling. To analyse the function of CYLD in vivo we used the CYLDex7/8 mice, which are characterized by loss of the full-length transcript and overexpression of a short splice variant of CYLD (sCYLD). In CYLDex7/8 mice the overexpression of sCYLD results in splenomegaly and lymphadenopathy. Additionally, the B cell population in spleen and lymph nodes is increased at the expense of T cells. Analysis of CYLDex7/8 T cells showed a significant reduction of CD4 single positive (SP) and CD8 SP T cells in the thymus and in the periphery. By investigating the impact of sCYLD in TCR signaling in thymocytes, we could demonstrate that sCYLD partially inhibited the activation of Zap70 and thereby negatively regulated TCR signaling. In vitro as well as in vivo we could show that CD4+ T cells displayed a hyperactive phenotype, proliferated to a better extent than WT cells and expressed high amounts of inflammatory cytokines such as IL-6 and IL-17A. Western Blots of steady state thymocytes and peripheral CD4+ T cells were performed, showing that the noncanonical pathway was highly upregulated visualized by the expression levels of RelB and p100 leading to a hyperactive phenotype of CD4+ T cells. In order to investigate the contribution of sCYLD in positive and negative selection in the thymus in vivo, the HY-TCR transgene (HYtg) was crossed to CYLDex7/8 mice. The analysis of CYLDex7/8 HYtg males revealed an increase in CD4+CD8+ DP as well as in CD8+ SP thymocytes, suggesting a less pronounced negative selection in CYLD mutant mice compared to HYtg control mice. Interestingly, the impaired negative selection in the thymus was accompanied by a strong colitis phenotype at early ages (4 weeks). Since medullary TECs (mTECs) play an important role in the late stage of T cell development by negatively selecting autoreactive thymocytes, the levels of mTECs in the medullary compartment was investigated. Of note, low numbers of mTECs were observed, combined with decreased expression levels of the mTEC markers UEA-1, keratin-5, claudin-3 and claudin-4. The reduction of mTECs in the medullary compartment could explain the inflammatory phenotype of CD4+ T cells in CYLDex7/8 mice leading to the severe intestinal pathology observed in these mice. Taken together, these results show an important role of sCYLD in T cell development and function as well as in NF-кB signaling of T cells.

Molecular interaction of the human metalloprotease meprin beta with the amyloid precursor protein, ADAM10, and ADAM17 based on proteomics

Die Zinkendopeptidasen Meprin α und β sind Schlüsselkomponenten in patho(physiologischen) Prozessen wie Entzündung, Kollagenassemblierung und Angiogenese. Nach ihrer Entdeckung in murinen Bürstensaummembranen und humanen Darmepithelien, wurden weitere Expressionsorte identifiziert, z.B. Leukozyten, Krebszellen und die humane Haut. Tiermodelle, Zellkulturen und biochemische Analysen weisen auf Funktionen der Meprine in der Epithelialdifferenzierung, Zellmigration, Matrixmodellierung, Angiogenese, Bindegewebsausbildung und immunologische Prozesse hin. Dennoch sind ihre physiologischen Substrate weitgehend noch unbekannt. Massenspektrometrisch basierte Proteomics-Analysen enthüllten eine einzigartige Spaltspezifität für saure Aminosäurereste in der P1´ Position und identifizierten neue biologische Substratkandidaten. Unter den 269 extrazellulären Proteinen, die in einem Substratscreen identifiziert wurden, stellten sich das amyloid precursor protein (APP) and ADAM10 (a disintegrin and metalloprotease 10) als sehr vielversprechende Kandidaten heraus. Mehrere Schnittstellen innerhalb des APP Proteins, hervorgerufen durch verschiedenen Proteasen, haben unterschiedlichen Auswirkungen zur Folge. Die β-Sekretase BACE (β-site APP cleaving enzyme) prozessiert APP an einer Schnittstelle, welche als initialer Schritt in der Entwicklung der Alzheimer Erkrankung gilt. Toxische Aβ (Amyloid β)-Peptide werden in den extrazellulären Raum freigesetzt und aggregieren dort zu senilen Plaques. Membran verankertes Meprin β hat eine β-Sekretase Aktivität, die in einem Zellkultur-basierten System bestätigt werden konnte. Die proteolytische Effizienz von Meprin β wurde in FRET (Fluorescence Resonance Energy Transfer)-Analysen bestimmt und war um den Faktor 104 höher als die von BACE1. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass Meprin β die ersten zwei Aminosäuren prozessiert und somit aminoterminal einen Glutamatrest freisetzt, welcher nachfolgend durch die Glutaminylzyklase in ein Pyroglutamat zykliert werden kann. Trunkierte Aβ-Peptide werden nur in Alzheimer Patienten generiert. Aufgrund einer erhöhten Hydrophobie weisen diese Peptide eine höhere Tendenz zur Aggregation auf und somit eine erhöhte Toxizität. Bis heute wurde keine Protease identifiziert, welche diese Schnittstelle prozessiert. Die Bildung der Meprin vermittelten N-terminalen APP Fragmenten wurde in vitro und in vivo detektiert. Diese N-APP Peptide hatten keine cytotoxischen Auswirkungen auf murine und humane Gehirnzellen, obwohl zuvor N-APP als Ligand für den death receptor (DR) 6 identifiziert wurde, der für axonale Degenerationsprozesse verantwortlich ist. rnIm nicht-amyloidogenen Weg prozessiert ADAM10 APP und entlässt die Ektodomäne von der Zellmembran. Wir konnten das ADAM10 Propeptid als Substrat von Meprin β identifizieren und in FRET Analysen, in vitro und in vivo zeigen, dass die Meprin vermittelte Prozessierung zu einer erhöhten ADAM10 Aktivität führt. Darüber hinaus wurde ADAM10 als Sheddase für Meprin β identifiziert. Shedding konnte durch Phorbol 12-myristate 13-acetate (PMA) oder durch das Ionophor A23187 hervorgerufen werden, sowie durch ADAM10 Inhibitoren blockiert werden. rnDiese Arbeit konnte somit ein komplexes proteolytisches Netwerk innerhalb der Neurophysiologie aufdecken, welches für die Entwicklung der Alzheimer Demenz wichtig sein kann.rn

The role of bifidobacteria in newborn health and the intestinal microbial balance

Gut microbial acquisition during the early stage of life is an extremely important event since it affects the health status of the host. In this contest the healthy properties of the genus Bifidobacterium have a central function in newborns. The aim of this thesis was to explore the dynamics of the gut microbial colonization in newborns and to suggest possible strategies to maintain or restore a correct balance of gut bacterial population in infants. The first step of this work was to review the most recent studies on the use of probiotics and prebiotics in infants. Secondly, in order to prevent or treat intestinal disorders that may affect newborns, the capability of selected Bifidobacterium strains to reduce the amount of Enterobacteriaceae and against the infant pathogen Streptococcus agalactiae was evaluated in vitro. Furthermore, the ability of several commercial fibers to stimulate selectively the growth of bifidobacterial strains was checked. Finally, the gut microbial composition in the early stage of life in response to the intrapartum antibiotic prophylaxis (IAP) against group B Streptococcus was studied using q-PCR, DGGE and next generation sequencing. The results globally showed that Bifidobacterium breve B632 strain is the best candidate for the use in a synbiotic product coupled to a mixture of two selected prebiotic fibers (galactooligosaccharides and fructooligosaccharides) for gastrointestinal disorders in infants. Moreover, the early gut microbial composition was affected by IAP treatment with infants showing lower counts of Bifidobacterium spp. and Bacteroides spp. coupled to a decrement of biodiversity of bacteria, compared to control infants. These studies have shown that IAP could affect the early intestinal balance in infants and they have paved the way to the definition of new strategies alternative to antibiotic treatment to control GBS infection in pregnant women.

FaSSIF-C, a Cholesterol containing biorelevant intestinal model medium for development and test of oral drug formulations

Biorelevante Medien sind entwickelt worden, um die Bedingungen im Magen-Darm-Trakt vor und nach der Mahlzeit zu imitieren. Mit FaSSIF und FeSSIF wurden Medien eingeführt, die nicht nur die pH- und Puffer-Kapazität des Dünndarms widerspiegeln, sondern auch Lipid und physiologische Tensid-Arten enthalten. Diese Medien (FaSSIF-V2 und FaSSlFmod6.5) wurden für Bioverfügbarkeitstudien in der Medikamentenentwicklung im Laufe der Jahre kontinuierlich weiterentwickelt. Dennoch sind die auf dem Markt verfügbaren Medien immer noch nicht in der Lage, die realen physiologischen Bedingungen zu simulieren. In der jetzigen Zusammensetzung sind nicht alle Kompetenten enthalten, welche natürlicher Weise im Duodenum vorkommen. Darüber hinaus wird nur eine 1:5 Verdünnung von FeSSIF zu FaSSIF angenommen, die individuelle Wasserzufuhr bei Medikamentengabe wird hierdurch jedoch nur eingeschränkt simuliert, obwohl diese von Patient zu Patient schwanken kann. rnZiel dieser Dissertation war die Verbesserung der Vorhersage der Auflösung und Absorption lipophiler Arzneistoffe durch Simulation der Bedingungen im zweiten Teil des Zwölffingerdarms mit neuen biorelevanten Medien, sowie unter Einwirkung zusätzlicher Detergention als Wirkstoffträger. rnUm den Effekt der Verdünnungsrate und Zeit im Dünndarm zu untersuchen, wurde die Entwicklung der Nanopartikel in der Magen-Darm-Flüssigkeit FaSSIFmod6.5 zu verschiedenen Zeitpunkten und Wassergehalten untersucht. Dafür wurden kinetische Studien an verschieden konzentrierten Modellmedien nach Verdünnungssprung untersucht. Das Modell entspricht der Vermischung der Gallenflüssigkeit mit dem Darminhalt bei variablem Volumen. Die Ergebnisse zeigen, dass Art und Größe der Nanopartikel stark von Verdünnung und Einirkungszeit abhängen. rnrnDie menschliche Darmflüssigkeit enthält Cholesterin, welches in allen früheren Modellmedien fehlt. Daher wurden biokompatible und physiologische Modellflüssigkeiten, FaSSIF-C, entwickelt. Der Cholesteringehalt von FaSSIF - 7C entspricht der Gallenflüssigkeit einer gesunden Frau, FaSSIF - 10C der einer gesunden männlichen Person und FaSSIF - 13C der in einigen Krankheitszuständen. Die intestinale Teilchen-Struktur-Untersuchung mit dynamische Lichtstreuung (DLS) und Neutronen-Kleinwinkelstreuung (SANS) ergab, dass die Korngröße von Vesikeln mit zunehmender Cholesterin-Konzentration abnahm. Zu hohe Cholesterin-Konzentration bewirkte zusätzlich sehr große Partikel, welche vermutlich aus Cholesterin-reichen “Disks“ bestehen. Die Löslichkeiten einiger BCS Klasse II Wirkstoffe (Fenofibrat, Griseofulvin, Carbamazepin, Danazol) in diesen neuen Medien zeigten, dass die Löslichkeit in unterschiedlicher Weise mit der Cholesteringehalt zusammen hing und dieser Effekt selektiv für die Droge war. rnDarüber hinaus wurde die Wirkung von einigen Tensiden auf die kolloidale Struktur und Löslichkeit von Fenofibrat in FaSSIFmod6.5 und FaSSIF -7C untersucht. Struktur und Löslichkeit waren Tensid- und Konzentrations-abhängig. Im Falle von FaSSIFmod6.5 zeigten die Ergebnisse eine dreifache Verzweigung der Lösungswege. Im Bereich mittlerer Tensidkonzentration wurde eine Löslichkeitslücke der Droge zwischen der Zerstörung der Galle-Liposomen und der Bildung von Tensid-reichen Mizellen beobachtet. In FaSSIF - 7C, zerstörten Tenside in höherer Konzentration die Liposomenstruktur trotz der allgemeinen Stabilisierung der Membranen durch Cholesterin. rnDie in dieser Arbeit vorgestellten Ergebnisse ergeben, dass die Anwesenheit von Cholesterin als eine fehlende Komponente der menschlichen Darmflüssigkeit in biorelevanten Medien wichtig ist und dazu beitragen kann, das in vivo Verhalten schwerlöslicher Arzneistoffe im Körper besser vorhersagen zu können. Der Verdünnungsgrad hat einen Einfluss auf die Nanopartikel-Struktur und Tenside beeinflussen die Löslichkeit von Medikamenten in biorelevanten Medien: Dieser Effekt ist sowohl von der Konzentration das Tensids abhängig, als auch dessen Typ.rnrn

TNF suppresses acute intestinal inflammation by inducing local glucocorticoid synthesis

Although tumor necrosis factor (alpha) (TNF) exerts proinflammatory activities in a variety of diseases, including inflammatory bowel disease, there is increasing evidence for antiinflammatory actions of TNF. In contrast, glucocorticoids (GCs) are steroid hormones that suppress inflammation, at least in part by regulating the expression and action of TNF. We report that TNF induces extraadrenal production of immunoregulatory GCs in the intestinal mucosa during acute intestinal inflammation. The absence of TNF results in a lack of colonic GC synthesis and exacerbation of dextran sodium sulfate-induced colitis. TNF seems to promote local steroidogenesis by directly inducing steroidogenic enzymes in intestinal epithelial cells. Therapeutic administration of TNF induces GC synthesis in oxazolone-induced colitis and ameliorates intestinal inflammation, whereas inhibition of intestinal GC synthesis abrogates the therapeutic effect of TNF. These data show that TNF suppresses the pathogenesis of acute intestinal inflammation by promoting local steroidogenesis.

Lipopolysaccharide induces intestinal glucocorticoid synthesis in a TNFalpha-dependent manner

Stringent control of immune responses in the intestinal mucosa is critical for the maintenance of immune homeostasis and prevention of tissue damage, such as observed during inflammatory bowel disease. Intestinal epithelial cells, primarily thought to form a simple physical barrier, critically regulate intestinal immune cell functions by producing immunoregulatory glucocorticoids on T-cell activation. In this study we investigated whether stimulation of cells of the innate immune system results in the induction of intestinal glucocorticoids synthesis and what role TNF-alpha plays in this process. Stimulation of the innate immune system with lipopolysaccharide (LPS) led to an up-regulation of colonic steroidogenic enzymes and the induction of intestinal glucocorticoid synthesis. The observed induction was dependent on macrophage effector functions, as depletion of macrophages using clodronate-containing liposomes, but not absence of T and B cells, inhibited intestinal glucocorticoid synthesis. LPS-induced glucocorticoid synthesis was critically dependent on TNF-alpha as it was significantly decreased in TNF-alpha-deficient animals. Both TNF receptor-1 and -2 were found to be equally involved in LPS- and T-cell-induced intestinal GC synthesis. These results describe a novel and critical role of TNF-alpha in immune cell-induced intestinal glucocorticoid synthesis.

Immune adaptations that maintain homeostasis with the intestinal microbiota

Humans harbour nearly 100 trillion intestinal bacteria that are essential for health. Millions of years of co-evolution have moulded this human-microorganism interaction into a symbiotic relationship in which gut bacteria make essential contributions to human nutrient metabolism and in return occupy a nutrient-rich environment. Although intestinal microorganisms carry out essential functions for their hosts, they pose a constant threat of invasion owing to their sheer numbers and the large intestinal surface area. In this Review, we discuss the unique adaptations of the intestinal immune system that maintain homeostatic interactions with a diverse resident microbiota.

Like will to like: abundances of closely related species can predict susceptibility to intestinal colonization by pathogenic and commensal bacteria

The intestinal ecosystem is formed by a complex, yet highly characteristic microbial community. The parameters defining whether this community permits invasion of a new bacterial species are unclear. In particular, inhibition of enteropathogen infection by the gut microbiota ( = colonization resistance) is poorly understood. To analyze the mechanisms of microbiota-mediated protection from Salmonella enterica induced enterocolitis, we used a mouse infection model and large scale high-throughput pyrosequencing. In contrast to conventional mice (CON), mice with a gut microbiota of low complexity (LCM) were highly susceptible to S. enterica induced colonization and enterocolitis. Colonization resistance was partially restored in LCM-animals by co-housing with conventional mice for 21 days (LCM(con21)). 16S rRNA sequence analysis comparing LCM, LCM(con21) and CON gut microbiota revealed that gut microbiota complexity increased upon conventionalization and correlated with increased resistance to S. enterica infection. Comparative microbiota analysis of mice with varying degrees of colonization resistance allowed us to identify intestinal ecosystem characteristics associated with susceptibility to S. enterica infection. Moreover, this system enabled us to gain further insights into the general principles of gut ecosystem invasion by non-pathogenic, commensal bacteria. Mice harboring high commensal E. coli densities were more susceptible to S. enterica induced gut inflammation. Similarly, mice with high titers of Lactobacilli were more efficiently colonized by a commensal Lactobacillus reuteri(RR) strain after oral inoculation. Upon examination of 16S rRNA sequence data from 9 CON mice we found that closely related phylotypes generally display significantly correlated abundances (co-occurrence), more so than distantly related phylotypes. Thus, in essence, the presence of closely related species can increase the chance of invasion of newly incoming species into the gut ecosystem. We provide evidence that this principle might be of general validity for invasion of bacteria in preformed gut ecosystems. This might be of relevance for human enteropathogen infections as well as therapeutic use of probiotic commensal bacteria.

In remembrance of commensal intestinal microbes

Mammals contain an enormous load of commensal microbes in the lower intestine, which induce adaptive responses in the host immune system that ensure mutual coexistence of the host and its microbial passengers. The main way of studying how the host responds to commensal colonization has been to compare animals kept in entirely germ-free conditions and their colonized counterparts. We present an overview of our development of a reversible colonization system, whereby germ free animals can be treated with live commensal bacteria that do not persist in the host, so it becomes germ free again. We describe how this system has been used to demonstrate that there is little or no immune memory for specific IgA induction in the intestinal mucosal immune system by commensal intestinal bacteria.

Garlic extract induces intestinal P-glycoprotein, but exhibits no effect on intestinal and hepatic CYP3A4 in humans

Garlic extracts have been shown to decrease drug exposure for saquinavir, a P-glycoprotein and cytochrome P450 3A4 substrate. In order to explore the underlying mechanisms and to study the effects of garlic on pre-systemic drug elimination, healthy volunteers were administered garlic extract for 21 days. Prior to and at the end of this period, expression of duodenal P-glycoprotein and cytochrome P450 3A4 protein were assayed and normalized to villin, while hepatic cytochrome P450 3A4 function and simvastatin, pravastatin and saquinavir pharmacokinetics were also evaluated. Ingestion of garlic extract increased expression of duodenal P-glycoprotein to 131% (95% CI, 105-163%), without increasing the expression of cytochrome P450 3A4 which amounted to 87% (95% CI, 67-112%), relative to baseline in both cases. For the erythromycin breath test performed, the average result was 96% (95% CI, 83-112%). Ingestion of garlic extract had no effect on drug and metabolite AUCs following a single dose of simvastatin or pravastatin, although the average area under the plasma concentration curve (AUC) of saquinavir decreased to 85% (95% CI, 66-109%), and changes in intestinal P-glycoprotein expression negatively correlated with this change. In conclusion, garlic extract induces intestinal expression of P-glycoprotein independent of cytochrome P450 3A4 in human intestine and liver.